A Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos tem uma equipa de investigação a trabalhar na fabricação de dispositivos ópticos, uma tecnologia que pode ser utilizada em redes ópticas de telecomunicações, aumentando a velocidade de processamento do sinal e reduzindo os custos. "Em complementaridade com a tecnologia electrónica, estes dispositivos podem ter um grande papel no futuro", afirma o coordenador da equipa, Paulo Marques.

Os dispositivos ópticos
Na UOSE, um grupo de investigadores explora diariamente uma das áreas em franco desenvolvimento na optoelectrónica: a área dos dispositivos ópticos integrados. Sendo uma das componentes da microfabricação a fabricação de novos dispositivos, a Unidade tem vindo a investir no desenvolvimento de novos materiais e tecnologias para a fabricação de dispositivos ópticos integrados em substratos de sílicio, que tem aplicação directa, por exemplo, nas redes ópticas de telecomunicações. 

Unidade de prototipagem de dispositivos utilizando escrita directa a laser. Esta unidade foi recentemente desenvolvida e encontra-se em fase final de testes. Com esta máquina conseguem-se escrever pistas com 1,2mm de largura com laser de argon e irá permitir a fabricação de protótipos de forma versátil e a um baixo custo.

O conceito de óptica integrada
O conceito de óptica integrada foi avançado no fim da década de 60 e propunha essencialmente a integração num único substrato de diversas funcionalidades de processamento de sinal óptico, mediante integração híbrida ou monolítica.

Actualmente o que existe em larga escala, segundo Paulo Marques, "é um sinal óptico que é propagado a grandes distâncias através de fibras ópticas, depois é convertido para sinais eléctricos e finalmente é processado electronicamente".

Com a óptica integrada, algumas das etapas de processamento passam também a ser efectuadas no domínio óptico, ou seja, o sinal é transmitido e também processado opticamente. As funções que podem ser efectuadas com esta tecnologia incluem entre outras, divisão de potência óptica, "switching" e multiplexagem/desmultiplexagem óptica.

O investigador defende que no futuro todo o processo será mais eficiente com esse método, lembrando que a vantagem destes dispositivos se revela em termos de capacidade e velocidade de processamento. "Vejamos o que aconteceu no caso dos repetidores submarinos com o desenvolvimento de amplificadores em fibra óptica", exemplifica.

Os chips ópticos
Paulo Marques considera que, de certa forma, é legítima a comparação entre chips electrónicos e ópticos. Se nos chips electrónicos as pistas condutoras propagam sinais eléctricos dentro dos chips, no caso dos chips ópticos, pequenos canais com um índice de refracção superior ao do meio envolvente confinam a radiação óptica, permitindo sua propagação com baixas perdas entre diversos pontos do chip.

Existem, contudo, algumas diferenças em termos dimensionais. "Embora as dimensões transversais dos pequenos canais sejam de apenas alguns mícrons, o comprimento destes chega a atingir alguns centímetros, devidos aos fracos processos de interacção", realça o professor.

Representação esquemática de um exemplo de integração optoelectrónica híbrida

A complementaridade de tecnologias
Ainda a tentar atingir a maturidade em muitas das suas vertentes, a óptica integrada não deve ser vista como uma alternativa à electrónica ou à tecnologia das fibras ópticas. "O que realmente existe é uma complementaridade de tecnologias", afirma Paulo Marques.

Desde os anos 60 tem-se registado um grande desenvolvimento nos processos de produção de chips e, em boa parte, o desenvolvimento ocorrido tem sido aproveitado da electrónica, explica o investigador, realçando que "há muitos processos de fabricação que são comuns à indústria electrónica e que estão agora a ser utilizados neste tipo de aplicação".

Exemplo de simulação de um divisor de potência óptica utilizando um acoplador direccional: quando dois guias de onda se encontram relativamente perto um do outro existe interacção entre eles resultando na transferência de potência óptica entre os guias adjacentes. Na figura está ilustrado um dispositivo que divide a potência óptica que é injectada pela esquerda em duas quantidades iguais, funcionando também de forma recíproca.

A visibilidade do INESC Porto
Em Portugal existem apenas dois ou três grupos de investigação a trabalhar na área da Óptica Integrada, mas "o grupo com mais visibilidade, mesmo em termos internacionais, é o do INESC Porto e da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, que apoia este desenvolvimento", revela Paulo Marques. Os outros grupos envolvidos desenvolvem apenas trabalho na síntese e estudo de materiais e não levam o processo até a produção de dispositivos.

Nestes trabalhos, a Unidade tem beneficiado da colaboração com universidades estrangeiras, nomeadamente através de doutoramentos. "Não somos auto-suficientes, por isso o grande pontapé de saída para este tipo de actividade foi dado pelos doutoramentos mistos realizados na Faculdade de Ciências", explica Paulo Marques.

Na opinião do professor, este esforço inicial de colaboração deverá ser continuado e estimulado, não só através de desenvolvimento de programas de doutoramento, mas também pela participação em projectos europeus.

O problema dos custos
Um dos problemas que se colocam a esta actividade em Portugal é o facto de os investimentos estruturais serem avultados e, acima de tudo, de terem que ser contínuos porque toda a infra-estrutura de fabricação associada aos processos de fabrico evolui rapidamente e possui associada uma conta de despesas correntes elevada, por exemplo.

De acordo com o investigador da UOSE, os custos são um factor a ter em conta uma vez que, em termos industriais, só interessam dispositivos de funcionalidade adequada e que tenham um custo compatível com o oferecido por tecnologias concorrenciais. A possibilidade de produção de dispositivos em massa reduz, assim, o factor custo/dispositivo, aumentando assim a competitividade desta tecnologia.

 Apesar de se chamar "fabricação de dispositivos ópticos" a esta actividade desenvolvida pela UOSE, o coordenador da equipa frisa que não se pode chamar fábrica a este laboratório de investigação. "Aqui fabricam-se dispositivos, mas num volume de produção muito reduzido e em pequena escala", afirma, recordando que "em Portugal não existe ainda indústria nesta área". 

Figuras que ilustram guias de onda em canal, destacando-se na primeira a secção de um guia de onda isolado e na segunda a  vista de cima de um conjunto de guias em canal com diversas dimensões laterais (4 mm a 12 mm).

As aplicações dos dispositivos
Os dispositivos ópticos têm um grande interesse tecnológico pois aplicam-se a tudo o que tenha a ver com redes ópticas de telecomunicações mas, segundo o investigador da UOSE, o seu desenvolvimento futuro dependerá da aposta que for feita nas redes ópticas, mais concretamente no caso de redes locais.

"Se as fibras ópticas fizerem uma penetração mais extensa nas redes locais dentro das cidades, será necessário um grande conjunto de dispositivos e, desta forma, penso que  existem determinadas tecnologias planares que permitem produzir esses dispositivos a baixo custo", concretiza Paulo Marques. "Isso permitirá o desenvolvimento deste tipo de tecnologias porque estas só se desenvolvem quando os produtos vendem", completa.

Deposição de filmes finos por ablação laser. Utilizando um laser de alta potência é possível fazer filmes finos por ablação de um alvo colocado estrategicamente junto ao substrato. Na figura está ilustrada a câmara de alto vácuo onde decorre todo o processo.

Paulo Marques revela ainda o desenvolvimento de bio-sensores ópticos como uma nova área de aplicação destes dispositivos, mas salienta que, para que esta etapa se concretize, é essencial o desenvolvimento de novos materiais com as funcionalidades necessárias.

A melhoria da qualidade de vida
Num contexto económico algo desfavorável, as empresas estão a diversificar e alargar a base de conhecimentos para se prepararem para o novo impulso na economia internacional. "Só nessa altura saberemos que tipo de tecnologias prevalecerão e onde estarão as apostas dos grandes operadores", prevê o investigador.

Até esse momento surgir, "se a Unidade quer ter financiamento (principalmente a nível europeu), a investigação a desenvolver terá que estar sempre alinhada com essa grande orientação para produtos funcionais que permitam uma melhoria da qualidade de vida das pessoas", admite Paulo Marques.

A dimensão dos dispositivos
Para satisfazer a curiosidade natural dos leitores do BIP, Paulo Marques revela que os pequenos canais que constituem a base dos dispositivos ópticos que a Unidade fabrica são fotografáveis... ao microscópio. Têm dimensões transversais de quatro ou cinco mícrons (um mícron é um milésimo do milímetro).

Para explicar melhor, o investigador faz uma analogia ao cabelo humano: "tendo em conta que um cabelo tem aproximadamente 125 mícrons de espessura, um canal destes corresponde a um vigésimo de um cabelo".

Dadas as dimensões reduzidas dos dispositivos, é necessário um controlo rigoroso de condições ambientais, nomeadamente a concentração de partículas contaminantes. Assim, a maioria dos processos são efectuados na sala limpa representada na figura. Esta sala tem uma classe inferior a 1000 (a classe representa o número máximo de partículas com dimensão superior a 0.5 mm por pé cubico).

O trabalho de equipa
Paulo Marques afirma que o grupo de trabalho sempre se pautou por um intercâmbio elevado com as outras equipas da Unidade e também com o grupo anteriormente existente no Centro de Física do Porto. Um exemplo onde se regista esse intercâmbio é a equipa que trabalha na área da microfabricação, realizando a deposição de filmes finos que servem como actuadores sobre estes dispositivos (ou seja, permitem alterar a sua funcionalidade).

"Neste momento precisamos de mais investigadores porque existem projectos europeus em curso, mas felizmente também existem contratos para estudantes de doutoramento", afirma o investigador, concluindo que actualmente a situação do grupo de investigação é favorável.