NIST的研究人员测试了一种将光转换成微波信号的芯片。图为芯片，它是一个荧光面板，看起来像两张小小的黑胶唱片。芯片左边的金盒子是向芯片发射光的半导体激光器。图片来源:K. Palubicki/NIST
紧凑的芯片提高了通信，导航和各种应用的精确定时。
美国国家标准与技术研究院(NIST)及其合作者在定时技术方面取得了一个虽小但却很强大的进步:一种可以无缝地将光转换为微波的紧凑型芯片。这种芯片可以改善全球定位系统、电话和互联网连接的质量、雷达和传感系统的精度，以及其他依赖高精度定时和通信的技术。
这项技术减少了所谓的定时抖动，这是微波信号定时的微小随机变化。类似于音乐家试图在音乐中保持稳定的节拍，这些信号的时间有时会有一点动摇。研究人员已经将这些定时波减少到非常小的一秒——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，从而可以提高雷达的灵敏度、模数转换器的精度和望远镜捕获的天文图像的清晰度。
该团队的研究结果发表在《自然》杂志上。
用光照射微波
使这个演示与众不同的是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到一个紧凑的芯片中，大小与数码相机存储卡差不多。在小范围内减少时序抖动可以减少功耗，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的外部，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单个芯片上。
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门的培训。
“目前的技术需要几个实验室和许多博士才能使微波信号发生，”NIST的物理科学家弗兰克昆兰说。“这项研究的很多内容是关于我们如何利用光信号的优势，缩小组件的尺寸，使一切都更容易获得。”
为了做到这一点，研究人员使用了半导体激光器，它就像一个非常稳定的手电筒。他们将激光器发出的光引导到一个叫做参考腔的小镜盒中，参考腔就像一个微型房间，光线在里面反射。在这个腔内，一些光的频率与腔的大小相匹配，这样光波的波峰和波谷就可以完美地贴合在墙壁之间。这使得光在这些频率上积累能量，用来保持激光的频率稳定。然后使用一种称为频率梳的设备将稳定的光转换成微波，该设备将高频光转换成低音调的微波信号。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，因为它们提供精确的定时和同步。
昆兰说:“我们的目标是让所有这些部件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一起工作。第二阶段是把它们放在芯片上。”
在诸如GPS之类的导航系统中，信号的精确定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，多个信号的精确定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。这种及时精确的信号校准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。这确保了多个电话可以同时通过网络进行，而不会出现明显的延迟或掉线。
雷达用于探测飞机和天气模式等物体，精确的定时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。
“这项技术有各种各样的应用。例如，对遥远天体(如黑洞)进行成像的天文学家需要真正的低噪声信号和时钟同步，”昆兰说。“这个项目有助于将这些低噪声信号从实验室送到雷达技术人员、天文学家、环境科学家以及所有这些不同领域的人手中，以提高他们测量新事物的灵敏度和能力。”
为共同的目标而共同努力
创造这种类型的技术进步不是独自完成的。来自科罗拉多大学博尔德分校、美国宇航局喷气推进实验室、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聚集在一起，实现了这个共同的目标:彻底改变我们如何利用光和微波进行实际应用。
“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协调一致，这样水管工和电工就能在正确的时间出现在项目中。”“我们都很好地合作，让事情向前发展。”
昆兰说，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。
参考:“基于光子芯片的低噪声微波振荡器”作者:Igor Kudelin, William Groman, Ji Qing-Xin, Joel Guo, Megan L. Kelleher, Dahyeon Lee, Takuma Nakamura, Charles A. McLemore, Pedram Shirmohammadi, Samin Hanifi，程浩天，金乃军，luue Wu, Samuel Halladay，罗一智，戴兆伟，Warren Jin，白俊武，刘一凡，张伟，向超，常林，Vladimir Iltchenko, Owen Miller, Andrey Matsko, Steven M. Bowers, Peter T. Rakich, Joe C. Campbell, John E. Bowers, Kerry J. Vahala，franklin Quinlan和Scott A. Diddams, 2024年3月6日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07058 - z
