España cuenta con capacidades destacadas y liderazgo internacional en fotónica integrada

La fotónica integrada es un área científico-tecnológica cuyo objetivo es la generación, procesamiento control y detección de luz en circuitos ópticos compactos. En lugar de depender exclusivamente de los electrones para transmitir información, la fotónica integrada utiliza fotones, las partículas elementales de la luz, para llevar a cabo funciones clave como la transmisión, el procesamiento y el almacenamiento de datos. El objetivo es explotar las ventajas inherentes de la luz para posibilitar velocidades más altas de comunicación, menor latencia y un consumo reducido de energía. Se trata de complementar, no de sustituir, a la microelectrónica.

El desarrollo de la fotónica integrada responde a las demandas crecientes de ancho de banda y eficiencia energética en sectores como las telecomunicaciones, los centros de datos y la computación de alto rendimiento. Su capacidad para reducir el tamaño y el peso de los sistemas ópticos tradicionales la convierte en una tecnología atractiva también para aplicaciones en defensa, sanidad y sensores avanzados. En comparación con los sistemas ópticos convencionales, que suelen ser voluminosos, de escasa fiabilidad y repetibilidad, los circuitos integrados fotónicos (PIC, por sus siglas en inglés) se fabrican a escala con mayor precisión y costes más bajos.

La combinación de materiales avanzados y procesos innovadores de fabricación ha permitido crear y comercializar hasta la fecha dispositivos como moduladores, multiplexores, láseres y detectores integrados en un solo chip. Con esta tecnología en evolución constante, su impacto en diversas industrias promete ser transformador, posicionando a la fotónica integrada como una pieza clave en la infraestructura tecnológica global.

En la fabricación de circuitos integrados fotónicos, destacan tres plataformas principales tecnológicas: el silicio sobre aislante (SOI), el nitruro de silicio (SiN) y el fosfuro de indio (InP). Cada una de estas plataformas posee características únicas que las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones.

El SOI es una de las plataformas más empleadas por su compatibilidad con los procesos CMOS tradicionales de fabricación de semiconductores. Utilizar silicio permite aprovechar la infraestructura existente de la industria microelectrónica, reduciendo significativamente los costes de producción. Los circuitos en SOI son ideales para aplicaciones en telecomunicaciones y centros de datos, al manejar velocidades superiores a 200 Gbps y anchos de banda muy grandes.

Sin embargo, el silicio no emite luz de forma eficiente, lo que obliga a integrar fuentes externas de luz. El SiN destaca en aplicaciones donde la estabilidad térmica y las pérdidas ópticas bajas son esenciales. Este material guía la luz eficientemente en longitudes de onda tanto visibles como del infrarrojo cercano, con pérdidas ópticas típicas inferiores a 0.2 dB/cm.

Además, el SiN es menos propenso a fenómenos de scattering que otros materiales, siendo idóneo para sistemas de sensores y comunicaciones ópticas. Su compatibilidad con la fabricación CMOS facilita su integración en procesos industriales estandarizados. Finalmente, el InP es crucial para la generación, amplificación y detección eficiente de luz, especialmente en longitudes de onda de telecomunicaciones cercanas a 1,55 µm.

Este material permite incorporar fuentes de luz como láseres y amplificadores directamente en el chip, eliminando la necesidad de componentes externos. Su rendimiento superior lo hace indispensable en aplicaciones de velocidad alta que operan a tasas superiores a 400 Gbps. Aunque su coste es más elevado que el del SOI y el SiN, su integración monolítica de dispositivos activos y pasivos lo justifica en aplicaciones críticas.

Ninguna de las tecnologías anteriores es capaz, por si sola, de atender simultáneamente a los requisitos de bajas pérdidas, acoplo eficiente con el exterior y la generación y detección de la luz. Por ello, el enfoque tecnológico más apropiado consiste en una integración híbrida de las anteriores bien a través de técnicas de wafer bonding o de transfer printing.

Desafíos en frontend y backend

Hoy en día existen tecnologías establecidas, accesibles a los diseñadores de chip a través de librerías, denominadas “Process Design Kit” (PDK). Sin embargo, hay todavía una serie de desafíos en frontend, siendo el principal la disponibilidad de PDKs validados en tecnologías estables, además del del desarrollo de nuevos PDKs para tecnologías hibridas (por ejemplo, aquellas que combinan silicio y III-V).

El desarrollo de circuitos integrados fotónicos enfrenta retos significativos también en etapas de backend como el encapsulado, los test y medidas. Estas fases son esenciales para asegurar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos, pero también implican costes y complejidad. El encapsulado de dispositivos fotónicos es más exigente que el de circuitos electrónicos, ya que debe gestionar conexiones ópticas y eléctricas.

Las conexiones ópticas exigen una precisión extrema para minimizar las pérdidas de señal y garantizar la alineación adecuada entre las fibras y los circuitos ópticos. Además, el encapsulado debe proteger los dispositivos de factores ambientales como la humedad y las variaciones térmicas, sin introducir tensiones mecánicas que degraden su rendimiento.

Por su carácter de tecnología habilitadora la fotónica integrada se aplica en múltiples sectores y su mercado crece rápidamente

Los procesos test y medida necesitan equipos especializados y metodologías avanzadas para caracterizar dispositivos individuales y sistemas completos. Además, la complejidad creciente de los circuitos fotónicos aumenta el tiempo y los costes asociados a estas pruebas. Por ello, una de las áreas clave de investigación en este ámbito es el desarrollo de técnicas de pruebas sobre oblea (on-wafer testing).

Estas técnicas permiten realizar mediciones precisas directamente en la oblea, antes del corte y encapsulado de los chips, reduciendo costes y mejorando significativamente la eficiencia del proceso de fabricación. La implementación de soluciones automatizadas en esta fase será crucial para conseguir la producción escalable y de volumen de circuitos fotónicos integrados.

Aplicaciones y mercado

Por su carácter de tecnología habilitadora la fotónica integrada se aplica en múltiples sectores y su mercado crece rápidamente. Por su volumen de mercado y crecimiento esperado en los próximos años, destaca el área de las telecomunicaciones y centros de datos (con más del 50% de cuota de mercado en la actualidad).

En la actualidad, los PIC gestionan volúmenes de datos enormes en redes de fibra óptica y centros de datos. Su capacidad para soportar tasas superiores a 400 Gbps y reducir el consumo energético en hasta un 50 % resulta crucial para satisfacer las demandas crecientes de ancho de banda. Los transceptores ópticos actuales, que alcanzan tasas de 800 Gbps, se están desplegando para satisfacer estas necesidades en infraestructuras críticas.

La próxima generación, que se espera que soporte velocidades de hasta 1,6 Tbps, será clave para gestionar el tráfico masivo derivado del crecimiento exponencial en el número de dispositivos conectados y los requisitos de los centros de datos. Estas infraestructuras se enfrentan también a desafíos derivados de los cuellos de botella en el procesamiento de tráfico masivo generado por miles de GPUs conectadas en arquitecturas de computación e inteligencia artificial de alto rendimiento. La fotónica integrada desempeña un papel esencial al proporcionar soluciones de interconexión de latencia baja y capacidad alta que desbloquean estas limitaciones, permitiendo una gestión más eficiente de los recursos y mejorando el rendimiento general del sistema.

Otros campos de creciente interés comercial incluyen los sensores y aplicaciones biomédicas para detección y diagnóstico de enfermedades, la industria 4.0 y el sector aeroespacial y de defensa.

El mercado de la fotónica integrada se encuentra a fecha de hoy en una fase de expansión considerable. Diversos estudios de mercado apuntan a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) estimada en torno al 20 % para la próxima década. Europa y Estados Unidos lideran en investigación y desarrollo, mientras que Asia, especialmente China, aumenta su capacidad de producción.

Contexto y ecosistema español

El estado actual de la cadena de suministro y el mercado de semiconductores en España refleja un ecosistema en crecimiento que ha ganado visibilidad y respaldo en los últimos años. Este impulso ha sido facilitado por iniciativas estratégicas como el PERTE Chip, que busca posicionar a España como un actor clave en la fabricación, diseño y transferencia tecnológica de semiconductores. Estas acciones responden a una necesidad global de fortalecer las capacidades locales y regionales en un mercado dominado históricamente por Asia y Norteamérica.

España cuenta con capacidades destacadas y liderazgo mundial en investigación, diseño y prototipado de tecnologías avanzadas de fotónica integrada. Universidades como la UPV, la UC3M, la U. Vigo y la U. Málaga, e instituciones como el IMB-CNM y el ICFO han desarrollado competencias específicas en áreas como la fotónica integrada. Estas instituciones han dado lugar a múltiples spin-offs que lideran áreas clave del mercado, como VLC Photonics, QuSide, iPronics, LuxQuanta, SPARC, Bioherent, Alcyon, AGP Photonics y LeapWave, entre otras, mostrando el potencial de innovación local.

Sin embargo, el mercado español enfrenta desafíos significativos. La fabricación a gran escala de semiconductores sigue siendo limitada, lo que obliga a depender de foundries extranjeras. Además, la fragmentación del ecosistema nacional dificulta la consolidación de una cadena de suministro integral y eficiente. La falta de infraestructura de fabricación avanzada y de plataformas de diseño accesibles a nivel nacional son barreras clave para el crecimiento.

Para abordar estas limitaciones, España ha implementado medidas estratégicas, como el liderazgo de la línea piloto PIXEurope (400M€) y la creación del centro de competencia PIXSpain vinculados al programa Chips JU de la Unión Europea. Estas iniciativas buscan integrar las capacidades nacionales con redes europeas más amplias, fomentando la cooperación internacional y el acceso a tecnologías avanzadas. Además, el PERTE Chip destina recursos significativos para mejorar la formación y capacitación en tecnologías semiconductoras, esenciales para desarrollar una fuerza laboral altamente cualificada, dentro del programa de cátedras chip, en las universidades mencionadas anteriormente. En términos de impacto económico, el fortalecimiento de la cadena de suministro en semiconductores tiene el potencial de generar empleo de alta cualificación, atraer inversión extranjera y posicionar a España como un hub tecnológico en Europa. No obstante, el éxito a largo plazo dependerá de la implementación efectiva de estas estrategias y del desarrollo de alianzas sólidas entre actores públicos y privados en el ecosistema.