近期，我院姚晓天教授团队与中山大学蔡鑫伦教授团队合作，在超高分辨率瞬时光频率检测芯片研究方面取得重要进展。相关工作“On-chip real-time detection of optical frequency variations with ultrahigh resolution using the sine-cosine encoder approach”以河北大学为第一单位发表在Nature Communications (2025, 16:3015; OI 10.1038/s41467-025-58251-1)。姚晓天教授和蔡鑫伦教授为论文的共同通讯作者，中山大学林忠劲副教授、我院硕士研究生杨宇龙和博士研究生马晓松等人参与了该项工作。
许多分布式光学传感如FMCW LiDAR、OFDR等应用，需要以高分辨率测量快速光频率（或波长）变化，以获得用于数据处理的k时钟。同样，对于基于FBG的准分布式传感应用，需要以高分辨率来快速确定传感FBG反射光的中心波长变化。另一方面，对于包括微环谐振器（MRR）和波分复用（WDM）的光学计算，具有高分辨率的光频率变化（OFV）的实时检测对于精确控制WDM信道的频率以及精确调整WDM信道的权重具有重要意义。遗憾的是，传统的光频率或波长测量装置，例如波长计和光谱分析仪（OSA），虽然具有非常高的波长测量精度，但其测量速度和分辨率通常难以满足这些应用的严苛需求。此外，这些设备的大尺寸和高成本通常难以被包括在光学感测和光学计算系统中。另一方面，虽然基于游标效应的光频梳能够高精度测量光频率的变化，但由于其非实时性的测量原理及高度复杂的结构，也很难集成到以上所提到的感测及光计算系统中。
为了解决这一难题，姚晓天教授与蔡鑫伦教授团队借鉴了能精准测量马达转角、速度及方向的正余弦编码原理，首次提出了正余弦光频率检测光子集成芯片（PIC OFD）并搭建了一套校准和评估芯片性能的装置（系统结构如图1所示）。团队利用自主提出的高鲁棒性算法用于克服器件非理想性缺陷，成功实现了快速光频率变化（OFV）的实时测量，其测量速度高达2500 THz/s（20000nm/s），分辨率小至2MHz，测量范围超过160nm。
图1 用于校准和评估光子集成光频率检测芯片性能的系统结构
团队使用这套系统测量并完整表征了可调谐激光器的瞬时频率特性及波长扫描特性，如扫描波形、方向、速度、范围、非线性、纹波及重复性，如图2所示。同时证明了所提出的正余弦光频率检测芯片可应用于FBG传感测量，其结果如图3所示。其可实现的应变分辨率（0.013 με)和温度分辨率(0.0015 °C)比商用FBG解调仪高出约20倍。
图2 可调谐激光器瞬时频率特性及波长扫描特性的完整表征
图3 光子集成光频率检测芯片应用于FBG应变传感测量
这项工作首次提出的正余弦光频率检测芯片与相关解调算法为各种涉及片上光频率检测的应用开辟了新途径。其可应用于各种分布式和准分布式传感应用、片上激光频率控制和稳定以及用于基于微谐振器（MRR）的光学计算等。
