Ngay cả những chiếc đồng hồ phức tạp nhất cũng dễ mắc phải những lỗi nhỏ, một hiện tượng được gọi là hiện tượng giật hình thời gian. Giảm thiểu hiện tượng giật là rất quan trọng đối với nhiều loại công nghệ dựa vào việc chấm công chính xác. Trong điều hướng GPS, vị trí của người dùng được xác định bằng cách đo khoảng thời gian để tín hiệu được đánh dấu thời gian từ nhiều vệ tinh đến được máy thu. Các lỗi về dấu thời gian có thể nhanh chóng cộng lại thành các lỗi định vị đáng kể. Tương tự, bất kỳ sự mờ nhạt nào trong tín hiệu thời gian được sử dụng để phối hợp số lượng lớn luồng dữ liệu đồng thời trên mạng viễn thông đều có thể dẫn đến tình trạng trễ hoặc rớt cuộc gọi. Và radar phụ thuộc vào khả năng tính toán chính xác thời gian cần thiết để tín hiệu điện từ phản xạ lại các mục tiêu như máy bay và mây mưa. Việc xác định thời gian chính xác là điều cần thiết cho nhiều công nghệ quan trọng, bao gồm định vị GPS và radar. Phương pháp quang học cung cấp tín hiệu định thời chính xác và ổn định nhất, nhưng chúng đòi hỏi thiết bị cồng kềnh nên rất không thực tế trong nhiều trường hợp.

Hiện nay, các ứng dụng này dựa vào bộ dao động vi sóng. Trong khi đồng hồ truyền thống có thể sử dụng một con lắc lắc qua lại để đo thời gian trôi qua, thì đồng hồ dao động vi sóng dựa vào các trường điện tử dao động ở tần số từ 300 MHz đến 300 GHz. Những dao động nhanh như vậy có nghĩa là có thể phân chia thời gian chính xác hơn nhiều vì tín hiệu “tích tắc” nhiều lần hơn trong một khoảng thời gian nhất định. Nhưng tín hiệu quang học từ lâu đã được công nhận là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn vì chúng dao động thậm chí còn nhanh hơn, ở tốc độ hàng trăm THz. Vấn đề là những tần số này quá cao để các mạch điện tử có thể giao tiếp trực tiếp và các thiết lập phức tạp cần thiết để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện tử tương đối cồng kềnh và phức tạp.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại NIST (National Institute of Standards and Technology) đã tạo ra một hệ thống đo thời gian quang học đủ nhỏ để đặt vừa trên một con chip, mở rộng đáng kể phạm vi sử dụng công nghệ này. Một nhóm đa tổ chức do NIST dẫn đầu đã thành công trong việc tạo ra một hệ thống đo thời gian quang học từ các bộ phận có kích thước bằng con chip. Bộ tạo dao động thu được đã giảm độ biến động trong hệ thống xuống chỉ còn 15 femto giây (femto giây là một phần triệu triệu giây), tốt hơn nhiều bậc so với các hệ thống dựa trên vi sóng truyền thống.

Nhà khoa học Frank Quinlan (NIST) - người đứng đầu nghiên cứu cho biết nghiên cứu này được xây dựng dựa trên những tiến bộ trong lĩnh vực quang tử silicon trong nhiều thập kỷ, đặc biệt là những nỗ lực nhằm thu nhỏ một thành phần quan trọng được gọi là lược tần số xuống quy mô chip. Lược tần số quang học là tia laser tạo ra ánh sáng ở nhiều tần số khác nhau, nhưng chỉ ở những tần số được xác định rõ ràng, do đó quang phổ có một tập hợp các đỉnh cách đều nhau giống như răng của lược, do đó có tên như vậy. Chúng cũng có thể được sử dụng để đo và chuyển đổi tín hiệu giữa các tần số, đó là lý do tại sao chúng thường được gọi là “thước đo ánh sáng”.

Thiết bị mới có một cặp laser bán dẫn có độ ồn cực thấp được bắn vào một khoang quang phản xạ. Khi ánh sáng laser phản xạ xung quanh bên trong, các tần số phù hợp với kích thước của khoang sẽ tích tụ năng lượng tạo ra nguồn sáng có độ ổn định cao. Sau đó, tín hiệu này được chuyển đến một lược tần, giúp giảm tín hiệu ánh sáng xuống tần số vi sóng. Tín hiệu đó sau đó được chuyển đến bộ tách sóng quang để chuyển nó thành tín hiệu điện tử có thể giao tiếp với các thiết bị khác.