Para peneliti telah mencapai terobosan dalam fotonik terintegrasi, mengembangkan chip yang secara andal mengubah satu warna laser menjadi spektrum warna baru tanpa memerlukan penyetelan aktif atau produksi yang presisi. Pendekatan pasif ini mengatasi keterbatasan yang sudah lama ada di lapangan, menawarkan jalur yang lebih sederhana dan lebih kuat untuk menghasilkan beragam frekuensi cahaya pada sebuah chip. Temuan yang dipublikasikan di Science pada 6 November 2025 ini memiliki implikasi terhadap metrologi, optik nonlinier, dan pengembangan perangkat fotonik canggih.
Tantangan Generasi Cahaya On-Chip
Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mencari cara untuk menciptakan sumber cahaya yang ringkas dan serbaguna langsung pada chip. Metode tradisional seringkali memerlukan rekayasa yang tepat dan kompensasi aktif untuk mengelola interaksi nonlinier—proses di mana cahaya mengubah perilaku material untuk menghasilkan frekuensi baru. Interaksi ini biasanya lemah dan sensitif terhadap variasi kecil sekalipun dalam pembuatan chip, sehingga membuat produksi massal menjadi tantangan. Kemampuan untuk menghasilkan frekuensi cahaya baru secara langsung pada sebuah chip menghemat ruang, energi, dan menghindari kebutuhan akan laser tambahan yang bahkan mungkin tidak ada untuk panjang gelombang tertentu.
Susunan Resonator Dua Skala Waktu: Solusi Pasif
Terobosan baru datang dari tim di Joint Quantum Institute (JQI) dan Universitas Maryland. Para peneliti menemukan bahwa desain chip tertentu—rangkaian resonator optik mikroskopis—secara alami mendorong interaksi nonlinier yang efisien tanpa penyetelan aktif. Kuncinya adalah struktur itu sendiri, yang menciptakan dua rentang waktu berbeda untuk sirkulasi cahaya. Cincin yang lebih kecil dalam susunannya mengedarkan cahaya dengan cepat, sementara seluruh susunan bertindak sebagai resonator yang lebih besar dan lebih lambat. Pengaturan skala waktu ganda ini melonggarkan kondisi pencocokan fase frekuensi ketat yang biasanya mengganggu perangkat nonlinier.
Cara Kerja: Pencocokan Fase Frekuensi Santai
Pencocokan fase frekuensi mengacu pada penyelarasan frekuensi cahaya dan kecepatannya secara tepat dalam resonator. Jika kondisi ini tidak terpenuhi, interaksi nonlinier akan melemah atau hilang. Secara tradisional, para peneliti telah menggunakan pemanas tertanam atau manufaktur yang cermat untuk mencapai keselarasan ini. Susunan resonator skala dua kali menghindari kebutuhan ini. Skala waktu ganda memberikan banyak peluang agar interaksi yang diperlukan terjadi secara pasif, terlepas dari variasi produksi yang kecil.
Hasil Eksperimen: Performa Konsisten
Tim menguji enam chip yang dibuat pada wafer yang sama, mengirimkan sinar laser pada 190 THz (frekuensi telekomunikasi standar). Keenam chip secara konsisten menghasilkan harmonik kedua, ketiga, dan bahkan keempat—cahaya merah, hijau, dan biru—tanpa penyetelan aktif apa pun. Sebaliknya, perangkat cincin tunggal dengan kompensasi aktif hanya menghasilkan generasi harmonik kedua dalam rentang kondisi yang sempit. Array dua skala waktu bekerja dengan andal pada rentang frekuensi input yang lebih luas, bahkan menunjukkan tanda-tanda pembangkitan sisir frekuensi bersarang pada intensitas yang lebih tinggi.
Implikasi terhadap Fotonik dan Penelitian Masa Depan
Terobosan ini menyederhanakan desain dan pembuatan perangkat fotonik, menjadikannya lebih mudah diakses dan tangguh. Pendekatan pasif sangat relevan untuk aplikasi di bidang metrologi, konversi frekuensi, dan komputasi optik nonlinier. Tim menekankan bahwa rangkaian resonator skala dua kali menawarkan solusi yang andal untuk masalah yang sudah lama ada di lapangan.
“Kami secara bersamaan telah meringankan masalah keselarasan ini hingga tingkat yang lebih besar, dan juga secara pasif,” kata penulis utama Mahmoud Jalali Mehrabad. “Kami tidak membutuhkan pemanas; kami tidak memiliki pemanas. Mereka hanya berfungsi.”
Para peneliti berpendapat bahwa pendekatan ini dapat membuka jalan bagi perangkat fotonik yang lebih serbaguna dan hemat biaya, sehingga mempercepat pengembangan teknologi canggih yang mengandalkan manipulasi cahaya yang tepat.
Penelitian tersebut dilakukan oleh tim di JQI dan Universitas Maryland, termasuk Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi, dan Yanne Chembo
