微型光學晶片利用雙鐳射生成精確信號 促進原子鐘小型化發展

美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員展示了一種基於晶片的光頻梳，該裝置利用兩個鐳射器產生精確的光信號，而不需要一些早期設計所需的笨重穩定設備。這項技術的發展有助於將光原子鐘縮小，並使其更適合在實驗室外使用。這類鐘在 GPS 信號不可用或被幹擾的情況下，最終可支援無人機、潛艇及其他交通工具的導航系統。該裝置依賴一種稱為微共振腔的小型環形結構。來自兩個鐳射器的光在環內循環，產生一系列均勻間隔的光頻，這些頻率可用作高度精確的測量參考。

研究人員與 NIST 與馬裏蘭大學之間的聯合量子研究所（JQI）的同事合作，表示這一方法解決了開發緊湊頻率梳的關鍵障礙：在不需額外耗能設備的情況下產生穩定的高質量信號。光頻梳的工作原理類似於光的尺規，通過產生一系列精確分隔的頻率，讓科學家能以卓越的準確性測量光。這些裝置是光原子鐘的重要組成部分，利用原子在光頻下的振動來測量時間。傳統的光頻梳系統可能需要多個組件來穩定其信號。

新方法解決信號穩定性

儘管研究人員已經開發出使用微共振腔的迷你版本，但維持所需的信號質量仍可能需要額外設備。

NIST 的方法將來自兩個鐳射器的光送入同一微共振腔。它們的相互作用產生所需的均勻間隔頻率，用於光學測量，同時避免了早期單鐳射方法中與額外穩定硬件相關的問題。研究人員製造了包含多達 300 個小型環形共振腔的晶片，這些結構提供了生成梳信號所需的光學環境。根據 NIST 的說法，這一雙鐳射技術能生成高質量的頻率梳，而不依賴於限制某些早期設計的笨重實驗室設置。該示範關注於頻率梳組件，而非完整的便攜式原子鐘。

NIST 目前尚未報告使用新裝置的完成導航系統。

光原子鐘的潛在應用

光原子鐘能為無法完全依賴衞星信號的導航系統提供準確的時間參考。GPS 通過使用來自衞星的精確計時信號來確定位置，當這些信號被阻斷、幹擾或故意屏蔽時，交通工具可能需要其他方法以保持可靠的導航。緊湊型光鐘最終可能透過提供穩定的時間參考來貢獻於這類系統，減少對外部信號的依賴。潛在應用包括自動駕駛無人機、潛艇及其他在衞星導航不可靠的環境中運行的交通工具。NIST 還指出，礦物勘探及石油和天然氣調查也是便攜式光鐘的可能用途。

然而，這項研究並未證明新微頻梳能獨立提供無 GPS 的導航，仍需額外的鐘組件和導航技術。

下一個挑戰是將展示的光學性能轉化為符合移動平台的尺寸、功耗和可靠性要求的實用儀器。透過減少產生穩定光頻所需的支持硬件，研究人員已展示了一個組件，這將有助於使精密計時設備更具便攜性。

微型光學晶片的導航潛力

這項技術的進展標誌著光原子鐘小型化的重要一步，能在無法依賴衛星信號的情況下提供準確的時間參考。隨著交通工具對導航系統的需求增加，特別是在自動駕駛和潛艇等領域，這種新型光頻梳的發展將有助於提升導航的穩定性和可靠性。儘管目前尚未證明其獨立導航的能力，但其潛在應用廣泛，未來可望在各種環境中發揮關鍵作用。