芯片原子钟——CPT钟研究进展❋

曹远洪，何庆，杨林

（1.成都天奥电子股份有限公司，成都611731；2.西南电子设备研究所，成都610036）

芯片原子钟
——CPT钟研究进展❋

曹远洪1，何庆2，杨林1

（1.成都天奥电子股份有限公司，成都611731；2.西南电子设备研究所，成都610036）

介绍了基于激光与原子相干布局囚禁（CPT）理论的芯片原子钟（CSAC）钟。该原子钟代表了小型化原子钟未来发展方向，近年来在设计技术、制造工艺以及物理机制方面都取得了较大进展，并实现了芯片级的CPT钟原理样机。预计，在未来3～5年将会有芯片原子钟产品面世。

芯片原子钟；相干布局囚禁钟；研究进展

1 引言

以原子振动频率为基础的时间（或频率）已经进入10－18量级，在质量、长度等7个基本物理量纲中具有最高的计量精度。基于原子振动频率的高精度原子时频技术不仅可以应用于验证相对论等科学研究，还在工程应用乃至人们生产生活中逐渐起着越来越重要的作用。1967年召开的第13届国际计量大会上通过决议，将铯原子Cs133两个基态超精细能级跃迁辐射振荡9 192 631 770周所持续的时间为1 s，从此时间计量逐步进入原子时（AT）时代。近年来，随着数字通信技术的飞速发展，代表原子时频技术的原子钟工程化应用越来越广泛，以原子钟为核心部件的全球卫星导航系统（GNSS）及其延伸技术，专用手持式卫星导航仪、内置导航功能的移动通信设备逐渐开始走进人们的日常生活。

要在上述领域获得大批量的工程应用，就要求原子钟的体积、功耗等技术特性必须达到器件级水平。氢钟、铯钟和铷钟等传统原子钟由于体积、功耗偏大，其应用形式为单独设备或内置于设备的部件，应用范围也基本上局限在高端设备或系统。不需要传统微波腔的CPT钟，其体积、功耗的减小程度理论上不受限制，使原子钟的广泛推广应用成为可能。近年来，也因为CPT钟潜在的应用价值而引起了广泛关注，并很快作为小型化原子钟的研究热点。美国Kernco公司于2001年率先研制出体积与传统小铷钟相当的CPT钟；美国国家标准局NIST采用MEMS工艺于2002年研制出了体积仅1 cm3的CPT钟量子物理部分，并将这种制造工艺与体积、功耗与芯片相似的CPT钟命名为芯片原子钟（Chip－Scale Atomic Clock，CSAC）。此后的CPT钟研究则主要围绕能够实现芯片原子钟的设计技术、制作工艺和新物理机制开展，并相继取得了较大进展。

2 CPT钟基本原理

2.1 相干布局囚禁

1976年，Alzetta，Gozzini，Moi和Orriols等人在开展钠原子激光抽运实验中首次观察到在涉及一个激发态和两个基态的三能级系统中出现了荧光光强变弱，即相干布局囚禁（Coherent Population Trap，CPT）现象［1］。CPT物理演化过程比较复杂，但其稳态可以采用如图1所示的Λ型三能级系统进行模拟简化。

当频率为ω1和ω2的两束激光分别耦合（｜1〉，｜3〉）和（｜2〉，｜3〉）时，原子被囚禁在｜1〉和｜2〉的叠加态上而不再被抽运到｜3〉，也不再辐射荧光，即出现所谓的暗态（Dark State），这里用｜P〉表示［2］：

式中，ωR1、ωR2分别为｜1〉、｜2〉到｜3〉的Rabi频率。当抽运激光出现小的失谐量δ υ时，｜3〉能级的原子密度为［3］

式中，ωR为低能到高能级（激发态）的Rabi频率，Γ*为自发辐射和碰撞引起的激发态衰减率，δ′μ′为基态超精细跃迁密度矩阵非对角元的实部。CPT钟共振时原子荧光辐射为暗态，对应透射光为亮态，但激光频率在CPT共振频率附近扫描时，检测透射光强可得到如图2所示的CPT信号。

图2 中，大的吸收线对应于基态和激发态的跃迁，中间的小吸收峰则对应CPT共振亮态，其线宽非常窄，一般在几百赫。这个CPT共振峰则用来作为原子钟的频率参考，可以得到高精度的频标信号。

2.2 CPT钟

原子钟一般由样品原子系统（又称为量子物理系统）、产生激励外场和检测钟跃迁信号的电子学系统构成。同样地，CPT钟也主要由量子物理部分和电子学系统组成，简化的原理框图如图3所示。

根据图3，CPT钟的量子物理系统包括VCSEL激光光源、四分之一玻片、容纳铷或铯样品原子的吸收泡、光电池；其电子学系统则由锁定VCSEL的伺服环路和锁定VCXO的伺服环路组成。其中前者的锁定参考信号为基态到激发态的多普勒吸收峰，同步调制与解调信号在几十千赫量级；后者的锁定参考信号则为CPT共振信号，同步调制与解调信号在几十赫量级。产生相干囚禁的两束激光一般采用对同一束激光进行深度调制而得到的两个边带来实现。在CPT钟的研究过程中需要重点关注的参数有CPT钟输出频率稳定度、CPT共振信号对比度（Contrast）、CPT共振信号线宽、频移机制。其中，频率稳定度是CPT钟最主要的指标，其表达式为［4］

式中，K是调制类型有关的常数，νhf是超精细结构中心频率，C为对比度即信号强度与背景强度的比值，e为电子的电量，Ibg为背景电流强度。根据式（3）可知，要提高频率的稳定度，必须减小共振线的线宽Δν和背景电流，以及增大对比度C。CPT共振信号对比度是为CPT共振与背景电流比值，它对CPT共振的量子跃迁机制和原子密度有关。CPT共振信号线宽是表征这个共振展宽特性的物理量，可表示为［4］

式中，γ2为原子基态相干驰豫率，ωR为表征荧光辐射强度的Rabi频率。因此，采用在吸收泡中充入缓冲气体来减小原子驰豫率，从而减小原子线宽。但是，缓冲气体的加入会使原子频率偏离中心频率，原因是，缓冲气体分子与原子发生频繁的碰撞，对原子的电子运动状态的波函数产生一些扰动，从而使得能级产生微小的移动。同时，CPT钟工作时需要将原子加热到气化状态，也会产生碰撞频移，这两个频移可以用公式表示［5］

式中，β为充入氮气等缓冲气体气压系数，δ为与温度相关的线性比例系数，γ为与温度二次关系的系数。由式（5）可知，要减小碰撞频移，必须对吸收泡采取恒温措施，同时要选择合适的缓冲气体的压强。

另外，使原子偶极矩发生空间取向变化而为钟跃迁提供量子化轴的C场及其它环境静磁场会导致原子参考频率产生一个较小的频率移动，这个频移量（Hz）为［4］

根据式（6）可知，1μT磁场就会引起原子参考频率1 Hz的频移量，因此需要对吸收泡进行严格的磁屏蔽。

CPT原子钟产生光频移的主要因素是激光的特性以及调制过程中多边带的影响。激光的特性包括激光的中心波长、总光强等，而影响激光特性的因素主要是激光中心波长随温度与电流变化的不稳定性的温度敏感性，以及激光的老化。调制过程中多边带的影响主要是多边带的强度变化以及微波的功率变化。光频移量为［4］

其中：

根据式（7）可知，要减小光频移的影响，必须选择合适的调制指数m，尽量减小其余边带的强度；保证激光电流、温度以及光强的稳定性；保证微波的功率稳定性。

3 新技术与新工艺应用

近年来，快速进步的激光器制造技术和稳频技术促进了CPT钟的研制进展。在CPT钟的设计制作过程中，基于经典的CPT钟量子物理机制引入了较先进的设计技术与新工艺，使CPT钟整机的体积、功耗进一步降低。

3.1 光路设计技术

CPT钟传统的光路设计方案如图4所示，其量子物理部分的VCSEL激光管、四分之一玻片、吸收泡和光电池呈顺序排列设计。

图4 所示的这种设计不利于体积功耗的减小，一般只应用于传统体积的CPT钟。近年来提出的一种新量子物理部分的光路设计技术，可以应用芯片CPT钟方案设计［6］，这种CPT钟新量子物理部分的结构如图5所示。

相对于经典结构其新颖之处在于，将VCSEL激光管管芯设计在光电池中心开孔内，传统放置光电池的位置设计一个反光镜。CPT钟工作时，VCSEL发出的光线经吸收泡到反光镜而反射回来再次经过吸收泡，最后投射到光电池上。由于VCSEL激光出射倾角约18°，经反射到光电池上形成直径1 mm的光斑时吸收泡泡长度大约为0.75 mm。这种设计的优势一是可以减少量子物理部分的长度，二是增加激光与原子作用的几率，从而提高CPT共振信号强度。

3.2 吸收泡MEMS工艺

芯片CPT钟的吸收泡体积一般在毫米量级，需要采用微加工工艺制作这种吸收泡。美国国家标准局（NIST）率先采用MEMS工艺并结合阳极键合方法制作出了体积仅1 mm3的吸收泡，其制作工艺流程为［7］：

（1）用KOH或深反应离子刻蚀法在硅片上刻蚀1mm大小的方形孔，用于容纳铷或铯样品原子；

（2）制作大小尺寸与硅片一样的Pyrex波片，用阳极键合方法把玻片与硅片紧贴在一起形成半封闭的吸收泡；

（3）在真空环境释放缓冲气体氛围，同时往吸收泡内直接注入样品原子或者采用BaN6与CsCl在吸收泡内发生化学反应的方法产生样品原子，实现吸收泡充制；

（4）把大小相同的Pyrex玻片盖紧吸收泡开口面，再利用阳极键合方法将两者紧贴，从而完成吸收泡制作。

NIST还提出了采用激光烧融空心光纤方法制作毫米级的吸收泡［8］，但这种在吸收泡后封割会留下一个较长的尾巴，使其工程应用价值大打折扣。

利用蜡包裹碱金属，并结合激光烧融空心光纤方法，则可消除上述的“尾巴”而制作出芯片CPT钟的吸收泡［9］。这种吸收泡MEMS工艺包括两个过程：制作原子蜡包和吸收泡充制。首先在生长有SiO2层的硅片上刻蚀小孔，留下的硅堆作为操作手柄，并利用这种方法制作两套这种模具；将蜡均匀涂布在在SiO2层上，并用烧针加热硅片使一个模具上的蜡层形成凹陷；采用注射器把液态铷或铯注入到每个凹陷中，然后另外一个模具盖紧，随后加热硅片使蜡融化将原子包住；将模具整体浸泡HF中使蜡层与硅片剥离，然后将包有原子的蜡层切成小块而得到原子蜡包。

吸收泡充制工艺是首先将原子蜡包塞入细长光纤内，然后在真空环境充制所需的缓冲气体，最后用激光烧融光纤端面而形成封闭的吸收泡，同时原子蜡包融化而附着在吸收泡表面而形成蜡涂层，从而得到表面光滑的吸收泡。

制作这种MEMS吸收泡需要设计较多的专用夹具，工艺过程也比较复杂，但采用这种工艺方法可以实现体积非常小的吸收泡，也便于批量生产，工程价值突出。

3.3 保温技术

在研制芯片CPT钟时必须采取有效措施降低整机功耗，在这方面除了常用的低功耗电子线路的方法，还有近年来提出的采用量子物理部分保温新技术降低热功耗。美国Symmetricom公司研制芯片CPT钟时，将量子物理部分封装在真空骨架内，此时CPT钟整机功耗108 mW，首次将CPT钟功耗降低到了一般半导体芯片水平［6］。

美国Honeywell公司采用一种如图6所示的新热结构应用于CPT钟量子物理部分，使整机的功耗降低到57 mW［10］。

这种量子物理部分采用了3层圆片设计，其中间层为硅片，两个表面层为Pyrex玻片。制作工艺与NIST类似，不同的是在吸收泡周围设计了一个真空室，并一个吸附钛泵维持小于1 mTorr的真空。另外，为减小体积，还在吸收泡顶部设计了一个镀金的反光镜，使VCSEL发出的激光多次反射到光电池。目前，Honeywell公司已经委托日本Kyocera公司采用MEMS实现了20引脚LCC封装的量子物理部分。

3.4 专用芯片设计技术

要实现芯片原子钟，为了量子物理系统采用相关新设计技术以及MEMS微加工工艺外，还需要对电子线路系统专用芯片设计。CPT原子钟的电子线路包括基于微控制器为核心伺服环路和基于锁相环的倍频，前者本身集成度较高，功耗和体积也容易得到较好的控制，但后者集成的难度相对较大而成为芯片原子钟电子线路研究的重点。美国康奈尔大学的研究人员采用半导体工艺，研制出了用于芯片原子钟的专用倍频器芯片［11］。他们采用0.25SOI流片工艺，制作的6.8 GHz频率合成器，面积只有0.9 mm×2.6 mm，在100 kHz频偏处相位噪声达到－108 dBc，功耗仅为32.75 mW。目前，国内的中科院半导体所等单位也在开展类似的专用芯片技术研究。

4 新物理机制探索

为了提供芯片的频稳特性，除了采用新技术和新工艺进行CPT原子钟研制外，对CPT原子钟物理机制研究也是近年来的热点，并取得了一些进展。

4.1 三光子吸收共振

经典的CPT钟为两束激光同时泵浦两个能级的双光子共振，近年来提出了基于三光子吸收共振的“N－resonance”用于CPT钟［12］。这样，三光子共振使探寻激光的透射光出现一个线宽很窄的吸收线，这个吸收线则可用作CPT钟的鉴频参考谱线，其线宽仅决定于原子基态相干驰豫。与传统CPT

钟相比较，三光子吸收共振的CPT钟具有共振信号对比度高，能够消除一阶光频移，对高缓冲气体压力敏感吸收低的优点。

4.2 极化选择方法

在经典CPT钟的激光与样品原子的作用机制中为了使LS耦合具有对称性，常采用σ＋或σ－的圆极化光去泵浦原子。通过在光路中设计合适的偏振片则可同时得到σ＋或σ－光谱成分。采用这两种成分的激光通过吸收泡时，前者激发CPT共振，后者则产生一定相位移动并反馈控制激光产生的“AC－Stark”效应。基于该机制，美国Agilent公司的朱淼提出了激光偏振状态极化选择方法［13］。采用对激光偏振态进行选择的方法，实际得到的CPT共振信号对比度可从经典方法的4%提高到22%，频率短期稳定度可达，对频稳特性改善程度非常明显。

4.3 单泡消光噪声

CPT钟的光源噪声调频（FM）噪声对频率稳定度影响最大，需要研制过程中采取有效方法抑制这个噪声幅度。Vladislav Gerginov等人提出了一种单吸收泡结构［14］，可在FM噪声转换为AM调幅噪声，同时消除光频移。

该方法新颖之处在于采用一个光源通过单吸收泡在空间上分别进行圆极化和线性极化，这样，圆极化光激发一个“Λ”型CPT共振，而线极化光相当于由两个圆极化光谱构成而分别激发磁量子数为±1的“Λ”型CPT共振结构。但由于两个叠加的“Λ”型CPT共振跃迁的“C－G”系数相反，其整体相消而观察不到CPT共振信号。

这两个相消共振则有利于将光电池接收到激光的调频噪声转换为调幅（AM），同时将频偏为10 Hz处的噪声抑制10倍，最终改善了频率稳定度。根据相关理论可知，取样时间小于100 s的频率稳定度主要受激光光源等部件噪声影响。通过采用单泡消激光调频噪声影响，频率稳定度明显改善。同时，这种方法仅需要定制一种组合偏振片和两块并列的光电池，不增加其它电路和部件，在芯片CPT钟设计中具有较高的工程价值。

4.4 End-state芯片原子钟

热原子制作原子钟时，为减小线宽会在容纳样品原子的吸收泡中冲入缓冲气体。随着吸收泡温度升高，处于量子数为0的原子自旋交换会使线宽增大以及钟跃迁变小，但反过来会使角动量数大的“end-state”自旋交换小，高能级end-state共振跃迁信号变大［15］。

采用end-state共振跃迁作为原子参考频率，可提高跃迁信号信噪比，从而得到大幅度改善的芯片原子钟。但这个参考频率与外磁场的关系几乎成线性关系，需要采用Zeeman end共振频率来对C场进行主动控制。

目前，国外已经研制出基于end-state共振跃迁作为原子参考频率的芯片原子钟［16］，这种芯片原子钟的量子物理部分和锁定后频率短稳如图7所示。

这种芯片原子钟的吸收泡采用MEMS工艺制作，并用真空密封整个量子物理部分，最后实现的量子物理部分直径仅8 mm，整机的体积、功耗都得到了较好控制。对芯片原子钟进行测试，频率短期稳定度实测值为6×10－11，约优于传统方案芯片原子钟一个量级，在技术指标方面具有很大优势。

5 整机研制

开展CPT钟关键技术与制作工艺研究，最终目的实现芯片CPT钟整机，为芯片原子钟产品的批量生产做准备。尽管到目前为止都还没有真正的芯片CPT钟产品，但近年来在CPT钟整机研制方面还是取得了较大进展，图8所示为近期具有代表意义的芯片CPT钟整机样机［10］。为展示其内部结构，这些CPT钟均暂时去掉外磁屏盒。这些芯片CPT钟的频率秒级稳定度都在小系数（10－10），功耗在100 mW

左右，其频稳特性、功耗、体积等指标已能基本满足芯片原子钟用户需求。

国内的中科院武汉物理与数学研究所、北京大学、成都天奥电子股份有限公司也都陆续实现了CPT钟整机，但其功耗、体积距离芯片量级还有相当大的差距。目前这些单位也正在开展芯片CPT钟的关键技术和制作工艺研究，预计在3～5年内实现芯片CPT钟。

6 结束语

对CPT钟的关键技术、MEMS制作工艺的研究推动了芯片原子钟的发展，陆续实现了芯片原子钟原理样机，使芯片原子钟进入了产业化的前夜，预计未来3～5年将有芯片原子钟产品批量面世。芯片原子钟的批量投产和推广应用，将会在数字通信、卫星导航定位等领域发挥重要作用，还可能催生出原子手表、原子钟表等新兴衍生产品而逐步向大众产品领域渗透，最终将推动精密时频技术产生革命性的进步。

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CAO Yuan-hong was born in Yibin，Sichuan Province，in 1974.He is now a senior engineer with the Ph.D.degree.His research concerns miniature rubidium atomic clock，CPT clock and atomic magnetometer.

Email：sccyh＠tom.com

何庆（1976－），男，四川人，工程师，主要研究方向为射频微波技术；

HE Qing was born in Sichuan Province，in 1976.He is now an engineer with the B.S.degree.His research concerns radio frequency＆microwave technique.

杨林（1966－），男，四川人，高级工程师，主要研究方向为铷原子钟。

YANG Lin was born in Sichuan Province，in 1966.He is now a senior engineer.His research concerns rubidium atomic clock.

Research Progress of Chip－Scale Atomic Clock，CPT Clock

CAO Yuan-hong1，HE Qing2，YANG Lin1
（1.XHTF of E－SPACEON Ltd.，Chengdu 611731，China；2.Southwest China Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China）

This paper introduces the chip-scale atomic clock（CSAC）based on coherent population trap（CPT）theory.CPT clock is the representative of atomic miniature atomic clock in the future.Standing progress has been made for CPT clock in designing techniques，manufacturing technology，and physics mechanism，in recent years.Principle prototype of the CSAC has been developed.According to the developing trend，product of the CSAC will be offered to customer in three or five years.

chip-scale atomic clock（CSAC）；coherent population trap（CPT）clock；research progress

TM935.115；TH714

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.029

曹远洪（1974－），男，四川宜宾人，博士，高级工程师，主要研究方向为小型化铷原子钟、CPT原子钟和原子磁强计；

1001－893X（2010）06－0125－07

2010－03－20；

2010－05－25