麻省理工学院突破光学原子钟小型化瓶颈：集成螺旋腔激光器实现芯片级原子询问

    一、核心突破：芯片级光学原子钟成为现实
    美国麻省理工学院林肯实验室WilliamLoh与RobertMcConnell团队在《NaturePhotonics》（2025年19卷3期）发表重大研究成果，成功实现基于集成超高品质因子螺旋腔激光器的光学原子钟原子询问，为光学原子钟走出实验室、实现真正便携化铺平了道路。这一突破标志着光学原子钟向全集成、可大规模制造的先进时钟系统迈出关键一步，有望彻底改变导航、大地测量和基础物理研究等领域的时间测量技术格局。

    二、光学原子钟：从实验室到便携化的挑战
    光学原子钟凭借比微波钟高出两个数量级的计时精度，被视为下一代时间标准的核心技术。然而，现有可移动光学钟仍为米级装置，难以在实验室外应用；光子集成是实现小型化的关键路径，却面临芯片级参考腔稳定性不足的核心难题。传统光学钟依赖大型法布里珀罗腔提供超稳定参考，而芯片级光学谐振器因热噪声和折射率温度效应，稳定性大幅退化，此前最佳芯片集成参考腔性能仍无法满足原子锁定的严苛要求。

    三、技术革新：集成螺旋腔激光器的诞生
    研究团队开发的集成超高品质因子螺旋腔激光器，在26mm×32mm的芯片上实现了突破性性能：

    这一设计通过多模优化光功率传输，将激光器锁定至TE10模式降低功率相关频率偏移，成功解决了芯片级激光器的稳定性问题。

    四、原子询问实现：Sr⁺离子光学钟的性能飞跃
    研究团队将集成螺旋腔激光器倍频至674nm，成功实现对被俘获⁸⁸Sr⁺离子的原子询问并运转光学钟，同时攻克了片上光源漂移与原子锁定时间尺度匹配的关键挑战：
    1.抗漂移协议：通过激光漂移前快速执行原子光谱与锁定、引入积分增益补偿漂移的先进协议，解决了芯片光源短期稳定性与原子测量时间尺度不匹配的难题
    2.钟体性能：采用交错双反馈回路自比较法，测得时钟短期分数频率不稳定性达3.9×10⁻¹⁴/τ¹ᐟ²，1秒时模拟不稳定性为4.0×10⁻¹⁴，若减少死区时间可优化至2.1×10⁻¹⁴，稳定性较最先进微波钟提升一个数量级，是同类最佳实验室离子钟的32.5倍

    五、系统架构与噪声控制
    该集成光学钟系统由以下核心组件构成：
    1348nm外腔种子激光器
    超高品质因子螺旋谐振器
    LiNbO3倍频器
    片上离子阱系统
    激光分三路实现谐振腔探测、Sr离子询问与性能校准，系统噪声主要来自热折射噪声、电源线噪声及建筑振动，其中热折射噪声符合理论计算限值，线噪声可通过电源优化解决，高频噪声对钟体性能影响可忽略。

    六、未来展望：从芯片到全集成时钟系统
    研究团队提出了明确的性能提升路径与应用前景：
    1.性能优化方向：
    增加芯片腔长，进一步提升品质因子
    采用多离子片上阵列，延长离子询问时间
    预计未来可实现10⁻¹⁷级频率不稳定性，媲美实验室规模⁸⁸Sr⁺离子钟
    2.集成化与便携化：
    目前辅助组件为单独封装，未来可集成至单片芯片
    采用室温真空离子阱技术，进一步降低噪声、提升便携性
    3.应用价值：
    证实片上参考腔可满足原子物理高端应用的相干光需求
    相比光纤受激布里渊散射激光器，芯片集成方案更能实现光学钟的真正便携化
    为实验室外替代微波钟、构建全集成光学时钟系统开辟道路

    七、研究团队与学术贡献
    该研究由麻省理工学院林肯实验室WilliamLoh与RobertMcConnell教授领导，前者专注于超低损耗微谐振器与光子集成电路研究，后者深耕片上囚禁离子控制与便携式光学钟紧凑型技术开发。这一成果不仅为光学原子钟的小型化与便携化奠定了技术基础，也为光子集成技术在量子精密测量领域的应用提供了新的思路与方法，有望推动时间测量技术进入芯片级时代。

    论文信息：LohW,McConnellR,etal.IntegratedultrahighQspiralcavitylaserforopticalatomicclockinterrogation.NaturePhotonics,2025,19(3):245251.