摘要：2025年5月21日，《Advanced Photonics Nexus》刊登的一项研究引发光学界震动。由中国科学院等机构组成的国际团队，在直径不足指甲盖的氮化硅芯片上，实现了时间抖动低至1.7飞秒的孤子微梳——这相当于光波在真空中传播0.5微米所需时间的百万

2025年5月21日，《Advanced Photonics Nexus》刊登的一项研究引发光学界震动。由中国科学院等机构组成的国际团队，在直径不足指甲盖的氮化硅芯片上，实现了时间抖动低至1.7飞秒的孤子微梳——这相当于光波在真空中传播0.5微米所需时间的百万分之一。该突破让芯片级光频标尺首次达到飞秒量级稳定度，为下一代光通信和量子测量奠定基础。

图释：基于色散管理氮化硅微谐振器的新平台以 89 GHz 的重复频率运行。插图显示了环形微谐振器的 SEM 图像，以及波导结构和耦合间隙的放大视图。图片来源：Advanced Photonics Nexus （2025）。DOI： 10.1117/1.APN.4.3.036011

​激光频率梳曾被戏称为'诺贝尔奖收割机'，其发明者在2005和2022年两度摘得桂冠。这种精密工具能在光谱上生成等间距的'梳齿'，如同用激光雕刻出绝对精确的标尺。传统装置需要占据整个光学平台，而微梳技术将其压缩到芯片级——代价是光脉冲的时间稳定性骤降。

研究团队发现症结在于'色散管理'。当光脉冲在微环谐振腔中循环时，不同频率成分的传播速度差异（色散）会引发模式交叉干扰。就像高速列车遭遇错轨道岔，这种干扰导致脉冲到达时间出现随机偏移。他们采用厚度800纳米的氮化硅薄膜，通过深紫外光刻工艺刻蚀出直径0.5毫米的环形波导，并创新性地引入梯度色散结构。实验数据显示，这种设计将模式交叉干扰抑制了90%以上。

最关键的突破来自噪声测量技术。研究人员采用自外差线性干涉法，在10 kHz到44.5 GHz的超宽频段内捕捉到32.3飞秒的综合时间抖动。作为对比，现有5G通信基站的时间同步精度约300飞秒。论文中一组数据令人震撼：当微梳工作在单孤子态时，相对强度噪声达到-153.2 dB/Hz，这相当于在震耳欲聋的摇滚演唱会现场，精准识别出蚂蚁爬行的脚步声。

芯片内部的热涨落仍是最大挑战。尽管新型色散管理结构抑制了频率漂移，但腔内功率波动仍贡献了70%的低频噪声。研究指出，未来通过优化波导热稳定性和非线性耦合效率，时间抖动有望压缩至0.5飞秒以下——这相当于氢原子直径的千分之一。

这项突破正打开多个应用窗口：在深空导航领域，芯片微梳可替代笨重的原子钟，为星际探测器提供亚米级定位；在数据中心，89 GHz的重复频率意味着单根光纤的传输容量突破1 Pbit/s；更令人期待的是量子纠缠光源制备——飞秒级同步精度足以捕捉光子对的瞬时关联特性。当微梳技术走出实验室，我们或许将见证第二次光通信革命的爆发。

参考文献：

Wenting Wang et al, Mapping ultrafast timing jitter in dispersion-managed 89 GHz frequency microcombs via self-heterodyne linear interferometry, Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.APN.4.3.036011

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来源：科学剃刀