Ученые в сотни раз повысили стабильность сигнала СВЧ

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) использовали самые современные атомные часы, усовершенствованные детекторы света и измерительный инструмент, называемый частотным гребнем, чтобы повысить стабильность микроволновых сигналов в 100 раз. Это знаменует собой гигантский шаг в направлении улучшения электроники, чтобы обеспечить более точное распределение времени, улучшенную навигацию, более надежную связь и изображения с более высоким разрешением для радиолокации и астрономии. Улучшение согласованности микроволнового сигнала в течение определенного периода времени помогает обеспечить надежную работу устройств и систем.

Работа ученых, которую описывает портал phys.org, переводит уже и так превосходную стабильность современных лабораторных атомных часов, работающих на оптических частотах, на микроволновые частоты, которые в настоящее время используются для калибровки электроники. Электронные системы не могут напрямую считать оптические сигналы, поэтому технология и методы NIST косвенно переносят стабильность сигнала оптических часов в микроволновую область. 

В своей установке исследователи использовали «тиканье» двух иттербиевых решеточных часов NIST для генерации световых импульсов, а также частотные гребенки, служащие в качестве зубчатых колес для точной трансляции высокочастотных оптических импульсов в низкочастотные микроволновые сигналы. Усовершенствованные фотодиоды преобразовывали световые импульсы в электрические токи, которые, в свою очередь, генерировали микроволновый сигнал с частотой 10 гигагерц (ГГц или миллиард циклов в секунду), который точно отслеживал тикание часов, с погрешностью в одну часть в квинтиллионе (1, за которым следует 18 нулей). Этот уровень производительности соответствует оптическим часам и в 100 раз стабильнее, чем у лучших микроволновых источников.

«Годы исследований, включая важный вклад NIST, привели к созданию высокоскоростных фотоприемников, которые теперь могут передавать стабильность оптических часов в микроволновую область», - сказал ведущий исследователь Фрэнк Куинлан. «Вторым важным техническим улучшением стало прямое отслеживание 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 разные формы. Преобразуя стабильные оптические волны в микроволны, исследователи отслеживали фазу - точную синхронизацию волн - чтобы убедиться, что они идентичны и не смещены относительно друг друга. Эксперимент отслеживал изменения фазы с разрешением, соответствующим всего одной миллионной части цикла.

«Это область, в которой для удвоения стабильности микроволн может потребоваться годы или десятилетия», - сказал лидер группы Крис Оутс. «В сто раз лучше почти непостижимо».

По словам Куинлана, некоторые компоненты системы NIST, такие как частотные гребенки и детекторы, уже готовы к использованию в полевых условиях. Но исследователи NIST все еще работают над переводом современных оптических часов на мобильные платформы. Часы иттербия, которые работают на частотах 518 терагерц (триллион циклов в секунду), в настоящее время занимают большие таблицы в строго контролируемых лабораторных условиях.

Ультраустойчивые электронные сигналы могут поддерживать широкое применение, включая будущую калибровку электронных часов, таких как электрические устройства, работающие на колеблющихся кристаллах кварца. Это важное соображение для переопределения международного стандарта времени, секунды СИ, теперь основанного на микроволновых частотах, поглощаемых атомами цезия в обычных часах. Ожидается, что в ближайшие годы международное научное сообщество выберет новый стандарт времени, основанный на оптических частотах, которые поглощают другие атомы, такие как иттербий. Сверхстабильные сигналы также могут сделать системы беспроводной связи более надежными.

Оптически полученные электронные сигналы могут сделать системы визуализации более чувствительными. Чувствительность радара, особенно для медленно движущихся объектов, теперь ограничена микроволновым шумом и может быть значительно повышена. Новые фотодиоды, созданные в сотрудничестве между NIST и Университетом Вирджинии, преобразуют оптические сигналы в микроволновые сигналы более предсказуемо и с меньшим уровнем шума, чем в предыдущих разработках. Кроме того, микроволны могут передавать сигналы от удаленных оптических часов для приложений в области навигации и фундаментальных физических исследований.

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 изображать гораздо больше объектов.