通过单通道光子集成电路中的最小相位实现亚皮米级波长回归

为何这个微小芯片重要

光是互联网、医学扫描仪、环境监测乃至原子钟的基础。许多此类技术需要以极高的精度知道激光的颜色或波长。现今，这常常依赖体积大且精密的仪器，它们将光分成多条路径并占用大量空间。本工作展示了一种毫米级光子芯片，能在仅使用单一路径的情况下读取激光波长，精度优于万亿分之一米（皮米量级以下）。这种精度与简洁性的结合，可能推动实验室级光学工具向便携设备和未来的片上传感器迁移。

读取光的颜色的挑战

传统的片上光谱仪在多项权衡之间取舍。将光分散到许多通道或使用多个光学腔的设计可以达到高分辨率，但随之体积增大、信号强度下降且制造难度增加。基于干涉仪的方法通过将沿略微不同路径传播的光混合，既可紧凑又能覆盖宽波段，然而它们通常只测量光强，而非相位——波振荡的隐藏定时信息。在接近干涉零点处，输出强度几乎消失，微小误差会被放大，限制了波长读取的精度。在微小的光子电路中，将光分散到多条路径也会降低信噪比，尤其当每分贝的损失都重要时。

倾听隐藏的定时

作者通过仅用强度测量来恢复相位信息，从而应对这一限制。他们聚焦于一种常用器件：非对称马赫-曾德尔干涉仪，在该器件中，光被分束、沿两条不同长度的路径传播后再合并。在特定的“最小相位”条件下，强度随波长的形状在数学上与相位曲线相联系。通过仔细选择分束比和路径长度差，团队导出了一个边界条件来保证这种最小相位行为。随后他们在仿真和实制芯片中表明，对测得的强度应用希尔伯特变换可以在实际波长范围内高保真地重构相位。

从原始信号到精确波长

在此基础上，研究者设计了将恢复的相位转为准确波长读数的算法。在单延迟设计中，先用已知激光在窄范围内扫频对器件进行校准。将强度数据处理以提取干净的相位斜率，然后用简单的线性模型将相位斜率与波长联系起来。当随后将未知激光输入同一电路时，测得的相位可直接揭示其波长，误差仅为几皮米。对不同芯片和干涉仪几何结构的测试表明，校准与测量之间匹配路径长度差至关重要，因为该斜率的任何变化都会转化为推断波长的系统性偏移。

叠加延迟以获得更清晰的图像

作者随后将设计推广到一种更强大的结构，仍然仅使用一个输入和一个输出。他们构建了一组稀疏的延迟路径，每条路径都是设定总体波长窗口的短参考路径的整数倍。更长的路径对微小波长变化响应更强，从而提高分辨率。通过分析重构信号的频谱，他们分离出每个延迟的贡献，并用包含色散（导波中光速随波长的微小依赖）的二阶多项式对其相位建模。一种巧妙的多级算法首先使用最短延迟确定绝对波长区间，然后用更长的延迟细化估计。在覆盖10纳米窗口的氮化硅芯片实验中，最终阶段达到了亚皮米均方根误差。

这对未来设备意味着什么

用通俗的话说，这项工作展示了如何将单一路径的紧凑光路变成高精度的颜色计，通过从强度测量中“倾听”光波的定时信息。作者没有构建越来越复杂的多路径光谱仪，而是利用数学结构和精心设计的延迟，从简单信号中提取相位信息。结果是一款片上波长计，能解析远小于原子尺寸的位移，同时保持鲁棒性并较易制造。这样的单流最小相位设计，可能成为未来片上光谱仪、精密激光监测器和将高端测量能力从专业实验室带入集成系统的光学传感器的基础。

引用: Rubio Rivera, H.A., Neim, L., Deenadayalan, V. et al. Achieving sub-pm wavelength regression via minimum-phase in a single-stream photonic IC. Nat Commun 17, 4464 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71087-7

关键词: 光子芯片, 波长计, 集成光谱仪, 最小相位, 激光波长传感