Para ilmuwan dari Purdue University telah mengembangkan transistor fotonik yang dapat dikendalikan oleh sebuah foton tunggal. Perangkat ini menggunakan proses avalanche internal pada diode avalanche foton tunggal (SPAD) untuk menghasilkan respons optik yang sangat besar dengan energi cahaya yang sangat rendah.
Transistor fotonik ini memungkinkan satu foton dalam sinyal kontrol untuk mengubah perilaku berkas cahaya inframerah dekat yang lebih kuat. Teknologi ini bekerja pada suhu ruangan tanpa memerlukan resonator optik atau pendinginan kriogenik, sebuah terobosan penting dalam komputasi fotonik dan komunikasi kuantum.
Tantangan Mengendalikan Cahaya dengan Cahaya
Modulasi optik sepenuhnya menggunakan cahaya untuk mengontrol cahaya lainnya tanpa campur tangan elektronik. Namun, efek nonlinier optik tradisional, yang mengubah indeks bias material berdasarkan intensitas cahaya, sangat lemah. Akibatnya, dibutuhkan sinar laser dengan intensitas tinggi, sehingga kurang praktis untuk digunakan dengan foton tunggal dan kurang efisien untuk teknologi berdaya rendah.
Demid Sychev, peneliti postdoctoral sekaligus penulis utama studi ini, menjelaskan bahwa interaksi antar berkas cahaya biasanya hanya terjadi pada tingkat makroskopik karena nonlinieritas optik yang kecil. Tim Purdue memilih pendekatan berbeda dengan memanfaatkan proses avalanche pada SPAD untuk memperkuat efek fisik dari penyerapan satu foton.
Mengonversi Detektor Menjadi Modulator
Pada silikon, cahaya yang diserap dapat mengubah indeks bias melalui pembentukan pembawa muatan bebas dan pemanasan material. Keduanya menghasilkan perubahan kecil pada tingkat foton tunggal. Namun, ketika SPAD dioperasikan di atas tegangan ambang, satu elektron hasil penyerapan foton dapat memicu reaksi rantai avalanche yang melipatgandakan jumlah elektron hingga jutaan dalam waktu kurang dari satu nanodetik.
Sychev menyatakan, "Multiplikasi ini adalah alat yang sangat ampuh untuk menjembatani dunia kuantum mikroskopis dan dunia makroskopis." Proses avalanche ini menyebabkan peningkatan jumlah pembawa muatan dan pemanasan lokal sementara yang secara signifikan mengubah indeks bias dan absorpsi silikon.
Pengamatan Efek Cepat dan Lambat
Melalui eksperimen pump–probe dengan SPAD komersial, sinar hijau 520 nm berfungsi sebagai pulsa kontrol yang memicu avalanche, sedangkan sinar inframerah dekat 1550 nm berfungsi sebagai pulsa probe untuk mengamati respons optik. Kedua pulsa ini memiliki durasi di bawah 130 pikodetik dan dapat diatur dengan presisi 5 pikodetik.
Kontrol digunakan pada level rerata antara 0,1 hingga 1 foton per pulsa, dengan distribusi foton bersifat Poisson. Hasil pengukuran mengungkap dua respon berbeda: efek cepat yang terjadi dalam beberapa nanodetik akibat lonjakan pembawa muatan bebas, dan efek lambat yang berlangsung mikrodetik berasal dari pemanasan lokal pasca avalanche.
Pada saat delay nol antara pulsa kontrol dan pulsa probe, modulasi menghilang sejenak karena waktu mati (dead time) SPAD, saat satu pulsa memicu avalanche dan yang lain tidak dapat melakukannya.
Nonlinieritas Efektif Sangat Besar
Perubahan indeks bias yang diukur menunjukkan bahwa respons cepat menghasilkan perubahan sekitar satu bagian dari 100.000, sementara efek termal mencapai hampir satu bagian dari 10.000. Jika dinyatakan sebagai koefisien nonlinier efektif, nilai efek lambat ini 15 ordo besarnya lebih besar dari nonlinieritas optik silikon konvensional dan 17 ordo lebih besar dibandingkan dengan lithium niobat, material nonlinier standar.
Ini bukan berarti sifat dasar silikon berubah, melainkan multiplikasi avalanche menjadikan foton tunggal seolah-olah berperilaku seperti sinyal optik intensitas tinggi dengan nonlinieritas yang sangat besar namun pada level energi cahaya yang sangat rendah.
Transistor Fotonik pada Suhu Ruangan
Tim peneliti juga berhasil menunjukkan kontrol cahaya langsung tanpa deteksi kunci dengan modulasi sinyal inframerah mencapai sekitar 0,7 desibel. Vladimir Shalaev, profesor bidang teknik elektro dan komputer di Purdue, menyebutkan bahwa perangkat ini dapat dianggap sebagai transistor fotonik di mana satu foton kontrol mampu mengalihkan sinyal optik yang lebih kuat.
Keunggulan lain adalah perangkat ini mudah diintegrasikan dan dibuat di atas chip semikonduktor tanpa memerlukan pendinginan khusus. Peigang Chen, mahasiswa PhD yang terlibat, menegaskan bahwa metode ini kompak, seamless, dan kompatibel dengan teknologi CMOS yang sudah digunakan secara luas di industri.
Dampak Praktis dan Masa Depan
Pengembangan ini membuka jalan untuk saklar optik yang efisien energi, yang sangat penting di bidang komputasi fotonik dan pemrosesan data berdaya rendah. Dalam teknologi kuantum, kontrol foton tunggal mampu meningkatkan sumber foton, mempercepat protokol komunikasi kuantum, serta menyederhanakan sirkuit kuantum terintegrasi.
Sementara pada sistem klasik, saklar optik efisiensi tinggi tanpa kebutuhan daya dan pendinginan berlebih dapat mengurangi konsumsi energi di pusat data serta memungkinkan prosesor berbasis cahaya yang lebih praktis. Keberhasilan mengembangkan perangkat berbasis semikonduktor yang sudah mapan memberikan peluang nyata untuk komersialisasi teknologi ini.
Hasil penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal Nature Nanotechnology dan menjadi tonggak penting dalam kemajuan teknologi photonic computing dan komunikasi kuantum.
-
-
-
-
