Новые компактные чипы могут преобразовывать свет в микроволны

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и его сотрудники добились небольшого, но значительного прогресса в технологии синхронизации: компактных чипов, которые плавно преобразуют свет в микроволны. Этот чип может улучшить GPS, качество телефонных и интернет-соединений, точность радаров и сенсорных систем, а также другие технологии, которые полагаются на высокоточное время и связь.

Эта технология уменьшает так называемый джиттер синхронизации, который представляет собой небольшие случайные изменения во времени микроволновых сигналов. Подобно тому, как музыкант пытается поддерживать постоянный ритм в музыке, время этих сигналов иногда может немного колебаться.

Исследователи сократили эти временные колебания до очень малой доли секунды (точнее, до 15 фемтосекунд), что является большим улучшением по сравнению с традиционными микроволновыми источниками. -цифровые преобразователи и четкость астрономических изображений, полученных группами телескопов.

Результаты команды были опубликованы в Природа.

Проливаем свет на микроволновые печи

Что отличает эту демонстрацию, так это компактная конструкция компонентов, генерирующих эти сигналы. Впервые исследователи взяли то, что когда-то было настольной системой, и сжали большую часть ее в компактный чип, примерно такого же размера, как карта памяти цифровой камеры. Уменьшение джиттера синхронизации в небольших масштабах снижает энергопотребление и делает его более удобным для использования в повседневных устройствах.

В настоящее время некоторые компоненты этой технологии расположены за пределами чипа, поскольку исследователи проверяют их эффективность. Конечная цель этого проекта — объединить все различные части, такие как лазеры, модуляторы, детекторы и оптические усилители, на одном чипе.

Объединив все компоненты в одном чипе, команда смогла уменьшить размер и энергопотребление системы. Это означает, что его можно легко включить в небольшие устройства, не требуя много энергии и специальной подготовки.

«Нынешняя технология требует нескольких лабораторий и многих докторов наук, чтобы реализовать микроволновые сигналы», — сказал Фрэнк Куинлан, ученый-физик NIST. «Во многом это исследование посвящено тому, как мы используем преимущества оптических сигналов, уменьшая размер компонентов и делая все более доступным».

Для этого исследователи используют полупроводниковый лазер, который действует как очень постоянный фонарик. Они направляют свет лазера в крошечную зеркальную коробочку, называемую эталонной полостью, которая похожа на миниатюрную комнату, где свет отражается. Внутри этой полости некоторые световые частоты подобраны в соответствии с размером полости, так что пики и спады световых волн идеально сочетаются между стенками.

Это заставляет свет накапливать мощность на этих частотах, что используется для поддержания стабильной частоты лазера. Стабильный свет затем преобразуется в микроволны с помощью устройства, называемого частотной гребенкой, которое преобразует высокочастотный свет в более низкие микроволновые сигналы. Эти точные микроволны имеют решающее значение для таких технологий, как навигационные системы, сети связи и радары, поскольку они обеспечивают точное время и синхронизацию.

«Цель состоит в том, чтобы заставить все эти части эффективно работать вместе на единой платформе, что значительно уменьшит потери сигналов и устранит необходимость в дополнительных технологиях», — сказал Куинлан. «Первая фаза этого проекта заключалась в том, чтобы показать, что все эти отдельные части работают вместе. Вторая фаза — собрать их вместе на чипе».

В навигационных системах, таких как GPS, точная синхронизация сигналов важна для определения местоположения. В сетях связи, таких как мобильные телефоны и интернет-системы, точная синхронизация нескольких сигналов гарантирует правильную передачу и прием данных.

Например, синхронизация сигналов важна для загруженных сотовых сетей для обработки нескольких телефонных звонков. Такое точное выравнивание сигналов во времени позволяет сотовой сети организовывать и управлять передачей и приемом данных от нескольких устройств, таких как ваш мобильный телефон. Это гарантирует, что несколько телефонных вызовов могут передаваться по сети одновременно без значительных задержек или обрывов связи.

В радаре, который используется для обнаружения таких объектов, как самолеты и погодные условия, точное время имеет решающее значение для точного измерения того, сколько времени потребуется сигналу, чтобы прийти в норму.

«У этой технологии есть самые разные применения. Например, астрономам, которые фотографируют далекие астрономические объекты, такие как черные дыры, нужны действительно малошумящие сигналы и синхронизация часов», — сказал Куинлан. «И этот проект помогает передать эти малошумящие сигналы из лаборатории в руки специалистов по радиолокации, астрономов, ученых-экологов, представителей всех этих различных областей, чтобы повысить их чувствительность и способность измерять новые вещи».

Работаем вместе для достижения общей цели

Создание такого типа технологического прогресса не достигается в одиночку. Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере, Лаборатории реактивного движения НАСА, Калифорнийского технологического института, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета Вирджинии и Йельского университета объединились, чтобы достичь общей цели: произвести революцию в том, как мы используем свет и микроволновые печи для практического применения.

«Мне нравится сравнивать наше исследование со строительным проектом. Здесь много движущихся частей, и вам нужно убедиться, что все скоординированы, чтобы сантехник и электрик появлялись в проекте в нужный момент», — сказал Куинлан. «Мы все очень хорошо работаем вместе, чтобы дело продвигалось вперед».

По словам Куинлана, эти совместные усилия подчеркивают важность междисциплинарных исследований для стимулирования технологического прогресса.

Эта история переиздана любезно NIST. Прочтите оригинальную историю здесь.