[논문 리뷰] Continuous-wave second-harmonic generation in the far-UVC pumped by a blue laser diode

Eric J. Stanton, Peter Tønning외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 08.

Photonic and Optical DevicesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저비용 블루 레이저 다이오드를 펌프로 사용하여 나노광학적 웨이브가이드에서의 제2차 하모닉 생성(SHG)을 통해 202.5 nm에서 연속파(far-UVC) 레이저 소스를 생성하는 컴팩트한 장치를 제시한다. 접합된 실리콘 nitride(SiN) 웨이브가이드와 베타 바륨 붕산염(BBO) 결정을 통해 츄렌코프 위상일치를 활용함으로써, 측정된 far-UVC 출력 강도 0.17 µW/cm²를 달성하여 인간에게 안전한 소독 및 자외선 스펙트로스코피 응용을 위한 확장 가능한 고체 상태 플랫폼을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 노출에 적합하고 실용적 구현이 가능한 컴팩트한 연속파 far-UVC 레이저 소스 개발
• 크리프클러스트럭스 excimer 램프의 한계를 극복하기 위해, 크고 전력 소모가 많고 고전압 작동이 필요한 기존 장치의 문제 해결
• 상용 블루 레이저 다이오드와 통합 나노광학적 웨이브가이드를 사용하여 효율적이고 확장 가능하며 저비용의 far-UVC 생성 구현
• 고효율 제2차 하모닉 생성을 위한 이종적 SiN-BBO 웨이브가이드 구조에서 츄렌코프 위상일치의 구현

제안 방법

• 실리콘 질화물(SiN) 코어와 접합된 비선형 결정인 베타 바륨 붕산염(BBO)으로 구성된 하이브리드 웨이브가이드에서 제2차 하모닉 생성(SHG)을 구현함
• 접합된 SiN-BBO 인터페이스를 통해 츄렌코프 위상일치를 달성하여 445 nm에서 202.5 nm로의 효율적인 주파수 변환 실현
• 펌프 소스로 445-nm 연속파 블루 레이저 다이오드를 사용하며, 섬유를 통해 웨이브가이드에 투사하여 자극을 제공함
• 모드 겹침을 BBO 결정과 최대화하고 변환 효율을 향상시키기 위해 코어 폭과 두께를 변화시켜 웨이브가이드 기하구조를 체계적으로 최적화함
• far-UVC 출력은 자외선 민감도가 높은 광전자 방출 검출기와 광학 스펙트로미터를 사용하여 특성화하였으며, 1D 고니오미터를 통해 각도 의존성을 측정함
• 강한 블루 펌프 산란으로부터 far-UVC 신호를 분리하기 위해 고도로 자외선 반사 성능을 가진 PTFE 투사 스크린과 220-nm 대역통과 필터를 사용함

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 블루 레이저 다이오드 펌프를 사용한 컴팩트하고 통합된 웨이브가이드 플랫폼에서 연속파 제2차 하모닉 생성이 효율적으로 달성될 수 있는가?
• RQ2 기본 모드와 BBO 비선형 결정 간의 겹침을 최대화하기 위해 최적의 웨이브가이드 기하구조(폭과 두께)는 무엇인가?
• RQ3 츄렌코프 방출 각도와 출력 전력은 펌프 전력과 웨이브가이드 치수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 강력한 블루 펌프 레이저의 배경에 비해 202.5 nm의 far-UVC 빛은 신뢰성 있게 검출되고 특성화될 수 있는가?
• RQ5 이종적 통합 방식으로 SiN와 BBO를 조합한 고체 상태, 칩스케일 far-UVC 소스에서 달성 가능한 변환 효율과 출력 전력은 얼마인가?

주요 결과

• 445-nm 블루 레이저 다이오드 펌프를 사용하여 SiN-BBO 웨이브가이드에서의 제2차 하모닉 생성을 통해 202.5 nm의 far-UVC 빛이 성공적으로 생성됨
• 출력에서 측정된 far-UVC 강도는 0.17 µW/cm²로 추정되었으며, 이는 원거리 패턴에서 국소적 조명 강도에 해당함
• 시스템은 SiN-BBO 접합 인터페이스에서 츄렌코프 위상일치를 통해 효율적인 주파수 변환을 실현하였으며, 상당 부분의 비접촉 필드가 BBO 결정과 겹쳐져 있음
• 웨이브가이드 설계는 SiN 코어에서 58%의 모드 고착과 BBO와의 26%의 비접촉 필드 겹침을 달성하여 비선형 상호작용을 향상시킴
• 고감도 광전자 방출 검출기를 통해 far-UVC 신호를 검출하였으며, 스펙트로미터는 캘리브레이션된 강도 측정을 제공하여 202.5 nm에서 자외선 방출 존재를 확인함
• 220-nm 대역통과 필터를 갖춘 PTFE 투사 스크린을 사용함으로써 블루 펌프 빛의 효과적인 억제가 가능해져, far-UVC 방출 패턴의 명확한 이미징이 가능해짐

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