米粒大的芯片，如何支撑6G与量子精密计时？

拉夫堡大学的物理学家与一支国际研究团队证实，一粒米粒大小的微芯片可以生成一组频率间隔精确的光频谱，该频谱随后能够转换为多路高频电磁信号，也就是毫米波。

毫米波在未来通信领域受到越来越多的关注，它可以提供更大带宽，简单来说就是拥有更大的数据传输容量。但想要满足先进技术所需的精度与稳定性来生成毫米波，仍然存在不小的挑战。

“当今社会对数据的需求正不断激增。我们希望更快、更高分辨率地收发更多信息，而毫米波有能力提供实现这一目标所需的容量。” 拉夫堡大学新兴光子学研究中心Luke Peters博士表示，“毫米波最终有望助力打造速度更快、容量更高的6G网络，但其应用潜力远不止通信领域。这些频率还可应用于雷达系统、光谱分析设备以及天文仪器，帮助科学家研究各类材料，对宇宙开展极高精度的测量。上述各类应用距离落地还有一段距离，这项技术投入实际系统前仍有诸多难题需要攻克，但我们的最新研究已经解决了其中一项核心难题。”

生成毫米波的一种方式是使用微光梳。微光梳是一套精度极高的光频率频谱，排布形态类似彩虹的色彩，只不过人眼无法看见。借助专用天线，这些光频率就可以转换为毫米波。

此前已有研究利用微光梳生成单一、高精度的毫米波频率。如果可以一次性生成多路毫米波频率，就能够开辟多条通道同步传输数据，但实现该效果需要一套信噪比极高、稳定性优异的微光梳。

在《自然‑通讯》刊载的论文中，这支由拉夫堡大学牵头的团队完成了上述目标。他们搭建的系统可以输出稳定、高质量的微光梳，并且能够一次性转换成多路频率间隔精确的毫米波信号。这项技术的关键在于微光梳的生成方案。传统微光梳的实现方式是将激光射入微谐振器，微谐振器是微芯片上的微型结构，可以捕获并循环传导光线。

“片上彩虹”：搭载微谐振器的微型芯片，能够生成排布规整、被称作微光梳的光频率 “彩虹”。芯片尺寸和一粒大米相当，图中放置一欧元硬币作为尺寸参照。

拉夫堡大学团队的设计方案有所不同，它将芯片级微谐振器和一段更长的光纤环路相结合，让激光可以在芯片与光纤环路中持续循环。“我们实际上造出了一套精度和稳定性都极高的‘片上彩虹’。光纤环路持续把光反馈回芯片内部，让光梳状态高效建立，实现自启动；即便系统受到外界扰动，依旧可以维持稳定。”Peters说道，“这套系统抗干扰能力也十分出众。我们甚至安排人员在设备旁边上下蹦跳，微光梳依旧可以保持稳定。”

在本次研究中，团队还实现了对微光梳这道 “光彩虹” 的调控，可以增强或者削弱部分频率的信号。最重要的是，微光梳的精度与稳定性可以完整传递到转换输出的毫米波信号上。

“我们可以单独增强或减弱某一路频率，这让我们对输出信号拥有更强的调控能力，因为不同应用场景需要不同的频率组合。”Peters表示，“同样重要的一点，我们证实微光梳的高精度可以完整继承到毫米波信号中。由此我们得到一整套高度可控的信号，这正是那些对精度、稳定性有严苛要求的应用所必需的条件。

同等水平的高精度对计时领域同样意义重大。精密计时是新兴量子技术的核心基础，量子技术对时间准确度有着极致的要求。”

后续研究方向

研究人员目前正在探索如何把这套微光梳技术走出实验室、实现工程化落地。整套系统的核心芯片虽然只有米粒大小，但现阶段完整设备还属于实验室台式装置。未来版本有望进一步缩小体积、提升能效，甚至可以做到鞋盒般大小。

团队尤其关注该技术未来在卫星上的应用场景，卫星设备对尺寸、重量、功耗都有着严格约束。

面向量子技术的精密计时

研究团队还在测试这套微光梳装置能够达到多高的精度。研究人员将它与精密时钟做对标测试；同时联合英国国家物理实验室、英国量子赋能定位导航与计时中心（QEPNT），挖掘它在计时、导航、定位方向的应用潜力。

“我们非常期待挖掘这套微光梳的精度与稳定性上限，尤其是面向那些极度依赖高精度计时的技术。” 主导微光梳稳定性测试的Antonio Cutrona博士说道，“我们希望本次研究以及这套系统，能够推动高精度光梳技术走向体积更小巧的计时、导航、定位设备。能和英国国家物理实验室、英国量子赋能定位导航与计时中心开展广泛合作，探索这些技术可能性，令人倍感振奋。”