光频梳，为何成为如今的光子学“顶流”？

近两年，光频梳的关注度格外高，它听起来像一个冷门的物理名词，却频繁出现在集成光子学、精密测量、高速通信、光谱检测和空间探测等前沿方向中。近期光频梳受到重点关注，大抵是因为科学家正在把原本放在实验室里的光学“尺子”做进更小、更稳定、更容易使用的芯片里。

在现代科学和工程系统中，光不只是照明工具，也是测量时间、识别物质、传输信息和感知空间的重要载体。谁能更准确地控制光、读取光，谁就可能在下一代通信、传感、光钟和空间探测中占据主动；而光频梳的价值，正是让人类能够像读尺子刻度一样，精准读出光的频率。它名字里的“梳”，可以理解成梳子的梳齿。在光谱图上，它会形成一根根间隔整齐的频率线，看起来就像一把梳子；每一根梳齿都对应一个确定的光学频率，因此科学家可以借它来给光的频率做标尺。

今天，我们就来系统地讲讲“光频梳”。

图1 片上化集成光频梳器件与示意图（来源：NIST；UC Santa Barbara College of Engineering）

光频梳并不是突然出现的新概念，它的技术源头可以追溯到激光精密光谱学的发展。早期科学家面对的核心问题是光的频率极高，普通电子设备难以直接计数，但如果不能准确测量光的频率，就很难进一步提高时间、长度和光谱测量的精度。光频梳正是在解决这一矛盾的过程中中逐渐发展起来的，它通过一系列等间隔的光学频率谱线，为光的频率建立了可识别、可比较、可追踪的刻度。而真正让光频梳进入科学史重要地位的，是它在精密测量中的突破。它让光学频率与电子频率之间建立起了清晰的对应关系，使原本难以直接读取的光学信号，能够被转换为电子系统可以处理和锁定的信号。借助这一技术，光钟、精密光谱和基础物理测量的精度得以进一步提升；也正因为这一贡献，光频梳成为现代精密计量中极具标志性的技术之一。

光频梳近几年格外受关注，是因为它正在经历一次身份变化——过去，它主要是精密计量中的光学尺子；现在，它正在向芯片级、宽带化、低功耗、可调谐和系统集成方向发展。也就是说，它不再只是用来证明科学测量可以有多精确，也开始回答另一个更现实的问题，那就是这样一把精密的光学尺子，能不能被做得足够小、足够稳定、足够便宜，最终成为更多光子系统中的基础器件。

早期光频梳更多依赖飞秒锁模激光器和复杂实验平台，它精密、强大，却也体积大、系统复杂、成本较高，主要服务于少数高水平实验室。虽然它能把光的频率测得非常准，但还难以实现广泛部署和工程化应用。后来，光频梳的发展慢慢开始出现新的转折，研究人员不再只满足于获得稳定的频率梳，而是希望把它做得更小、更简单、更低功耗，并尽可能集成到芯片上。微腔光梳的出现，是这一转变中的重要节点，它利用微小光学谐振腔中的非线性效应产生频梳，使光频梳有机会从大型飞秒激光系统走向微纳尺度器件。相比于传统系统，微腔光梳在体积、功耗和集成潜力上都更具想象空间，也让片上光频梳成为新的研究方向。

图2 (a)连续可调相干脉冲半导体激光器的器件结构^[1](b)薄膜钽酸锂平台上的超宽带集成电光频梳^[2](c)量子点碰撞脉冲锁模激光器产生的片上光频梳

近些年，电光频梳、半导体锁模光梳和新型集成材料平台进一步推动了这一趋势。而发表在Advanced Photonics 上的一项研究，则展示了可调幅度调制和频率调制光频梳^[3]。该工作基于量子点碰撞脉冲锁模激光器，构建了可用于光子集成电路的片上光频梳源。薄膜铌酸锂、薄膜钽酸锂、氮化硅、硅光子和III-V半导体等平台的发展，让光频梳不再只是一套独立实验系统，而是逐渐变成可以与波导、调制器、探测器、驱动电路和封装结构协同设计的片上光源。它的技术重心，也从能否产生频梳转向能否稳定地产生、能否宽带覆盖、能否低功耗运行、能否与系统集成。因此，光频梳的火并不是短期热点，而是技术路线逐渐清晰后的自然结果。它一端连接着精密测量领域的核心价值，另一端连接着集成光子学和芯片制造的发展趋势。正是这种从高精度实验仪器到芯片级光源平台的转变，让光频梳在今天站到了前沿技术的中心。它的变化不只是尺寸变小，更重要的是应用边界正在被拓宽。

光频梳的第一个典型应用场景是光学原子钟。光钟利用的是光学频段的原子跃迁，比传统微波频率基准拥有更高的频率尺度。但光学频率太高，电子系统无法直接计数。光频梳在这里就像频率齿轮箱，把光的节拍一步步转换到电子系统能够读取的范围内；没有光频梳，光钟的高精度就很难真正进入可比较、可传输的计量体系。2025年，Wu等人利用两组游标微梳完成光学频率分频，将871 nm超窄线宽激光对应的高频信号转换为约235 MHz的电子信号，并提出了面向芯片级光学原子钟的集成方案。这表明，光频梳正从大型实验室计量装置逐步走向小型化、集成化光钟系统^[4]。

图3 光频梳在集成光学原子钟中的应用

第二个场景是高速光通信。现代数据中心和光纤通信系统需要同时传输越来越多的信息，常用方法是让不同波长的光承担不同的数据通道。光频梳天然能够一次产生多条稳定、等间隔的光学载波，相当于在一个器件中提供一组高度一致的多波长光源。对于追求高带宽、低功耗和高集成度的通信系统来说，这一点非常具有吸引力。2025年底，Han等人利用自注入锁定暗脉冲微梳实现了单波长、单纤芯1 Tbps的传输，并借助16条梳齿将多节点聚合传输容量提升至200 Tbps；其芯片级并行载波发生器还将系统体积缩小约两个数量级。这类成果显示，微梳正在成为数据中心和高性能计算互连中的重要多波长光源^[5]。

图4 相干微梳驱动的轻量化高速光通信架构

第三个场景是光谱检测。不同分子会在特定频率吸收光，光谱就像物质的指纹。双光梳光谱可以利用两把频率略有差异的光频梳进行干涉测量，在不依赖传统机械扫描的情况下获得高分辨率光谱信息。它有望用于环境气体监测、燃烧诊断、医学呼气分析和工业过程检测。2025年，Zhong等人实现了阿瓦级灵敏度的宽带光子计数双光梳光谱，在强烈光路扰动下仍保持梳齿分辨能力，并完成了开放大气路径中的二氧化碳、水和半重水远程监测。这说明双光梳光谱正在从实验室测量走向大气监测、痕量气体检测和复杂环境遥感^[6]。

图5 湍流开放光路中的光子计数双光梳光谱检测系统

第四个场景是测距、雷达和空间探测。激光雷达需要快速、准确地测量目标距离和速度，而光频梳具有稳定频率间隔、宽光谱和高相干性的特点，天然适合高精度距离测量。在天文观测中，光频梳还可以为光谱仪提供稳定校准参考，帮助科学家捕捉恒星光谱中极其微小的位移。2025年，Wang等人利用集成微腔中产生的相干孤子对实现了双光梳测距，在极低回波光子数条件下仍达到1 nm量级的测距精度，并能够测量频率高达0.9 MHz的纳米尺度振动。该研究表明，高精度双光梳测距有望与晶圆级光子芯片结合，服务于精密制造、工业检测、卫星编队和空间测量^[7]。

图6 基于对向传播微腔孤子的相干双光梳测距系统

不过，光频梳要真正走向广泛应用，并不是简单地把器件做小就可以了。对于一把光学尺来说，最重要的不只是有多少根梳齿，而是这些梳齿能否长期保持稳定、可控和可重复。那么随之而来的就有几道难题待解。第一道难题是稳定性。芯片尺度下的温度变化、材料损耗、泵浦光波动和加工误差，都可能影响频梳运行。尤其是在微腔光梳中，孤子态的产生和维持往往需要精细调控。如果频梳的刻度本身不够稳定，它就很难承担精密测量和系统应用的任务。第二道难题是系统集成。频梳芯片只是核心器件，真正使用时还需要与激光器、调制器、探测器、驱动电路、温控模块和封装结构协同工作。如果外围系统仍然复杂、昂贵、难以维护，芯片化的优势就会被削弱。因此，未来的关键不只是做出好看的芯片指标，而是把整个系统做得可靠、易用、可量产。第三道难题是应用适配。精密计量看重绝对准确度，光通信关注通道数量和功率均匀性，分子光谱需要宽带覆盖和高相干性，测距系统则要求低噪声和快速响应。光频梳并不存在一种适合所有场景的万能方案，不同应用需要不同类型的频梳平台和系统设计。

光频梳值得继续关注，并不只是因为它本身足够精密，更因为它正在成为多个前沿技术共同需要的基础能力。接下来，光频梳真正需要回答的问题，已经不只是能不能产生频梳，而是能不能稳定、低功耗、低成本地用起来。这意味着，芯片集成、系统封装、温度控制、长期稳定性和规模化制造，都会成为决定它能否走出实验室的关键。也许在未来，光频梳不会总是以庞大实验装置的形式出现。它可能隐藏在一块光子芯片中，装进一台光钟、一部传感器、一套激光雷达，或是一颗深空探测器。到那时，这把藏在光谱里的尺子，将真正走出实验室，成为人类认识世界、丈量世界和连接世界的重要工具。

科学编辑 | 张栋宇

编辑 | 徐睿