[論文レビュー] Continuous-wave second-harmonic generation in the far-UVC pumped by a blue laser diode

Eric J. Stanton, Peter Tønning+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、低コストの青レーザーダイオードをポンプ源として用い、ナノフォトニクス波ガイド内で二次高調波発生（SHG）を用いて202.5 nmのコンactな連続波far-UVCレーザー源を実現した。ボンデッド窒化ケイ素（SiN）波ガイドとβボレートナトリウム（BBO）結晶を用いたチェレンコフ位相一致により、効率的な周波数変換が達成され、測定されたfar-UVC出力強度は0.17 µW/cm²に達した。本システムは、人間にとって安全な消毒やUV分光法への応用が可能なスケーラブルな固体状態プラットフォームを示している。

ABSTRACT

Far-UVC light in the wavelength range of 200-230 nm has attracted renewed interest because of its safety for human exposure and effectiveness in inactivating pathogens. Here we present a compact solid-state far-UVC laser source based on second-harmonic generation (SHG) using a low-cost commercially-available blue laser diode pump. Leveraging the high intensity of light in a nanophotonic waveguide and heterogeneous integration, our approach achieves Cherenkov phase-matching across a bonded interface consisting of a silicon nitride (SiN) waveguide and a beta barium borate (BBO) nonlinear crystal. Through systematic investigations of waveguide dimensions and pump power, we analyze the dependencies of Cherenkov emission angle, conversion efficiency, and output power. Experimental results confirm the feasibility of generating far-UVC, paving the way for mass production in a compact form factor. This solid-state far-UVC laser source shows significant potential for applications in human-safe disinfection, non-line-of-sight free-space communication, and deep-UV Raman spectroscopy.

研究の動機と目的

• 人間への露出に耐えうるコンパクトで連続波のfar-UVCレーザー源の開発を目的とする。
• 大型で高消費電力であり、高電圧駆動を要する既存のKrCl準分子ランプの限界を克服することを目的とする。
• 商業的に入手可能な青レーザーダイオードと統合ナノフォトニクス波ガイドを用いて、効率的でスケーラブルかつ低コストなfar-UVC発生を実現することを目的とする。
• 高効率な二次高調波発生のため、異種材料で構成されるSiN-BBO波ガイド構造におけるチェレンコフ位相一致を実証することを目的とする。

提案手法

• 二次高調波発生（SHG）は、シリコン窒化物（SiN）コアとボンデッドされた非線形性を示すβボレートナトリウム（BBO）結晶で構成されるハイブリッド波ガイドで実施された。
• ボンデッドSiN-BBO界面を介してチェレンコフ位相一致が達成され、445 nmから202.5 nmへの効率的な周波数変換が可能となった。
• 445-nm連続波青レーザーダイオードをポンプ源として用い、ファイバーを介して波ガイドに結合して励起を行った。
• 波ガイドの幾何形状は、コア幅と厚さを変化させることで系統的に最適化され、BBO結晶とのモード重ね合わせを最大化し、変換効率を向上させた。
• far-UVC出力は、UV感受性の高い写真発光検出器と光分光計を用いて特性評価され、1次元のゴニオメータを用いて角度依存性が測定された。
• 強力な青ポンプ散乱光を効果的に抑制するため、高効率なUV反射性を示すPTFEプロジェクションスクリーンと220-nm帯域パスフィルタを用いた。

Figure 1: a , Schematic of chip-to-chip edge coupling concept between a laser diode and the frequency converter showing the far-UVC generated at an angle above the waveguide core. b , Waveguide cross-section schematic showing the BBO nonlinear crystal bonded to the SiN waveguide core of width $w$ an

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストの青レーザーダイオードポンプを用いたコンパクトで統合型波ガイドプラットフォームにおいて、連続波の二次高調波発生を効率的に実現できるか？
• RQ2 基本モードとBBO非線形結晶との重ね合わせを最大化するための最適な波ガイド幾何形状（幅と厚さ）は何か？
• RQ3 チェレンコフ放射の放出角度と出力パワーは、ポンプパワーと波ガイド寸法にどのように依存するか？
• RQ4 強力な青ポンプレーザーからの背景光が支配的であるにもかかわらず、202.5 nmのfar-UVC光を信頼性高く検出・特性評価できるか？
• RQ5 異種統合によるSiNとBBOを用いた固体状態で、チップスケールのfar-UVC光源として達成可能な変換効率と出力パワーは何か？

主な発見

• 445-nm青レーザーダイオードポンプを用いたSiN-BBO波ガイド内での二次高調波発生により、202.5 nmのfar-UVC光が成功裏に生成された。
• 出力端での測定されたfar-UVC強度は0.17 µW/cm²と推定され、遠方パターンにおける局所的放射照度に対応した。
• ボンデッドSiN-BBO界面を介したチェレンコフ位相一致が実現され、BBO結晶と顕著なエバネッセント場の重ね合わせを示すことで、効率的な周波数変換が可能となった。
• 波ガイド設計により、SiNコア内でのモード閉じ込め率が58%に達し、BBOとのエバネッセント場重ね合わせ率が26%に達した。これにより、非線形相互作用が強化された。
• 高感度な写真発光検出器を用いてfar-UVC信号が検出された一方、分光計により校正済みの強度測定が行われ、202.5 nmでのUV放射の存在が確認された。
• PTFEプロジェクションスクリーンと220-nm帯域パスフィルタの併用により、青ポンプ光の効果的抑制が達成され、far-UVC放射パターンの明確なイメージングが可能となった。

Figure 2: a , Cherenkov angle simulated for the BBO/SiN hybrid waveguide for various thicknesses and widths of the SiN waveguide core. b , Cherenkov nonlinear coupling parameter in a BBO/SiN waveguide as a function of the SiN core height and width. c , Trends of the signal power with waveguide width