美国要彻底改变计时芯片？

9月前

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国国家标准与技术研究院 (NIST) 及其合作者通过开发将光转换为微波的紧凑型芯片，在计时技术（timing technology）方面取得了重大进展。这一进步可能会对依赖精确计时和通信的各种技术产生深远的影响，例如 GPS、电话和互联网连接、雷达系统等。

该技术的主要优点之一是减少定时抖动，这是指微波信号定时的微小随机变化。这些波动会影响各种系统的性能，就像音乐家试图保持音乐的稳定节拍一样。研究人员已将定时抖动减少到一秒的一小部分（准确地说是 15 飞秒），从而使信号更加稳定和精确。这一改进可能会提高雷达灵敏度、提高模数转换器的精度以及望远镜阵列捕获更清晰的天文图像。

该团队的工作突出了产生这些信号的组件的紧凑设计。以前，此类系统只有桌面大小，但研究人员已成功将其缩小到与数码相机存储卡大小大致相同的芯片。这种尺寸的减小降低了功耗，并使日常设备更容易使用该技术。

虽然该技术的多个组件目前出于测试目的位于芯片外部，但最终目标是将所有部件（例如激光器、调制器、探测器和光放大器）集成到单个芯片上。这种集成将进一步减小系统的尺寸和功耗，使其更容易集成到小型设备中，而不需要过多的能量或专门的培训。

NIST 的物理科学家 Frank Quinlan 强调了这项研究对于使微波信号更容易获取的重要性。他指出，当前的技术需要多个实验室和许多博士才能产生微波信号，这凸显了所需的复杂性和专业知识。通过缩小组件的尺寸并使其更易于使用，研究人员旨在以更实用和用户友好的方式利用光信号的优势。

该技术依赖于半导体激光器，它是一种稳定的光源。来自激光器的光被引导到参考腔中，在其中反弹以使特定的光频率与腔的尺寸相匹配。此过程有助于稳定激光频率。然后使用频率梳将稳定的光转换为微波，从而将高频光转换为低音调的微波信号。这些精确的微波对于导航系统、通信网络和雷达系统至关重要，因为它们提供准确的定时和同步。

在 GPS 等导航系统中，准确的计时对于确定位置至关重要。同样，精确的定时和同步可确保数据在通信网络中正确传输和接收。例如，在繁忙的蜂窝网络中，准确的信号同步允许同时传输多个电话呼叫，而不会出现明显的延迟或掉线。

在雷达系统中，精确定时对于准确测量反射回来的时间信号至关重要，这用于检测飞机和天气模式等物体。该技术在天文学中也有应用，其中低噪声信号和时钟同步对于黑洞等遥远天体的成像至关重要。

这项技术的开发是来自多个机构的研究人员的共同努力，包括科罗拉多大学博尔德分校、美国宇航局喷气推进实验室、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学。这种跨学科合作强调了团队合作在推动技术进步和彻底改变我们在实际应用中使用光和微波的方式的重要性。

计时技术的进步有可能对各个行业和技术产生重大影响，使通信系统更加可靠，雷达系统更加准确，天文观测更加精确。随着研究人员不断完善这项技术并将其集成到日常设备中，其好处可能会变得更加明显，从而开创数字时代精度和效率的新时代。

紧凑型芯片提高通信、导航和其他应用的精确定时

美国国家标准与技术研究所 (NIST) 及其合作者在计时技术方面取得了微小但巨大的进步：能够将光无缝转换为微波的紧凑芯片。该芯片可以提高 GPS、电话和互联网连接的质量、雷达和传感系统的准确性以及依赖高精度计时和通信的其他技术。

这项技术减少了所谓的定时抖动，即微波信号定时的微小随机变化。与音乐家试图保持音乐的稳定节拍类似，这些信号的时间有时会有点波动。研究人员将这些定时波动减少到了非常小的一秒——准确地说是15飞秒，比传统微波源有了很大的改进——使信号更加稳定和精确，从而可以提高雷达灵敏度、模拟精度-数字转换器和望远镜组捕获的天文图像的清晰度。

该演示的与众不同之处在于产生这些信号的组件的紧凑设计。研究人员首次将曾经桌面大小的系统缩小到一个紧凑的芯片中，其大小与数码相机存储卡的大小差不多。小范围地减少定时抖动可以减少功耗，并使其在日常设备中更可用。

目前，该技术的几个组件位于芯片外部，研究人员正在测试其有效性。该项目的最终目标是将所有不同的部件（例如激光器、调制器、探测器和光放大器）集成到单个芯片上。

通过将所有组件集成到单个芯片上，该团队可以减小系统的尺寸和功耗。这意味着它可以轻松地集成到小型设备中，而不需要大量的精力和专门的培训。

NIST 物理科学家弗兰克·昆兰 (Frank Quinlan) 表示：“当前的技术需要多个实验室和许多博士才能产生微波信号。” “这项研究的大部分内容是我们如何通过缩小组件的尺寸并使一切变得更容易访问来利用光信号的优势。”

为了实现这一目标，研究人员使用半导体激光器，它充当非常稳定的手电筒。他们将激光发出的光引导到一个称为参考腔的微小镜盒中，它就像一个微型房间，光线在其中反射。在这个空腔内，一些光频率与空腔的尺寸相匹配，以便光波的波峰和波谷完美地贴合在壁之间。这使得光在这些频率下积累能量，用于保持激光频率稳定。然后使用一种称为频率梳的装置将稳定的光转换为微波，该装置将高频光转换为低音调的微波信号。这些精确的微波对于导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们提供准确的定时和同步。

昆兰说：“我们的目标是让所有这些部件在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号损失并消除对额外技术的需求。” “这个项目的第一阶段是展示所有这些单独的部分可以协同工作。第二阶段是将它们放在芯片上。”

在GPS等导航系统中，信号的精确定时对于确定位置至关重要。在移动电话和互联网系统等通信网络中，多个信号的精确定时和同步可确保数据的正确传输和接收。

例如，信号同步对于繁忙的蜂窝网络处理多个电话非常重要。这种及时精确的信号对齐使蜂窝网络能够组织和管理来自多个设备（例如手机）的数据传输和接收。这确保了多个电话可以同时通过网络进行，而不会出现明显的延迟或掉线。

在用于检测飞机等物体和天气模式的雷达中，精确的计时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。

“这项技术有各种各样的应用。例如，对黑洞等遥远天体进行成像的天文学家需要真正低噪声的信号和时钟同步，”昆兰说。“这个项目有助于将这些低噪声信号带出实验室，并交到所有这些不同领域的雷达技术人员、天文学家、环境科学家的手中，以提高他们的灵敏度和测量新事物的能力。”

“我喜欢将我们的研究与建设项目进行比较。有很多移动部件，您需要确保每个人都协调一致，以便管道工和电工在项目中的正确时间出现，”Quinlan 说。“我们大家合作得非常好，以推动事情向前发展。”

昆兰说，这种合作强调了跨学科研究在推动技术进步方面的重要性。

原文链接

https://www.nist.gov/news-events/news/2024/03/shrinking-technology-expanding-horizons-compact-chips-advance-precision

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