Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Elektronika przyszłości polegać może na laserach, a nie kwarcu.

ghost666 27 Lip 2014 14:38 3642 16
  • Elektronika przyszłości polegać może na laserach, a nie kwarcu.Niemalże w każdym urządzeniu elektronicznym znajduje się element zwany rezonatorem, którego zadanie jest generacja oscylacji o precyzyjnie znanej częstotliwości. Elementy te pozwalają na odmierzanie czasu w zegarkach naręcznych czy też na przekazywanie transmisji bezprzewodowych. Już od prawie 100 lat rezonatory wykonywane są z kryształów kwarcu, których referencyjne oscylacje wykorzystywane są analogicznie do tego jak kamerton wykorzystuje się do strojenia pianina. Jednakże elektronika w przyszłościowych systemach nawigacyjnych czy radarowych, potrzebuje wyższych częstotliwości do poprawnej pracy niż możliwe są do wygenerowania z wykorzystaniem rezonatorów kwarcowych. Także elektronika obecna w naszych domach niedługo może wymagać takich częstotliwości do pracy.

    Aktualnie naukowcy z zespołu Kerrego Vahala, profesora na wydziale Informtyki i Fizyki Stosowanej na Caltechu, opracowują sposób na stabilizowanie sygnałów mikrofalowych o częstotliwości w zakresie gigaherców, czyli miliardów cyklu na sekundę. Aby to osiągnąć wykorzystuje się parę wiązek laserowych, jako źródło sygnału odniesienia, zamiast używanych dzisiaj rezonatorów kwarcowych.

    Rezonatory kwarcowe "stroją" poprzez wibrowanie z charakterystyczną, stabilną częstotliwością, niestety dosyć niską, zazwyczaj na poziomie megaherców (milionów oscylacji na sekundę), czyli przy częstotliwościach radiowych. Rezonatory kwarcowe są tak dobre w stabilizacji niskich częstotliwości iż wykorzystywano je do stabilizacji mikrofal. Naukowcy dzielili elektrycznie częstotliwość mikrofal do poziomu osiągalnego przez rezonatory kwarcowe, które następnie stabilizowały te niskie częstotliwości.

    Nowa technologia, którą opracował Vahala wraz z współpracownikami, wywodzi się z podziału częstotliwości z wykorzystaniem układów optoelektronicznych i wykorzystuje czysto optyczną technikę podziału częstotliwości opracowaną przez naukowców z Amerykańskiego Instytutu Standardów i Technologii (NIST). Vahala opisuje "Nasza nowa metoda odwraca architekturę układów stabilizacji częstotliwości z wykorzystaniem rezonatorów opartych o kryształ - w opracowanym przez nas urządzeniu rezonator kwarcowy zastąpiony jest sygnałem optycznym o częstotliwości znacznie wyższej niż stabilizowany sygnał mikrofalowy".

    Jiang Li - naukowiec realizujący staż postdoktorski w Instytucie Nanotechnologii na Caltechu jest jednym z dwóch najistotniejszych autorów publikacji opisującej metodę laserowej stabilizacji sygnałów mikrofalowych (drugim z nich jest student Xu Yi). Opisuje on wykorzystaną metodą jako analogię przekładni w rowerze, które transformują ruch niewielkich pedałów w obroty koła o dużej średnicy, "Elektroniczne dzielniki częstotliwości działać mogą z częstotliwościami nie większymi niż 50 do 100 GHz" - tłumaczy Li - "Nasz układ wykorzystujący hybrydowe optoelektroniczne 'przekładnie' stabilizuje mikrofale korzystając z przebiegu odniesienia o częstotliwości rzędu teraherców".

    Źródłem optycznego sygnału odniesienia, wykorzystanym przez naukowców, jest laser wyglądający jak niewielki dysk. Ma on zaledwie 6 mm średnicy, co czyni takie urządzenie niezwykle użytecznym na przykład w kompaktowych systemach fotonicznych. Scott Diddams, fizyk zajmujący się wspomnianym projektem realizowanym przez NIST mówi iż "Zawsze istnieją pewne kompromisy pomiędzy aparemtrami pracy urządzenia a jego wielkością i łatwością integracji w systemie. Jednakże optyczne rezonatory, zaproponowane przez zespół Vahala wykazują szereg zalet i w wielu miejscach dorównują czy nawet przewyższają stosowane dzisiaj technologie".

    Opisywana w artykule technologia została szczegółowo udokumentowana w artykule który pojawił się w http://www.sciencemag.org/content/345/6194/309 Science 18 lipca bieżącego roku.

    Źródło:

    http://phys.org/news/2014-07-future-electronics-lasers-quartz.html

  • #2 27 Lip 2014 19:33
    RitterX
    Poziom 35  

    W systemach nawigacyjnych z powodzeniem wykorzystuje się zegary atomowe. Do zastosowań konsumenckich wystarczy stary, dobry, tani i prosty rezonator kwarcowy. Nie podejrzewam też by rozwiązanie laserowe było energetycznie konkurencyjne.

  • #3 27 Lip 2014 19:59
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    RitterX napisał:
    W systemach nawigacyjnych, z powodzeniem, z powodzeniem wykorzystuje się zegary atomowe. Do zastosowań konsumenckich wystarczy stary, dobry, tani i prosty rezonator kwarcowy. Nie podejrzewam też by rozwiązanie laserowe było energetycznie konkurencyjne.


    Zegara atomowego nie można nastroić na zadaną częstotliwość...

  • #4 27 Lip 2014 23:50
    deus.ex.machina
    Poziom 31  

    ghost666 napisał:

    Zegara atomowego nie można nastroić na zadaną częstotliwość...


    Podobnie jak i kwarcowego (korekty są możliwe ale w niewielkim stopniu i kosztem utraty stałości) - po to używa się innych technik by z źródła o jednej częstotliwości uzyskać inne w szerokim zakresie..

  • #5 28 Lip 2014 00:06
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Nie rozumiecie mnie. Nie da się skonstruować zegara atomowego generującego dowolną częstotliwość. Kwarc się da, podobnie jak fale EM, które wykorzystali autorzy tłumaczonego artykułu.

  • #6 28 Lip 2014 00:16
    silvvester
    Poziom 24  

    ghost666 napisał:

    Zegara atomowego nie można nastroić na zadaną częstotliwość...


    Samej komory oscylacyjnej nie, ale elektronike w zegarze już tak. A nawet jak elektronika nie ma takiej opcji, to od tego są pętle fazowe i dzielniki.

  • #7 28 Lip 2014 00:23
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Elektronika i pętle fazowe dla sygnałów o częstotliwości 1 THz?

  • #8 28 Lip 2014 10:03
    deus.ex.machina
    Poziom 31  

    ghost666 napisał:
    Elektronika i pętle fazowe dla sygnałów o częstotliwości 1 THz?


    ?
    Ale po co THz? Przecież wyraźnie pomysł jest z tych by użyć znacznie większej częstotliwości (w tym wypadku światła) i w ten sposób synchronizować generator - odmienna od obecnie używanej gdy relatywnie mala częstotliwość generatora kwarcowego stabilizuje inny generator o znacznie wyższej częstotliwości. Poza tym masz złącza Josephsona gdzie IIRC częstotliwości oscylacji mogą osiągać wspomniany THz i można budować układy logiczne (programowalne dzielniki np).

  • #9 28 Lip 2014 10:59
    QuantumXXX
    Poziom 18  

    RitterX napisał:
    W systemach nawigacyjnych z powodzeniem wykorzystuje się zegary atomowe. Do zastosowań konsumenckich wystarczy stary, dobry, tani i prosty rezonator kwarcowy. Nie podejrzewam też by rozwiązanie laserowe było energetycznie konkurencyjne.


    Owszem, ale ten news pochodzi z czasopisma naukowego i dla zwykłego zjadacza chleba jak Ty jest bezwartościowy bo nie można zrobić z tego produktu który możesz skonsumować. Autorzy prezentują jak zrobić źródło mikrofalowe o niskich szumach fazowych, które może być przydatne w radioastronomii albo w metrologii. Co prawda optyczne źródła czasu i częstości potrafią być 1000 razy stabilniejsze niż zegary atomowe (nawet te stosowane w systemach nawigacyjnych) ale nikt na siłę nic chce zastępować tych wzorców.

    Dodano po 2 [minuty]:

    ghost666 napisał:
    Nie rozumiecie mnie. Nie da się skonstruować zegara atomowego generującego dowolną częstotliwość. Kwarc się da, podobnie jak fale EM, które wykorzystali autorzy tłumaczonego artykułu.


    Tyle, że nikt tego nie chce ani nie ma takiej potrzeby. Częstości zegarów atomowych wybiera się nie dla użyteczności ich częstości tylko dla stabilności wzorca. A poza tym istnieją doskonałe metody przenoszenia stabilności i dokładności sygnałów z zegarów atomowych na inne częstości.

    Dodano po 4 [minuty]:

    ghost666 napisał:
    Elektronika i pętle fazowe dla sygnałów o częstotliwości 1 THz?


    Przeczytaj artykuły w Science, oni generują 10 GHz z niskimi szumami fazowymi. To jest żadna nowość, bo już parę lat temu ludzie potrafili to robić, ale wtedy były potrzebne lasery femtosekundowe (tzw. optyczne grzebienie częstości) i/lub etalony F-P do lockownia laserów a w tej publikacji wykorzystano mikrorezonator w którym następuje akcja laserowa.

  • #10 28 Lip 2014 20:52
    RitterX
    Poziom 35  

    QuantumXXX napisał:
    Owszem, ale ten news pochodzi z czasopisma naukowego i dla zwykłego zjadacza chleba jak Ty jest bezwartościowy bo nie można zrobić z tego produktu który możesz skonsumować. Autorzy prezentują jak zrobić źródło mikrofalowe o niskich szumach fazowych, które może być przydatne w radioastronomii albo w metrologii.

    Szczycę się tym, że jestem zwykłym zjadaczem technologii. Długo i cierpliwie uczyłem się praktyczności. Tak by technologia zarabiała a nie generowała jedynie koszty i dobre samopoczucie odkrywców.

    QuantumXXX napisał:
    Częstości zegarów atomowych wybiera się nie dla użyteczności ich częstości tylko dla stabilności wzorca. A poza tym istnieją doskonałe metody przenoszenia stabilności i dokładności sygnałów z zegarów atomowych na inne częstości.

    Jak rozumiem głównym celem badań jest w tym przypadku możliwie wysokie podniesienie częstotliwości wzorca celem ograniczenia błędu.

    W moim rozumieniu laser - źródło o określonej dyskretnej częstotliwości fali elektromagnetycznej generuje wiązkę, która trafia na optyczne dzielniki częstotliwości tak by móc uzyskać częstotliwość, którą można już zliczać przy użyciu zwykłych dzielników. Jeżeli tego nie da się zrobić to nie ma sensu budować tego typu zegara. Ponieważ z technicznego punktu widzenia będzie on niepraktyczny.
    Druga sprawa dotyczy lasera. Od kiedy to istnieje laser generujący światło białe?! Jak dotąd lasery udaje się budować na niezbyt wielką liczbę konkretnych długości fali - częstotliwości. Czyli częstotliwość wyjściowa także będzie nie taka jakiej sobie zażyczymy lecz taka jaką otrzymamy z podziału częstotliwości generowanej przez laser.
    Zapewne podobnie jak w przypadku rezonatora kwarcowego dla uzyskania odpowiedniej dokładności w tym przypadku także wymagana jest precyzyjna stabilizacja pracy zarówno krycztałów dzielnika jak i samego lasera.

  • #11 28 Lip 2014 21:03
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    RitterX napisał:
    (...)Druga sprawa dotyczy lasera. Od kiedy to istnieje laser generujący światło białe?! Jak dotąd lasery udaje się budować na niezbyt wielką liczbę konkretnych długości fali - częstotliwości. Czyli częstotliwość wyjściowa także będzie nie taka jakiej sobie zażyczymy lecz taka jaką otrzymamy z podziału częstotliwości generowanej przez laser.
    Zapewne podobnie jak w przypadku rezonatora kwarcowego dla uzyskania odpowiedniej dokładności w tym przypadku także wymagana jest precyzyjna stabilizacja pracy zarówno krycztałów dzielnika jak i samego lasera.


    Lasery światła 'białego'? Jakoś od lat '80 (praktycznie), a pierwsze realizacje poszerzania widma w maserach to lata '60. Poczytaj - http://en.wikipedia.org/wiki/Supercontinuum..

    Jak dotąd lasery udaje się budować na dowolne długości fali w zakresie UV - IR.

  • #12 28 Lip 2014 22:53
    QuantumXXX
    Poziom 18  

    RitterX napisał:

    W moim rozumieniu laser - źródło o określonej dyskretnej częstotliwości fali elektromagnetycznej generuje wiązkę, która trafia na optyczne dzielniki częstotliwości tak by móc uzyskać częstotliwość, którą można już zliczać przy użyciu zwykłych dzielników. Jeżeli tego nie da się zrobić to nie ma sensu budować tego typu zegara.


    Tak właśnie jest, można koherentnie podzielić częstość optyczną (światło lasera) do częstości radiowej i tam ją zliczyć. To działa także w drugą stronę, można pomnożyć sygnał RF i otrzymać światło laserowe o częstości milion razy większej.

    RitterX napisał:

    Druga sprawa dotyczy lasera. Od kiedy to istnieje laser generujący światło białe?! Jak dotąd lasery udaje się budować na niezbyt wielką liczbę konkretnych długości fali - częstotliwości. Czyli częstotliwość wyjściowa także będzie nie taka jakiej sobie zażyczymy lecz taka jaką otrzymamy z podziału częstotliwości generowanej przez laser.


    No cóż, dzisiejsza technika laserowa pozwala budować lasery emitujące jednocześnie miliony dyskretnych częstości optycznych (koherentnych ze sobą) pokrywających cały zakres optyczny a nawet UV czy IR. Można kupić nawet gotowe urządzenia, które emitują białą wiązkę.

  • #13 28 Lip 2014 23:36
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    QuantumXXX, supercontinuum nie ma 'milionów dyskretnych częstości', tylko widmo ciągłe.

  • #14 28 Lip 2014 23:59
    QuantumXXX
    Poziom 18  

    ghost666 napisał:
    QuantumXXX, supercontinuum nie ma 'milionów dyskretnych częstości', tylko widmo ciągłe.


    To które ma postać lasera (wiązki laserowej) nie ma widma ciągłego, tylko złożonego z szeregu dyskretnych częstości, które na niskorozdzielczym spektrometrze wydają się być quasi-ciągłym widmem z poszarpaniami obwiedni. To wynika z tego, jak takie supercontinuum jest robione: zazwyczaj wiązka z lasera impulsowego (femtosekundowego albo innego z synchronizacją modów i dostatecznie wysoką mocą) jest wpuszczana do medium wykazującego nieliniowość. Ale jak się policzy widmo ciągu impulsów to okazuje się że widmo nie jest ciągłe a dyskretne.Owszem, jeden impuls ma widmo ciągłe, ale co Ci po jednym impulsie jeśli w ciągu sekundy masz z lasera ich dziesiątki albo nawet miliardy. I oczywiście można przekonać się o tym doświadczalnie, zddudniając światło jednomodowego lasera CW z wiązką 'białego lasera' vel. contiunuum; wynikiem dudnień (na przykład na fotodiodze) będzie szereg dyskretnych częstości. Hasło klucz: optical frequency comb. Owszem, jeśli do generacji supercontiuum użyje się skranie niekoherentnego lasera impulsowego to widmo wynikowego światła będzie wykazywało niską koherentność ale nigdy nie będzie ono ciągłe w sensie fizycznym (czyli jak żarówka).

  • #15 29 Lip 2014 00:37
    RitterX
    Poziom 35  

    ghost666 napisał:
    Lasery światła 'białego'? Jakoś od lat '80 (praktycznie), a pierwsze realizacje poszerzania widma w maserach to lata '60. Poczytaj - http://en.wikipedia.org/wiki/Supercontinuum..

    Jak dotąd lasery udaje się budować na dowolne długości fali w zakresie UV - IR.


    W zakresie najbardziej interesującym czyli najkrótszych długości fali to tak dobrze nie wygląda. Nie wiem jakie są osiągnięcia w zakresie 337.1nm (laser azotowy) do 400nm?

    QuantumXXX napisał:
    Tak właśnie jest, można koherentnie podzielić częstość optyczną (światło lasera) do częstości radiowej i tam ją zliczyć. To działa także w drugą stronę, można pomnożyć sygnał RF i otrzymać światło laserowe o częstości milion razy większej.

    Dobrym przykładem jes laser "zielony" czyli dioda pompująca 808nm emituje na kryształ a ten podwaja długość fali do 1064nm by na kolejnym uzyskać 532nm -zieleń.

    Z multiplikowaniem częstotliwości bym nie przesadzał. Problemy w zakresie fioletu i ultrafioletu wcale nie są takie błahe.
    Poza tym kwarc jest tani i prosty w obróbce czego nie można powiedzieć o hodowli kryształów na bazie egzotycznych pierwiastków i jeszcze bardziej egzotycznych domieszek.

  • #16 29 Lip 2014 09:53
    QuantumXXX
    Poziom 18  

    RitterX napisał:

    W zakresie najbardziej interesującym czyli najkrótszych długości fali to tak dobrze nie wygląda. Nie wiem jakie są osiągnięcia w zakresie 337.1nm (laser azotowy) do 400nm?


    W tej specyfikacji jest widmo "lasera białego" generującego supercontiuum: http://www.fianium.com/pdf/WhiteLase_SC400_UV_v1.pdf , zaczyna się od ok. 400nm. To źródło to nie jest co prawda laser CW o super wąskiej linii ale do sporej części zastosowań się nadaje. Zejść niżej można poprzez np. zrobienie drugiej harmonicznej z 532nm (255nm) ale generalnie z ośrodkami laserującymi w UVjest kiepsko.
    RitterX napisał:

    QuantumXXX napisał:
    Tak właśnie jest, można koherentnie podzielić częstość optyczną (światło lasera) do częstości radiowej i tam ją zliczyć. To działa także w drugą stronę, można pomnożyć sygnał RF i otrzymać światło laserowe o częstości milion razy większej.

    Dobrym przykładem jes laser "zielony" czyli dioda pompująca 808nm emituje na kryształ a ten podwaja długość fali do 1064nm by na kolejnym uzyskać 532nm -zieleń.


    Tyle, że nie jest to proces dzielenia a mnożenia - i tylko przez dwa. Poza tym podwojone 808nm w żaden sposób nie jest 1064nm (jeśli już to byłoby 404nm).

    QuantumXXX napisał:

    Z multiplikowaniem częstotliwości bym nie przesadzał. Problemy w zakresie fioletu i ultrafioletu wcale nie są takie błahe.


    Ale co, przestraszyłeś się tego mnożenia przez milion? Tutaj przykład sprzed 2 lat, w czasopiśmie Nature:
    http://www.nature.com/nature/journal/v482/n7383/abs/nature10711.html
    Fragment z abstraktu:
    The absolute frequency of the argon transition has been determined by direct frequency comb spectroscopy.
    Jak widzisz zmierzyli na długości fali 82nm bezwzględną częstość przejścia optycznego -- czyli dysponowali źródłem UV którego częstość była znana względem zwykłego wzorca atomowego ("elektronicznego"); cytat z tej publikacji: The final
    absolute frequency for this transition is 3,655,454,07363MHz, which
    agrees well with previous measurements that have an uncertainty of
    2.3 GHz (ref. 30).



    QuantumXXX napisał:

    Poza tym kwarc jest tani i prosty w obróbce czego nie można powiedzieć o hodowli kryształów na bazie egzotycznych pierwiastków i jeszcze bardziej egzotycznych domieszek.


    Wszystko zależy co chcesz osiągnąć: oscylator na bazie kryształu kwarcu ma stabilność względną częstości na poziomie 10^-8 a taki na bazie lasera potrafi osiągnąć 10^-15 a nawet 10^-16.

  • #17 18 Sie 2014 15:28
    silvvester
    Poziom 24  

    ghost666 napisał:
    Elektronika i pętle fazowe dla sygnałów o częstotliwości 1 THz?



    Nie wiem o czym piszesz. W zegarze rubidowym jest 6GHz a nie THz.

 Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME