突破性的微型芯片可能是实现精确度提高1000倍全球定位技术的关键

　　光学原子钟有可能将计时和全球定位系统精度提高1000倍，从而提高手机、计算机和导航系统的精度。 然而，由于其体积庞大、结构复杂，因此无法在研究实验室之外广泛使用。现在，美国普渡大学（Purdue University）和瑞典查默斯理工大学（Charmers University of Technology）的科学家们利用片上微型计算机开发出了一种突破性技术。

　　这项创新可以大大缩小光学原子钟系统，使其更实用、更易获得。 结果如何？ 导航、自动驾驶汽车和地理空间监测领域的重大进步。

　　我们的手机、电脑和 GPS 系统能够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。 每一个时钟，无论是机械时钟、原子钟还是数字时钟，都依赖于两个关键部件：振荡器和计数器。 振荡器产生有规律的重复信号，而计数器则测量其周期。 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的振动。

　　大多数原子钟依靠微波频率来诱导这些原子振荡。 然而，最近的研究探索了利用激光以光学方式产生这些振荡。 就像一把标得很细的尺子可以进行更精确的测量一样，光学原子钟可以把一秒钟分成更小的分数，从而大大提高计时精度--成千上万倍。

　　与梳齿一样，微梳齿由均匀分布的光频谱组成。 通过将微梳齿锁定在超窄线宽激光器上，进而锁定在频率稳定性极高的原子转变上，就能制造出光学原子钟。 这样，频率梳就像一座桥梁，将光学频率的原子跃迁与无线电频率的时钟信号连接起来。 研究人员的光子芯片（图片右侧）包含 40 个微梳发生器，宽度仅为 5 毫米。 图片来源：查尔默斯理工大学，吴凯怡

　　"今天的原子钟使 GPS 系统的定位精度达到几米。 使用光学原子钟，可以达到几厘米的精度。 这就提高了车辆和所有基于定位的电子系统的自主性。" 普渡大学的齐明浩教授是最近发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的一项研究的合著者，他说："光学原子钟还能探测地球表面纬度的微小变化，可用于监测火山活动等。"

　　然而，现在的光学原子钟体积庞大，需要复杂的实验室配备特定的激光设置和光学元件，因此很难在实验室以外的环境中使用，比如卫星、远程研究站或无人机。 现在，普渡大学和查尔姆斯大学的一个研究小组开发出了一种技术，使光学原子钟的体积大大缩小，可以在社会上更广泛地使用。

　　就像梳子的齿一样，微梳子由均匀分布的光频谱组成。 通过将微梳齿锁定在超窄线宽激光器上，进而锁定在频率稳定性极高的原子转变上，就能制造出光学原子钟。 这样，频率梳就像一座桥梁，将光学频率的原子转变与无线电频率的时钟信号连接起来，而无线电频率的时钟信号是可以通过电子方式检测到的，因此可以对振荡进行计数，从而实现超高精度。 研究人员的光子芯片包含 40 个微型频梳发生器，宽度仅为 5 毫米。 资料来源：查尔默斯理工大学，吴凯怡

　　《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志最近发表的一篇研究文章介绍了这项新技术的核心--一种基于芯片的小型设备，称为微梳齿。 就像梳子的齿一样，微梳子可以产生均匀分布的光频光谱。

　　齐明浩说："这样，其中一个梳齿频率就能锁定到激光频率，而激光频率又能锁定到原子钟振荡。"

　　虽然光学原子钟的精度要高得多，但其振荡频率在数百太赫兹范围内--这个频率太高，任何电子电路都无法直接"计数"。 但研究人员的微蜂窝芯片能够解决这个问题，同时使原子钟系统大幅缩小。

　　"幸运的是，我们的微蜂窝芯片可以充当原子钟的光信号和用于计算原子钟振荡的无线电频率之间的桥梁。 此外，微蜂窝的最小尺寸使原子钟系统在保持其超高精度的同时大幅缩小成为可能，"该研究的共同作者、查尔默斯大学光子学教授维克多-托雷斯-公司（Victor Torres Company）说。

　　另一个主要障碍是，既要实现整个系统稳定所需的"自参照"，又要使微蜂窝的频率与原子钟的信号完全一致。

　　"事实证明，一个微蜂窝是不够的，我们设法通过将两个微蜂窝配对来解决这个问题，这两个微蜂窝的梳齿间距（即相邻齿之间的频率间隔）很接近，但有很小的偏移，例如 20 千兆赫。 这个 20 千兆赫的偏移频率将作为电子可检测的时钟信号。" 普渡大学该研究的主要作者吴开义说："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移到更容易获取的无线电频率上。"

　　图为齐明浩教授在对微蜂窝芯片进行表征的实验室。 图片来源：普渡大学，亚历山大-摩尔

　　新系统还包括集成光子学，即使用芯片元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，如频率梳、原子源和激光器等，集成到微米到毫米级的微小光子芯片上，从而大大减小了系统的体积和重量，"吴开义博士说。

　　这项创新可以为大规模生产铺平道路，使光学原子钟在社会和科学领域的一系列应用变得更加经济实惠和易于获取。 对光学频率周期进行"计数"所需的系统除了微蜂窝外还需要许多元件，如调制器、探测器和光放大器。 这项研究解决了一个重要问题，并展示了一种新的结构，但下一步工作是将所有必要元件整合到芯片上，以创建一个完整的系统。

　　维克托-托雷斯公司说："我们希望，未来材料和制造技术的进步能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。"

　　这项研究发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。