光子線路鍵合成為實(shí)現(xiàn)微諧振腔集成的新方案

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引言
3 _" X. K* k: @3 ^本文探討光子線路鍵合（Photonic Wire Bonds, PWBs）作為晶體微諧振腔耦合的新型解決方案。PWBs解決了將光高效耦合進(jìn)高品質(zhì)因數(shù)微諧振腔的長(zhǎng)期技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)保持了優(yōu)異的性能特征[1]。

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PWB結(jié)構(gòu)與特性
光子線路鍵合代表了光學(xué)耦合技術(shù)的進(jìn)展。這些自由形態(tài)的波導(dǎo)通過(guò)雙光子聚合工藝制造，可以直接寫(xiě)入光纖陣列端面。PWBs采用類似SU-8的專有負(fù)性光刻膠VanCore A制造，在應(yīng)用中顯示出卓越的多功能性。
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; j0 w. }1 j; E! j$ t& M. a圖1：PWB設(shè)計(jì)和表征的全面概述，展示了(a) 光纖陣列上PWBs的掃描電鏡圖，(b) 四個(gè)不同延伸長(zhǎng)度PWBs的顯微鏡圖像，(c) 功率集中的熱反射成像，(d) 光纖到光纖的損耗測(cè)量，以及(e) 有效折射率匹配的仿真結(jié)果。
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1 c) ~, V5 D7 l3 ePWBs展現(xiàn)出優(yōu)異的性能指標(biāo)，在1550納米波長(zhǎng)處每個(gè)端面的插入損耗低至0.85分貝。在結(jié)構(gòu)內(nèi)可承受高達(dá)300毫瓦的功率水平，相當(dāng)于光纖陣列端面400毫瓦的功率。設(shè)計(jì)包含回環(huán)結(jié)構(gòu)，為倏逝波耦合提供最節(jié)省空間的幾何構(gòu)型，支持輸入輸出端口寫(xiě)入單個(gè)八通道V型槽光纖陣列的端面。
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線性運(yùn)行與品質(zhì)因數(shù)測(cè)量
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" ]1 T0 c6 M+ T  {1 b8 g2 ]圖2：線性區(qū)域表征設(shè)置和結(jié)果，顯示了(a) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，(b) 系統(tǒng)的三維渲染圖，(c) MgF2晶體照片，(d) 耦合PWB的顯微圖像，(e) 顯示品質(zhì)因數(shù)結(jié)果的線寬測(cè)量，以及(f) 耦合間隙依賴性研究。
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8 X- R) K) ~) t在輸入光功率低于10毫瓦的線性運(yùn)行區(qū)域，系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的性能特征。直徑為4.92毫米的MgF2微諧振腔對(duì)應(yīng)14.2吉赫茲的自由光譜范圍。PWB與微諧振腔之間的耦合在臨界耦合狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)約85%的消光比，測(cè)得線寬約240千赫茲，在1550納米波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)約10億的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。

非線性運(yùn)行與孤子產(chǎn)生
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! I7 J+ `$ H8 E" M圖3：非線性區(qū)域表征顯示了(a) 孤子產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，(b) 帶有sech2包絡(luò)擬合的單孤子光譜，以及(c) 14.25吉赫茲拍頻信號(hào)的電子頻譜分析儀跡線。

在較高功率水平（約100毫瓦）下，系統(tǒng)性能擴(kuò)展到非線性區(qū)域。PWBs展示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在光纖陣列-PWB界面可長(zhǎng)期承受高達(dá)400毫瓦的光功率。這種功率處理能力實(shí)現(xiàn)了孤子頻率梳的產(chǎn)生，在泵浦頻率處具有強(qiáng)中心線，隨后的譜線由微諧振腔的自由光譜范圍14.2吉赫茲分隔。
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先進(jìn)的噪聲表征

! C2 i; Y, ?/ L9 w" a圖4：靜點(diǎn)分析顯示了(a) 不同失諧下的孤子譜，(b) 微諧振腔重復(fù)率移動(dòng)的可視化，以及(c) 正常運(yùn)行點(diǎn)與靜點(diǎn)運(yùn)行之間的相位噪聲比較。
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# C0 ^* d& f& V系統(tǒng)展示出復(fù)雜的噪聲特性，特別是在識(shí)別和利用"靜點(diǎn)"方面，這些點(diǎn)的激光-諧振失諧最小化相位噪聲。通過(guò)對(duì)模式交叉和自由光譜范圍移動(dòng)的仔細(xì)分析，系統(tǒng)在這些最佳運(yùn)行點(diǎn)實(shí)現(xiàn)約10分貝的噪聲抑制，產(chǎn)生在10千赫茲偏移處相位噪聲為-123分貝載波/赫茲的純微波信號(hào)。
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結(jié)論
PWBs代表了晶體微諧振腔光學(xué)耦合的革新方案。PWBs能夠提供穩(wěn)健、高效的耦合，同時(shí)保持高品質(zhì)因數(shù)并實(shí)現(xiàn)孤子產(chǎn)生，為光電子集成系統(tǒng)創(chuàng)造新機(jī)遇。包括十億級(jí)品質(zhì)因數(shù)和低噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生在內(nèi)的性能展示，使PWBs成為下一代光電子技術(shù)應(yīng)用的理想解決方案。
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PWBs與晶體微諧振腔的集成解決了耦合的歷史性挑戰(zhàn)，同時(shí)保持了晶體平臺(tái)的卓越性能特征。這項(xiàng)進(jìn)展促進(jìn)了更緊湊、穩(wěn)定和高效的光電子系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)用范圍涵蓋從電信到精密計(jì)量等多個(gè)領(lǐng)域。
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" f7 a( j' K2 u2 ]6 I- _參考文獻(xiàn)
[1] Y. Takabayashi et al., "Microresonator photonic wire bond integration for Kerr-microcomb generation," Scientific Reports, vol. 14, no. 1, p. 29054, 2024, doi: 10.1038/s41598-024-79945-4.

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