¿Por qué un chip fotónico?

En el Módulo 04 vimos guías de onda y fibras ópticas — estructuras que confinan y transportan luz. Pero una fibra es un componente discreto: un cable de vidrio que conecta dos puntos. ¿Y si pudieras poner la guía de onda, el filtro, el modulador y el detector en un solo chip, conectados por guías de unos pocos cientos de nanómetros? Eso es la fotónica integrada — el equivalente óptico de los circuitos integrados.

Prerrequisitos: El curso 04 completo, y no como recomendación: aquí una guía deja de ser un ejemplo y pasa a ser un componente. Hacen falta el índice efectivo, el número V y la condición monomodo. Del 05, sólo qué es un láser de semiconductor.

La analogía con la electrónica

La electrónica pasó de válvulas de vacío discretas (años 40) a transistores integrados (1958, Kilby — Nobel 2000). El resultado: miles de millones de transistores en 1 cm², fabricados a coste marginal cero. La fotónica está recorriendo el mismo camino:

Componentes discretos (años 80–2000): láseres, moduladores y detectores como dispositivos separados, conectados con fibras y alineados a mano. Caro, frágil, voluminoso.
PICs (Photonic Integrated Circuits) (2010–hoy): centenares de componentes en un chip, fabricados con litografía en foundries de semiconductores. Mismo proceso que los chips electrónicos — misma escalabilidad.

La plataforma SOI

De todas las plataformas posibles, una domina: silicio sobre aislante. ¿Por qué silicio? Porque la industria de semiconductores ya sabe fabricarlo a escala de miles de millones de chips al año — la infraestructura, las máquinas, los procesos, todo existe. No hay que inventar una fábrica nueva.

La plataforma dominante es SOI — Silicon-On-Insulator: una oblea de silicio con una capa de óxido de silicio enterrada. La capa de silicio (~220 nm de grosor) es el núcleo de la guía de onda. El óxido ( $n = 1.45$ ) es el revestimiento.

¿Por qué silicio?

Contraste de índice enorme: $n_{\text{Si}} = 3.48$ vs $n_{\text{SiO}_2} = 1.45$ . El $\Delta n \approx 2$ permite guías ultra-compactas de ~500 × 220 nm y curvas de radio < 5 μm. En una fibra ( $\Delta n = 0.005$ ), el radio de curvatura mínimo es de centímetros.
Fabricación CMOS: las obleas SOI se procesan en las mismas foundries que fabrican microprocesadores. Litografía de 193 nm (excímero ArF — del M05-05), grabado por plasma, deposición de capas. La infraestructura ya existe.
Transparencia a telecom: silicio es transparente a 1310 y 1550 nm — las ventanas de telecomunicaciones de la fibra (M04-03). Todo el ecosistema de fibra óptica se puede conectar directamente.
Electrónica integrable: transistores CMOS y componentes fotónicos en la misma oblea. Procesamiento de señales eléctrico y óptico lado a lado.

¿Qué hay en un PIC?

Un circuito fotónico integrado típico contiene:

Guías de onda: transportan la luz de un componente a otro. Equivalente de las pistas de cobre en electrónica.
Anillos resonadores: filtros espectrales ultra-compactos. Radio ~5–50 μm. Seleccionan longitudes de onda específicas.
Acopladores: dividen y combinan señales. Direccionales, MMI o Y-junctions.
Moduladores: codifican información en la luz. Convierten señales eléctricas en señales ópticas.
Fotodetectores: convierten la luz de vuelta en señal eléctrica. Germanio sobre silicio.
Grating couplers: acoplan la luz entre la fibra óptica y la guía del chip.

Circuito fotónico integrado

Haz clic en un componente para ver su función.

Números que importan

Para dimensionar la diferencia entre fotónica discreta e integrada:

Guía de fibra: núcleo de 8 μm, radio de curvatura mínimo ~5 mm.
Guía SOI: núcleo de 500 × 220 nm, radio de curvatura ~5 μm — 1000× más compacto.
Un chip de 5 × 5 mm puede contener ~10.000 componentes ópticos. El equivalente discreto ocuparía una mesa óptica entera.
Coste por dado en producción de volumen: ~1–10 €. Sale de dividir: una oblea de 200 mm da ~1250 dados de 5 × 5 mm (~1070 tras descartar el borde) y una oblea procesada en una línea de fotónica cuesta del orden de 10³ €, o sea 1–5 € por dado; el juego de máscaras propio —cientos de miles de euros— añade décimas de euro si se reparte entre millones de dados.
Coste por dado en una MPW: entre cien y unos miles de euros. Es el otro extremo, y conviene no confundirlos.

Esa última línea es la que más veces se cita al revés, así que merece un párrafo. En una MPW tu diseño comparte retícula con otros veinte o cuarenta proyectos, y lo que compartís es el juego de máscaras, que es el gasto que hace imposible prototipar solo. A cambio recibes un bloque pequeño y unas decenas de dados, no miles. Con un bloque del orden de 10⁴ € y ~20 dados de vuelta, el dado sale a 10²–10³ €: de cien a mil veces lo que cuesta en volumen.

Dicho en una frase: la MPW es la vía más barata por proyecto y la más cara por dado. Sirve para validar un diseño gastando lo que cuesta un becario y no un edificio; en el momento en que hay que enviar cien mil piezas, la MPW es exactamente lo que no se usa. Es el mismo cambio de régimen que en microelectrónica, y la razón de que la pregunta «¿cuánto cuesta un chip?» no tenga respuesta sin decir antes cuántos vas a hacer.

Otras plataformas

SOI no es la única opción. Dependiendo de la aplicación:

Si₃N₄: menor contraste que SOI pero pérdidas ultra-bajas. Ideal para anillos de alto Q y peines de frecuencia.
InP: permite integrar láseres y amplificadores directamente (silicio no emite luz eficientemente). Más caro, pero autosuficiente.
LiNbO₃ thin film: combina la óptica no lineal de LiNbO₃ (M06) con la integración. Moduladores electro-ópticos a >100 GHz.

Ejercicios

Ejercicio 1

En el Módulo 04 calculamos la condición monomodo para una guía slab en SOI: $d < \lambda/(2\,\text{NA})$ . Con $n_{\text{Si}} = 3.48$ y $n_{\text{SiO}_2} = 1.45$ , calcula la NA y el grosor máximo monomodo a $\lambda = 1550$ nm. ¿Es consistente con los 220 nm del estándar SOI?

Solución

$\text{NA} = \sqrt{3.48^2 - 1.45^2} = \sqrt{12.11 - 2.10} = \sqrt{10.01} \approx 3.16$ .

$d < 1550/(2 \times 3.16) \approx 245$ nm. El estándar SOI usa 220 nm — justo por debajo del cutoff del segundo modo. Monomodo en la dirección vertical. La dirección horizontal (ancho ~500 nm) también se diseña para ser monomodo del modo fundamental TE.

Ejercicio 2

Una guía SOI tiene pérdidas de propagación de 2 dB/cm. Si un circuito fotónico tiene una guía de 1 cm de largo, ¿qué fracción de la potencia se pierde? Si la guía mide 1 mm (más típico en un PIC compacto), ¿cuánto se pierde?

Solución

1 cm: pérdida = 2 dB. Fracción transmitida: $10^{-2/10} = 0.63$ → se pierde el 37%.

1 mm: pérdida = 0.2 dB. $10^{-0.2/10} = 0.955$ → se pierde el 4.5%. En un PIC compacto (componentes en mm), las pérdidas de propagación son manejables. El cuello de botella suelen ser las pérdidas de acoplo fibra-chip (1–3 dB por faceta).

Ejercicio 3

Compara el contraste de índice de tres plataformas: SOI ( $\Delta n = 2.03$ ), Si₃N₄ ( $\Delta n = 0.55$ ) y fibra SMF-28 ( $\Delta n = 0.006$ ). ¿Cuántas veces más compacta es una curva en SOI vs fibra? El radio característico de radiación del artículo 03 es $R_c = n_{\text{clad}}/\bigl(2\gamma(n_{\text{eff}} - n_{\text{clad}})\bigr)$ con $\gamma = k_0\sqrt{n_{\text{eff}}^2 - n_{\text{clad}}^2}$ : ¿con qué potencia del contraste $\Delta n$ escala eso? Y si la fibra se curva a 5 mm, ¿a cuánto debería curvarse el SOI — y por qué los PDK dicen 5 μm?

Solución

El salto $n_{\text{eff}} - n_{\text{clad}}$ es una fracción fija del contraste, y con poco contraste $n_{\text{eff}}^2 - n_{\text{clad}}^2 \approx 2n_{\text{clad}}(n_{\text{eff}} - n_{\text{clad}})$ , así que $\gamma \propto \sqrt{\Delta n}$ y $R_c \propto 1/(\sqrt{\Delta n}\cdot\Delta n) = \Delta n^{-3/2}$ . Uno y medio, no dos. Metiendo los tres contrastes en la fórmula entera (con $n_{\text{eff}}$ a mitad del intervalo guiado) salen $R_c$ = 0.16 μm en SOI, 1.1 μm en Si₃N₄ y 959 μm en la fibra: la razón SOI/fibra es 6000×, y el exponente que se ajusta a esos números es 1.49, no 2. El $1/\Delta n^2$ que circula por ahí exagera el premio en un factor 19.

Los 5 mm de la fibra divididos por 6000 son 0.83 μm. Y aquí está lo interesante: los PDK dicen 5 μm, seis veces más. La diferencia no es un margen de seguridad ni rugosidad — es que a partir de ~1.5 μm la radiación ya no es el mecanismo que manda. Lo que queda es la pérdida de transición en las dos uniones recta-curva, que cae como $1/R^2$ y no como una exponencial, y que no depende del contraste de índice. El artículo 03 separa los dos términos y sitúa el cruce en $R = 1.29$ μm.

Neto: la curva en SOI es ~1000× más compacta que en fibra, que es la cifra que hay que recordar. Pero el factor 6000 del contraste y el factor 1/6 que devuelve la transición son dos cosas distintas, y confundirlas es lo que lleva a prometer curvas de 43 nm.