光子线路键合成为实现微谐振腔集成的新方案

逍遥设计自动化

引言
/ r* M4 I5 I8 v8 C. G本文探讨光子线路键合（Photonic Wire Bonds, PWBs）作为晶体微谐振腔耦合的新型解决方案。PWBs解决了将光高效耦合进高品质因数微谐振腔的长期技术挑战，同时保持了优异的性能特征[1]。
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PWB结构与特性
光子线路键合代表了光学耦合技术的进展。这些自由形态的波导通过双光子聚合工艺制造，可以直接写入光纤阵列端面。PWBs采用类似SU-8的专有负性光刻胶VanCore A制造，在应用中显示出卓越的多功能性。

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图1：PWB设计和表征的全面概述，展示了(a) 光纤阵列上PWBs的扫描电镜图，(b) 四个不同延伸长度PWBs的显微镜图像，(c) 功率集中的热反射成像，(d) 光纤到光纤的损耗测量，以及(e) 有效折射率匹配的仿真结果。
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9 R- V: N- Y9 y: w: l7 H, y' ^PWBs展现出优异的性能指标，在1550纳米波长处每个端面的插入损耗低至0.85分贝。在结构内可承受高达300毫瓦的功率水平，相当于光纤阵列端面400毫瓦的功率。设计包含回环结构，为倏逝波耦合提供最节省空间的几何构型，支持输入输出端口写入单个八通道V型槽光纤阵列的端面。
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4 u. X4 S2 f8 v% [线性运行与品质因数测量

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( x8 p2 o5 k1 |8 E& {! x: J1 s图2：线性区域表征设置和结果，显示了(a) 实验设置示意图，(b) 系统的三维渲染图，(c) MgF2晶体照片，(d) 耦合PWB的显微图像，(e) 显示品质因数结果的线宽测量，以及(f) 耦合间隙依赖性研究。

. N9 T- S9 L' I( A  R3 d在输入光功率低于10毫瓦的线性运行区域，系统表现出显著的性能特征。直径为4.92毫米的MgF2微谐振腔对应14.2吉赫兹的自由光谱范围。PWB与微谐振腔之间的耦合在临界耦合状态下实现约85%的消光比，测得线宽约240千赫兹，在1550纳米波长处对应约10亿的负载品质因数。
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非线性运行与孤子产生

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图3：非线性区域表征显示了(a) 孤子产生的实验设置，(b) 带有sech2包络拟合的单孤子光谱，以及(c) 14.25吉赫兹拍频信号的电子频谱分析仪迹线。

& q9 v- R. J8 t4 K- X/ q0 N" s在较高功率水平（约100毫瓦）下，系统性能扩展到非线性区域。PWBs展示出优异的稳定性，在光纤阵列-PWB界面可长期承受高达400毫瓦的光功率。这种功率处理能力实现了孤子频率梳的产生，在泵浦频率处具有强中心线，随后的谱线由微谐振腔的自由光谱范围14.2吉赫兹分隔。

先进的噪声表征
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# d9 g  J# ^& T* H图4：静点分析显示了(a) 不同失谐下的孤子谱，(b) 微谐振腔重复率移动的可视化，以及(c) 正常运行点与静点运行之间的相位噪声比较。

; m. q! g; [6 |系统展示出复杂的噪声特性，特别是在识别和利用"静点"方面，这些点的激光-谐振失谐最小化相位噪声。通过对模式交叉和自由光谱范围移动的仔细分析，系统在这些最佳运行点实现约10分贝的噪声抑制，产生在10千赫兹偏移处相位噪声为-123分贝载波/赫兹的纯微波信号。
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! N' G: N$ E) T& l% s结论
; E1 [' A* W% h2 J' }PWBs代表了晶体微谐振腔光学耦合的革新方案。PWBs能够提供稳健、高效的耦合，同时保持高品质因数并实现孤子产生，为光电子集成系统创造新机遇。包括十亿级品质因数和低噪声微波信号产生在内的性能展示，使PWBs成为下一代光电子技术应用的理想解决方案。

; Q5 {& X, B( Z: n$ h6 T# ^) tPWBs与晶体微谐振腔的集成解决了耦合的历史性挑战，同时保持了晶体平台的卓越性能特征。这项进展促进了更紧凑、稳定和高效的光电子系统的发展，应用范围涵盖从电信到精密计量等多个领域。
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参考文献
6 b4 K( x' z) z4 q& l[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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