导读
在波长测量领域，兼顾宽光谱覆盖、高测量精度与芯片级集成对推动光谱学、光通信及量子研究发展至关重要。近日，白俄罗斯国立大学与德国波鸿鲁尔大学联合团队展示了基于光学微腔模式分裂的无散斑重构型波长计成果。
研究团队创新地将可控形变的高Q值微腔阵列与混合机器学习解译器结合，实现～100nm超宽光谱窗口内～100fm级的波长测量精度，为高精度波长计的小型化与实用化提供新方向。（见 Abstract）
该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为"Mode splitting in optical microcavities for speckle-free wavelength reconstruction"，白俄罗斯国立大学的Ivan Saetchnikov为论文第一作者，德国波鸿鲁尔大学Anton Saetchnikov为论文通讯作者。
研究背景
波长精确测量在光谱学、光通信、半导体制造及量子研究中至关重要，现有波长计技术存在明显局限：基于光学拍频或干涉的波长计虽精度高，但需泵浦激光、设备体积大且成本高；基于伪随机散斑图案的重构型波长计虽紧凑，却受限于窄光谱范围，且积分球等高性能方案需复杂校准、集成度低。回音壁模式微腔兼具高 Q值与光谱响应特性，却因模式周期性导致波长测定范围窄，多微腔拓展效果仍不及其他原理，难以兼顾宽光谱、高精度与高集成性。（见Introduction）
此外，传统机器学习解译器多将波长识别视为窄谱范围内的分类任务，在超宽光谱下易因图案相关性导致精度下降，且对训练数据需求量大，校准成本高。而回音壁模式微腔的模式分裂虽可优化光谱响应，但自然微腔中可分辨模式分裂的比例极低，且缺乏可控形变工艺与芯片级集成方案，无法为重构型波长计提供稳定、可量产的核心器件，这制约了宽光谱高精度波长计的实用化。（见Introduction）
创新研究
研究团队创新性地提出基于光学微腔模式分裂的无散斑波长重建方案（如图1所示）。他们通过让有机玻璃微球发生可控形变，激发回音壁模式分裂，再结合集成芯片上千个高Q 值微腔，生成独特的波长响应图案。这种方法打破了统散斑波长计依赖无序散射介质的限制，不仅实现了在超宽光谱窗口（~100nm）内波长图案的唯一性，还保持了约～100fm 的高灵敏度。（见Results）
进一步地，研究团队开发了一种混合机器学习解译器，其结合了梯度提升和变分自编码器，模型架构见图1。首次将波长解译当作一个回归问题来处理，通过LightGBM回归模型提升预测准确度，再配合变分自编码器做数据增强，减少对大量标定数据的依赖。结果表明，在10nm宽光谱范围内，只需要80个主成分即可实现100fm级波长预测，而且解译速度不超过100μs，有效解决了传统机器学习波长计只能处理窄光谱、需要大量数据的问题。（见Results）
图1(见原文中的Fig. 1). 紧凑型无散斑宽带重构型波长计概念图。
研究人员还改进了微腔的形变工艺和芯片的集成设计（如图2）。通过在140-160℃之间对有机玻璃微球进行热加工，调整它的偏心率，成功把能产生可分辩光谱分裂的微腔比例从大约1% 提升到了45%左右。另外，他们还加了一层低折射率材料来固定微腔和衬底，这样不仅保持了高Q值，还增强了耦合的稳定性，为芯片上的波长计提供了高性能、容易量产的核心部件方案。（见Results）
图2(见原文中的Fig. 2). 代表性有机玻璃微腔在初始状态（0℃）及不同加热温度（80℃、120℃、140℃、160℃、180℃）下的偏心率模式分裂。
总结展望
该研究围绕高精度波长测量需求，创新提出基于可控形变光学微腔模式分裂的无散斑重构型波长计方案：通过140-160℃热加工调控有机玻璃微球偏心率，将可分辨模式分裂的微腔比例提升至～45%，结合数千个高Q值微腔集成芯片生成独特波长响应；同时开发融合LightGBM回归与变分自编码器的混合机器学习解译器，首次将波长解译转化为回归任务，实现～100nm超宽光谱窗口内～100fm 级测量精度，且芯片级集成设计兼具低校准需求与快速解译特性。（见Abstract、Results与Discussion）
该研究主要是为了满足高精度测量波长的需求，创新地提出了一种新型的、不会产生散斑的波长测量方案，利用的是可控形变的光学微腔模式分裂技术。具体来说，研究人员通过在140到160摄氏度之间进行热处理，调整有机玻璃微球的形状偏心率，从而让更多的微腔可以实现可分辨的模式分裂，比例提高到了大约45%。与此同时，研究团队还开发出一种结合LightGBM回归和变分自编码器的混合机器学习模型，首次把波长识别问题转化成了回归问题来处理，最终在超过100纳米的宽光谱范围内实现了大约100 fm级别的测量精度。而且这种芯片级别的集成设计，不仅校准需求低，还能快速解读数据。
未来可从三方面推进研究：一是优化微腔材料与形变工艺，探索蓝宝石、金刚石等耐高温材料以拓展波长计工作温度范围；二是结合超构表面进一步提升微腔模式分裂的可控性，推动单芯片多波段测量功能集成；三是开发更高效的特征提取算法，减少主成分数量以降低计算成本，同时探索与激光稳频技术结合，推动该波长计在量子精密测量、深空通信等极端场景的实用化。（见Discussion）（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02073-9
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