Para ilmuwan berhasil mengembangkan teknologi chip fotonik baru yang mampu memindai berkas cahaya langsung dari permukaan chip ke ruang bebas dengan kecepatan sangat tinggi. Inovasi ini berpotensi membuka jalan bagi generasi baru sistem LiDAR, tampilan augmented reality, robotika, hingga komputasi kuantum.
Penelitian yang dipublikasikan di jurnal Nature memperkenalkan perangkat bernama photonic ski-jump, sebuah struktur nanoskopik yang memungkinkan cahaya dari sirkuit fotonik di dalam chip diproyeksikan ke dunia luar dengan presisi tinggi. Teknologi ini dirancang untuk mengatasi keterbatasan utama pada sistem pemindaian cahaya konvensional.
Dalam sistem digital modern, sebagian besar data diproses melalui komponen elektronik dan optik di dalam chip. Namun interaksi dengan dunia nyata tetap bergantung pada cahaya yang bergerak di ruang bebas. Proses menghubungkan kedua dunia ini selama ini menjadi tantangan besar karena perangkat yang ada sulit menggabungkan kualitas sinar tinggi dengan kemampuan integrasi skala besar di dalam chip.
Teknologi yang umum digunakan saat ini memiliki kompromi mendasar. Beberapa pendekatan seperti optical phased array dapat diskalakan di dalam chip, tetapi kualitas berkas cahayanya kurang optimal. Sebaliknya, sistem berbasis cermin mikro atau pemindai mekanis mampu menghasilkan berkas cahaya berkualitas tinggi, tetapi sulit diintegrasikan dalam jumlah besar di sirkuit fotonik.
Photonic ski-jump dirancang untuk mengatasi dilema tersebut. Perangkat ini menggunakan waveguide atau jalur cahaya berukuran nanoskopik yang dipasang pada kantilever piezoelektrik sangat kecil. Struktur tersebut melengkung keluar dari permukaan chip seperti papan loncat ski mini, sehingga cahaya dapat dipancarkan ke arah vertikal dan kemudian dipindai ke berbagai arah.
Ukuran perangkat ini sangat kecil, dengan luas kurang dari 0,1 milimeter persegi. Meski begitu, ia mampu menghasilkan berkas cahaya berdiameter submikrometer dengan kualitas hampir mencapai batas difraksi, standar tertinggi dalam sistem optik.
Keunggulan lainnya adalah kecepatan pemindaian yang jauh melampaui teknologi sebelumnya. Dalam pengujian, perangkat ini mampu mencapai laju pemindaian sekitar 68,6 juta titik cahaya per detik per milimeter persegi. Angka tersebut lebih dari 50 kali lebih cepat dibandingkan sistem pemindai berbasis micro-electro-mechanical systems atau MEMS yang saat ini banyak digunakan.
Dengan performa tersebut, sebuah sistem berukuran sekitar 1,5 milimeter dapat menghasilkan hingga satu juta piksel dengan refresh rate sekitar 100 hertz. Kapasitas ini cukup untuk menampilkan gambar atau video secara real-time menggunakan pemindaian cahaya langsung dari chip.
Para peneliti juga berhasil mendemonstrasikan proyeksi gambar berwarna serta video menggunakan perangkat ini. Selain itu, teknologi tersebut mampu mengendalikan sumber foton tunggal dari pusat cacat silikon dalam kristal berlian, yang merupakan komponen penting dalam pengembangan komputer kuantum.
Kemampuan tersebut menunjukkan bahwa perangkat ini tidak hanya berguna untuk sistem tampilan atau sensor optik, tetapi juga dapat memainkan peran dalam teknologi kuantum. Dalam komputasi kuantum berbasis foton, kontrol cahaya yang presisi sangat penting untuk menginisialisasi dan membaca keadaan qubit.
Keunggulan lain dari photonic ski-jump adalah kompatibilitasnya dengan proses manufaktur CMOS yang digunakan dalam industri semikonduktor. Artinya, perangkat ini dapat diproduksi dalam jumlah besar menggunakan fasilitas fabrikasi chip yang sudah ada.
Para peneliti juga menunjukkan bahwa puluhan perangkat dapat dibuat dalam satu chip dengan konsistensi tinggi. Dalam eksperimen, sebuah array berisi 64 perangkat menunjukkan variasi struktur yang sangat kecil, menandakan potensi produksi massal.
Jika teknologi ini terus dikembangkan, sistem yang lebih besar dapat menghasilkan mesin cahaya dengan resolusi sangat tinggi. Para peneliti memperkirakan bahwa array skala sentimeter dapat menghasilkan lebih dari satu miliar titik cahaya dengan refresh rate ribuan kali per detik.
Potensi penerapannya sangat luas. Teknologi ini dapat meningkatkan kemampuan LiDAR pada kendaraan otonom, menciptakan tampilan augmented reality yang lebih ringkas, mempercepat pemindaian biomedis, hingga memungkinkan mesin cerdas berinteraksi lebih efisien dengan lingkungan.
Dengan menghadirkan jembatan langsung antara sirkuit fotonik di dalam chip dan dunia optik di luar chip, teknologi ini berpotensi menjadi fondasi baru bagi sistem sensor, komunikasi, dan komputasi berbasis cahaya di masa depan.