中国科研团队首次提出超高分辨率瞬时光频率检测芯片

导读

光频率变化（OFV）的实时测量对于激光稳频，光学计算和光学传感等应用领域至关重要。传统波长测量设备虽然测量结果准确，但通常体积大、分辨率低、测量速度慢且价格昂贵。随着光子集成技术应用的不断拓展，片上光频率检测技术的研发日趋紧迫。

为了实现这一目标，由长江学者特聘教授姚晓天领衔的河北大学光信息技术创新中心与中山大学光电材料与技术国家重点实验室蔡鑫伦教授团队首次提出并制成了第一个基于正余弦编码原理的光频率检测光子集成（PIC）芯片。该薄膜铌酸锂（TFLN）芯片尺寸仅为5.5 mm×2.7 mm、测量速度高达2500 THz/s（20000 nm/s）、分辨率小至2 MHz、测量范围超过160 nm。通过所提出的高鲁棒性算法克服了器件缺陷，并确保了OFV参数的精确量化，这项工作开辟了片上光频率检测的新途径，并为涉及OFV测量的不同应用提供了巨大的潜力。相关论文已于2025年3月31日在线发表于Nature communications。

图1 正余弦瞬时光频率检测芯片结构及原理图

研究背景

许多分布式光学传感如FMCW LiDAR、OFDR等应用，需要以高分辨率测量快速光频率（或波长）变化，以获得用于数据处理的k时钟。同样，对于基于FBG的准分布式传感应用，需要以高分辨率来快速确定传感FBG反射光的中心波长变化。另一方面，对于包括微环谐振器（MRR）和波分复用（WDM）的光学计算，具有高分辨率的光频率变化（OFV）的实时检测对于精确控制WDM信道的频率以及精确调整WDM信道的权重具有重要意义。遗憾的是，传统的光频率或波长测量装置，例如波长计和光谱分析仪（OSA），虽然具有非常高的波长测量精度，但其测量速度和分辨率通常难以满足这些应用的严苛需求。此外，这些设备的大尺寸和高成本通常难以被包括在光学感测和光学计算系统中。另一方面，虽然基于游标效应的光频梳能够高精度测量光频率的变化，但由于其非实时性的测量原理及高度复杂的结构，也很难集成到以上所提到的感测及光计算系统中。

创新研究

为了解决这一难题，姚晓天教授与蔡鑫伦教授团队借鉴了能精准测量马达转角、速度及方向的正余弦编码原理，首次提出了正余弦光频率检测光子集成芯片（PIC OFD）并搭建了一套校准和评估芯片性能的装置（系统结构如图2所示）。团队利用自主提出的高鲁棒性算法用于克服器件非理想性缺陷，成功实现了快速光频率变化（OFV）的实时测量，其测量速度高达2500 THz/s（20000 nm/s），分辨率小至2 MHz，测量范围超过160 nm。虽然这些指标已无人能及，但仍有很大的潜力通过提高所用电路的速度和降低噪声来进一步提升。

图2 用于校准和评估光子集成光频率检测芯片性能的系统结构

团队使用这套系统测量并完整表征了可调谐激光器的瞬时频率特性及波长扫描特性，如扫描波形、方向、速度、范围、非线性、纹波及重复性，如图3所示。同时证明了所提出的正余弦光频率检测芯片可应用于FBG传感测量，其结果如图4所示。其可实现的应变分辨率（0.013 με)和温度分辨率(0.0015 °C)比商用FBG解调仪高出约20倍。

图3 可调谐激光器瞬时频率特性及波长扫描特性的完整表征

图4 光子集成光频率检测芯片应用于FBG应变传感测量

应用及展望

团队首次提出的正余弦光频率检测芯片与相关解调算法为各种涉及片上光频率检测的应用开辟了新途径。其可应用于各种分布式和准分布式传感应用、片上激光频率控制和稳定以及用于基于微谐振器（MRR）的光学计算等。

该研究成果以“On-chip real-time detection of optical frequency variations with ultrahigh resolution using the sine-cosine encoder approach”为题在线发表在Nature communications (DOI
10.1038/s41467-025-58251-1)。作者分别是姚晓天（X. Steve Yao）教授、蔡鑫伦（Xinlun Cai）教授、林忠劲（Zhongjin Lin）副教授、硕士研究生杨宇龙（Yulong Yang）、博士研究生马晓松（Xiaosong Ma）等人，其中姚晓天教授、蔡鑫伦教授为共同通讯作者，姚晓天教授也是河北大学光信息技术创新中心主任。

河北大学光信息技术创新中心简介

河北大学光信息技术创新中心是河北大学着眼于国家重大战略需求和国际科技发展前沿，整合学校多领域学科力量组建的科学研究与技术创新实体。该中心依托于河北大学物理科学与技术学院，是光学工程省强势特色学科的重要支撑研究团队，河北省光学感知技术创新中心的重要组成部分。中心由“长江学者”特聘教授姚晓天博士创立，汇聚光纤传感，光信息技术领域知名高校、研究所多名优秀博士组建成了一只高水平研究团队。

中心重点开发研究新型光谱及偏振测量技术、超窄带宽及可调谐激光技术、微波光子感知技术、分布式感知及检测技术、光纤角速度感知技术、三维相位成像技术以及这些技术在不同行业的应用，主要致力服务于智能驾驶、智能电网、智慧医疗等新兴产业。

成立至今，中心在基于偏振串扰分析的分布式光纤传感、基于偏振分析的光频域反射(PA-OFDR)分布式光纤传感、基于偏振分析的光纤陀螺(P-FOG)、基于偏振编码的相衬成像技术、片上偏振测量和管理技术、基于偏振分析的电流/磁场传感、超窄线宽光纤激光器、低相位噪声扫频光电振荡器(OEO)、基于光学相干层析扫描(OCT)的开拓性应用等方面取得了系列先进研究成果并发表于Nature Communications、Photonics Research、Optics Express、Optics Letters、Journal of Lightwave Technology等光学TOP期刊。