Chip AI bisa segera mendapat jalan lebih hemat panas berkat terobosan material organik yang dirancang langsung untuk chip fotonik silikon. Temuan dari tim Polytechnique Montréal ini menarik perhatian karena menarget masalah lama yang selama ini membatasi perangkat optik di pusat data: banyak fungsi penting masih harus dipindahkan ke komponen tambahan.
Tekanan untuk mengatasi batas itu makin besar di era AI generatif. Sistem seperti ini memindahkan jauh lebih banyak data antarprosesor dibanding pencarian standar, sehingga setiap tambahan langkah transfer ikut menambah beban energi dan panas pada perangkat yang mengangkut informasi di dalam maupun antar pusat data.
Menyasar titik lemah 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, insinyur biasanya memilih material lain atau menumpuk material kedua di atas silikon. Dua pendekatan itu bisa bekerja, tetapi sering membawa biaya tambahan dalam bentuk kompleksitas fabrikasi, suhu proses, harga, dan tantangan kecocokan dengan manufaktur chip standar.
Tim Polytechnique Montréal melaporkan di Science Advances bahwa mereka menemukan material yang dapat ditambahkan langsung ke silikon agar cahaya bisa diproses di chip itu sendiri. Pendekatan ini dirancang untuk mengurangi ketergantungan pada perpindahan berulang ke komponen optik tambahan.
Tanpa poling listrik, tanpa elektroda logam
Bahan organik sebenarnya sudah lama dianggap menjanjikan karena bisa dideposisikan pada suhu rendah dan di banyak jenis permukaan. Masalahnya, material ini biasanya tetap perlu electric field poling agar molekul di dalam film sejajar, dan tahap itu menambah kerumitan serta membutuhkan elektroda logam.
Elektroda logam tidak ideal untuk proses optik murni karena memakan ruang dan dapat menambah loss optik. Untuk menghindari itu, tim 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 ini memecah simetri film tanpa electric field poling, sesuatu yang menurut Stéphane Kéna-Cohen memberi perbedaan fisik 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 ini disebut second-harmonic generation dan menjadi uji penting untuk menunjukkan fungsi nonlinear yang ingin dibuka tim. Material tersebut juga punya 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 bahwa perangkat bekerja sesuai desain.
Efisiensi menjanjikan, proses tetap sederhana
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 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 semacam 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 ruang optimasi yang luas. 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 aplikasi nyata
Selain kinerja optik, stabilitas termal menjadi faktor 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 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.
-
-
-
-
