Chip fotonik selama ini menjadi tulang punggung jalur data internet modern. Namun, komponen cepat dan ringkas itu masih kesulitan mengerjakan beberapa fungsi penting saat sinyal cahaya perlu diubah, diperkuat, atau dibentuk ulang.
Batasan itu kini menjadi lebih krusial seiring ledakan sistem AI generatif. Sistem ini memindahkan jauh lebih banyak data antarprosesor dibandingkan pencarian standar, sehingga setiap pertukaran ekstra memberi tekanan pada perangkat keras yang mengangkut informasi di dalam dan antar pusat data.
Material baru untuk celah lama
Tim dari Polytechnique Montréal mengklaim telah menemukan cara memberi chip fotonik kemampuan yang lama tidak mereka miliki. Dalam studi yang terbit di Science Advances, para peneliti melaporkan material yang bisa ditambahkan langsung ke silikon sehingga cahaya dapat diproses di chip itu sendiri, tanpa harus berulang kali dipindahkan ke komponen tambahan.
Fokus riset ini adalah keterbatasan dasar pada silikon fotonik. Silikon sangat baik untuk memandu cahaya dan sudah menjadi inti berbagai optical interconnect, transceiver, dan sistem berbandwidth tinggi lain, tetapi material ini tidak secara alami bisa menjalankan fungsi optik nonlinear orde dua.
Fungsi itu dibutuhkan untuk konversi cahaya, modulasi berkecepatan tinggi, dan pembangkitan cahaya khusus. Selama ini, insinyur biasanya menempuh dua jalan, yakni memakai material lain yang punya sifat tersebut atau menambahkan material kedua ke atas silikon.
Kedua pendekatan itu bisa bekerja, tetapi biayanya datang dalam bentuk kompromi. Kompleksitas fabrikasi, suhu proses, biaya, dan kecocokan dengan manufaktur chip standar menjadi tantangan yang sulit dihindari.
Menghindari poling listrik
Bahan organik sempat terlihat menjanjikan karena bisa dideposisikan pada suhu rendah dan pada banyak jenis permukaan. Tetapi material ini biasanya tetap memerlukan electric field poling agar molekul di dalam film sejajar, dan tahap itu menambah kerumitan sekaligus membutuhkan elektroda logam.
Elektroda itu tidak membantu dalam proses optik murni karena memakan ruang dan dapat menambah loss optik. Dalam pendekatan Polytechnique Montréal, masalah itu dihindari dengan memilih molekul organik triphenylamine-dicyanoquinoxaline atau TPA-QCN.
Dalam film tipis yang dibuat lewat vacuum evaporation, molekul-molekul TPA-QCN terbukti menyusun orientasi yang disukai secara spontan. Orientasi itu memecah simetri film tanpa perlu electric field poling, sebuah langkah yang menurut Stéphane Kéna-Cohen memberi perbedaan fisik besar pada kemampuan material.
Cahaya infra merah diubah jadi merah
Para peneliti membangun strip-loaded waveguide dengan lapisan TPA-QCN setebal 230 nanometer di atas silikon dengan buffer thermal oxide. Hasilnya, perangkat itu mampu mengonversi cahaya telekomunikasi inframerah di sekitar 1550 nanometer menjadi cahaya merah tampak di sekitar 780 nanometer langsung di chip.
Proses itu disebut second-harmonic generation dan menjadi uji penting karena bergantung pada jenis nonlinier optik yang ingin dibuka oleh tim. Material tersebut juga memiliki birefringence uniaksial negatif yang besar, sekitar minus 0,2, sehingga membantu phase matching antara gelombang cahaya masuk dan cahaya hasil konversi.
Simulasi menunjukkan geometri itu cocok dengan lebar strip 1,9 mikrometer. Pengukuran kemudian menguatkan prediksi tersebut, karena sinyal second-harmonic mengikuti hubungan kuadratik yang diharapkan terhadap daya masukan.
Perilaku phase matching juga berubah secara terkontrol saat lebar strip diubah. Bagi tim, itu menjadi tanda lain bahwa perangkat bekerja sesuai desain.
Efisiensi masih bisa naik
Untuk waveguide terbaik sepanjang 1,7 milimeter, tim mencatat efisiensi konversi ternormalisasi panjang sebesar 29% W−1 cm−2. Angka itu disebut sebanding dengan demonstrasi strip-loaded thin-film lithium niobate terbaik, meski masih belum menyamai perangkat monolithic lithium niobate yang sudah matang.
Yang membuat pendekatan ini menonjol bukan hanya hasilnya, tetapi juga kesederhanaan prosesnya. Perangkat itu bekerja tanpa electric field poling maupun periodic patterning, sehingga membuka peluang integrasi fungsi baru langsung ke chip fotonik dengan proses yang lebih ringkas.
Pierre-Luc Thériault menyebut integrasi ini bisa dilakukan pada suhu rendah dan biaya rendah, dengan proses yang sudah standar di industri. Kéna-Cohen menilai tujuan utamanya bukan menggantikan elektronik, melainkan mengurangi langkah konversi tambahan yang membuang energi dan menambah panas.
Studi ini juga menunjukkan ruang besar untuk peningkatan. Kehilangan utama ternyata bukan berasal dari penyerapan intrinsik material, melainkan dari kebocoran ke substrat silikon dan kebocoran lateral mode second-harmonic, yang jika dikurangi diperkirakan dapat menaikkan efisiensi 2,3 kali menjadi 68% W−1 cm−2.
Optimasi material berpeluang mendorongnya lebih jauh lagi. Turunan TPA-QCN yang terkait sudah menunjukkan kenaikan dua kali lipat pada susceptibilitas orde dua, yang menurut peneliti dapat diterjemahkan menjadi kenaikan efisiensi empat kali lipat tambahan.
Daya tahan untuk penggunaan nyata
Selain kinerja optik, stabilitas termal juga menjadi perhatian penting untuk film organik. TPA-QCN memiliki temperatur transisi kaca 110 derajat Celsius, di atas suhu operasi telekomunikasi yang umum.
Dengan lapisan penutup TCTA, tumpukan film itu masih mempertahankan 90% sinyal second-harmonic hingga 129 derajat Celsius. Studi tersebut juga melaporkan tidak ada degradasi selama 200 hari di udara terbuka tanpa enkapsulasi.
Implikasinya tidak berhenti pada telekomunikasi dan infrastruktur data. Strategi yang sama juga bisa mendukung modulator ringkas, amplifier, sumber cahaya on-chip, serta komponen untuk teknologi kuantum, sambil membuka jalan bagi lebih banyak fungsi optik yang dibangun langsung di atas photonic chips.
