Los circuitos integrados fotónicos (PIC) utilizan procesos de fabricación desarrollados para la industria de los semiconductores con el fin de miniaturizar la compleja funcionalidad óptica en un chip. Los PIC ofrecen ventajas significativas sobre los circuitos integrados electrónicos.

Dado que la luz viaja aproximadamente tres veces más rápido que la electricidad, los PIC pueden transmitir datos con un rendimiento mucho mayor. Las pérdidas de propagación también suelen ser mucho menores en comparación con las pérdidas de resistencia en los circuitos integrados electrónicos. Estas características permiten que las guías de ondas fotónicas logren una eficiencia de transferencia de datos hasta diez veces mejor, un ancho de banda cien veces mayor y una latencia mucho más corta (0,3 veces) en comparación con sus homólogos electrónicos, a la vez que suelen ahorrar energía. Además, los PIC pueden integrarse en los procesos CMOS modernos y son relativamente fáciles de combinar con los sistemas electrónicos existentes. Esto mejora su versatilidad y eficacia en el avance de la tecnología de comunicación de datos.

No debería sorprender que los transceptores PIC se estén convirtiendo rápidamente en herramientas esenciales en la revolución de la IA, donde aceleran las conexiones entre nodos en centros de datos al tiempo que reducen el consumo de energía, lo que permite entrenar y ejecutar modelos de IA más grandes. El reciente informe de IDTechEx sobre el tema, «Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Tecnologías, mercado, previsiones», predice que esta aplicación será la que más contribuya a los 54 000 millones de dólares previstos para el mercado de PIC en 2035. Sin embargo, el impacto de los PIC se dejará sentir en muchas otras aplicaciones, como la conexión de estaciones base 5G, el LiDAR e incluso la computación cuántica fotónica.

Fotónica de silicio: ¿por qué son importantes las plataformas alternativas?

Se espera que las oportunidades para las plataformas de circuitos integrados fotónicos crezcan en la próxima década. Fuente: IDTechEx

La fotónica de silicio, que aprovecha los procesos semiconductores existentes, es la clase de material PIC más común. Esta suele utilizar una plataforma de material de silicio sobre aislante (SOI) de silicio y sílice. La compatibilidad con los procesos de nodo maduro ha hecho que una amplia franja del mercado de la fundición haya invertido en la fabricación de PIC, y TSMC ha destacado la importancia de la tecnología con la introducción de un proceso de fabricación de fotónica de silicio de 65 nm en 2024. Sin embargo, a medida que el mercado se expanda en la próxima década, se espera que crezcan las oportunidades para materiales alternativos que no sufran algunas de las desventajas de la fotónica de silicio.

Sustituir el silicio en los sistemas SOI por nitruro de silicio (SiN) ofrece una plataforma alternativa de fotónica de silicio. El nitruro de silicio tiene menores pérdidas y mayor eficiencia energética, con una ventana de transparencia más amplia. Sin embargo, su ecosistema de fabricación es limitado, y el bajo contraste dieléctrico del SiN con la sílice aumenta el uso de área. Por lo tanto, se utiliza principalmente en aplicaciones no relacionadas con las comunicaciones, donde el amplio rango de transparencia de los materiales es más importante, como la detección de gases y la biodetección.

El silicio tiene una banda prohibida indirecta, lo que lo convierte en un emisor de luz ineficiente. Esto hace necesario combinar el silicio con materiales III-V para integrar láseres y fotodetectores, lo que aumenta la complejidad de la plataforma. La construcción de PIC en una plataforma monolítica de fosfuro de indio (InP) resuelve este problema. El InP tiene una banda prohibida directa, adecuada para fuentes de luz y fotodetectores, y ya se utiliza en telecomunicaciones. Sin embargo, los PIC de InP son generalmente más caros, con mayores pérdidas por adsorción y obleas más pequeñas y costosas.

Estos factores han limitado la adopción del InP monolítico, y el material se integra más comúnmente en plataformas fotónicas de silicio. No obstante, IDTechEx señaló que ofrece el rendimiento más completo entre los materiales PIC durante su evaluación comparativa de plataformas de materiales para «Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts», con un ahorro de costes previsto para la próxima década que debería aumentar su importancia en el mercado global.

Los PIC de niobato de litio de película fina (TFLN) se encuentran en un nivel de preparación tecnológica inferior. La estabilidad química del TFLN limita la compatibilidad con los procesos CMOS estándar y, al igual que con el silicio, deben integrarse otros materiales como fuentes de luz y detectores. Sin embargo, el bajo nivel de pérdidas y el fuerte rendimiento electroóptico del TFLN, gracias a su moderado efecto Pockels, lo hacen ideal para aplicaciones de modulación de alto rendimiento, incluidos los sistemas cuánticos y los transceptores de rendimiento ultraalto.

La titanita de bario (BTO) presenta uno de los efectos Pockels más fuertes conocidos y un coeficiente electroóptico 100 veces mayor que el TFLN, lo que la convierte en el estándar de referencia para el rendimiento de modulación. Sin embargo, sus mayores pérdidas en comparación con el TFLN limitan su utilidad en aplicaciones de transceptores, lo que sugiere que los sistemas fotónicos cuánticos, donde la eficiencia de modulación es primordial, son su mejor opción de mercado. Aunque es importante a largo plazo, se espera que esto represente desafíos de escalado. A diferencia de la TFLN, la BTO carece de un PDK (kit de diseño de procesos) abierto, lo que aumenta los retos de adopción.

El futuro de los circuitos integrados fotónicos

El análisis de IDTechEx espera que el SOI siga siendo dominante en el mercado de los PIC. Sin embargo, se prevé que el InP monolítico y la TFLN ganen cuota de mercado debido al crecimiento de las aplicaciones más allá de las comunicaciones y a la necesidad de velocidades de modulación cada vez mayores en la informática.

A pesar de su menguante cuota del pastel total, se espera que el mercado de la fotónica de silicio siga creciendo a una tasa compuesta anual del 20 % durante el período de previsión de 10 años del informe de IDTechEx, «Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2025-2035: Technologies, Market, Forecasts», lo que representa una enorme oportunidad.

Autor: Sam Dale, analista tecnológico sénior de IDTechEx