DISPOSITIVO PARA EL ENCAPSULADO EFICIENTE DE BAJO PERFIL DE CIRCUITOS INTEGRADOS FOTÓNICOS CON ACOPLO A FIBRA VERTICAL.

El dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical consiste en un dispositivo que permite el ensamblado y empaquetado de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos (CIFs) a los cuales unos medios de guiado óptico,

principalmente las fibras ópticas, acoplan de forma vertical al circuito integrado, pero con una orientación lateral para la fibra óptica en el empaquetado. La fibra óptica puede ser tanto en forma de fibras individuales, como en forma de un conjunto (array) de fibras. El dispositivo comprende principalmente una montura, un circuito integrado fotónico CIF con un puerto óptico y un array de medios de guiado óptico comprendido por un medio de guiado óptico. A su vez, la montura comprende unos medios de acoplamiento que realizan la disposición de acoplo.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031898.

Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: MARTI SENDRA,JAVIER, SANCHIS KILDERS,PABLO, LANG, GUNTER, GALÁN CONEJOS,José Vicente, PREVE,Giovan Battista, KRISSLER,Jan, MARX,Sebastian, TEKIN,Tolga.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G02B6/30 FISICA.G02 OPTICA.G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › G02B 6/00 Guías de luz; Detalles de estructura de las disposiciones que comprenden guías de luz y otros elementos ópticos, p. ej. medios de acoplamiento. › para uso entre fibra y dispositivo de capa delgada.
  • G02B6/42 G02B 6/00 […] › Acoplamiento de guías de luz con elementos opto-electrónicos.
DISPOSITIVO PARA EL ENCAPSULADO EFICIENTE DE BAJO PERFIL DE CIRCUITOS INTEGRADOS FOTÓNICOS CON ACOPLO A FIBRA VERTICAL.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un dispositivo que permite el ensamblado y empaquetado de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos (CIFs) a los cuales unos medios de guiado óptico, principalmente las fibras ópticas, acoplan de forma aproximadamente vertical al circuito integrado, pero con una orientación lateral para la fibra óptica en el empaquetado. La fibra óptica puede ser tanto en forma de fibras individuales, como en forma de un conjunto (array) de fibras. Por tanto, los CIFs se adaptarán fácilmente a los diseños estándar de empaquetado opto-electrónico existentes, donde, a menudo, hay orientación lateral. Básicamente, el concepto se basa en la utilización de una montura, con propiedades conductoras o dieléctricas según el tipo de implementación, intermedia para construir un dispositivo sobre el cual colocar a sus lados los CIFs en posición de acoplo respecto de las fibras ópticas. Como caso particular y especialmente relevante, si el ángulo de acoplo entre la fibra óptica y la normal al CIF es de 0 grados, la montura permite posicionar al CIF de forma perpendicular a la fibra óptica. Para un cableado inteligente de señales eléctricas dentro del empaquetado, se hace uso de una capa de cableado que puede ser flexible y que cubre la montura anterior, permitiendo también el cableado y conexionado eléctrico entre los circuitos eléctricos necesarios y los CIFs en un mismo plano. Después de conectar eléctricamente los circuitos ópticos y eléctricos a la capa de cableado, dicha capa de cableado, que contiene los circuitos, se coloca en la parte superior de la montura intermedia para anexar finalmente las fibras ópticas. Todo el conjunto se puede colocar, entonces, en cualquier solución de empaquetado estándar existente en el mercado, permitiendo un empaquetado inteligente, compacto y optimizado en costes. Además y debido a la flexibilidad de usar la mencionada capa de cableado, la conexión de las señales eléctricas con el mundo exterior puede hacerse directamente conectando las zonas de contacto eléctrico de acceso al empaquetado a cualquier conector existente en el mercado a fin de evitar posteriores niveles de empaquetado cuando se desee.

SECTOR DE LA TÉCNICA

El sector de la técnica de la presente invención es cualquier circuito integrado fotónico en el cual la luz se acopla al circuito integrado de forma vertical desde su superficie, por medio de cualquier medio de guiado óptico e implementándose cualquier tipo de estructura o técnica de acoplo vertical en el circuito integrado. Aunque la invención está orientada a CIFs de Silicio, también se puede aplicar a cualquier otro tipo de material o tecnología para la fabricación de CIFs.

Novedosamente, la invención proporciona características técnicas que comprenden ventajas significativas en la medida en que se mejora la reducción del volumen físico y total de los puertos ópticos del empaquetado final mediante la interconexión de múltiples fibras, así como sobre otros conceptos de empaquetado existentes en el estado de la técnica.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La fotónica en Silicio está avanzando rápidamente consolidándose como un campo fuertemente potencial para una amplia gama de aplicaciones de telecomunicación y transmisión de datos tanto a nivel de investigación como en la propia industria fotónica. La razón más importante es que hace uso de tecnologías de fabricación baratas y maduras similares a las usadas en la industria microelectrónica, como los procesos de “Complementar y Metal Oxide Semiconductor” (CMOS) , permitiendo así la producción en masa y una gran capacidad de integración de circuitos optoelectrónicos. Además, debido a la disponibilidad de plataformas como “Silicon On Insulator” (SOI) , las guías de onda nanofotónicas de Silicio (también conocidas como nanocables de silicio ó silicon nanowires) es una tecnología muy prometedora para fotónica integrada debido a sus extraordinarias propiedades de alto contraste de índices de refracción, lo que permite una enorme compacidad debido al alto confinamiento de los campos electromagnéticos de la luz en una región del núcleo de la guía de ondas de dimensiones nanométricas de alrededor de 500 nm x 220 nm. El alto contraste de índices de las guías de Silicio también permite reducir los radios de curvatura de guías de onda curvadas hasta unas pocas micras, ofreciendo así una gran capacidad de integración de dispositivos fotónicos. Así pues, el área total de un dispositivo fotónico de Silicio se reduce considerablemente comparado con la óptica integrada clásica.

Las guías nanofotónicas de Silicio pueden incluso soportar una elevadísima densidad de potencia óptica, siendo hasta 1000 veces superior a la de una fibra óptica convencional, mejorándose por tanto los efectos ópticos no lineales. El fuerte confinamiento de la luz en el núcleo de la guía de ondas derivado del alto contraste de índices hace posible observar, por tanto, interacciones ópticas no lineales en los dispositivos. Este fortuito resultado ha permitido demostrar características importantes como el láser Raman, la conmutación todo óptica y la conversión de longitud de onda, entre otros; funciones que hasta hace poco eran percibidas como imposibles de conseguir en materiales como el Silicio.

Actualmente, la fotónica de Silicio es la disciplina más activa dentro del campo de la óptica integrada. El impacto de la fotónica de Silicio llegará incluso más allá de las aplicaciones para comunicaciones ópticas. Por ejemplo, recientemente se han demostrado muy interesantes dispositivos basados en silicio en el campo de la detección y el sensado óptico.

Uno de los hechos más importantes para llevar la tecnología SOI a la industria del consumidor es desarrollar soluciones de empaquetado y ensamblado compatibles con los diseños de empaquetado estándar de dispositivos fotónicos con el fin de reducir el precio de la solución comercial final. Como el empaquetado supone actualmente cerca de un 90% del coste total de un componente comercial, la industria siempre ha tenido un gran interés en reducir al máximo los costes de producción, manteniendo e incluso mejorando su fiabilidad y asegurando siempre su producción en masa. Siguiendo el mismo pronóstico tecnológico que la microelectrónica, los costes del empaquetado fotónico se deben de reducir drásticamente usando materiales, métodos y procesos aptos para la automatización. Por lo tanto, los métodos usados en microelectrónica (como el testeo a nivel de oblea, la tecnología de montaje superficial, y los procesos de autoalineamiento) tienen que adaptarse a todos los niveles de empaquetado fotónico posibles (dispositivo, módulo y placa ó board) y opto-electrónico utilizando un equipamiento estándar y combinarlos con adecuadas tecnologías de interconexión, asimismo adecuadas para la automatización.

Previo al primer nivel más bajo de empaquetado (empaquetado a nivel de dispositivo) , se necesita una muy eficiente interconexión entre las guías de onda nanofotónicas SOI y la fibra óptica de entrada/salida del chip para reducir al máximo las pérdidas de inserción (o de acoplo) al dispositivo. Sin embargo, y a parte de todas las ventajas de la fotónica en Silicio anteriormente citadas, una de las tareas más desafiantes en SOI es el acoplo de luz de una fibra óptica a una guía nanofotónica de Silicio. El principal problema es debido a la gran desadaptación producida por la enorme diferencia en el tamaño de los modos electromagnéticos que se propagan en la guía (unos pocos cientos nanómetros) y en las fibras monomodo estándar (SMF, 10 μm de diámetro) . Se han propuesto muchas estructuras para obtener un acoplo eficiente, y continúan apareciendo en el estado de la técnica, siguiendo básicamente una de estas soluciones: acoplo lateral (en el mismo plano que el dispositivo) y vertical (plano ortogonal al dispositivo) . El acoplo lateral implica el ensanchamiento bidimensional (2D) a lo largo del eje de propagación del tamaño del modo electromagnético en la guía de ondas mediante su estrechamiento físico gradual hasta decenas de nanómetros de anchura (comúnmente conocido como inverted taper) y su adaptación modal de forma adiabática al modo electromagnético de una guía intermedia multimodo de bajo/medio índice, colocada en la parte superior del inverted taper, cuyo modo electromagnético acopla finalmente con el modo electromagnético de la fibra óptica. Acoplo vertical requiere de difracción fuera del plano del dispositivo (plano ortogonal) , generalmente conseguida a través de acopladores...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical caracterizado porque el dispositivo (1) comprende al menos:

una montura (2) ;

al menos un circuito integrado fotónico, “CIF” (3, 3’) con al menos un puerto óptico (5) ;

al menos un array de medios de guiado óptico (4, 4’) comprendido por al menos un medio de guiado óptico (6, 6’) ;

tal que la montura (2) comprende al menos unos medios de acoplamiento que realizan una disposición de acoplo que consiste en mantener en posición horizontal dicho array de medios de guiado óptico (4, 4’) en el encapsulado y colocar el CIF (3, 3’) tal que la normal a la superficie del CIF (3, 3’) y el array de medios guiado óptico (4, 4’) forman un ángulo de acoplo predeterminado para dicho array de medios de guiado óptico (4, 4’) y dicho CIF (3, 3’) , permitiendo el acoplo entre el medio de guiado óptico (6, 6’) y el puerto óptico (5) de dicho CIF (3, 3’) .

2. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de acoplamiento comprenden una superficie localmente plana de CIF (7, 7’) para alojar el CIF (3, 3’) , y cuya área es al menos equivalente al área del CIF; donde los medios de acoplamiento sitúan dicha superficie localmente plana de CIF (7, 7’) tal que la normal a dicha superficie localmente plana de CIF (7, 7’) y el array de medios de guiado óptico (4, 4’) forman el ángulo de acoplo predeterminado para dicho array de medios de guiado óptico (4, 4’) y dicho CIF (3, 3’) .

3. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque medios de acoplamiento adicionalmente comprenden al menos una superficie localmente plana de CE (7’’) donde se aloja un circuito electrónico “CE” (11) cuya área es al menos equivalente al área del CE (11) .

4. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho dispositivo adicionalmente comprende una capa de cableado (8) que a su vez comprende unos cables eléctricos (9) , donde dicha capa de cableado (8) está dispuesta entre los medios de acoplamiento y al menos un elemento seleccionado entre el CIF (3, 3’) , el CE (11) y un conjunto formado por al menos un CIF (3, 3’) y al menos un CE (11) ;

5. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 4, caracterizado porque las conexiones eléctricas entre el CIF (3, 3’) y el CE (11) se llevan a cabo mediante la capa de cableado (8) tal que los cables eléctricos (9) de la capa de cableado (8) están conectados con unos terminales eléctricos (15) comprendidos en el CIF (3, 3’) y unos terminales eléctricos (15’) comprendidos en el CE (11) mediante enlaces eléctricos por cable o “wire bonding” (12, 12’) .

6. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 5, caracterizado porque las conexiones eléctricas entre el CIF (3, 3’) y el CE (11) por medio de la capa de cableado (8) se lleva a cabo en una superficie horizontal proporcionada por los medios de acoplamiento, para posteriormente colocar el conjunto formado por el CIF (3, 3’) , el CE (11) y la capa de cableado (8) en la disposición de acoplo.

7. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la montura (2) está fabricada con un material cuyas propiedades físicas presentan un comportamiento seleccionado entre conductor y dieléctrico.

8. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la montura (2) comprende una forma seleccionada entre triangular (31) , cuadrada (32) , pentagonal (33) , hexagonal (34) , cilíndrica (36) y esférica (37) .

9. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho dispositivo comprende un array de monturas formado por emparejamientos laterales así como por emparejamientos superiores e inferiores de las monturas (2) .

10. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 7, caracterizado porque el dispositivo adicionalmente comprende un termistor (10) conectado a la montura (2) cuando dicha montura es conductora, para el control y realimentación de temperatura y calor de dicha montura (2) .

11. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 7, caracterizado porque el dispositivo adicionalmente comprende una célula Peltier conectado a al menos un CIF (3, 3’) cuando dicha montura es un dieléctrico, para el control y realimentación de temperatura y calor de dicha montura (2) .

12. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el array de medios de guiado óptico (4, 4’) es fijado a la montura (2) mediante un medio de fijado seleccionado entre pegamento y resina (14, 14’) ; donde dicho medio de fijado también fija el CIF (3, 3’) y el CE (11) a la capa de cableado (8) .

13. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la capa de cableado (8) comprende una cualidad física seleccionada entre totalmente flexible, parcialmente flexible, totalmente rígida, parcialmente rígida y combinaciones de parcialmente flexible con parcialmente rígida.

14. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque los medios de acoplamiento adicionalmente comprende al menos una extensión (13, 13’) para soportar el array de medios de guiado óptico (4, 4’) y proporcionar la orientación horizontal a dichos medios de guiado óptico (4, 4’) , tal que la superficie localmente plana de CE (7’’) está elevada respecto de la extensión (13, 13’) , estando dicha extensión (13, 13’) y dicha superficie localmente plana de CE (7’’) unidas por la superficie localmente plana de CIF (7, 7’) con una inclinación acorde con el ángulo de acoplo predeterminado para llevar a cabo la disposición de acoplo.

15. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 14, caracterizado porque los medios de acoplamiento adicionalmente comprenden al menos un hueco (22, 23) dispuesto entre la al menos una extensión (13, 13’) y la superficie localmente plana de CIF (7, 7’) para regular en altura el acoplo entre el medio de guiado óptico (6, 6’) y el puerto óptico (5) .

16. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el medio de guiado óptico (6, 6’) es un elemento de guiado seleccionado entre fibra óptica, fibra de vidrio, cristal y lente óptica de espacio libre.

17. Dispositivo para el encapsulado eficiente de bajo perfil de circuitos integrados fotónicos con acoplo a fibra vertical, según la reivindicación 16, caracterizado porque el array de medios de guiado óptico (4, 4’) comprende cualquier combinación de elementos de guiado en al menos una dimensión.


 

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