Linhas de pesquisa

O STOA é um grupo de pesquisa sediado na Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (EESC-USP), dedicado ao estudo de dispositivos semicondutores, fotônica integrada e sistemas de comunicações ópticas. As atividades do grupo abrangem pesquisa fundamental e aplicada, com interesse na compreensão dos fenômenos físicos que governam materiais e dispositivos e em sua utilização no desenvolvimento de circuitos e sistemas de comunicação.

As diferentes linhas de pesquisa compartilham uma perspectiva multiescala, na qual propriedades de materiais, mecanismos de transporte e interação entre luz e matéria são relacionados ao comportamento de dispositivos, circuitos e sistemas. Modelagem física, simulação numérica, projeto de dispositivos e circuitos e caracterização experimental são utilizados de forma complementar, de acordo com as características de cada problema. Essa integração permite abordar temas que se estendem da nanoeletrônica às redes ópticas de alta capacidade e às tecnologias emergentes de comunicação.

O desenvolvimento de novos dispositivos semicondutores envolve questões que abrangem materiais, eletrostática, transporte de portadores e interação entre diferentes interfaces e heteroestruturas. A redução das dimensões características dos dispositivos também aumenta a relevância de fenômenos de transporte em escala nanométrica e de efeitos quânticos, ao mesmo tempo em que novos materiais ampliam o espaço disponível para concepção de dispositivos.

No STOA, investigamos a relação entre estrutura física, propriedades dos materiais e características elétricas e optoeletrônicas dos dispositivos. São de interesse problemas envolvendo estrutura de bandas, confinamento quântico, transporte de portadores, interfaces, contatos elétricos e mecanismos de tunelamento, entre outros fenômenos relevantes para dispositivos semicondutores contemporâneos.

Uma vertente importante dessa linha envolve materiais de baixa dimensionalidade e sua utilização em dispositivos eletrônicos. Materiais bidimensionais apresentam propriedades particularmente interessantes para estruturas fortemente escaladas, ao mesmo tempo em que introduzem questões relacionadas à eletrostática, ao transporte e à formação de contatos. Outra vertente envolve dispositivos baseados em fenômenos quânticos, nos quais mecanismos como o tunelamento ressonante podem ser explorados para operação em frequências elevadas. Essas pesquisas fornecem também uma base para o estudo de novas arquiteturas de transistores e dispositivos optoeletrônicos.

A modelagem constitui um elemento transversal às pesquisas desenvolvidas no STOA. A abordagem adotada procura estabelecer relações explícitas entre os mecanismos físicos presentes em um dispositivo e seu comportamento elétrico ou óptico. Essa filosofia baseada em física busca construir modelos cujos parâmetros possuam significado associado à estrutura, aos materiais ou aos fenômenos de transporte envolvidos.

A representação de dispositivos reais frequentemente exige parâmetros efetivos, aproximações e, em determinadas situações, calibração a partir de resultados experimentais ou de simulações numéricas. Esses elementos são incorporados preservando, sempre que possível, a relação entre os parâmetros do modelo e a física subjacente. Essa característica favorece tanto a interpretação dos resultados quanto a utilização dos modelos em estudos de projeto e otimização.

A modelagem compacta ocupa uma posição particular nesse contexto. Métodos numéricos de alta fidelidade, como simulações TCAD, técnicas de transporte quântico e métodos eletromagnéticos de onda completa, permitem analisar detalhadamente a física de dispositivos e estruturas. Modelos compactos procuram representar os fenômenos essenciais por meio de formulações matemáticas suficientemente eficientes para estudos sistemáticos, exploração do espaço de projeto e utilização em simuladores de circuitos.

Essa passagem entre diferentes níveis de descrição é relevante em várias linhas do grupo. Um modelo desenvolvido a partir da física de um dispositivo pode fornecer parâmetros para a análise de um circuito, que posteriormente pode ser incorporado à investigação de um sistema completo. A modelagem torna-se, assim, um elemento de ligação entre física, dispositivos, circuitos e aplicações.

A fotônica integrada permite implementar funções ópticas complexas em plataformas semicondutoras compatíveis com processos de micro e nanofabricação. A elevada capacidade de integração cria possibilidades para sistemas ópticos menores, mais estáveis e potencialmente fabricáveis em escala, além de permitir que diferentes funções sejam combinadas em um mesmo circuito.

As pesquisas do STOA nessa área envolvem o estudo e o projeto de dispositivos e circuitos fotônicos integrados (PICs), considerando tanto seu comportamento físico quanto sua inserção em arquiteturas mais complexas. Propagação e confinamento óptico, interferência, ressonância, acoplamento e interação entre portadores e campos eletromagnéticos são alguns dos fenômenos utilizados para controlar a amplitude, a fase e o espectro dos sinais ópticos.

Também há interesse em circuitos fotônicos reconfiguráveis e programáveis. A incorporação de elementos sintonizáveis permite modificar dinamicamente a função realizada por um circuito e explorar uma mesma arquitetura para diferentes operações de processamento. Essa abordagem tem aplicações em processamento óptico de sinais, redes de comunicação, sistemas adaptativos e computação fotônica.

O aumento da complexidade dos circuitos integrados fotônicos também torna relevantes técnicas de síntese, otimização e automação de projeto. A tradução de especificações funcionais em parâmetros físicos e, posteriormente, em estruturas compatíveis com processos de fabricação constitui uma área de pesquisa que aproxima modelagem, projeto computacional e tecnologia de fabricação.

Os sistemas de comunicações ópticas continuam evoluindo para atender ao crescimento das taxas de transmissão e da capacidade agregada das redes. Essa evolução envolve o uso combinado de multiplexação, novos formatos de modulação, processamento de sinais, integração fotônica e arquiteturas capazes de utilizar de forma mais eficiente os recursos disponíveis no domínio óptico.

As pesquisas do STOA nessa área consideram o enlace de comunicação em conjunto com as características dos dispositivos que o compõem. O objetivo é compreender como propriedades de transmissores, receptores, amplificadores, filtros e canais de propagação se refletem em métricas sistêmicas de desempenho. Ruído, perdas, dispersão, largura de banda, não linearidades e interferência entre canais são tratados a partir de sua origem física e de seus efeitos sobre a transmissão.

As redes ópticas passivas constituem uma das aplicações de interesse. A introdução dos sistemas 50G-PON representa uma etapa recente da evolução das redes ópticas de acesso, elevando a taxa de transmissão por comprimento de onda e impondo novos requisitos aos componentes ópticos e eletrônicos empregados nos enlaces. Além dos desafios associados à própria transmissão a 50 Gbit/s, arquiteturas com múltiplos comprimentos de onda criam possibilidades para aumento adicional da capacidade e para maior integração dos subsistemas ópticos.

Esse contexto permite investigar conjuntamente dispositivos, circuitos integrados e desempenho sistêmico. A análise de um receptor, por exemplo, pode ser relacionada às características de seus elementos fotônicos e optoeletrônicos, permitindo estabelecer requisitos de projeto a partir das condições impostas pelo enlace. Essa interação entre diferentes níveis de descrição é uma das características das pesquisas do grupo em comunicações ópticas.

A evolução das redes móveis amplia a interação entre sistemas ópticos e sistemas de comunicação sem fio. Arquiteturas de acesso distribuídas e centralizadas exigem enlaces de fronthaul capazes de transportar sinais de elevada largura de banda entre unidades de processamento e pontos remotos da rede, estabelecendo uma interface direta entre comunicações ópticas e tecnologias de rádio.

Rádio sobre fibra constitui uma das alternativas para essa integração. Nesses sistemas, sinais associados às portadoras de rádio são transportados através de enlaces ópticos, permitindo deslocar parte das funções de processamento para unidades centralizadas e explorar a elevada largura de banda disponível nas fibras. Essa abordagem envolve questões relacionadas à linearidade dos componentes, ruído, dispersão, formatos de modulação e conversão entre os domínios elétrico e óptico.

O STOA tem interesse particular na modelagem do impacto dessas degradações sobre o desempenho do enlace. Métricas como magnitude do vetor de erro (EVM) e taxa de erro de bits (BER) condensam diferentes aspectos da qualidade do sinal, mas a relação entre essas métricas depende dos mecanismos físicos responsáveis pelas distorções. Modelos que descrevam individualmente contribuições de ruído, não linearidades, efeitos de fase e propagação permitem estudar essa relação de maneira sistemática e contribuir para o projeto de enlaces óptico-sem fio.

A evolução das redes 6G também amplia o interesse por frequências sub-THz e THz. Nessa faixa, a geração e a detecção de sinais dependem de dispositivos capazes de operar em regimes nos quais efeitos de transporte e fenômenos quânticos podem assumir papel determinante. Essa conexão aproxima as pesquisas em fronthaul dos estudos do grupo em dispositivos semicondutores, modelagem física e tecnologias para operação em frequências elevadas.

As comunicações quânticas exploram propriedades fundamentais de sistemas quânticos para realizar tarefas de comunicação e segurança com características que não possuem equivalente direto em sistemas clássicos. Entre suas aplicações mais desenvolvidas está a distribuição quântica de chaves, na qual estados quânticos são utilizados para estabelecer material criptográfico entre usuários remotos e para identificar perturbações introduzidas durante a transmissão.

Essa área estabelece uma interface natural com comunicações ópticas e fotônica. A implementação de sistemas quânticos de comunicação depende de fontes, canais, moduladores, elementos passivos, detectores e técnicas de processamento capazes de operar em regimes de baixíssima potência óptica, frequentemente no nível de fótons individuais. Perdas, ruído, eficiência de detecção, interferência, estabilidade de fase e imperfeições dos dispositivos passam a ter influência direta sobre a taxa de geração de chaves e sobre a segurança do sistema.

No STOA, as comunicações quânticas constituem uma nova frente de interesse que combina fundamentos de informação quântica com a experiência do grupo em sistemas ópticos, dispositivos e fotônica integrada. São particularmente relevantes problemas relacionados à implementação física de protocolos de distribuição quântica de chaves, à modelagem de enlaces quânticos e à influência de limitações experimentais sobre seu desempenho.

A integração entre tecnologias quânticas e infraestruturas ópticas convencionais também apresenta questões de interesse. Redes futuras poderão exigir a coexistência de canais clássicos e quânticos, o compartilhamento de componentes e fibras e a conexão entre enlaces de acesso, redes metropolitanas e sistemas de maior alcance. O estudo dessas arquiteturas envolve simultaneamente aspectos de transmissão óptica, dispositivos fotônicos, protocolos e segurança.

A fotônica integrada oferece ainda uma perspectiva para a implementação de sistemas quânticos mais compactos e reprodutíveis. A integração de funções de geração, manipulação, interferência e detecção em plataformas fotônicas pode contribuir para a transição de demonstrações experimentais para sistemas de comunicação quântica com maior grau de integração. Essa interface entre comunicações quânticas, fotônica integrada e sistemas ópticos constitui uma direção natural para o desenvolvimento de novas pesquisas no grupo.