#氮化铝倍频器件 #氮化铝光波导 #紫外倍频器件
划重点：蓝宝石氮化铝外延片
摘要
传染病给社会带来了巨大的健康和经济负担，因此需要新的应对方法。使用远紫外C波段光（波长<230 nm）进行消毒提供了一种既能有效杀灭病原体又对人体暴露安全的解决方案，但目前尚无商用的低成本固态远紫外C波段光源。本文报道了基于氮化铝（AlN）波导的高效、低成本、全固态远紫外C波段光引擎的开发进展。我们利用非线性频率转换，特别是二次谐波产生（SHG），将成熟的蓝色激光二极管的泵浦光转换为远紫外C波段光。我们介绍了利用MOCVD外延生长和光刻技术实现高质量波导的AlN光子学平台的设计与制造过程。我们展示了在UVC波段（214 nm至232 nm）的宽带频率转换能力。此外，我们首次在混合光学封装中实现了商用二极管激光器与AlN倍频转换器的集成。实验结果表明，通过工艺优化，信号产生呈现指数级提升，这是我们朝着将该平台扩展至广泛消毒应用所迈出的第一步。
关键词： 远紫外C波段，氮化铝，二次谐波产生，集成光子学，波导，MOCVD，消毒，非线性光学
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1. 引言
传染病持续对全球健康构成威胁。虽然传统抗生素和疫苗至关重要，但耐药性的增加和新病毒株的出现凸显了寻求替代性防控策略的必要性[1]。紫外线（UV）是一种公认的消毒剂。然而，传统的杀菌紫外线（λ>240 nm）对人体皮肤和眼睛有害。近期研究表明，光谱中一个特定波段——远紫外C波段光（λ<230 nm）——在保持对病原体高效杀灭能力的同时，对人体暴露是安全的[1,2]。其安全机制基于长度尺度：包括皮肤在内的生物材料在此波长下具有高光学吸收性。因此，角质层（由死皮细胞构成的人体皮肤外层）会在远紫外C波段光到达活细胞之前将其吸收[1,2]。相比之下，病原体没有保护性细胞，因此会被同一波长的光灭活。
目前产生远紫外C波段光的技术十分有限。基于气相原子跃迁的灯（例如KrCl准分子灯）是唯一商业化的实用选择，但它们价格昂贵，外形尺寸大，需要高电压，且插头效率低于1%。固态材料（如LED）的直接发射面临重大的材料科学挑战，发射的光谱带宽过宽，并且迄今为止，在低于250 nm的波长下效率极低[3]。
第三种方法基于非线性频率转换，是本研究工作的重点。利用成熟、大规模生产的蓝色激光二极管，我们可以通过固态平台中的二次谐波产生（SHG）来生成远紫外C波段光。这种方法为产生远紫外C波段光提供了一种可扩展、紧凑且稳健的解决方案。
2. 方法论与材料选择
2.1 用于二次谐波产生的模式相位匹配
二次谐波产生依赖于材料的非线性响应，将两个频率为ω的泵浦光子的能量合成为一个频率为2ω的光子。在存在光损耗的波导中，单波长（ω → 2ω）转换后的二次谐波（SH）功率表达式为：
其中：
- P0 是泵浦功率，
- dxx 是材料在特定偏振态下的非线性响应，
- ξ^2 是频率为 ω 和 2ω 的光波之间空间重叠因子的平方，
- L 是非线性相互作用长度（两光波的重叠长度），
- Awg 是波导的横截面积，
- αSH 是二次谐波波长处的光学损耗，
- Δα = αSH/2 – α0 表示二次谐波损耗（αSH）与泵浦光损耗（α0）之差，
- Δk = kSH - 2k0 表示频率为 ω 和 2ω 的光波之间的相位失配量。
在缺乏相位匹配（Δk=0）的情况下，二次谐波光子会发生相位失谐，从而阻止信号累积[4]。这一行为由上述等式右边的 sin²(ΔkL/2)/(ΔkL/2) 因子所描述。虽然双折射相位匹配和准相位匹配等技术在自由空间光学中很常见，但集成光子学对波导的使用使得模式相位匹配成为可能。在波导中，导模的有效折射率由几何尺寸（宽度和高度）决定。因此，通过精心设计几何结构，我们可以将基模（频率为 ω）的有效折射率与高阶模（频率为 2ω）的有效折射率相匹配，从而实现相位匹配并实现高效的能量转换。我们的设计利用了泵浦光的 TM00 模式与二次谐波频率下的 TM40 或 TM04 模式之间的模式相位匹配。
2.2 氮化铝（AlN）材料体系
过去十年来，大量研究证实了氮化铝集成光子学的有益特性[5-11]。氮化铝（AlN）被选为该平台的非线性材料，是因为它具有几个有利特性：（1）透明性：宽的带隙（6.2 eV）确保了低至近200 nm的透明性，覆盖了整个远紫外C波段窗口。（2）折射率：高折射率（n ~ 2.2）允许实现紧凑的模式限制和高光强。（3）非线性：二阶非线性系数（d33 ~ 4.3 pm/V）相对较强，在此波段范围内的透明晶体中仅次于BBO。此外，掺钪可以将该系数提高一个数量级以上[12]。（4）可扩展性：与更常见的非线性晶体（如BBO、KDP、LBO等）不同，AlN与标准的III-N半导体制造基础设施兼容。这意味着不仅能够制造波导，而且整个工艺可以在晶圆级完成，并容易移植到现有的大规模代工厂，从而实现低成本、快速可扩展的大批量制造。
3. 制造工艺
我们利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上生长高质量的单晶氮化铝薄膜。与通常为多晶且损耗较大的溅射薄膜相比，MOCVD提供的是单晶薄膜，使得波导内的晶体取向恒定，从而使非线性相互作用更加高效。根据Metricon棱镜耦合方法的测量，我们发现我们的AlN薄膜在447 nm波长处的本征损耗约为2.7 dB/cm。这部分损耗是由表面粗糙度引起的，通过原子力显微镜测量，其均方根粗糙度约为0.5 nm。
图1 – 蓝宝石上氮化铝波导的制造工艺流程
如图1所示，蓝宝石上的氮化铝波导的制造步骤如下：
1. 沉积氧化物硬掩模。
2. 电子束光刻定义波导图形。
3. 通过刻蚀将图形转移到硬掩模上。
4. 干法刻蚀氮化铝薄膜以定义波导。
5. 去除硬掩模并沉积二氧化硅包层。
4. 结果
4.1 宽带远紫外C波段产生
我们已成功在氮化铝波导中，使用钛蓝宝石、分布式反馈（DFB）和法布里-珀罗二极管激光源，在蓝光泵浦波长范围内演示了二次谐波产生（SHG）。通过改变波导尺寸以满足相位匹配条件，我们产生了覆盖214 nm至233 nm波段的远紫外C波段光。这些结果（如图2所示）代表了目前在氮化铝波导中通过SHG产生的最短波长报道。
图2 – 为217nm至232nm波长范围设计的波导的远紫外C波段发射光谱（黑色曲线）
4.2 模式识别
我们最初针对远紫外C波段SHG的波导几何结构（宽度和厚度在300至400 nm之间）支持两种可能提供远紫外C波段相位匹配的不同模式：TM04和TM40。在这两种选择中，TM04模式更受青睐，因为我们预期它与侧壁粗糙度的相互作用较小，并且能在泵浦损耗可能更低的较宽几何结构中实现相位匹配。此外，如Honda等人所述，TM04模式更适合诸如极性反转等效率增强技术[13]。
图3 – 最佳二次谐波产生波长对波导宽度依赖关系的模拟（红色、黄色）与测量（蓝色）结果
为了验证实际工作的模式，我们分析了最佳SHG波长对波导几何结构的依赖关系。TM04模式对波导厚度高度敏感，但对波导宽度不敏感；相比之下，TM40模式的相位匹配波长对宽度高度敏感。这种宽度依赖性的差异为我们验证波导实际利用的是TM04模式提供了基础。这一点由图3说明，该图显示了来自五十多个波导（宽度从280 nm到480 nm不等）的实验数据，表明在整个宽度范围内，最佳SHG波长几乎没有变化。如红线所示，这种行为与TM04模式一致。
4.3 性能提升与原型制作
在过去半年完成的四代器件制造中，我们观察到SHG信号强度呈指数级增长，如图4所示。
图4 – 四代制造工艺中二次谐波产生效率与功率输出的相对提升
我们将这些增益归因于（1）优化的波导几何结构，（2）改进的端面质量以实现更好的输入耦合，以及（3）通过工艺优化降低的传播损耗。图5中的SEM显微照片显示了波导改进的情况。第一张图像来自第二轮运行（Run 2）的样品，而第二张SEM图像来自我们最新加工批次生产的样品。
图5 – 两批次不同加工工艺生产的波导的SEM图像。注意右侧图像的比例尺放大了5倍。
在器件层面改进的基础上，我们将氮化铝波导集成到了单个封装中，如图6所示。这个小巧的原型（2 x 5 x 7 cm）使用微光学元件将商用二极管激光器的光高效耦合到AlN波导芯片中进行SHG转换。
图6 – 具有远紫外C波段发射功能的二次谐波产生原型封装照片：(a) 展示了内部微光学元件的工作状态，蓝色激光二极管与氮化铝芯片耦合以进行二次谐波产生；(b) 展示了盖上盖子的封装。(c) 右下角显示了（滤波后的）发射光谱。
产生的远紫外C波段光从AlN芯片出射，并由高数值孔径透镜收集。使用衍射光栅将发射的远紫外C波段光与残余的蓝光泵浦光分离，实现了超过我们实验台上观察到的SHG水平。
5. 未来机遇
短期内，进一步提高我们AlN平台的SHG转换效率仍有巨大潜力，包括：
● 波导损耗降低：近期有机会将我们波导的蓝光传播损耗（包括本征损耗和散射损耗）降低至<4 dB/cm，与最佳水平的结果一致[7-11]。
● 极性反转：AlN的极性反转可以显著增加泵浦光模式与二次谐波模式之间的重叠积分[13]，从而大幅提高SHG转换效率。
● 材料增强：钪（Sc）掺杂AlN可以将其压电和非线性系数提高至多12倍，这可以解锁进一步的效率提升[12]。
● 异质集成：Uviquity的中期路线图寻求将GaN激光器直接集成到单个芯片的AlN平台上。这不仅会降低单通SHG设计的耦合损耗，还为实现可能获得更高泵浦强度的腔内设计开辟了可能性。
6. 结论
我们开发了一种低损耗、集成的蓝宝石上氮化铝光子学平台，能够产生对人体安全的远紫外C波段光。我们展示了覆盖远紫外C波段（从214 nm到232 nm）的频率转换结果。通过迭代工艺改进，我们实现了数量级的性能提升，并成功将该技术集成到一个紧凑的混合封装中。这些结果验证了非线性AlN波导作为下一代消毒技术可扩展解决方案的可行性。
文章名：Aluminum nitride integrated photonics for far-UVC second harmonic generation: recent advances and future outlook
作者：Brent Fishera ♰, John Carlsona, Wei Jianga, Konrad Zieglera, Perry Wanga, Jacob Davisa, Jim Cartera, Tinh Trana, Scott Burroughsa
单位: Uviquity Inc, 1017 Main Campus Drive, Suite 2300, Raleigh, NC, 27606, United States
