LiDAR a escala de chip: más pequeño y económico gracias al láser de bolsillo LiNbO3

Cómo los láseres de precisión impulsan el LiDAR moderno

Los láseres son una tecnología fundamental poco apreciada que sustenta el mundo moderno. Se utilizan en la fabricación de semiconductores, las telecomunicaciones por fibra óptica, el grabado y la impresión, los discos ópticos, la cirugía, la medición, los sistemas militares, la industria aeroespacial, etc.

Una aplicación en auge reciente de los láseres es el LiDAR (Light Detection and Ranging), o “radar láser”, un método que utiliza un láser para detectar la distancia de un objeto con precisión exacta.

Casi todas las empresas de conducción autónoma utilizan LiDAR para impulsar sus vehículos autónomos, formando grandes dispositivos sobre los coches.

Fuente: SFGate

El problema del LiDAR es que es bastante voluminoso y costoso, lo que hace que su despliegue masivo sea poco rentable. Además, es muy frágil, lo que incrementa aún más los costos a largo plazo.

Esto podría haber cambiado gracias a un nuevo diseño de láser diseñado por investigadores de la Universidad de Rochester (EE. UU.) y la Universidad de California (EE. UU.). Este diseño se apartó de la fotónica de silicio habitual y utilizó niobato de litio.

Publicaron su descubrimiento en Light Science & Applications¹, bajo el título "El láser de Pockels impulsa directamente la metrología óptica ultrarrápida.

Entendiendo el LiDAR: Principios y técnicas

Fundamentos de la medición de distancias mediante LiDAR

El principio básico de un LiDAR es similar al de un radar: se emite una señal que rebota en un objeto hacia la fuente. El tiempo transcurrido entre la emisión de la señal y su rebote indica la distancia.

La diferencia es que los LiDAR utilizan rayos invisibles de luz infrarroja o, a veces, ultravioleta, en lugar de ondas de radio (la “R” en RADAR – RADios Detection And Restaba preocupado)

Fuente: Sinopsis

Como la luz es extremadamente rápida, los LiDAR necesitan un control de ondas láser extremadamente preciso, lo que genera una alta complejidad, costos y fragilidad del sistema.

Efecto Pockels: Habilitación de un ajuste láser ultrarrápido

Los investigadores han buscado mejorar la tecnología LiDAR aprovechando el efecto Pockels. Este fenómeno modifica el índice de refracción (la forma en que desvían la luz) de algunos materiales cuando se activa un campo eléctrico.

El efecto Pockels se manifiesta mediante cristales especiales como el fosfato monopotásico o el utilizado en este estudio, el niobato de litio, una sal sintética hecha de litio, niobio y oxígeno.

Fuente: Sumimoto

Permitió a los investigadores crear un láser que podía cambiar su color con mucha precisión a lo largo de un amplio espectro de luz a velocidades muy rápidas: alrededor de 10 quintillones de veces por segundo.

Una aplicación común del niobato de litio es la de las ondas acústicas de superficie (SAW) en teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos para crear filtros que eviten el ruido y la interferencia, de modo que esta tecnología pueda aprovechar una cadena de suministro existente.

Construcción de un láser LiDAR Pockels a escala de chip

Niobato de litio de película delgada: Ingeniería a escala nanométrica

Los científicos utilizaron una fina capa de niobato de litio, depositada sobre un sustrato de dióxido de silicio y silicio y protegida por una capa de óxido de silicio.

Fuente: Ciencias de la luz y aplicaciones

Luego probaron variaciones de la capa protectora de silicio y encontraron el espesor óptimo que puede generar el rango de frecuencia más controlable.

Fuente: Ciencias de la luz y aplicaciones

El resultado fue un láser miniaturizado, del tamaño de un chip de computadora, con parámetros extremadamente controlables para aplicaciones LiDAR.

Es un proceso muy importante que puede utilizarse en relojes ópticos que miden el tiempo con extrema precisión, pero se necesita mucho equipo para lograrlo. Una configuración típica podría requerir instrumentos del tamaño de una computadora de escritorio, como un láser intrínseco, un aislador, un modulador óptico acústico y un modulador de fase.

Nuestro láser puede integrar todas estas cosas en un chip muy pequeño que puede ajustarse eléctricamente”.

shixin Xue – Shixin Xue, estudiante de doctorado en la Universidad de Rochester 

Métricas de rendimiento: Chirrido de frecuencia y velocimetría

Cuando se midió, el chip mostró un rendimiento que superó ampliamente a todos los láseres existentes.

Cabe destacar que logró una “tasa de chirrido de frecuencia” de hasta 20 EHz/s, con un ancho de banda de modulación superior a 10 GHz. Como referencia, estos números son órdenes de magnitud mayores que los de los láseres existentes.

El chip láser podía alcanzar una velocidad de 40 m/s en una distancia corta de 0.4 m, y la resolución visual era inferior a 2 cm. Incluso es posible que la velocidad fuera superior a 40 m/s, pero la configuración experimental no permitía realizar pruebas más rápidas.

Estos rendimientos de corto alcance son importantes, ya que es algo con lo que los sistemas LiDAR tradicionales casi siempre tienen dificultades, junto con los objetos que se mueven rápidamente, y un gran problema para la tecnología de conducción autónoma que absolutamente necesita ver bien los objetos cercanos y que se mueven rápidamente.

Fuente: Ciencias de la luz y aplicaciones

Por qué es importante el LiDAR miniaturizado: beneficios y casos de uso

Hasta ahora, el desarrollo del control de frecuencia láser ha sido relativamente limitado. Esto ha generado importantes limitaciones para el uso práctico de las mediciones láser debido al tamaño, el peso y el consumo de energía de estos sistemas.

Así pues, los coches autónomos y otros vehículos y dispositivos autónomos (como los drones) (robótica) son las primeras posibilidades obvias para esta tecnología. Este campo se ha visto frenado por dos problemas: conseguir una IA lo suficientemente inteligente como para conducir los coches de forma segura, y el coste y el tamaño de los LiDAR para proporcionar a la IA una visión precisa de su entorno. La fotónica de niobato de litio podría resolver el segundo problema justo cuando las IA adquieran la capacidad suficiente para realizar esta tarea.

Esta no es la única aplicación de las mediciones láser ultraprecisas. La fabricación avanzada también utiliza LiDAR para mediciones y calibraciones constantes. Las telecomunicaciones, las comunicaciones cuánticas, la producción de microondas y los sensores también podrían beneficiarse de las mediciones láser de bolsillo, de bajo coste y bajo consumo energético.

Los científicos incluso utilizan láseres para medir ondas gravitacionales, observar la materia oscura y realizar otros cálculos físicos avanzados. Los velocímetros ultraprecisos (medición de velocidad) también podrían ser importantes para desarrollar una mejor fusión nuclear por confinamiento inercial, lo que también podría impulsar avances científicos generales.

Invertir en tecnología láser

Los láseres están presentes en innumerables partes de la tecnología moderna, desde discos ópticos hasta herramientas quirúrgicas, impresión 3D, semiconductores, fabricación y secuenciadores de genoma. con un mercado de 17.8 millones de dólares que se espera que crezca una tasa compuesta anual del 7.8 % hasta 2030.

Puede invertir en empresas relacionadas con el láser a través de muchos corredores, y puede encontrarlo aquí, en valores.io, nuestras recomendaciones para los mejores brokers en EE.UU, Canada, Australia, el Reino Unido, así como muchos otros países.

Si no está interesado en elegir empresas específicas, también puede buscar ETF de tecnología como ETF de tecnología estadounidense iShares (IYW) or  ETF de nanotecnología ProShares (TINY) incluso si no hay un ETF exclusivo de láser disponible, que proporcionará una exposición más diversificada para capitalizar las acciones de nanotecnología y tecnología.

Principales empresas públicas de láser y fotónica

Coherente (II-VI Marlow):Un líder en innovación láser

Coherent es un gran conglomerado industrial con más de 26,000 empleados y líder en tecnología láser. Surgió de la fusión de Advanced Material II-VI Marlow con el fabricante de láseres Coherent.

La empresa es experta en materiales avanzados utilizados en láseres, óptica y fotónica, como fosfuro de indio, obleas epitaxiales y arseniuro de galio.

Creció en gran medida gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, de $600 millones en ingresos en 2013 a $4.7 mil millones en 2024.

La empresa obtiene el 29% de sus ingresos directamente de los láseres, y el resto se vincula a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación abarca principalmente aplicaciones médicas y de ciencias de la vida.

Fuente: Coherente

La presencia de la empresa en materiales avanzados como la termofotovoltaica (que discutimos en un artículo anterior), el carburo de silicio, los láseres y la electrónica le ayudan a beneficiarse de tendencias estructurales como el crecimiento de la fabricación de precisión, la fabricación aditiva (impresión 3D), la electrificación y las energías renovables.

La compañía tiene Recientemente separó su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, propiedad en un 75% de Coherent, y el resto es propiedad en partes iguales de sus socios Mitsubishi Electric (que aporta propiedad intelectual sobre carburo de silicio) y Denso (que aporta su actividad como proveedor de automoción en electrificación y semiconductores de potencia).

Esto se debe a que el carburo de silicio es cada vez más una tecnología propia, utilizada principalmente en aplicaciones de alta potencia, como vehículos eléctricos, baterías y energía renovable.

Coherent es un líder en LIDAR y detección digital 3D, incluidas aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología Celdas de flujo para secuenciación de próxima generación (NGS) y  Láseres para la fabricación de semiconductoresEspera que sus principales mercados crezcan entre un 8 y un 20%.

Fuente: Coherente

Otras posibles nuevas aplicaciones de los láseres, como las armas de energía directa, la computación fotónica, la fusión nuclear y la tecnología espacial, podrían ayudar igualmente a sostener el crecimiento a largo plazo de la empresa.

En general, Coherent es lo más cercano que puede llegar a ser una empresa de láser “pure play” que cotiza en bolsa para los inversores interesados ​​en el sector, con una fuerte integración vertical y más de 3,100 patentes que protegen sus innovaciones.

Coherent también produce ya obleas de niobato de litio a gran escala, lo que la convierte en una de las empresas mejor posicionadas para llevar potencialmente la innovación comentada en este artículo a una etapa comercial.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de Coherent (COHR)

Estudio referenciado

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Láser de Pockels que impulsa directamente la metrología óptica ultrarrápida. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}