Fotónica integrada y el futuro de las telecomunicaciones

Laura Martínez Maestro

El premio Nobel de física del año 2000 fue para Jack Kilby y Robert Norton Noyce, dos ingenieros, por su participación en la invención del circuito integrado. Ambos habían llegado más o menos al mismo tiempo, a finales de los años cincuenta, a una solución equivalente utilizando dos materiales distintos, buscando una miniaturización y compactación de la electrónica discreta que revolucionó el mundo de la electrónica. Kilby utilizó el germanio mientras que Noyce el silicio. Este segundo material, por su abundancia, fue el ganador de la batalla y, durante los últimos cincuenta años, la base de los circuitos integrados ha sido el silicio. Este elemento es el segundo más abundante en la corteza terrestre y lo podemos encontrar en los vidrios de nuestras ventanas y también en la arena de nuestras playas.

Figura 1. Irwin Goldstein prepara los interruptores de una de las mesas de funcionamiento del ENIAC en la Moore School of Electrical Engineering. Crédito de imagen: Archivo del ejército de EEUU, Historic Computer Images, Wikipedia.

A pesar de utilizar el mismo principio desde su invención, los transistores, uno de los componentes de los circuitos integrados más comunes, han cambiado bastante, sobre todo en su tamaño. Los primeros transistores medían 0.01 milímetros mientras que ahora apenas llegan a los 10 nm, casi 10000 veces más pequeños.

Este hecho ha propiciado el incremento de la potencia de procesado de los dispositivos electrónicos a la vez que hemos reducido su tamaño. Para hacernos una idea, el considerado como primer ordenador, el ENIAC, ocupaba una habitación entera y pesaba 27 toneladas. Su potencia de cálculo era de unas 5000 sumas por segundo, unas mil veces inferior a la potencia de procesado de los teléfonos que usamos a día de hoy. Sin embargo y a pesar del éxito innegable de esta tecnología, estamos llegando a su límite. Va a ser físicamente imposible reducir más el tamaño de los transistores, porque no los podemos hacer menores que un átomo. A la vez que este tamaño reducido causa otro tipo de problemas con los cables de cobre por los que circula la corriente eléctrica.

Entre las limitaciones de los cables de cobre se encuentran: el límite en el ancho de banda, es decir, la cantidad de información que podemos transmitir por estos cables, por unidad de tiempo; las pérdidas de corriente e interferencias entre cables cercanos, la disipación de calor de estos cables y también el espacio que ocupan. Una de las soluciones a todos estos problemas podría encontrarse en la fotónica integrada que, en lugar de utilizar electrones y cables de cobre utilizaría fotones, es decir, luz) y fibra óptica para transmitir la información con la gran ventaja de tener un mayor ancho de banda y velocidad en la transmisión de la información, ¡ni más ni menos que la velocidad de la luz!

FigurA 2. Fibra óptica en la que se están dando lugar efectos no lineales que generan supercontínuo. Crédito de imagen: Blinking Spirit, Wikipedia.

En los procesos industriales, el coste de producción también es muy importante, ¿qué ocurre con el coste que acarrea reemplazar una tecnología ya existente? Esta situación es uno de los mayores frenos a la implantación de la fotónica integrada. Sin embargo, utilizando fotónica basada en silicio podríamos tener la solución. Esta tecnología puede ser producida con los procesos industriales con los que ya se fabrican los microchips a día de hoy pero modificando sus diseños para transmitir luz en lugar de electrones. De hecho, esto es algo que ya estamos haciendo, utilizándolos entre otras aplicaciones para interconectado de datos, supercomputadoras y sensores ya sea para diagnosticar enfermedades o detectar explosivos.

Sin embargo, esta tecnología también tiene sus problemas. El silicio transmite muy bien la luz, pero es muy mal emisor de ella.  Así tenemos que se comporta muy bien como “un cable de cobre” en nuestro símil con los electrones, siendo transparente a la luz infrarroja en la conocida como “banda de las telecomunicaciones”, pero no tenemos a día de hoy un emisor de luz basado en el silicio. El silicio tiene lo que se conoce como una transición de banda indirecta. Las transiciones de banda son directas si los electrones pueden emitir un fotón directamente o indirectas si no pueden emitir un fotón directamente y tienen que ser asistidos por la red cristalina del material. En este segundo proceso se pierde energía y se calienta el material.

Es aquí donde entra uno de los proyectos en los que estoy participando como investigadora involucrando esfuerzos de la McMaster University en Canadá, la Universidad de Salford y la Universidad de Manchester en Reino Unido, buscamos modificar germanio, precisamente el compuesto con el que se crearon unos de los primeros transistores, para que emita luz en la misma banda de frecuencias a la que el silicio es transparente y puede transmitirla.

Este elemento, a pasar de no ser un buen emisor tampoco en esta banda, lo que conocemos como una transición indirecta, esta transición es más pequeña que en el caso del silicio y, por tanto, es más sencilla conseguir modificarla para que se convierta en directa, consiguiendo de esta manera emisión de luz. Estas modificaciones en las propiedades de los materiales se pueden llevar a cabo de muchas maneras diferentes, desde añadiendo iones de materiales distintos, a cambiando su temperatura o, como en nuestro caso, creando tensiones en el material que deforman su estructura cristalina modificando a la vez sus propiedades ópticas

Queda mucho que estudiar en este campo, tanto en la ingeniería de la técnica como en su estabilidad. No obstante, tanto nuestros estudios como los de otros grupos están empezando a dar resultados prometedores que nos llevan a pensar que el futuro de las comunicaciones podría venir de la mano de la fotónica integrada.

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Por Laura Martínez Maestro (@Laurawendy), Profesora de Física en la School of Computing, Science and Engineering de la Universidad de Salford.

Más información:

  1. ENIAC. Fuente: Wikipedia.
  2. Antony et al., 2020.
  3. Jiang et al., 2019.
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