PT603549E - Dispositivo para a ligacao de pelo menos um elemento emissor de luz a pelo menos um elemento receptor de luz - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO PARA A LIGAÇÃO DE PELO MENOS UM ELEMNTO EMISSOR DE LUZ A PELO MENOS UM ELEMENTO RECEPTOR DE LUZ" A invenção refere-se a um dispositivo óptico de acordo com as características da Reivindicação 1 .Um tal dispositivo é conhecido da US-A-5.017.986.

Da JP-A-61/121014 é conhecido um dispositivo óptico, que liga um elemento emissor de luz a um elemento receptor de luz com a ajuda de um feixe luminoso. Este dispositivo conhecido apresenta as seguintes características: a) o elemento emissor ou receptor de luz encontra-se instalado de um lado de um suporte permeável à luz, b) o suporte apresenta, no outro lado, uma secção condutora das ondas luminosas e duas superfícies reflectoras, c) o percurso do feixe luminoso parte do elemento emissor de luz, encontra uma superfície reflectora, corre através da secção condutora das ondas luminosas, encontra a segunda superfície reflectora, e termina no elemento receptor da luz.

Da DE 39 14 835 é conhecido um dispositivo para a ligação de um condutor de ondas luminosas a um elemento emissor ou receptor óptico. O condutor de ondas luminosas e o elemento transmissor ou receptor óptico encontram-se fixados sobre diferentes suportes, que se sobrepõem uns aos outros de forma móvel. O feixe luminoso chega, através de uma dupla reflexão em cada uma das superfícies de espelho que se encontram cada uma delas sobre um suporte, do condutor de ondas luminosas até ao elemento óptico activo. Consegue-se um ajustamento através da movimentação dos suportes. 2 &

No pedido de patente alemã P 43 01 455 é descrita a utilização de um suporte monobloco de silício cristalizado, em cujo lado inferior se encontra fixada numa ranhura, pelo menos uma extremidade de um condutor de ondas luminosas e sobre cujo o lado superior está previsto pelo menos um elemento emissor ou receptor, cujas superfícies receptoras ou emissoras de luz estão viradas para o lado inferior. Neste caso, o condutor de ondas luminosas encontra-se fixado na ranhura em forma de V. A luz alcança, a partir do condutor de ondas luminosas, através do suporte, o elemento receptor (ou do elemento emissor, através do suporte, o condutor de ondas luminosas), para o que é reflectida totâlmente por uma superfície.

Constitui objecto da invenção proporcionar um dispositivo, com o qual pelo menos um elemento emissor de luz possa, particularmente de forma seiectiva, ser ligado a pelo menos um elemento receptor de luz. O objecto é atingido por meio de um dispositivo óptico com as características da Reivindicação 1. Aperfeiçoamentos vantajosos podem ser deduzidos das reivindicações subordinadas.

Como elementos emissores ou receptores de luz podem ser usados, não só elementos emissores ou receptores optoelectrónicos, como também condutores de ondas luminosas que irradiem luz ou condutores de ondas luminosas para os quais seja irradiada luz. Para isso podem considerar-se também dispositivos puramente ópticos. Na utilização de elementos optoelectrónicos podem, além desses elementos, ser também previstos condutores e comutadores electrónicos, por exemplo para a orientação das superfícies superiores de um suporte. É proposto um conceito de montagem modular para a ligação de um quantidade de elementos emissores ópticos com uma quantidade de elementos receptores ópticos, com a inclusão de superfícies separadoras ópticas entre esses elementos optoeléctricos e de circuitos e planos de montagem eléctricos para os elementos optoeléctricos, bem como para planos electrónicos para emprego nas ligações de movimentação e sinalização. Este tipo de junção electrónica é necessário, por exemplo, para ser empregue em 3

sistemas de ligações cruzadas, para a técnica da mediação óptica ou em redes neurais. De acordo com o estado da técnica os componentes isolados são, além disso, ligados uns aos outros por meio de fibras. Deseja-se a junção de conjuntos especialmente separados uns dos outros de elementos emissores e receptores através de ópticas de irradiação livre com condução da irradiação por meio de hologramas. No entanto tais sistemas não podem ser ainda realizados devido às dificuldades técnicas a eles ligadas. O dispositivo óptico proposto faz uso de algumas características vantajosas do silício. O silício é estruturável por meio de cauterização micromecânica anisotrópica, possui uma elevada condutividade do calor e é muito transparente à luz de IV de até 1200 nm de comprimento de onda. Com base nessas propriedades o silício oferece a plataforma de montagem ideal para a recepção de fibras, faixas de condutores de ondas, elementos ópticos emissores e receptores e sistemas de reprodução óptica. Por causa da transparência do silício, o percurso da luz pode, neste caso, ser efectuado através do substrato, de modo que as superfícies de suporte para os elementos de emissão, recepção e distribuição da luz, bem como os planos de ligação electrónica, podem ser colocados sobre lados diferentes de substratos de silício empilhados uns sobre os outros.

Um exemplo de forma de realização de acordo com a invenção é explicado com a ajuda da Fig. 1. Um primeiro suporte de silício 1, cujo plano (100) se situa nas superfícies da pastilha, tem num lado inferior uma cavidade 2 cauterizada anisotropicamente com um plano rectangular, um fundo plano e superfícies laterais oblíquas 3 e 3’, que são constituídas por meio dos planos (111). O fundo plano é constituído, por meio da limitação temporizada da profundidade da cauterização ou através de uma camada de contenção da cauterização, como plano (100). As superfícies laterais 3 e 3’ fecham, em relação às características cristalográficas do silício, um ângulo de inclinação de α = arco tangente {/(2)) = 54,74 ° com as superfícies superiores da pastilha. A cavidade 2 é preenchida com um material condutor da luz 4 até uma profundidade t situada abaixo da superfície superior da pastilha. Esse material condutor de luz 4 vai até às margens inclinadas 3 e 3’ da 4 β Ψ f/tá cavidade 2. Para isso é escolhido um material que se possa introduzir facilmente na cavidade 2 e no qual, através de processos adequados, possam ser produzidas faixas de condutores de ondas 5. Para isso podem ser usados, por exemplo, PMM (Plexiglas) ou ORMOCERE (cerâmica organicamente modificável). Sabe-se que, em ambos estes materiais , o índice de refracção se pode elevar por meio da introdução de foto iniciadores através de iluminação com luz UV. Desta maneira consegue-se, por meio de uma máscara adequada e de uma iluminação superficial total ou através de processos de inscrição laser sem máscara, construir faixas de condutores de ondas com um índice de refracção mais elevado que o do seu ambiente. Nó PMMA é possível uma elevação do índice de refracção de acordo com o estado da técnica, também sem um aditamento de fotoiniciadores, apenas por meio de iluminação com UV. De acordo com a invenção as faixas de condutores de onda assim produzidas devem situar-se abaixo do rebordo da cavidade 2. No enchimento da cavidade 2 com o material condutor de ondas quase líquido, por exemplo através de aspersão ou projecção, aquela deve ser cheia até pelo menos quase ao rebordo. Através de nivelamento pode conseguir-se que o enchimento chegue precisamente até à superfície superior da pastilha. Nessa condição os condutores de ondas podem ser já produzidos por meio dos processos acima referidos, uma vez que os condutores de ondas são produzidos no interior do material através da iluminação. O núcleo dos condutores de ondas é portanto limitado precisamente pelos ângulos superiores das superfícies laterais da cavidade 2. E mais seguro instalar o condutor de ondas um pouco mais fundo na cavidade 2, para que não surja qualquer perda por espalhamento devida a eventuais irregularidades nos rebordos das superfícies inclinadas 3 e 3’. Para isso o material 4 é trazido, na sua superfície superior destinada à produção dos condutores de ondas, até uma profundidade de alguns pm. Aquela pode dar-se, por exemplo, por meio de cauterização húmida, cauterização seca ou ablação por laser. Após a produção dos condutores de ondas pode ser instalada uma camada de cobertura 6 com um índice de refracção menor do que o índice de refracção dos condutores de ondas, a fim de melhorar a orientação da luz. Os condutores de ondas 5 podem ser estruturados no plano do desejado caso de aplicação respectivo como ramificadores, separadores de radiação, acopladores, comutadores electrópticos etc, a fim de combinarem uns com os outros, da forma desejada, diversos percursos luminosos. Nas extremidades dos condutores de ondas portanto nas entradas e 5 saídas do condutor de ondas luminosas 5, a luz, obliquada para cima nas superfícies marginais 3 e 3’, é enviada para o interior do substrato de silício. Os ângulos encontram-se representados numa secção ampliada da Fig. 2. O ângulo de refracção no silício calcula-se a partir da lei de refracção de Snellius com um ângulo de incidência de al =90- a = 35,26° para βΐ = arco seno (( nf / nsi) * seno (al)) em que nf é o índice de refracção da faixa de condutores de onda e nsj o índice de refracção do silício. Se se tomar nf por PMMA com 1,5 e nsi com 3,4777 para um comprimento de onda de 1,55 pm, resulta daí que βΐ = 14,420 °.

Para o cálculo da expansão da radiação depois da saída do percurso da luz através do condutor de ondas, devem ser também seguidas as radiações marginais dos feixes luminosos que saem. Para o cálculo é tomado um condutor de ondas, que tenha um NA de 0,1 na transposição para o ar e assim corresponda a um tipo de monofilamento normalizado. O corpo da radiação tem então um raio de w0 = / (π* tan. (0L)) em que 0l = arco de seno (NA) = 5,740 que é o ângulo de divergência da radiação no ar. Com isso obtém-se (4) w0 = 4,91 pm.

No entanto, aqui, a radiação não penetra no ar mas antes no silício com um índice de refracção mais elevado. O ângulo de divergência no silício é 0sí = arco de tan. ( /7t*w0nsi)) = 1,655 6

Após a refracção nas superfícies marginais 3 a radiação central do feixe tem o ângulo de direcção em relação à superfície superior da pastilha de τ 2 = 90° - α - β, = 20,845°

Para o ângulo de direcção das radiações marginais superior e inferior, obtém-se, por adição ou subtracção, de Θ sí τ 2suP = τ 2 + Θ Si = 22,50° T2inf = τ2 - Θ Si = 19,19° A pequena distância antes e depois da cavidade 2 são construídas por meio de cauterização anisotrópica outras duas cavidades 7 e 7’. O feixe luminoso penetra nas suas superfícies inclinadas 8 ou 8’ e é aí totalmente reflectido. Depois disso o feixe luminoso dirige-se quase perpendicularmente para cima. O ângulo de direcção calcula-se a partir dos ângulos de direcção anteriormente determinados τ 2inf, τ 2 e τ 2sup para T 3inf = 90°-2*α + T 2inf = -0,281° x3 = 90° - 2*0C + τ2 = 1.347° t 3suP = 90° - 2*a + T2inf= 3,029° em relação às normais das superfícies dos lados superiores da pastilha. Em relação à pequena divergência da radiação no silício, a radiação, depois de ter atravessado uma pastilha de 525 pm de espessura, apenas tem no lado superior da pastilha uma expansão de 31 pm. Com essa pequena expansão da radiação poder-se-ia, por exemplo, instalar um fotodíodo, sem um acoplamento óptico directo, na superfície superior do substrato 1. Na Figura 1 , em vez disso, está instalado sobre o substrato 1 um segundo substrato 10, o qual suporta sobre a sua superfície superior 11 um laser que emite sobre a superfície superior (SELD) e um fotodíodo 13. Além, disso o plano 11 do substrato 10 suporta os trajectos dos condutores 14 bem como os necessários elementos de 7

construção electrónica 15 para a orientação e a exploração de sináis dos elementos de construção electrópticos.

Entre ambos os substratos 1 e 10 estão instalados, para focar os raios 16 e 17 que correm quase perpendicularmente através do substrato, dois elementos de representação 18 e 19. Vantajosamente podem aqui ser utilizadas lentes de Fresne planas. Os pontos de passagem dos raios, do substrato para o ar ou para dentro do condutor de ondas 5, estão munidos de camadas antireflexão, a fim de se evitarem perdas de reflexão. A Figura 3 mostra um aspecto do substrato 1 visto por baixo, com uma vista sobre a estrutura condutora de ondas 5. Aqui está representado um exemplo de uma estrutura ramificada de feixes de condutores de ondas entre um lado de entrada e um lado de saída. Da mesma forma podem realizar-se outras estruturas de condutores de ondas, como acopladores, acopladores de Stem ou elementos activos de comutação.

Além da divisão do percurso do sinal no plano, como se mostra na Figura 3, pode realizar-se também, por meio da técnica de empilhamento, portanto do empilhamento uns sobre os outros de diferentes suportes, uma divisão dos percursos de sinais em diferentes planos. Um exemplo de forma de realização disso está representado na Figura 4. Aí estão empilhados uns sobre os outros 4 substratos de Si 101, 102, 103 e 104. A vista é aqui apresentada do lado frontal de uma secção, através das superfícies marginais da respectivas cavidades 3, que estão preenchidas com o material condutor de ondas 4, e que suportam cada uma delas ramificações de malhas ópticas 51, 52, 53, 54. Os feixes de radiação 16 que correm perpendicularmente através dos substratos estão representados esquematicamente como linhas. As estruturas dos condutores de ondas alcançam divergindo separadamente a frente de cada um dos substratos, de modo que as radiações vindas dos quatro emissores 121, 122, 123 e 124 possam ser dirigidas para cada um dos planos de separação óptica. Do mesmo modo, os planos de separação óptica 51 a 54 divergem para trás, de modo que cada um dos díodos receptores 131, 132, 133 e 134 se encontra ligado a um plano de separação 51 a 54 (ver Figura 5). A ligação de qualquer plano de separação por baixo de outro consegue-se, em cada um dos planos de separação óptica, através da comutação dos percursos luminosos ligados ao plano de separação desejado. Desta maneira consegue-se ligar selectivamente cada uma das entradas 121 a 124 a cada uma das saídas 131 a 134.

Em lugar dos elementos electrópticos activos de construção 121 a 124 e 131 a 134, podem também ser previstas para cada finalidade de utilização uniões de fibras. A Figura 6 mostra um exemplo de forma de realização, no qual, do lado da entrada, o laser é substituído por uniões de fibras. Da mesma maneira os díodos receptores do lado da saída podem também ser substituídos por fibras. As fibras 22 são para isso instaladas numa ranhura em V 20, que é construída por meio de cauterização anisotrópica, com uma profundidade tal, que o núcleo das fibras e o feixe luminoso divergente que sai das fibras, se mantêm completamente abaixo da superfície superior da pastilha. No lado frontal 21 da ranhura em V 20 o feixe luminoso é obliquado para baixo para penetrar no silício. Após uma curta distância o feixe luminoso volta a incidir numa superfície marginal 8 de uma cavidade 7, na qual é totalmente reflectido e é virado quase perpendicularmente para o substrato. Os outros percursos da radiação dão-se conforme o descrito na Figura 1.

Em vez do laser - SELD indicado na Figura 1, podem também utilizar-se laseres emissores angulares normais. A Figura 7 mostra um exemplo de forma de realização com um laser emissor angular 125. Aqui é necessária uma óptica de colimação 126, para o que pode ser utilizada, por exemplo, uma lente esférica numa cavidade cauterizada anisotropicamente 127. O percurso da radiação após a colimação é conforme descrito na Figura 6.

Para o posicionamento exacto dos diferentes substratos em relação uns aos outros utiliza-se também a estruturação altamente precisa por meio da técnica de cauterização anisotrópica. Para isso são propostas duas possibilidades. A Figura 8 mostra um desenho pormenorizado de um exemplo de forma de realização, no qual, em dois substratos 101 e 102 que se ajustam um ao outro, em lugares correspondentes de cada um deles, é cauterizada anisotropicamente uma cavidade de forma piramidal 141 e 142 com uma superfície de fundo quadrangular. Nessas cavidades é introduzida uma esfera de precisão 143, por exemplo de vidro ou aço. O tamanho de ambas as cavidades é

I

escolhido de modo que a esfera toca precisamente nas oito superfícies laterais de ambas as cavidades quando as superfícies superiores dos substratos estão em contacto uma com a outra. Para o posicionamento dos dois substratos em relação um ao outro são necessárias pelo menos dois de tais auxiliares de posicionamento, se possível instalados em locais afastados um do outro.

Uma outra possibilidade de posicionamento está representada na Figura 9. Aqui não são necessários quaisquer corpos auxiliares suplementares como sejam esferas. Num dos substratos 103 é cauterizada uma ranhura em V 151. A superfície superior do outro substrato 104 é cauterizada completamente plana até um pino 152. Este pino tem ângulos convexos na sua extremidade, os quais são corroídos durante a cauterização, de modo que o pino 152 é ligeiramente mais curto de comprimento em cada extremidade do que a cavidade cauterizada. O posicionamento de um pino com a respectiva ranhura em V apenas se pode dar na direcção perpendicular à direcção do pino. Para fixação do posicionamento na direcção do pino é por isso necessário um segundo pino 152’ com uma ranhura em V 15Γ, cuja direcção corre perpendicularmente à da primeira estrutura de posicionamento 151 e 152. A fixação dos diversos substratos de uma pilha uns sobre os outros pode efectuar-se por meio de um processo conhecido, através de colagem ou soldadura anódina.

Além das lentes de Fresnel mostradas na Figura 1 para enfeixamento da luz podem colocar-se também lentes de Fresnel para disseminação da luz 181 entre cada um dos planos dos substratos da pilha, como se mostra num exemplo de forma de execução da Figura 10. Desta maneira pode-se dividir a luz a partir da direcção de penetração 17 quase perpendicular, em diferentes direcções 171 a 173 previamente escolhidas e separar-se por muitos canais. Se necessário podem ligar-se entre si quaisquer das saídas da luz, por meio de elementos bidimensionais electrópticos ou termópticos comutáveis, por exemplo LCDs, 174 a 176.

Lisboa 2 9 JUH. 200li

Castuno, u** Tfilefs. 213651SS3-213854613

Claims (8)

1. I I

   REIVINDICA ÇÕES 1. Dispositivo óptico com peio menos um elemento emissor de luz (12) e pelo menos um elemento receptor de luz (13) , que se encontram instalados de tal maneira, que ficam opticamente acoplados um ao outro, em que o dispositivo apresenta as seguintes características: a) os elementos emissor e receptor de luz (12, 13) encontram-se sobre uma superfície de base de um primeiro suporte permeável à luz (10) oposta ao lado inverso (11) desse suporte, b) um segundo suporte permeável à luz (1) encontra-se sobre o primeiro suporte (10), ao mesmo tempo que as superfícies de base de ambos os suportes estão viradas uma para a outra, do mesmo modo sob ligação mútua com outro suporte permeável à luz, c) o segundo suporte (1) apresenta na sua superfície oposta à sua superfície de base uma estrutura de condutores de ondas luminosas (5) e pelo menos duas superfícies de reflexão (8, 8’), que se encontram instaladas de tal modo , que um feixe luminoso, que sai do elemento emissor de luz (12), cruza as superfícies de base, encontra uma superfície de reflexão (8), percorre a estrutura de condutores de ondas de luz (5), encontra a segunda superfície de reflexão (8’), cruza uma vez mais as superfícies de base e termina no elemento receptor de luz (13), caracterizado por, entre as superfícies de base dos primeiro e segundo suportes (1, 10) estar prevista uma lente, especialmente uma lente de Fresne, como ponto intermédio de passagem da luz (18, 19), por pelo menos numa das extremidades de dos condutores de ondas luminosas estarem previstas diversas extremidades de elementos emissores e/ou receptores, por entre o ponto intermédio e esses elementos estarem previstos meios para a separação do feixe luminoso em diversos feixes, que apresentam direcções previamente determinadas (171, 172, 173), e por entre o ponto intermédio e esses elementos estar previsto pelo menos um elemento (174, 175, 176), que se pode comutar entre a condição permeável à luz e impermeável à luz. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as superfícies de reflexão (8, 8’) serem totalmente reflectivas. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a estrutura condutora de ondas luminosas (5) ser uma secção de condutores de ondas luminosas, particularmente uma secção de fibras instalada numa ranhura em V. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a estrutura condutoOra de ondas luminosas (5) ser uma estrutura ramificada, uma ligação ou uma matriz de ligações com faixas condutoras de ondas. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a estrutura condutora de ondas luminosas (5) ser um acoplador, particularmente um acoplador de Stem. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por os suportes (1, 10) serem instalados de forma móvel um sobre o outro. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por os suportes (1, 10) serem fixados após o ajustamento de um com o outro, particularmente por meio de colagem ou soldadura. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por, se encontrarem nas superfícies de base dos suportes (103, 104) estruturas 3 3

   ί; y complementares cauterizadas anisotropicamente (151, 15Γ, 152, 152’), cujos flancos servem para o encosto dos suportes (103, 104) um ao outro.
2. 9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por se encontrarem nas superfícies de base dos suportes (101, 102) estruturas cauterizadas anisotropicamente (141,. 142), cujos respectivos flancos servem como elementos auxiliares (143) para o encosto de pelo menos um dos dois suportes (101, 102)
3. 10. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por estarem previstos diversos suportes permeáveis à luz (101 a 104), dos quais pelo menos um apresenta pelo menos duas superfícies de reflexão e uma estrutura condutora de ondas luminosas (51 a 54).
4. 11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por estarem previstas sobre diversos suportes permeáveis à luz (101 a 104) estruturas condutoras de ondas luminosas (51, 54), em que as extremidades dos condutores de ondas luminosas das estruturas condutoras de ondas luminosas se encontram separadas em relação umas às outras, de maneira que os feixes luminosos para/de cada um dos suportes não irradiam para as estruturas condutoras de ondas luminosas do outro suporte.
5. 12. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por estar prevista para cada uma das extremidades dos condutores de ondas luminosas uma superfície de reflexão.
6. 13. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por estarem previstos como elementos emissores e/ou receptores de luz, elementos optoelec.trónicos de emissão ou recepção. 4
7. 14. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por estarem previstos como elementos emissores e/ou receptores de luz extremidades de condutores de ondas luminosas.
8. 15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o segundo suporte (1) ser um suporte de silício, cujo plano (100) se situa no plano da pastilha e que no seu lado contrário apresenta uma cavidade cauterizada anisotropicamente (2) com um condutor de ondas (5), por o feixe uminoso ser levado às superfícies marginais (3, 3’) nas extremidades dos condutores de ondas no suporte de silício e embaterem nas superfícies de reflexão (8, 8’), as quais, que são superfícies inclinadas constituídas por outras cavidades cauterizadas anisotropicamente (7, 7’), por o feixe uminoso correr quase na perpendicular da superfície de base dos suportes (1, 10) após a reflexão total nas superfícies de reflexão. Lisboa 2 9 JUN. 2000

   leleb. S1Í3Í1 233 -213 854613