Крихітний чіп може стати ключем до підвищення точності GPS у 1000 разів

Оптичні атомні годинники можуть покращити хронометраж і точність GPS у 1000 разів, підвищуючи точність мобільних телефонів, комп’ютерів і навігаційних систем. Однак їх великий розмір і складність завадили широкому використанню за межами дослідницьких лабораторій. Тепер вчені з Університету Пердью (США) і Технологічного університету Чалмерса (Швеція) розробили проривну технологію з використанням мікрокомбів на чіпі. Ця інновація може значно зменшити оптичні атомні годинники, зробивши їх більш практичними та доступними. Результат? Значні досягнення в галузі навігації, автономних транспортних засобів і геопросторового моніторингу.

Атомні годинники: основа точного часу

Наші мобільні телефони, комп’ютери та системи GPS забезпечують високоточний час і позиціонування завдяки понад 400 атомним годинникам у всьому світі. Кожен годинник — механічний, атомний чи цифровий — покладається на два ключових компоненти: осцилятор і лічильник. Осцилятор створює регулярний повторюваний сигнал, а лічильник вимірює його цикли. В атомних годинниках ці цикли походять від атомів, які вібрують між двома енергетичними станами з надзвичайно точною частотою.

Більшість атомних годинників покладаються на мікрохвильові частоти, щоб викликати ці атомні коливання. Однак останні дослідження досліджували використання лазерів для створення цих коливань оптично. Подібно до того, як лінійка з тонкими розмітками дозволяє проводити більш точні вимірювання, оптичні атомні годинники можуть ділити секунду на ще менші частки, що значно підвищує точність відліку часу — у тисячі разів.

Революція GPS і наукового моніторингу

«Сучасні атомні годинники дозволяють використовувати системи GPS із позиційною точністю в кілька метрів. За допомогою оптичного атомного годинника ви можете досягти точності лише в кілька сантиметрів. Це покращує автономність транспортних засобів і всіх електронних систем на основі позиціонування. Оптичний атомний годинник також може виявляти мінімальні зміни широти на поверхні Землі та може використовуватися для моніторингу, наприклад, вулканічної активності», — каже професор Мінхао Ці з Університету Пердью, співавтор дослідження, нещодавно опублікованого в Nature Photonics .

Однак існуючі сьогодні оптичні атомні годинники є громіздкими та потребують складних лабораторій із спеціальними налаштуваннями лазера та оптичними компонентами, що ускладнює їх використання поза лабораторними середовищами, наприклад на супутниках, віддалених дослідницьких станціях або дронах. Тепер дослідницька група з Університету Пердью та Чалмерс розробила технологію, яка робить оптичні атомні годинники значно меншими та доступними для більш широкого використання в суспільстві.

Мініатюризована система Microcombs

Ядром нової технології, описаної в нещодавно опублікованій дослідницькій статті в Nature Photonics, є невеликі пристрої на основі мікросхем, які називаються мікрокомбами. Подібно до зубців гребінця, мікрогребінці можуть генерувати спектр рівномірно розподілених світлових частот.

«Це дозволяє прив’язати одну з частот гребінки до частоти лазера, яка, у свою чергу, прив’язана до коливань атомного годинника», — говорить Мінхао Ці.

У той час як оптичні атомні годинники пропонують набагато вищу точність, частота коливань знаходиться в діапазоні сотень ТГц – частота занадто висока, щоб будь-які електронні схеми могли «рахувати» безпосередньо. Але мікросхеми дослідників змогли вирішити цю проблему, водночас дозволивши системі атомного годинника значно зменшитися.

«На щастя, наші мікросхеми можуть діяти як міст між оптичними сигналами атомного годинника та радіочастотами, які використовуються для підрахунку коливань атомного годинника. Крім того, мінімальний розмір мікрогребінця дає змогу значно зменшити систему атомного годинника, зберігаючи при цьому надзвичайну точність», — каже Віктор Торрес Компані, професор фотоніки в Чалмерсі та співавтор дослідження.

Вирішення проблеми самопосилання

Іншою серйозною перешкодою було досягнення одночасного «самореференції», необхідного для стабільності всієї системи, і точного узгодження частот мікрогребінця з сигналами атомного годинника.

«Виявилося, що однієї мікрогребінки недостатньо, і нам вдалося вирішити проблему, об’єднавши дві мікрогребінки, у яких відстань між гребінками, тобто частотний інтервал між сусідніми зубцями, близький, але з невеликим зсувом, наприклад, 20 ГГц. Ця частота зміщення 20 ГГц слугуватиме тактовим сигналом, який виявляється електронним способом. Таким чином ми могли б змусити систему передавати сигнал точного часу з атомного годинника на більш доступну радіочастоту», — говорить Кайї Ву, провідний автор дослідження в Університеті Пердью.

Лазерна оптика на основі мікросхем: нова ера для атомних годинників

Нова система також включає інтегровану фотоніку, яка використовує компоненти на основі мікросхем, а не громіздку лазерну оптику.

«Технологія фотонної інтеграції дає змогу інтегрувати оптичні компоненти оптичних атомних годинників, такі як частотні гребінки, атомні джерела та лазери, на крихітних фотонних чіпах розміром від мікрометра до міліметра, що значно зменшує розмір і вагу системи», — говорить доктор Кайї Ву.

Шлях до масового виробництва та щоденного використання

Інновація може прокласти шлях для масового виробництва, зробивши оптичні атомні годинники більш доступними та доступними для цілого ряду застосувань у суспільстві та науці. Система, яка потрібна для «підрахунку» циклів оптичної частоти, потребує багатьох компонентів, крім мікрокомбів, таких як модулятори, детектори та оптичні підсилювачі. Це дослідження вирішує важливу проблему та демонструє нову архітектуру, але наступними кроками є впровадження всіх елементів, необхідних для створення повноцінної системи на чіпі.

«Ми сподіваємося, що майбутні досягнення в матеріалах і виробничих технологіях зможуть ще більше оптимізувати технологію, наблизивши нас до світу, де надточне вимірювання часу є стандартною функцією наших мобільних телефонів і комп’ютерів», – говорить компанія Victor Torres Company.