Científicos de EE.UU. crean chips fotónicos capaces de generar láseres de cualquier longitud de onda

Los chips de computadora que concentran miles de millones de dispositivos electrónicos en unos pocos centímetros cuadrados han impulsado la economía digital y transformado el mundo. Ahora, científicos podrían estar al borde de lanzar una revolución tecnológica similar, esta vez utilizando luz en lugar de electricidad.

En un avance significativo hacia ese objetivo, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST, por sus siglas en inglés) y colaboradores han desarrollado una forma pionera de fabricar circuitos integrados para luz mediante el depósito de patrones complejos de materiales especializados sobre obleas de silicio, según informó la institución esta semana. Estos chips fotónicos utilizan dispositivos ópticos como láseres, guías de onda, filtros e interruptores para transportar luz y procesar información.

"Estamos aprendiendo a hacer circuitos complejos con muchas funciones, abarcando muchas áreas de aplicación", dijo Scott Papp, físico del NIST cuyo grupo lideró la investigación publicada en la revista Nature el 15 de abril de 2026.

Cuando se trata de transferencia y procesamiento de información, la luz puede hacer cosas que la electricidad no puede, según el NIST. Los fotones, partículas de luz, son mucho más rápidos que los electrones para abrirse camino a través de circuitos.

Sin embargo, varios obstáculos permanecen antes de que la fotónica integrada pueda realmente despegar. Uno involucra a los láseres. Los láseres compactos, eficientes y de alta calidad existen solo en unas pocas longitudes de onda, o colores, de luz, según la institución. Por ejemplo, los láseres semiconductores son muy buenos generando luz infrarroja con una longitud de onda de 980 nanómetros, o milmillonésimas de metro, un color justo fuera del rango de la visión humana.

Las tecnologías emergentes como los relojes atómicos ópticos y las computadoras cuánticas necesitan luz láser en muchos otros colores también. Los láseres que producen esos colores son grandes, costosos y consumen mucha energía, confinando efectivamente estas tecnologías cuánticas a un puñado de laboratorios de propósito especial, según el NIST.

Al integrar láseres en circuitos sobre chips, los científicos esperan ayudar a que las tecnologías cuánticas se vuelvan más baratas y portátiles, para que puedan comenzar a cumplir su vasta promesa.

## Arquitectura de capas múltiples

El nuevo chip fotónico del NIST es un poco como un pastel de capas, según la descripción de la institución. Los físicos Papp y Grant Brodnik, junto con colegas, comenzaron con una oblea estándar de silicio recubierta con dióxido de silicio (vidrio) y niobato de litio, un material no lineal que puede cambiar el color de la luz que entra en él.

Los investigadores luego añadieron piezas de metal para controlar eléctricamente cómo los circuitos convierten un color de luz en otros. Los científicos también crearon otras interfaces metal-niobato de litio que les permitieron encender y apagar rápidamente la luz dentro de los circuitos, una capacidad crucial para el procesamiento de datos y el enrutamiento de alta velocidad, según el NIST.

La guinda del pastel fue un segundo material no lineal llamado pentóxido de tantalio, o tántala. La tántala puede transformar la luz de maneras que parecen mágicas, tomando un solo color láser y produciendo todo el arcoíris de colores de luz visible más una amplia gama de longitudes de onda infrarrojas, según la institución. Papp y colegas han pasado años desarrollando técnicas para fabricar circuitos de tántala sin calentarla, permitiendo que el material se deposite sobre otros materiales sin dañarlos.

Al estampar los diferentes materiales uno encima del otro en una pila tridimensional, los investigadores produjeron un solo chip que enruta eficientemente la luz entre capas. Eso les permitió fusionar la capacidad de manipulación de luz de la tántala con la controlabilidad del niobato de litio. La nueva técnica "permite una integración perfecta", dijo Brodnik. "El verdadero poder es que la tántala puede añadirse a circuitos existentes".

Finalmente, los investigadores pudieron ajustar aproximadamente 50 chips del tamaño de una uña que contienen 10.000 circuitos fotónicos, cada uno produciendo un color único, en una oblea aproximadamente del tamaño de un posavasos, según el NIST. "Podemos crear todos estos diferentes colores, solo diseñando circuitos", dijo Papp.

## Aplicaciones en tecnologías cuánticas

Las tecnologías cuánticas como relojes y computadoras podrían estar entre los mayores beneficiarios de la fotónica integrada, según el NIST. Estos dispositivos a menudo usan matrices de átomos para almacenar y procesar información. Para cada tipo de átomo, los físicos necesitan láseres adaptados a los niveles de energía cuántica internos del átomo.

Por ejemplo, los átomos de rubidio, comúnmente usados en computadoras cuánticas y relojes, responden a luz roja con una longitud de onda de 780 nanómetros, según la institución. Los átomos de estroncio, otra opción popular, "ven" luz azul a 461 nanómetros. Si se iluminan los átomos con otros colores, no pasa nada.

Los láseres voluminosos, costosos y complicados necesarios para producir estos colores personalizados han sido un obstáculo importante para sacar las computadoras cuánticas y los relojes ópticos del laboratorio y llevarlos al campo, donde podrían tener grandes impactos, según el NIST. Los relojes ópticos baratos, de bajo consumo y portátiles, por ejemplo, podrían ayudar a predecir erupciones volcánicas y terremotos, ofrecer una alternativa al GPS para posicionamiento y navegación, y ayudar a los científicos a investigar misterios científicos como la naturaleza de la materia oscura. Las computadoras cuánticas podrían ofrecer nuevas formas de estudiar la física y química de medicamentos y materiales.

## Más allá de lo cuántico

Los circuitos fotónicos integrados no son solo para lo cuántico, según Papp. El científico cree que los chips fotónicos del NIST podrían ayudar a transportar eficientemente señales entre los chips especializados utilizados por empresas tecnológicas, potencialmente haciendo las herramientas basadas en inteligencia artificial más poderosas y eficientes. Las compañías tecnológicas también están interesadas en usar fotónica para mejorar las pantallas de realidad virtual, según la institución.

Si bien los chips del NIST aún no están listos para la producción en masa, la técnica utilizada para crearlos proporciona un camino a seguir, dijeron Papp y Brodnik. Los científicos del NIST colaboraron con expertos de Octave Photonics, una empresa emergente con sede en Louisville, Colorado, fundada por ex investigadores del NIST que ahora está trabajando para escalar la tecnología.

"Cuando ves el chip brillando en el laboratorio, tomando luz invisible y haciendo toda esta luz visible en un chip integrado, es obvio cuántas aplicaciones potenciales podría haber", dijo Papp.

La investigación fue publicada en la revista Nature el 15 de abril de 2026 bajo el título "Integración 3D monolítica de fotónica no lineal de pentóxido de tantalio", con autoría de Grant M. Brodnik, Grisha Spektor, Lindell M. Williams, Jizhao Zang, Alexa R. Carollo, Atasi Dan, Jennifer A. Black, David R. Carlson y Scott B. Papp.