微梳芯片：有望達成釐米級GPS精度！

光學原子鐘能將我們手機、計算機和全球定位系統（GPS）中的時間和地理位置精度提高千倍。然而，它們目前體積過大且過於複雜，難以在社會中廣泛應用。

現在，美國普渡大學和瑞典查爾姆斯理工大學的一個研究團隊開發出一種技術，藉助片上微梳，可使超精密光學原子鐘系統變得更小，也更容易被使用——這對導航、自動駕駛汽車和地理數據監測有重大益處。

這項研究發表在《自然·光子學》雜誌上。

如今，由於全球有400多個原子鐘，我們的手機、計算機和GPS系統能給我們非常精確的時間顯示和定位信息。所有類型的時鐘——無論是機械鐘、原子鐘還是智能手錶——都由兩部分組成：振盪器和計數器。

振盪器提供某個已知頻率隨時間的週期性變化，而計數器則對振盪器的週期數進行計數。原子鐘會對振動原子的振盪進行計數，這些原子以非常精確的頻率在兩種能態之間轉換。

大多數原子鐘使用微波頻率來引發原子中的這些能量振盪。近年來，該領域的研究人員已經探索了使用激光以光學方式引發振盪的可能性。

就像每釐米有大量刻度的尺子一樣，光學原子鐘能夠將一秒劃分成更多的時間片段，從而得出精確數千倍的時間和位置指示。

“如今的原子鐘使全球定位系統（GPS）能夠達到幾米的定位精度。有了光學原子鐘，你可能達到僅幾釐米的精度。這提高了車輛以及所有基於定位的電子系統的自主性。光學原子鐘還能探測地球表面緯度的微小變化，並且可用於監測，例如火山活動，”普渡大學的齊明浩（Minghao Qi）教授說道，他是這項研究的合著者。

然而，現有的光學原子鐘體積龐大，並且需要配備特定激光設置和光學部件的複雜實驗室，這使得在實驗室環境之外（例如在衛星、偏遠研究站或無人機中）使用它們變得困難。

現在，普渡大學和查爾姆斯理工大學的一個研究團隊開發出了一種技術，該技術能讓光學原子鐘顯著變小，這樣就能在社會中得到更廣泛的應用。

這項新技術的核心是名爲微梳的小型芯片設備。就像梳子的齒一樣，微梳能產生均勻分佈的光頻率頻譜。

齊明浩（Minghao Qi）說：“這使得其中一個梳狀頻率能夠鎖定到一個激光頻率上，而這個激光頻率又被鎖定到原子鐘的振盪頻率上。”

雖然光學原子鐘的精度要高得多，但其振盪頻率處於好幾百太赫茲（THz）這麼個範圍，這個頻率太高了，任何電子電路都無法直接“計數”。但研究人員的微梳芯片能夠解決這個問題，同時讓原子鐘系統大幅縮小。

“幸運的是，我們的微梳（一種微型的光學元件）芯片可以充當原子鐘光信號與用於計算原子鐘振盪的射頻之間的橋樑。此外，微梳的小尺寸使得在保持原子鐘系統超高精度的同時大幅縮小其體積成爲可能，”查爾姆斯理工大學光子學教授、該研究的合著者維克多·託雷斯·康帕尼（音譯）說道。

另一個主要障礙是要同時實現整個系統穩定性所需的“自參照（自我參照）”，並使微梳的頻率與原子鐘的信號精確對準。

“結果表明，一個微梳（一種微型的光學元件）是不夠的，我們通過將兩個微梳（一種微型的光學元件）配對解決了這個問題，這兩個微梳的梳齒間距（即相鄰齒之間的頻率間隔）接近但有一個小的偏移量，例如20吉赫茲。這個20吉赫茲的偏移頻率將作爲可被電子檢測到的時鐘信號。通過這種方式，我們可以讓系統將精確的時間信號從原子鐘傳輸到更容易獲取的射頻，”該研究的主要作者吳凱毅（音譯）說道。

新系統還包括集成光子學（一種將光子元件集成在一起的技術），它使用基於芯片的組件而非龐大的激光光學組件。

吳凱毅（Kaiyi Wu）博士表示：“光子集成技術使得將光學原子鐘的光學元件（如頻率梳、原子源和激光器）集成到微米至毫米大小的微小光子芯片上成爲可能，這大大減小了系統的尺寸和重量。”

這項創新能爲大規模生產鋪好路，讓光學原子鐘在社會和科學的一系列應用裡更便宜、更容易得到。用於“計數”光頻週期的系統除了微梳之外還需要許多組件，如調製器、探測器和光放大器。

這項研究解決了一個重要問題並展示了一種新架構，但接下來的步驟是把創建完整芯片系統所需的所有元件都整合起來。

維克多·託雷斯·公司（Victor Torres Company）表示：“我們希望未來材料和製造技術的進步能進一步簡化這項技術，使我們離超精確計時成爲手機和計算機標準功能的世界更近一步。”