✨︎ Resumen (TL;DR):
- Un algoritmo de diseño inverso reduce hasta 500 veces el tamaño de componentes para chips de luz.
- Las piezas se fabricaron sobre nitruro de silicio grueso y toleran ligeras variaciones de la producción real.
- Este avance ayuda a eliminar el lento trabajo manual en el diseño de microchips fotónicos.
Investigadores del Max Planck Institute y la Universidad de Harvard desarrollaron un algoritmo que crea componentes para microchips fotónicos hasta 500 veces más pequeños que los tradicionales. Este avance automatiza la creación de circuitos que transmiten información mediante luz, acelerando el desarrollo de infraestructura para inteligencia artificial y telecomunicaciones.
A diferencia de los procesadores electrónicos que reducen su tamaño en cada nodo de fabricación, los chips ópticos enfrentan límites físicos estrictos debido a la longitud de onda. Dado que el área de silicio es escasa y costosa, comprimir estas piezas resulta indispensable para su viabilidad.
El fin del dibujo a mano en la fotónica
Tradicionalmente, el diseño de estos microchips se hacía ajustando geometrías conocidas de forma manual. El diseño inverso fotónico es un método de optimización que calcula la nanoestructura exacta necesaria para que la luz se comporte de una forma específica.
El resultado del algoritmo es un patrón irregular de huecos y crestas sin la simetría limpia de una pieza humana. Sin embargo, guía la luz con alta precisión en un área equivalente a una fracción del grosor de un cabello.
“El diseño inverso nos permite definir qué queremos que haga la luz, y la optimización encuentra una estructura que lo hace, muchas veces una que ningún humano habría dibujado”, señaló Toby Bi, coautor principal de la investigación.
Tres funciones bajo un mismo optimizador
El equipo utilizó el software para caracterizar tres clases distintas de dispositivos fabricados sobre nitruro de silicio grueso:
- Separadores de longitud de onda (WDM): Distribuyen los colores de la luz en distintos canales. El más compacto ocupa un área de 5 por 5 micrómetros, reduciendo la superficie necesaria hasta 300 veces frente a los componentes clásicos.
- Ordenadores de modos espaciales (MDM): Dividen la luz según su modo físico. En esta categoría se alcanzó la reducción de 500 veces en comparación con los diseños habituales.
- Espejos compactos: En un área de 11 por 2.8 micrómetros, reflejan hasta el 98.5% de la luz para formar cavidades ópticas donde la luz rebota más de cien veces.
Adaptado a las reglas reales de la fábrica
La barrera principal del diseño inverso siempre ha sido la producción. Las computadoras proponen geometrías tan complejas que las máquinas de litografía comercial no pueden reproducirlas con precisión.
Por ello, el equipo integró las limitaciones de fabricación en el algoritmo. Fijaron un tamaño mínimo de estructura de 80 a 100 nanómetros y penalizaron curvas imposibles. Así, el código solo aprueba de forma automática modelos que resisten variaciones reales de espesor de película o ángulos de pared.
Kiyoul Yang, profesor en Harvard, detalló que el método se vuelve práctico porque los resultados son compatibles con un proceso de fundición comercial.
Los prototipos superaron con éxito las mediciones físicas en laboratorios de investigación. El próximo paso de los científicos será integrar estas diminutas piezas con circuitos ópticos no lineales para generar peines de frecuencia ópticos, útiles en la metrología de alta precisión.
