光子级微腔孤子实现纳米级双梳测距技术突破

研究人员针对纳米技术至卫星编队等应用场景对低回波功率、快速测量、高精度且抗强度波动的激光绝对测距需求，利用集成微谐振器产生的相干孤子对实现了双梳测距（DCR）技术突破。通过建立DCR精度与梳线功率的定量关系模型，揭示了微梳大线间距在精密测距中的优势，系统达到1纳米精度并实现0.9 MHz高频振动测量，仅需单脉冲5.5×10-4个光子的极低接收功率。该研究为双梳系统优化提供了理论框架，推动了高性能测距技术与芯片光子的融合。

　　

在纳米制造和卫星编队等前沿领域，实现快速、高精度的绝对距离测量一直是重大技术挑战。传统激光测距技术往往难以兼顾低功耗、高精度和抗干扰等核心指标，而基于光学频率梳的双梳测距（DCR）技术虽能提供纳米级精度，却受限于系统复杂度和功耗。这一领域的关键突破点在于如何将DCR技术的优势与光子集成电路（PIC）的微型化特性相结合。

清华大学的研究团队通过创新性地利用氮化硅（Si₃N₄）微谐振器中产生的反向传播孤子对，成功实现了兼具超高精度与极低功耗的DCR系统。该成果发表于《Nature Communications》，首次建立了DCR精度与射频域信噪比（rSNR）的定量关系模型，揭示了微梳大线间距（100 GHz）在提升测距精度中的物理机制。

研究团队采用三项关键技术：1）通过Vernier频率锁定（VFL）实现反向传播孤子的被动互相干；2）建立rSNR与测量精度的数学模型（σ=√3c/(2πB√N√rSNR_eff)）；3）开发抗强度噪声的多外差相位检测算法。实验系统在仅7 pW接收功率（相当于单脉冲0.9百万光子）条件下，仍能保持0.4 nm/√Hz的振动检测灵敏度。

主要研究发现

1. 1纳米精度测距
   通过拟合30条梳谱线的相位线性关系（图1f-h），系统实现0.5 nm·√s的归一化精度，实测距离波动仅1.1 nm（0.2 s积分时间）。理论验证表明精度与梳线数N遵循N^-3/2标度律（图2c）。

2. 极端条件下的稳定测量
   在67 dB衰减（7 pW接收功率）和30%强度噪声干扰下（图3e-g），系统仍保持nm级精度，相位测量完全不受振幅波动影响，突破传统时域测距（tToF）的技术局限。

3. MHz级动态振动检测
   利用单帧干涉图实现1.83 MHz更新速率（图4a），可解析0.9 kHz振动信号（信噪比66 dB），灵敏度达0.4 nm/√Hz（图4c）。理论预测与实验证实DCV最高频率与接收功率呈线性关系（图4e）。

该研究不仅为芯片化纳米测距提供了新范式，其理论模型更适用于双梳光谱、全息等相位敏感测量领域。通过将DCR精度与rSNR的定量关系（式2）拓展至微梳系统，研究人员证明大线间距可显著降低所需光功率（式5），这一发现纠正了"微梳低总功率是劣势"的传统认知。硅基氮化器件与CMOS工艺的兼容性，为未来量产纳米级LiDAR芯片铺平了道路。正如讨论部分指出，该技术有望应用于集成电路表面检测、薄膜材料分析等低反射率场景，其抗强度噪声特性还可用于区分大气湍流引起的振幅/相位波动。