中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：12427801、12372016）等資助下，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)在頻率梳非線性動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展。該成果于2025年3月14日以“自鎖頻、零相差的微機(jī)械頻率梳（Self-Injection Locked and Phase Offset-Free Micromechanical Frequency Combs）”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）期刊。
光學(xué)頻率梳是光譜呈等間距“梳狀”分布的激光系統(tǒng)，在超精密時(shí)間、頻率計(jì)量領(lǐng)域具有高技術(shù)應(yīng)用價(jià)值?；谖C(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的非線性諧振器因其多波混頻和頻譜展寬，可用于構(gòu)建振動(dòng)頻譜呈等間距“梳狀”分布的機(jī)械頻率梳信號(hào)，且相較光學(xué)頻率梳具有芯片化、集成化等優(yōu)勢(shì)。但是，目前機(jī)械頻率梳的力學(xué)設(shè)計(jì)還存在較大局限性。其一，微機(jī)械諧振器在遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)通常難以激發(fā)，導(dǎo)致其頻率梳信號(hào)的頻譜過(guò)窄、梳齒稀疏；其二，梳齒之間缺乏鎖頻機(jī)制，導(dǎo)致其頻率成分之間的抖動(dòng)雜亂無(wú)序、時(shí)域信號(hào)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重制約了在精密時(shí)鐘和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了基于強(qiáng)模態(tài)耦合和注入鎖定機(jī)制的力學(xué)設(shè)計(jì)方法，揭示了微機(jī)械頻率梳超寬頻譜、同步鎖頻的非線性動(dòng)力學(xué)行為及性能影響規(guī)律。團(tuán)隊(duì)突破了現(xiàn)有弱耦合MEMS傳感器的主流設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了“平動(dòng)-扭轉(zhuǎn)”強(qiáng)模態(tài)耦合支撐梁結(jié)構(gòu)來(lái)大幅增強(qiáng)耦合強(qiáng)度，建立了耦合能量傳遞速率模型，揭示了其與頻率梳梳齒間隔的線性正相關(guān)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)提出了寬頻譜微機(jī)械頻率梳。在實(shí)驗(yàn)上，實(shí)現(xiàn)了多簇高次諧波頻率梳的激發(fā)，再通過(guò)相鄰簇梳齒之間的頻率調(diào)諧和逐漸對(duì)齊，發(fā)現(xiàn)了梳齒之間因注入鎖定而突然合并的動(dòng)力學(xué)行為，從而引發(fā)自鎖頻機(jī)制和梳齒級(jí)聯(lián)。在鎖頻范圍內(nèi)，揭示了頻率梳梳齒隨系統(tǒng)參數(shù)變化而同步有序變化，所有梳齒都鎖定為嚴(yán)格整數(shù)倍關(guān)系，梳齒頻率抖動(dòng)量級(jí)、艾倫方差、相位噪聲都降低了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了超10倍頻程的超連續(xù)寬譜、自鎖頻微機(jī)械頻率梳，且其時(shí)域信號(hào)具有恒定零相差。
(a) 微機(jī)械頻率梳概念設(shè)計(jì)和測(cè)量方法示意圖；(b) 模態(tài)耦合機(jī)制及其非線性耦合動(dòng)力學(xué)模型；(c) 微機(jī)械頻率梳超寬譜、自鎖頻、無(wú)相差、高穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)特征
該研究首次實(shí)現(xiàn)了自鎖頻、高穩(wěn)定的寬譜微機(jī)械頻率梳，揭示了超寬譜級(jí)聯(lián)、超穩(wěn)定頻率、超低相位噪聲、恒定零時(shí)域相差等豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)發(fā)展芯片級(jí)超精準(zhǔn)時(shí)鐘、超精密傳感器都具有重要科學(xué)意義。
