光子線路鍵合成為實現(xiàn)微諧振腔集成的新方案

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引言
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高品質因數(shù)微諧振腔的長期技術挑戰(zhàn)，同時保持了優(yōu)異的性能特征[1]。


8 r) }6 t. b, r" m" K" J/ q; pPWB結構與特性
光子線路鍵合代表了光學耦合技術的進展。這些自由形態(tài)的波導通過雙光子聚合工藝制造，可以直接寫入光纖陣列端面。PWBs采用類似SU-8的專有負性光刻膠VanCore A制造，在應用中顯示出卓越的多功能性。

6 i) M0 l9 m* m- E2 S* O. z! M圖1：PWB設計和表征的全面概述，展示了(a) 光纖陣列上PWBs的掃描電鏡圖，(b) 四個不同延伸長度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量，以及(e) 有效折射率匹配的仿真結果。
( o1 q' D, ]8 G+ J7 L+ q" n& g" G
' D! M3 X3 I' l) S" |PWBs展現(xiàn)出優(yōu)異的性能指標，在1550納米波長處每個端面的插入損耗低至0.85分貝。在結構內可承受高達300毫瓦的功率水平，相當于光纖陣列端面400毫瓦的功率。設計包含回環(huán)結構，為倏逝波耦合提供最節(jié)省空間的幾何構型，支持輸入輸出端口寫入單個八通道V型槽光纖陣列的端面。
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線性運行與品質因數(shù)測量

/ @3 r5 s9 H: f) k% a% T" [/ p圖2：線性區(qū)域表征設置和結果，顯示了(a) 實驗設置示意圖，(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) 顯示品質因數(shù)結果的線寬測量，以及(f) 耦合間隙依賴性研究。

在輸入光功率低于10毫瓦的線性運行區(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微諧振腔對應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)下實現(xiàn)約85%的消光比，測得線寬約240千赫茲，在1550納米波長處對應約10億的負載品質因數(shù)。

( O' X* l; n( ?' K4 \6 W: ~非線性運行與孤子產生

. C% y8 v0 i$ |8 E% s! Z  u2 l圖3：非線性區(qū)域表征顯示了(a) 孤子產生的實驗設置，(b) 帶有sech2包絡擬合的單孤子光譜，以及(c) 14.25吉赫茲拍頻信號的電子頻譜分析儀跡線。

+ T% r, w1 C6 t在較高功率水平（約100毫瓦）下，系統(tǒng)性能擴展到非線性區(qū)域。PWBs展示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在光纖陣列-PWB界面可長期承受高達400毫瓦的光功率。這種功率處理能力實現(xiàn)了孤子頻率梳的產生，在泵浦頻率處具有強中心線，隨后的譜線由微諧振腔的自由光譜范圍14.2吉赫茲分隔。

$ B# ^" D  T% Z* Z先進的噪聲表征
* S, J0 ^/ {0 n  I' E1 ]. ~8 V
圖4：靜點分析顯示了(a) 不同失諧下的孤子譜，(b) 微諧振腔重復率移動的可視化，以及(c) 正常運行點與靜點運行之間的相位噪聲比較。
* D7 U' @& C! K
! _6 t' U6 z' ?8 k1 N/ W% K) u系統(tǒng)展示出復雜的噪聲特性，特別是在識別和利用"靜點"方面，這些點的激光-諧振失諧最小化相位噪聲。通過對模式交叉和自由光譜范圍移動的仔細分析，系統(tǒng)在這些最佳運行點實現(xiàn)約10分貝的噪聲抑制，產生在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。
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結論
PWBs代表了晶體微諧振腔光學耦合的革新方案。PWBs能夠提供穩(wěn)健、高效的耦合，同時保持高品質因數(shù)并實現(xiàn)孤子產生，為光電子集成系統(tǒng)創(chuàng)造新機遇。包括十億級品質因數(shù)和低噪聲微波信號產生在內的性能展示，使PWBs成為下一代光電子技術應用的理想解決方案。
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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)，同時保持了晶體平臺的卓越性能特征。這項進展促進了更緊湊、穩(wěn)定和高效的光電子系統(tǒng)的發(fā)展，應用范圍涵蓋從電信到精密計量等多個領域。
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參考文獻
[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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