【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王俊研究員團(tuán)隊(duì)于《Advanced Photonics Nexus》發(fā)表題為“Advances in chip-scale cold atom photonic technologies”的綜述文章。文章系統(tǒng)梳理了近年來芯片級(jí)冷原子傳感技術(shù)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，具體包括面向冷原子系統(tǒng)的片上激光穩(wěn)頻與窄線寬技術(shù)、光子?原子耦合芯片、微型高真空腔、平面磁線圈及集成微腔光頻梳等核心部件的最新進(jìn)展，并對(duì)全芯片化冷原子平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)作出展望。
 

　　冷原子系統(tǒng)憑借超長相干時(shí)間和超高測量精度，在原子鐘、慣性導(dǎo)航、重力測量等領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)裝置依賴龐大的自由空間光學(xué)元件，受限于尺寸、重量、功耗與成本(SWaP?C)，難以走出實(shí)驗(yàn)室。光子集成芯片(PIC)為解決這一瓶頸提供了根本性路徑。近年來，研究團(tuán)隊(duì)圍繞芯片級(jí)冷原子系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題展開系統(tǒng)研究，在多個(gè)核心方向取得系列進(jìn)展：
 

　　在片上激光穩(wěn)頻與窄線寬方面，綜述了基于集成原子氣室的激光穩(wěn)頻方案、硅基Pound?Drever?Hall(PDH)穩(wěn)頻芯片以及亞赫茲線寬的片上受激布里淵散射(SBS)激光器。特別值得關(guān)注的是，鈦寶石薄膜激光器通過異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)了730–830?nm可見光波段片上光源，閾值低至6.5?mW，為芯片化冷原子光源開辟了新路徑。
 

　　在片上光子?原子耦合方面，文章從傳統(tǒng)六束磁光阱(MOT)出發(fā)，系統(tǒng)回顧了金字塔型、三鏡型、光柵型以及波導(dǎo)光柵MOT和超表面(metasurface)MOT的演進(jìn)歷程。其中，光柵MOT(GMOT)僅需單束入射光即可實(shí)現(xiàn)三維冷原子俘獲，原子數(shù)達(dá)107量級(jí)、溫度低至3?μK；基于硅基波導(dǎo)光柵的MOT芯片，通過模式擴(kuò)展器和彎曲光柵實(shí)現(xiàn)了毫米尺度出射光斑，在芯片上方約9?mm處形成MOT；超表面MOT可在厘米尺度芯片上產(chǎn)生108量級(jí)87Rb冷原子，為單片集成提供了新范式。
 

　　在微型高真空腔與平面線圈方面，綜述了增材制造(3D打印)鈦合金腔、陶瓷腔及MEMS硅基腔的最新成果，部分方案可在被動(dòng)維持下實(shí)現(xiàn)10???Pa真空并穩(wěn)定工作超500天。同時(shí)，單層或雙層PCB反亥姆霍茲線圈可產(chǎn)生10?G/cm梯度磁場，結(jié)合光柵芯片和MEMS腔實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)MOT。
 

　　在集成微腔光頻梳方面，微腔光梳可在單個(gè)芯片上產(chǎn)生寬譜、相干的頻率網(wǎng)格，用于絕對(duì)光學(xué)頻率鎖定、光頻合成及泵浦?信號(hào)光的相位相干鏈接，有望大幅簡化冷原子系統(tǒng)的激光架構(gòu)。
 

　　在系統(tǒng)集成與應(yīng)用方面，文章展示了緊湊型冷原子傳感的典型實(shí)例，包括：集成MOT無人機(jī)平臺(tái)；增材制造超真空腔體實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)僅0.15?m3、3.2?kg的輕量化MOT；鉆孔可部署MOT；以及研究團(tuán)隊(duì)自身實(shí)現(xiàn)的基于超表面芯片的緊湊MOT。
 

　　展望未來，文章指出，芯片級(jí)冷原子平臺(tái)正經(jīng)歷從“分立器件驗(yàn)證”向“全片上集成”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型。核心挑戰(zhàn)包括：①超低損耗可見光波導(dǎo)與超高Q諧振器——實(shí)現(xiàn)片上激光穩(wěn)頻與窄線寬的關(guān)鍵；②高效光子?原子耦合——需解決偏振轉(zhuǎn)換、大功率出射及多波長異質(zhì)集成問題；③芯片級(jí)低漏氣被動(dòng)高真空系統(tǒng)——擺脫主動(dòng)離子泵，實(shí)現(xiàn)長壽命封裝；④片上冷原子云的退相干抑制——需攻克近表面Casimir?Polder效應(yīng)、Johnson噪聲等物理極限。
 

　　隨著光芯片技術(shù)與冷原子物理的深度融合，全芯片化冷原子傳感器將在下一代量子導(dǎo)航、星載原子鐘、移動(dòng)重力梯度測量及中性原子量子計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用。
 

　　本工作中，上海光機(jī)所楊曉飛為第一作者，王俊研究員和陳衛(wèi)標(biāo)研究員為共同通訊作者。相關(guān)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2024YFA1409400)等項(xiàng)目資助。
 

　　引用：上海光機(jī)所發(fā)表《芯片級(jí)冷原子傳感技術(shù)進(jìn)展》綜述上海光學(xué)精密機(jī)械研究所【引用時(shí)間：2026年5月22日】