Ingenieros desarrollan un espectrómetro ultrarrápido en un chip de silicio impulsado por IA

Ingenieros han creado un espectrómetro ultrarrápido integrado en un chip de silicio, capaz de analizar la luz en tiempo real gracias al apoyo de la inteligencia artificial. El dispositivo, del tamaño de un grano de arena, abre la puerta a sensores portátiles más precisos para medicina, medioambiente y tecnología avanzada.

Por Enrique Coperías, periodista científico

Un espectrómetro ultrarrápido integrado en un chip de silicio, del tamaño de un grano de arena, sostenido sobre la yema de un dedo. El dispositivo, asistido por inteligencia artificial, permite analizar la luz en tiempo real y ampliar la detección en el infrarrojo cercano, con aplicaciones en biomedicina, medioambiente y sensores portátiles. Cortesía: Ahasan Ahamed

Durante décadas, analizar la firma espectral de la luz —esa huella que permite identificar materiales, tejidos biológicos o contaminantes— ha requerido instrumentos voluminosos, delicados y caros.

Los espectrómetros clásicos, con prismas o redes de difracción, ocupan desde una mesa de laboratorio hasta una mochila, y siguen siendo un cuello de botella para aplicaciones que exigen portabilidad, rapidez y bajo consumo. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Davis (Estados Unidos) ha presentado un dispositivo que desafía esa lógica: un espectrómetro ultrarrápido integrado en un chip de silicio, asistido por inteligencia artificial (IA), capaz de operar en tiempo real y con una resistencia al ruido que supera a la de muchos sistemas convencionales.

El avance, publicado en la revista científica Advanced Photonics, no es solo una proeza de miniaturización tecnológica. El nuevo espectrómetro en un chip, con una superficie de apenas 0,4 milímetros cuadrados —comparable a un grano de arena—, logra detectar con precisión luz en un rango especialmente difícil: el infrarrojo cercano, hasta longitudes de onda de 1.100 nanómetros. Es justo en esa región donde se esconden señales clave para la medicina, la agricultura de precisión, la monitorización ambiental o la teledetección, y donde el silicio, el material estrella de la electrónica moderna, suele fallar.

El problema del infrarrojo y los límites del silicio

El silicio ha sido durante décadas el pilar de sensores ópticos y cámaras digitales. Su compatibilidad con los procesos industriales CMOS, esto es, los mismos que permiten fabricar microprocesadores a gran escala, lo convierte en un candidato ideal para dispositivos baratos y masivos.

Sin embargo, tiene una debilidad bien conocida: absorbe mal la luz infrarroja. A partir de los 900 nanómetros, los fotones atraviesan el material sin generar señal suficiente, lo que degrada la sensibilidad y dispara el ruido electrónico.

Esta limitación ha obligado tradicionalmente a recurrir a materiales alternativos, más caros o difíciles de integrar, o a aceptar que los espectrómetros basados en silicio «se queden ciegos» justo donde muchas aplicaciones empiezan a ser interesantes. El nuevo trabajo, dirigido por M. Saif Islam, Ahasan Ahamed y sus colegas de la Universidad de California en Davis, ataca este problema desde dos frentes: la ingeniería nanofotónica del detector y el uso de redes neuronales para reconstruir la información espectral.

Atrapar fotones para ver más lejos

La clave física del dispositivo está en unas estructuras microscópicas grabadas en la superficie de cada fotodiodo, conocidas como texturas superficiales que atrapan fotones (PTST) o texturas atrapafotones. A simple vista, bajo un microscopio óptico, estas estructuras se manifiestan como reflejos iridiscentes de distintos colores. A escala nanométrica, su función es mucho más sofisticada: desviar la luz incidente para que, en lugar de atravesar el silicio de forma casi recta, quede confinada y rebote lateralmente dentro del material.

Este efecto aumenta de manera drástica el recorrido efectivo de los fotones y, con él, la probabilidad de que sean absorbidos, incluso en longitudes de onda donde el silicio es poco eficiente. Ajustando con precisión el tamaño y la periodicidad de estas texturas, los investigadores consiguen que cada fotodiodo responda de forma distinta a diferentes rangos del espectro electromagnético. El resultado no es un detector uniforme, sino una pequeña colección de sensores especializados, cada uno con su propia huella espectral.

En el chip de silicio final se integran hasta 32 fotodiodos distintos, todos fabricados de forma monolítica y compatibles con procesos industriales estándar. Algunos están optimizados para longitudes de onda alrededor de los 600 nanómetros, otros para 800 y otros para 1.000, lo que cubre en conjunto un rango continuo desde el visible hasta el infrarrojo cercano profundo.

Medir sin dispersar: el espectrómetro reconstruido

A diferencia de los espectrómetros tradicionales, este dispositivo no separa físicamente la luz en sus distintos colores. No hay prismas ópticos ni redes de difracción. La luz incide directamente sobre el conjunto de fotodiodos, y cada uno genera una corriente eléctrica ligeramente diferente en función de su respuesta espectral y del contenido de la señal incidente. El reto es evidente: ¿cómo reconstruir el espectro de luz original a partir de ese puñado de números?

Aquí entra en juego la inteligencia artificial. El equipo ha entrenado una red neuronal completamente conectada para resolver el llamado problema inverso: aprender la relación entre las corrientes medidas en los detectores y el espectro óptico de entrada. Para ello, alimentaron al modelo con cientos de miles de espectros sintéticos y las respuestas reales de los fotodiodos, hasta que la red fue capaz de inferir con gran precisión la distribución de longitudes de onda de una señal desconocida.

El resultado es sorprendente. Con solo dieciséis detectores, el sistema logra reconstruir picos espectrales estrechos con un error medio inferior al 5% y una resolución espectral de unos 8 nanómetros en todo el rango de 640 a 1.100 nanómetros. En pruebas con láseres de banda estrecha, el espectrómetro en chip no solo iguala, sino que supera a espectrómetros de silicio convencionales, que dejan de funcionar correctamente más allá de los 950 nanómetros.

Mientras los espectrómetros convencionales pierden sensibilidad en el infrarrojo cercano, este chip miniaturizado combina texturas superficiales e inteligencia artificial para detectar señales invisibles para los dispositivos tradicionales. El sistema identifica picos claros más allá de los 950 nanómetros, permitiendo análisis complejos de la luz en un sensor de menos de un milímetro. Cortesía: Ahamed et al.

Ver entre el ruido

Uno de los aspectos más llamativos del trabajo es la resistencia al ruido. En condiciones reales, especialmente en aplicaciones portátiles o de bajo coste, las señales ópticas suelen ser débiles y las interferencias electrónicas inevitables.

Los investigadores sometieron su sistema a niveles artificiales de ruido muy elevados —equivalentes a una degradación de 40 decibelios en la señal de los detectores— y comprobaron que el espectrómetro seguía funcionando con una relación señal-ruido de alrededor de 30 decibelios en la reconstrucción espectral final.

En comparación, los espectrómetros convencionales pierden rápidamente sensibilidad y se vuelven inútiles en el infrarrojo cercano cuando el ruido aumenta. La combinación de detectores más eficientes gracias a las texturas atrapafotones y de una red neuronal entrenada para limpiar la señal permite al nuevo dispositivo operar en condiciones donde otros fallan.

Ultrarrápido y de bajo consumo

El chip no destaca solo por su tamaño. Los fotodiodos integrados tienen tiempos de respuesta ultrarrápidos, del orden de 57 picosegundos, lo que los hace aptos para aplicaciones como la espectroscopía Raman, que se aplica sobre todo en medicina, química, farmacia, control de materiales, forense y monitorización ambienta, o la imagen por tiempo de vida de fluorescencia, técnicas habituales en biomedicina avanzada.

Además, funcionan con bajo voltaje, alrededor de 8 voltios, y presentan altas ganancias internas, lo que reduce el consumo energético y mejora la sensibilidad en condiciones de poca luz.

Estas características abren la puerta a dispositivos portátiles capaces de analizar tejidos en tiempo real durante una cirugía, sensores ambientales que monitoricen contaminantes de forma continua o sistemas de visión hiperespectral integrados en drones y satélites de pequeño tamaño.

De la mariposa al quirófano

Para demostrar el potencial del sistema más allá del laboratorio, los investigadores lo aplicaron a la reconstrucción de imágenes hiperespectrales de un conjunto de mariposas, un clásico en este tipo de pruebas.

Utilizando únicamente dieciséis detectores y el modelo de IA, el chip fue capaz de reproducir con gran fidelidad las variaciones espectrales en el infrarrojo cercano asociadas a los pigmentos naturales, con índices de similitud muy altos respecto a los datos originales.

No es difícil imaginar el siguiente paso: cámaras hiperespectrales en chip, del tamaño de una uña, integradas en endoscopios, teléfonos móviles o dispositivos vestibles, capaces de detectar cambios sutiles en tejidos humanos, alimentos o cultivos sin necesidad de grandes equipos.

Una revolución silenciosa

El trabajo se inscribe en una tendencia más amplia: la convergencia entre fotónica, microfabricación e inteligencia artificial para crear sensores computacionales, en los que parte de la complejidad se traslada del hardware al software. En este caso, la apuesta por el silicio CMOS y la compatibilidad industrial es clave para pensar en una futura producción a gran escala y bajo coste, de forma similar a lo que ocurrió con los sensores de imagen digitales hace unas décadas.

Los autores ya trabajan en integrar en el mismo chip la electrónica de lectura, los amplificadores, y los convertidores analógico-digitales, con la vista puesta en un auténtico sistema en un solo chip. Si lo logran, el espectrómetro ultrarrápido en chip podría dejar de ser un instrumento especializado para convertirse en un componente tecnológico invisible, integrado en la vida cotidiana.

En un mundo cada vez más dependiente de datos en tiempo real y de dispositivos inteligentes, la capacidad de ver más allá del ojo humano, en chips diminutos, robustos y asistidos por IA, puede acabar siendo tan revolucionaria como lo fue en su día la cámara digital. Este pequeño espectrómetro de silicio, atrapando fotones y apoyándose en la inteligencia artificial, apunta claramente en esa dirección.▪️

• Información facilitada por la SPIE

• Fuente: Ahasan Ahamed, Htet Myat, Amita Rawat, Lisa N. McPhillips, M. Saif Islam. AI-augmented photon-trapping spectrometer-on-a-chip on silicon platform with extended near-infrared sensitivity. Advanced Photonics (2026). DOI: https://doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016008