美國國家標準與技術研究院（NIST）及其合作者在定時技術方面取得了一項微小但強大的進步：可將光無縫轉換成微波的緊湊型晶片。這種晶片可以改善全球定位系統、電話和互聯網連接的品質、雷達和感測系統的精確度，以及其他依賴高精度計時和通訊的技術。

NIST 研究人員正在測試一種將光轉換成微波訊號的晶片。圖為晶片，它是一個螢光面板，看起來像兩張小黑膠唱片。晶片左側的金色方塊是向晶片發射光線的半導體雷射。圖片來源：K. Palubicki/NIST

這種技術可以減少所謂的定時抖動，即微波訊號在定時上的微小隨機變化。就像音樂家在音樂中努力保持穩定的節拍一樣，這些訊號的定時有時也會出現一些波動。研究人員已將這些定時抖動減少到極小的幾分之一秒–確切地說是15飛秒，比傳統微波源有了很大改進–使信號更加穩定和精確，從而可以提高雷達的靈敏度、類比數位轉換器的精確度以及天文望遠鏡群捕捉到的天文影像的清晰度。

研究小組的研究成果發表在《自然》雜誌。

這次演示的與眾不同之處在於產生這些訊號的元件設計緊湊。研究人員首次將曾經是桌面大小的系統，縮小到與數位相機記憶卡差不多大小的輕巧晶片。在小規模上減少定時抖動可降低功耗，使其更適用於日常設備。

目前，這項技術的幾個組件位於晶片外部，研究人員正在測試它們的有效性。該專案的最終目標是將雷射、調製器、探測器和光放大器等所有不同部件整合到一個晶片上。

透過將所有組件整合到一個晶片上，該團隊可以減小系統的尺寸和功耗。這意味著它可以輕鬆整合到小型設備中，而不需要大量能源和專門培訓。

NIST物理科學家 Frank Quinlan說：”目前的技術需要幾個實驗室和許多博士才能實現微波訊號。這項研究的很多內容都是關於我們如何透過縮小元件尺寸來利用光訊號的優勢，並使一切都更容易獲得。

為了實現這一目標，研究人員使用了半導體雷射器，它就像一個非常穩定的手電筒。他們將雷射器發出的光射入一個被稱為參考腔的微型鏡箱中，參考腔就像一個微型房間，光線在裡面跳來跳去。在這個空腔內，有些光的頻率與空腔的大小相匹配，這樣光波的波峰和波谷就能完全貼合腔壁。這使得光在這些頻率上累積功率，用於保持雷射頻率的穩定。然後，穩定的光線透過一種名為”梳頻器”的裝置轉換成微波，這種裝置能將高頻光轉換成低頻微波訊號。這些精確的微波對導航系統、通訊網路和雷達等技術至關重要，因為它們能提供精確的定時和同步。

昆蘭說：”我們的目標是讓所有這些部件在一個平台上有效地協同工作，這將大大減少信號的損失，並消除對額外技術的需求。”這個項目的第一階段是展示所有這些單個部件的協同工作。第二階段是將它們整合到晶片上。在GPS 等導航系統中，訊號的精確性時對於確定位置至關重要。在通訊網路（如行動電話和網際網路系統）中，多個訊號的精確時間和同步可確保資料的正確傳輸和接收。

例如，同步訊號對於繁忙的蜂窩網路處理多個電話呼叫非常重要。訊號在時間上的精確對齊使蜂窩網路能夠組織和管理來自多個裝置（如您的手機）的資料傳輸和接收。這可確保多個電話同時透過網路傳輸，而不會出現嚴重的延遲或斷線。在用於探測飛機和天氣模式等物體的雷達中，精確計時對於準確測量訊號反彈所需的時間至關重要。

“這項技術有各種各樣的應用。例如，對黑洞等遙遠天體進行成像的天文學家需要真正的低噪聲信號和時鐘同步，」昆蘭說。 「這個計畫有助於讓這些低噪音訊號走出實驗室，進入雷達技術人員、天文學家、環境科學家以及所有這些不同領域的人的手中，提高他們測量新事物的靈敏度和能力。”

創造這種技術進步並不是單獨完成的。來自科羅拉多大學博爾德分校、美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室、加州理工學院、加州大學聖塔芭芭拉分校、維吉尼亞大學和耶魯大學的研究人員齊心協力，共同完成了這個共同目標：徹底改變我們利用光和微波進行實際應用的方式。

“我喜歡把我們的研究比作一個建築項目。這裡有很多活動部件，你需要確保每個人都協調一致，這樣水管工和電工才能在項目的正確時間出現，」昆蘭說。 “我們大家合作得非常好，保證了專案的順利進行。這種合作努力凸顯了跨學科研究在推動技術進步方面的重要性。”

編譯來源：ScitechDaily