Teknologi Laser Kuantum Mini Percepat Transformasi Industri Inovasi laser kuantum mini dari proyek HiPEQ membuka peluang besar bagi industri Indonesia dalam otomasi, semikonduktor, manufaktur presisi, dan teknologi fotonik. Bagaimama memanfaatkan temuan ini bagi pelaku industri di Indonesia?
Penulis/editor: Rayendra L Toruan
TechnoMachinews.id – Fraunhofer ILT (sumber): Bagaimana proses laser untuk sumber berkas yang kuat dan miniatur untuk teknologi kuantum?
Keberhasilan proyek HiPEQ dalam menghadirkan sumber laser kuantum mini berbasis photonic integrated circuits (PIC) diproyeksikan menjadi katalis penting bagi transformasi industri teknologi tinggi global.
Dengan sistem yang lebih kecil, stabil, dan efisien, teknologi ini berpotensi mempercepat pengembangan manufaktur presisi, sensor kuantum, komunikasi optik, hingga industri semikonduktor generasi berikutnya.
Bagi industri Indonesia, perkembangan ini menghadirkan momentum strategis untuk memperkuat ekosistem teknologi berbasis fotonik dan quantum engineering.
Miniaturisasi laser dengan tingkat presisi mikrometer memungkinkan peningkatan efisiensi produksi sekaligus mengurangi kompleksitas integrasi perangkat industri.
Teknologi isolator Faraday berbasis kristal Tb₂O₃ yang dikembangkan dalam proyek HiPEQ juga membuka peluang baru untuk pengembangan sistem laser berdaya tinggi dengan stabilitas lebih baik.
Dalam konteks industri nasional, solusi tersebut relevan untuk sektor manufaktur elektronik, perangkat medis, otomasi industri, pertahanan, hingga pengembangan pusat riset semikonduktor domestik.
Selain itu, pendekatan monolithic packaging berbasis Selective Laser Etching (SLE) menunjukkan arah baru dalam efisiensi proses produksi optik presisi.
Pendekatan monolithic packaging berbasis SLE berarti metode membuat dan mengemas komponen fotonik/optik menjadi satu kesatuan terpadu menggunakan teknologi SLE.
Sistem yang sebelumnya membutuhkan penyelarasan manual kini dapat diproduksi dengan akurasi tinggi dan potensi otomasi yang lebih besar. Hal ini menjadi faktor penting untuk menekan biaya produksi dan meningkatkan skalabilitas industri fotonik.
Kompak, kuat, dan fleksibel dalam penggunaannya
Sistem laser didasarkan pada sirkuit terpadu fotonik Photonic Integrated Circuits (PICs), serat optik, kopling serat, dan isolator optik yang melindungi pantulan balik radiasi ke laser.
Sedangkan Photonic Integrated Circuits (PICs) adalah sirkuit terpadu fotonik—chip yang menggunakan cahaya (foton) untuk membawa dan memproses informasi, bukan hanya aliran listrik seperti pada chip elektronik biasa.
Komponen kunci ini didasarkan pada kristal khusus yang menunjukkan efek Faraday magneto-optik—perubahan arah polarisasi cahaya akibat medan magnet:
Ketika medan magnet diterapkan, bidang polarisasi gelombang cahaya insiden berputar di dalam kristal. Karena rotasi Faraday ini, cahaya yang dipantulkan—jika kembali sama sekali—hanya sangat teredam.
Dengan cara ini, isolator mencegah kerusakan dan memastikan bandwidth sempit laser yang sangat penting untuk aplikasi teknologi kuantum.
Sampai saat ini, isolator Faraday sebagian besar berbasis pada terbium gallium garnet (TGG), yang memiliki konstanta Verdet tinggi dalam cahaya tampak dan inframerah dekat; konstanta ini menunjukkan kekuatan efek Faraday.
“Isolator TGG biasanya berukuran sekitar 25 milimeter,” jelas Florian Rackerseder, manajer proyek milik Fraunhofer ILT.
Untuk miniaturisasi, kristal dengan konstanta Verdet yang lebih tinggi dibutuhkan, karena memberikan perisai dalam ukuran yang lebih kecil. Kristal untuk isolator Faraday ini ditumbuhkan dan diuji dalam proyek HiPEQ.
Material yang dipilih didasarkan pada terbium (III) oksida (Tb₂O₃), yang tidak terdapat secara alami. Ia memiliki konstanta Verdet tiga kali lebih tinggi daripada TGG dan sangat cocok untuk laser dalam rentang panjang gelombang biru, yang sebelumnya belum ada material yang sesuai.
“Menumbuhkan Tb₂O₃ monokristalin merupakan tantangan,” papar Florian Rackerseder menambahkan, “karena gradien suhu yang tepat harus dipertahankan selama transisi ke fase stabil pada suhu leleh di atas 2.500 °C.”
Ini merujuk pada transisi dari bahan awal keramik cair ke kristal Tb₂O₃. Laju pendinginan sangat penting untuk kualitas kristal:
Prosesnya sangat sensitif sehingga metode pertumbuhan kristal konvensional belum pernah berhasil menghasilkan Tb₂O₃ dalam ukuran dan kualitas yang dibutuhkan untuk isolator.
Untuk menstabilkan fase kubik tempat material tersebut tumbuh, dan sekaligus menyederhanakan proses pertumbuhan, digunakanlah doping bersama dengan lutesium oksida (Lu₂O₃).
Dalam proses zona mengambang optik berbasis laser, empat optik pemrosesan tersebut, yang dikembangkan oleh tim ahli, mengarahkan radiasi dari empat laser dioda, emasing-masing dengan daya optik maksimum 3 kW, ke batang nutrisi keramik dan melelehkannya menjadi kristal tunggal.
Optik tersebut memastikan kerapatan daya pemanasan yang seragam pada antarmuka antara keramik cair dan kristal.
Teknologi laser: kunci petumbuhan kristal dengan kemurnian tinggi
Dalam sub-proyek HiPEQ, SurfaceNet, Laserline, dan Fraunhofer ILT telah mengembangkan dan mengimplementasikan sistem baru di mana kristal isolator (Tb x Lu 1-x ) 2 O 3 ditumbuhkan menggunakan proses yang disebut zona mengambang optik berbasis laser (LOFZ).
Transisi dari keramik cair ke kristal terjadi di tepi zona mengambang, yang diarahkan oleh empat optik pemrosesan.
Optik ini memfokuskan radiasi dari empat laser dioda, masing-masing dengan daya optik maksimum 3 kW, ke batang nutrisi keramik dan melelehkannya menjadi kristal tunggal.
Penyinaran, yang dioptimalkan melalui simulasi dan menggunakan profil berkas trapesium yang sangat homogen, memastikan kerapatan daya pemanasan yang seragam di zona mengambang.
Distribusi intensitas pada fokus dapat disesuaikan melalui modifikasi jalur berkas.
“Geometri trapesium menawarkan keuntungan bahwa sebagian besar energi laser yang diterapkan melelehkan keramik, sementara sisanya mengatur suhu selama pembekuan untuk membentuk kristal,” ungkap Florian Rackerseder.
Dalam proses peleburan ulang kontinu dengan laju umpan konstan, kristal hanya boleh meninggalkan kisaran suhu di dekat titik leleh pada laju pendinginan yang ditentukan secara tepat.
Tim ahli mampu memenuhi persyaratan ini menggunakan proses LOFZ yang dikontrol secara presisi. “Untuk pertama kalinya, kami sekarang dapat memproduksi kristal isolator (Tb x Lu 1-x ) 2 O 3 dengan ukuran dan kualitas yang dibutuhkan,” demikian Florian Rackerseder.
Sistem terintegrasi penuh
Dalam sub-proyek lain, konsorsium HiPEQ mengintegrasikan kristal isolator baru ke dalam sumber berkas modular dan miniatur. Fraunhofer ILT juga memberikan kontribusi signifikan pada proyek ini.
Mereka merancang coupler fiber-chip yang dapat diadaptasi secara individual ke berbagai konfigurasi sistem dan memproduksinya dari kaca. Tim mencapai fleksibilitas dan presisi yang diperlukan menggunakan etsa selektif yang diinduksi laser (SLE):
Laser mengekspos mikrostruktur dalam kaca, yang kemudian dapat dietsa dengan tepat. Hal ini memungkinkan untuk membuat rongga berbentuk kompleks di dalam kaca.
Dalam proyek ini, kemampuan pembentukan individual dari proses SLE ini merupakan kunci untuk dapat memproduksi secara monolitik kedua sumber berkas dengan panjang gelombang 461 nm (biru) dan 637 nm (merah), meskipun keduanya mengandung komponen dengan dimensi yang berbeda.
Isolator Faraday diintegrasikan dengan presisi yang sama dengan antarmuka dari PIC ke serat optik, termasuk optik input dan output serta pemisah berkas, yang dapat dirancang secara fleksibel untuk diameter serat masing-masing.
Proses SLE memastikan pemasangan modul yang berbeda dari kedua demonstrator dengan akurasi mikrometer.
“Fakta bahwa material di sekitarnya memiliki koefisien ekspansi termal yang sama dengan komponen optik membuat coupler serat-chip lebih kuat terhadap fluktuasi suhu,” jelas Sandra Borzek, pertanggung jawab proyek Fraunhofer ILT.
Mengingat persyaratan presisi yang tinggi, tegangan yang dihasilkan dari perbedaan ekspansi material tidak dapat diterima. Dan ada kekuatan pendorong lain di balik pendekatan proyek ini.
“Hingga saat ini, sumber berkas laser untuk teknologi kuantum sebagian besar telah disesuaikan secara manual,” tutur Sandra Borzek.
Setiap komponen, dari optik hingga isolator dan pemisah berkas, hingga serat dengan diameter mikrometer satu digit, dimasukkan dan disejajarkan secara individual.
Tim Fraunhofer ILT mampu memproduksi modul pengemasan dengan presisi yang dibutuhkan menggunakan sistem SLE dari mitra proyek terkait, LightFab GmbH.
Tujuannya: Meminimalkan upaya penyesuaian dan perakitan.
Fotonika mencari solusi yang meminimalkan upaya perakitan dan penyesuaian serta sebagian besar mengotomatiskan presisi yang dibutuhkan. Modul pengemasan monolitik, yang diproduksi dalam satu proses SLE, hampir mencapai hal ini.
Idealnya, setelah diisi dengan komponen optik, modul ini berfungsi sebagai rakitan tetap yang dapat dihubungkan ke PIC menggunakan ikatan flip-chip.
Awalnya, tim SLE berencana untuk memproduksi optik untuk memasukkan dan mengeluarkan cahaya selama proses SLE dan memolesnya menggunakan laser. Namun, memoles lensa di dalam komponen terbukti tidak mungkin, dan permukaannya menjadi terlalu kasar setelah proses SLE.
“Oleh karena itu, kami mengembangkan berbagai solusi untuk menghilangkan artefak dan gelombang sisa pada permukaan. Ini membawa kami secara signifikan lebih dekat ke tujuan kami yaitu optik terintegrasi dan pemolesannya,” ungkap Sandra Borzek.
Tim memutuskan untuk memproduksi optik selama proses SLE tanpa koneksi tetap ke badan kaca monolitik. Ini memungkinkan optik untuk dilepas untuk dipoles dan kemudian dimasukkan kembali tepat di tempat mereka dilepas.
Selanjutnya HiPEQ menghasilkan pengetahuan untuk sumber radiasi masa depan.
Dengan keberhasilan pertumbuhan kristal isolator (Tb x Lu 1-x ) 2 O 3, strategi proses yang dioptimalkan untuk pembuatan optik berbasis SLE, dan integrasi langsung struktur kopling mikroskopis ke dalam wadah makroskopis, HiPEQ telah mencapai tonggak penting.
Konsorsium ini telah menghasilkan keahlian yang diperlukan untuk menerapkan desain sistem yang fleksibel dengan berbagai isolator dengan upaya perakitan dan penyelarasan yang jauh lebih sedikit.
“Berdasarkan hal ini, modul kemasan kaca untuk desain sistem fleksibel dapat diproduksi dengan presisi mikrometer dalam hitungan hari menggunakan proses SLE. Isolator Faraday baru merupakan teknologi kunci untuk miniaturisasi lebih lanjut,” jelas Sandra Borzek sependapat dengan rekannya Florian Rackerseder.
Dengan demikian, HiPEQ telah memberikan kontribusi penting terhadap kekokohan, fleksibilitas, dan pengurangan upaya penyelarasan laser untuk aplikasi teknologi kuantum.
Bagaimana sebaiknya sikap pelaku Industri Indonesia terhadap riset fotonik dan quantum technology? Industri nasional perlu membangun kolaborasi antaruniversitas, pusat riset, dan manufaktur untuk mempercepat transfer teknologi laser presisi tinggi.
Mendorong pengembangan supply chain semikonduktor lokal: Teknologi PIC dan integrasi optik berpotensi menjadi bagian penting dalam industri chip dan sensor masa depan yang bernilai tambah tinggi.
Mengadopsi otomasi presisi berbasis laser: Sektor manufaktur elektronik, otomotif, dan perangkat medis dapat mulai mengevaluasi integrasi teknologi laser mini untuk meningkatkan efisiensi produksi.
Membangun kompetensi SDM quantum engineering: Ketersediaan talenta menjadi faktor utama agar Indonesia tidak hanya menjadi pasar, tetapi juga pemain dalam rantai industri teknologi kuantum global.
Proyek HiPEQ menunjukkan bahwa miniaturisasi sumber laser kuantum telah memasuki fase implementasi industri yang nyata. Inovasi pada kristal isolator Faraday, teknologi LOFZ, serta integrasi optik berbasis SLE menjadi fondasi penting bagi generasi baru sistem fotonik berpresisi tinggi.
Bagi Indonesia, perkembangan ini bukan sekadar kemajuan teknologi global, tetapi peluang strategis untuk mempercepat transformasi industri menuju manufaktur cerdas dan ekonomi berbasis teknologi tinggi.
Pelaku industri yang mulai berinvestasi pada ekosistem fotonik dan quantum technology sejak dini berpotensi memperoleh posisi kompetitif dalam lanskap industri masa depan. #SalamSobatTechnoMachinews
