פתיחת רמות דיוק חדשות עם שבבי תזמון מתקדמים

שבבים קומפקטיים משפרים את תזמון הדיוק עבור תקשורת, ניווט ויישומים שונים.

המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ומשתפי הפעולה שלו סיפקו התקדמות קטנה אך אדירה בטכנולוגיית התזמון: שבבים קומפקטיים הממירים אור לגלי מיקרו בצורה חלקה. השבב הזה יכול להשתפר ג'י.פי. אסאיכות חיבורי הטלפון והאינטרנט, ה דיוק של מכ"ם ומערכות חישה, וטכנולוגיות אחרות הנשענות על תזמון ותקשורת ברמת דיוק גבוהה.

טכנולוגיה זו מפחיתה משהו המכונה ריצוד תזמון, שהוא שינויים אקראיים קטנים בתזמון של אותות מיקרוגל. בדומה למוזיקאי שמנסה לשמור על פעימה יציבה במוזיקה, התזמון של האותות הללו יכול לפעמים להתנדנד מעט. החוקרים צמצמו את תנודות התזמון הללו לשבריר שנייה קטן מאוד – 15 פמט שניות ליתר דיוק, שיפור גדול בהשוואה למקורות מיקרוגל מסורתיים – מה שהופך את האותות ליציבים ומדויקים הרבה יותר בדרכים שיכולות להגביר את רגישות המכ"ם, את הדיוק של אנלוגי. -ממירים לדיגיטל והבהירות של תמונות אסטרונומיות שנלכדו על ידי קבוצות של טלסקופים.

תוצאות הצוות פורסמו ב טֶבַע.

מאיר אור על מיקרוגלים

מה שמייחד את ההדגמה הזו הוא העיצוב הקומפקטי של הרכיבים שמייצרים את האותות הללו. בפעם הראשונה, חוקרים לקחו את מה שהיה פעם מערכת בגודל שולחן וכיווץ חלק גדול ממנו לשבב קומפקטי, בערך בגודל של כרטיס זיכרון של מצלמה דיגיטלית. הפחתת ריצוד תזמון בקנה מידה קטן מפחית את צריכת החשמל והופכת אותו לשמיש יותר במכשירים יומיומיים.

נכון לעכשיו, כמה מהרכיבים של טכנולוגיה זו ממוקמים מחוץ לשבב, כאשר חוקרים בודקים את יעילותם. המטרה הסופית של פרויקט זה היא לשלב את כל החלקים השונים, כגון לייזרים, מאפננים, גלאים ומגברים אופטיים, על גבי שבב בודד.

על ידי שילוב כל הרכיבים על גבי שבב בודד, הצוות יכול להפחית את הגודל ואת צריכת החשמל של המערכת. זה אומר שניתן לשלב אותו בקלות במכשירים קטנים מבלי לדרוש הרבה אנרגיה והכשרה מיוחדת.

"הטכנולוגיה הנוכחית דורשת מספר מעבדות ודוקטורים רבים כדי לגרום לאותות מיקרוגל להתרחש", אמר פרנק קווינלן, מדען פיזיקלי של NIST. "הרבה ממה שהמחקר הזה עוסק הוא איך אנחנו מנצלים את היתרונות של אותות אופטיים על ידי כיווץ גודל הרכיבים והפיכת הכל לנגיש יותר."

כדי להשיג זאת, החוקרים משתמשים בלייזר מוליכים למחצה, הפועל כפנס יציב מאוד. הם מכוונים את האור מהלייזר לתוך קופסת מראה זעירה הנקראת חלל התייחסות, שהוא כמו חדר מיניאטורי שבו אור מקפץ מסביב. בתוך חלל זה, כמה תדרי אור מותאמים לגודל החלל כך שהפסגות והעמקים של גלי האור משתלבים בצורה מושלמת בין הקירות. זה גורם לאור לבנות כוח בתדרים אלה, המשמש כדי לשמור על תדר הלייזר יציב. לאחר מכן, האור היציב מומר למיקרוגלים באמצעות מכשיר הנקרא מסרק תדרים, אשר משנה אור בתדר גבוה לאותות מיקרוגל בעלי צלילים נמוכים יותר. גלי מיקרוגל מדויקים אלו חיוניים לטכנולוגיות כמו מערכות ניווט, רשתות תקשורת ומכ"ם מכיוון שהם מספקים תזמון וסנכרון מדויקים.

"המטרה היא לגרום לכל החלקים הללו לעבוד יחד ביעילות על פלטפורמה אחת, מה שיפחית מאוד את אובדן האותות ויסיר את הצורך בטכנולוגיה נוספת", אמר קווינלן. "השלב הראשון של הפרויקט הזה היה להראות שכל החלקים האישיים האלה עובדים יחד. שלב שני הוא לחבר אותם יחד על השבב".

במערכות ניווט כגון GPS, התזמון המדויק של האותות חיוני לקביעת המיקום. ברשתות תקשורת, כגון טלפון סלולרי ומערכות אינטרנט, תזמון מדויק וסנכרון של אותות מרובים מבטיחים כי הנתונים מועברים ומתקבלים בצורה נכונה.

לדוגמה, סנכרון האותות חשוב לרשתות סלולריות עמוסות לטיפול במספר שיחות טלפון. התאמה מדויקת זו של האותות בזמן מאפשרת לרשת הסלולרית לארגן ולנהל את השידור והקליטה של ​​נתונים ממספר מכשירים, כמו הטלפון הסלולרי שלך. זה מבטיח שניתן להעביר מספר שיחות טלפון ברשת בו זמנית מבלי לחוות עיכובים או נפילות משמעותיות.

במכ"ם, המשמש לזיהוי עצמים כמו מטוסים ודפוסי מזג אוויר, תזמון מדויק הוא חיוני למדידה מדויקת של כמה זמן לוקח לאותות לחזור אחורה.

"יש כל מיני יישומים לטכנולוגיה הזו. למשל, אסטרונומים שמדמים אובייקטים אסטרונומיים רחוקים, כמו חורים שחורים, זקוקים לאותות בעלי רעש נמוך באמת ולסנכרון שעון", אמר קווינלן. "והפרויקט הזה עוזר להוציא את אותות הרעש הנמוכים האלה מהמעבדה, ואל ידיהם של טכנאי מכ"ם, של אסטרונומים, של מדעני סביבה, של כל התחומים השונים האלה, כדי להגביר את הרגישות והיכולת שלהם למדוד דברים חדשים."

עובדים ביחד לקראת מטרה משותפת

יצירת התקדמות טכנולוגית מסוג זה אינה נעשית לבד. חוקרים מאוניברסיטת קולורדו בולדר, ה נאס"א מעבדת הנעה סילון, המכון הטכנולוגי של קליפורניה, אוניברסיטת קליפורניה סנטה ברברה, אוניברסיטת וירג'יניה, ו אוניברסיטת ייל התכנסו כדי להשיג מטרה משותפת זו: לחולל מהפכה באופן שבו אנו רותמים אור ומיקרוגלים ליישומים מעשיים.

"אני אוהב להשוות את המחקר שלנו לפרויקט בנייה. יש הרבה חלקים נעים, ואתה צריך לוודא שכולם מתואמים כך שהשרברב והחשמלאי יופיעו בזמן הנכון בפרויקט", אמר קווינלן. "כולנו עובדים ביחד ממש טוב כדי להמשיך את הדברים".

מאמץ שיתופי זה מדגיש את החשיבות של מחקר בין-תחומי בהנעת התקדמות טכנולוגית, אמר קווינלן.