Ученые в сотню раз повысили стабильность микроволнового сигнала

Это знаменует собой гигантский шаг в направлении совершенствования электроники, позволяющей обеспечить более точное распределение времени, улучшенную навигацию, более надежную связь и более высокое разрешение изображений для радаров и астрономии.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) использовали самые современные атомные часы, передовые детекторы света и измерительный инструмент, называемый частотной гребенкой, чтобы повысить стабильность микроволновых сигналов в 100 раз.

Это знаменует собой гигантский шаг в направлении совершенствования электроники, позволяющей обеспечить более точное распределение времени, улучшенную навигацию, более надежную связь и более высокое разрешение изображений для радаров и астрономии. Улучшение согласованности микроволнового сигнала в течение определенного периода времени помогает обеспечить надежную работу устройства или системы.

Работа переносит уже превосходную стабильность ультрасовременных лабораторных атомных часов, работающих на оптических частотах, на микроволновые частоты, которые в настоящее время используются для калибровки электроники.

Электронные системы не способны непосредственно подсчитывать оптические сигналы, поэтому технология и методы NIST косвенно передают стабильность сигнала оптических часов в микроволновую область.

В своей установке исследователи использовали “тиканье” двух иттербиевых решетчатых часов NIST для генерации световых импульсов, а также частотные гребенки, служащие шестеренками для точного преобразования высокочастотных оптических импульсов в низкочастотные микроволновые сигналы.

Усовершенствованные фотодиоды преобразовывали световые импульсы в электрические токи, которые, в свою очередь, генерировали 10 гигагерцовый (ГГц, или миллиард циклов в секунду) микроволновый сигнал, который точно отслеживал тиканье часов, с погрешностью всего в одну часть квинтиллиона (1 с 18 нулями). Этот уровень производительности находится на одном уровне с обоими оптическими часами и в 100 раз более стабилен, чем лучшие микроволновые источники.

“Многолетние исследования, в том числе важный вклад NIST, привели к созданию высокоскоростных фотоприемников, которые теперь могут передавать стабильность оптических часов в микроволновую область”, – сказал ведущий исследователь Фрэнк Квинлан. “Второе крупное техническое усовершенствование заключалось в прямом отслеживании микроволн с высокой точностью в сочетании с большим количеством ноу-хау в усилении сигнала.”

Оптические волны имеют более короткие и быстрые циклы, чем микроволны, поэтому они имеют другую форму. При преобразовании стабильных оптических волн в микроволны исследователи отслеживали фазу – точное время волн, чтобы убедиться, что они идентичны и не смещены относительно друг друга. Эксперимент отслеживал фазовые изменения с разрешением, соответствующим всего одной миллионной части цикла.

“Это та область, где просто удвоение микроволновой стабильности может занять годы или десятилетия”, – сказал лидер группы исследователей Крис Оутс. – В сто раз лучше – это почти непостижимо.”

Некоторые компоненты системы NIST, такие как частотные гребни и детекторы, уже готовы к использованию в полевых условиях. Но исследователи NIST все еще работают над переносом современных оптических часов на мобильные платформы. Иттербиевые часы, работающие на частотах 518 терагерц (триллион циклов в секунду), в настоящее время занимают большие столы в строго контролируемых лабораторных условиях.

Сверхстабильные электронные сигналы могут поддерживать широкое применение, включая будущую калибровку электронных часов, таких как электрические устройства, работающие на осциллирующих кристаллах кварца. Это является важным соображением для переопределения международного стандарта времени, второго Си, теперь основанного на микроволновых частотах, поглощаемых атомами цезия в обычных часах.

В ближайшие годы международное научное сообщество, как ожидается, выберет новый стандарт времени, основанный на оптических частотах, которые поглощают другие атомы, такие как иттербий. Сверхстабильные сигналы также могут повысить надежность систем беспроводной связи.

Оптически производные электронные сигналы могли бы сделать системы визуализации более чувствительными. Чувствительность радара, особенно для медленно движущихся объектов, теперь ограничена микроволновым шумом и может быть значительно повышена.

Новые фотодиоды, произведенные в сотрудничестве между NIST и Университетом Вирджинии, преобразуют оптические сигналы в микроволновые сигналы более предсказуемо и с меньшим шумом, чем предыдущие конструкции. Кроме того, микроволны могут передавать сигналы от удаленных оптических часов для применения в навигации и фундаментальных физических исследованиях.

Астрономическая визуализация и релятивистская геодезия, которая измеряет гравитационную форму Земли, теперь основаны на обнаружении микроволновых сигналов на приемниках по всему миру и их объединении для формирования изображений объектов.

Дистанционная калибровка этих приемников может сделать возможным перемещение сети из Земли в космос, что улучшит разрешение изображения и позволит избежать атмосферных искажений, ограничивающих время наблюдения. Благодаря часам наблюдения, а не секундам, исследователи могли бы получить изображения гораздо большего количества объектов.


T. Nakamura el al., “Coherent optical clock down-conversion for microwave frequencies with 10-18 instability,” Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abb2473

“Synchronized to an optical atomic clock,” Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abb8629

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

0 0 голос
Рейтинг

Подписывайтесь на наш новый канал в и наши каналы в соц.сетях
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Share via
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: