Linterna de Popa 471
Jorge Baca Campodónico
Diciembre de 2024
La fotónica y la industrialización
¿Por qué es importante el estudio de la fotónica?
Los países asiáticos más avanzados, como China, Corea del Sur, Taiwán y Japón, vienen transformando sus economías utilizando la fotónica, gracias a una significativa inversión en educación para preparar a su fuerza laboral en estas tecnologías. Sin embargo, la gran mayoría de peruanos desconoce lo que es la fotónica y sus alcances en el avance tecnológico y la industrialización de un país. Muchos hogares usan fibra óptica para su conexión a Internet o tienen televisores de pantalla plana y focos LED para la iluminación de sus casas, pero pocos saben lo que hay detrás de esta nueva tecnología. En esta entrega trataremos de esclarecer en que consiste esta nueva tecnología que viene remplazando a la electrónica.
A diferencia de la electrónica, que depende de los electrones para transportar y procesar información, la fotónica utiliza las partículas que constituyen la luz, denominadas “fotones”, para lograr los mismos objetivos, pero con mayor eficiencia y velocidad.
Desde su invención, hasta principios del siglo 21, los televisores se basaron en tubos de rayos catódicos (CRT, por sus siglas en inglés), que funcionan disparando un haz de electrones para excitar partículas de fósforo en el interior de una pantalla de vidrio. Esta tecnología quedó obsoleta al ser paulatinamente reemplazada por tecnologías de pantalla plana, como LED y OLED, que se basa en diodos emisores de luz (LED por sus siglas en inglés).
Los componentes fundamentales de la fotónica incluyen: (i) Láseres: Dispositivos que emiten haces de luz altamente concentrados, que tienen una gran diversidad de usos, incluyendo máquinas para soldar y cortar materiales, equipos para cirugías médicas y sistemas de comunicación; ii) Fibras ópticas: Delgadas hebras de vidrio o plástico que permiten transmitir señales de luz a largas distancias con una pérdida mínima, crucial para las telecomunicaciones modernas; (iii) Fotodetectores: Sensores que convierten la luz en señales eléctricas y son utilizados en cámaras fotográficas , paneles solares y diversos instrumentos científicos. (iv) Diodos de emisión de luz (LED): dispositivos semiconductores que emiten luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de ellos. A diferencia de los focos de luz incandescentes, que producen luz a través del calentamiento de un filamento, los LED generan luz a través de la electroluminiscencia. Este proceso implica los saltos cuánticos, de una órbita a otra, de los electrones que giran alrededor del núcleo de los átomos de un material semiconductor, liberando energía en forma de fotones.
La fotónica representa un gran avance tecnológico, ofreciendo numerosas ventajas sobre la electrónica tradicional. Su capacidad para transmitir y procesar información a la velocidad de la luz, junto con un menor consumo de energía y una menor generación de calor, hacen de la fotónica una solución atractiva para diversas aplicaciones. A medida que la investigación y el desarrollo en este campo continúan, la fotónica reemplazará a la electrónica en muchas áreas, anunciando una nueva era de avances tecnológicos. No se puede exagerar la importancia de la fotónica, ya que es la clave para abordar las limitaciones de las tecnologías electrónicas actuales y allanar el camino para un futuro más brillante y eficiente.
La invención del láser en 1960 ha traído nuevas ideas y nuevos métodos a muchas áreas de la ciencia y la tecnología. El láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) concentra los haces de fotones y de esa forma, amplifica su potencia. El láser viene remplazando al amplificador tradicional basado en circuitos electrónicos.
Las comunicaciones son un área muy importante en fotónica y generalmente se denominan comunicaciones ópticas. El enorme ancho de banda disponible en frecuencias ópticas, aproximadamente cuatro órdenes de magnitud más alto que las frecuencias típicas de microondas, permite un aumento significativo en la capacidad de transmisión de información en comparación con lo que la electrónica puede hacer con las microondas. Además, los sistemas fotónicos consumen menos energía que sus contrapartes electrónicas y, por ende, generan menos calor. Nuestra sociedad no podría sostenerse sin la red de cable óptico desplegada en todo el mundo, ver Figura 1, que puede considerarse la maquinaria conectada más grande de la tierra. La fibra óptica ha remplazado al conductor de cobre.
Figura 1
En el ámbito de la informática y el almacenamiento de datos, la fotónica está dando pasos significativos. Los circuitos integrados fotónicos (PIC) se están desarrollando para reemplazar los circuitos electrónicos tradicionales, ofreciendo velocidades de procesamiento de datos más rápidas y un menor consumo de energía. Además, el menor consumo de energía y consecuente menor generación de calor, hace que la fotónica sea particularmente ventajosa en aplicaciones donde la disipación de calor es una preocupación crítica, como por ejemplo, en las principales grandes “granjas de datos” donde se almacena y procesa la información de Internet; su gran consumo de energía genera mucho calor y requiere grandes sistemas de refrigeración.
En el campo de la medicina, la fotónica desempeña un papel crucial en aplicaciones de diagnóstico y terapéuticas. Tecnologías como la cirugía láser, la tomografía de coherencia óptica (OCT) y diversas técnicas de imagen se basan en la fotónica para proporcionar soluciones precisas y no invasivas.
La fotónica se utiliza ampliamente en la manufactura y el procesamiento de materiales. El corte, la soldadura y el grabado por láser son solo algunos ejemplos de cómo la fotónica mejora la precisión y la eficiencia en los procesos industriales. Las tecnologías basadas en la fotónica también permiten la fabricación de componentes complejos para la electrónica y otros dispositivos avanzados.
A medida que las computadores tradicionales alcanzan sus límites físicos y de rendimiento, los investigadores están explorando la computación cuántica como una alternativa prometedora. La computación cuántica utiliza la luz para realizar cálculos, lo que ofrece el potencial de velocidades de procesamiento ultrarrápidas y un bajo consumo de energía. Aunque todavía se encuentra en fase experimental, la computación cuántica promete revolucionar las industrias que requieren una potencia computacional masiva, como la inteligencia artificial y el análisis de big data.
En el Perú, la enseñanza de la fotónica a nivel universitario es prácticamente inexistente. No existen laboratorios de fotónica que permitan el diseño de dispositivos que permitan la innovación tecnológica. Sin laboratorios o sin la posibilidad de que los alumnos aprendan los fundamentos de la fotónica, el Perú está perdiendo, una vez más, el tren de la innovación tecnológica y condenando al consumidor a depender del producto extranjero. (El contenido de esta columna se puede consultar en http://www.prediceperu.com/).