能將GPS精度提升1000倍的晶片

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來源：內容編譯自scitechdaily，謝謝。

光學原子鐘有可能將計時和GPS 精度提高1,000 倍，從而提高手機、電腦和導航系統的精度。然而，其體積大、結構複雜，阻礙了其在研究實驗室之外的廣泛應用。

現在，來自美國普渡大學和瑞典查爾姆斯理工大學的科學家利用片上微梳（microcombs）開發了一項突破性技術。這項創新可以大大縮小光學原子鐘系統，使其更加實用和易於訪問。結果如何？導航、自動駕駛汽車和地理空間監控領域取得了重大進展。

我們的手機、電腦和 GPS 系統提供高度精確的時間和定位，這要歸功於全球 400 多臺原子鐘。每臺時鐘（無論是機械、原子還是數字）都依賴於兩個關鍵元件：振盪器和計數器。振盪器產生有規律的重複訊號，而計數器測量其週期。在原子鐘中，這些週期來自原子以極其精確的頻率在兩種能量狀態之間振動。

大多數原子鐘依靠微波頻率來誘發這些原子振盪。然而，最近的研究已經探索使用雷射以光學方式產生這些振盪。就像精細標記的尺子可以進行更精確的測量一樣，光學原子鐘可以將一秒劃分為更小的部分，從而顯著提高計時精度——提高數千倍。

就像梳齒一樣，微梳由均勻分佈的光頻率頻譜組成。透過將微梳齒鎖定到超窄線寬雷射器，可以構建光學原子鐘，而超窄線寬雷射器又可以鎖定具有極高頻率穩定性的原子躍遷。這樣，頻率梳就像光頻率原子躍遷和無線電頻率時鐘訊號之間的橋樑，無線電頻率可透過電子方式檢測以計數振盪 – 從而實現非凡的精度。研究人員的光子晶片位於影像右側，包含 40 個微梳髮生器，寬度僅為 5 毫米

“如今的原子鐘使 GPS 系統能夠實現幾米的定位精度。而使用光學原子鐘，則可以實現幾釐米的精度。這提高了車輛以及所有基於定位的電子系統的自主性。光學原子鐘還可以探測到地球表面緯度的微小變化，並可用於監測火山活動等，”普渡大學的 Minghao Qi 教授說道，他是最近在《自然光子學》上發表的一項研究的合著者。

然而，目前存在的光學原子鐘體積龐大，需要配備特定雷射設定和光學元件的複雜實驗室，因此很難在實驗室環境之外使用它們，例如在衛星、遠端研究站或無人機中。現在，普渡大學和查爾姆斯理工學院的一個研究小組開發了一項技術，可以使光學原子鐘體積大大縮小，並可以在社會上得到更廣泛的應用。

這項新技術的核心是小型晶片裝置，稱為“微梳”，該技術在《自然光子學》雜誌最近發表的一篇研究文章中進行了描述。微梳就像梳齒一樣，可以產生均勻分佈的光頻率光譜。

“這使得其中一個梳狀頻率可以鎖定到雷射頻率，而該雷射頻率又可以鎖定到原子鐘振盪，”齊明浩說道。

雖然光學原子鐘的精度更高，但振盪頻率卻高達數百 THz 範圍，這一頻率對於任何電子電路來說都無法直接“計數”。但研究人員的微梳晶片能夠解決這個問題，同時使原子鐘系統大大縮小。

“幸運的是，我們的微梳晶片可以充當原子鐘光訊號與用於計數原子鐘振盪的無線電頻率之間的橋樑。此外，微梳的極小尺寸使得原子鐘系統可以大幅縮小，同時保持其非凡的精度，”查爾姆斯大學光子學教授、這項研究的合著者維克多·託雷斯·康姆尼爾說。

另一個主要障礙是同時實現整個系統穩定所需的“自參考”以及使微梳的頻率與原子鐘訊號完全對齊。

“事實證明，一個微梳是不夠的，我們設法透過配對兩個微梳解決了這個問題，它們的梳齒間距（即相鄰齒之間的頻率間隔）很接近，但偏移很小，例如 20 GHz。這個 20 GHz 偏移頻率將作為電子可檢測的時鐘訊號。透過這種方式，我們可以讓系統將原子鐘的精確時間訊號轉換為更易於訪問的無線電頻率，”普渡大學這項研究的主要作者 Kaiyi Wu 說道。

新系統還包括整合光子學，它使用基於晶片的元件而不是笨重的雷射光學元件。

“光子整合技術可以將光學原子鐘的光學元件，例如頻率梳、原子源和雷射器等整合在微米到毫米尺寸的微小光子晶片上，大大減小系統的尺寸和重量。”吳凱毅博士說。

這項創新可能為大規模生產鋪平道路，使光學原子鐘更便宜，更適用於社會和科學領域的各種應用。除了微梳之外，“計數”光頻率週期所需的系統還需要許多元件，例如調製器、檢測器和光放大器。這項研究解決了一個重要問題並展示了一種新的架構，但接下來的步驟是將所有必要的元素整合在一起，以建立一個完整的片上系統。

Victor Torres 公司表示：“我們希望未來材料和製造技術的進步能夠進一步簡化這項技術，讓我們更接近超精確計時成為手機和電腦標準功能的世界。”

參考連結

https://scitechdaily.com/a-tiny-chip-could-be-the-key-to-1000-times-more-accurate-gps/

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