National Institute of Standards and Technology (NIST) har tillsammans med universitet och andra institut lyckats ta ett litet men ändå mäktigt steg framåt inom timingteknologin: kompakta chips som sömlöst omvandlar ljus till mikrovågor med extremt lågt gitter. Tekniken kan förbättra GPS, kvaliteten på telefon- och internetanslutningar, noggrannheten hos radar- och avkänningssystem och andra tekniker som är beroende av högprecisionstid och kommunikation.
Tekniken minskar något som kallas timingjitter, vilket är små, slumpmässiga förändringar i timingen för mikrovågssignaler till en mycket liten bråkdel av en sekund – 15 femtosekunder för att vara exakt. Det är en stor förbättring jämfört med traditionella mikrovågskällor – vilket gör signalerna mycket mer stabila och exakta på ett sätt som kan öka radarkänsligheten, noggrannheten hos analog-till-digitalomvandlare och klarheten i astronomiska bilder tagna av grupper av teleskop.
Det som särskiljer i den här demonstrationen av NIST är den kompakta designen av komponenterna. För första gången har forskare tagit det som en gång var ett system i bordsstorlek och krympt mycket av det till ett kompakt chip, ungefär lika stort som ett minneskort till en digitalkamera. Att reducera timingjitter i en så liten skala minskar strömförbrukningen och blir därmed mer användbart i vardagliga enheter.
Just nu är dock flera av ingående komponenterna för den här tekniken placerade utanför chipet, eftersom forskare vill testa deras effektivitet. Det slutliga målet med projektet är att integrera alla olika delar, såsom lasrar, modulatorer, detektorer och optiska förstärkare, på ett enda chip och därmed minska både storleken och strömförbrukningen för systemet. Resultatet blir en enkel integrering i små enheter utan att det krävs mycket energi och specialiserad utbildning för användningen.
– Den nuvarande tekniken kräver flera laboratorier och många doktorer för att få mikrovågssignaler att hända. Mycket av vad den här forskningen handlar om är hur vi utnyttjar fördelarna med optiska signaler genom att krympa storleken på komponenter och göra allt, allt mer tillgängligt, säger NIST-fysikern Frank Quinlan.
För att åstadkomma detta använder forskare en halvledarlaser som fungerar som en mycket stadig ficklampa. De riktar ljuset från lasern in i en liten spegellåda som kallas referenskavitet, som är som ett miniatyrrum där ljuset studsar runt. Inne i den här håligheten är vissa ljusfrekvenser anpassade till hålighetens storlek så att ljusvågornas toppar och dalar passar perfekt mellan väggarna. Detta gör att ljuset bygger upp styrka vid dessa frekvenser, vilket används för att hålla laserns frekvens stabil. Det stabila ljuset omvandlas sedan till mikrovågor med hjälp av en enhet som kallas en frekvenskam, som ändrar högfrekvent ljus till lägre mikrovågssignaler. Dessa exakta mikrovågor är avgörande för teknologier som navigationssystem, kommunikationsnätverk och radar eftersom de ger exakt timing och synkronisering.
– Målet är att få alla dessa delar att fungera effektivt tillsammans på en enda plattform, vilket avsevärt skulle minska förlusten av signaler och ta bort behovet av extra teknik, säger Quinlan. Fas ett av det här projektet var att visa att alla dessa enskilda delar fungerar tillsammans. Fas två är att sätta ihop dem på chipet.
I navigationssystem som GPS är den exakta timingen av signaler avgörande för att bestämma en plats. I kommunikationsnätverk, såsom mobiltelefoner och internetsystem, säkerställer korrekt timing och synkronisering av flera signaler att data överförs och tas emot korrekt.
I radarsammanhang som används för att till exempel upptäcka objekt som flygplan och vädermönster, är exakt timing avgörande för att exakt mäta hur lång tid det tar för signaler att ”studsa tillbaka”.
– Det finns alla möjliga applikationer för den här tekniken. Till exempel behöver astronomer som avbildar avlägsna astronomiska objekt, som svarta hål, signaler med riktigt låg brus och klocksynkronisering, säger Quinlan. Och det här projektet hjälper till att få ut de där låga brussignalerna från labbet och i händerna på radartekniker, astronomer, miljöforskare, från alla dessa olika områden, för att öka deras känslighet och förmåga att mäta nya saker.
Arbetet har utförts av NIST tillsammans med forskare från University of Colorado Boulder, NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, University of California Santa Barbara, University of Virginia och Yale University.
Resultat från forskningen har publicerats i Nature.
Uppsats: Igor Kudelin et al. Photonic chip-based low noise microwave oscillator. Publicerad online 6 mars 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07058-z
