Curso de Fotônica Integrada

Da formulação eletromagnética de guias dielétricos e processos de fabricação CMOS em silício (SOI) aos circuitos para comunicações ópticas, processamento analógico e sensores de campo evanescente.

Docente Responsável: Prof. Marcelo Eduardo Vieira Segatto • IN-Foton & UFES

🔬 Apresentação do Curso • Fotônica Integrada Course Overview • Integrated Photonics

11 Módulos Canônicos • Open Access

O Curso de Fotônica Integrada do IN-Foton / UFES constitui uma formação analítica e computacional abrangente dedicada aos Circuitos Integrados Fotônicos (PICs • Photonic Integrated Circuits). O programa conecta a formulação eletromagnética clássica às técnicas modernas de nanolitografia, simulação de modos em Python e automação de projeto (EPDA) para fabricação em fundições de classe mundial. The Integrated Photonics Course from IN-Foton / UFES provides an in-depth analytical and computational curriculum focused on Photonic Integrated Circuits (PICs). The program bridges classical electromagnetic waveguide theory with state-of-the-art nanolithography, open-source Python modal simulation, and automated EPDA design flows for world-class foundry tape-outs.

💡 O que é o Curso About the Course

Uma imersão nas tecnologias de guias de ondas planares nas plataformas de silício (SOI 220 nm), nitreto de silício (Si₃N₄) e fosfeto de índio (InP), abordando componentes passivos, moduladores ativos e circuitos fotônicos. O curso vai do projeto de um componente isolado ao processo de fabricação de um chip fotônico completo. An immersion in planar waveguide technologies across silicon (SOI 220 nm), silicon nitride (Si₃N₄), and indium phosphide (InP) platforms, addressing passive components, active modulators, and photonic circuits. The course spans from single-device design to the complete photonic chip fabrication process.

🎯 Objetivos do Curso Course Objectives

Capacitar o estudante a desenvolver o ciclo completo de fabricação de um chip fotônico através da modelagem analítica e numérica com ferramentas abertas em Python como o Femwell, PyMeep, e MEOW, sintetizar layouts paramétricos com o GDSFACTORY, validar regras de projeto (DRC) e habilitar para tape-outs em consórcios de múltiplos wafers fotônicos (MPW). Empower the student to develop the complete fabrication cycle of a photonic chip through analytical and numerical modeling with open-source Python tools such as Femwell, PyMeep, and MEOW, synthesize parametric layouts with GDSFACTORY, validate design rules (DRC), and enable tape-outs in multi-project wafer (MPW) consortia.

📚 11 Módulos Disponíveis 11 Available Modules

Estão disponíveis 11 módulos ([MOD-PH01] a [MOD-PH11]), cada um com texto teórico detalhado, decks oficiais de slides em Beamer/PDF para download, simuladores interativos e código reproduzível, além de 1 módulo bônus de pesquisa. Includes 11 modules ([MOD-PH01] to [MOD-PH11]), each featuring detailed theoretical texts, official Beamer/PDF slide decks for download, interactive simulators, and reproducible code, plus 1 research bonus module.

[MOD-PH01] • Disponível

Introdução, História e Tecnologias de Fabricação

Origens da óptica integrada, trabalhos de Miller, Marcuse, Yariv e Soref. Plataformas SOI, Si₃N₄, TFLN, etapas de sala limpa e modelo MPW.

História SOI 220nm MPW Soref

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[MOD-PH02] • Disponível

Teoria Eletromagnética de Guias Dielétricos

Equações de Maxwell vetoriais, reflexão interna total com deslocamento de Goos-Hänchen, guias planares simétricos e assimétricos, modos TE/TM, índice efetivo { ext{eff}}$ e laboratório de simulação interativo.

Maxwell Goos-Hänchen TE/TM Simulador

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[MOD-PH03] • Disponível

Métodos Numéricos em Fotônica Integrada

Solucionadores modais por elementos finitos (FEM 2D com Femwell), diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD com PyMeep) e expansão em autofunções (MEOW).

Femwell PyMeep MEOW PML

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[MOD-PH04] • Disponível

Teoria de Modos Acoplados (CMT)

Origens históricas de Pierce e Yariv, dedução rigorosa via reciprocidade de Lorentz, dinâmicas co e contra-direcionais, coeficiente κ, formalismo matricial [S] e aplicações.

CMT Pierce Yariv Lorentz Coef. κ

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[MOD-PH05] • Disponível

Dispositivos Passivos em Fotônica Integrada

Curvas Euler adiabáticas, transições modais de Love, acopladores direcionais, divisores MMI por autoimagem de Talbot, interferômetros MZI e acopladores fibra-chip.

Curvas Euler Tapers MMI Talbot MZI Grating Coupler

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[MOD-PH06] • Disponível

Microrressonadores em Anel e Cavidades Ópticas

Condição de ressonância, matriz de transferência de Yariv/Little, acoplamento crítico, FSR, Finesse, fator de qualidade $Q$, filtros Add-Drop e sintonia térmica.

Ring Resonator Acoplamento Crítico FSR Fator Q Add-Drop Termo-óptico

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[MOD-PH07] • Disponível

Grades de Bragg e Estruturas Subcomprimento (SWG)

Perturbações periódicas e condição de Bragg, acoplamento contra-direcional (CMT), acopladores verticais fibra-chip (Grating Couplers) e metamateriais subcomprimento de onda (SWG de Rytov).

Bragg Stopband Grating Coupler SWG Rytov Smart-PSoC

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[MOD-PH08] • Disponível

Efeitos Eletro-ópticos, Moduladores e Componentes Ativos

Dispersão de plasma de Soref, diodos $p\text{-}n$ em silício, moduladores Mach-Zehnder ($V_\pi L$), fotodetectores integrados de germânio e fontes laser híbridas.

MZM Plasma Soref Fotodetectores Laser Híbrido

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[MOD-PH09] • Disponível

Fotônica para Inteligência Artificial e Computação Analógica

Implementação óptica de transformações matriciais lineares, multiplicação matriz-vetor (MVM) por meio de malhas interferométricas de Clements e SVD.

MVM Óptica Malhas Clements SVD Smart-PSoC

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[MOD-PH10] • Disponível

Sensores Fotônicos Integrados de Campo Evanescente

Princípios de sensoriamento de índice de refração de superfície, guias slot, sensibilidade $S_b$, limites de detecção (LOD) e biossensores label-free.

Campo Evanescente Guia Slot Sensibilidade Sb LOD

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[MOD-PH11] • Disponível

Metodologia EPDA, Leiaute com gdsfactory e Fabricação MPW

Fluxo de automação de projeto fotônico (EPDA), síntese programática em Python com gdsfactory, verificação DRC no KLayout, PDKs e fundições MPW.

EPDA gdsfactory KLayout DRC Fundições MPW

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Módulo Bônus (Em Desenvolvimento) A ser inserido após a conclusão de projetos em andamento

[MOD-BONUS] Dispositivos de Pesquisa em Silício: IA Óptica e Biossensores com Compensação Térmica

Módulo dedicado aos estudos de caso e projetos de circuitos fotônicos em silício desenvolvidos no âmbito de cooperações científicas de pesquisa (circuitos para inferência neuromórfica e estruturas bimodais para sensoriamento com redução passiva de sensibilidade térmica). Este conteúdo será formalmente integrado ao curso após a finalização e publicação dos resultados em desenvolvimento.