Nature Photonics：集成電光梳賦能激光動態(tài)頻率追蹤

人類對精密測量的追求從未止歇。從機械鐘到原子鐘，從位移測量到精密絕對距離測量，精密測量技術(shù)在精度與速度上持續(xù)突破，不僅奠定了現(xiàn)代計量學的基石，也為通信、精密制造、空間探測等領(lǐng)域的發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐。2005年，光學頻率梳技術(shù)憑借其在光頻與微波頻率之間建立精確連接的突破性貢獻，榮獲諾貝爾物理學獎。這一成就將頻率測量精度推向前所未有的高度，開啟了精密測量的新紀元。

在精密測量領(lǐng)域中，調(diào)頻激光器憑借其快速、連續(xù)的頻率調(diào)諧能力，已成為可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）、光學相干層析成像（OCT）以及調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達等系統(tǒng)的核心光源。然而，高性能調(diào)頻激光在高速調(diào)諧過程中常伴隨瞬時高啁啾與跳模等問題，使其動態(tài)頻率的實時高精度溯源長期面臨挑戰(zhàn)，限制了相關(guān)技術(shù)的工程化應用。

近日，清華大學精密儀器系與中山大學電子與信息工程學院合作，提出基于雙電光頻率梳的動態(tài)頻率追蹤技術(shù)（dual electro-optic comb-based frequency tracking, DEFT）。該系統(tǒng)可高精度測量調(diào)頻激光瞬時頻率，實驗測得最高頻率啁啾率達2×101? Hz/s，超越文獻報道最高水平3個數(shù)量級。基于DEFT技術(shù) ，團隊首次報道了基于跳模激光器的高性能FMCW 激光測距與三維成像，同時實現(xiàn) 100 MHz 刷新率的超高速 FMCW 測距，超越文獻報道最高水平1個數(shù)量級，為光頻和距離的高精度測量構(gòu)建了全新技術(shù)路徑。

相關(guān)成果以“Electro-optic comb-empowered measurement of the dynamic frequency of a laser”為題發(fā)表于Nature Photonics。本工作的完成單位為清華大學精密儀器系、中山大學電子與信息工程學院。通訊作者為清華大學精密儀器系吳冠豪教授、中山大學電子與信息工程學院李楊教授與蔡鑫倫教授。清華大學精密儀器系博士生楊微微、博士后賈星宇為本論文共同第一作者。中山大學王競一博士為本工作做出了重要貢獻。本研究得到國家自然科學基金以及北京市科技計劃等項目的資助。

當前，激光頻率測量主要采用諧振腔法、干涉儀法、光譜儀法與光頻梳等方案。諧振腔與干涉儀測頻裝置結(jié)構(gòu)簡單，但測頻結(jié)果易受色散效應、外界環(huán)境變化干擾，測量精度與長期穩(wěn)定性存在明顯短板；傳統(tǒng)光譜分析儀則受限于掃描速度和分辨能力，難以對高速啁啾激光、跳模的激光信號進行有效實時追蹤。

光頻梳是一種由大量等頻率間隔、高相干的離散光譜線構(gòu)成的精密頻率標尺，其重復頻率與載波包絡偏移頻率均可鎖定至原子鐘等高穩(wěn)定頻率基準，從而實現(xiàn)光頻與微波頻率之間的高精度溯源。憑借其極高的測量精度、優(yōu)異的長期穩(wěn)定性以及寬光譜覆蓋能力，光頻梳成為激光頻率高精度測量的理想工具。

現(xiàn)有基于光頻梳的測量方案主要依賴鎖模光頻梳與克爾光頻梳，但其重復頻率與調(diào)諧范圍存在固有局限。在實際應用中，不同場景對調(diào)頻激光啁啾速率需求差異顯著：例如在FMCW系統(tǒng)中，近距離實時成像與高分辨率表面形貌檢測通常依賴高啁啾速率以提升測距刷新率與空間分辨能力，而車載激光雷達及遠距離工業(yè)測距則更傾向于采用低啁啾速率以擴展探測距離。然而，傳統(tǒng)光頻梳重復頻率難以靈活調(diào)節(jié)，成為制約其應用拓展的關(guān)鍵瓶頸。

此外，高性能調(diào)頻激光器存在跳模與非線性調(diào)頻等問題，使得FMCW測距中的距離譜出現(xiàn)展寬、多峰，無法實現(xiàn)距離測量，成為FMCW測距與三維成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。綜上，亟需發(fā)展全新的測量方案，以突破上述技術(shù)瓶頸。

圖1：(a) 集成電光梳器件；(b) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(c) 測頻性能與現(xiàn)有各類基于光頻梳的測頻方法性能對比

本研究提出了一種基于集成鈮酸鋰電光梳的雙電光梳頻率追蹤技術(shù)（DEFT），攻克高速跳模調(diào)頻激光動態(tài)頻率實時精準測量難題，實現(xiàn)多項核心指標的突破。

圖1展示了系統(tǒng)的主要架構(gòu)。調(diào)頻激光器輸出的光分為兩路，其中一路作為測距主光路進入 FMCW 激光雷達干涉探測模塊，用于完成目標距離、三維形貌的探測成像；另一路分光輸入 DEFT，實現(xiàn)激光瞬時頻率的實時同步采集，為測距信號提供精準頻率校正基準。借助同步獲取的高精度瞬時頻率對原始測距時域信號進行頻域重采樣重構(gòu)，能夠有效解決跳模、非線性帶來的距離譜多峰、展寬、畸變問題，實現(xiàn)高精度距離解算。

整套系統(tǒng)依托自研寬譜、重復頻率靈活可調(diào)的集成鈮酸鋰電光梳芯片作為精密頻率標尺，通過兩路具有微小重復頻率差的雙電光梳構(gòu)成光學游標，與待測調(diào)頻激光外差拍頻，聯(lián)合解算激光瞬時光頻，從原理上解決了傳統(tǒng)測頻方案速度受限、跳模無法溯源、適配場景單一等多重瓶頸。

一、寬帶可調(diào)集成鈮酸鋰電光梳

為構(gòu)建DEFT核心光源，研究團隊提出一種二級級聯(lián)調(diào)制結(jié)構(gòu)。第一級調(diào)制中，將強度調(diào)制器與三個低半波電壓相位調(diào)制器集成于單片薄膜鈮酸鋰芯片（圖2a,b），實現(xiàn)緊湊型一體化設計。該器件采用無諧振結(jié)構(gòu)，從根本上擺脫重復頻率調(diào)諧范圍的限制。半波電壓低至2 V，在不增加微波驅(qū)動功率的條件下顯著提升光譜展寬能力，最終獲得29.45 nm寬帶平坦電光梳譜（圖2c）。

在此基礎上，引入微波頻率梳驅(qū)動強度調(diào)制器生成二級光梳，使電光梳重復頻率可在250 MHz至25 GHz范圍內(nèi)靈活切換（圖2d）。其中，高重復頻率模式適用于超高啁啾激光的高速采樣，低重復頻率模式適用于遠距離、低算力測距，從而覆蓋激光雷達與光學成像等多種應用場景。該芯片同時具備緊湊封裝優(yōu)勢，便于系統(tǒng)級集成。

圖2：(a) 兩級電光梳級聯(lián)裝置。(b) 薄膜鈮酸鋰芯片實物圖。(c) 一級電光梳光譜。(d)二級不同重頻電光梳光譜

二、高啁啾跳模激光動態(tài)測頻

DEFT采用兩套存在微小重頻差的集成電光梳，分別與待測調(diào)頻激光進行外差干涉，借助兩路拍頻信號聯(lián)合計算梳齒序號，從原理上消除單電光梳探測產(chǎn)生的頻率模糊問題（圖3a）。圖 3b 展示了僅使用單電光梳采集跳模激光器得到的拍頻信號時頻圖，無法分辨真實瞬時光頻；經(jīng)過雙光梳游標效應校正后，精準還原出無歧義的激光絕對頻率（圖 3d），清晰拆分原本相互混淆的多段跳模信號，充分驗證 DEFT 能夠?qū)崟r、高精度解析存在跳模、非線性、頻率重疊的復雜調(diào)頻激光動態(tài)頻率。實測結(jié)果證明，DEFT 支持極高啁啾的激光動態(tài)頻率測量，實驗測得最高啁啾率達 2×101? Hz/s，超越文獻報道最高水平3個數(shù)量級（圖 3c）。

圖3：(a) DEFT 系統(tǒng)裝置圖。(b) 跳模激光與電光梳的拍頻時頻圖。(c) 高速調(diào)頻激光頻率時頻圖。(d)激光真實頻率

三、跳模激光器高精度 FMCW 測距

高速啁啾激光器在調(diào)頻過程中展現(xiàn)出跳模與非線性，使傳統(tǒng)FMCW測距的距離譜出現(xiàn)多峰展寬與嚴重雜峰干擾，無法實現(xiàn)距離解算。借助DEFT的實時高精度頻率測量能力，研究團隊實現(xiàn)了基于跳模調(diào)頻激光的高精度FMCW測距。

圖4：(a) 測距實驗光路。（b）測距性能與現(xiàn)有各類 FMCW 測距成果性能對比。(c) 含跳模的原始測距信號時域波形。(d) 結(jié)合實測頻率重構(gòu)后的分段測距信號 S1–S8。(e)DEFT 測得的八段跳模激光瞬時頻率 F1–F8。（f）跳模激光測距校準前后效果對比。（g）測距結(jié)果艾倫偏差

實驗中，跳模調(diào)頻激光被分為兩路：一路進入測距光路用于獲取原始干涉信號，另一路進入DEFT以同步測量激光瞬時頻率（圖4a）。由于跳模與非線性調(diào)頻影響，原始時域信號出現(xiàn)明顯相位跳變以及非線性（圖4c）；研究人員利用DEFT測得的高精度瞬時頻率對測距信號進行頻率重采樣，從而有效消除非理想調(diào)頻引入的信號畸變（圖4d）。未經(jīng)DEFT校正的距離譜存在大量雜峰，難以解算真實距離（圖4f）；經(jīng)頻率校正與重構(gòu)后，距離譜呈現(xiàn)單一清晰主峰，實現(xiàn)高精度距離解算（圖4f）。該結(jié)果表明，DEFT能夠有效修正跳模、非線性及頻率重疊引起的測距失效，為跳模激光器在相干測距領(lǐng)域的應用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

四、100 MHz 高刷新測距

DEFT校準下的高速FMCW測距系統(tǒng)實現(xiàn)了超高幀率測距能力與多維性能驗證。精度測試結(jié)果表明，100 MHz測距刷新率下的單次10 ns短時測距精度為35.3 μm，經(jīng)20 μs積分平均后提升至0.89 μm（圖4g）。性能對比顯示，2×101? Hz/s超高啁啾率光源實現(xiàn)100 MHz測距刷新率（超越文獻報道最高水平1個數(shù)量級），而大帶寬VCSEL方案實現(xiàn)0.268 mm空間分辨率，兼顧分辨率與刷新率的平衡（圖4b）。對比結(jié)果顯示，超高啁啾率FMCW方案顯著提升測距刷新率，而VCSEL與DEFT結(jié)合的方案可同時滿足高分辨率與高速動態(tài)測量需求，為自動駕駛等高速動態(tài)場景提供了可行技術(shù)路徑。

五、真實三維場景點云驗證

團隊搭建了基于跳模DFB激光器的三維FMCW激光雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)室外實景三維成像。在20 m測試距離與24°×20°視場條件下，系統(tǒng)成功重建清華園二校門的高密度三維點云并實現(xiàn)真實行人的精細三維點云重構(gòu)。

六、總結(jié)與展望

本研究提出基于集成鈮酸鋰電光梳的雙電光梳頻率追蹤（dual electro-optic comb-based frequency tracking, DEFT）技術(shù)，利用可大范圍調(diào)諧重復頻率的寬帶電光梳，實現(xiàn)最高2×101? Hz/s超高啁啾率調(diào)頻激光瞬時頻率的實時高精度測量，為高速動態(tài)激光頻率溯源提供了一種全新技術(shù)方案。基于DEFT測頻校準能力，研究團隊對存在嚴重跳模和非線性的商用調(diào)頻激光器進行了頻率校正，實現(xiàn)了高精度FMCW測距與戶外三維成像，并利用高啁啾調(diào)頻激光實現(xiàn)了最高100 MHz刷新率的高性能測距，突破傳統(tǒng)光頻梳測頻與FMCW測距在動態(tài)范圍與實時性方面的雙重限制。DEFT不僅適用于激光雷達，還可擴展至高精度氣體光譜檢測、微波/太赫茲計量、時空基準標定及生物醫(yī)學光學成像等領(lǐng)域，為基礎研究與工程應用提供通用性技術(shù)支撐。

論文信息

Yang, W., Jia, X., Wang, J. et al. Electro-optic comb-empowered measurement of the dynamic frequency of a laser. Nat. Photon. (2026).

https://doi.org/10.1038/s41566-026-01957-5

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