近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）及其合作者在授时技术方面取得了微小但强大的进步：紧凑型芯片可以将光无缝转换为微波。该芯片可以提高GPS、电话和互联网连接的质量、雷达和传感系统的准确性，以及其他依赖高精度授时和通信的技术。
这项技术减少了授时抖动，即微波信号授时的微小随机变化。类似于音乐家试图在音乐中保持稳定的节拍，这些信号的授时有时会有点波动。研究人员将这些授时波动减少到了一秒钟的极小部分，准确地说是15飞秒，这比传统的微波源有了很大的改进，使信号更加稳定和精确，从而提高了雷达的灵敏度，模数转换器的准确性和望远镜组拍摄的天文图像的清晰度。
该团队的研究结果发表在《Nature》期刊上（Igor Kudelin et al. Photonic chip-based low noise microwave oscillator. Nature. Published online March 6, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07058-z）。
在微波上发光
此次演示的与众不同之处在于产生这些信号的组件的紧凑设计。研究人员首次将曾经是桌面大小的系统缩小为一个紧凑的芯片，与数码相机存储卡的大小大致相同。在小范围内减少授时抖动可以减少功耗，并使其在日常设备中更可用。
目前，这项技术的几个组件位于芯片之外，研究人员正在测试它们的有效性。该项目的最终目标是将所有不同的部件，如激光器、调制器、探测器和光放大器，集成到一个芯片上。
通过将所有组件集成到一个芯片上，该团队可以减少系统的尺寸和功耗。这意味着它可以很容易地集成到小型设备中，而不需要大量的能量和专业培训。
NIST物理科学家Frank Quinlan说：“目前的技术需要几个实验室和许多博士学位才能产生微波信号。”。“这项研究的很大一部分是关于我们如何利用光信号的优势，缩小组件的大小，让一切都更容易获得。”
为了实现这一点，研究人员使用了一种半导体激光器，它可以作为一个非常稳定的手电筒。他们将激光的光引导到一个被称为参考腔的微小镜盒中，这个镜盒就像一个微型房间，光线在这里反射。在这个空腔内，一些光的频率与空腔的大小相匹配，从而使光波的波峰和波谷完美地贴合在壁之间。这导致光在这些频率下积累功率，用于保持激光器的频率稳定。然后，使用一种名为频率梳的设备将稳定的光转换为微波，该设备将高频光转换为较低音调的微波信号。这些精确的微波对导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们提供了准确的授时和同步。
Quinlan说：“我们的目标是让所有这些部分在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号的损失，并消除对额外技术的需求。”。“这个项目的第一阶段是展示所有这些单独的部分协同工作。第二阶段是将它们放在芯片上。”
在GPS等导航系统中，信号的精确授时对于确定位置至关重要。在移动电话和互联网系统等通信网络中，多个信号的准确授时和同步确保了数据的正确传输和接收。
例如，同步信号对于繁忙的蜂窝网络处理多个电话呼叫非常重要。这种信号的精确及时对齐使蜂窝网络能够组织和管理来自多个设备（如手机）的数据传输和接收。这确保了多个电话呼叫可以同时通过网络进行，而不会出现显著的延迟或掉线。
在用于探测飞机和天气模式等物体的雷达中，精确的授时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。
Quinlan说：“这项技术有各种各样的应用。例如，天文学家在对黑洞等遥远的天文物体进行成像时，需要非常低噪声的信号和时钟同步。”。“这个项目有助于将这些低噪声信号从实验室中取出，交到雷达技术人员、天文学家、环境科学家和所有这些不同领域的手中，以提高他们测量新事物的灵敏度和能力。”
共同努力实现共同目标
创造这种技术进步并非易事。科罗拉多大学博尔德分校、美国国家航空航天局喷气推进实验室、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学的研究人员共同实现了这一共同目标：彻底改变我们如何利用光和微波进行实际应用。
昆兰说：“我喜欢把我们的研究比作一个建筑项目。有很多活动部件，你需要确保每个人都得到协调，这样水管工和电工才能在正确的时间出现在项目中。”。“我们合作得非常好，使事情向前发展。”
Quinlan说，这种合作努力强调了跨学科研究在推动技术进步方面的重要性。
