Takuma Nakamura , Frank Quinlanและเพื่อนร่วมงานที่ National Institute of Standards and Technology (NIST) ในสหรัฐอเมริกาได้แสดงให้เห็นการแปลงสัญญาณเวลาของนาฬิกาออปติคัลเป็นสัญญาณไมโครเวฟที่ดีที่สุดเท่าที่เคยมี มา ทีมงานบรรลุผลผ่านการตั้งค่าที่เกี่ยวข้องกับหวีความถี่แสงและเครื่องตรวจจับแสงที่ล้ำสมัย ความสำเร็จของพวกเขาอาจมีประโยชน์อย่างมากในด้านต่างๆ เช่น
การนำทาง ดาราศาสตร์ และการทดสอบฟิสิกส์พื้นฐาน
ด้วยการใช้ประโยชน์จากสัญญาณเวลาที่เสถียรสูงซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนสั่นระหว่างระดับพลังงานปรมาณู นาฬิกาแบบออปติคัลในปัจจุบันช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดเวลาด้วยระดับความแม่นยำที่ไม่มีใครเทียบได้ อันที่จริง นาฬิกาออปติคัลสร้างสัญญาณเวลาได้ดีกว่านาฬิกาอะตอมทั่วไป ซึ่งทำงานที่ความถี่ไมโครเวฟที่ต่ำกว่ามาก
อย่างไรก็ตาม นาฬิกาแบบออปติคัลนั้นใช้งานยากในการประยุกต์ใช้การจับเวลาในทางปฏิบัติส่วนใหญ่ เนื่องจากสัญญาณออปติคัลของนาฬิกาสั่นเร็วเกินไปที่จะนับโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อใช้ประโยชน์จากความเสถียรอย่างเต็มที่ สัญญาณออปติคัลต้องแปลงเป็นสัญญาณไมโครเวฟที่เป็นมิตรต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เมื่อสองทศวรรษก่อน “หวีความถี่แสง” (OFC) ได้รับการพัฒนาเพื่อทำการแปลงนี้ OFC สร้างพัลส์เลเซอร์เฟมโตวินาทีด้วยสเปกตรัมความถี่แสงที่มียอดแหลม (หรือโทนเสียง) ที่คมชัดซึ่งมีระยะห่างเท่ากันในความถี่ – เหมือนกับฟันของหวี
ช่องว่างความถี่ที่สำคัญ ช่องว่างความถี่ระหว่างโทนเสียงเหล่านี้เหมือนกับความถี่ที่เลเซอร์ปล่อยออกมาจากพัลส์ และความถี่นี้จะเสถียรพอๆ กับสัญญาณเวลาออปติคัลเอง เมื่อพัลส์หวีถูกยิงที่เครื่องตรวจจับด้วยแสง เอาต์พุตจะเป็นสัญญาณจับเวลาที่เสถียรที่ความถี่ไมโครเวฟ
แม้ว่าการแปลงนี้จะตรงไปตรงมาในหลักการ
แต่ในทางปฏิบัติ ได้พิสูจน์แล้วว่ายากมากที่จะพัฒนาเทคโนโลยีที่ส่งสัญญาณไมโครเวฟด้วยความแม่นยำและความเสถียรที่ต้องการ ประการหนึ่ง ตัวตรวจจับด้วยแสงสามารถทำให้เกิดความไม่เสถียรกับสัญญาณไมโครเวฟได้นาฬิกาออปติคัลขนาดเล็กดีกว่านาฬิกาจับเวลาที่ใช้ชิปรุ่นก่อนถึง 100 เท่า
ตอนนี้ Nakamura, Quinlan และเพื่อนร่วมงานได้ก้าวไปข้างหน้าโดยการปรับปรุงทั้งการออกแบบ OFC และเครื่องตรวจจับด้วยแสง ทีมงานใช้สัญญาณจากนาฬิกาออปติคัลสองตัวเป็นอินพุตไปยัง OFC อิสระสองตัวที่แต่ละตัวสร้างพัลส์เทรน พัลส์เหล่านี้ถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับโฟโตไดโอดสองเครื่องเพื่อสร้างสัญญาณไมโครเวฟอิสระสองสัญญาณ เมื่อเปรียบเทียบสัญญาณทั้งสองนี้ ทีมงานสรุปว่าสัญญาณจับเวลาไมโครเวฟยังคงอยู่ในเฟสโดยที่สัญญาณนาฬิกามีข้อผิดพลาดเพียง 1 ใน10 18 ทำให้สัญญาณมีความเสถียรมากกว่าแหล่งเวลาไมโครเวฟที่ดีที่สุดในปัจจุบันประมาณ 100 เท่า
ทีมงานจินตนาการถึงการใช้งานที่เป็นไปได้มากมายสำหรับแหล่งข้อมูลที่เสถียรเหล่านี้ ความสามารถในการรักษาสัญญาณไมโครเวฟที่เสถียรและแม่นยำในระยะทางไกลจะช่วยให้การซิงโครไนซ์ระหว่างอาร์เรย์ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุมีประสิทธิภาพมากขึ้น การปรับปรุงความแม่นยำของเรดาร์ และการสื่อสารที่ดีขึ้นระหว่างดาวเทียม ที่อื่น อาจช่วยให้การทดสอบฟิสิกส์พื้นฐานมีประสิทธิภาพมากขึ้น และอาจนำมาซึ่งการปรับปรุงที่รอคอยมานานสำหรับคำจำกัดความ SI ปัจจุบันของข้อที่สอง
“สิ่งนี้จะหมายถึงการอัปเดตและระบุวัตถุและเส้นขอบ
ที่โดดเด่นแต่ละรายการในฉากอย่างต่อเนื่อง และแปลงสิ่งเหล่านี้เป็นลำดับไดนามิกที่จะถูกส่งไปยังอาร์เรย์อิเล็กโทรดในแบบอินเทอร์เลซ” Bosking อธิบาย “เราหวังว่าเทคนิคเหล่านี้จะพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ใน VCP ในอนาคต ไม่ว่าจะใช้อิเล็กโทรดหรือเทคโนโลยีการกระตุ้นแบบใดก็ตาม”
นักวิจัยในออสเตรเลียและสหรัฐอเมริกาได้ผลิตไฟเบอร์เลเซอร์ที่ให้พลังงานสูงและปราศจากการกระจาย พัลส์โซลิตันเหล่านี้ถูกรวมเข้าด้วยกันด้วยคำศัพท์ที่มีลำดับสูงในสมการการกระจายแสงซึ่งก่อนหน้านี้เคยสร้างความรำคาญให้กับนักวิทยาศาสตร์ที่ผลิตโซลิตัน นักวิจัยหวังว่างานของพวกเขาจะสนับสนุนการศึกษาคำศัพท์ที่มีลำดับสูงกว่าในสมการการกระจายตัว การใช้งานจริงของโซลิตันกำลังสูง ได้แก่ การผ่าตัดตาด้วยเลเซอร์
การกระจายตัวของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงที่ความถี่ (สี) ต่างกันเดินทางด้วยความเร็วต่างกันในตัวกลาง ทำให้เกิดพัลส์ของแสงที่มีความถี่ต่างกันกระจายออกไปในอวกาศและเวลา ตัวอย่างที่คุ้นเคยของการกระจายตัวคือแสงถูกแยกออกเป็นสีต่างๆ โดยปริซึมและการเกิดรุ้งกินน้ำ อย่างไรก็ตาม สมการที่ควบคุมการกระจายตัวนั้นซับซ้อน การเพิ่มเอฟเฟกต์ลำดับที่สองนำไปสู่สารละลายที่ไม่กระจายตัวที่เรียกว่าโซลิตัน ในกรณีนี้เอฟเฟกต์ลำดับที่หนึ่งและสองจะสมดุลกันและพัลส์จะไม่กระจายออกไป
โซลิตันในเส้นใยนำแสงถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1973 และตั้งแต่นั้นมาก็พบการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น เลเซอร์สเปกโทรสโกปี อย่างไรก็ตาม พลังของพวกเขามีจำกัด ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 นักวิจัยระบุว่าสิ่งนี้มาจากเงื่อนไขที่มีลำดับสูงกว่าในสมการการกระจายตัวของแสง ซึ่งมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อกำลังพัลส์เพิ่มขึ้น สิ่งนี้ทำให้พัลส์ไม่เสถียรมากขึ้นและทำให้แตกเป็นเสี่ยงในที่สุด ทุกวันนี้ เลเซอร์ที่ใช้ในการผลิตคลื่นความถี่สูงเกินขีดนั้นซับซ้อนและมีราคาแพง พวกเขาสร้างพัลส์ที่ร้องเจี๊ยก ๆ (เปลี่ยนความถี่เมื่อชีพจรดำเนินไป) และใช้อุปกรณ์เพิ่มเติมเพื่อเปลี่ยนรูปร่างของพัลส์ที่ร้องเจี๊ยกเหล่านี้เป็นพัลส์ที่เสถียร
ยกของหนักทั้งหมด
ในปี 2018 Martijn de Sterkeแห่งมหาวิทยาลัยซิดนีย์และเพื่อนร่วมงานพบว่าการกระจายตัวในอันดับที่สี่ (ควอร์ติก) ไม่จำเป็นต้องทำลายล้างเมื่อค้นพบโซลิตันออปติคัลชนิดใหม่ในท่อนำคลื่นซิลิกอน โดย “serendipity” de Sterke และเพื่อนร่วมงานพบว่า แทนที่จะเป็นสิ่งรบกวน “[the quartic dispersion] ทำหน้าที่ยกของหนักจริงๆ”: “waveguide ไม่ได้ออกแบบมาอย่างนั้น” เขาอธิบาย “มันก็แค่เกิดขึ้นเท่านั้น และเพื่อนร่วมงานของเราAndrea Blanco-Redondoก็ฉลาดพอที่จะรับรู้ได้”
ในงานล่าสุดนี้ De Sterke, Blanco-Redondo (ปัจจุบันอยู่ที่ Nokia Bell Labs ในสหรัฐอเมริกา), Antoine Runge และ Kevin Tam แสดงให้เห็นถึงคุณค่าของการสังเกตโดยบังเอิญในปี 2018 โดยใช้ไฟเบอร์เลเซอร์แบบเร็วพิเศษที่ปล่อย “ควอร์ติกโซลิตันบริสุทธิ์” ช่องเลเซอร์ประกอบด้วยตัวสร้างพัลส์สเปกตรัมที่ออกแบบการกระจายอันดับที่สองและสามให้เป็นศูนย์ ในขณะที่ให้การกระจายควอร์ติกที่แข็งแกร่ง ผลลัพธ์ที่ได้นั้นสอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎีของนักวิจัยเป็นอย่างดี
