紫外線波長能夠解決顯微技術等光學應用對提升解析度和特異性(Specificity)的根本需求。由於紫外線的波長較短，理論上，顯微技術可以藉此獲得相對於傳統可見光顯微技術還要微小的粒子和細胞成像。然而，為紫外線開發的大型光學元件非常罕見且昂貴，還不能提供高解析度成像所需的紫外光束操控能力。把所有的關鍵光學功能都整合在一顆晶片上的光子晶片(PIC)技術，可以提供勝過以往的紫外光控制和操控能力。
在比利時根特大學(Ghent University)從事研究的比利時微電子研究中心(imec)團隊成功開發了首款能以360nm波長運作的紫外線光子晶片。該團隊利用具備頂部空氣包覆層的氧化鋁(Alumina)波導，在波長360nm的條件下，實現了傳播損耗小於3dB/cm的超低傳播損耗。若將這款光子晶片整合於傳統顯微鏡，其光學解析度將是傳統顯微鏡的1.84倍，成像的視場範圍也擴大到150×200µm。
從生物學到量子學：紫外線的50道光影
光學應用之所以會導入紫外線波長(200~400nm)，是受到這些應用對提升解析度和特異性的根本需求所驅動。相較於可見光，紫外光的波長較短，所以可以解析出更精密的細節，對探測次細胞結構、分子交互作用與奈米材料特性來說非常重要。
生物分子對紫外光有強烈的交互作用，這帶來了某些好處。首先，有些胺基酸，例如色胺酸和蛋白質，都會在光照後自動發出螢光，這樣就能實現無標記成像(Label-free Imaging)。這點對於超解析度顯微技術來說尤其引人注目，例如結構照明顯微技術(Structured Illumination Microscopy)。在此之前，樣本以往都需要經過螢光標記。
同時，對紫外光敏感的成像螢光團仍是顯微技術的重要工具。第二，強烈吸收紫外線波長可以大幅改善拉曼散射現象，該現象會在入射光與樣本進行交互作用時出現，並產生具備較低及較高能量的散射光，所以紫外線顯微技術還能顯著提升訊噪比(SNR)。目前已經在研究如何利用紫外線來克服拉曼光譜感測晶片應用所面臨的背景雜訊問題。
除了可用於藥理學或材料研究的生物及材料感測或檢測，紫外光波也在透過離子阱技術(Ion Trapping)漸漸展現其在量子運算的用處。在離子阱量子運算應用，單一離子被當作量子位元(Qubit)來使用，以儲存和控制量子資訊。紫外線雷射可以形成必要的電磁場來精準捕獲、冷卻和操控離子。紫外光的波長短，所以能夠精準操控這些離子。
鎖定紫外線的光子晶片
就技術而言，運用紫外光束的難度高，成本也高。採用紫外線波段的大型光學元件都很貴，因為所需的材料較為特殊，例如石英、氟化鎂或是熔融二氧化矽，這些材料才能確保成像沒有像差，並且具備良好的聚焦和解析度。此外，以支援高數值孔徑為目標的紫外線顯微鏡極為少見，售價也很高，但對於運用360nm以下波長的高解析度顯微技術來說，高數值孔徑是必要的。
在成像應用導入奈米科技，徹底改變了這些。光子晶片把數個光學元件進行整合和微縮，製成單一晶片，其中包含波導、調變器和偵測器。緊密整合數個光學功能可以精準控制和操控光線，例如透過縮短光線所需的傳遞路徑、減少錯位的可能性，或是整合鎖定紫外線波長的客製化波導設計來實現。標準的半導體製程能讓光子晶片符合成本效益，還能實現規模化量產。運用各種波長的光子晶片在業界存在已久，但絕大多數都只支援可見光與近紅外光，擴展到紫外光波段是未來的研究方向。
光子晶片為光束調變所提供的精準控制能力，對於顯微技術等紫外線光學元件來說尤其重要，由於紫外光的波長比可見光還短，所以可以與更小尺寸的結構及分子進行交互作用。精準操控光束則能確保光波聚焦在樣本上，進而提高解析度。另外，光子晶片還能推動開發具備成本效益的緊湊型紫外線成像系統，因為這些晶片可以採用較易取得的材料來製造，這些材料仍能提供紫外線波段所需的光學特性，相較之下，大型光學元件則需仰賴外來的材料。
以光子技術實現隨插即用UV光學元件
然而，現有的光子晶片都不支援200nm~400nm的紫外線波長範圍。比利時微電子研究中心(imec)暨比利時根特大學(Ghent University)研究團隊，已經開發出支援360nm波長，且配備低損耗單模波導的紫外線光子晶片，消弭了這塊技術缺口。
單模波導只讓具備相似特性(包含波長或相位)的光波通過，對注重精準光學控制的應用而言不可或缺，例如紫外線結構照明顯微技術(UV-SIM)這項超解析度顯微技術。
結構照明顯微技術已經成功透過大型光學元件來產生遠場(Far Field)顯微影像，從遠處觀察樣本。光子晶片目前主要是利用近場(Near Field)顯微技術，在極近距離觀測樣本，但這種做法需要把樣本置於晶片上方，導致近場顯微技術在應用上受到較多限制。
根據研究人員表示，遠場結構照明顯微技術也可以善用光子晶片的優勢，尤其是在紫外線範圍用於無標記樣本，且不會對晶片產生影響。該研究的成果，是一款隨插即用的光子晶片。一如其他應用，目標樣本放在顯微鏡的下方，但這款光子晶片被整合在傳統顯微鏡的裝置上，並用來進行遠場光束調變(圖1)。
UV光子晶片問世 顯微技術革新在望(1)
