近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉駿秋團(tuán)隊(duì)與合作者在集成光學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，成功研制出一種新型可見光矢量光譜分析儀。該儀器首次實(shí)現(xiàn)對可見光波段集成光學(xué)器件的高精度、寬帶寬、矢量化光譜測量。相關(guān)成果以“A hyperfine-transition-referenced vector spectrum analyzer for visible-light integrated photonics”為題發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。

可見光作為人類視覺感知的主要波段，自文明起源以來一直在科學(xué)探索和技術(shù)發(fā)展中扮演著核心角色。在當(dāng)前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）、生物傳感、原子分子物理等前沿領(lǐng)域，對可見光的精密操控與測量提出了前所未有的高要求。特別是在光學(xué)原子鐘研究中，許多關(guān)鍵躍遷頻率位于可見光范圍，對這些頻率的高精度測量不僅有助于推動基礎(chǔ)物理研究的突破，也正深刻變革現(xiàn)代定位與導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1：可見光到近紅外波段的集成光學(xué)應(yīng)用

近年來，隨著可見光集成光學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，具備微型化、輕量化和低功耗優(yōu)勢的芯片級光學(xué)原子鐘成為研究熱點(diǎn)，有望推動高精度頻率計(jì)量技術(shù)在更廣泛場景中的落地應(yīng)用。然而，實(shí)現(xiàn)對這類芯片級器件的高效表征仍面臨巨大挑戰(zhàn)，其中最大的瓶頸在于缺乏兼顧寬光譜帶寬與高頻譜分辨率的測量技術(shù)與儀器。

針對這一關(guān)鍵難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)并研制出新型矢量光譜分析儀，具備518–541nm及766–795 nm的寬光譜覆蓋范圍，頻率分辨率達(dá)到161kHz。該系統(tǒng)基于外腔半導(dǎo)體激光器，結(jié)合寬帶啁啾周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)倍頻，實(shí)現(xiàn)高功率、窄線寬、無跳模的可見光連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。同時，系統(tǒng)引入堿金屬原子和碘分子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)作為頻率基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了MHz級別的高精度頻率標(biāo)定。

該儀器不僅填補(bǔ)了可見光集成器件在寬帶矢量光譜測量方面的技術(shù)空白，還率先實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵應(yīng)用。例如，研究團(tuán)隊(duì)借助該系統(tǒng)首次完成了從近紅外到可見光的微腔跨倍頻程色散特性測量，精確表征了色散波的位置，對片上跨倍頻程光頻梳、超連續(xù)譜和非線性頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中關(guān)鍵的相位匹配設(shè)計(jì)具有重要意義。此外，該儀器還可解析傳統(tǒng)光譜儀難以分辨的低重復(fù)頻率光頻梳結(jié)構(gòu)，其頻率分辨率為3MHz，能夠滿足高精度光通信、微波頻率合成和激光穩(wěn)頻等先進(jìn)系統(tǒng)的測量需求。

圖2：跨倍頻程微腔色散測量

本項(xiàng)研究成果不僅展示了目前在可見光波段最先進(jìn)的矢量光譜測量能力，也為芯片級光學(xué)原子鐘的實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵支撐。在全球?qū)Ω呔?、低功耗、便于部署的時間頻率基準(zhǔn)需求日益增長的背景下，特別是在空間導(dǎo)航、地球測繪、量子精密測量等戰(zhàn)略領(lǐng)域，基于光芯片的原子鐘方案正受到廣泛關(guān)注。該成果提供了構(gòu)建此類系統(tǒng)所需的“測量之眼”，有望顯著提升集成光學(xué)器件的設(shè)計(jì)效率、測試可靠性與工程化水平。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系博士生石寶奇、濟(jì)南量子技術(shù)研究院副研究員鄭名揚(yáng)為論文的共同第一作者。合肥國家實(shí)驗(yàn)室劉駿秋研究員為論文的通訊作者。主要合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張強(qiáng)教授、王安廷副教授，中國科學(xué)院蘇州納米所梁偉研究員。該工作得到了科技部2030、基金委、廣東省和深圳市的大力支持。