美国新研发的“微芯片”，巨大功能且缩小体积！或从底层革新一切

就在几天前，3月6号，美国国家标准与技术研究所(NIST)的官网上悄悄公布了个消息，他们的研究人员开发出了一种革命性的微芯片，同时也在世界一流学术杂志《自然》上发布了该研究。

为啥说这个芯片是革命性的？因为这款新芯片能够将光无缝转换为微波。为啥要把光转换为微波？这个芯片的应用途径又是什么呢？

美国国家标准与技术研究院（NIST）联合多所大学，开发了一种革命性的微型计时芯片，能够将光无缝转换为微波。其实将光转换为微波并不是一项全新的技术，这个技术在多个领域都有广泛的应用。

比如光电通信、雷达、天文学和传感器技术等，这些领域常常需要在光学和微波之间进行能量转换。我们最为常见的技术应用是光纤到微波转换。光信号通过光纤传输，然后通过特定的器件（如光电探测器和微波发射器）转换为微波信号。

既然如此为何说这个芯片是革命性的呢？其实就是一个字“微”如下图它是荧光面板，看起来像两张小黑胶唱片。在这个芯片出现之前，将光转换为微波的系统通常是由多个组件组成的，包括光源、光纤、调制器、调制解调器、微波发射器等。

这个系统通常比较庞大，需要大型设备来容纳，并且需要专业的技术人员进行操作和维护。光转换为微波的设备可以根据其工作原理和组成部分的不同而有不同的名称。最为常见的就是光微波混频器或光电混频器。

主要由光学和微波器件组成，光学器件用于产生和调制光信号，而微波器件用于转换和处理光信号到微波信号。光微波混频器通常利用非线性光学效应，如倍频、混频等，将光信号转换为微波信号。

这类设备的具体尺寸和工作原理可以因应用场景和设计要求而有所不同。通常来说，这些设备的尺寸较大，需要复杂的外部设备和精密的光学和微波组件，因此限制了其在一些应用中的普及和使用。

而这个这个微型的计时芯片革命性的地方就是，能够实现高效的光到微波转换，并且将多个关键组件集成到单个芯片中。把原来大型设备才能做到的事，集成到了这个小小的芯片上。这种创新使得该技术在尺寸、功耗和性能方面都取得了重大突破。

说了这么多，大家可能还不是完全清楚这个东西能应用在什么地方？别着急，我们一个个来屡一下。

这玩意虽小，但确实不能小觑。它们通过减少“定时抖动”等手段，芯片实现了微波信号的高稳定性和精度。芯片的缩小从而降低了功耗，使其更易于日常使用。目前，该技术的组件正在进行测试，最终目标是将所有组件集成到单个芯片上。

拿导航系统来说，包括我国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略，这类的全球定位系统依赖于卫星发射的定时信号来计算接收器与卫星之间的距离。如果定时不准确，定位精度将受到影响，导致定位误差。

说近一点，精确的定时和同步对于多模式导航系统（如航空、海上和陆地导航）至关重要，以确保飞行员、船员和司机能够准确地知道自己的位置。说远一点，运用在军事上，那可不得了。

比如光电传感器在军事上的应用非常广泛。被用于目标识别、跟踪、侦察和导航。这些传感器可以使用光学、红外、激光等技术来感知目标。

在军事通信、雷达和电子对抗系统中微波技术也起着非常关键作用。微波和毫米波频段的特点包括频率高、波长短、对金属反射性强、空间穿透能力强等。因此，它们被广泛用于雷达、通信和电子对抗设备中。

这些设备通车会搭载在战术指挥车上，就是因为所需的设备较为庞大，我们不妨大胆点猜想，这种微芯片，一旦运用在军事上，是不是可以造就单兵代替目标较大的战术指挥车？

而且这块微芯片还提高了精度，那么在反恐这类的军事行动中，是不是更加容易不波及到普通平民。

对通信系统来说更是如虎添翼，就连民航的通信系统需要高度精确的定时和同步，以确保数据的准确传输和接收。对于军事更不用说，微波信号相对于其他频段的信号可能在某种程度上更难被破解。

微波信号通常采用高频率，并且可以使用复杂的调制技术，例如频率调制、相位调制和混合调制。这种技术可以增加信号的复杂性，使得对其进行拦截和解码变得更加困难。

微波通信系统通常使用指向性天线来实现窄束传输，将信号集中在特定的方向上。这可以减少信号的泄漏和干扰，从而降低了被窃听或干扰的风险。

在军事和安全关键应用中，微波通信系统通常会采用加密和认证技术来保护通信内容的安全性和完整性。这些技术可以增加攻击者破解信号的难度，并提高通信的安全性。不过说归说，微波信号也并非完全无敌，也是可以被攻击的，但稳定性的提升确实确实有很大作用。

在雷达与监视系统方面，需要精确的定时和同步来探测和跟踪目标。这种微型计时芯片可以提高雷达系统的灵敏度和精度，从而增强军事监视和侦察能力雷达系统使用定时信号来测量目标的距离、速度和方向。如果定时不准确，雷达测量结果将产生误差。

除了军事，在科考方面，这一技术也为科学家提供了更精确的工具，比如南极考察，大洋探索、海洋搜救等方面，更小的更便携的设备都会成为更加高效的工具。

在天文学方面也有所提升，它增强了信号的稳定性和准确性，从而可以提高雷达灵敏度，提高模数转换器的准确性，使得天文学家们使用天文望远镜组捕获更清晰的天文图像、星体图像。

NIST的物理科学家弗兰克·昆兰表示，之前的技术需要多个实验室才能生成微波信号。而当前进行的研究主要集中在如何通过缩小组件的尺寸和使技术更易于现实应用，从而充分利用光信号的优势。

简单介绍完NIST的技术，笔者也很好奇，我国目前有没有类似的技术？于是查找了一下，发现其实还不少，咱就拿其中一个出来讲讲。

我国有一项可编程超表面实现光到微波混合通信的技术。这项技术的研究团队来自东南大学和新加坡国立大学，他们提出了一种基于光控时域电磁超表面的新型光到微波混合发射机，并成功搭建了一套双通道的混合无线通信系统。

这项技术的关键是设计一种具有微秒级切换速度的高灵敏光电检测电路，并将其集成在可编程超表面上，从而实现对入射微波频谱的实时调控。通过该技术，可以将光信号直接调制到微波载波上，实现光到微波信号的转换，无需复杂的信号处理过程。

他们还利用超表面的色散特性实现了基于频分复用的双通道信号转换，提升了通信容量和效率。该技术的应用前景十分广阔，可以用于构建低成本、低复杂度、高效率的混合通信系统，为下一代无线通信领域的发展提供了重要基础。

虽然这个微波与光混合通信技术和NIST的芯片在技术上存在一定的相关性，但两者的具体实现方式和应用领域略有不同。

NIST的芯片是一种微型计时芯片，能够将光无缝转换为微波，旨在提高各种技术应用的精度和性能，包括GPS、电话、互联网连接、雷达和传感系统等。

而我国的这项技术则是基于可编程超表面，实现了光到微波的混合通信。它利用了可编程超表面的特性，通过光控时域电磁超表面实现了光信号到微波信号的转换，从而构建了一套新型的混合无线通信系统。

尽管两者的具体技术细节和实现方式有所不同，但它们都致力于利用光学和微波之间的能量转换，从而提高通信系统的性能和效率。因此，我们可以认为两者在技术上存在某种程度的相关性，都代表了当前通信领域中的前沿技术发展方向。

NITS开发的这款微芯片，能够将光信号无缝转换为微波信号。虽然光转换为微波并不是新技术，但这个微型芯片的创新之处在于将多个关键组件集成到一个小小的芯片上。在不同领域都有其用武之地，为各个领域带来更高效、更精确的解决方案。

未来芯片的发展发展方向无疑也将会是越来越小，越来越精准，科研需要时间，也不能一口吃成个胖子，我国的芯片现在也走在自主创新的道路上，有朝一日定能无视美国的掣肘，研发出世界一流的芯片。

参考资料：

基于光子芯片的低噪声微波振荡器；自然，2024
超表面混合通信：让光与微波“双剑合璧”；中国光学，2022
微波能量传输技术发展及军事应用简析；蓝海长青智库，2023
缩小技术，扩大视野：紧凑型芯片推动通信、导航和其他应用实现精密计时；NIST，2024