Chip Photonic Baru Konversi Laser ke Warna-Warni Tanpa Input Aktif
Peneliti di Joint Quantum Institute (JQI) University of Maryland telah merancang dan menguji chip photonic generasi baru yang secara andal mengonversi satu warna laser menjadi tiga warna berbeda yaitu merah, hijau, dan biru, tanpa memerlukan masukan aktif atau optimisasi yang rumit, menandai terobosan besar dalam rekayasa photonic yang dipublikasikan di jurnal Science pada 6 November 2025. Chip ini memanfaatkan arsitektur susunan resonator dengan skala waktu ganda yang secara pasif menyediakan pencocokan frekuensi-fase, mengatasi tantangan puluhan tahun dalam optik nonlinear dan membuka jalan bagi sumber cahaya di chip yang serbaguna untuk aplikasi quantum computing, pengukuran presisi, pembangkitan sisir frekuensi, dan komputasi optik berbasis AI yang membutuhkan cahaya koheren dengan banyak panjang gelombang secara bersamaan tanpa memerlukan banyak laser yang mahal dan memakan tempat.
Teknologi Chip Photonic dan Interaksi Optik Nonlinear
Chip photonic adalah perangkat yang dapat mengendalikan foton individu, partikel kuantum cahaya, dengan cara yang mirip seperti chip elektronik memanipulasi aliran elektron. Perangkat photonic dapat membagi, mengarahkan, memperkuat, dan menginterferensi aliran foton untuk berbagai aplikasi, mulai dari telekomunikasi hingga sensor dan quantum computing. Namun, salah satu tantangan terbesar dalam rekayasa photonic adalah menciptakan sumber cahaya kompak yang dapat dipasang ke dalam chip, yang jauh lebih mudah diintegrasikan dengan perangkat keras yang sudah ada.
Secara khusus, peneliti telah lama berusaha merancang chip yang dapat mengonversi satu warna laser menjadi pelangi warna tambahan, sebuah kemampuan yang sangat dibutuhkan untuk membangun jenis tertentu dari komputer kuantum dan melakukan pengukuran presisi terhadap frekuensi atau waktu. Selama ini, proses ini memerlukan laser tambahan yang memakan ruang dan energi, dan dalam banyak kasus, laser dengan frekuensi yang diinginkan bahkan tidak tersedia.
Kemampuan untuk menghasilkan frekuensi cahaya baru langsung di chip membutuhkan interaksi khusus yang telah dipelajari peneliti selama puluhan tahun. Biasanya, interaksi antara cahaya dan perangkat photonic bersifat linear, yang berarti cahaya dapat ditekuk atau diserap tetapi frekuensinya tidak akan berubah, seperti yang terjadi pada prisma. Sebaliknya, interaksi nonlinear terjadi ketika cahaya terkonsentrasi begitu intens sehingga mengubah perilaku perangkat, yang pada gilirannya mengubah cahaya itu sendiri. Umpan balik ini dapat menghasilkan berbagai frekuensi berbeda, yang dapat dikumpulkan dari keluaran chip dan digunakan untuk pengukuran, sinkronisasi, atau berbagai tugas lainnya.
Sayangnya, interaksi nonlinear biasanya sangat lemah. Salah satu pengamatan pertama dari proses optik nonlinear dilaporkan pada tahun 1961, dan efeknya begitu lemah sehingga seseorang yang terlibat dalam proses publikasi mengira data kunci tersebut adalah noda dan menghapusnya dari gambar utama dalam makalah. Noda tersebut sebenarnya adalah tanda halus dari pembangkitan harmonik kedua, di mana dua foton dengan frekuensi lebih rendah dikonversi menjadi satu foton dengan frekuensi dua kali lipat. Proses terkait dapat menggandakan, mengalikan tiga, dan mengalikan empat frekuensi cahaya yang masuk.
Susunan Resonator Skala Waktu Ganda Solusi Terobosan
Tim peneliti JQI yang dipimpin oleh Mohammad Hafezi, Kartik Srinivasan, dan Yanne Chembo telah mengembangkan solusi terobosan untuk masalah pencocokan frekuensi-fase yang selama ini menjadi hambatan dalam desain chip photonic. Mereka menemukan bahwa dengan menggunakan susunan dari ratusan resonator mikroskopis yang diatur dalam kisi, mereka dapat secara pasif meningkatkan efek nonlinear dan memberikan banyak peluang untuk mendapatkan pencocokan frekuensi-fase yang diperlukan tanpa memerlukan kompensasi aktif atau desain chip yang berulang dan rumit.
Kunci dari terobosan ini adalah arsitektur susunan resonator dengan skala waktu ganda. Cahaya bersirkulasi dengan cepat di sekitar cincin-cincin kecil dalam susunan, yang menetapkan skala waktu cepat. Tetapi ada juga "cincin super" yang dibentuk oleh semua cincin yang lebih kecil, dan cahaya bersirkulasi di sekitarnya lebih lambat. Memiliki dua skala waktu dalam chip ini memiliki efek penting pada kondisi pencocokan frekuensi-fase yang sebelumnya tidak mereka hargai. Alih-alih harus mengandalkan desain yang teliti dan kompensasi aktif untuk mengatur kondisi pencocokan frekuensi-fase tertentu, dua skala waktu ini memberikan peneliti banyak peluang untuk memelihara interaksi yang diperlukan. Dengan kata lain, dua skala waktu ini pada dasarnya memberikan pencocokan frekuensi-fase secara gratis.
Para peneliti menguji enam chip berbeda yang diproduksi pada wafer yang sama dengan mengirimkan cahaya laser dengan frekuensi standar 190 THz (frekuensi yang umum digunakan dalam telekomunikasi dan komunikasi serat optik), mencitrakan chip dari atas, dan menganalisis frekuensi yang keluar dari port keluaran. Mereka menemukan bahwa setiap chip memang menghasilkan harmonik kedua, ketiga, dan keempat, yang untuk laser masukan mereka kebetulan adalah cahaya merah, hijau, dan biru. Mereka juga menguji tiga perangkat cincin tunggal. Bahkan dengan inklusi pemanas tertanam untuk memberikan kompensasi aktif, mereka hanya melihat pembangkitan harmonik kedua dari satu perangkat pada rentang sempit suhu pemanas dan frekuensi masukan. Sebaliknya, susunan resonator skala waktu ganda tidak memiliki kompensasi aktif dan bekerja pada rentang frekuensi masukan yang relatif luas. Para peneliti bahkan menunjukkan bahwa ketika mereka meningkatkan intensitas cahaya masukan mereka, chip mulai memproduksi lebih banyak frekuensi di sekitar masing-masing harmonik, mengingatkan pada sisir frekuensi bersarang yang dibuat dalam hasil sebelumnya.
Implikasi untuk Pengembang Software AI dan Komputasi Optik
Terobosan chip photonic ini membawa implikasi signifikan bagi pengembang software AI dan pengembang aplikasi yang bekerja dengan komputasi optik dan sistem photonic berbasis AI. Komputasi optik, yang menggunakan cahaya alih-alih elektron untuk melakukan komputasi, menjanjikan kecepatan yang jauh lebih tinggi dan efisiensi energi yang lebih baik dibandingkan dengan komputasi elektronik tradisional, terutama untuk operasi perkalian matriks dan konvolusi yang menjadi tulang punggung dari neural network modern.
Dengan kemampuan untuk menghasilkan cahaya koheren dengan banyak panjang gelombang secara pasif dan andal dari sumber laser tunggal, pengembang dapat membangun jaringan neural photonic yang memanfaatkan pembagian panjang gelombang untuk melakukan banyak komputasi secara paralel. Ini sangat relevan untuk membangun unit pemrosesan tensor optik yang dapat melakukan triliunan operasi per detik dengan konsumsi energi yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan GPU tradisional.
Bagi pengembang software AI yang fokus pada pembelajaran mesin kuantum, chip photonic dengan pembangkitan harmonik yang andal adalah blok bangunan esensial untuk membuat pasangan foton terjerat kuantum dan gerbang multi-qubit yang diperlukan untuk komputasi kuantum. Kemampuan untuk menghasilkan banyak frekuensi tanpa penyetelan aktif atau rekayasa presisi juga berarti bahwa sistem photonic kuantum akan lebih kokoh dan lebih mudah diperbesar, mengurangi kerumitan dari implementasi algoritma kuantum.
Di sisi aplikasi AI praktis, sisir frekuensi photonic yang dapat dihasilkan dari chip ini sangat berguna untuk pewaktuan presisi dan sinkronisasi dalam sistem AI terdistribusi, komunikasi optik berkecepatan tinggi untuk kluster pelatihan AI, dan arsitektur neural network yang dimultipleks domain frekuensi yang dapat memproses banyak aliran data secara bersamaan dengan perangkat keras optik bersama. Pengembang yang membangun akselerator AI berbasis photonic dapat memanfaatkan pembangkitan cahaya multi-warna ini untuk implementasi perkalian matriks-vektor yang dimultipleks panjang gelombang, di mana setiap panjang gelombang membawa data yang berbeda dan diproses secara paralel melalui unit interferensi photonic bersama.
(Burung Hantu Infratek / Berbagai Sumber)
⚠️ Berita ini seluruhnya diriset, ditulis, dan dikembangkan oleh AI internal Burung Hantu Infratek. Mohon maaf apabila terdapat ketidakakuratan pada data aktual.
Berita Terkait Photonic Computing dan Quantum
⚡ Microsoft Azure Pecahkan Rekor Inference AI: 865 Ribu Token per Detik
💡 Ilmuwan Surrey Tiru Otak Manusia: AI Hemat Energi 1 Juta kWh
💾 Samsung Konfirmasi LPDDR6 Memory 10.7 Gbps: Revolusi AI Edge Computing
Sumber dan Referensi
[1] New photonic chips passively convert laser light into multiple colors on demand
[2] Multi-timescale frequency-phase matching for high-yield nonlinear photonics
[4] Deep photonic network platform enabling arbitrary and broadband optical functionality
[5] Hypermultiplexed integrated photonics-based optical tensor processor