La fotónica no es una tecnología nueva, pero su aplicación está cobrando gran protagonismo en el día a día. Es más, actualmente nos encontramos en lo que se ha bautizado como una nueva era de “la ciencia y la tecnología de la luz” y dado el potencial que este avance tiene para mejorar la innovación en varias industrias ha sido reconocida como una de las tecnologías facilitadoras clave (TFE) de Europa del siglo XXI. Veamos por qué es así.
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En qué consiste la fotónica
La fotónica se considera la ciencia y la tecnología de la luz. Estudia cómo utilizar los fotones, las partículas elementales de luz, para transmitir información. Abarca la generación, guía, manipulación, amplificación y detección de estos fotones y aprovecha las propiedades de estas partículas en aplicaciones como láseres, circuitos integrados o telecomunicaciones. Es decir, es la responsable de muchos de los avances que han transformado nuestra vida cotidiana: láseres, fibras ópticas, cámaras y pantallas de los smartphones, iluminación en coches, hogares…
Las comunicaciones basadas en fibra que utiliza Internet emiten, transportan y captan fotones cargados de información
La fotónica tiene sus raíces en el desarrollo de la teoría cuántica de la luz a principios del siglo XX. En 1905, Albert Einstein propuso la teoría del efecto fotoeléctrico, explicando cómo la luz puede ser considerada como partículas llamadas fotones. Este concepto fue fundamental para entender la dualidad onda-partícula de la luz y sentó las bases de lo que hoy en día conocemos como fotónica.
Desde un plano práctico, esta tecnología comenzó a desarrollarse en la década de 1960, cuando Theodore Maiman inventó el láser lo que supuso todo un logro al permitir la manipulación precisa de la luz. Por aquél entonces, la electrónica -que utiliza flujos de electrones, partículas elementales de electricidad-, dominaba. Recurrir a los fotones supuso un salto evolutivo ya que son más rápidos y eficientes. En la actualidad, la fotónica está completamente integrada en nuestro día a día.
La fotónica integrada
La fotónica integrada hace alusión a la integración de componentes y circuitos fotónicos en un solo sustrato o chip, de manera similar a cómo se integran los componentes electrónicos en los circuitos integrados en la micro y nanoelectrónica. Esta tecnología se utiliza para manipular la luz y las señales ópticas en aplicaciones que van desde las comunicaciones hasta la computación y la detección. En detalle, la integración fotónica se refiere a la combinación de múltiples componentes fotónicos, como guías de onda, moduladores, detectores, etc., en un solo sustrato para crear circuitos y sistemas ópticos compactos y altamente funcionales.
En nuestros días, la aparición de nuevas aplicaciones (5G, 6G, realidad virtual, Inteligencia artificial) que demandan cada vez mayor velocidad de proceso junto con la saturación en la capacidad de los circuitos electrónicos hacen de la fotónica integrada una tecnología clave. Así las cosas, la fotónica integrada se ha identificado en el PERTE CHIP como uno de sus pilares esenciales. Más allá de este programa de ayudas, España ha dado un paso estratégico en la consolidación de su ecosistema nacional de fotónica integrada con la adjudicación de financiación a cuatro instituciones científicas y académicas. Esta financiación, que se duplicará mediante cofinanciación europea hasta alcanzar un total de 124,2 millones, forma parte de la Línea Piloto de Fotónica Integrada en el marco de la iniciativa Chips Joint Undertaking (Chips JU).
La inversión pública española se ha canalizado hacia cuatro entidades con un papel complementario en la cadena de valor de la fotónica integrada:
- Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO): recibirá 46,2 millones de euros en total
- Universidad Politécnica de Valencia: inversión total de 33 millones de euros
- Centro Nacional de Microelectrónica (CNM): 30 millones de euros
- Universidad de Vigo: 15 millones de euros de inversión total
Este enfoque distribuido entre actores especializados pretende cerrar el ciclo completo de I+D+i en chips fotónicos en suelo nacional: desde el diseño hasta la fabricación y la validación funcional, incluyendo su integración con otras tecnologías clave como la RF, la IA o el control automático.
Esta Línea Piloto de Fotónica Integrada se inscribe en el marco de la iniciativa europea Chips Joint Undertaking, creada para contrarrestar la dependencia tecnológica de terceros países en el ámbito de los semiconductores. Esta entidad público-privada integra a la Comisión Europea, Estados Miembros y empresas industriales, con el objetivo de duplicar la cuota de producción mundial de chips en Europa hasta alcanzar el 20% en 2030, tal como establece el European Chips Act.
El presupuesto global de la línea piloto asciende a 380 millones de euros, y su ejecución se prolongará durante cinco años. España asume un papel destacado al concentrar aproximadamente el 33% del presupuesto total y ejercer como país coordinador de la iniciativa.
Cómo funciona la fotónica
Como hemos mencionado antes, los fotones son las partículas elementales de la luz. Los científicos han estado estudiando la luz durante cientos de años. Los colores del arco iris son una pequeña parte del espectro electromagnético ya que la fotónica explora una variedad más amplia de longitudes de onda, desde los rayos gamma y los rayos X hasta las microondas y las ondas de radio, ultravioleta e infrarrojos.
Su bajo consumo de energía, su rápida velocidad, su reducido tamaño y su alto rendimiento la convierten en sucesora de la actual tecnología eléctrica
Hasta ahora esta ciencia se basaba fundamentalmente en dispositivos de silicio, que limitaban la velocidad y las aplicaciones, además de ofrecer soluciones energéticamente poco eficientes. En el presente, gracias al desarrollo de nuevos materiales como el grafeno, ofrece nuevas posibilidades, desde la creación de sistemas de comunicaciones más sostenibles hasta la fabricación de sensores de amplio espectro para vehículos autónomos y robots.
Respecto a su funcionamiento, podrías citar cuatro principios básicos. El primero de ellos es de generación de luz para el que se emplean semiconductores, como diodos LED o láseres, para emitir fotones.
Luego estaría la manipulación. La luz se controla mediante componentes pasivos y activos, como guías de onda (cables de luz en chips), moduladores (codifican datos cambiando la intensidad de la luz) y filtros.
Tras ello está la transmisión: Los fotones viajan a través de fibras ópticas de alto rendimiento a la velocidad de la luz, facilitando una comunicación rápida y de baja pérdida.
Y, finalmente, la detección. Los fotodetectores convierten la información óptica nuevamente en señales eléctricas para su procesamiento, o se utilizan en imágenes médicas y sensores.
Usos actuales de la fotónica
La fotónica está presente en diferentes campos de actividad, desde comunicaciones ópticas de datos hasta imágenes, iluminación y pantallas, hasta el sector manufacturero, las conocidas como ciencias de la vida, la atención médica, la seguridad y la protección.
Realmente podríamos decir que está en todas partes: en electrónica de consumo (los escáneres de códigos de barras, lectores de DVD, control remoto de TV), las telecomunicaciones (Internet con transmisiones a través de fibra óptica), la salud (cirugía del ojo, instrumentos médicos, resonancia magnética, tomografías de coherencia óptica), la industria manufacturera (corte por láser y mecanizado), defensa y seguridad (cámara de infrarrojos, sensores remotos, herramientas como el LIDAR), entretenimiento (holografía, espectáculos de láser, tecnologías LED y OLED o realidad aumentada), y un largo etcétera.
Aplicaciones futuras de la fotónica: porqué es una de las tecnologías del futuro
Se considera la fotónica como una de las tecnologías de mayor potencial de impacto en la sociedad en las próximas décadas, tanto en términos económicos como de bienestar de la población. Y es que, mirando al futuro, tiene una amplia variedad de aplicaciones en multitud de ámbitos. No en vano, acelerará la creación de redes de telecomunicaciones más eficientes y menos contaminantes, la automatización de procesos industriales y el desarrollo de nuevas aplicaciones en campos como la medicina y el control de calidad, entre otros.
Iluminación y ahorro energético
La fotónica también se utiliza en tecnología de iluminación avanzada, como la iluminación de estado sólido (SSL) para aplicaciones de iluminación general. SSL se basa en tecnologías de diodos emisores de luz (LED) y diodos emisores de luz orgánicos (OLED).
SSL proporciona una iluminación de más calidad y contribuye a un ahorro sustancial de energía aportando robustez, mayor vida útil, atenuación y sintonización del color. La investigación en fotónica en este terreno se dirige a mejorar aún más el rendimiento de SSL, en particular la eficiencia energética y la calidad, y por lo tanto reducir los costes. De hecho, como parte del Pacto Verde Europeo, la UE se comprometió a reducir a cero las emisiones netas de gases de efecto invernadero de aquí a 2050. La iluminación suma alrededor del 19% del consumo de electricidad en todo el mundo, por lo que una iluminación más eficiente proporcionará un gran ahorro de energía. Así, por ejemplo, como explican desde la CE, con la sustitución de bombillas incandescentes por tecnologías SSL se podría ahorrar hasta un 70% de la energía utilizada hoy en día en la iluminación.
Igualmente, los progresos en la fotónica pueden mejorar la eficiencia de las celdas solares o fotovoltaicas y otras tecnologías de energía renovable, contribuyendo a una transición más rápida hacia fuentes de energía sostenibles y ayudando a mitigar el cambio climático. Es más, su incursión también será decisiva en el desarrollo de nuevas fuentes de energía limpia como la energía de fusión.
Sector salud
La fotónica desempeñará un rol relevante en la atención médica debido a la capacidad de la luz para detectar, diagnosticar, medir y tratar enfermedades de una manera rápida, sensible y precisa.
En esta área ocupa un lugar destacado la biofotónica que recurre a la luz para una detección muy temprana de enfermedades mediante técnicas de imagen no invasivas o aplicación en el punto de atención. También su aplicación es fundamental para el análisis de procesos a nivel molecular, aportando una mayor compresión del origen de enfermedades.
Por no hablar de su incursión en la fabricación de marcapasos, por ejemplo, creando dispositivos que no precisan de baterías, ni cables. En vez de impulsos eléctricos, se emplea la luz (fibra óptica e infrarrojos) para estimular el tejido cardíaco. O su empleo para endoscopios y microcámaras que hacen posible visualizar el interior del cuerpo humano con gran resolución.
Citando ejemplos más concretos de su valor añadido para la salud, podemos decir que gracias a la tecnología de imagen espectral -que emplea la fotónica-,se ha logrado mejorar el diagnóstico del cáncer de piel,se ha desarrollado una nueva generación de retinógrafos y también se ha avanzado en el diagnóstico de enfermedades hematológicas que afectan a glóbulos rojos de la sangre. Asimismo, tiene un rol destacado en el dictamen de trastornos oculares al permitir obtener información sobre la morfología y funcionalidad del ojo de forma no invasiva. Su incorporación en este segmento ha hecho posible desarrollar instrumental y el perfeccionamiento de nuevas técnicas de evaluación.
Internet y comunicaciones
La aplicación de la fotónica en comunicaciones ópticas de datos responde a las necesidades de redes de banda ancha más rápidas, transparentes, dinámicas y, a la par, más ecológicas. Esto implica dirigir la investigación a respaldar ese crecimiento del tráfico que seguirá aumentando, pero con unas conexiones más eficientes energéticamente. Y esto aplica no sólo al incremento del consumo de energía en la web, sino también en centros de datos (almacenamiento) y servidores (capacidad de cálculo).
Precisamente, la fotónica se considera como un elemento crucial para el desarrollo de redes de comunicación ultra seguras basadas en el principio del entrelazamiento cuántico. En otras palabras, serán el pilar de las comunicaciones cuánticas que definirán la Internet del futuro.
Desde la perspectiva de la conectividad y la Internet de las cosas, la fotónica permitirá un mayor ancho de banda en las comunicaciones entre los dispositivos IoT. Las redes fotónicas pueden ofrecer la alta velocidad y baja latencia necesarias para soportar el creciente número de dispositivos conectados.
Seguridad y protección
El valor de la fotónica en la optimización de la seguridad aborda desde la protección de las personas, los objetivos y el medio ambiente. Esta tecnología permite construir sensores sin contacto y aplicaciones visuales que operan en varios rangos del espectro de luz, desde rayos X hasta terahercios y que hacen posible detectar de forma fiable posibles riesgos o situaciones peligrosas.
Es el caso de los sensores de fibra para descubrir defectos estructurales en el sector de la construcción, prevenir la contaminación ambiental y desarrollar sistemas de asistencia al conductor. O la biometría y sistema de seguridad fronteriza, equipos de videovigilancia o de localización de mercancías peligrosas o ilegales.
Fabricación e industria
La fotónica es la tecnología que está detrás de los láseres. Y hoy día el procesamiento láser se ha vuelto esencial para la fabricación de alto volumen, bajo coste y precisión. Los avances en esta innovación dan lugar a nuevos procesos de fabricación con mayor calidad, haciendo posible la personalización en masa y una producción altamente flexible bajo demanda, una fabricación rápida, limpia y eficiente en el uso de los recursos y una producción sin fallos.
Europa es líder en tecnologías láser industriales. Desarrolla, suministra y aplica láseres y sistemas láser. Estos avances se utilizan en la industria automotriz, para el tratamiento de plásticos, para la fabricación de células fotovoltaicas, semiconductores y componentes miniaturizados utilizados en tecnología médica, y más.
Agricultura de precisión
La fotónica también aporta su granito de arena en la agricultura de precisión. La conocida como smart farming o agricultura inteligente aplica tecnologías avanzadas como Internet de las cosas, inteligencia artificial, drones y robots para recabar datos y en base a ellos ser más eficientes, productivos y sostenibles. El empleo de la fotónica facilita las tareas de control de plagas al hacer posible que el recuento del número de individuos de una especie se lleve a cabo automáticamente y de forma muy precisa. Igualmente, mediante sensores multiespectrales se pueden monitorizar viñedos u otros terrenos de cultivo analizando compuestos y ayudando a emplear de forma sostenible abonos, por mencionar algunas iniciativas.
Computación y vehículos autónomos
Otros futuros campos de investigación en los que se contará con la fotónica tienen que ver con la computación y los vehículos autónomos.
En el primer caso, la integración de componentes fotónicos en procesadores y circuitos promete superar las limitaciones de velocidad y eficiencia energética de la electrónica tradicional, abriendo la puerta a una nueva generación de supercomputadoras y dispositivos móviles con mayor rendimiento del actual. Es la gran apuesta de nuestro país. Mientras que la microelectrónica convencional se basa en el transporte de electrones, la fotónica utiliza fotones para transmitir y procesar información. Esta diferencia fundamental permite desarrollar circuitos que operan a mayores velocidades y con un consumo energético considerablemente inferior. Los chips fotónicos abren nuevas vías para aplicaciones de alta demanda de datos, como los centros de datos, la inteligencia artificial, las telecomunicaciones avanzadas (incluyendo 5G y futuras redes 6G), la computación cuántica y la sensórica.
El uso de la luz en lugar de la corriente eléctrica también mitiga limitaciones físicas como el calentamiento excesivo, que afecta cada vez más a los microprocesadores electrónicos. A medio plazo, los chips híbridos que combinan componentes electrónicos y fotónicos se perfilan como una solución clave para sistemas de computación más sostenibles, rápidos y compactos.
En el segundo, gracias a los sensores ópticos avanzados para detección y comunicación, la fotónica ofrecerá una navegación más precisa y segura a los vehículos autónomos. Además, se facilitará el procesamiento rápido de datos a través de interconexiones ópticas en los sistemas de Inteligencia Artificial del vehículo.
Los retos de la fotónica
La fotónica se encuentra, pues, en un momento dulce, pero también tiene muchos retos en el horizonte. En Europa está en marcha Photonics21, una plataforma tecnológica que representa las prioridades de investigación fotónica a escala europea. El objetivo de esta entidad es desarrollar un enfoque común entre la industria, la ciencia y la política del continente. En este sentido, la Comisión Europea firmó una asociación público-privada con Photonics21 para apoyar y desarrollar esta parte fundamental de la ciencia y los negocios en el viejo continente mediante la inyección de 100.000 millones de euros en su desarrollo y garantizar nuestra competitividad frente a China, Corea del Sur y EE. UU.
Según Photonics21 la industria de la fotónica crecerá hasta generar un millón de puestos de trabajo en 2030 en Europa
En España, hay un gran foco de inversión importante en este terreno. Al igual que a nivel comunitario, la Generalitat de Cataluña la ha incorporado como tecnología facilitadora en la estrategia RIS3CAT. Hace más 40 años que el Campus de la UPC de Terrassa constituye un núcleo destacado en el ámbito de la fotónica. Pero también hay que destacar el papel de otras universidades e instituciones académicas y de investigación en Valencia, Galicia, Canarias…centrados en la fotónica integrada.
Se dice que el siglo XXI dependerá tanto de la fotónica como el siglo XX de la electrónica
Todos estos centros y proyectos trabajan por maximizar el potencial de la fotónica, lo que supone enfrentarse a desafíos como la miniaturización e integración de componentes fotónicos en chips electrónicos de manera eficiente, la disminución de costes de producción, la mejora de la eficiencia energética de los dispositivos o la escalabilidad de su fabricación.
