Terobosan material organik baru membuka cara berbeda untuk memproses cahaya langsung di chip silikon, tanpa harus bergantung pada rangkaian tambahan yang selama ini menambah kompleksitas dan panas. Di tengah kebutuhan pusat data AI generatif yang makin haus transfer data, pendekatan ini menarik karena menarget salah satu titik lemah utama perangkat fotonik: terlalu banyak langkah konversi sebelum informasi benar-benar bergerak efisien.
Tim dari Polytechnique Montréal mengembangkan material yang dapat ditempatkan langsung di atas silikon untuk membantu fungsi optik yang sebelumnya sulit dicapai oleh chip berbasis silikon saja. Hasilnya dipublikasikan di Science Advances dan diposisikan sebagai cara untuk mengurangi ketergantungan pada komponen optik tambahan yang selama ini ikut menyumbang beban energi.
Mengapa silikon saja belum cukup
Silikon sudah sangat kuat sebagai jalur cahaya untuk optical interconnect, transceiver, dan sistem berbandwidth tinggi. Namun, material ini tidak memiliki secara alami fungsi optik nonlinear orde dua yang dibutuhkan untuk konversi cahaya, modulasi berkecepatan tinggi, dan pembangkitan cahaya khusus.
Selama ini, para insinyur biasanya menambahkan material lain di atas silikon atau memakai komponen terpisah. Dua cara itu memang bisa bekerja, tetapi sering membawa konsekuensi berupa fabrikasi yang lebih rumit, suhu proses yang lebih tinggi, biaya tambahan, dan tantangan kecocokan dengan manufaktur chip standar.
Pendekatan organik tanpa poling listrik
Yang membuat temuan ini menonjol adalah pilihan bahan organik yang tidak memerlukan electric field poling. Pada banyak material organik lain, tahap poling dibutuhkan agar molekul di dalam film sejajar, tetapi proses itu menambah kerumitan dan memerlukan elektroda logam.
Elektroda logam tidak ideal untuk proses optik murni karena memakan ruang dan bisa menambah loss optik. Untuk menghindari hal itu, tim memilih molekul triphenylamine-dicyanoquinoxaline atau TPA-QCN, yang dalam film tipis hasil vacuum evaporation tersusun dengan orientasi yang disukai secara spontan.
Orientasi spontan tersebut memecah simetri film tanpa bantuan medan listrik. Menurut Stéphane Kéna-Cohen, hal ini memberi perbedaan fisik besar pada performa material.
Cahaya telekomunikasi diolah langsung di chip
Dalam demonstrasi perangkatnya, tim membangun strip-loaded waveguide dengan lapisan TPA-QCN setebal 230 nanometer di atas silikon dengan buffer thermal oxide. Struktur ini berhasil mengonversi cahaya telekomunikasi inframerah di sekitar 1550 nanometer menjadi cahaya merah tampak di sekitar 780 nanometer langsung di chip.
Proses itu dikenal sebagai second-harmonic generation dan menjadi uji penting untuk menunjukkan fungsi nonlinear yang ditargetkan 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 bahwa geometri itu cocok dengan lebar strip 1,9 mikrometer. Pengukuran kemudian mendukung prediksi tersebut karena sinyal second-harmonic mengikuti hubungan kuadratik yang diharapkan terhadap daya masukan, sementara perilaku phase matching berubah secara terkontrol saat lebar strip diubah.
Efisiensi tinggi dengan proses yang tetap sederhana
Untuk waveguide terbaik dengan panjang 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 belum menyamai perangkat monolithic lithium niobate yang sudah matang.
Daya tarik utama pendekatan ini bukan hanya kinerja optiknya, tetapi juga proses pembuatannya yang ringkas. Perangkat bekerja tanpa electric field poling maupun periodic patterning, sehingga membuka peluang integrasi fungsi baru langsung ke chip fotonik dengan alur produksi yang lebih sederhana.
Pierre-Luc Thériault menyebut integrasi seperti ini bisa dilakukan pada suhu rendah dan biaya rendah dengan proses yang sudah standar di industri. Kéna-Cohen menilai tujuan akhirnya bukan menggantikan elektronik, melainkan mengurangi langkah konversi tambahan yang membuang energi dan menambah panas.
Masih ada ruang untuk peningkatan
Studi ini juga menunjukkan bahwa performanya masih bisa ditingkatkan lebih jauh. Kehilangan utama ternyata bukan berasal dari penyerapan intrinsik material, melainkan dari kebocoran ke substrat silikon dan kebocoran lateral mode second-harmonic.
Jika kerugian itu dikurangi, efisiensi diperkirakan bisa naik 2,3 kali menjadi 68% W−1 cm−2. Optimasi material juga berpeluang mendorong performa lebih jauh, karena turunan TPA-QCN yang terkait sudah menunjukkan kenaikan dua kali lipat pada susceptibilitas orde dua.
Stabil untuk aplikasi nyata
Untuk penggunaan di dunia nyata, stabilitas termal menjadi syarat penting bagi film organik. TPA-QCN memiliki temperatur transisi kaca 110 derajat Celsius, lebih tinggi daripada 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 berpotensi mendukung modulator ringkas, amplifier, sumber cahaya on-chip, serta komponen untuk teknologi kuantum, sambil memperluas ruang bagi lebih banyak fungsi optik yang dibangun langsung di atas photonic chips.
-
-
-
-
