“Este estudo representa um grande avanço para levar a velocidade e a eficiência da fotónica a ambientes onde os chips semicondutores tradicionais e os chips fotónicos com encapsulamentos convencionais não conseguiriam operar”, disse Nikolai Klimov, físico do NIST e líder do projeto.
Os resultados foram publicados na revista Photonics Research.
O que é o encapsulamento de chips?
Na indústria de semicondutores, "encapsulamento" refere-se ao invólucro protetor e ao sistema de ligação que envolve o chip e o liga ao mundo exterior, incluindo fibras óticas, contactos elétricos e outros componentes. Um bom encapsulamento permite que os chips sejam utilizados em dispositivos compactos e fiáveis, sem risco de danos ou desalinhamento.
Os chips fotónicos oferecem uma vantagem significativa: permitem a transmissão de dados a alta velocidade com um consumo de energia muito mais baixo do que os chips convencionais. No entanto, isto só é possível se as ligações óticas forem mantidas perfeitamente alinhadas.
Limitações atuais:
Os chips fotónicos já são essenciais em telecomunicações, diagnóstico médico e sensores avançados, mas a sua utilização em ambientes exigentes tem sido limitada. Os métodos tradicionais de encapsulamento não conseguem manter ligações fiáveis entre o chip e a fibra ótica sob condições extremas, como
radiação intensa,
ultra-alto vácuo,
altas temperaturas
e temperaturas criogénicas.
Estas condições são comuns em tecnologias quânticas, missões espaciais, reatores nucleares e aceleradores de partículas, bem como em aplicações industriais e energéticas.
A solução: ligação química avançada.
Para superar este desafio, os investigadores adaptaram uma técnica originalmente desenvolvida pela NASA para sistemas óticos de alta precisão. Este método, denominado ligação por catálise de hidróxido (HCB, na sigla em inglês), cria uma ligação química inorgânica semelhante à do vidro entre a fibra ótica e o chip.
Em vez de adesivos orgânicos (que se degradam em condições extremas), o processo utiliza uma pequena quantidade de hidróxido de sódio para fundir as superfícies a nível molecular, criando uma ligação rígida e estável.
Resultados e Testes:
A equipa do NIST demonstrou pela primeira vez que esta técnica permite:
alinhamento preciso da fibra ótica,
acoplamento eficiente da luz
e elevada resistência mecânica.
Para validar a sua eficácia, submeteram o sistema a condições extremas:
temperaturas criogénicas,
mudanças abruptas de temperatura
, radiação ionizante intensa
e alto vácuo
. Mesmo nestas condições, a ligação manteve-se intacta e o chip continuou a funcionar corretamente.
Embora não tenha sido possível realizar testes diretos a alta temperatura do sistema completo, estudos adicionais confirmaram que este tipo de encapsulamento suporta temperaturas muito mais elevadas do que os adesivos convencionais.
De acordo com Klimov, “Esta abordagem cria uma ligação tão forte como a própria fibra ótica, permitindo que os circuitos fotónicos operem em ambientes anteriormente inacessíveis”.
Futuro da tecnologia:
Atualmente, o processo de ligação demora vários dias, mas os investigadores acreditam que esta é uma limitação técnica que pode ser ultrapassada. Com um desenvolvimento adicional, esta tecnologia poderá ser adaptada para a produção em grande escala.
Este avanço abre caminho a novas aplicações da fotónica em ambientes extremos, impulsionando o desenvolvimento de tecnologias quânticas, a exploração espacial e os sistemas industriais avançados.
