Fotonik Silikon: Revolusi Pemanduan Data Berasaskan Cahaya

Oleh: Dilla Duryha Berhanuddin, PhD
Felo Penyelidik,
Institut Kejuruteraan Mikro & Nanoelektronik (IMEN)

Seperti diketahui umum, silikon ialah bahan asas utama dan mendominasi industri elektronik atau Semikonduktor Logam Oksida Pelengkap (CMOS) yang berjumlah beratus billion dolar. Teknologi silikon menjadi penggerak utama dalam penghasilan peranti semikonduktor seperti pembangunan dan fabrikasi litar bersepadu (IC). Antara kelebihan silikon berbanding semikonduktor lain ialah suhu operasi dan mobiliti yang tinggi. Pelaburan besar telah dibuat untuk mengkaji pelbagai aspek di dalam bidang peranti berasaskan silikon sejak beberapa dekad yang lalu dan telah berjaya mewujudkan ekosistem industri yang matang, proses penghasilan yang mampan dengan kos yang rendah untuk penghasilan produk denga kuantiti yang banyak.

Fotonik silikon ialah teknologi integrasi elektronik dan optik berasaskan pelantar silikon. Ia merupakan bidang yang memanipulasi cahaya dari silikon melibatkan penjanaan, penghalaan, modulasi dan pengesanan cahaya. Kesemua fungsi ini akan diintegrasi melalui peranti optik yang sesuai di atas pelantar silikon untuk menghasilkan litar bersepadu fotonik (PIC) seperti dalam Rajah 1, yang boleh dibandingkan atau mempunyai persamaan dengan litar bersepadu elektronik (IC) dalam teknologi CMOS. Teknologi Fotonik Silikon telah mendapat perhatian dunia dengan pelaburan komersial yang kini mencecah billion dolar. Motivasi di sebalik pembangunan pesat fotonik silikon ialah industri dan pengetahuan tentang  fabrikasi silikon yang telah matang akan dapat digunakan di dalam teknologi fotonik silikon untuk penghasilan sistem integrasi fotonik yang mendapat manfaat yang sama seperti kos yang rendah dengan hasil pada skala yang besar. Teknologi ini juga adalah jawapan kepada isu global iaitu permintaan jalur lebar yang sentiasa meningkat.  Kadar data yang semakin meningkat dari 100 Gps ke Tbs memerlukan elektronik integrasi untuk mengurangkan penggunaan kuasa pada aras sistem dan juga aras peranti yang menghubungkan antara transmiter, pemodulat dan fotopengesan.

Antara aplikasi penting teknologi ini ialah dalam bidang peranti pancar-terima, pengkomputeran berprestasi tinggi dan di dalam Sistem Pengesan dan Penjulatan Cahaya (LIDAR). Sebagai contoh, peranti pancar-terima berasaskan silikon mempunyai aplikasi yang penting di pusat data, dalam teknologi 5G, sebagai biosensor dalam bidang kesihatan dan untuk perjalanan data jarak jauh (Yole Développement, 2020).

Penyelidikan dalam bidang fotonik silikon telah dimulakan pada tahun 80an dengan mengintegrasi simpangan PN bersama struktur pandu gelombang untuk menghasilkan fasa pemodulat sebagai blok terawal untuk PIC berasaskan silikon (Soref & Bennett, 1987). Sejak daripada itu, banyak penyelidikan dibuat untuk menghasilkan peranti fotonik yang berasaskan silikon. Pembangunan wafer silikon-atas-penebat (SOI) telah merancakkan lagi penyelidikan dengan penghasilan pandu gelombang yang berkualiti tinggi. Wafer berasaskan SOI membolehkan pengurungan cahaya dengan kehilangan yang minimum. Hasilnya, komponen-komponen seperti pengganding dwiarah, resonator cincin mikro (MRR) dan juga pemodulat Mach-Zender yang berkelajuan tinggi. Foto pengesan berasaskan silikon yang efisyen juga telah berjaya difabrikasi dan dikomersialkan. Sehubungan dengan itu, penghasilan cip PIC berasaskan silikon adalah semakin menjadi kenyataan kecuali pembangunan pemancar cahaya atau laser dari silikon.

Masalah utama silikon adalah kerana sifat celah jalur tidak langsung seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 menyebabkan kebarangkalian untuk penggabungan semula menyinar adalah terlalu rendah dan masa hayat sinaran dari e-h menjadi panjang. Laluan penggabungan semula tidak menyinar yang lebih cepat akan mendominasi di dalam bahan silikon. Ini menjelaskan mengapa silikon ialah pemancar cahaya yang lemah dan tidak dapat bersaing dengan pemancar cahaya semikonduktor terutamanya dari kumpulan III-V seperti GaAs yang mempunyai jalur lebar langsung (Shi et al., 2023).

Walau bagaimanapun, kebarangkalian sinaran dari silikon dapat diperbaiki dengan mengurangkan atau menghalang penggabungan semula berlaku melalui laluan tidak menyinar. Terdapat dua pendekatan yang dapat diaplikasikan untuk mengatasi masalah ini, iaitu melalui integrasi laser dari bahan lain ke atas cip silikon melalui pempakejan, atau pembangunan laser dari bahan silikon itu sendiri. Penyelesaian optimum adalah dengan mengimplementasi pemancar optik dari silikon sendiri yang akan memperluaskan lagi skop teknologi CMOS.

Penyelidikan untuk menghasilkan pemancar cahaya dari silikon sedang giat dijalankan dengan pelbagai teknik diperkenalkan. Pemancar cahaya yang praktikal perlu memenuhi ciri-ciri seperti boleh beroperasi pada suhu bilik, pam untuk pancaran dirangsang meggunakan tenaga elektrik, mempunyai sifat gandaan optikal untuk fabrikasi laser dan panjang gelombang cahaya pada julat yang bersesuaian seperti dalam aplikasi telekomunikasi.  Antara teknik-teknik yang mempunyai potensi tinggi ialah eksploitasi titik-kecacatan yang bersinar, implementasi pengurungan kuantum dengan penggunaan kristal fotonik atau kristal silikon bersaiz nano, teknologi kejuruteraan terikan dan juga manipulasi kesan tak linear penyerakan Raman. Fabrikasi laser silikon yang pertama telah dilaporkan menggunakan teknik Raman, tetapi penggunaan teknik ini tidak dapat dipam secara elektrikal, dan hanya bergantung kepada pam optikal yang tidak bersesuaian untuk integrasi keseluruhan dalam cip fotonik silikon (Ferrara & Sirleto, 2020).

Titik kecacatan yang bersinar seperti Pusat G dalam Rajah 3 boleh dihasilkan di dalam struktur silikon dengan bantuan irradiasi dari proton, gama atau elektron (Shainline & Xu, 2007). Teknik ini menghasilkan titik kecacatan yang menyumbang kepada aras tenaga baru di antara jurang jalur silikon. Ini akan memberi laluan baru untuk penggabungan semula elektron dan lubang yang akan meningkatkan kebarangkalian penghasilan foton, sekaligus menghasilkan cahaya dari silikon. Teknik ini juga telah berjaya menghasilkan cahaya pada panjang gelombang inframerah telekomunikasi optik pada jalur O, E dan L. Pancaran cahaya pada panjang gelombang telekomunikasi optik adalah syarat utama untuk menjayakan integrasi hibrid komputer dan penyampaian data internet yang berasaskan teknologi cahaya pada masa hadapan. Akan tetapi, teknik ini mempunyai kelemahan di mana cahaya yang dijana tidak dapat dikesan pada suhu bilik. Teknologi kejuruteraan terikan berjaya menghasilkan pancaran pada suhu bilik, tetapi lebar garis terlalu besar yang menyebabkan ia tidak dapat difabrikasi kepada peranti laser.

Pendekatan yang  terbaik pada masa ini ialah dengan menggabungkan beberapa teknik untuk menghasilkan peranti cahaya yang efisyen. Kumpulan penyelidikan dari Insitut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN), Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) yang diketuai oleh Dr. Dilla Duryha Berhanuddin telah melakukan penyelidikan untuk membangunkan peranti cahaya berasaskan silikon menggunakan gabungan beberapa teknik seperti teknik kecacatan cahaya, kejuruteraan terikan dan pengurungan kuantum. Fabrikasi dan pencirian optikal  dilakukan menggunakan fasiliti di IMEN dan institusi-insitusi antarabangsa yang diiktiraf. Pencirian fotoluminesen (PL) seperti Rajah 4 yang terdapat di IMEN adalah instrumentasi pencirian optikal yang penting untuk membuktikan pancaran cahaya pada panjang gelombang yang bersesuaian. Pencirian juga boleh dilakukan bermula pada suhu kriogenik sehingga suhu bilik.

Fotonik silikon sedang mengalami pembangunan yang pesat dengan pengumpilan dari teknologi silikon atau CMOS yang sudah matang. Penghasilan produk komersial juga telah berjaya dihasilkan walaupun pada kuantiti dan skala yang rendah. Dengan usaha penyelidikan yang berterusan, fotonik silikon dijangka untuk merevolusi pasaran telekomunikasi, litar bersepadu dan juga alat pancar-terima untuk penghantaran data. Teknologi ini juga menjadi teras penyelidikan yang sangat memberangsangkan untuk pengkomputeran kuantum dan kecerdasan buatan. Pembangunan dalam bidang ini membuktikan silikon masih lagi menjadi teras bukan sahaja dalam bidang elektronik, tetapi juga fotonik.

RUJUKAN

Ferrara, M. A., & Sirleto, L. (2020). Integrated Raman Laser: A Review of the Last Two Decades. Micromachines, 11(3), 330. https://doi.org/10.3390/mi11030330

Liang, D., & Bowers, J. E. (2010). Recent progress in lasers on silicon. Nature Photonics, 4(8). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.167

Shainline, J. M., & Xu, J. (2007). Silicon as an emissive optical medium. In Laser and Photonics Reviews (Vol. 1, Issue 4). https://doi.org/10.1002/lpor.200710021

Shi, W., Zou, C., Cao, Y., & Liu, J. (2023). The Progress and Trend of Heterogeneous Integration Silicon/III-V Semiconductor Optical Amplifiers. In Photonics (Vol. 10, Issue 2). https://doi.org/10.3390/photonics10020161

Siew, S. Y., Li, B., Gao, F., Zheng, H. Y., Zhang, W., Guo, P., Xie, S. W., Song, A., Dong, B., Luo, L. W., Li, C., Luo, X., & Lo, G. Q. (2021). Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development. In Journal of Lightwave Technology (Vol. 39, Issue 13). https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3066203

Soref, R. A., & Bennett, B. R. (1987). Electrooptical effects in silicon. In IEEE Journal of Quantum Electronics (Vol. 23, Issue 1). https://doi.org/10.1109/JQE.1987.1073206

Yole Développement. (2020). Silicon Photonics Market & Technology 2020 report.