Fotônica em Engenharia

Objetivos

A Fotônica compreende os ramos de ciência em que fótons interagem com a matéria. O termo foi cunhado a partir da generalização daquele dito 'optoeletrônica' – que tratava especificamente dos materiais de grau eletrônico (semicondutores) apresentando interação com o campo eletromagnético nas frequências óticas. A generalização da nomenclatura se tornou necessária com a descoberta de elementos ativos na categoria dos materiais dielétricos e ganhou força com a maior presença desses materiais em algumas áreas de engenharia, das quais as de eletrônica e de telecomunicações têm primordial importância. Ao longo dos últimos anos foi observada uma crescente tendência no uso de dispositivos baseados na interação luz-matéria nos componentes de sistemas de comunicações óticos, impulsionando o grande desenvolvimento da área. Mesmo que a fibra ótica, por ser passiva, não fosse inicialmente categorizada na categoria de optoeletrônicos, a disseminação de sistemas WDM (multiplexados em comprimento de onda) levou a uma crescente penalidade devida a efeitos não lineares, tornados significativos devido aos longos enlaces, maior potência de lançamento (por causa do grande número de canais) e utilização intensiva de amplificadores óticos. Mesmo os baixos coeficientes não lineares do vidro de sílica usado nas fibras produzem efeitos consideráveis quando aqueles três fatores são levados em conta. Assim, foi necessário ampliar a antiga definição para incluir novas classes de materiais e o termo que se tornou comum foi o de Fotônica.

Linhas de Pesquisa

   Comunicações Óticas

Uma linha de pesquisa particular visa o estudo, desenvolvimento e análise de desempenho de sistemas e subsistemas, baseados em componentes fotônicos, para comunicações óticas avançadas, incluindo sistemas multi-gigabits, redes óticas passivas, sistemas CWDM, redes óticas transparentes, roteamento e multiplexação óticos. Esta linha decorre historicamente da grande importância que as comunicações óticas impuseram ao setor de comunicações, incluindo a mudança de paradigmas trazida pela disseminação dos serviços de rede em escala mundial pelo fato de a tecnologia atender a alta demanda de tráfego. Dispositivos fotônicos ligados às outras duas linhas de pesquisa são hoje integrantes essenciais dos sistemas de comunicações óticos desde o meio de propagação à geração e detecção do sinal, multiplexação de canais em diferentes comprimentos de onda para transmissão por uma mesma fibra ótica e mesmo na amplificação do sinal mediante as fibras dopadas em Erbio ou por meio de espalhamento Raman ao longo da fibra de transmissão. O controle de sinais óticos ao longo do sistema de transmissão dá origem a outro grupo de dispositivos de interesse e que utilizam efeitos baseados no controle de alguns parâmetros de redes de Bragg em fibra óptica. Esse tipo de trabalho pode ser desenvolvido tanto com as fibras convencionais como com a nova classe de fibras microestruturadas. Este fato liga esta linha de pesquisa àquelas duas anteriores de forma direta.

   Estruturas e Dispositivos Fotônicos

Esta linha de pesquisa visa o estudo, proposição, desenvolvimento e caracterização de estruturas e dispositivos fotônicos para uso em Engenharias, particularmente na área de Elétrica. Sua importância é notória tendo em vista que os sistemas mais complexos se baseiam fundamentalmente em dispositivos isolados (mesmo quando a técnica de produção os integra em elementos de alta densidade) e nas suas propriedades fundamentais. Esta área tem ainda maior importância nos dias de hoje, onde os dispositivos utilizados em geral foram descobertos há mais de duas décadas (grande parte deles em dispositivos fotônicos) devido ao contínuo maior foco na área sistêmica, que já ocorre desde o final dos anos 80 do século passado em todas as engenharias e mesmo em algumas ciências básicas. Os projetos desta linha de pesquisa focalizam estruturas e dispositivos fotônicos em aplicações que hoje apresentam enorme impacto em diversas tecnologias e no respectivo setor, tal como telecomunicações, biomedicina e instrumentação para controle e automação industrial.

   Materiais e Processos em Fotônica

Esta linha de pesquisa abrange desde o estudo de propriedades básicas até o desenvolvimento de produtos e processos nas grandes famílias de materiais utilizados hoje nos dispositivos mais comuns no panorama das aplicações fotônicas. Não há como negar os avanços obtidos nas diversas tecnologias atuais com o uso disseminado de dispositivos baseados seja em materiais dielétricos (fibras óticas, guias de onda, moduladores eletro-óticos e acusto-óticos, multiplexadores por divisão de comprimento de onda, ...), em materiais semicondutores optoeletrônicos (LED, LASERS, fotodetectores, CCDs, guias de onda, amplificadores e modulares semicondutores ...), em materiais químicos ordenados (LCD) ou mesmo materiais  específicos, os denominados “optrodos (optrodes)” - produtos cujas propriedades óticas dependem da interação com um agente químico, biológico ou molecular. Uma vertente desta linha de pesquisa visa o estudo de materiais dielétricos para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos neles baseados, tais como guias de onda óticos, fibras óticas e estruturas induzidas por processos óticos, bem como - em conexão a projetos na linha de pesquisa – sua aplicação em sensores, instrumentos e comunicação. A outra vertente, de menor dimensão no momento, visa o estudo e desenvolvimento de dispositivos baseados em semicondutores optoleletrônicos, certamente a tecnologia com maior penetração no atual mercado de instrumentos, equipamentos e produtos do mercado consumidor. Também nesse caso existe conexão com projetos na outra área de concentração devido à realização de estruturas e dispositivos optoeletrônicos ou das aplicações pretendidas.

Esta linha de pesquisa se caracteriza também pela maior proximidade de ciências básicas (Física, Química, Materiais) àquelas com maior cunho aplicado (Engenharias Elétrica, Biomédica, Mecânica e Materiais, Cívil...), tendo a transdisciplinaridade como condição necessária para a compreensão das propriedades dos materiais, dos processos constitutivos e de suas aplicações.

Perfil do Egresso

Os mestres e doutores formados na área de concentração em Engenharia Fotônica do CPGEI possuem conhecimentos aprofundados em materiais, processos, estruturas e dispositivos fotônicos. Também é objetivo da área a formação de recursos humanos com capacitação para atuar de forma independente em atividades de pesquisa e desenvolvimento avançadas, mediante proposição de novos conceitos, determinação da abordagem para sua solução, utilização de métodos e técnicas de trabalho científico ou de desenvolvimento de produtos, validação e comparação de desempenho face ao estado da arte e disseminação do conhecimento adquirido.

Cooperações Nacionais e Internacionais

A área de concentração e linhas de pesquisa têm natural caráter transdisciplinar. É no momento impossível à UTFPR ter a capacitação em todas as áreas de conhecimento envolvidas no desenvolvimento de dispositivos e sistemas, o que requer um forte envolvimento do programa proposto com outras instituições no Brasil e no Exterior. Nos dias de hoje é comum dispositivos serem projetados (usando, p.ex., técnicas de projeto computacional) em uma instituição, produzidos em outra e ainda testados numa terceira. Aplicações de tais dispositivos podem ainda envolver diferentes grupos em diferentes instituições. Isso favorece as atividades de cooperação e intercâmbio.

No caso específico da equipe envolvida na proposta atual, atividades de cooperação já se desenvolvem rotineiramente com grupos no Brasil e em outros países, sua continuidade garante atualização para professores e estudantes, bem como acesso a facilidades experimentais não disponíveis no estado e mesmo, em alguns casos, inexistentes no País.