- 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
Belum ada komentar.