Ilmuwan NIST mengembangkan laser 'panjang gelombang apa pun'

• Mewujudkan struktur yang di dalam chip fotonik terintegrasi dapat mengubah satu warna laser menjadi beragam cahaya tampak dan inframerah, serta menghasilkan panjang gelombang spesifik yang berbeda hanya melalui desain sirkuit
• Menerapkan metode yang menumpuk lithium niobate dan tantala secara 3D di atas wafer silikon, sehingga konversi warna cahaya dan kontrol elektrik dapat diproses bersama dalam satu chip
• Jam kuantum dan komputer kuantum membutuhkan warna laser tertentu yang sesuai untuk tiap atom, tetapi ukuran, biaya, dan konsumsi daya peralatan yang ada menjadi kendala besar untuk penggunaan di lapangan
• Mengintegrasikan sekitar 50 chip seukuran kuku dan total 10.000 sirkuit fotonik pada satu wafer, dengan tiap sirkuit menghasilkan warna berbeda, dan di laboratorium telah dikonfirmasi operasi yang mengubah inframerah menjadi cahaya tampak
• Dengan tersedianya jalur fabrikasi yang dapat mengarah pada sistem berbasis foton yang murah dan portabel, potensi penerapannya menonjol tidak hanya untuk teknologi kuantum tetapi juga untuk komunikasi antarchip AI dan display realitas virtual

---

Kemajuan sirkuit fotonik terintegrasi

• Di atas wafer silikon, pola kompleks dari material khusus ditumpuk untuk mewujudkan chip fotonik yang dapat memindahkan cahaya dan memproses informasi seperti chip elektronik
  • Chip ini menggunakan komponen optik seperti laser, waveguide, filter, dan switch untuk menyalurkan serta memproses cahaya di dalam sirkuit
  • Berpotensi membantu teknologi baru seperti kecerdasan buatan, komputer kuantum, dan jam atom optik
• Sirkuit yang menggunakan foton alih-alih elektron memiliki karakteristik yang berbeda dari listrik dalam pengiriman dan pemrosesan informasi
  • Foton bergerak jauh lebih cepat daripada elektron saat melewati sirkuit
  • Cahaya laser merupakan elemen penting untuk mengendalikan teknologi kuantum seperti jam atom optik dan komputer kuantum
• Salah satu hambatan utama dalam penyebaran fotonik terintegrasi adalah keterbatasan panjang gelombang laser
  • Laser berkualitas tinggi, berukuran kecil, dan berefisiensi tinggi hanya tersedia pada sedikit panjang gelombang
  • Laser semikonduktor sangat cocok untuk menghasilkan inframerah 980 nanometer, warna yang berada tepat di luar jangkauan penglihatan manusia
• Jam atom optik dan komputer kuantum membutuhkan laser dengan banyak warna lain
  • Laser konvensional untuk menghasilkan warna-warna tersebut berukuran besar, mahal, dan boros daya, sehingga secara praktis membuat teknologi kuantum ini tetap terbatas pada sejumlah kecil laboratorium riset khusus
• Jika laser diintegrasikan ke dalam sirkuit chip, diharapkan dapat mendorong peralihan menuju teknologi kuantum yang lebih murah dan portabel
  • Membuka kemungkinan perluasan ke aplikasi nyata di luar laboratorium

Metode penumpukan multilapis

• Chip fotonik baru dibuat dengan struktur berlapis-lapis
  • Titik awalnya adalah wafer silikon standar yang dilapisi silikon dan silikon dioksida (kaca), serta lithium niobate yang dapat mengubah warna cahaya yang masuk
• Dengan menambahkan potongan logam, cara sirkuit mengubah cahaya dari satu warna ke warna lain dapat dikendalikan secara elektrik
  • Antarmuka logam-lithium niobate terpisah dibuat untuk mewujudkan fungsi menyalakan dan mematikan cahaya dengan cepat di dalam sirkuit
  • Kemampuan ini merupakan elemen kunci dalam pemrosesan data dan routing berkecepatan tinggi
• Pada lapisan paling atas diterapkan material nonlinier kedua, tantalum pentoxide (tantala)
  • tantala dapat menerima satu warna laser sebagai masukan lalu mengubahnya menjadi seluruh rentang warna pelangi cahaya tampak dan spektrum panjang gelombang inframerah yang luas
  • Selama beberapa tahun, dikembangkan teknologi untuk membuat material ini menjadi sirkuit tanpa pemanasan, sehingga dapat diendapkan di atas material lain tanpa kerusakan
• Dengan memola material-material berbeda dalam penumpukan 3D, dibuat chip tunggal yang dapat merutekan cahaya secara efisien di antara lapisan
  • Menggabungkan kemampuan konversi cahaya dari tantala dengan kemampuan kontrol dari lithium niobate
  • Kekuatan utama adalah bahwa tantala dapat ditambahkan ke sirkuit yang sudah ada
• Pada satu wafer diintegrasikan sekitar 50 chip seukuran kuku dan total 10.000 sirkuit fotonik
  • Tiap sirkuit menghasilkan warna spesifik yang berbeda
  • Berbagai warna dapat dihasilkan hanya melalui desain sirkuit

Kebutuhan laser yang disesuaikan per panjang gelombang

• Jam kuantum dan komputer kuantum sering menggunakan susunan atom untuk menyimpan dan memproses informasi
  • Tiap jenis atom memerlukan laser yang sesuai dengan tingkat energi kuantum internalnya
• Atom rubidium merespons cahaya merah 780 nanometer
  • Ini adalah contoh atom yang umum digunakan dalam komputer dan jam kuantum
• Atom stronsium merespons cahaya biru 461 nanometer
  • Jika disinari warna lain, tidak akan terjadi respons apa pun
• Ukuran, biaya, dan kompleksitas laser konvensional untuk menghasilkan warna-warna khusus ini menjadi hambatan utama bagi penempatan komputer kuantum dan jam optik di lapangan
  • Menjadi faktor pembatas besar untuk membawanya keluar dari laboratorium ke lingkungan operasional nyata

Potensi aplikasi

• Jam optik yang murah, hemat daya, dan portabel berpotensi dimanfaatkan di berbagai bidang
  • Dapat membantu prediksi letusan gunung berapi dan gempa bumi
  • Berpotensi menjadi alternatif GPS untuk penentuan posisi dan navigasi
  • Dapat mendukung penelusuran teka-teki ilmiah seperti hakikat materi gelap
• Komputer kuantum dapat menawarkan pendekatan baru untuk riset fisika dan kimia obat serta material
• Pemanfaatan sirkuit fotonik terintegrasi tidak terbatas hanya pada teknologi kuantum
  • Dapat membantu mengirimkan sinyal secara efisien di antara chip khusus yang digunakan perusahaan teknologi
  • Dapat berkontribusi membuat alat berbasis AI lebih kuat dan efisien
• Perusahaan teknologi juga tertarik memanfaatkan fotonik untuk meningkatkan display realitas virtual

Jalur komersialisasi

• Saat ini chip tersebut belum siap untuk produksi massal
  • Namun, teknik fabrikasinya sendiri memberikan jalur ke depan
• Untuk memperluas teknologi, kolaborasi dilakukan dengan Octave Photonics
  • Startup yang berbasis di Louisville, Colorado
  • Didirikan oleh mantan peneliti NIST dan sedang mengerjakan scale-up teknologi

Ciri visual dan eksperimental

• Di dalam chip persegi panjang kecil seukuran kuku, diintegrasikan banyak sirkuit yang mengubah warna cahaya laser
  • Dalam foto ditunjukkan satu sirkuit yang mengubah inframerah yang tidak terlihat menjadi cahaya biru yang tampak
  • Koin dime digunakan untuk perbandingan ukuran
• Chip berbasis optik nonlinier ini dapat mencakup laser dengan puluhan warna
• Di laboratorium dikonfirmasi bahwa chip tersebut menerima cahaya tak terlihat lalu menghasilkan banyak cahaya tampak
  • Ini secara intuitif memperlihatkan kemungkinan beragam aplikasi di dalam satu chip terintegrasi

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Jangan cuma membahas magenta atau cokelat; tanpa laser pun kita bisa melihat warna ilusi sekarang juga. Kalau mengikuti tulisan ini, kita bisa mengalami melihat warna semacam hyper turquoise

  • Menurut saya, konsep frekuensi pada warna dan cahaya itu sendiri sangat memikat. Pada akhirnya cahaya hanyalah sinyal fisik, tetapi pengalaman subjektif kita terhadap warna jauh lebih kaya. Bisa saja merah yang saya lihat berbeda dari merah yang dirasakan orang lain, tetapi keduanya tetap menyebutnya merah dan mengaitkannya dengan api, cinta, panas, dan bahaya; itu yang menurut saya sangat menarik
  • Setiap hari ketika saya belajar hal baru tentang warna, rasanya pasti jadi hari yang baik. Fakta warna favorit saya adalah bahwa tidak ada cahaya monokromatik berwarna pink. Pink harus dibuat dengan mencampur dua ujung spektrum cahaya tampak, yakni rona merah dan ungu, jadi secara ketat pink tidak ada di pelangi
  • Saya punya migrain okular/retina, jadi saya ingin memberi tahu lebih dulu bahwa eksperimen visual dalam tulisan itu mungkin justru tidak baik bagi orang seperti saya
  • Saya mencoba karena tulisannya bilang “tatap saja titiknya terus, satu menit saja,” tetapi sejujurnya saya merasa cuma membuang waktu
  • Saya merasa ini sedikit menjelaskan fenomena yang terlihat saat sedang trip karena acid

• Menurut saya, penjelasan di artikel seperti “foton melewati rangkaian jauh lebih cepat daripada elektron” bisa sedikit menyesatkan. Elektron itu sendiri memang tidak bergerak dengan kecepatan cahaya, tetapi transmisi informasi listrik sudah terjadi hampir mendekati kecepatan cahaya. Jadi saya rasa titik peningkatan performa komputasi kemungkinan lebih pada bandwidth daripada latensi

  • Pemahaman saya, dalam rangkaian listrik informasi disampaikan lewat medan listrik, bukan karena gumpalan elektron benar-benar berlari sendiri, dan kecepatan rambatnya mendekati kecepatan cahaya
  • Setahu saya, kabel Cat6 sekitar 0.6c, dan tergantung jenis kabel bisa sedikit lebih cepat. Serat optik juga, karena indeks bias inti serat, kecepatan cahaya di dalamnya kira-kira 0.6c

• Saya merasa akan bagus kalau ada yang bisa menjelaskan dengan sederhana apakah photonic computing yang dibicarakan di sini benar-benar punya bentuk nyata

  • Buat saya ada keuntungan yang langsung terlihat. Dalam komunikasi optik, kita bisa memasukkan banyak warna cahaya yang jauh lebih banyak ke dalam satu serat, dan tiap warna bisa membawa modulasi puluhan GHz, jadi masih ada bandwidth yang belum terpakai dalam jumlah besar. Selain itu, kalau panjang gelombang laser bisa disetel presisi, mungkin kimia molekuler yang disesuaikan dengan energi ikatan tertentu juga memungkinkan, dan pemotongan serta pengelasan laser pun tampaknya bisa berkembang dengan memilih panjang gelombang yang lebih efisien
  • Menurut saya inti terobosannya adalah mereka mendapatkan cara memproduksi komponen yang bisa menghasilkan frekuensi optik yang diinginkan. Sampai sekarang, laser yang cukup murah, kecil, dan efisien untuk dipasang di chip hanya memungkinkan pada sebagian panjang gelombang, jadi batasan itu berkurang. Uraian artikelnya memang agak berlebihan, tetapi di makalahnya ada angka efisiensi juga; misalnya, dengan masukan 35mW pada 485nm mereka memperoleh output 6mW. Khususnya pada komunikasi optik multimode, ini tampak berpotensi menambah bandwidth dengan memakai lebih banyak frekuensi, atau membuat perangkat lebih kecil, lebih murah, dan lebih efisien
  • Saya melihat ini mirip dengan riset dasar pada umumnya. Hampir mustahil memprediksi seberapa besar nilainya sebelum benar-benar dipakai untuk menyelesaikan masalah nyata. Matematika yang sangat abstrak pun kadang belakangan menjadi industri besar. Meski begitu, kontrol panjang gelombang laser jelas merupakan inti teknologi komunikasi modern, jadi saya rasa teknologi ini tidak akan berakhir sia-sia
  • Saya rasa ini justru bisa lebih langsung relevan untuk komputasi kuantum. Dalam ion trap, pemilihan ion pada akhirnya terkait dengan panjang gelombang apa yang bisa dibuat secara stabil, dan saat ini pilihan cenderung tertarik ke panjang gelombang yang mudah ditangani dengan laser telecom yang dimodifikasi. Jika panjang gelombang laser bisa diatur sebebas ini, batasan itu mungkin hilang sehingga kita bisa memilih ion dengan sifat lain
  • Saya bukan ahli di bidang ini, tetapi rasanya ada beberapa syarat kunci. Pertama, harus mungkin melakukan pembuatan panjang gelombang arbitrer; lalu panjang gelombang itu harus bisa diukur dengan presisi; dan tampaknya juga diperlukan hal seperti gerbang holografik yang bekerja tanpa sensitif terhadap frekuensi. Jika semua ini terpenuhi, kemampuan komputasinya pada akhirnya tampaknya akan ditentukan oleh kemampuan membedakan panjang gelombang yang berbeda. Secara teoretis, ini bisa sampai pada masalah bahwa kita telah melakukan komputasi jauh lebih banyak daripada yang bisa kita deteksi, yang membawa kita ke pertanyaan yang cukup filosofis

• Menurut saya, kalau biaya akhirnya masuk akal, ini jelas kabar baik untuk komputasi kuantum ion trap. Panjang gelombang laser yang dibutuhkan untuk menjebak ion berbeda-beda tergantung molekul atau spesies yang dipilih, dan peralatan saat ini mahal, sensitif, sulit dikalibrasi, dan kalau memakai dye laser bahkan cukup merepotkan

  • Saya rasa ini juga berlaku untuk atom netral. Untuk memompa atom ke keadaan Rydberg, dibutuhkan cahaya yang cukup bersih

• Saya akan sangat bersemangat jika nanti muncul layar baru yang tidak terkurung dalam gamut segitiga warna dasar RGB, melainkan warna dasarnya sendiri berubah secara dinamis sehingga bisa menampilkan hampir semua warna

  • Saya cuma ingin semua warna. Kalau bisa, tampilkan saja distribusi spektral lengkapnya
  • Idenya keren, tetapi itu membuat saya penasaran bagaimana data gambar akan dienkode

• Saya ingin membagikan bahwa makalah aslinya ada di sini

• Saya merasa judulnya agak berpotensi menyesatkan. Ini tampaknya bukan kalkulator serbaguna sungguhan, melainkan cerita tentang melakukan semacam komputasi dengan memanfaatkan berbagai efek optik nonlinier terhadap frekuensi input laser dalam optika terintegrasi

  • Saya tidak harus melihatnya seperti itu. Yang ditunjukkan eksperimennya pada dasarnya adalah supercontinuum source yang nyaris mencakup “hampir semua panjang gelombang,” dan fakta bahwa itu diimplementasikan pada chip terintegrasi saja sudah cukup mengesankan bagi saya

• Mengingat elektron butuh 60 tahun untuk bergerak dari chip ke perangkat pintar, jika foton mengikuti jalur serupa, rasanya kita baru saja mendengar tembakan awal. Khususnya, fakta bahwa tantala dapat mengubah satu warna laser tunggal menjadi hampir seluruh pelangi terasa sangat menarik

• Ini mengingatkan saya bahwa Angkatan Laut AS sudah lama meneliti free electron laser sebagai semacam cawan suci. Contoh terkait bisa dilihat di siaran pers Boeing

• Kalau mendengar soal “laser yang benar-benar bisa menghasilkan panjang gelombang apa pun,” pikiran saya akhirnya juga sampai ke hal seperti gamma-ray laser. Secara realistis itu tidak mudah, tetapi rasanya sangat diinginkan andaikata ada

  • Berkat ini saya jadi tahu bahwa itu memang benar-benar disebut graser. Di sisi lain, karena kepekaan pembaca fiksi ilmiah, ada sedikit bagian dalam diri saya yang berharap istilah itu suatu hari dicadangkan untuk sesuatu seperti osilator gelombang gravitasi