引言% t# L, ~5 T/ \ B) b9 ]# G* y
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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* Z/ F( u/ j% `, z4 ~1 N# gPWB结构与特性
# t. M, x$ ]5 |, W S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。7 d! j' _' J% f/ g0 q8 `, J% M
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/ B0 G8 n) g0 u( `" }1 s* Z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。/ Q$ V8 J3 y9 D. L# q
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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。: ~( R8 h7 Q! E1 e" M
7 ?) r- C7 t9 {2 c' E# A2 p* S线性运行与品质因数测量 Y8 f9 W; i Y) Q( V
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0 ~* A2 e$ U/ H: V; d" 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。
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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。2 A1 q! O8 V- P5 O# d$ g
% l7 T& S: j6 C; l& L0 h. J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。1 l$ i6 T9 P3 v# ~3 U
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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。( U {2 V& \! [ ]
9 ^5 E# J2 M' M. b' {8 K; T+ @! N先进的噪声表征
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$ m1 F [% a. q9 Y: L7 T; h2 h0 e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。$ u6 c9 |% M' _
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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。 @) A: I7 Z: N, u0 W, i" P% g
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结论" u! G3 K% d9 Z" F3 r1 s) X
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。
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PWBs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
+ k5 q7 U. t/ a$ N; U9 U[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/s41598-024-79945-4.5 t* m/ `4 R- ^# i6 P
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