近日，南京大学谢臻达教授、贾琨鹏助理教授团队与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员团队开展合作，通过自主研发的光纤微腔，在标准蝶形封装尺寸中成功实现了低噪声光频梳器件，并展示了高精度双梳测距及光谱学应用。相关成果以“Compact low-noise dual microcombs for high-precision ranging and spectroscopy applications”为题，于2025年11月6日正式在国际光学旗舰期刊 Optica 发表，并被选为当期封面文章。研究工作得到了祝世宁院士的悉心指导。
图1 蝶形封装低噪声微腔光频梳与高精度双梳应用示意图
近年来，微腔光频梳的发展及双光梳技术的应用推动了众多基础研究与应用领域的创新。然而，现有技术方案通常依赖外部锁定手段实现双光梳间的相干锁定，其根本原因在于单个光频梳的稳定性不足。本研究团队采用低损耗、大模场的少模光纤，大幅降低了量子噪声和热噪声极限，实现了自由光谱范围约 20 GHz、品质因子超过 103 的光纤微腔。将DFB 激光芯片作为泵浦源与光纤微腔封装在标准蝶形器件中，器件体积仅为 20 mm×12 mm×9 mm，通过自注入锁定实现泵浦激光线宽压窄和光频梳产生。在自由运行状态下实现了重频相位噪声 –129 dBc/Hz@10 kHz、–142 dBc/Hz@100 kHz，以及接近量子噪声极限的 –158 dBc/Hz 噪声基底，频率不稳定度达到 2.69 × 10-11，同时在 8 小时内功率标准差仅为 0.276%。此外，在多个孤子态下器件展现出近 100% 的启钥功能，显示了优异的可操作性与稳定性。
图2 a. 基于自注入锁定机制的低噪声光纤微腔光频梳设计；b. 蝶形封装器件及其光纤微腔实物图，微腔FSR~20GHz；c. 不同孤子形态的光谱图；d. 单孤子重复频率RF谱；e. 重复频率的相位噪声谱, 黄色实线表示热折射噪声极限，灰色虚线表示量子噪声极限，黑色虚线代表的是散粒噪声水平。在 100 Hz以下，相位噪声主要受到热折射波动的限制，而在更高的偏移频率下，量子噪声极限起主导作用。f. 单孤子重复频率的可调性。
团队搭建了完全自由运行的双微梳系统，验证了其在超快测距和高分辨率分子光谱探测中的卓越性能。在测距实验中，系统重复率差为51.59 MHz，实现超过50 MHz的高速异步采样，在无锁定控制条件下达成单次测距精度1.61 μm，通过短时间平均可进一步达到纳米级稳定性。这一性能已与基于锁模光纤激光器的传统双光梳系统相当，但体积与系统复杂度大幅降低。
图3 a. TOF测距实验装置；b. 两个时间周期内的典型干涉图。较高的和较低的周期性脉冲分别代表参考峰和目标峰； c. 连续的 20000 次测距结果及其分布，其最大误差为 ±2 μm；d. 测距结果的艾伦偏差。单次测距精度可达到1.61 μm，多次平均测距极限可达到16.18 nm。
在分子光谱实验中，双梳系统直接测量 H13CN 气体吸收谱，成功捕获清晰的自由感应衰减（FID）信号，表明系统具有极高相干性与时间稳定性。实验结果与 HITRAN 数据库拟合误差仅为0.998%，展示了系统在完全自由运行状态下实现高精度分子识别与光谱探测的能力。
图4 a. 双光梳光谱测量实验装置；b. 通过HCN气体池前（蓝色区域）和后（橙色区域）的干涉图，可以观察到自由感应衰减（FID）信号；c. 时域信号的数值计算傅立叶变换。d. HITRAN标准数据库的与双梳吸收光谱对比。(e)与标准数据库的残差。
该研究在光频梳的小型化、低噪声化及可部署化方向上取得了关键突破，为精密测量、微波光子学、激光雷达、光谱传感等领域的工程化应用开辟了新路径。研究团队提出的高 Q 值光纤微腔构型不仅显著降低了量子噪声和热噪声，还赋予器件可重复、可持续运行的“开机即用”能力。其高集成度与稳定性为下一代高性能光梳系统建设提供了重要方向，有望在 5G/6G 通信、量子计量、便携式光钟及高精度成像等应用中发挥关键作用。
南京大学电子科学与工程学院秦琛烨博士生、贾琨鹏助理教授为论文共同第一作者。南京大学谢臻达教授和贾琨鹏助理教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所梁伟研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、江苏省自然科学基金等项目和张江实验室的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.565936
