超精细跃迁参考的可见光集成光子学矢量光谱分析仪：实现兆赫精度与倍频程带宽表征

研究人员针对可见光集成光子学缺乏高分辨率宽谱表征技术的难题，开发了基于超精细跃迁参考的矢量光谱分析仪(VSA)。该技术通过啁啾周期极化铌酸锂(CPLN)波导实现766-795 nm和518-541 nm双波段倍频转换，结合Rb/K原子和I2分子参考实现MHz级频率精度，成功应用于Si3N4微环谐振器的损耗(0.14 dB/cm)、色散(Dint)及锁模激光光谱表征，为原子钟、量子接口等应用提供关键诊断工具。

　　

在光子芯片技术席卷近红外通信波段的同时，科学家们正努力将集成光子学推向可见光领域——这个涵盖原子钟、生物传感和量子信息处理的关键光谱窗口。然而，可见光集成器件的性能表征长期面临"盲区"：商用可调激光器存在模式跳变，传统波长计分辨率不足，而马赫-曾德尔干涉仪只能逐个谐振峰测量。这些技术瓶颈严重制约着芯片化原子钟等前沿应用的发展。

中国科学技术大学量子信息与量子物理卓越研究中心的研究团队在《Nature Communications》发表突破性解决方案。他们创新性地将光纤光频梳技术与原子分子光谱基准相结合，研制出全球首台覆盖766-795 nm（Rb/K原子线）和518-541 nm（I₂分子谱）双波段的矢量光谱分析仪(VSA)。该仪器不仅实现161 kHz的超高分辨率（相当于430万光学品质因子Q的测量能力），更通过独创的啁啾周期极化铌酸锂(CPLN)波导，将二次谐波(SHG)转换带宽提升至15.1 THz，较传统PPLN波导扩展91倍。

关键技术包括：1) 采用1532-1590 nm宽带啁啾激光器，通过掺铒光纤放大器(EDFA)和CPLN波导级联实现68.6 mW可见光输出；2) 利用光纤腔FSR（自由光谱范围）校准和Rb/K原子饱和吸收光谱实现双基准频率锁定；3) 开发调制转移光谱(MTS)技术解析I₂分子复杂超精细结构；4) 结合近红外与可见光同步测量实现倍频程色散表征。

超宽带二次谐波生成
通过设计渐变周期（18.1-19.9 μm）和动态占空比的CPLN波导，在20 mm长度内实现0.247%/W/cm²的归一化转换效率。如图2h所示，其3 dB带宽达15.1 THz（377.4-392.5 THz），支持单次扫描测量588个微环谐振峰。

原子分子频率基准
如图3所示，利用Rb D₂线（384.2286 THz）和K D₁线（389.2863 THz）的13个超精细跃迁作为绝对频率标尺，结合I₂分子R(56)32-0线（563.2600 THz）实现跨波段校准，最终频率精度达8.1 MHz（Rb/K波段）和11.5 MHz（I₂波段）。

微环谐振器表征
如图4所示，在766-795 nm波段测得Si₃N₄微环本征损耗κ₀/2π=90 MHz（对应Q₀=4.3×10⁶），通过284个可见光谐振峰与1064个近红外谐振峰的联合分析，首次实现倍频程色散曲线拟合（至D₆项）。该数据揭示商用Si₃N₄折射率模型存在显著偏差，为色散工程提供关键校准依据。

锁模激光解析
如图6e-f所示，VSA以3 MHz分辨率解析80 MHz间隔的锁模激光纵模，相较商用光谱仪(50 GHz分辨率)展现出1600倍的细节分辨能力。在0.267米长的Si₃N₄螺旋波导中，测得群折射率n_g=2.1088和传播损耗0.084 dB/cm。

这项研究标志着可见光集成光子学表征技术的范式突破。通过将原子钟级别的频率精度与光纤通信领域的宽带测量技术相融合，不仅解决了芯片化原子钟开发中的关键诊断难题，更为非线性频率转换、量子-光子接口等前沿研究提供了通用工具平台。特别值得注意的是，该VSA系统已实现518-541 nm、766-795 nm、1020-1098 nm和1260-1640 nm四波段联用，其总表征带宽超过一个倍频程，这种"光谱显微镜"般的能力将为多波段非线性光学效应研究和异质集成器件优化带来全新可能。