![\"Para](\"https:\/\/sites.ifi.unicamp.br\/lpd\/files\/2014\/05\/download.jpg\")
<\/a><\/p>\nAs mol\u00e9culas fot\u00f4nicas, assim denominadas pelos pesquisadores da Unicamp que as desenvolveram, s\u00e3o tema de um artigo que ocupou o primeiro lugar no ranking de downloads do Photonics Journal do site do IEEE \u2013 Institute of Electrical and Electronic Engineers, em novembro. O IEEE \u00e9 a maior sociedade cient\u00edfica do mundo, com mais de 400 mil associados.<\/p>\n
O artigo se origina da pesquisa de doutorado de Lu\u00eds Alberto Bar\u00eaa, orientada pelo professor Newton Frateschi e que deve ser defendida at\u00e9 o final deste semestre no Instituto de F\u00edsica Gleb Wataghin (IFGW).<\/p>\n
\u201cIniciamos este trabalho h\u00e1 cerca de dois anos e levamos alguns resultados para a CLEO [Conference on Lasers and Electro-Optics], onde despertou bastante interesse\u201d, recorda Newton Frateschi, respons\u00e1vel pelo Laborat\u00f3rio de Pesquisa em Dispositivos (LPD). \u201cA revista Photonics Journal tem grande impacto na \u00e1rea de fot\u00f4nica e vem adotando a nova m\u00e9trica de contar o n\u00famero de acessos e de downloads dos trabalhos disponibilizados no site do IEEE. A surpresa foi ver nosso artigo no topo da lista com menos de um m\u00eas de publica\u00e7\u00e3o, quando o antecessor acumulava downloads desde agosto. Isso nos faz acreditar num bom impacto da pesquisa, que quebra paradigmas.\u201d<\/p>\n
Lu\u00eds Bar\u00eaa, autor da tese, explica que a chegada de novos equipamentos como smartphones e tablets, juntamente com a facilidade de acesso \u00e0s redes sem fio, vem gerando um incessante aumento do tr\u00e1fego de dados, por conta da quantidade de usu\u00e1rios e do tamanho dos arquivos. \u201cToda essa demanda cria a necessidade de aumentar a capacidade de transmiss\u00e3o em dez vezes a cada quatro anos. E, para que isso seja poss\u00edvel, os canais de DWDM [tecnologia que permite combinar dezenas de canais em uma \u00fanica fibra] devem aumentar em cem vezes a cada oito anos.\u201d<\/p>\n
Para enfrentar este desafio, Newton Frateschi ressalta o papel da \u00e1rea de fot\u00f4nica integrada, voltada basicamente ao desenvolvimento de processos sobre sinais \u00f3pticos para integr\u00e1-los num chip. \u201cIsso \u00e9 fundamental para habilitar futuras gera\u00e7\u00f5es de telecomunica\u00e7\u00f5es \u2013 e gera\u00e7\u00f5es, nesse caso, n\u00e3o significam d\u00e9cadas ou s\u00e9culos, apenas poucos anos. O aumento exponencial da demanda por bits traz dois problemas s\u00e9rios: o primeiro \u00e9 o gargalo para que se fazer uma comunica\u00e7\u00e3o t\u00e3o r\u00e1pida; o segundo \u00e9 a demanda energ\u00e9tica para isso e, consequentemente, o custo que vai se elevando.\u201d<\/p>\n
O docente do IFGW acredita que uma solu\u00e7\u00e3o est\u00e1 nas mol\u00e9culas fot\u00f4nicas, inspiradas em toda a eletr\u00f4nica hoje integrada em um chip. \u201cHoje o microprocessador ocupa uma \u00e1rea de cent\u00edmetros quadrados, quando antigamente seria necess\u00e1rio um equipamento gigantesco para conseguir desempenho semelhante. O mesmo \u00e9 poss\u00edvel na fot\u00f4nica, na qual a tend\u00eancia, na parte de processamento, \u00e9 o uso da tecnologia de sil\u00edcio, t\u00e3o bem desenvolvida na eletr\u00f4nica. O objetivo \u00e9 produzir dispositivos capazes de conduzir e confinar a luz, ou ent\u00e3o atrasar um sinal, a fim de separ\u00e1-lo, modific\u00e1-lo ou combin\u00e1-lo.\u201d<\/p>\n
Na tese, Lu\u00eds Bar\u00eaa informa que dispositivos optoeletr\u00f4nicos e fot\u00f4nicos baseados em microrressonadores \u00f3pticos permitem confinar f\u00f3tons fortemente, dentro de cavidades diminutas, proporcionando baixo consumo de energia, alta velocidade de processamento e altos tempos de vida fot\u00f4nica. \u201cAtualmente, esses dispositivos formam uma base para a pr\u00f3xima gera\u00e7\u00e3o de circuitos fot\u00f4nicos integrados e surgem como promessa para aliviar o gargalo da demanda de largura de banda dos sistemas de computa\u00e7\u00e3o moderna.\u201d<\/p>\n
Entretanto, o autor do estudo ressalva que os atuais sistemas fot\u00f4nicos, baseados em ressonadores na forma de an\u00e9is, possuem uma limita\u00e7\u00e3o fundamental por causa da estreita rela\u00e7\u00e3o entre faixa espectral livre, fator de qualidade total e dimens\u00f5es dos ressonadores. \u201cEsta rela\u00e7\u00e3o \u00e9 traduzida em uma forte interdepend\u00eancia entre o espa\u00e7amento espectral, o tempo de vida fot\u00f4nico e as dimens\u00f5es destes filtros. Na pesquisa foi quebrada esta depend\u00eancia empregando-se mol\u00e9culas fot\u00f4nicas fabricadas em sil\u00edcio sobre isolante (SOI). As mol\u00e9culas s\u00e3o formadas por microan\u00e9is ressonadores internamente acoplados uns aos outros, economizando espa\u00e7o no chip e aumentando o n\u00famero de canais poss\u00edveis.\u201d<\/p>\n
O \u201cquase \u00e1tomo\u201d<\/p>\n
Newton Frateschi esclarece que ao se confinar espacialmente o f\u00f3ton dentro de um ressonador, tem-se algo semelhante a um \u00e1tomo onde o el\u00e9tron fica retido espacialmente em torno do pr\u00f3ton. \u201cA semelhan\u00e7a entre as situa\u00e7\u00f5es permite chamar esses ressonadores de \u2018quase \u00e1tomo\u2019 \u2013 \u2018quase\u2019 porque o el\u00e9tron n\u00e3o \u00e9 extra\u00eddo facilmente do \u00e1tomo, ao passo que o f\u00f3ton sim, de tal forma que deve haver um suprimento de f\u00f3tons constante para manter o confinamento.\u201d<\/p>\n
A quest\u00e3o, segundo o professor da Unicamp, \u00e9 que essas estruturas s\u00e3o feitas sempre separadamente. \u201cO que h\u00e1 de novo em nosso trabalho \u00e9 a produ\u00e7\u00e3o do que resolvemos chamar de \u2018mol\u00e9culas fot\u00f4nicas\u2019. A ideia \u00e9 combinar diversos tipos de ressonadores (ou \u2018quase \u00e1tomos\u2019), acopl\u00e1-los uns aos outros e formar uma estrutura semelhante a uma mol\u00e9cula, que ao inv\u00e9s de el\u00e9trons em seu interior, possui f\u00f3tons \u2013 e cujas propriedades dependem n\u00e3o s\u00f3 das propriedades dos ressonadores individuais, mas do acoplamento entre todos.\u201d<\/p>\n
Frateschi faz uma analogia com as mol\u00e9culas dos compostos qu\u00edmicos, que sempre possibilitaram uma revolu\u00e7\u00e3o na \u00e1rea de novos materiais. \u201cCombinando os \u00e1tomos da tabela peri\u00f3dica, temos uma infinidade de compostos que podemos produzir. Da mesma forma, quando produzimos, confinamos e combinamos \u2018quase \u00e1tomos\u2019, cada qual com certa propriedade, surgem resultados imposs\u00edveis de se atingir com um \u00fanico ressonador. E que permitem aumentar o poder de modula\u00e7\u00e3o da luz, armazenar micro-ondas (apesar de serem mol\u00e9culas de luz) e prover atrasos consider\u00e1veis nos sinais, o que \u00e9 importante para obter um tipo de mem\u00f3ria fot\u00f4nica.\u201d<\/p>\n
Para esta tese sobre mol\u00e9culas at\u00f4micas foi poss\u00edvel utilizar os servi\u00e7os de uma fabricante de circuitos integrados (foundry), que produziu os microcircuitos fot\u00f4nicos seguindo os projetos enviados pelos pesquisadores. \u201cO prop\u00f3sito foi utilizar essa tecnologia j\u00e1 existente e projetar novas estruturas que pudessem ser fabricadas na foundry e testadas aqui no nosso laborat\u00f3rio\u201d, afirma Frateschi. \u201cNesses dois anos viabilizamos diversos tipos de processamentos fot\u00f4nicos, al\u00e9m de produzir essas mol\u00e9culas em espa\u00e7os muito menores, ou seja, com uma integra\u00e7\u00e3o muito maior e um custo proporcionalmente menor.\u201d<\/p>\n
Lu\u00eds Bar\u00eaa acrescenta que, paralelamente, o pr\u00f3prio grupo conseguiu fabricar seus dispositivos utilizando outras plataformas (n\u00e3o apenas em sil\u00edcio sobre isolante), como por exemplo, em nitreto de sil\u00edcio, que \u00e9 igualmente interessante para integra\u00e7\u00e3o de circuitos fot\u00f4nicos. \u201cO trabalho de doutorado, que termina neste semestre, come\u00e7ou com a proposta de reduzir as dimens\u00f5es desses dispositivos e integr\u00e1-los usando a regi\u00e3o interna dos an\u00e9is, o que tornou poss\u00edvel quebrar paradigmas. Al\u00e9m disso, mostramos capacidade de tamb\u00e9m fabricar estes dispositivos, dentro do LPD do Instituto de F\u00edsica e do CCS [Centro de Componentes Semicondutores] da Unicamp. Deve-se salientar a participa\u00e7\u00e3o dos professores Gustavo Wiederhecker e Thiago Alegre, al\u00e9m dos alunos M\u00e1rio Souza, Guilherme Rezende, Felipe Valine e Paulo Jarschel, todos do LPD, em todas as etapas destes trabalhos.\u201d<\/p>\n
Impacto da pesquisa<\/p>\n
De acordo com Newton Frateschi, a proposta anterior para modula\u00e7\u00e3o de luz em ressonadores, sem o uso de mol\u00e9culas fot\u00f4nicas, geralmente era limitada pela largura de linha das resson\u00e2ncias destes dispositivos. \u201cAinda n\u00e3o realizamos uma demonstra\u00e7\u00e3o experimental de um modelador ativo, mas em rela\u00e7\u00e3o ao que se propunha na literatura, mostramos que com as mol\u00e9culas \u00e9 poss\u00edvel armazenar uma modula\u00e7\u00e3o 2,75 vezes mais r\u00e1pida que a largura de linha permitira, e com uma redu\u00e7\u00e3o de 495 vezes nas dimens\u00f5es do dispositivo. Al\u00e9m disso, essa consider\u00e1vel redu\u00e7\u00e3o nas dimens\u00f5es dos dispositivos permite que a cria\u00e7\u00e3o da modula\u00e7\u00e3o fique mais simples, pois quando se quer modular um dispositivo muito grande, a capacit\u00e2ncia \u00e9 bem alta e exige circuitos de controle complexos.\u201d<\/p>\n
O professor do IFGW lembra que outro ganho se refere a uma aplica\u00e7\u00e3o conhecida como multicast, em que o sinal enviado com certo comprimento de onda pode ser dividido em v\u00e1rios canais, tornando poss\u00edvel entregar uma informa\u00e7\u00e3o para v\u00e1rios destinat\u00e1rios. \u201cNo nosso caso, com a lideran\u00e7a do aluno M\u00e1rio Souza, conseguimos demonstrar essa aplica\u00e7\u00e3o utilizando uma mol\u00e9cula com \u00e1rea pelo menos dez vezes menor que os dispositivos j\u00e1 fabricados, sendo que a pot\u00eancia exigida para o funcionamento tamb\u00e9m \u00e9 muito menor em compara\u00e7\u00e3o a tudo o que j\u00e1 foi publicado. Estamos falando de dez vezes menos pot\u00eancia \u00f3ptica, o que \u00e9 bastante; no atual est\u00e1gio dessa tecnologia, uma redu\u00e7\u00e3o de 1% j\u00e1 seria muito importante. Realmente, isso quebra paradigmas.\u201d<\/p>\n
Mas um paradigma fundamental, como ressalta Frateschi, era que a separa\u00e7\u00e3o entre resson\u00e2ncias dependia do tamanho dos ressonadores. \u201cAo combinar os dispositivos, podemos fazer essa separa\u00e7\u00e3o da forma que queremos. Outro aspecto \u00e9 o fator de qualidade das resson\u00e2ncias, relacionado ao tempo que a luz permanece dentro do dispositivo, sem se perder. Antes, quanto maior o ressonador, mais tempo a luz ali permanecia; nossa proposta tornou isso independente e podemos fazer um dispositivo bem pequeno, que ainda assim a luz permanecer\u00e1 por bastante tempo.\u201d<\/p>\n
Em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 originalidade da ideia, o docente admite que a possibilidade de combinar diferentes microcavidades para formar um tipo de mol\u00e9cula fot\u00f4nica, de certa forma, j\u00e1 havia sido sugerida na literatura. \u201cUm grupo de Stanford, por exemplo, mencionou a hip\u00f3tese de misturar estruturas de cristal fot\u00f4nico, acoplando uma \u00e0 outra, como se fosse uma mol\u00e9cula. Por\u00e9m, o fato de apresentarmos a possibilidade de combina\u00e7\u00e3o de ressonadores na forma de an\u00e9is sem aumentar a sua \u00e1rea, totalmente integrado ao sil\u00edcio e aplic\u00e1-los em processamento de sinais, deu a este trabalho bastante originalidade. Nosso grupo abriu novos caminhos permitindo criar uma engenharia espectral com alta qualidade mesmo reduzindo as dimens\u00f5es dos dispositivos.\u201d<\/p>\n
A percep\u00e7\u00e3o de Newton Frateschi \u00e9 de que o desenvolvimento das mol\u00e9culas fot\u00f4nicas veio viabilizar diversas aplica\u00e7\u00f5es na \u00e1rea de telecomunica\u00e7\u00f5es. \u201cRecentemente, conclu\u00edmos um terceiro trabalho com a aplica\u00e7\u00e3o das mol\u00e9culas e temos v\u00e1rios outros em andamento. Gostaria de ter mais pessoas no laborat\u00f3rio para viabilizar, inclusive, prot\u00f3tipos tecnol\u00f3gicos em telecomunica\u00e7\u00f5es ou em outras \u00e1reas. Um exemplo \u00e9 a sua utiliza\u00e7\u00e3o em sensores biol\u00f3gicos ou qu\u00edmicos, o que j\u00e1 estamos discutindo com universidades parceiras. O of\u00edcio do nosso grupo \u00e9 em telecomunica\u00e7\u00f5es, mas come\u00e7am surgir desdobramentos em outras \u00e1reas, naturalmente.\u201d<\/p>\n
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Artigo sobre mol\u00e9culas fot\u00f4nicas em publica\u00e7\u00e3o de grande impacto ocupa 1\u00ba lugar em downloads. As mol\u00e9culas fot\u00f4nicas, assim denominadas pelos pesquisadores da Unicamp que as desenvolveram, s\u00e3o tema de um artigo que ocupou o primeiro lugar no ranking de downloads do Photonics Journal do site do IEEE \u2013 Institute of Electrical and Electronic Engineers, em … <\/p>\n