芯片原子钟的现状与发展

杜润昌，杨 林，赵海清

（成都天奥电子股份有限公司，成都 611731）

芯片原子钟的现状与发展

杜润昌，杨 林，赵海清

（成都天奥电子股份有限公司，成都 611731）

芯片原子钟具有体积小、功耗低、成本低的突出优点，可应用于北斗卫星导航接收机、水下导航、武器系统数据链、时频体系节点等，是最具有工程应用前景的原子钟。回顾了国外芯片原子钟的发展历程，并给出了一种国产芯片原子钟的主要技术指标。讨论了芯片原子钟的常用技术方案，并分析了体积与功耗、频率稳定度、天老化率、秒驯服功能、温度系数等指标的影响因素和改进措施，最后指出了芯片原子钟的发展目标。

武器系统数据链；时频体系节点；老化率；频率稳定度

0 引言

相干布居囚禁[1]（Coherent Population Trapping，简称CPT）是相干双色光与原子相互作用所产生的一种量子干涉现象，利用窄线宽CPT谱线作为鉴频谱线实现的被动型CPT原子钟（简称CPT钟）具有体积小、功耗低等特点，有着广泛的用途。CPT钟与MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）工艺相结合，能够制造出手表尺寸、纽扣电池供电的芯片原子钟（CSAC，Chip Scale Atomic Clocks）[2]。国内外芯片原子钟的发展现状如下：

1997 年，加拿大科学家J.Vanier等人用微波调制的激光器与铷原子相互作用，得到了CPT共振谱线[3]，开启了CPT原子频标的研制工作；

2000 年，美国标准局（NIST）的J.Kitching小组实现了CPT原子频标[4]，J.Kitching还提出了微型化CPT原子频标的设想；

在高职院校层面成立科研成果转化服务机构，负责科研成果的应用推广，统筹管理全校的科研成果。其主要职能是宣传当前成果，挖掘成果需求方，并与需求方就成果转化事宜进行沟通、谈判，同时跟踪当前成果推广状况。

2001 年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）根据NIST科学家的建议，启动了CSAC计划，开始了芯片原子钟的研制；

图2中，TEC为VCSEL自带的控温系统，热环为吸收泡控温系统，虚线方框内为物理系统，其它部分为电路系统。与其它小型CPT钟方案相似[8]，本方案中激光频率锁定选用原子对激光的多普勒吸收谱线作为鉴频谱线，微波频率锁定选用CPT谱线作为鉴频谱线。为了便于整机的参数优化和状态监控，本方案采用了全数字化电路控制。控制电路中的MCU作为主控芯片控制着VCSEL温控、吸收泡温控、激光频率锁定、微波频率锁定；并能够通过RS232串口方便地与计算机通讯。计算机通过上位机软件可以远程改变吸收泡温度、VCSEL温度、激光功率值、微波功率值、微波调制深度、微波调制速率等参数，便于物理系统的参数优化；同时，还可以监控整机运行状态等。

2011 年，Symmetricom公司发布了第一款芯片原子钟商业化产品SA.45s[6]。该产品体积17cm3，功耗110mW。

如图6所示，20天的老化率测试结果是1.36× 10-11/day，优于±5×10-11设计指标要求。

成都天奥电子股份有限公司是国内最早开始芯片原子钟研发的单位之一。自2006年起，经过数年研究，于2014年实现芯片原子钟原理样机。该芯片原子钟的主要技术指标如表1所示。

表1 芯片原子钟主要技术指标Tab.1 The main technical indexes of CSAC

本文主要介绍该芯片原子钟的整机方案和实测结果。

式（2）中T是总时差，T0是初同步误差，是在t时间段内平均频率准确度，D是频率漂移率，σχ(t)是噪声引入的时间偏差的均方根。从式（2）可知，时钟的总时差与初始同步误差、时钟的频率以及漂移率有关系。秒驯服功能可以优化频率准确度和漂移率，进而提高芯片原子钟的守时精度。图7给出了芯片原子钟的秒驯服功能实测曲线。

1 整机方案

用87Rb作为工作原子，其基态5S1/2的两超精细能级的两钟态(|F=1,mF=0>和|F=2,mF=0>)与第一激发态5P1/2的|F=2,mF=1>态构成制备CPT态的L型结构，CPT共振发生在D1线，如图1。图2是整机原理框图，光源由纵腔面发射半导体激光器（VCSEL）提供。直流电流与频率为ν的微波通过BiasT合成为供电电流输入VCSEL，使VCSEL输出受微波频率调制的多色光，利用其正、负一级边带作为如图1的制备CPT态的相干双色光。因为微波和光频都出于相同的源，这样的双色光源具有理想的相干特性[7]。光电探测器探测与原子相互作用后的透射激光，获得用于稳定激光频率的原子吸收谱线和稳定原子钟输出频率的CPT谱线。

“抓包”一方面是指本级政府抓上级政府或上级部门“发的包”(国家、省市或部门项目资助或财政转移支付)，另一方面是指基层如村镇抓县级政府“打的包”(国家、省市、部门发包后通过县级政府整合后到达村庄)。前者主要是地方政府通过营造发展模式、打造地方特色，以及同上级政府部门甚至是私人搞好关系的方法来争取上级“发的包”，使上级的专项补助资金能够向本地倾斜。对于后者，即村镇“抓包”问题，其背后也有着相似的逻辑。X县下面的GQ村村支书在回答“五水共治”过程中“为什么县里和镇里会把那么多钱投给你村而不是别的村？道理是什么？”的问题时讲道：

图1 制备CPT态的Λ结构Fig.1 TheΛstructure of CPT state preparation

图2 芯片原子钟技术方案框图Fig.2 Block diagram of technical proposal

2004 年，NIST率先实现了芯片原子钟物理系统[5]；

2 整机实测结果

2.1 体积与功耗

芯片原子钟的体积与功耗降低主要是通过MEMS原子泡、3D微组装以及电路部分的模块化等技术手段实现的。在本方案中，物理系统体积仅5mL，通过3D真空微组装，降低了整机的功耗；电路可分为MCU控制部分及微波频率综合器部分，两部分电路均是一个单独模块，提高了整机的可靠性，降低了整机的体积。芯片原子钟实物图如图3所示。

图3 芯片原子钟实物图Fig.3 The pictures of CSAC

本方案实现的芯片原子钟，整机功耗0.6W，体积23.5mL（45mm×36mm×14.5mm），安装引脚与Symmetricom公司的SA.45s兼容。

2.2 频率稳定度

2.4 秒驯服功能

式中，K是比例常数，Ibg为未被吸收的激光在光电探测器上引起的光电流，e是单位电子电荷，q=C/Δν1/2，对比度C等于CPT峰的幅度与背景光强度的比值，Δν1/2是CPT谱线线宽。改变微波对激光的调制指数，会改变±1级边带光幅度。±1级边带光幅度越小，则CPT峰的幅度越小，对比度就越小，整机的短稳越差。当调制指数为1.8时，±1级边带幅度最大，此时短稳最好。另外，激光光强、FM调制深度、吸收泡温度等参数也对对比度、线宽等有较大影响，需要逐个进行优化[10-11]。完成所有参数优化后，将这套芯片原子钟与氢钟做频率比对。结果如图4、图5所示。

图4 芯片原子钟频率准确度实测曲线Fig.4 The measured curve of frequency accuracy

图5 芯片原子钟频率稳定度实测曲线Fig.5 The measured curve of frequency stability

在完成本课的summer holiday plans写作后，可以结合五年级下册Unit 7 Chinese festivals让学生写写其他节假日的计划，这样就使书本知识成为学生能力运用的基础，并让书本知识真正得到延伸和发展。

芯片原子钟的老化一般可分为快速老化阶段和缓慢老化阶段，快速老化阶段一般会持续数周至数月。当快速老化完毕后，整机的老化主要是由VCSEL老化引起的光频移造成的。芯片原子钟老化率的提高主要是从如何减小光频移着手的。我们对激光功率进行了锁定，减小了光频移，进而降低了整机的天老化率。天老化率的实测结果如图6所示。

图6 整机天老化率典型测试曲线Fig.6 The measured curve of frequency aging

可以看到，芯片原子钟从提出设想到实现商品仅11年的时间，发展速度非常迅速。该项技术仍在不断发展，未来发展目标是实现体积1cm3、功耗30mW的商业化产品。

2.3天老化率

芯片原子钟的短期频率稳定度为[9]：

任一时钟均可以用如下时钟模型描述。

Lakoff和Johnson(1980)确立了认知语言学的基本研究框架。该框架有以下五个研究主题：（1）语言研究必须同人的概念形成过程的研究联系。（2）词义的确立必须参照百科全书般的概念内容和人对这一内容的解释。（3）概念形成根植于普遍的躯体经验，特别是空间经验，制约了人对心理世界的隐喻性建构。（4）语言的方方面面都包含着范畴化，并以广义的原型理论为基础。（5）认知语言学并不把语言现象区分为音位、形态、词汇、句法和语用等不同的层次，而是寻求语言现象统一的解释。[2]

图7 秒驯服功能实测曲线Fig.7 The measured curve of external signal calibration

从上述测试结果可以看出，驯服后芯片原子的输出频率准确度达到1×10-12，有效地消除了初始同步误差。

2.5 频率温度特性

在使用提升小波分解数控机床热误差数据后，采用最小二乘支持向量机(LSSVM)解决对每一层分解信号的训练和预测问题。最小二乘支持向量机方法是采用最小二乘线性系统作为损失函数，代替传统的支持向量机采用的二次规划方法，简化了计算复杂性的同时也可以保证预测结果的准确性[8]。而使用提升小波处理后的功率数据也更有规律，使用最小二乘支持向量机可以进一步提高预测精度。

由式（2）可知，芯片原子钟的守时精度与σχ(t)（即噪声引入的时间偏差的均方根）有关。一般的，环境温度的变化是影响该项指标的决定因素，因此频率温度特性也是芯片原子钟的重要技术指标。将芯片原子钟放置在温度试验箱中，芯片原子钟输出频率与氢原子钟输出频率通过频率比对设备（Picotime）进行测试，并用计算机记录结果。改变温度试验箱温度设置，同时记录下对应温度的频率准确度实测值，进而可得到芯片原子钟的频率温度特性。测试结果如表2所示。

我这次被叫去警察局，全是因为一件在小城闹得沸沸扬扬的雇凶杀人案。正是这个案子使我遭遇的那场车祸真相大白。两个案子都是同一个犯罪团伙所为。只是这一次，受害者丢了性命，而我只是住了半个月的院。想不到，我那场车祸的幕后人竟是为我垫付医疗费的佟老板。

表2 频率温度特性实测结果Tab.2 Temperature coefficient results

由表2可知，芯片原子钟的工作温度范围为-40～+60℃，全温范围内准确度最大变化量为3.8× 10-10，优于设计指标±5×10-10的要求。

基础量概念实施以来取得一定效果，但因各种原因，存在问题也不少，使内部市场化的作用还不能充分体现。主要表现在：

《音乐课程标准》指出，在教学过程中丰富学生的情感体验，培养学生的审美情趣是音乐教学的核心目标。所以音乐教学从本质上讲是情感教育，在新课程实施的今天，注重情感教育远比传授知识与技能重要。

3 结论

本文介绍了一种国产化芯片原子钟。整机采用了锁定激光功率和优化微波调制指数的方法，获得了较好实测结果：天老化率为-4.4×10-11/ d，频率稳定度为3×10-10/1s、2.5×10-11/100s,温度系数为4.9×10-10/（-40～+60℃）。该芯片原子钟体积23.5mL，仅为传统铷钟的1/6；功耗0.6W，仅为传统铷钟的1/20；可直接应用于北斗卫星导航接收机、水下导航、武器系统数据链、时频体系节点等领域。后续我们将对该产品进行改进，预计2015年整机体积为17cm3、功耗优于100mW，达到2011年美国Symmetricom公司SA.45s的水平。

[1]G Alzetta,et al.Experimental-Method for Observation of Rf Transitions and Laser Beat Resonances in Oriented Na Vapor[Z].Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica B-General Physics Relativity Astronomy and Mathematical Physics and Methods,1976,36(1):5-20.

[2]S Knappe.MEMS Atomic Clocks[J].Comprehensive Microsystems,2006,3:571-612.

[3]F Levi,et al.On the use of a modulated laser for hyperfine frequency excitation in passive frequency.Proc. 11thEurop[EB/OL].Forum on TimeanFrequency, (EFTF 97),1997:212-220.

[4]J Kitching,et al.A microwave frequency reference based on VCSEL-driven dark line resonances in Cs vapor[C]//. IEEE Transanctions on Instrumentation and Measurement,2000,49(6):1313-1317.

[5]S Knappe,et al.Push-pull optical pumping of pure superposition states[J].Physical Review Letters,2004,93 (16):160802(1-4).

[6]SA.45s DataSheet.

[7]E Arimondo.Coherent population trapping in laser spectroscopy[J].Progress in Optics,1996,35:257-354.

[8]J Vanier.Atomic clocks based on coherent population trapping:a review[J].Appl.Phys.B.,2005,81(4):421-422.

[9]J Vanier,et al.Practical realization of a passive coherent population trapping frepuency standard[C]//.Proceedings of the 2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition,2004:92-99.

[10]R C Du,et al.Experimental investigation of CPT atomic frequency standard[J].Acta Physica Sinica,2009,58(9): 6117-6121.

[11]R C Du,et al.Realization and Investigation of Relative Experimental Parameter of Coherent Population Trapping Frequency Standard[J].2008,28(8):1-4.

Current Status and Development of Chip ScaleAtomic Clocks

DU Run-chang,YANG Lin,ZHAO Hai-qing
（Chengdu Spaceon Electronics Co.,Ltd.，Chengdu 611731，China）

With small volume,low power consumption and low cost,CSAC becomes the most potential atomic clock, and can be applied widely in compass navigation satellite receivers,underwater navigation,data chain of weapon system, and nodal point of time-freq-system.The development history of CSAC is reviewed and the main technical indexes made by Chengdu Spaceon Electronics Co.,Ltd.is introduced.The common technical proposal of CSAC is discussed, and the measurement results of frequency aging,frequency stability and temperature coefficient is demonstrated.

Data chain of weapon system；Nodal point of time-freq-system；Frequency aging；Frequency stability

O562；O433.1

A

2095-8110（2015）02-0034-05?

2015-01-20；

2015-01-28。

杜润昌（1982-），男，博士，高工，主要从事芯片原子钟、原子陀螺仪等研究。E-mail:drc1982@qq.com