ไมโครออปติกชิปใช้เลเซอร์คู่ในการสร้างสัญญาณที่แม่นยำ ส่งเสริมการพัฒนาให้ขนาดของนาฬิกาอะตอมเล็กลง

นักวิจัยจาก National Institute of Standards and Technology (NIST) ได้แสดงให้เห็นถึงอุปกรณ์ที่ใช้ชิปเป็นพื้นฐานในการสร้างโฟตอนที่แม่นยำ โดยใช้เลเซอร์สองตัว ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนตามที่การออกแบบก่อนหน้านี้ต้องการ การพัฒนานี้ช่วยให้สามารถลดขนาดนาฬิกาอะตอมแสง และทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานนอกห้องปฏิบัติการ นาฬิกาประเภทนี้สามารถสนับสนุนระบบนำทางของโดรน เรือดำน้ำ และยานพาหนะอื่น ๆ ในกรณีที่สัญญาณ GPS ไม่สามารถใช้งานได้หรือถูกขัดขวาง อุปกรณ์นี้พึ่งพาโครงสร้างวงแหวนขนาดเล็กที่เรียกว่าไมโครเรโซแนนซ์แคเวิร์น แสงจากเลเซอร์สองตัวจะหมุนเวียนอยู่ภายในวงแหวน สร้างความถี่แสงที่มีระยะห่างสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถใช้เป็นมาตรฐานการวัดที่มีความแม่นยำสูง

นักวิจัยได้ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจาก Joint Quantum Institute (JQI) ระหว่าง NIST และมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ โดยกล่าวว่าวิธีการนี้ได้แก้ไขอุปสรรคสำคัญในการพัฒนาชิปความถี่ที่กะทัดรัด: การสร้างสัญญาณคุณภาพสูงที่เสถียรโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือที่ใช้พลังงานเพิ่มเติม หลักการทำงานของโฟตอนความถี่คล้ายกับไม้บรรทัดแสง โดยการสร้างความถี่ที่มีการแยกออกอย่างแม่นยำ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดแสงได้อย่างแม่นยำ อุปกรณ์เหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของนาฬิกาอะตอมแสง โดยใช้การสั่นของอะตอมภายใต้ความถี่แสงในการวัดเวลา ระบบโฟตอนความถี่แบบดั้งเดิมอาจต้องใช้หลายส่วนประกอบเพื่อทำให้สัญญาณมีความเสถียร

วิธีการใหม่แก้ไขความเสถียรของสัญญาณ

แม้ว่านักวิจัยจะพัฒนาเวอร์ชันขนาดเล็กที่ใช้ไมโครเรโซแนนซ์แคเวิร์น แต่การรักษาคุณภาพสัญญาณที่ต้องการอาจยังคงต้องการอุปกรณ์เพิ่มเติม

วิธีการของ NIST จะส่งแสงจากเลเซอร์สองตัวไปยังไมโครเรโซแนนซ์แคเวิร์นเดียวกัน การมีปฏิสัมพันธ์ของพวกมันจะสร้างความถี่ที่มีระยะห่างสม่ำเสมอซึ่งใช้สำหรับการวัดทางออปติก โดยหลีกเลี่ยงปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เสถียรเพิ่มเติมในวิธีการเลเซอร์เดี่ยวก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้ผลิตชิปที่มีวงแหวนเรโซแนนซ์ขนาดเล็กถึง 300 วง ซึ่งโครงสร้างเหล่านี้ให้สภาพแวดล้อมทางออปติกที่จำเป็นในการสร้างสัญญาณโฟตอน ตามที่ NIST กล่าว วิธีการเลเซอร์คู่สามารถสร้างโฟตอนความถี่คุณภาพสูง โดยไม่ต้องพึ่งพาการตั้งค่าห้องปฏิบัติการที่มีขนาดใหญ่ซึ่งจำกัดการออกแบบบางอย่าง การสาธิตนี้มุ่งเน้นไปที่ส่วนประกอบของความถี่โฟตอน แทนที่จะเป็นนาฬิกาอะตอมแสงแบบพกพาเต็มรูปแบบ

NIST ยังไม่ได้รายงานเกี่ยวกับระบบนำทางที่ใช้กับอุปกรณ์ใหม่

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของนาฬิกาอะตอมแสง

นาฬิกาอะตอมแสงสามารถให้การอ้างอิงเวลาอย่างแม่นยำสำหรับระบบนำทางที่ไม่สามารถพึ่งพาสัญญาณดาวเทียมได้ โดย GPS ใช้สัญญาณการจับเวลาอย่างแม่นยำจากดาวเทียมในการกำหนดตำแหน่ง เมื่อสัญญาณเหล่านี้ถูกบล็อก ขัดขวาง หรือถูกปิดกั้นโดยเจตนา ยานพาหนะอาจต้องใช้วิธีการอื่นเพื่อรักษาการนำทางที่เชื่อถือได้ นาฬิกาแสงขนาดกะทัดรัดอาจช่วยให้ระบบเหล่านี้มีการอ้างอิงเวลาที่เสถียร ลดการพึ่งพาสัญญาณภายนอก การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้รวมถึงโดรนที่ขับเคลื่อนอัตโนมัติ เรือดำน้ำ และยานพาหนะอื่น ๆ ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่การนำทางด้วยดาวเทียมไม่เชื่อถือได้ NIST ยังชี้ให้เห็นว่าการสำรวจแร่และการสำรวจน้ำมันและก๊าซก็เป็นการใช้งานที่เป็นไปได้ของนาฬิกาแสงแบบพกพา

อย่างไรก็ตาม การวิจัยนี้ยังไม่ได้พิสูจน์ว่าสัญญาณไมโครความถี่ใหม่สามารถให้การนำทางที่เป็นอิสระจาก GPS ได้ โดยยังคงต้องการส่วนประกอบนาฬิกาและเทคโนโลยีนำทางเพิ่มเติม

ความท้าทายถัดไปคือการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพทางออปติกที่แสดงออกมาให้เป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้ซึ่งตรงตามข้อกำหนดด้านขนาด การใช้พลังงาน และความเชื่อถือได้ของแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ โดยการลดอุปกรณ์สนับสนุนที่จำเป็นในการสร้างความถี่แสงที่เสถียร นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงส่วนประกอบที่จะช่วยทำให้อุปกรณ์การจับเวลาแม่นยำมีความพกพามากขึ้น

ศักยภาพในการนำทางของไมโครออปติกชิป

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการลดขนาดนาฬิกาอะตอมแสง ซึ่งสามารถให้การอ้างอิงเวลาอย่างแม่นยำในกรณีที่ไม่สามารถพึ่งพาสัญญาณดาวเทียมได้ เมื่อความต้องการของยานพาหนะต่อระบบนำทางเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะในด้านการขับขี่อัตโนมัติและเรือดำน้ำ การพัฒนาความถี่โฟตอนประเภทใหม่นี้จะช่วยยกระดับความเสถียรและความเชื่อถือได้ของการนำทาง แม้ว่าจะยังไม่ได้พิสูจน์ความสามารถในการนำทางอิสระ แต่การประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้ก็มีมากมาย และคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ในอนาคต