摘要：从纳米技术到卫星编队的广泛应用中，迫切需要具有低回波功率、高速、高精度及强抗干扰能力的小型化激光测距系统。微腔光频梳的出现，为在光子集成芯片上实现高性能的双光梳测距(DCR)系统提供了崭新的契机。微腔光频梳具有大梳齿间距( f
导读
从纳米技术到卫星编队的广泛应用中，迫切需要具有低回波功率、高速、高精度及强抗干扰能力的小型化激光测距系统。微腔光频梳的出现，为在光子集成芯片上实现高性能的双光梳测距(DCR)系统提供了崭新的契机。微腔光频梳具有大梳齿间距( f r )和高单梳齿功率等独特优势，能显著提升DCR的综合性能。然而，基于微梳的DCR潜力尚未完全释放：精度提升至纳米级面临互相干性不足的瓶颈，且缺乏定量模型指导系统优化。近日， 清华大学精密仪器系杨昌喜和鲍成英团队 ，联合 深圳国际量子研究院刘骏秋团队 以“ Nanometric dual-comb ranging using photon-level microcavity solitons ”为题在 Nature Communications 上发表文章。该工作利用晶圆级制造的氮化硅(Si 3 4 )微腔来产生高互相干的相向传播(CP)孤子对，成功实现了精度高达1 nm的绝对距离测量，并首次在理论上建立了DCR精度与频谱信噪比(rSNR)的定量模型。该系统可在极低接收功率（7 pW，单脉冲仅含约5.5×10 -4 个光子）和高强度噪声条件下保持高精度测距能力，并演示了近兆赫兹频段的高速振动测量。这项工作不仅为优化DCR系统提供了普适性原则，更将高性能测距与代工制造的光子芯片平台紧密结合，为未来应用提供了极具前景的芯片级解决方案。研究团队搭建了 基于 CP 孤子游标频率锁定 (VFL) 状态的双光梳测距 (DCR) 系统 。在VFL状态下满足关系式 δf r = δν / n ( n 是一个整数)，这意味着相对重复频率和相对载波偏移频率保持稳定（氮化硅CP孤子的产生参见Phys. Rev. X 15, 011061 (2025)）。本系统基于高精度相位解算得到时间延迟，实现 飞行时间法 (ToF) 测距，在0.2 s积分时间实现了1 nm的测距精度，较此前的DCR工作 提升了一个数量级以上 ，归一化测距精度达到0.5 nm·s 1/2 （图1）。值得注意的是，这一精度是在未使用载波频率干涉相位进一步提升的情况下，仅通过纯 ToF的 光谱相位拟合 达到的。图1：基于相向传播(CP)孤子的高相干双光梳测距(DCR)
DCR领域尚缺乏指导系统精度优化的定量模型。研究团队证明了相位波动与射频谱功率信噪比（rSNR）成平方根反比关系；同时团队推导出了DCR精度的理论公式，实验测得的归一化测距精度与理论预测值高度吻合（图2）。
图2：DCR精度理论公式
研究团队通过调节信号路损耗，测量了不同接收功率下的DCR精度。当接收功率降至 7 pW（衰减 67 dB）时，双光梳干涉信号已完全淹没于噪声中。然而，得益于双光梳优异的相干性，经过0.5 s相干平均后，仍能获得rSNR超过10 dB的射频谱线，并实现百nm精度的测距（图3）。与其它基于微腔光梳的测距系统相比，本系统的接收功率至少低 60 dB，适用于漫反射等非合作目标的测距。
图3：低接收功率和强强度噪声条件下的DCR
高信噪比特性还使得本系统能够在无需任何光梳放大的情况下，以 δf =1.83 MHz的速率进行单周期干涉图测距，这意味着系统能测量近兆赫兹频段(δ f r /2)的快速振动，测量的归一化灵敏度高达 0.4 nm/√Hz；此外，nW级的接收功率可以测量数十kHz的振动（图4）。单次测量所需的总信号光子数仅为0.9 M，这比除了时间可编程光梳(TPFC)方案外的所有DCR工作低至少3个数量级。图4：近兆赫兹频段的双光梳振动(DCV)测量
总结与展望
综上，相比于其他基于光纤光梳、微腔光梳、电光梳组成的双光梳测距系统，本系统以更低的接收功率达到了更高的测距精度（图5）。尽管系统目前的性能尚未达到基于TPFC的DCR系统的量子极限，但其优势在于无需复杂的锁定控制系统，且测距模块具备光子集成潜力。此外，本研究建立的DCR普适理论模型填补了该领域长期存在的空白，并揭示了微梳大梳齿间距对提升测距精度的量化优势。未来，通过优化微腔设计与芯片集成工艺，有望在卫星编队、纳米器件监测等场景实现便携式高精度传感。
图5：与其他双光梳测距系统的性能比较
来源：博识雅士
