O Laboratório de Pesquisas em Dispositivos foi fundado em 1972 com objetivo inicial de pesquisar os lasers necessários para as comunicações por fibra óptica no Brasil. (Veja a história do LPD).

O LPD sempre teve um perfil que busca articular a pesquisa básica com a aplicada e, hoje, novas áreas de pesquisa envolvendo fotônica integrada, optomecânica, fotônica de silício, optoeletrônica e nanolasers, formando a grande área que denominamos NANOFOTÔNICA, tornaram-se os temas principais de pesquisa do laboratório.

Nanofotônica

O crescente tráfego de informações da rede mundial demanda por dispositivos capazes transmitir dados em altas taxas (>100 GB/s) porém com baixa demanda de energia e espaço físico. Neste contexto a pesquisa em óptica e fotônica é estratégica e essencial pois permitirá que as projeções de aumento do tráfego mundial, por um fator 100 ou 1000 na próxima década, possam ser absorvidas.

A pesquisa em nanofotônica explora o confinamento da luz na microescala, e os efeitos exóticos que decorrem deste confinamento, para viabilizar dispositivos revolucionários com a função de emitir, detectar e controlar a propagação de luz. No Laboratório de Pesquisa em Dispositivos (LPD), a nanofotônica é explorada em suas diversas camadas, desde simulação das equações de Maxwell, técnicas de nanofabricação, e finalizando com caracterização e concepção de experimentos que nos viabilizam observar e investigar a física dos dispositivos.

Nas técnicas de simulação combinamos soluções numéricas rigorosas das equações de Maxwell, da dinâmica de portadores em materiais semicondutores e da vibração mecânica e propagação de calor em micro e nanoestruturas. Associando estas simulações à modelos analíticos conseguimos compreender e projetar dispositivos que permitem-nos explorar física fundamental, assim como exibir novas funcionalidades tecnológicas.

A nanofabricação no LPD combinamos materiais bem estabelecidos como o silício, a sílica e os compostos III-V com técnicas avançadas de litografia e corrosão. O LPD, em parceria com Centro de Componentes Semicondutores, conta com um laboratório completo, onde estão disponíveis diversas equipamentos direcionados à micro- e nanofabricação, incluindo litografia por feixe de elétrons, deposição e corrosão de materiais dielétricos assistidos por plasmas de radiofrequência.

Figura 1: Sala limpa para nanofabricação

Figura 1: Montagem de caracterização óptica de cavidades

Nanolasers

Figura 2: Etapas de fabricação de um namorares com diâmetro de 500 nm. As imagens mostradas foram obtidas através de um microscópio eletrônicao de varredura [1]

Os lasers tipicamente envolvem um material ativo, emissor de luz, e uma cavidade óptica que permite a realimentação da luz emitida pelo material. A maior parte das fontes de luz laser que encontramos no cotidiano são baseadas em cavidades grandes quando comparados com o comprimento de onda da luz. Por exemplo uma cavidade típica de um laser de telecomunicações possui centenas de micrômetros. A cavidade do laser controla dois aspectos importantes no funcionamento destes dispositivos. A existência de modos ressonantes desta cavidade é responsável pelo efeito Purcell, no qual a probabilidade de emissão do material é amplificada de forma inversamente ao volume da cavidade. Outro efeito da cavidade é na eficiência energética do laser, isto ocorre porque boa parte da luz emitida pelo material não se acopla ao modo ressonante da cavidade óptica e irradiada para o espaço livre.

Um dos tópicos de pesquisa do LPD é investigar cavidades laser cuja dimensão é menor que o comprimento de onda da luz. Uma destas cavidades é representada na Fig. 2, na qual o efeito Purcell e drasticamente amplificado pelo volume reduzido da cavidade, e a radiação é confinada à cavidade pelo recobrimento metálico ao seu redor.

Moléculas Fotônicas

A mecânica quântica é teoria adequada para descrever a ligação química entre átomos é responsável pela constituição de moléculas e sólidos. Em um átomo o potencial eletrostático entre o núcleo e os elétrons define os níveis discretos de energia dos estados eletrônicos, no caso de uma cavidade óptica a quantização das frequências ópticas surge das múltiplas voltas que a luz realiza nestas cavidades. Analogamente à moléculas químicas, que resultam da hibridização dos estados eletrônicos entre dois átomos vizinhos, as moléculas fotônicas surgem quando duas cavidades ópticas estão próximas. A escala de proximidade é tipicamente o comprimento de onda da luz e torna as microcavidades um excelente “átomo" para se constituir moléculas.

Figura 3: (a) Microscopia de uma molécula fotônica formada por três microcavidades em anel. (b) Ilustração dos auto-estados desta molécula e os possíveis canais de acoplamento. [2-4]

No LPD estas moléculas são projetadas e investigadas a partir de microcavidades anulares de silício, conforme ilustrado na Fig. 3. A interação entre os microanéis causa uma mudança no espectro de transmissão das cavidades, estes espectros “”sintonizáveis" das moléculas fotônicas encontram diversas aplicações em processamento ópticos de sinais.

Veja o destaque deste trabalho no Jornal da Unicamp.

Nanofotônica não-linear

Fotografia de uma microcavidade com fator de qualidade ultra-alto

Fotografia do processo de geração do terceiro harmônico de um laser infra-vermelho pela mesma cavidade

Figura 4) Nanofotônica não-linear

Um dos grandes desafios em óptica não-linear é associar o confinamento da luz e o controle da dispersão cromática à materiais com alta susceptibilidade não-linear e baixa absorção óptica. Embora algumas fibras ópticas especiais apresentem ambas características, elas oferecem possibilidades limitadas para integração on-chip. Por outro lado, a atual maturidade dos processos de microfabricação nos permite fabricar guias de onda e microcavidades monoliticamente, e com altíssimos coeficientes não-lineares [9]. Esta combinação torna a nanofotônica não-linear altamente competitiva com as tecnologias baseadas em fibras ópticas.

As microcavidades fabricadas no LPD vêm sendo utilizadas para explorar efeitos não-lineares baseados na resposta eletrônica dos materiais, dentre este destacamos a geração de harmônicos e a mistura de quatro ondas. Nestes efeitos dois importantes parâmetros são, a intensidade óptica e a dispersão de velocidade de grupo. A alta intensidade óptica proporcionada pelas cavidades é responsável por criar campos eletromagnéticos intensos e induzir o efeito não-linear. Já a dispersão de velocidade de grupo garante que a radiação gerada pelo efeitos não linear receba uma contribuição aditiva de todos os átomos que compõem o material, garantindo uma geração eficiente de radiação. Por exemplo, na Figura 4 ilustramos a radiação verde sendo gerado por uma cavidade que foi excitada por um laser infra-vermelho, este processo é denominado geração do terceiro harmônico.

Optomecânica de microcavidades

Com o advento do laser, a pressão de radiação exercida pelos fótons se mostrou importante em diversos contextos, por exemplo, no aprisionamento e manipulação de partículas neutras, incluindo átomos e células que culminaram nos experimentos pioneiros de armadilhas atômicas e pinças ópticas. Em um interferômetro, ou cavidade óptica, a pressão de radiação exercida nos espelhos depende da energia armazenada na cavidade e, por outro lado, a energia armazenada depende da posição dos espelhos. Esta interdependência entre a pressão de radiação e a posição dos espelhos define a optomecânica de cavidades ópticas; neste regime qualquer perturbação mecânica que cause flutuações na frequência de ressonância óptica irá alterar energia armazenada na cavidade. Este acoplamento entre posição do espelho e energia óptica define o campo da optomecânica de cavidades.

No LPD investigamos diversos aspectos de sistemas optomecânicos, com ênfase ao resfriamento de modos de vibração ao estado quântico fundamental [5,6], sincronismo de osciladores optomecânicos acoplados [8], e redução dos mecanismos de dissipação óptica e mecânica desta cavidades [7].

Esquema de uma cavidade Fabry-Perot acoplada a um grau de liberdade mecânico

Imagem de microscopia eletrônica de um par de cavidades optomecânicas acopladas fabricada no LPD

Figura 5) Optomecânica de microcavidades

Veja os destaques na mídia sobre este assunto:

• Energia de ponto zero, Agência FAPESP, Jornal da Unicamp;
• Optomecânica, Agência FAPESP;
• Em sintonia com a luz, Revista FAPESP.

Referências

1. [1] L. A. M. Barea, F. Vallini, G. F. M. de Rezende, and N. C. Frateschi. Spectral Engineering With CMOS Compatible SOI Photonic Molecules. Photonics Journal, IEEE, 5(6):2202717–2202717.
2. [2] L. A. M. Barea, F. Vallini, P. F. Jarschel, and N. C. Frateschi. Silicon technology compatible photonic molecules for compact optical signal processing. Applied Physics Letters, 103(20):201102, Nov. 2013.
3. [3] J. Chan, T. P. M. Alegre, A. H. Safavi-Naeini, J. T. Hill, A. Krause, S. Gr ̈oblacher, M. Aspelmeyer, and O. J. Painter. Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state. Nature, 478(7367):89–92, Oct. 2011.
4. [4] Q. Gu, J. Shane, F. Vallini, B. Wingad, J. S. T. Smalley, N. C. Frateschi, and Y. Fainman. Amorphous Al2O3 Shield for Thermal Management in Electrically Pumped Metallo-Dielectric Nanolasers. Quantum Electronics, IEEE Journal of, 50(7):499–509, July 2014.
5. [5] A. H. Safavi-Naeini, J. Chan, J. T. Hill, T. P. M. Alegre, A. Krause, and O. J. Painter. Observation of Quantum Motion of a Nanomechanical Resonator. Physical Review Letters, 108(3):033602, 2012.
6. [6] M. C. M. M. Souza, L. A. M. Barea, F. Vallini, G. F. M. Rezende, G. S. Wiederhecker, and N. C. Frateschi. Embedded coupled microrings with high-finesse and close-spaced resonances for optical signal processing. Optics Express, 22(9):10430–10438, May 2014.
7. [7] M. Zhang, G. Luiz, S. Shah, G. Wiederhecker, and M. Lipson. Eliminating anchor loss in optomechanical resonators using elastic wave interference. Applied Physics Letters, 105(5):051904, Aug. 2014.
8. [8] M. Zhang, G. Wiederhecker, S. Manipatruni, A. Barnard, P. McEuen, and M. Lipson. Synchronization of Micromechanical Oscillators Using Light. Physical Review Letters, 109(23):233906, Dec. 2012.

História do LPD

O Laboratório de Pesquisas em Dispositivos foi fundado em 1972 por José Ellis Ripper Filho, recém-chegado dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos. O objetivo inicial do grupo era pesquisar os lasers necessários para as comunicações por fibra óptica no Brasil. Assim como nas transmissões elétricas são necessários dois elementos - algo para produzir a eletricidade e os fios para conduzi-la -, para as comunicações ópticas, também são necessários: os lasers para produzir a luz e as fibras ópticas para conduzi-las. Os lasers foram pesquisados pelo LPD e as fibras pelo Grupo de Fibras Ópticas, fundado em 1975.

O interesse estatal – O surgimento do grupo está intimamente relacionado com os projetos do governo brasileiro de implementar um sistema nacional de comunicações. Até os anos 1960, o mercado de telefonia brasileiro estava bastante fragmentado, com dezenas de pequenas e grandes empresas, nacionais e estrangeiras. Isso era uma barreira aos projetos de integração nacional e de centralização do governo militar que assumiu após o golpe de 1964. Assim, uma das áreas estratégicas eleitas pelo regime foi a integração do país por meio das telecomunicações. Para alcançar esse objetivo, em 1965 foi criada a Embratel e, em 1972, a Telebrás – que passou então a controlar a própria Embratel e as operadoras estaduais.

A fundação do Grupo – Nesse meio tempo, foram iniciadas as pesquisas com semicondutores no IFGW. O trio Ripper, Rogério Cerqueira Leite e Sérgio Porto, que chegou na Unicamp entre 1970 e 1972 (todos tendo trabalhado nos Laboratórios Bell - o mesmo onde os lasers haviam sido aperfeiçoados até o ponto de poderem ser usados nas comunicações ópticas), deu grande impulso nas pesquisas em Física do Estado Sólido no Instituto. Foi definido um programa nessa área constituído por três linhas de pesquisa: (1) produção de dispositivos em si (laser, transistores, diodos); (2) o estudo dos processos básicos para a sua construção (produção de cristais e seus derivados); e (3) o estudo da física básica necessária para isso (a Física do Estado Sólido).

Foi, então, fundado o Departamento de Estado Sólido do IFGW (atualmente, da Matéria Condensada). Logo depois, o de Física Aplicada, este sob a direção de Ripper. Para a parte de dispositivos, em 1971, Ripper e o físico indiano Navin Patel fundaram, no Departamento de Física Aplicada, o Grupo de Dispositivos Semicondutores – mais tarde, chamado Laboratório de Pesquisas em Dispositivos.

Os cientistas entram em campo – A Telebrás também planejava investir no desenvolvimento de pesquisas para a formação de um parque industrial brasileiro nessa área. Sabendo dessa intenção, Ripper entrou em contato com a empresa, ainda em 1972. A partir daí, começaram diversos convênios da empresa com a Unicamp e outras universidades nacionais. Um deles foi o Projeto Sistema de Comunicação por Laser, com a Unicamp, coordenado por Ripper. Os lasers seriam desenvolvidos pelo Grupo de Dispositivos Semicondutores.

A aposta nas fibras ópticas – Na mesma época, Ripper e Sérgio Porto sugeriram um projeto para desenvolver fibras ópticas no Brasil. Era uma ideia de ponta: apenas dois anos antes, pesquisadores nos Estados Unidos haviam alcançado o grau necessário de aperfeiçoamento das fibras ópticas e dos lasers para viabilizar a construção de sistemas de comunicações ópticas; e o primeiro sistema desse tipo começaria a ser instalado nos EUA em 1978.

As equipes da academia e da empresa – A Telebrás aceitou financiar o projeto e, em janeiro de 1974, foi firmado um novo contrato entre a empresa e a Unicamp, que incluiu, no Projeto Sistema de Comunicação por Laser, um Sub-Projeto Fibras Ópticas, que seria produzido pelo Grupo de Fibras Ópticas, depois Grupo de Fenômenos Ultrarrápidos e Comunicações Ópticas (GFURCO). Os lasers continuariam sendo feitos no Grupo de Dispositivos Semicondutores. Além disso, foram envolvidos também grupos da Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp.

O objetivo do projeto era desenvolver as tecnologias de fabricação de fibras ópticas, lasers e dispositivos e em seguida transferi-las à indústria nacional. Para a transferência, a Telebrás fundou um centro seu, o Centro de Pesquisas em Desenvolvimento e Telecomunicações (CPqD), em Campinas. Ele faria os estudos mais voltados à aplicação direta na indústria, enquanto os grupos da Unicamp cuidariam da fase anterior, mais acadêmica da pesquisa. Mais tarde, em 1981, membros do LPD, do LED (Laboratório de Eletrônica e Dispositivos) e do MGE (Laboratório de Materiais de Grau Eletrônico), estes da antiga Faculdade de Engenharia de Campinas (atualmente desdobrada em diversas faculdades de engenharia na Unicamp), formaram o Centro de Componentes Semicondutores (CCS), na mesma universidade.

A nova tecnologia em ação – Nos anos 1980, foi completado o processo de transferência de tecnologia para as empresas, com o contrato entre a Telebrás e a ABC-Xtal, em 1983, para produção de fibras ópticas. Em 1989, Ripper fundou, junto com Francisco Prince, a empresa AsGa, cujo objetivo inicial era fabricar os componentes optoeletrônicos.

Novos tempos

A saída do CPqD – A partir do início dos anos 1990, o CPqD começou a deixar aos poucos as pesquisas com as comunicações ópticas. O modelo do governo de desenvolvimento das comunicações estava sofrendo uma mudança que se completou em 1998, quando a Telebrás foi privatizada. Nesse momento, o CPqD abandonou totalmente a pesquisa com fibras ópticas, lasers e microeletrônica e passou a investir apenas nos sistemas de comunicação propriamente ditos.

As interações com empresas e outras instituições continuaram, porém, como no caso da Mectron, AsGa, Padtec, o Centro de Componentes Semicondutores e o Centro de Tecnologia do Exercito.

Diversificação – Os grupos do IFGW envolvidos com as comunicações ópticas passaram, então, a diversificar suas linhas de pesquisa, com um perfil mais acadêmico, ainda que sempre articulando a pesquisa básica com a aplicada. Dispositivos optoeletrônicos e fotônicos para diversas aplicações continuaram a serem pesquisados; novas áreas de pesquisa envolvendo a optomecânica, fotônica integrada, fotônica de silício e nanolasers tornaram-se os temas principais de pesquisa do laboratório.

Durante sua existência, o LPD teve 7 coordenadores:

• José Ellis Ripper
• Navin B. Patel
• Carlos A. Ribeiro
• Francisco C. de Prince
• Mauro Monteiro G. de Carvalho
• Marcio Alberto A. Pudenzi
• Mauro Monteiro G. de Carvalho
• Newton C Frateschi (atual)

A seção sobre história do Grupo foi baseada, em grande parte, no livreto “Os primórdios das comunicações ópticas no Brasil (1964-1984)”, redigido por Verónica Savignano e cujas pesquisas foram feitas em colaboração com Eliane Valente, Ludmila Maia e Simone Telles; fez parte do evento comemorativo dos 30 anos da primeira fibra óptica brasileira, em 2007, na Unicamp.