《Photonics》：Parameter Design and Development of Ultra-Narrowband Optical Frequency Discriminator for Application to Quantum Technology
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量子技术与单光子激光雷达的快速发展对探测系统在带宽抑制、波长稳定性和传输精度方面提出了日益严苛的要求。然而，传统窄带滤波器在亚纳米带宽控制与高温稳定性方面存在不足，因而无法支持高精度测量。因此，超窄带光学滤波器已成为克服这些性能瓶颈的关键途径。本文聚焦于研制此
量子技术与单光子激光雷达的快速发展对探测系统在带宽抑制、波长稳定性和传输精度方面提出了日益严苛的要求。然而，传统窄带滤波器在亚纳米带宽控制与高温稳定性方面存在不足，因而无法支持高精度测量。因此，超窄带光学滤波器已成为克服这些性能瓶颈的关键途径。本文聚焦于研制此类滤波器所涉及的核心技术。在设计阶段，基于法布里-珀罗(Fabry–Perot, F-P)标准具的多参数优化将应用需求转化为制造参数。在基板制造方面，采用计算机数控(computer numerical control, CNC)铣削、研磨、化学机械抛光(chemical–mechanical polishing, CMP)与离子束抛光的依次工艺，并结合原子层沉积(atomic layer deposition, ALD)台阶形成与离子束蒸镀镀膜，以实现纳米级面形与粗糙度。温度控制采用双罐混合循环系统，稳定性维持在±0.1 °C以内。测试结果表明，所制备的滤波器半高全宽(full width at half maximum, FWHM)为30–60 pm，自由光谱范围(free spectral range, FSR)为260 ± 5 pm，温度稳定性≤3 pm/°C，峰值透射率≥80%。这些结果初步证实了该器件优异的综合性能。
近年来，量子计算、量子通信、量子传感与成像等前沿技术发展迅速，其中量子激光雷达凭借单光子探测灵敏度与高时空分辨率，成为深空探测和环境监测的关键技术。然而，单光子探测极易受背景光干扰，微弱信号光子容易被强背景噪声淹没，导致系统信噪比严重下降甚至失效，这是限制该技术广泛应用的核心瓶颈。为突破这一瓶颈，超窄带光学频率鉴别器被引入激光雷达探测中。这类器件具有皮米级带宽的“光学窗口”，可以只允许目标波长范围内的回波光子通过，有效抑制带外杂散光；同时具备频率锁定与跟踪能力，可补偿激光器在轨环境中因温度波动、机械应力等引起的频率漂移。目前主流鉴频技术包括分子/原子滤波和干涉滤波。分子/原子滤波利用分子振动-转动能级跃迁或原子共振吸收实现超窄带滤波，具有亚纳米级光谱分辨率和绝对波长稳定性，但系统体积大、成本高、环境鲁棒性有限；干涉滤波基于光学干涉原理，灵活性和可调性更好，其中基于法布里-珀罗(F-P)标准具的鉴频器已在高精度激光雷达中获得广泛应用。然而，传统薄膜滤波器、布拉格光栅和空气隙F-P器件在带宽与透射率之间往往存在固有折中，且热漂移较大、辅助调谐结构笨重，限制了当前激光雷达系统的探测精度和工程实用性。为此，该论文在《Photonics》上发表了一项研究，创新性地开发了覆盖理论设计、工程制造和实验验证的高性能F-P标准具鉴别器全流程技术体系。
研究人员首先建立了系统化的多参数设计方法，通过数值模拟探索关键光学参数对器件性能的独立影响与耦合机制，将系统级指标量化为制造参数和误差容限。在制造阶段，采用依次进行的计算机数控(CNC)铣削、研磨、化学机械抛光(CMP)和离子束抛光实现基板的高精度面形，利用原子层沉积(ALD)形成纳米级厚度的F-P台阶，再通过离子束蒸镀镀制反射膜。温度控制方面，设计了基于冷热双水罐混合循环系统的高精度动态恒温方案，结合PID控制算法，将温度稳定性维持在±0.1 °C以内。最后，通过光谱扫描测量系统对6个样品进行测试，并利用Airy函数拟合提取器件参数。
在关键技术方法方面（不超过250字），研究人员采用基于F-P标准具的多参数设计方法，将系统指标转化为制造公差。基板经CNC铣削、研磨、CMP和离子束抛光，台阶由ALD形成，反射膜由离子束蒸镀制备。温度控制采用冷热双水罐PID混合循环系统。测试通过可调谐激光器光谱扫描，利用波长计监测波长，结合Airy函数拟合获取FSR、FWHM、透射率和反射率。共制备6个样品，分别设计为反射率50%、60%和70%各两个，用于验证不同参数下的性能。
研究结果部分，论文按照以下小标题组织：
1. 引言：该部分指出量子激光雷达对滤波器在带宽抑制、波长稳定性和传输精度上的严格要求，概述了现有分子/原子滤波和干涉滤波的优缺点，以及传统薄膜滤波器、布拉格光栅和空气隙F-P器件的不足，进而引出研制高性能F-P标准具鉴别器的必要性。
2. 超窄带光学鉴别器的基本原理：在“理想鉴别器”部分，研究人员推导了F-P标准具的透射率函数（Airy函数），定义了自由光谱范围(FSR)、半高全宽(FWHM)和细度(F)，并给出FSR与腔长、折射率的关系。在“实际鉴别器”部分，分析了吸收损耗、镜面缺陷（平行度偏差、面形误差、表面粗糙度）和介质材料热效应的影响。研究表明，吸收损耗会显著降低峰值透射率；镜面缺陷会降低有效细度和有效反射率，并展宽FWHM；温度变化通过热膨胀效应和热光效应引起中心波长漂移。
3. 超窄带光学鉴别器的研制：在“鉴别器设计”部分，根据技术指标计算得到腔长为0.364339 mm，有效细度范围为4.25–8.5，有效反射率范围为48.5%–70.2%，并通过数值分析给出制造公差约束。在“鉴别器制造”部分，通过CNC铣削、单面研磨和环抛、CMP及离子束抛光实现纳米级面形和粗糙度；ALD用于形成台阶，离子束蒸镀用于镀制反射膜，最终面形误差约0.009λ（PV≈5.7 nm），粗糙度约0.0018λ（RMS≈1.1 nm），平行度偏差约0.031角秒。在“温度控制”部分，采用双罐混合循环系统，达到±0.1 °C的控制精度。在“测试”部分，搭建了光谱扫描测量系统，通过分束器监测激光强度变化，归一化后获得绝对透射率。
4. 测试结果与分析：对6个样品进行Airy函数拟合，结果显示FSR均符合260±5 pm的设计范围，FWHM基本落在30–60 pm内，峰值透射率满足≥80%的要求，反射率拟合值与设计值偏差较小。温度稳定性测试通过对不同温度下中心波长进行线性拟合，得出所有样品的温度稳定性均≤3 pm/°C；在10–40 °C范围内，6个样品可实现约78–87 pm的连续中心波长调谐。测量不确定度分析表明，FSR的不确定度约为±0.4 pm，FWHM约为±1 pm，峰值透射率约为±0.5%，远小于样品间参数差异，证明器件性能差异主要来源于设计反射率而非测量误差。
在讨论部分，论文将研制的鉴别器与文献中代表性的窄带滤波器和F-P标准具进行对比：该鉴别器实现了97%–99%的高峰值透射率和30–60 pm的窄带宽，与ICESat-2/ATLAS系统采用的空间级标准具滤波器相当；同时提供了从设计到制造的完整流程、定量误差容限预算和测量不确定度分析，这在现有研究中较为少见。相比分子/原子谐振滤波器，本文提出的固体间隙F-P结构在保持高性能的同时，兼具结构紧凑、光透射率高和可制造性好的优点，更适合实际激光雷达应用。
结论部分可翻译为：为满足单光子激光雷达对高性能超窄带光学频率鉴别器的需求，本文提出了一种基于F-P标准具的鉴别器。首先，通过比较理想与实际鉴别器模型，系统分析了关键参数对器件整体性能的影响。随后，将系统级性能指标转化为可实现的光学设计参数，完成理论设计。在制造阶段，采用高均匀特种玻璃熔炼、高能离子束抛光和原子级表面处理等先进技术，制备了超高精度的纳米级光学表面及其镀膜。在温度稳定方面，采用基于双罐混合循环系统的高精度温度控制方案，控制精度达±0.1 °C。实验结果表明，所制备鉴别器的FWHM为30–60 pm，FSR为260±5 pm，温度稳定性≤3 pm/°C，峰值透射率≥80%，与设计指标吻合良好。该鉴别器为量子技术应用提供了器件级支撑，不仅可用于海洋遥感和气象监测的高性能星载单光子激光雷达，还有望应用于量子通信、光量子计算和量子增强高光谱成像等领域。
