光频梳技术突破：迈向厘米级精度的下一代导航系统

光学原子钟有望将手机、计算机和导航系统中的时间与地理定位精度提升千倍，但受限于体积庞大与结构复杂，其广泛应用仍面临挑战。

近日，美国普渡大学与瑞典查尔默斯理工大学的研究团队开发出一项创新技术，通过集成微型芯片级“光频梳”（microcomb），成功将超精密光学原子钟系统大幅小型化，为导航、自动驾驶及地理数据监测等领域带来革命性进步。相关成果发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊。

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研究人员展示的光子芯片（位于图像右侧）包含 40 个微梳发生器，宽度仅为 5 毫米。

当前全球400余台原子钟支撑着电子设备的高精度授时与定位。无论是机械钟表、智能手表还是原子钟，其核心均由两部分构成：振荡器与计数器。振荡器以固定频率周期性振动，计数器则记录振动周期数。原子钟通过测量原子在两种能级间跃迁的振荡频率实现计时，其精度可达微波频段的十亿分之一。

近年来，研究者尝试用激光替代微波激发原子振荡，催生了光学原子钟。这类时钟如同刻度极细的“光尺”，将1秒切分为更细微的时间片段，使时间与位置指示精度跃升数千倍。

传统光学原子钟依赖复杂激光系统与光学元件，体积庞大，仅能部署于实验室环境。研究团队通过引入芯片级光频梳，攻克了系统小型化难题。光频梳可产生均匀分布的光谱频率，其原理类似梳齿排列。“通过将某一梳齿频率锁定至激光频率，再与原子钟振荡同步，我们实现了信号的高精度传递。”普渡大学共同通讯作者Minghao Qi教授解释道。

光学原子钟的振荡频率高达数百太赫兹（THz），远超电子电路直接计数的能力。研究团队开发的微梳芯片充当了光信号与射频信号间的桥梁，将原子钟的高频振荡转换为可处理的低频信号。查尔默斯理工大学光子学教授Victor Torres Company强调：“微梳的微型化特性在保持精度的同时，显著缩小了系统体积。”

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Minghao Qi 教授在实验室中展示微梳芯片

系统稳定性要求光频梳频率与原子钟信号精确对齐，并实现“自参考”（self-reference）。研究第一作者Kaiyi Wu博士指出，单一光频梳无法满足需求，团队创新性地采用双微梳配对方案：两套光频梳的齿间距（频率间隔）接近但存在微小偏移（如20 GHz），通过偏移频率生成可电子检测的时钟信号，从而将原子钟的时间信号转化为易处理的射频信号。

新系统采用集成光子学技术，将光频梳、原子源、激光器等组件集成于微米至毫米级芯片，大幅降低尺寸与重量。Kaiyi Wu博士表示：“这项技术为量产铺平道路，使光学原子钟成本下降、适用性扩展。”尽管仍需调制器、探测器等外围组件，但研究已展示出芯片级系统的可行架构。

未来，材料与制造技术的进步有望进一步优化系统，推动超精密计时成为移动设备的标配功能。

正如Victor Torres Company所展望：“我们正迈向一个手机和电脑内置原子钟的时代，厘米级定位与微秒级同步将彻底改变无人驾驶、通信网络与地球科学监测。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01617-0