突破性的微型芯片可能是實現精確度提高1000倍全球定位技術的關鍵

　　光學原子鐘有可能將計時和全球定位系統精度提高1000倍，從而提高手機、計算機和導航系統的精度。 然而，由于其體積龐大、結構復雜，因此無法在研究實驗室之外廣泛使用。現在，美國普渡大學（Purdue University）和瑞典查默斯理工大學（Charmers University of Technology）的科學家們利用片上微型計算機開發出了一種突破性技術。

　　這項創新可以大大縮小光學原子鐘系統，使其更實用、更易獲得。 結果如何？ 導航、自動駕駛汽車和地理空間監測領域的重大進步。

　　我們的手機、電腦和 GPS 系統能夠提供高度精確的時間和定位，這要歸功于全球 400 多臺原子鐘。 每一個時鐘，無論是機械時鐘、原子鐘還是數字時鐘，都依賴于兩個關鍵部件：振蕩器和計數器。 振蕩器產生有規律的重復信號，而計數器則測量其周期。 在原子鐘中，這些周期來自原子以極其精確的頻率在兩種能量狀態之間的振動。

　　大多數原子鐘依靠微波頻率來誘導這些原子振蕩。 然而，最近的研究探索了利用激光以光學方式產生這些振蕩。 就像一把標得很細的尺子可以進行更精確的測量一樣，光學原子鐘可以把一秒鐘分成更小的分數，從而大大提高計時精度--成千上萬倍。

　　與梳齒一樣，微梳齒由均勻分布的光頻譜組成。 通過將微梳齒鎖定在超窄線寬激光器上，進而鎖定在頻率穩定性極高的原子轉變上，就能制造出光學原子鐘。 這樣，頻率梳就像一座橋梁，將光學頻率的原子躍遷與無線電頻率的時鐘信號連接起來。 研究人員的光子芯片（圖片右側）包含 40 個微梳發生器，寬度僅為 5 毫米。 圖片來源：查爾默斯理工大學，吳凱怡

　　"今天的原子鐘使 GPS 系統的定位精度達到幾米。 使用光學原子鐘，可以達到幾厘米的精度。 這就提高了車輛和所有基于定位的電子系統的自主性。" 普渡大學的齊明浩教授是最近發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上的一項研究的合著者，他說："光學原子鐘還能探測地球表面緯度的微小變化，可用于監測火山活動等。"

　　然而，現在的光學原子鐘體積龐大，需要復雜的實驗室配備特定的激光設置和光學元件，因此很難在實驗室以外的環境中使用，比如衛星、遠程研究站或無人機。 現在，普渡大學和查爾姆斯大學的一個研究小組開發出了一種技術，使光學原子鐘的體積大大縮小，可以在社會上更廣泛地使用。

　　就像梳子的齒一樣，微梳子由均勻分布的光頻譜組成。 通過將微梳齒鎖定在超窄線寬激光器上，進而鎖定在頻率穩定性極高的原子轉變上，就能制造出光學原子鐘。 這樣，頻率梳就像一座橋梁，將光學頻率的原子轉變與無線電頻率的時鐘信號連接起來，而無線電頻率的時鐘信號是可以通過電子方式檢測到的，因此可以對振蕩進行計數，從而實現超高精度。 研究人員的光子芯片包含 40 個微型頻梳發生器，寬度僅為 5 毫米。 資料來源：查爾默斯理工大學，吳凱怡

　　《自然-光子學》（Nature Photonics）雜志最近發表的一篇研究文章介紹了這項新技術的核心--一種基于芯片的小型設備，稱為微梳齒。 就像梳子的齒一樣，微梳子可以產生均勻分布的光頻光譜。

　　齊明浩說："這樣，其中一個梳齒頻率就能鎖定到激光頻率，而激光頻率又能鎖定到原子鐘振蕩。"

　　雖然光學原子鐘的精度要高得多，但其振蕩頻率在數百太赫茲范圍內--這個頻率太高，任何電子電路都無法直接"計數"。 但研究人員的微蜂窩芯片能夠解決這個問題，同時使原子鐘系統大幅縮小。

　　"幸運的是，我們的微蜂窩芯片可以充當原子鐘的光信號和用于計算原子鐘振蕩的無線電頻率之間的橋梁。 此外，微蜂窩的最小尺寸使原子鐘系統在保持其超高精度的同時大幅縮小成為可能，"該研究的共同作者、查爾默斯大學光子學教授維克多-托雷斯-公司（Victor Torres Company）說。

　　另一個主要障礙是，既要實現整個系統穩定所需的"自參照"，又要使微蜂窩的頻率與原子鐘的信號完全一致。

　　"事實證明，一個微蜂窩是不夠的，我們設法通過將兩個微蜂窩配對來解決這個問題，這兩個微蜂窩的梳齒間距（即相鄰齒之間的頻率間隔）很接近，但有很小的偏移，例如 20 千兆赫。 這個 20 千兆赫的偏移頻率將作為電子可檢測的時鐘信號。" 普渡大學該研究的主要作者吳開義說："通過這種方式，我們可以讓系統將原子鐘的精確時間信號轉移到更容易獲取的無線電頻率上。"

　　圖為齊明浩教授在對微蜂窩芯片進行表征的實驗室。 圖片來源：普渡大學，亞歷山大-摩爾

　　新系統還包括集成光子學，即使用芯片元件而不是笨重的激光光學元件。

　　"光子集成技術可以將光學原子鐘的光學元件，如頻率梳、原子源和激光器等，集成到微米到毫米級的微小光子芯片上，從而大大減小了系統的體積和重量，"吳開義博士說。

　　這項創新可以為大規模生產鋪平道路，使光學原子鐘在社會和科學領域的一系列應用變得更加經濟實惠和易于獲取。 對光學頻率周期進行"計數"所需的系統除了微蜂窩外還需要許多元件，如調制器、探測器和光放大器。 這項研究解決了一個重要問題，并展示了一種新的結構，但下一步工作是將所有必要元件整合到芯片上，以創建一個完整的系統。

　　維克托-托雷斯公司說："我們希望，未來材料和制造技術的進步能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。"

　　這項研究發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。