美国国家标准与技术研究院（NIST）及其合作者在计时技术方面取得了微小但巨大的进步：将光无缝转换为微波的紧凑型芯片。该芯片可以改善GPS、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计时和通信的技术。这项技术减少了所谓的定时抖动，即微波信号定时的微小随机变化。与音乐家试图在音乐中保持稳定的节拍类似，这些信号的时间有时会有点波动。研究人员将这些定时波动减少到非常小的几分之一秒——准确地说是15飞秒，比传统微波源有很大的改进——使信号更加稳定和精确，可以提高雷达灵敏度、模数转换器的精度以及望远镜组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。

照亮微波炉

该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的桌面大小的系统缩小到一个紧凑的芯片中，其大小与数码相机存储卡大致相同。小规模地减少时序抖动可降低功耗，使其在日常设备中更易使用。

目前，这项技术的几个组件位于芯片外部，因为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单个芯片上，该团队可以减小系统的尺寸和功耗。这意味着它可以很容易地集成到小型设备中，而无需大量能源和专门培训。

“目前的技术需要几个实验室和许多博士才能产生微波信号，”NIST物理科学家Frank Quinlan说。“这项研究的很多内容都是我们如何通过缩小组件的尺寸并使一切更容易获得来利用光信号的优势。”

为了实现这一目标，研究人员使用半导体激光器，它充当非常稳定的手电筒。它们将来自激光的光引导到一个称为参考腔的微小镜盒中，该镜盒就像一个微型房间，光线在周围反射。在这个腔体内，一些光频率与腔体的大小相匹配，因此光波的波峰和波谷在壁之间完美契合。这导致光在这些频率上积累功率，用于保持激光的频率稳定。然后使用一种称为频率梳的装置将稳定的光转换为微波，该装置将高频光转换为低音调的微波信号。这些精确的微波对于导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们提供了准确的定时和同步。

“我们的目标是使所有这些部件在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号损失，并消除对额外技术的需求，”Quinlan说。“这个项目的第一阶段是展示所有这些单独的部分可以协同工作。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。这种信号的精确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传输，而不会出现明显的延迟或掉线。

在用于检测飞机和天气模式等物体的雷达中，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，对遥远的天文物体（如黑洞）进行成像的天文学家需要非常低的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带出实验室，并交到雷达技术人员、天文学家、环境科学家以及所有这些不同领域的手中，以提高他们测量新事物的灵敏度和能力。”

为共同目标而共同努力

创造这种技术进步并非孤军奋战。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、加州大学圣塔芭芭拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学的研究人员齐聚一堂，共同实现这一共同目标：彻底改变我们利用光和微波进行实际应用的方式。