光子線路鍵合成為實現(xiàn)微諧振腔集成的新方案

逍遙設(shè)計自動化

引言
7 f' G1 U. Z+ y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)微諧振腔的長期技術(shù)挑戰(zhàn)，同時保持了優(yōu)異的性能特征[1]。

2 @" l$ N* }* I" q
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(fù)性光刻膠VanCore A制造，在應(yīng)用中顯示出卓越的多功能性。

. C" q! C( e/ g8 v# j* l! I' n9 I圖1：PWB設(shè)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(jié)果。
1 L+ k( t4 g4 F& [! s
PWBs展現(xiàn)出優(yōu)異的性能指標(biāo)，在1550納米波長處每個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入單個八通道V型槽光纖陣列的端面。

% ^$ G  ]2 a" c1 O& y線性運行與品質(zhì)因數(shù)測量
' I8 t$ s6 \2 X! P
圖2：線性區(qū)域表征設(shè)置和結(jié)果，顯示了(a) 實驗設(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(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(yīng)約10億的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。

非線性運行與孤子產(chǎn)生
5 H0 C) g% ?4 t9 i; p
圖3：非線性區(qū)域表征顯示了(a) 孤子產(chǎn)生的實驗設(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界面可長期承受高達(dá)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(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。
1 F  _) w  m8 m3 L8 Y3 [: v* d
先進(jìn)的噪聲表征
' l/ D( P$ M/ {# v( e% A
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(fù)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。

系統(tǒng)展示出復(fù)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(xì)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(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。

7 t% ]7 H: w7 F& C2 w結(jié)論
6 q# l( S4 ]+ K# LPWBs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，同時保持高品質(zhì)因數(shù)并實現(xiàn)孤子產(chǎn)生，為光電子集成系統(tǒng)創(chuàng)造新機(jī)遇。包括十億級品質(zhì)因數(shù)和低噪聲微波信號產(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。
' D) C' w1 }% A; v5 D+ a6 x& v
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(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量等多個領(lǐng)域。
8 A* n" ~6 [8 X. ~6 J
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.

  B& Z0 p" ^/ ~' e* q5 DEND

! \3 b( _2 |8 r
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

" [& a' c4 P+ M% Q歡迎轉(zhuǎn)載
. i( r& U/ [# G2 R( z
轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！


  O: }1 o7 c8 ~/ \& h
8 w6 \. [/ d. n( O$ Y1 @

( ~5 o" g% z' e# U9 g. r% X關(guān)注我們

8 Q! ]0 |6 z: I' d" |7 v

+ G) _" S5 a. A 8 {7 _) `5 @' D* u+ n0 `+ T( Q

+ m: q! P8 ^6 G, h# H( {6 g+ m

                     
. J8 C0 k1 H) b. G' \

6 Z1 v2 O, p% _5 q
關(guān)于我們：
; c9 I$ m) g$ h7 x% S3 |深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）