新型芯片级频率梳展示便携原子钟潜力

如果没有能放进口袋的尺子和卷尺，世界将大不相同。木匠、时装设计师和工程师都依赖这些可靠的工具来检查从木板到布料样品等各种物品的尺寸。但从事光研究的物理学家在其基本测量之一上却缺乏同样的便利。他们经常需要测量和比较所用光波的频率——即颜色。

迄今为止，他们一直缺少一种同样可放入口袋的日常测量工具，只能凑合使用笨重的设备，这些设备挤占实验室空间，且远非便携。

测量光频率的标准工具称为光学频率梳。该器件产生一系列不同频率的光，像卷尺上的刻度线一样以规则间隔排列。频率梳使研究人员能够测量不同频率之间的差异，对许多使用光的实验和测量至关重要。

大型实验室装置已证明了频率梳的实用性，它们促成了世界上最精确的时钟——原子钟——的诞生，以及许多其他应用。

研究人员一直在寻求更小的光学频率梳，既为让工作更轻松，也为基于光的新技术提供基础。例如，便携式原子钟可帮助绘制地下矿藏分布的变化图，并实现不依赖 GPS 卫星信号的导航系统。

Joint Quantum Institute (JQI) 的研究人员与一个国际合作团队共同开发并演示了一种新型频率梳。新设计免除了对笨重设备的需求，同时使单个器件能够轻松适配各种实际测量任务。

研究人员在发表于 Nature 的一篇文章中阐述了其频率梳背后的进展及其在常见任务中的性能。

为展示其紧凑器件的适应性，他们将其与多种光源配合使用，测试其在光学频率梳日常核心任务上的能力。

该成果建立在 JQI 研究科学家 Grégory Moille 与 JQI fellow 兼联合主任 Kartik Srinivasan 在可置于便携芯片上的微型光学频率梳方面十年研究的基础之上。他们的新方法源于与 Miro Erkintalo 所领导团队的合作，Miro Erkintalo 是新西兰奥克兰大学 (UoA) 和 Dodd-Walls Center for Photonic and Quantum Technologies 的研究人员，双方合作探索制造光学频率梳的新途径。

借助这一新方法，该团队——包括马里兰大学巴尔的摩县分校（UMBC）、加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、AV Incorporated 和空军研究实验室（AFRL）的其他同事——制造出了一种光学频率梳，其性能与过去笨重的台式版本相当，但只占用一小部分实验室空间。

"尽管我们研究芯片集成光学频率梳已有多年，但其控制与稳定——这对许多应用至关重要——往往复杂而困难，"该论文第一作者 Moille 说，他同时也是美国国家标准与技术研究院（NIST）的兼职研究员。

"借助这一新方法，我们终于看到了一条可行的路径，使其可用于可部署的原子计时，这是其要求最严苛、最重要的应用之一。"

两台激光器胜过一台

这种新型光学频率梳依赖于一种名为参量驱动腔孤子（PDCSs）的现象，该现象由 Erkintalo 领导的团队于 2023 年首次预言。

PDCSs 涉及让来自两台激光器的光在一个称为微谐振器的微小环形结构中循环。如果该环形结构形状合适，且研究人员以恰到好处的方式向其中注入光，那么循环的光就会通过构成环形结构的材料与自身相互作用，产生一串脉冲，研究人员可用其作为频率梳。

基于 PDCS 的梳本身建立在近二十年研究的基础之上，此前的研究是将单台激光器注入芯片上的微谐振器来产生频率梳，但以往的尝试未能成功地让芯片技术摆脱笨重设备，并可靠地部署到实验室之外。

这项合作始于 Moille 与同为 NIST 研究员的 Srinivasan 得知 Erkintalo 及其同事的预言之后，两个团队联手将其变为现实。他们在 2024 年报告了产生 PDCS 的实验，并表明他们找到了一种测量此前无法触及的一系列频率的方法。

首次 PDCS 演示验证了这一概念并探索了其背后的物理机制，但关于它在实际任务中表现如何，大部分研究留待后续实验完成。特别是，该频率梳产生了多组相互重叠的频率线。这种重叠使得该梳几乎无法使用，就像一把刻度线印错了多组的尺子。

在新论文中，研究人员将 PDCS 方法与一种同步技术结合起来，Srinivasan、Moille 及其同事此前已演示该技术可稳定光学频率梳。两种技术的结合将所有频率线锁定对齐——这一过程称为自对齐——并提供了一把只有一组刻度线、可用于测量频率的完美尺子。

Moille 和 Srinivasan 将这种在谐振器中驱动光的特殊方式命名为 SParCS（自对齐参量驱动腔孤子）。基于 SParCS 的新型频率梳具有独特优势，这些优势源于它们在整个梳中分配不同频率所携带光功率的方式。

以往的方法使用单台激光器产生一个在激光频率两侧展开的梳。这些额外的频率——即梳齿——离中心频率越远功率越小，且在边缘处变得越来越不锐利。

相比之下，研究人员可以选择两个频率不同的激光器来为特定任务生成光频梳，而 PDCS 技术中使用的两个激光器充当光频梳的两端“书挡”，其余梳齿在两者之间形成。这使整个光频梳的梳齿更加精确，并将功率集中到边缘，而边缘梳齿往往是许多实际测量中的关键梳齿。

特别是，如果你不知道光频梳距离零频率有多远——这个值称为零频偏移——就无法测量频率的精确值。物理学家必须为每个光频梳确定其偏移量，因为每个谐振器制造中的细微差异都会使每个光频梳略有不同。

边缘梳齿对于确定给定光频梳的零频偏移通常至关重要。有一种确定它的标准方法，该方法为其创立者赢得了2005 年诺贝尔物理学奖，但光频梳必须满足一个关键条件才能奏效：其中一个梳齿的频率必须约为某个较低频率梳齿的两倍。物理学家沿用音乐家的说法，把这样一段频率跨度称为一个倍频程。

实际上，倍频程边缘的梳齿往往位于光频梳的边缘或接近边缘，如果它们太弱或不稳定，研究人员就需要额外的笨重设备来确定偏移量。

该团队能够选择两个激光频率，从而选择边缘梳齿，这使他们能够确保光频梳跨越一个倍频程，并且关键的边缘梳齿易于使用——从而大大简化并加快了实验搭建过程。

尽管新方法使用了两倍数量的激光器来生成光频梳，但整体装置仍比以往的尝试更小。其他方法通常也必须再增加一台激光器，以及大量其他设备，将边缘梳齿放大到足以在实验中使用的强度。

新方法消除了对复杂实验室级设备的需求，并为易于在实验室之外部署的器件提供了一条清晰的发展路径。

对光频梳进行全面测试

在生成纯净的光频梳之后，该团队通过执行多种常见测量任务，转向展示其方法的便捷性和通用性。光频梳通过让研究人员关联两个频率、检测频率的微小波动以及产生频率非常稳定的光，从而实现多种测量技术。

特别是，该团队希望证明基于 SParCS 的光频梳可以充当完美的频率齿轮箱，作为两个频率之间的纽带，将它们锁定在一起，就像齿轮即使在不同转速下也能协调旋转一样。

本质上，光频梳不仅可以帮助研究人员测量两个频率之间的差值，还可以充当将间隔锁定到位的桥梁。

研究人员可以将激光器锁定到特定梳齿上，在其激光器与光频梳中的其他梳齿之间建立固定关系。这使其他频率的梳齿能够反映该激光器的稳定性，或者反过来反映其波动。如果将光频梳锁定到非常稳定的激光器上，它就会为其他频率的梳齿提供稳定性。如果所连接的激光器发生波动，你可以在另一个更容易测量的频率上检测到这一点。

该团队将光频梳与来自不同光源的各种频率的光相结合，证明只需更换激光器，单个器件即可执行适用于不同类型测量的任务。这些任务利用了合作成员提供的独特硬件和专业知识。

首先，他们用光频梳将每秒振荡数十亿次的微波与每秒振荡数百万亿次的光波联系起来。这种便携式光频梳可以改进许多测量光频率或利用光测量距离的器件中的频率测量，包括自动驾驶汽车所用的激光雷达。

与光频梳结合的微波使他们能够更好地确定梳齿的频率，从而使光频梳能够进行精确的频率测量或产生稳定的光频源。

随后，他们将注意力转向使用同一器件执行相反的过程——将光与微波联系起来。当光频梳沿这个方向工作时，它还有一个额外优势，即天然降低微波中的随机波动——噪声。

他们通过两项任务展示了这一方向上的联系，这两项任务是光频梳在不同测量中的应用——监测原子钟中的光以及产生低噪声微波。

在原子钟中，激光光波充当标记时间的快速节拍。通过将激光器与原子的行为保持绑定，可以使激光器极其稳定，但与原子相互作用的波振荡得如此之快，以至于任何电子器件都无法跟踪其波动。

光频梳用于将光的稳定性转移到携带相同长期稳定性的微波信号上。这些微波随后可被原子钟的电子系统用于跟踪时间。

Moille 使用了一种名为“稳定原子钟基准”的器件，该器件由他在 AFRL 的同事提供，以展示光频梳在原子钟中这一关键作用下的表现。实验表明，将光与他们的光频梳结合使用可产生稳定微波，而这是运行原子钟所必需的。

他们表明，可以用这些微波测量原始光频率——该频率每秒振荡数百万亿次——测量精度达到与原子应产生的值相差约每秒 100,000 次振荡以内。

产生低噪声微波对原子钟之外的其他测量也很有用。例如，降低微波噪声可以改进雷达系统的距离测量。因此，Moille 还换上了一种名为“低噪声激光基准”的激光器，该激光器使用其 UCSB 同事提供的专用芯片制造。实验表明，将低噪声激光器发出的光与他们的光频梳结合使用可产生超纯微波频率。

为了评估结果，该团队还将全部三种光源——同事提供的两种光光源和微波源——接入其标准台式光频梳系统进行比较。他们发现，在实验所能检验的范围内，他们的小芯片产生的频率相同，并且在稳定性和噪声方面总体上不逊于其大型前身。

"借助 SParCS，我们实现了一种与此前展示的方案截然不同的光频梳生成过程，因此必须验证：无论光频梳如何生成，它都能很好地发挥其核心功能，"Srinivasan 说。"我们一直在问，与现有技术相比，我们的表现如何？我们非常高兴地发现，我们的 SParCS 光频梳确实运行良好。"

SParCS 方案不仅不逊色于那些庞大的前辈，还让团队能够轻松地将光频梳适配到不同应用中。Moille 在所有演示中都使用了同一器件。这与此前的片上演示形成对比，后者需要为特定应用专门定制微光频梳。

Moille 说，过去要用小型光频梳完成这些任务中的一项，需要一个几人组成的团队工作数周或数月才能取得实用结果。相比之下，新的实验要容易得多，他可以轻松换用合作者提供的不同光源。

"作为实验工作者，这种新型光频梳简化了我们的大量工作，"Moille 说。"这个系统用起来非常简单，实际上每项应用一次只需一名操作人员。"

光频梳的这种适应性还使团队能够补偿各种变化，降低了制造光频梳时对精度的要求。这种灵活性有望使光频梳更适合大规模生产并集成到产品中。

这种便利还让团队能把更多时间用于开展实验，而不必从多次制造尝试中筛选出可用器件，再花额外时间对能工作的器件进行微调以获得实验结果。

该团队使用几种不同版图制造的器件进行测量，展示了这种稳健性，并表明只需对实验做简单调整，仍能获得有用的结果。

展望未来，团队希望进一步改进器件并探索其特性，看看能把性能推到多高，例如制造覆盖更大频率范围的光频梳。最终，他们希望甚至能让该方案用单台激光器同时馈入光频梳的两侧。与此同时，他们正把光频梳用作其他实验中的工具。

"截至 18 个月前，我们实验室 90% 的工作都集中在典型方案上，即从中心泵浦，然后向边缘扩展，"Srinivasan 说。

"现在我们已将所有这些实验转向聚焦于新的 SParCS 方案。在过去一年里，我们稳定下来的微光频梳数量超过了此前所有年份总和的 10 倍以上，正因如此，我们坚信这一方案未来大有可为。"

出版信息

Grégory Moille 等，《在倍频程间隔的激光器之间涌现的自对准光学微光频梳》，Nature（2026）。DOI: 10.1038/s41586-026-11086-2

期刊信息： Nature

本报道的作者是谁？

Sadie Harley

生命科学与生态学理学学士。具备微生物学实验室背景，拥有石油、天然气和可再生能源行业的医药新闻报道经验。 完整简介 →

Robert Egan

数字生物学学士，创意写作硕士。游历广泛，对科学与语言有独到见解。 完整简介 →

引用： New chip-based frequency combs demonstrate potential for portable atomic clocks (2026, October 6) retrieved 17 October 2026 from https://phys.org/news/2026-10-chip-based-frequency-potential-portable.html

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