Efisiensi konversi yang dicapai tim Polytechnique Montréal menjadi sorotan utama dalam riset material baru ini. Pada waveguide terbaik sepanjang 1,7 milimeter, mereka mencatat efisiensi konversi ternormalisasi panjang sebesar 29% W−1 cm−2.
Yang membuat pendekatan ini menarik bukan hanya angkanya, tetapi juga cara kerjanya yang sederhana. Perangkat tersebut tidak membutuhkan poling listrik maupun pola periodik, dua tahap yang selama ini sering menambah kerumitan pada integrasi optik di atas silikon.
Riset ini menarget masalah yang sudah lama membatasi chip fotonik untuk pusat data dan aplikasi AI. Banyak fungsi optik penting masih harus dialihkan ke komponen tambahan, padahal setiap perpindahan data ekstra ikut menambah beban energi dan panas pada sistem.
Dalam era AI generatif, tekanan itu makin besar. Sistem seperti ini memindahkan jauh lebih banyak data antarprosesor dibanding pencarian standar, sehingga jalur transfer data menjadi titik yang sangat sensitif terhadap efisiensi.
Mendorong silikon agar bekerja lebih jauh
Silikon sudah sangat mapan 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 mengandalkan material lain atau menumpuk lapisan tambahan di atas silikon. Dua pendekatan itu memang bisa dipakai, tetapi sering membawa konsekuensi berupa fabrikasi yang lebih rumit, suhu proses yang lebih tinggi, biaya tambahan, dan tantangan kecocokan dengan manufaktur chip standar.
Tim dari Polytechnique Montréal melaporkan di Science Advances bahwa mereka menemukan material organik yang bisa ditambahkan langsung ke silikon agar cahaya diproses di chip itu sendiri. Tujuannya jelas, yaitu mengurangi ketergantungan pada perpindahan berulang ke komponen optik tambahan.
Tanpa elektroda logam, tanpa tahap poling
Bahan organik sebenarnya sudah lama dipandang menjanjikan karena bisa dideposisikan pada suhu rendah dan di banyak jenis permukaan. Masalahnya, material seperti ini biasanya tetap memerlukan 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 itu 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 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.
Potensi besar, proses tetap ringkas
Perilaku phase matching juga berubah secara terkontrol saat lebar strip diubah. Bagi tim, itu menjadi tanda bahwa perangkat bekerja sesuai desain dan dapat diatur lewat parameter geometrinya.
Untuk waveguide terbaik sepanjang 1,7 milimeter, efisiensi yang dicapai sudah disebut sebanding dengan demonstrasi strip-loaded thin-film lithium niobate terbaik, meski belum menyamai perangkat monolithic lithium niobate yang lebih matang. Namun, keunggulan utamanya terletak pada kesederhanaan proses dan peluang integrasi langsung ke chip fotonik.
Pierre-Luc Thériault menyebut pendekatan 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 banyak ruang untuk ditingkatkan
Studi ini juga menunjukkan bahwa performanya masih bisa didorong 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 memberi dorongan tambahan, karena turunan TPA-QCN yang terkait sudah menunjukkan kenaikan dua kali lipat pada susceptibilitas orde dua.
Tahan panas untuk penggunaan nyata
Stabilitas termal menjadi syarat penting untuk film organik, dan TPA-QCN dinilai memenuhi kebutuhan itu. Material ini memiliki temperatur transisi kaca 110 derajat Celsius, di atas suhu operasi telekomunikasi yang umum.
Dengan lapisan penutup TCTA, tumpukan film tersebut masih mempertahankan 90% sinyal second-harmonic hingga 129 derajat Celsius. Studi itu 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.