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。
利用氧化鋁波導減少UV的傳播損耗
一直以來，光子晶片要支援紫外線波段，最大挑戰之一就是如何降低傳播損失。不少用來製造光子晶片的傳統光學材料，在紫外線範圍都會出現較強的吸光現象。這代表著一大部分的光會在穿透材料的傳播途中被吸收，導致損耗增加。另外，在奈米等級的尺寸下，波導的表面結構開始會產生影響，表面粗糙會造成光的散射和吸收。由於散射損失的高低是波長的4次方的倒數，所以元件側壁的表面粗糙度在紫外線範圍會更顯重要。最後，選用的紫外線透光材料必須與常規半導體製程相容，才能進行大規模量產。
在紫外線波段，氧化鋁是imec團隊正在研究的主要波導核心材料選擇之一。氧化鋁不僅可用來大規模生產，而且理論上還具備良好的光學透明性，這點至少適用到波長為250nm時。imec團隊發現了降低傳播損耗的關鍵，也就是以原子層沉積(ALD)技術來高溫沉積氧化鋁(ALOx)層，以及優化蝕刻製程。imec團隊試作了一個寬度800奈米，在厚度120奈米的氧化鋁層上蝕刻出來的波導元件。測試結果顯示，在360nm的波長下，波導傳播損失可降至3dB/cm(圖2)。
突破顯微鏡視場範圍的限制
這款UV光子元件的成像視場範圍高達150×200µm，提升幅度是過去研究成果的22倍，同時，其光學解析度也比傳統顯微鏡高了1.84倍。事實上，該研究團隊還能透過結合這款全新的UV-PIC及紫外線結構照明顯微鏡(UV-SIM)技術，克服在光學解析度與視場範圍之間拉鋸的問題：增加視場範圍即會降低解析度，反之亦然(圖3)。
這款光子晶片之所以能做到這點，關鍵組件就是光柵，一種用來控制紫外線光繞射現象的光學元件。這種光柵可以調變光束，以在樣本上形成干涉圖形。透過改變該光束的特性，例如樣本上的圖形相位與位置，就能取得高解析度影像。提供更均勻光源的優化光柵設計將能進一步擴大視場範圍。
UV超解析度顯微技術推進成像極限
UV-SIM的一項殺手級應用是研究大量的細菌或細胞群體。利用這款新型光子晶片，UV-SIM可望成為流式細胞量測技術的強勁對手。後者可以用來探測細胞或粒子，但僅限一次。使用者無法隨著時間觀測相同粒子的演變。相較之下，透過寬廣的視場，使用者可以同時觀測上千個甚至幾十萬個粒子，還能在不同實驗條件，例如添加營養素或藥用物質，隨著時間來測量種子細胞或細菌的變化。此外，由於紫外線能激發出強烈的自發螢光訊號，UV-SIM就無須標記樣本細胞。
但還有一項挑戰仍待解決，那就是光漂白現象。該現象是指細胞經過曝光時，(自發)螢光強度會隨著時間逐漸下降的過程。這會導致最後成像的雜訊增加。定量相位成像技術(QPI)可以解決這個問題。QPI特別適合用來研究活體細胞和組織，提供有關細胞型態與動態的詳細資訊，且無須依賴螢光訊號。具備極低雜訊的UV-QPI技術將能徹底突破光漂白現象的限制，並實現像是細菌或單一材料單原子層(例如石墨烯)的成像。
UV光子晶片下一步：小型化並挑戰UVC
儘管目前的UV-PIC採用的是360nm波長，但已為200nm~280nm的UVC波段開啟了新契機。這些波長更短的紫外光與生物分子之間的交互作用更強。因此，imec正在研究新的波導設計及整合低損耗材料，例如二氧化矽(SiO2)。
同時，imec也在思考如何透過在晶片上整合紫外光源，使得光子晶片更精巧。針對360nm的光源，研究團隊已著手開發一款氧化鋁(ALOx)原子層沉積(ALD)晶片平台(Platform on Chip)來開發感測與量子應用。該團隊也正在一項歐盟近期核准的研究計畫中，研究把鋁氮化鎵(AlGaN)光源轉印(Transfer Printing)到晶片上的技術。
另一方面，小於280nm的深紫外線(UVC)光束具備更高的能量，且將會需要特殊材料及製程。半導體UVC雷射目前還在非常早期的開發階段，為了讓UVC光子晶片設計更為緊密，還需進一步研究。
UV光子晶片問世 顯微技術革新在望(2)
