Sirkuit terpadu fotonik litium tantalat. Kredit: Tobias Kippenberg (EPFL)
Teknologi sirkuit terpadu fotonik baru berdasarkan litium tantalat meningkatkan efisiensi biaya dan skalabilitas, membuat kemajuan signifikan dalam komunikasi optik dan komputasi.
Komunikasi optik dan sistem komputasi telah direvolusi dengan kemajuan pesat dalam sirkuit terpadu fotonik (PIC), yang menggabungkan beberapa perangkat optik dan fungsionalitas dalam satu chip.
Selama beberapa dekade, PIC berbasis silikon telah mendominasi bidang ini karena efektivitas biaya dan integrasinya dengan teknologi manufaktur semikonduktor yang ada, meskipun ada keterbatasan dalam hal bandwidth modulasi elektro-optik. Namun demikian, chip transceiver optik silikon-on-isolator berhasil dikomersialkan, mengarahkan lalu lintas informasi melalui jutaan serat kaca di pusat data modern.
Platform Lithium Niobate yang Sedang Muncul
Baru-baru ini, platform wafer lithium niobate-on-insulator telah muncul sebagai bahan unggul untuk modulator elektro-optik terintegrasi fotonik karena koefisien Pockelsnya yang kuat, yang penting untuk modulasi optik berkecepatan tinggi. Meskipun demikian, biaya tinggi dan persyaratan produksi yang rumit, membuat lithium niobate tidak dapat diadopsi secara lebih luas, sehingga membatasi integrasi komersialnya.
Litium tantalat (LiTaO3), kerabat dekat lithium niobate, berjanji untuk mengatasi hambatan ini. Ia memiliki kualitas elektro-optik yang sangat baik, namun memiliki keunggulan dibandingkan litium niobate dalam hal skalabilitas dan biaya, karena sudah banyak digunakan dalam filter frekuensi radio 5G oleh industri telekomunikasi.
Kini para ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Tobias J. Kippenberg di EPFL dan Profesor Xin Ou di Institut Mikrosistem dan Teknologi Informasi Shanghai (SIMIT) telah menciptakan platform PIC baru berdasarkan litium tantalat. PIC memanfaatkan keunggulan material dan dapat mentransformasi lapangan dengan menjadikan PIC berkualitas tinggi lebih layak secara ekonomi. Terobosan ini diterbitkan pada 8 Mei di Alam.
Inovasi Teknologi dalam Fabrikasi
Para peneliti mengembangkan metode ikatan wafer untuk litium tantalat, yang kompatibel dengan lini produksi silikon pada isolator. Mereka kemudian menutupi wafer litium tantalat film tipis dengan karbon seperti berlian dan melanjutkan dengan mengetsa pandu gelombang optik, modulator, dan mikroresonator faktor kualitas sangat tinggi.
Pengetsaan ini dilakukan dengan menggabungkan fotolitografi ultraviolet dalam (DUV) dan teknik etsa kering, yang awalnya dikembangkan untuk litium niobate dan kemudian secara hati-hati diadaptasi untuk mengetsa litium tantalat yang lebih keras dan lebih inert. Adaptasi ini melibatkan optimalisasi parameter etsa untuk meminimalkan kehilangan optik, yang merupakan faktor penting dalam mencapai kinerja tinggi dalam sirkuit fotonik.
Prestasi dan Prospek Masa Depan
Dengan pendekatan ini, tim mampu membuat PIC lithium tantalate berefisiensi tinggi dengan tingkat kehilangan optik hanya 5,6 dB/m pada panjang gelombang telekomunikasi. Sorotan lainnya adalah modulator elektro-optik Mach-Zehnder (MZM), perangkat yang banyak digunakan dalam komunikasi serat optik berkecepatan tinggi saat ini. Lithium tantalate MZM menawarkan produk panjang tegangan setengah gelombang 1,9 V cm-1 dan bandwidth elektro-optik mencapai 40 GHz.
“Sambil mempertahankan kinerja elektro-optik yang sangat efisien, kami juga menghasilkan microcomb soliton pada platform ini,” kata Chengli Wang, penulis pertama studi tersebut. “Microcombs soliton ini memiliki sejumlah besar frekuensi koheren dan, bila dikombinasikan dengan kemampuan modulasi elektro-optik, sangat cocok untuk aplikasi seperti LiDAR koheren paralel dan komputasi fotonik.”
Pengurangan birefringence PIC lithium tantalate (ketergantungan indeks bias pada polarisasi cahaya dan arah propagasi) memungkinkan konfigurasi sirkuit padat dan memastikan kemampuan operasional yang luas di semua pita telekomunikasi. Pekerjaan ini membuka jalan bagi pembuatan PIC elektro-optik canggih yang terukur dan hemat biaya.
Referensi: “Sirkuit terintegrasi fotonik litium tantalat untuk produksi volume” oleh Chengli Wang, Zihan Li, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Mikhail Churaev, Wil Kao, Xinru Ji, Junyin Zhang, Terence Blesin, Alisa Davydova, Yang Chen, Kai Huang, Xi Wang, Xin Ou dan Tobias J. Kippenberg, 8 Mei 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07369-1
