英国拉夫堡大学研究人员联合国际团队开发出一种仅米粒大小的微型芯片，可产生经过精确排列的光频率“彩虹”，并将其转换为多路高频毫米波信号。这项技术未来有望支持更高速、更大容量的6G通信网络，同时可应用于雷达、光谱分析、天文观测以及量子技术所需的高精度计时。
随着全球数据需求持续攀升，通信系统需要以更高速度传输更多、更高分辨率的信息。毫米波因可提供远高于传统频段的带宽，被视为未来无线通信的重要技术方向。不过，要让毫米波真正服务于先进通信系统，关键在于如何稳定、精准地产生这些高频信号。
拉夫堡大学新兴光子学研究中心的Luke Peters博士表示，毫米波有望为未来6G网络带来更高速度和更大容量，但其用途并不局限于通信领域。毫米波还可用于雷达系统、光谱仪器和天文设备，帮助科学家研究材料性质，并对宇宙进行极其精密的测量。尽管相关实际应用尚需时日，团队最新成果已解决了其中一项重要技术障碍。
研究团队采用了一种名为“微型光频梳”的技术产生毫米波。所谓微型光频梳，是由一系列离散、规则排列的光学频率组成的光谱，其形态类似彩虹，却位于人眼无法看见的光谱范围内。与自然彩虹中颜色连续融合不同，微型光频梳中的各个频率彼此分离、间隔精确，如同梳子的齿距。随后，专用天线可将这些光学频率转换为毫米波信号。
早期研究已表明，微型光频梳能够产生单一的高精度毫米波频率。若要同时生成多个频率，则意味着可以提供多条并行的数据传输通道，从而显著提升通信容量。但这也要求光频梳具备极高的稳定性和纯净度。
研究团队近日在《自然·通讯》发表论文，展示了一套可产生稳定、高质量微型光频梳的系统，并成功将其中的光学频率同步转换为多路间隔精确的毫米波频率。
传统微型光频梳系统通常通过将激光导入芯片上的微谐振器实现。微谐振器是一种微型光学结构，能够将光束限制在内部循环传播。在拉夫堡大学的新系统中，芯片微谐振器与一个尺寸更大的光纤环路结合使用，激光会在两部分之间反复传输，使目标光学状态能够高效形成并保持稳定。
Peters表示，团队实际上制造出了一种极其精确且稳定的“芯片彩虹”：光纤环路会不断将光重新反馈至芯片，让相应状态得以有效积累、自主启动，并在外界扰动下维持稳定。该系统的鲁棒性也相当突出，即使有人在设备旁跳动，微型光频梳依然能够保持稳定。
研究人员还发现，系统可调节“彩虹”中各个频率分量的强弱，使部分频率增强、其余频率减弱，从而为不同应用提供更灵活的信号组合。更重要的是，当光频梳被转换为毫米波后，其原有的精度与稳定性并不会损失。
Peters指出，不同应用场景需要不同频率组合，因此可单独增强或削弱某些频率，意味着对输出信号拥有更强控制能力。实验同时证明，微型光频梳的高精度能够完整传递至毫米波端，进而提供一组高度可控的信号，这对于准确性和稳定性要求极高的应用尤为重要。
这种精度同样对时间测量至关重要。量子技术中的许多新兴应用高度依赖精确计时，而该技术可能为更紧凑的量子计时、定位与导航设备提供基础。
目前，核心芯片本身虽然仅有一粒米大小，但完整实验装置仍占据一张实验台。研究团队正探索如何将技术从实验室推向实际系统。未来版本有望显著降低能耗并压缩体积，整个设备或可缩小至鞋盒大小。
研究人员还考虑将这一技术部署在卫星上，因为航天器对体积、重量和功耗都极为敏感。与此同时，团队正与英国国家物理实验室合作，利用高精度时钟检验该微型光频梳系统的准确性，并评估其在计时、导航和定位领域的应用前景。相关工作也将服务于英国量子增强定位、导航与计时中心的研究计划。
负责微型光频梳稳定性测量的Antonio Cutrona博士表示，团队希望进一步提升系统的精度与稳定性，尤其面向高度依赖精确计时的技术。他认为，这项研究及其所展示的系统，有望为将原子钟级别的卓越精度引入更紧凑的计时、导航和定位设备开辟新路径。
该研究论文题为《由光学微型光频梳产生的毫米波频梳》，于2026年8月20日发表于《自然·通讯》。项目获得欧盟“地平线2020”研究与创新计划下欧洲研究理事会资金支持。