Pusat data dan sistem AI generatif terus menekan batas efisiensi perangkat optik. Setiap perpindahan data tambahan antarprosesor ikut menambah konsumsi energi dan panas, sehingga kebutuhan untuk memproses cahaya langsung di chip menjadi semakin mendesak.
Di titik inilah material organik baru dari tim Polytechnique Montréal menarik perhatian. Mereka merancang lapisan yang dapat ditambahkan langsung ke chip fotonik silikon agar sejumlah fungsi optik tidak perlu lagi dipindahkan ke komponen tambahan.
Mengatasi kelemahan silikon fotonik
Silikon sudah sangat kuat sebagai jalur cahaya untuk optical interconnect, transceiver, dan sistem berbandwidth tinggi. Namun, material ini tidak secara alami memiliki fungsi optik nonlinear orde dua yang dibutuhkan untuk konversi cahaya, modulasi berkecepatan tinggi, dan pembangkitan cahaya khusus.
Selama ini, solusi umum adalah memakai material lain atau menumpuk material kedua di atas silikon. Dua pendekatan itu memang bekerja, tetapi sering membawa konsekuensi berupa fabrikasi yang lebih rumit, suhu proses yang lebih tinggi, biaya tambahan, dan tantangan untuk cocok dengan manufaktur chip standar.
Tim ini melaporkan di Science Advances bahwa mereka menemukan cara untuk menambahkan material organik langsung ke silikon supaya cahaya bisa diproses di dalam chip itu sendiri. Tujuannya adalah mengurangi ketergantungan pada perpindahan berulang ke komponen optik tambahan.
Tanpa poling listrik, tanpa elektroda logam
Bahan organik sebenarnya sudah lama dipandang menjanjikan karena bisa dideposisikan pada suhu rendah dan di banyak jenis permukaan. Kendalanya, material semacam ini biasanya tetap membutuhkan electric field poling agar molekul di dalam film sejajar.
Tahap itu menambah kerumitan dan memerlukan elektroda logam. Untuk proses optik murni, elektroda logam tidak ideal karena memakan ruang dan dapat menambah loss optik.
Untuk menghindari hal tersebut, peneliti memilih molekul triphenylamine-dicyanoquinoxaline atau TPA-QCN. Dalam film tipis yang dibuat lewat vacuum evaporation, molekul TPA-QCN tersusun dengan orientasi yang disukai secara spontan.
Orientasi itu memecah simetri film tanpa electric field poling. Stéphane Kéna-Cohen menilai perbedaan fisik ini memberi dampak besar pada performa material.
Cahaya telekomunikasi diubah langsung di chip
Para peneliti membangun strip-loaded waveguide dengan lapisan TPA-QCN setebal 230 nanometer di atas silikon dengan buffer thermal oxide. Perangkat itu berhasil mengonversi cahaya telekomunikasi inframerah di sekitar 1550 nanometer menjadi cahaya merah tampak di sekitar 780 nanometer langsung di chip.
Proses tersebut disebut second-harmonic generation dan menjadi uji penting untuk menunjukkan fungsi nonlinear yang ingin dibuka tim. Material ini 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 memperkuat prediksi itu karena sinyal second-harmonic mengikuti hubungan kuadratik yang diharapkan terhadap daya masukan.
Perilaku phase matching juga berubah secara terkontrol saat lebar strip diubah. Bagi peneliti, hal itu menjadi tanda bahwa perangkat bekerja sesuai desain.
Efisiensi menjanjikan dengan proses yang ringkas
Untuk waveguide terbaik sepanjang 1,7 milimeter, tim mencatat efisiensi konversi ternormalisasi panjang sebesar 29% W−1 cm−2. Angka tersebut disebut sebanding dengan demonstrasi strip-loaded thin-film lithium niobate terbaik, meski belum menyamai perangkat monolithic lithium niobate yang sudah matang.
Yang menonjol dari pendekatan ini bukan hanya kinerjanya, tetapi juga kesederhanaan prosesnya. Perangkat bekerja tanpa electric field poling maupun periodic patterning, sehingga membuka peluang integrasi fungsi baru langsung ke chip fotonik dengan alur produksi yang lebih ringkas.
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 utamanya bukan menggantikan elektronik, melainkan mengurangi langkah konversi tambahan yang membuang energi dan menambah panas.
Masih ada ruang peningkatan besar
Studi ini juga menunjukkan bahwa performa masih bisa ditingkatkan cukup 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.
Tahan panas untuk penggunaan nyata
Stabilitas termal menjadi faktor penting untuk film organik, terutama jika ingin dipakai di lingkungan chip yang padat. 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.
Strategi ini tidak hanya relevan untuk telekomunikasi dan infrastruktur data. Pendekatan serupa juga berpotensi 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.
