Поскольку современные телекоммуникационные технологии продолжают развиваться, скорость и объем данных, необходимых пользователям во всем мире, соответственно возрастают. Одним из многообещающих методов удовлетворения этого постоянно растущего спроса является развертывание группировки нано- или микромасштабных спутников, которые вращаются вокруг планеты на низкой околоземной орбите. Однако такой рой спутников требует чрезвычайно точной синхронизации с мировым стандартом времени, для чего необходимы очень точные атомные часы на борту каждого устройства.
Поскольку обычные атомные часы слишком велики (155-755 см3) и потребляют слишком много энергии (до 10 Вт) для использования на небольших спутниках, исследователи разработали квантовые атомные часы со значительно меньшими размерами и потребляемой мощностью, используя метод, называемый когерентным. отлов населения. На основе этого метода исследователи Tokyo Tech совместно с Ricoh Co. ООО. и Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST) недавно разработали полностью функциональные атомные часы, которые превосходят текущие отраслевые стандарты. С точки зрения энергопотребления, контур фазовой автоподстройки частоты их устройства, который является важным компонентом квантовых атомных часов, потребляет на порядок меньше энергии, чем устройства, о которых сообщалось ранее.
В дополнение к низкому энергопотреблению предлагаемые атомные часы превосходят известные в настоящее время устройства по двум другим важным аспектам: занятый объем и отклонение Аллана. Поскольку эффективное использование доступного пространства на борту нано- / микромасштабных спутников имеет решающее значение, необходимо убедиться, что окончательный дизайн может быть адаптирован для очень небольшого объема. Что касается девиации Аллана, то это мера стабильности частоты часов; низкое отклонение Аллана означает очень стабильные и надежные часы. Атомные часы, разработанные командой, также хорошо смотрятся на этих двух направлениях. "Прототип наших атомных часов достигает долгосрочного отклонения Аллана 2.2х10-12 при τ= 105 секунд (отраслевой стандарт – 3.0×10-10 при τ= 1 секунда), занимая при этом объем всего 15.4 см3 (немного меньше, чем самые маленькие из доступных в настоящее время атомных часов) », – объясняет доцент Кеничи Окада из Tokyo Tech.
По мнению исследовательской группы, есть возможности для улучшения. «Общая потребляемая мощность 59.9 мВт, что в основном связано с микроконтроллером в этом прототипе и может быть дополнительно уменьшено с помощью специальной логической схемы », – объясняет Окада. Ricoh и AIST работали над улучшением отклонения Аллана устройства, в то время как исследователи из Tokyo Tech сосредоточились на снижении его энергопотребления.
Конечным результатом этого сотрудничества стал прототип очень многообещающих атомных часов, которые продвигают текущие эталоны еще дальше, чтобы будущие телекоммуникационные системы, такие как те, что выходят за рамки 5G, могли стать реальностью.