موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و همکارانش پیشرفت کوچک اما قدرتمندی در فناوری زمان‌بندی ارائه کرده‌اند: تراشه‌های فشرده که نور را به‌طور یکپارچه به امواج مایکروویو تبدیل می‌کنند. این تراشه می‌تواند GPS، کیفیت اتصالات تلفن و اینترنت، دقت سیستم‌های رادار و حسگر و سایر فناوری‌هایی که بر زمان‌بندی و ارتباطات با دقت بالا متکی هستند را بهبود بخشد.
این فناوری چیزی به نام لرزش زمان‌بندی را کاهش می‌دهد که تغییرات کوچک و تصادفی در زمان‌بندی سیگنال‌های مایکروویو است. درست مانند زمانی که یک نوازنده سعی می کند یک ضرب آهنگ ثابت را در موسیقی نگه دارد، زمان این سیگنال ها گاهی اوقات می تواند کمی نوسان کند. محققان این نوسانات زمان‌بندی را به کسری از ثانیه کاهش داده‌اند – به طور دقیق 15 فمتوثانیه، یک پیشرفت بزرگ نسبت به منابع مایکروویو سنتی – باعث می‌شود سیگنال‌ها به گونه‌ای پایدارتر و دقیق‌تر شوند که می‌تواند حساسیت رادار، دقت آنالوگ به مبدل های دیجیتال و وضوح تصاویر نجومی گرفته شده توسط آرایه های تلسکوپ.
نتایج این تیم در طبیعت.
نور روی اجاق های مایکروویو
چیزی که این نسخه آزمایشی را متمایز می کند، طراحی فشرده اجزایی است که این سیگنال ها را تولید می کنند. برای اولین بار، محققان سیستمی به اندازه رومیزی را انتخاب کردند و قسمت اعظم آن را به یک تراشه فشرده به اندازه یک کارت حافظه دوربین دیجیتال کوچک کردند. کاهش لرزش زمان در مقیاس کوچک، مصرف برق را کاهش می دهد و آن را در دستگاه های روزمره قابل استفاده تر می کند.
در حال حاضر، چندین مؤلفه این فناوری در خارج از تراشه قرار گرفته اند در حالی که محققان اثربخشی آنها را آزمایش می کنند. هدف نهایی این پروژه ادغام تمام بخش‌های مختلف مانند لیزر، مدولاتور، آشکارساز و تقویت‌کننده‌های نوری در یک تراشه است.
با ادغام تمام اجزا در یک تراشه واحد، تیم توانست اندازه و مصرف انرژی سیستم را کاهش دهد. این بدان معنی است که می توان آن را بدون نیاز به انرژی زیاد و آموزش تخصصی به راحتی به دستگاه های کوچک وصل کرد.
فرانک کوینلان، دانشمند علوم فیزیکی در NIST می گوید: «تکنولوژی کنونی به چندین آزمایشگاه و دکترای زیادی نیاز دارد تا سیگنال های مایکروویو را دریافت کند. بخش بزرگی از این تحقیق این است که چگونه ما از سیگنال های نوری با کاهش اندازه اجزا و مقرون به صرفه تر کردن همه چیز استفاده می کنیم.
برای دستیابی به این هدف، محققان از لیزر نیمه هادی استفاده می کنند که به عنوان یک چراغ قوه بسیار پایدار عمل می کند. آنها نور لیزر را به یک جعبه آینه ای کوچک به نام حفره مرجع هدایت می کنند، که مانند یک اتاق مینیاتوری است که نور به اطراف آن منعکس می شود. در داخل این حفره، فرکانس های نوری خاصی با اندازه حفره مطابقت داده می شود تا قله ها و دره های امواج نور کاملاً بین دیوارها قرار گیرند. این باعث می شود که نور در این فرکانس ها قدرت ایجاد کند که برای ثابت نگه داشتن فرکانس لیزر استفاده می شود. سپس نور پایدار با استفاده از دستگاهی به نام فرکانس شانه به امواج مایکروویو تبدیل می شود که نور فرکانس بالا را به سیگنال های مایکروویو با صدای پایین تر تبدیل می کند. این امواج مایکروویو دقیق برای فناوری‌هایی مانند سیستم‌های ناوبری، شبکه‌های ارتباطی و رادارها حیاتی هستند زیرا زمان‌بندی و همگام‌سازی دقیقی را ارائه می‌کنند.
کوینلان گفت: “هدف این است که همه این بخش ها به طور موثر روی یک پلت فرم کار کنند، که تا حد زیادی از دست دادن سیگنال را کاهش می دهد و نیاز به فناوری اضافی را از بین می برد.” «فاز اول این پروژه نشان دادن این بود که همه این بخش‌های مجزا با هم کار می‌کنند. مرحله دوم آنها را روی تراشه کنار هم قرار می دهد.
در سیستم های ناوبری مانند GPS، زمان بندی دقیق سیگنال ها برای تعیین مکان ضروری است. در شبکه‌های ارتباطی مانند تلفن‌های همراه و سیستم‌های اینترنتی، زمان‌بندی دقیق و همگام‌سازی سیگنال‌های متعدد، انتقال و دریافت صحیح داده‌ها را تضمین می‌کند.
به عنوان مثال، همگام سازی سیگنال برای شبکه های تلفن همراه شلوغ برای رسیدگی به تماس های تلفنی متعدد مهم است. این تراز دقیق سیگنال ها در زمان به شبکه تلفن همراه اجازه می دهد تا انتقال و دریافت داده ها را از چندین دستگاه مانند تلفن همراه شما هماهنگ و مدیریت کند. این تضمین می کند که چندین تماس تلفنی می تواند به طور همزمان از طریق شبکه انجام شود بدون اینکه با تاخیر یا وقفه قابل توجهی مواجه شوید.
در رادار، که برای شناسایی اشیایی مانند هواپیما و الگوهای آب و هوا استفاده می شود، زمان بندی دقیق برای اندازه گیری دقیق مدت زمان لازم برای پرش سیگنال ها بسیار مهم است.
کوینلان گفت: “انواع برنامه های کاربردی برای این فناوری وجود دارد. برای مثال، اخترشناسانی که از اجرام نجومی دور مانند سیاهچاله ها تصویربرداری می کنند، به سیگنال هایی با نویز بسیار کم و هماهنگ سازی ساعت نیاز دارند.” و این پروژه کمک می‌کند تا سیگنال‌های کم‌نویز از آزمایشگاه خارج شود و به دست تکنسین‌های رادار، ستاره‌شناسان، دانشمندان محیط‌زیست، همه این رشته‌های مختلف برسد تا حساسیت و توانایی آنها برای اندازه‌گیری چیزهای جدید افزایش یابد.»
برای رسیدن به یک هدف مشترک با هم کار کنید
ایجاد این نوع پیشرفت فناوری به تنهایی انجام نمی شود. محققان دانشگاه کلرادو بولدر، آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، کلتک، یو سی سانتا باربارا، دانشگاه ویرجینیا و دانشگاه ییل گرد هم آمده اند تا به این هدف مشترک دست یابند: انقلابی در شیوه استفاده از نور و امواج مایکروویو برای کاربردهای عملی.
من دوست دارم تحقیقات خود را با یک پروژه ساختمانی مقایسه کنم. تعداد زیادی قطعات متحرک وجود دارد و شما باید مطمئن شوید که همه آنها هماهنگ هستند تا لوله کش و برقکار در زمان مناسب در پروژه ظاهر شوند. ما همه با هم خیلی خوب کار می کنیم تا کارها را به جلو ببریم.»
کوینلان گفت که این تلاش مشترک بر اهمیت تحقیقات بین رشته ای در پیشبرد پیشرفت فناوری تاکید می کند.
