LiDAR a escala de chip: más pequeño y barato mediante láser Pockels de LiNbO3

Cómo los láseres de precisión impulsan el LiDAR moderno

Los láseres son una tecnología fundamental subestimada que sustenta el mundo moderno. Se utilizan en la fabricación de semiconductores, telecomunicaciones de fibra óptica, grabado e impresión, discos ópticos, cirugía, medición, sistemas militares, aeroespacial, etc.

Una aplicación reciente en auge de los láseres es el LiDAR (Detección y Rango por Luz), o “radar láser”, un método que utiliza un láser para detectar la distancia a un objeto con precisión exacta.

Los LiDAR se utilizan en casi todas las empresas de conducción autónoma para alimentar sus vehículos autónomos, formando dispositivos grandes en la parte superior de los autos autónomos.

Fuente: SFGate

El problema con el LiDAR es que es bastante voluminoso y caro, 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 recientemente, gracias a un nuevo diseño de láser desarrollado por investigadores de la Universidad de Rochester (EE. UU.) y la Universidad de California (EE. UU.). Se apartó de la fotónica de silicio habitual, utilizando niobato de litio en su lugar.

Publicaron su descubrimiento en Light Science & Applications¹, bajo el título “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Comprendiendo el LiDAR: Principios y Técnicas

Fundamentos de la Medición de Distancia con LiDAR

El principio básico de un LiDAR es similar al funcionamiento de un radar: se emite una señal que rebota en un objeto y regresa al origen. El tiempo entre la emisión de la señal y su retorno 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 – RAdio Detection And Ranging)

Fuente: Synopsis

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

Efecto Pockels: Habilitando la Sintonización Ultrarápida de Láseres

Los investigadores han buscado mejorar la tecnología LiDAR aprovechando el efecto Pockels. Este fenómeno modifica en ciertos materiales el índice de refracción (cómo se dobla la luz) cuando se aplica un campo eléctrico.

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

Fuente: Sumimoto

Permitió a los investigadores crear un láser que podía cambiar su color de manera muy precisa a lo largo de un amplio espectro de luz a velocidades extremadamente rápidas—aproximadamente 10 quintillones de veces por segundo.

Una aplicación común del niobato de litio es para ondas acústicas superficiales (SAW) en teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos, creando filtros que evitan el ruido y la interferencia, por lo que esta tecnología puede aprovechar una cadena de suministro existente.

Construyendo un Láser LiDAR Pockels a Escala de Chip

Niobato de Litio de película delgada: Ingeniería a escala nanométrica

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

Fuente: Light Science & Applications

Luego probaron variaciones de la capa protectora de silicio, encontrando el grosor óptimo que puede generar el rango de frecuencia más controlable.

Fuente: Light Science & Applications

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 usarse para relojes ópticos que miden el tiempo con precisión extrema, pero se necesita mucho equipo para ello. Una configuración típica podría requerir instrumentos del tamaño de una computadora de escritorio, como un láser intrínseco, un aislador, un modulador acusto‑óptico y un modulador de fase.

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

Shixin Xue – Shixin Xue, un estudiante de doctorado en Rochester University 

Métricas de Rendimiento: Chirp de Frecuencia y Velocimetría

Al medirlo, el chip mostró un rendimiento que superó con creces a todos los láseres existentes.

Notablemente, alcanzó una “tasa de chirp 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 pudo alcanzar una velocimetría de 40 m/s sobre una distancia corta de 0,4 m, y la resolución visual fue <2 cm. Incluso es posible que la medición de velocidad pueda ser superior a 40 m/s, pero la configuración experimental no permitió pruebas más rápidas.

Estos rendimientos a corto alcance son importantes, ya que son algo con lo que los sistemas LiDAR tradicionales casi siempre tienen dificultades, junto con objetos de rápido movimiento, y representan un gran problema para la tecnología de conducción autónoma que necesita ver claramente objetos cercanos y en rápido movimiento.

Fuente: Light Science & Applications

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

Hasta ahora, el desarrollo del control de frecuencia láser ha permanecido relativamente limitado. Esto ha creado graves limitaciones para el despliegue práctico de mediciones láser debido al tamaño, peso y consumo de energía de estos sistemas.

Así que los autos autónomos y otros vehículos autónomos (como drones) y dispositivos (robótica) son las primeras posibilidades evidentes para esta tecnología. El campo ha sido frenado por dos problemas: lograr una IA lo suficientemente inteligente para conducir los autos de forma segura, y el costo y 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 a tiempo cuando las IA están alcanzando la capacidad necesaria para la tarea.

Esta no es la única aplicación de mediciones láser ultra precisas. La fabricación avanzada también utiliza LiDAR para mediciones y calibraciones constantes. Las telecomunicaciones, comunicaciones cuánticas, la generación de microondas y los sensores también podrían beneficiarse de mediciones láser de tamaño de bolsillo, bajo costo y bajo consumo energético.

Los científicos incluso usan láseres para medir ondas gravitacionales, observar materia oscura y otros cálculos avanzados de física. Los velocímetros ultra precisos (medición de velocidad) también podrían ser importantes para desarrollar una mejor fusión nuclear por confinamiento inercial, por lo que podrían contribuir al avance científico en general.

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 genómicos, con un mercado de 17,8 mil millones de dólares que se espera que crezca un 7,8 % CAGR hasta 2030.

Puedes invertir en empresas relacionadas con láseres a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrarás nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.

Si no te interesa seleccionar empresas específicas, también puedes considerar ETFs tecnológicos como iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY), aunque no exista un ETF dedicado exclusivamente a láseres, lo que proporcionará una exposición más diversificada para capitalizar en acciones de nanotecnología y tecnología.

Principales empresas públicas de láser y fotónica

Coherent (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 del material avanzado 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 considerablemente gracias a múltiples adquisiciones durante la última década, pasando de 600 M$ en ingresos en 2013 a 4,7 B$ en 2024.

La compañía obtiene el 29 % de sus ingresos directamente de láseres, mientras que el resto está vinculado a equipos asociados como fibra óptica y electrónica. La categoría de instrumentación incluye principalmente aplicaciones en ciencias de la vida y medicina.

Fuente: Coherent

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

Recientemente, la compañía ha separado su negocio de carburo de silicio en una nueva entidad, de la cual Coherent posee el 75 %, y el resto es propiedad equitativa de sus socios Mitsubishi Electric (aportando la propiedad intelectual de potencia de carburo de silicio) y Denso (aportando su actividad como proveedor automotriz en electrificación y semiconductores de potencia).

Esto se debe a que el carburo de silicio se está convirtiendo cada vez más en 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, incluyendo aplicaciones de conducción autónoma, biotecnología células de flujo de secuenciación de próxima generación (NGS), y láseres para la fabricación de semiconductores. Espera que sus principales mercados crezcan entre un 8 % y un 20 %.

Fuente: Coherent

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

En conjunto, Coherent es lo más cercano a una empresa de láseres “pure play” cotizada 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 ya produce obleas de niobato de litio a escala, lo que la convierte en una de las compañías mejor posicionadas para potencialmente llevar la innovación discutida 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. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}