Este projeto propõe investigar estruturas fotônicas baseadas em fibras ópticas microestruturadas de polímero, visando estabelecer plataformas para o desenvolvimento de sensores e dispositivos ópticos inovadores. Esta categoria de guia de onda apresenta um conjunto de vantagens distintas: i) explora as propriedades intrínsecas das fibras ópticas; ii) apresenta flexibilidade para ajustar suas propriedades ópticas e mecânicas por meio da microestrutura presente em sua seção reta; iii) capitaliza as características singulares dos materiais poliméricos. Destacamos diversas propriedades do polímero, tais como o Módulo de Young, que é aproximadamente 20 vezes menor do que o da sílica, o regime elástico, que é cerca de 10 vezes maior, e o coeficiente termo-óptico, que é aproximadamente 12 vezes superior ao da sílica. Enfatizamos também a maior liberdade na produção de fibras com geometrias adaptadas às aplicações específicas, a facilidade de pós-processamento e dopagem química, bem como o fato da fibra não gerar pontas cortantes, um parâmetro relevante em contextos biomédicos. O planejamento contempla o desenvolvimento e estudo de, no mínimo, três novas fibras microestruturadas, cada uma com sua arquitetura peculiar e aplicação alvo. Tais aplicações incluem dispositivos voltados para o acoplamento de modos do tipo whispering gallery modes, fibras destinadas à exploração de efeitos acusto-ópticos em guias poliméricos, fibras com guiamento no ar por meio do efeito de acoplamento inibido/antiressonância, e fibras direcionadas à gravação de redes quirais, entre outras possibilidades promissoras. (AU)

Neste projeto, temos como objetivo explorar e aprimorar as capacidades de osciladores paramétricos ópticos degenerados (DOPOs) em microrressonadores anulares, com ênfase geração de números aleatórios (RNG) e na geração de estados comprimidos da luz. Cavidades microscópicas de nitreto de silício acopladas por campo próximo (moléculas fotônicas), foram fabricadas para operar no regime normal de dispersão de velocidade de grupo e mitigar processos parasitas de mistura de quatro ondas (FWM). Moléculas fotônicas fornecem uma plataforma para a oscilação paramétrica degenerada, permitindo modificações nas características espectrais sem alterar os parâmetros geométricos dos ressonadores individuais. Nossas investigações iniciais revelaram uma variabilidade temporal significativa na amplitude do DOPO, o que motivou um estudo abrangente da estabilidade temporal por meio de análises teóricas e exploração experimental de diversas condições de bombeio. Além disso, o projeto visa desenvolver um RNG totalmente óptico ao interferir ativações consecutivas do par degenerado sinal/idler. Ademais, buscamos investigar a geração de estados comprimidos da luz e explorar o potencial para máquinas de Ising em chip, acoplando DOPOs em moléculas fotônicas. Este projeto contribui não apenas para o conhecimento fundamental, mas também oferece bases práticas para o desenvolvimento de dispositivos puramente ópticos em chip. (AU)

O desenvolvimento da fotônica não teria sido possível sem materiais adequados para transmitir e manipular a luz. O desenvolvimento dos lasers foi um dos marcos importantes para o desenvolvimento desta importante área, que hoje é vista como estratégica para o aumento da competitividade de diversos setores industriais. A fabricação dos lasers envolve a obtenção de meios de ganho com baixíssima concentração de defeitos estruturais. Isso porque os defeitos estruturais são deletérios e podem comprometer muito o desempenho dos aparelhos a laser. Ao contrário dos lasers convencionais, as fontes aleatórias de laser (RL) não possuem uma cavidade ressonante predefinida. Nesses tipos de lasers, o espalhamento múltiplo da luz, que é evitado nos lasers convencionais, é justamente o fenômeno que gera o feedback necessário para a amplificação óptica. Por esse motivo, os lasers randômicos podem ter processos de fabricação menos complexos e permitir o uso de uma gama maior de materiais como possíveis meios de ganho. Os RLs são emitidos em várias direções e possuem coerência temporal e espacial muito baixa, o que é vantajoso, por exemplo, para a obtenção de imagens de alta definição, livres de speckle. No entanto, as mesmas propriedades que tornam os RLs atraentes também são responsáveis pela dificuldade em caracterizá-los. Nesse sentido, a recuperação de fase combinada com a teoria de quebra de simetria de réplica (RSB) pode constituir uma nova maneira de investigar a emissão de RL, uma vez que a equação não linear de recuperação de fase aparece em muitos cenários diferentes, desde imagens de raios X até computação óptica. Além disso, muitos algoritmos foram propostos, desde rotas flexíveis de gradiente descendente até métodos espectrais mais especializados e avanços recentes em aprendizado de máquina contribuíram muito com essas investigações. Assim, o projeto proposto visa desenvolver novos mecanismos para a caracterização e melhoria de sistemas emissores de RL através de algoritmos de aprendizado de máquina associados à recuperação de fase. Isso permitirá não só a demonstração da ação do laser sobre materiais, mas também auxiliará na otimização e desenvolvimento de novos materiais e dispositivos fotônicos, que poderão ser utilizados na geração de lasers aleatórios utilizados nas mais diversas áreas. Todos os trabalhos propostos neste projeto são inéditos e visam gerar conhecimento sobre novos dispositivos fotônicos, com diferentes possibilidades de aplicação na área de fotônica. (AU)

Nesta proposta pretendemos estudar a interação fundamental entre fótons e fônons. Pelo uso de modernas técnica de microfabricação, simulações e teoria, esperamos conseguir atingir o acoplamento forte entre a luz e o som confinado nessas estruturas. Tal conquista poderia abrir o caminho para explorar a troca coerente entre fótons e fônons e estudar fenômenos quânticos dentro de dispositivos mesoscópicos. Nossa abordagem nesta proposta é criar projetos inovadores e explorar diferentes materiais para atingir essa métrica. Em última análise, isso poderia romper os limites tecnológicos existentes e ajudar a fornecer dispositivos fotônicos superiores e inusitados. (AU)

Esta proposta de pesquisa tem como objetivo principal o desenvolvimento de novos e eficientes materiais vítreos e vitrocerâmicos à base de teluritos e fluoroteluritos dopados com íons lantanídeos, que possam atuar nas áreas de materiais fotônicos, conversores de energia luminosa e sensores luminescente de temperatura. A proposta visa o estudo espectroscópico desses materiais inorgânicos com eficiente emissão no visível e infravermelho próximo e pronunciadas características ópticas lineares e não lineares. O controle das propriedades (micro)estruturais, térmicas e morfológicas desses vidros e vitrocerâmicas e suas correlações com as propriedades óticas e luminescentes, representam a base científica fundamental do projeto que visam aplicações tecnológicas e de inovação nas áreas de materiais (lineares e não lineares) e sensores (termometria luminescente) ópticos. A interrelação entre composição química-propriedade-aplicação das matrizes com as propriedades óticas pela dopagem com Ln3+, será sistematicamente explorada. Nos sistemas codopados serão estudados os processos de transferência de energia e dinâmica dos mecanismos, no intuito de obter materiais fotônicos e termômetros luminescentes eficientes e robustos. Somado aos objetivos específicos, esses materiais serão preparados visando mais de uma funcionalidade, o que os tornam plataformas multifuncionais. Trata-se de uma linha de pesquisa que converge as áreas de química, física e ciência dos materiais, trazendo conceitos transformadores, novos paradigmas de aplicação e impacto tecnológico para diversas áreas do conhecimento. (AU)

As técnicas de nanofabricação têm desempenhado um papel fundamental na investigação de novos materiais e suas transformações em dispositivos habilitadores de novas tecnologias. No centro de todas essas tecnologias está o processo de litografia, onde um padrão desejado é transferido para um filme fino em um substrato adequado (por exemplo, silício, semicondutores do tipo III-V, niobato de lítio, etc.). Para alcançar a resolução nanométrica necessária na fabricação de trilhões de transistores em um único chip, junções Josephson em qubits supercondutores ou cristais fotônicos integrados em chips, existem duas rotas possíveis: litografia óptica usando luz ultra-violeta (DUV) ou litografia por feixe de elétrons (eBeam). Em um ambiente acadêmico ou de produção em pequena escala, a alternativa mais acessível é usar uma abordagem de escrita direta fornecida pelo sistema de litografia pode feixe de elétrons. Este tipo de ferramenta pode fornecer uma resolução espacial muito alta, permitindo a fabricação de dispositivos com estruturas abaixo de 20 nm e ainda assim cobrir uma grande área (wafers de até 8 polegadas). Essa estratégia reduz significativamente os custos e o tempo de fabricação além de adicionar a flexibilidade necessária típica de um ambiente acadêmico ou de produção em pequena escala. Baseado na experiência de uma década acumulada pelo CCSNano na operação de um eBeam de pesquisa, pretendemos nesta proposta dar um passo adiante e instalar um sistema semi-industrial de litografia por feixe de elétrons capaz de fornecer nanolitografia de alta resolução, mas com alto rendimento e escrita e em grandes áreas. Esta iniciativa irá alavancar a pesquisa no Estado de São Paulo tornando-a competitiva com instituições internacionais em vários campos, como informação quântica, fotônica integrada, spintrônica, nanoeletrônica, optomecânica, microfluídica e ciência dos materiais. (AU)

Sob o Tema Conectividade Fotônica e visando contribuir para a disseminação do acesso à Internet em alta velocidade para a população brasileira, foram reunidos alguns dos mais avançados recursos humanos e laboratoriais existentes no país, coordenados por pesquisadores de larga experiência nas áreas de fotônica em banda ultra larga e alta velocidade. Neste esforço envolvendo a integração das pesquisas e facilidades laboratoriais sistêmicas da Unicamp, USP-São Carlos, CPQD, INATEL, UFES, UFPE, UPE, serão desenvolvidas pesquisas em Conectividade Fotônica, criando-se conhecimento e inovação, enfatizando-se a formação de recursos humanos em alto nível, registros de patentes de invenção e divulgação dos resultados em periódicos de alto impacto, visando contribuir ao esforço de construção dos alicerces em nosso país para os desafios estratégicos para a Internet futura.Especificamente, o projeto abrange vários aspectos de camada física, incluindo: planejamento e optimização de redes ópticas, transmissão e chaveamento de portadoras ópticas, processamento de sinais ópticos de e redes de acesso (neste caso englobando também técnicas de integração óptico-wireless e o fronthaul 5G/6G). (AU)

Heteroestruturas de Van der Waals (VDWH) feitas por deposição camada por camada de materiais bidimensionais (2D) como grafeno e dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) são objeto de intensa pesquisa recente com uma ampla variedade de aplicações optoeletrônicas e fotônicas. Os grupos proponentes têm uma vasta experiência em materiais 2D totalmente em fibra baseados em absorvedores saturáveis. De fato, como um dos resultados da colaboração anterior entre UdeA-Mackenzie, demonstramos talvez o melhor (em termos de estabilidade e duração de pulso) laser de fibra de grafeno relatado até agora. Aqui, propomos os processos de projeto, montagem e caracterização, passando de uma ou poucas camadas de grafeno para um VDWH mais sofisticado com outros materiais 2D, onde as propriedades ópticas podem ser controladas eletronicamente. Neste projeto, investigaremos diodos optoeletrônicos emissores de luz (LEDs) compactos baseados em semicondutores 2D que encontram aplicações em (mas não limitados a) sistemas de comunicação óptica. O dispositivo tem em comum a capacidade de heteroestruturas de materiais 2D gerarem emissão de luz variando a densidade de carga (aplicando um sinal de tensão). Os nanomateriais 2D têm atraído atenção significativa devido às suas fascinantes propriedades ópticas e elétricas, especialmente o grupo de semicondutores dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), que possuem estrutura de banda ajustável, transição eletrônica de banda direta, altas energias de exciton e fortes propriedades de conversão de frequência (segundo e terceira geração harmônica) em função do número de camadas, tornando-as candidatas potenciais para aplicações optoeletrônicas nas regiões espectrais da luz visível e infravermelha. Esses materiais apresentaram uma série de propriedades excitantes sendo responsáveis por desencadear estudos intensivos de dispositivos optoeletrônicos de última geração, como fotodetectores e LEDs. Para a última aplicação, as propriedades de emissão de luz, que incluem fotoluminescência (PL) e eletroluminescência (EL), podem ser moduladas e ajustadas por efeitos de substrato, temperatura, geometrias, arquitetura do dispositivo, método de injeção de corrente e dopagem eletrostática/química. Esta proposta pode contribuir muito para a engenharia de materiais 2D de transmissores ativos de alta velocidade ultracompactos (LEDs, lasers e moduladores), que são elementos cruciais de aplicações de telecomunicação e sensoriamento por ondas de luz. (AU)

Este projeto tem como objetivo investigar, teórica e experimentalmente, uma classe de ondas não difrativas - as chamadas Frozen Waves (FWs) - como feixes de luz para novas técnicas em projeção holográfica e como feixes alternativos no aprisionamento óptico em sistemas de pinças ópticas e em armadilhas fotoforéticas em displays de aprisionamento óptico (OTDs). Por serem arbitrariamente modeláveis em seus padrões de intensidade nas escalas centimétrica, mili ou micrométricas, FWs possuem apelo tanto na geração de múltiplas e simultâneas armadilhas ópticas como na iluminação controlada em pontos pré-definidos do espaço, possibilitando projeções holográficas sem redução de resolução axial, com geração de imagens 2D e 3D de alta qualidade. A análise aqui suposta é de tríplice aspecto: teórico, computacional e prático. Como resultados, espera-se: (i) a geração experimental de FWs 2D e 3D, (ii) a geração experimental de armadilhas fotoforéticas com FWs, (iii) novos formalismos teóricos no cálculo de forças fotoforéticas para FWs e feixes arbitrários para além de ondas planas, no contexto de teorias generalizadas de Lorenz-Mie, para fins de futura adoção de FWs em OTDs, (iv) predições de forças de aprisionamento em sistemas de pinças ópticas para FWs 2D e 3D. A presente proposta, que se situa na fronteira do conhecimento no que se refere a novas técnicas de holografia por computador, imagens 2D e 3D, OTDs e múltipla captura óptica para biologia, óptica, fotônica e telecomunicações, tem seu cronograma dividido em trimestres e será realizado com o colaboração de renomados grupos de pesquisa no Brasil e no exterior. (AU)