En mayo del año pasado, el ingeniero electricista Hugo Hernández Figueroa presentó en un congreso en Chengdu, ciudad situada en el sudoeste de China, los resultados del trabajo de su grupo de investigación con sede en la Universidad de Campinas (Unicamp), Brasil. Se trataba de un dispositivo llamado aislador óptico, fabricado en colaboración con el Instituto de Tecnología de Tokio, en Japón. Con 150 micrones cuadrados (1 micrón es la milésima parte de un milímetro), la pieza recibe la luz de una fuente, normalmente un láser de alta potencia, y la transmite al circuito óptico sin reflejarla, evitando así que la radiación luminosa enviada de regreso dañe el funcionamiento de la fuente.
En noviembre hubo otro motivo para celebrar: los experimentos que el mismo grupo llevó a cabo para medir la actividad neuronal del corazón de un ratón, utilizando un sensor fotónico de 1 milímetro cuadrado (mm2) equipado con nanoantenas que captan las variaciones del campo eléctrico producido por las neuronas, fueron un éxito. A medida que se vaya avanzando en el desarrollo del dispositivo, ahora fabricado en colaboración con investigadores del centro nanoGune, de España, podría resultar útil para el diagnóstico médico no invasivo de enfermedades neurodegenerativas y la conservación de órganos para trasplantes.
Los prototipos de la Unicamp y de otros centros de investigación de Brasil reflejan el esfuerzo nacional por seguir el ritmo del desarrollo de una nueva generación de chips, los chips fotónicos. Los dispositivos de este tipo generan, transmiten y captan información a través de fotones, partículas asociadas a una onda luminosa, controlando su amplitud (la distancia vertical entre el eje central y el pico más alto o el más bajo de la onda), su frecuencia (el número de repeticiones por unidad de tiempo) y su fase (el desplazamiento espacial o temporal de la onda). Se han convertido en un componente muy solicitado por las empresas de telecomunicaciones debido a su eficiencia para transmitir datos, su tamaño compacto y el ahorro energético que suponen. Con todo, a causa de los altos costos de fabricación, su empleo a gran escala puede llegar a demorarse algunos años.
A medida que su uso se expanda, podrán aumentar el rendimiento y la eficiencia energética de las redes 5G, las supercomputadoras y los centros de procesamiento de datos (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 337), perfeccionar el diagnóstico médico y elevar la seguridad de los coches sin conductor, complementando las funcionalidades de los chips electrónicos, que se acercan a sus límites en lo que respecta al tamaño y velocidad de procesamiento. En otros países, muchos centros de investigación, empresas y gobiernos pugnan por hacerse un espacio en un mercado mundial estimado en 9.400 millones de dólares para 2032 (véase el recuadro).
Los también llamados procesadores de luz o circuitos integrados fotónicos ya son una realidad, pero la producción aún se realiza por demanda en pocas fábricas, principalmente en China, Taiwán, Singapur, Bélgica, Estados Unidos y Canadá. “Tenemos capacidad para producir y caracterizar prototipos de chips fotónicos en universidades y centros de investigación de São Paulo, Río de Janeiro y Minas Gerais, pero nuestra producción todavía es artesanal”, comenta Hernández Figueroa. “Por lo general, quienes tienen que lidiar con los dispositivos son investigadores o estudiantes”. Para contar con el apoyo de equipos especializados y asegurar la calidad de los próximos prototipos, encargará la fabricación del aislador y el sensor a una empresa con sede en Bélgica, para lo que abonará unos 200.000 reales por 15 copias del aislador y 15 del sensor.
La ventaja de que sean los propios estudiantes ‒normalmente doctorandos‒ quienes operen las máquinas que fabrican los prototipos radica en la posibilidad de formar especialistas con un enfoque práctico, capaces de resolver eventuales problemas a lo largo del proceso de producción, según lo sostiene el físico Gustavo Wiederhecker, de la Unicamp, coordinador del Programa FAPESP en Tecnologías Cuánticas (QuTla). “La fotónica es el pilar del programa de tecnologías cuánticas y la subárea con mayor cantidad de investigadores, tanto en São Paulo como en otros estados”.
Para reforzar la infraestructura, el Centro de Componentes Semiconductores y Nanotecnologías (CCSNano) de la Unicamp recibirá en octubre un equipo de litografía por haz de electrones, capaz de grabar el molde que permite tallar en las placas de silicio las pistas por las que discurrirá la luz. Este dispositivo, adquirido a través del programa Multiusuarios de la FAPESP por alrededor de 2,8 millones de dólares, se sumará a otro con las mismas funciones que se encuentra en funcionamiento desde el año 2011.
“Todos los equipos de prototipado requieren un mantenimiento permanente”, dice Wiederhecker. “Si solo hay uno y tiene un desperfecto, el trabajo puede quedar en pausa durante meses”. Por esta razón, a veces los investigadores deben hacer lo que él denomina un peregrinaje entre las universidades de Minas Gerais, Río de Janeiro y São Paulo en busca de máquinas que puedan utilizar.
Los chips fotónicos contienen dos o más componentes ópticos añadidos a los electrónicos, que reemplazan parcialmente sus funciones. “El chip no es solo fotónico, y probablemente nunca lo será, porque el láser, un componente indispensable, necesita de una corriente eléctrica para emitir energía bajo la forma de fotones”, explica el ingeniero electricista Marcelo Segatto, de la Universidad Federal de Espírito Santo (Ufes). “Una de las funciones de los electrones consiste en calentar partes del chip, modificando el índice de refracción y alterando la cantidad de luz transmitida”.
En los chips de este tipo, los fotones recorren un tipo de pista y los electrones otro, hacia los dispositivos, los transistores, fabricados con fosfuro de indio o de silicio, el material predominante en los circuitos que se utilizan en las computadoras y teléfonos celulares. “La diferencia con los chips actuales reside en que la fotónica hace bien lo que hace la electrónica y también lo que la electrónica no puede, debido a las propiedades de la luz”, dice. “¿Un ejemplo? Dos fotones pueden atravesarse mutuamente sin interactuar, como dos fantasmas, pero dos electrones no”.
Mediante un llamado a la presentación de propuestas del Consejo Nacional de Fundaciones de Apoyo a la Investigación Científica (Confap) de los estados brasileños y la Comunidad Europea, emitido en 2022, Segatto construyó el prototipo de un chip fotónico de 1 mm2 que simula el funcionamiento de una neurona cerebral. “Un chip fotónico que funciona como una neurona consume mil veces menos energía que su equivalente electrónico, ya que su estructura es más simple”, describe Segatto, quien forma parte de uno de los Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE, en portugués) en inteligencia artificial financiados por la FAPESP.
Laboratorio de Telecomunicaciones de la UfesEl chip de la Ufes, parte de una red neural óptica, con bajo consumo de energíaLaboratorio de Telecomunicaciones de la Ufes
Como una neurona
El equipo de la Ufes diseñó los dispositivos y las funciones del chip en un programa computacional y envió el prototipo virtual a una empresa británica, que lo construyó. El chip que reproduce el funcionamiento de una neurona se probó posteriormente en la Universidad de Trento, en Italia, con la participación del equipo brasileño. Un artículo publicado en diciembre en la revista Journal of Lightwave Technology describe un mecanismo destinado a regular la llegada de la información al otro extremo del chip. El haz de luz se divide en varios subhaces y cada uno de ellos atraviesa entre uno y siete dispositivos en forma de espiral. Los que tienen que recorrer más espirales se retrasan en comparación con los que recorren menos. Cada espiral retrasa el subhaz 25 picosegundos (10-12 segundos).
Como el prototipo del chip de la Ufes está hecho de silicio, Segatto supuso que el fabricante estatal de semiconductores, el Centro Nacional de Tecnología Electrónica Avanzada (Ceitec), con sede en Porto Alegre [Rio Grande do Sul], podría continuar con su desarrollo, ya que allí trabajan con este material. Con esta premisa, el grupo de la Ufes y otros expertos en la materia de la Unicamp y del Sistema Nacional de Laboratorios de Fotónica (Sisfotón) enviaron en enero de 2023 una carta al Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI) nacional proponiendo el fortalecimiento del Ceitec, que vivió momentos aciagos.
La compañía, creada en 2002, sufrió un duro revés en 2021, cuando el gobierno federal decretó su disolución. El Tribunal Federal de Cuentas frenó la operación y el gobierno actual anuló el decreto, pero en ese ínterin, 100 de sus 170 empleados abandonaron el Ceitec. En diciembre de 2023, se aprobó un plan de reestructuración que prioriza la implementación, a partir de este año, de equipos para producir los llamados semiconductores de potencia, que se utilizan para la conversión de la energía en las centrales eólicas o solares.
“Podríamos utilizar parte de esta infraestructura para desarrollar prototipos en el área de la fotónica, pero no es una prioridad”, comenta el ingeniero electricista Eric Fabris, superintendente de Productos, Investigación y Desarrollo de la empresa. “De momento, las posibilidades de que el Ceitec se adentre de lleno en la fotónica son remotas”.
En 2018, cuando él y su equipo comenzaron a desarrollar un chip fotónico, el tecnólogo en telecomunicaciones Rafael Carvalho Figueiredo, de Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações (CPQD), también de Campinas, ya sabía que sería muy difícil avanzar más allá de la fase de prototipo de laboratorio. “El mercado nacional, en gran medida, está centrado en el ensamblado de componentes importados, pero proyectos como éste constituyen pasos importantes para impulsar el desarrollo local y abrir nuevas oportunidades para la industria”, comenta. El trabajo formaba parte del proyecto Teranet – Sistemas Ópticos en 1 Tb/s (terabits por segundo) para Internet del Futuro, patrocinado por la agencia federal Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep), con recursos procedentes del Fondo para el Desarrollo Tecnológico de la Telecomunicaciones (Funttel).
El chip fue diseñado en CPQD, fabricado en Bélgica y terminado en el centro de Campinas. Con aplicaciones potenciales en telecomunicaciones, el dispositivo de 25 mm2 posee un transceptor, que combina un transmisor y un receptor en un mismo dispositivo, convirtiendo las señales eléctricas en lumínicas y viceversa.
Su capacidad de transmisión es de 1,2 Tb/s, superior a los 800 gigabits por segundo (Gb/s) de los equivalentes comerciales más avanzados. Durante el mes de marzo se concluyeron con resultados satisfactorios las pruebas del chip, utilizado en uno de los extremos de un haz de fibra óptica de 500 kilómetros (km). “Podemos mejorarlo, de contar con un socio para continuar con el desarrollo”, dice Figueiredo.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPEl equipo de litografía de la Unicamp para el modelado de chips: es capaz de escribir con resoluciones inferiores a los 10 nanómetrosLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
Su colega, el ingeniero electricista Tiago Sutili apostilló: “Aunque este trabajo no tenga continuidad, el conocimiento no se perderá”. Según él, la experiencia sirvió como base para la realización de nuevas investigaciones, como el desarrollo de un modulador electroóptico, uno de los componentes principales del transmisor, descrito en septiembre de 2023 en la revista Scientific Reports, en colaboración con investigadores de la Universidade Estadual Paulista (Unesp). “También aprovechamos lo que aprendimos para perfeccionar otros procesos de microfabricación e integración electroóptica de chips fotónicos”, añade.
El ingeniero electricista Arismar Cerqueira Sodré Junior y su equipo, de Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel), una institución privada de educación superior con sede en Santa Rita do Sapucaí, Minas Gerais, encontró otros caminos. De 2019 a 2023, uno de los investigadores de su grupo, el ingeniero en telecomunicaciones Eduardo Saia Lima, trabajó durante su doctorado en la caracterización y la aplicación de un chip fotónico diseñado por científicos de dos universidades de Italia, con quienes los brasileños colaboraban, y fabricado en el Reino Unido.
Un dispositivo potenciado
Saia Lima utilizó el chip para multiplicar la frecuencia de la luz de 2,6 gigahercios (GHz) a 26 GHz, tal como lo describe en un artículo publicado en septiembre de 2022 en Scientific Reports. “Logramos generar una señal 5G utilizando luz con un dispositivo relativamente barato y con el mismo rendimiento que un generador de radiofrecuencia comercial, que es muy caro”, comenta. Según él, esta mejora podría ser muy útil en las redes de internet 5G.
“Nuestro trabajo no se detuvo”, comenta Sodré Junior. Con base en esos resultados, comenzó a trabajar con un grupo de la Unicamp coordinado por el ingeniero electrónico Evandro Conforti en el desarrollo de un amplificador óptico semiconductor, también para multiplicar la frecuencia en internet de alta velocidad. El chip, diseñado por una empresa de los Países Bajos, será producido en Berlín (Alemania), y su costo rondará los 20.000 euros. “El dispositivo, con dimensión de 2 por 5 mm, contará con un interruptor fotónico de alta velocidad con varias salidas de luz”, comenta Conforti.
Con éste y otros trabajos, los científicos están adquiriendo experiencia en el diseño y las pruebas de chips fotónicos, como así también en la fabricación de prototipos, aunque la producción nacional no sea viable a corto plazo, dada la alta inversión que requiere y la competencia internacional. “No es rentable invertir en una fábrica en Brasil”, comenta Wiederhecker, de la Unicamp. “Lo que necesitamos es una sala limpia [un ambiente esterilizado], que permita que cualquier investigador pueda completar su trabajo sin interrupciones y que los tecnólogos desarrollen nuevas aplicaciones. Este es un modelo exitoso que ya he visto en otros países”.
Gobiernos, empresas e institutos de investigación científica anuncian innovaciones y pugnan por ser pioneros en este campo
FMN Lab / Wikimedia commonsProducción de un chip fotónico que simula el funcionamiento de una neurona en un laboratorio de la Universidad Técnica Estatal Bauman de MoscúFMN Lab / Wikimedia commons
Centros de investigación de China y Estados Unidos dieron a conocer avances recientes que podrían acelerar el desarrollo de los chips fotónicos. En mayo del año pasado, científicos del Instituto de Tecnología de la Información y Microsistemas de Shanghái (China), en colaboración con la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza), anunciaron una innovación capaz de ampliar y abaratar la producción de los chips fotónicos: la sustitución de un material semiconductor de alto costo utilizado en su producción, el niobato de litio, por tantalato de litio, que también convierte la electricidad en luz, pero a un costo menor.
A la par, en diciembre, un grupo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, y de la empresa finlandesa Nokia, describieron en la revista Nature Photonics un chip fotónico producido mediante procesos de fundición comerciales, lo que podría reducir los costos de fabricación. Con módulos interconectados que simulan una red neuronal, el dispositivo completó los cálculos claves para una tarea de clasificación de aprendizaje automático en menos de medio nanosegundo con un 92 % de precisión, un rendimiento similar al del dispositivo electrónico convencional.
Gobiernos y empresas también se están movilizando. En octubre, el Departamento de Comercio de Estados Unidos anunció que podría aportar hasta 93 millones de dólares de financiación para que la compañía fabricante de semiconductores ópticos Infinera multiplique por 10 su producción de chips fotónicos en su planta de la ciudad de San José, en California. Los gigantes tecnológicos estadounidenses ‒Intel, Cisco, Agilent, Ciena, Hewlett Packard e IBM‒ y al menos uno chino ‒Huawei‒ se apresuran a ultimar el desarrollo de sus productos, integrando componentes electrónicos y fotónicos.
Lo propio está ocurriendo en Europa. En mayo de 2024, la empresa de computación fotónica iPronics, surgida en la Universidad Politécnica de Valencia (España), informó que invertiría 3,7 millones de euros para ampliar su escala de producción y poner a disposición de los usuarios un chip fotónico multifuncional y programable presentado tres meses antes en la revista Nature Communications.
En septiembre, la startup Ephos anunció la inauguración de una fábrica en Milán (Italia), para producir chips fotónicos de vidrio destinados a la computación cuántica, como resultado de una inversión de 8,5 millones de dólares, en parte procedentes de empresas estadounidenses y también del Consejo de Innovación Europeo (EIC). En noviembre, un consorcio integrado por 11 países de la Unión Europea anunció una inversión de 380 millones de euros para la construcción de una planta piloto de fabricación de chips fotónicos.
En septiembre de 2023, la compañía Rockley Photonics, de Oxford (en el Reino Unido), anunció que estaba “obteniendo rápidos avances hacia una detección de glucosa no invasiva utilizando su propia plataforma fotónica de silicio”. El objetivo es monitorear los componentes de la sangre con un dispositivo ponible dotado de sensores capaces de monitorizar la sangre en forma no invasiva mediante espectroscopía infrarroja de onda corta en tiempo real. Un dispositivo similar para medir la tensión arterial superó la primera fase de pruebas en seres humanos con resultados satisfactorios.
Este artículo salió publicado con el título “Chips fotónicos en marcha” en la edición impresa n° 348 de febrero de 2025.
Proyectos
1. Fotónica para internet de nueva generación (no 15/24517-8); Modalidad Proyecto Temático; Convenio/Acuerdo MCTI/MC; Investigador responsable Hugo Enrique Hernández Figueroa (Unicamp); Inversión R$ 1.916.985,63.
2. IARA – Inteligencia Artificial Recreando Ambientes (no 20/09835-1); Modalidad Programa de Centros de Investigaciones en Ingeniería; Convenio/Acuerdo MCTI/MC; Investigador responsable André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho (USP); Inversión R$ 4.303.073,88.
3. Tecnologías estratégicas para internet de alta velocidad (no 21/06569-1); Modalidad Proyecto Temático (acuerdo de cooperación con el MCTIC); Investigador responsable Evandro Conforti (Unicamp); Inversión R$ 2.471.735,98 más US$ 279.283,71.
Artículos científicos
BANDYOPADHYAY, S. et al. Single-chip photonic deep neural network with forward-only training. Nature Photonics. v. 18, p. 1335-43. 2 dic. 2024.
LIMA, E. S. et al. Integrated optical frequency comb for 5G NR Xhauls. Scientific Reports. v. 12, 16421. 30 sep. 2022.
MARCIANO, P. R. N. et al. Analysis of a photonic integrated circuit for passive optical network for 5G NR. Applied Optics. v. 62, n. 8, p. 71-9. 10 mar. 2023.
MARCIANO, P. R. N. et al. Chromatic distortion precompensation in OFDM-based optical systems through na integrated silicon photonic neural network. Journal of Lightwave Technology. Online. 5 dic. 2024.
PAULA JR., R. A. de et al. Design of a silicon Mach–Zehnder modulator via deep learning and evolutionary algorithms. Scientific Reports. v. 13, 14662. 5 sep. 2023.
PÉREZ-LÓPES, D. et al. General-purpose programmable photonic processor for advanced radiofrequency applications. Nature Communications. v. 15, 1563. 20 feb. 2024.
