能将GPS精度提升1000倍的芯片

摘要：现在，来自美国普渡大学和瑞典查尔姆斯理工大学的科学家利用片上微梳（microcombs）开发了一项突破性技术。这项创新可以大大缩小光学原子钟系统，使其更加实用和易于访问。结果如何？导航、自动驾驶汽车和地理空间监控领域取得了重大进展。

光学原子钟有可能将计时和GPS 精度提高1,000 倍，从而提高手机、电脑和导航系统的精度。然而，其体积大、结构复杂，阻碍了其在研究实验室之外的广泛应用。

现在，来自美国普渡大学和瑞典查尔姆斯理工大学的科学家利用片上微梳（microcombs）开发了一项突破性技术。这项创新可以大大缩小光学原子钟系统，使其更加实用和易于访问。结果如何？导航、自动驾驶汽车和地理空间监控领域取得了重大进展。

我们的手机、电脑和 GPS 系统提供高度精确的时间和定位，这要归功于全球 400 多台原子钟。每台时钟（无论是机械、原子还是数字）都依赖于两个关键组件：振荡器和计数器。振荡器产生有规律的重复信号，而计数器测量其周期。在原子钟中，这些周期来自原子以极其精确的频率在两种能量状态之间振动。

大多数原子钟依靠微波频率来诱发这些原子振荡。然而，最近的研究已经探索使用激光以光学方式产生这些振荡。就像精细标记的尺子可以进行更精确的测量一样，光学原子钟可以将一秒划分为更小的部分，从而显著提高计时精度——提高数千倍。

就像梳齿一样，微梳由均匀分布的光频率频谱组成。通过将微梳齿锁定到超窄线宽激光器，可以构建光学原子钟，而超窄线宽激光器又可以锁定具有极高频率稳定性的原子跃迁。这样，频率梳就像光频率原子跃迁和无线电频率时钟信号之间的桥梁，无线电频率可通过电子方式检测以计数振荡 - 从而实现非凡的精度。研究人员的光子芯片位于图像右侧，包含 40 个微梳发生器，宽度仅为 5 毫米

“如今的原子钟使 GPS 系统能够实现几米的定位精度。而使用光学原子钟，则可以实现几厘米的精度。这提高了车辆以及所有基于定位的电子系统的自主性。光学原子钟还可以探测到地球表面纬度的微小变化，并可用于监测火山活动等，”普渡大学的 Minghao Qi 教授说道，他是最近在《自然光子学》上发表的一项研究的合著者。

然而，目前存在的光学原子钟体积庞大，需要配备特定激光设置和光学元件的复杂实验室，因此很难在实验室环境之外使用它们，例如在卫星、远程研究站或无人机中。现在，普渡大学和查尔姆斯理工学院的一个研究小组开发了一项技术，可以使光学原子钟体积大大缩小，并可以在社会上得到更广泛的应用。

这项新技术的核心是小型芯片设备，称为“微梳”，该技术在《自然光子学》杂志最近发表的一篇研究文章中进行了描述。微梳就像梳齿一样，可以产生均匀分布的光频率光谱。

“这使得其中一个梳状频率可以锁定到激光频率，而该激光频率又可以锁定到原子钟振荡，”齐明浩说道。

虽然光学原子钟的精度更高，但振荡频率却高达数百 THz 范围，这一频率对于任何电子电路来说都无法直接“计数”。但研究人员的微梳芯片能够解决这个问题，同时使原子钟系统大大缩小。

“幸运的是，我们的微梳芯片可以充当原子钟光信号与用于计数原子钟振荡的无线电频率之间的桥梁。此外，微梳的极小尺寸使得原子钟系统可以大幅缩小，同时保持其非凡的精度，”查尔姆斯大学光子学教授、这项研究的合著者维克多·托雷斯·康姆尼尔说。

另一个主要障碍是同时实现整个系统稳定所需的“自参考”以及使微梳的频率与原子钟信号完全对齐。

“事实证明，一个微梳是不够的，我们设法通过配对两个微梳解决了这个问题，它们的梳齿间距（即相邻齿之间的频率间隔）很接近，但偏移很小，例如 20 GHz。这个 20 GHz 偏移频率将作为电子可检测的时钟信号。通过这种方式，我们可以让系统将原子钟的精确时间信号转换为更易于访问的无线电频率，”普渡大学这项研究的主要作者 Kaiyi Wu 说道。

新系统还包括集成光子学，它使用基于芯片的组件而不是笨重的激光光学元件。

“光子集成技术可以将光学原子钟的光学元件，例如频率梳、原子源和激光器等集成在微米到毫米尺寸的微小光子芯片上，大大减小系统的尺寸和重量。”吴凯毅博士说。

这项创新可能为大规模生产铺平道路，使光学原子钟更便宜，更适用于社会和科学领域的各种应用。除了微梳之外，“计数”光频率周期所需的系统还需要许多组件，例如调制器、检测器和光放大器。这项研究解决了一个重要问题并展示了一种新的架构，但接下来的步骤是将所有必要的元素整合在一起，以创建一个完整的片上系统。

Victor Torres 公司表示：“我们希望未来材料和制造技术的进步能够进一步简化这项技术，让我们更接近超精确计时成为手机和电脑标准功能的世界。”

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