芯片原子钟的工作原理及其研究进展

李松松，张 奕，田 原，陈杰华

(1.中国科学院大学，北京100049；2.中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉430071)

0 引言

双色光场在将原子的两个基态能级耦合到同一个激发态能级时,将出现相干布居囚禁(CPT)共振现象。利用CPT共振原理,采用微机电系统(MEMS)工艺和专用的集成电路技术,可研制出芯片原子钟［1］。芯片原子钟的体积和功耗与小型恒温晶振相当,而其长期稳定度比恒温晶振高3个量级以上。相比铷原子钟,其体积和功耗又小近2个量级,特别适合作为体积和功耗受限设备中的高精度频率源而使用。芯片原子钟在航空、航天、通信和信息探测等领域中均有广泛的应用需求。例如:卫星导航定位系统的接受机采用芯片原子钟作为时钟,定位系统的抗干扰能力大幅增强,接受卫星信号、实施保密通信的能力大幅增强,采用芯片原子钟即可实现手机尺寸的高性能接收机。又如,在没有卫星信号的水下、坑道、室内等场合,在卫星信号不佳的森林、山区等场所,以及在卫星信号受自然、人为等因素干扰的情况下,卫星定位导航功能将部分甚至完全失效。利用陀螺仪、加速度计、芯片原子钟和多种传感器构成的自主导航微终端,可以实现用户单元的自主导航。在每个用户单元自主定位导航的基础上,还可以通过相互通信构成协同定位导航系统。

1 国内外研究进展

1.1 国外研究进展

1976年,Alzetta利用激光与钠原子的作用首次观察到了CPT现象［2］,这为芯片原子钟的研制奠定了物理基础。1977年,Iga提出了垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSEL)的概念［3］,这使得在芯片原子钟内使用半导体激光器成为了可能。1997年,Levi利用微波调制的激光器与铷原子之间的相互作用,得到了CPT共振谱线［4］,这标志着利用CPT现象实现原子钟制造的开端。2000年,利用微波调制的VCSEL产生的多色光与铯原子之间的相互作用,形成了百赫兹线宽的 CPT共振谱线［5］,这使得CPT原子钟的潜力得到了人们的广泛认识,极大地推动了CPT原子钟的发展。2000年,Kitching提出了芯片原子钟的构想［6］。4年后,Kitching研制出了首个芯片原子钟原理样机［7］。芯片原子钟的出现受到了世界范围内的极大关注,已经成为各主要国家竞相研发的、具有战略意义的新技术。据国外公开报道,研制出整机的有美国、欧盟和日本。其中,美国已经推出了全球唯一的芯片原子钟产品,其技术水平处于全球领先地位。

2002年,美国DARPA采纳Kitching的建议启动了芯片原子钟研究计划,该计划的目标是研制出体积为1cm3、功耗为30mW、1h频率稳定度为1×10－11的芯片原子钟。参与该研究计划的主要团队包括:Symmetricom/Draper/Sandia、 NIST/University of Colorado、Teledyne Scientific/Rockwell Collins/Agilent、Honeywell, 以及 Sarnoff/Princeton/Frequency Electronics。各团队基本是由原子钟研制单位牵头,联合MEMS加工单位和VCSEL制造单位组成。NIST团队为制造商提供频率稳定度优于1×10－12的芯片原子钟设备,图1为NIST设计的物理系统实物及电路系统示意图。其中,物理系统的高度仅为5.5mm,底面边长仅为2mm。Teledyne Scientific团队于2008年研制出了满足DARPA目标的芯片原子钟原理样机［8］,然而该样机输出的时钟频率并不是标准的10MHz,难以获得应用,并不适合量产。图2为Symmetricom团队研制出的芯片原子钟的物理系统和电路系统,该团队于2011年实现了芯片原子钟的批量生产,该产品的型号为SA.45s,目前产品已在Microsemi公司进行出售。

欧盟Gaetano Mileti小组研制出的芯片原子钟样机如图3 所示, 频率稳定度为 7×10－11［9］。 日本 Motoaki Hara小组省去了通常芯片原子钟中的频率合成电路,利用压电薄膜中的厚度伸缩振动设计了一种微波发生器,研制出了芯片原子钟样机［10］,但样机输出的时钟频率也不是标准的10MHz。

1.2 国内研究进展

在国内,长期从事芯片原子钟研究的单位主要有中国科学院武汉物理与数学研究所(简称中科院武汉物数所)、航天科工203所、北京大学、成都天奥电子有限公司等。目前,上述团队都已研制出了芯片原子钟的原理样机。下面,结合中科院武汉物数所研制的芯片原子钟,介绍其原理和关键技术。

2014年,中科院武汉物数所突破了芯片原子钟的主要关键技术,研制出了芯片原子钟的样机。样机如图4(a)所示,体积小于20cm3,功耗小于220mW,采用3.3V单电源进行供电,具备秒脉冲输出与外部秒脉冲实时校准和同步功能。其整机尺寸和引脚定义如图4(b)所示,该封装引脚与美国Microsemi公司销售的芯片原子钟产品可实现兼容。

频率稳定度是评价芯片原子钟性能最重要的参数指标［11］,芯片原子钟的短期频率稳定度在时域的表征用Allan方差表示,实测的典型芯片原子钟样机的频率稳定度如图5所示。由图5可知,芯片原子钟的百秒频率稳定度优于2×10－10,千秒频率稳定度为8×10－12,中短期频率性能与美国Symmetricom团队的SA.45s型产品相当。

国内其他团队在芯片原子钟的研制方面也取得了可观的进展。航天科工203所于2015年提出了功耗为3W、 短期频率稳定度为 8×10－11τ－1/2的第一代样机,后来又研制了体积小于20cm3、功耗小于1W、 短期频率稳定度为 3×10－11τ－1/2～5×10－11τ－1/2的芯片原子钟［12］。成都天奥电子有限公司于2014年实现了体积小于24cm3、功耗小于0.6W、百秒频率稳定度为 5×10－11的芯片原子钟原理样机［13］。

2 工作原理

芯片原子钟的工作原理如图6所示,直流电流和微波链输出的微波经过耦合输入到激光管,并输出调频多色光。激光管输出的线偏振光经过λ/4后转化为圆偏振光,并与原子泡内的原子相互作用。在图6中,原子能级被简化为三能级,和表示基态能级,表示激发态能级,调频多色光中正负一阶边带光与原子跃迁共振分别激发和的跃迁。当正负一阶边带光的频率差与和之间的频率差精确相等时,发生CPT共振,探测器检测到的透射信号增强(如图6中的红色线条)。和之间的频率差取决于所选择的工作原子,中科院武汉物数所采用的工作原子为87Rb原子,对应的频率差约为6.8GHz,微波频率约为3.4GHz。利用获得的CPT信号对微波链前端的晶振进行鉴频,使晶振输出频率与稳定的原子能级频率差产生强关联,从而使晶振输出稳定的频率。此外实现芯片原子钟还需要对激光管和原子泡进行温度控制,获得所需波长的激光和一定数目的原子。利用原子对激光的吸收信号,对激光管输入电流进行反馈,稳定激光频率。为了屏蔽外界磁场的干扰,需对原子泡进行磁屏蔽,并提供与激光同向的、恒定的磁场,为原子提供量子化轴并使原子能级去简并。

采用上述传统圆偏光方案实现的芯片原子钟虽然能够获得CPT信号,但是圆偏光会将原子抽运到如图7所示的极化暗态(又称泄露态)。处于极化暗态中的原子并不参与CPT共振,因此CPT信号的对比度将减小,从而限制了芯片原子钟的频率稳定度。

为了获得高稳定度的CPT信号以提高芯片原子钟的性能,中科院武汉物数所提出了准双色垂直线偏光方案和左右旋混合圆偏光方案等可行方案［14］。采用左右旋混合圆偏光方案的光路如图8所示,此方案中与原子作用的左旋圆偏光σ－和右旋圆偏光σ＋在相位上相差π,这样就可以将原子集中在如图9所示的 “0－0”能级上,从而在消除极化暗态的同时,获得CPT的增强信号。用此方案实现的芯片原子钟的短期频率稳定度远高于传统方案。

3 关键技术

研制芯片原子钟样机需要突破多项关键技术,这主要包括VCSEL研制［15］技术、微型原子泡加工［16-17］技术、微型物理系统集成、电路系统研制等。

3.1 高性能VCSEL

芯片原子钟对VCSEL的各项参数都有严格要求,其中最为重要的参数是波长、工作温度、阈值、老化性能等。VCSEL输出激光需要与87Rb原子能级跃迁共振,因而需要VCSEL的激光波长能够精确地保持在795nm。一般要求VCSEL的工作温度高于70℃。为了降低整机功耗,VCSEL需要具有较低的阈值。同时,由于芯片原子钟的长期老化漂移与VCSEL有很大关系,芯片原子钟对VCSEL的老化性能也有很高的要求。因此,在各项参数满足要求的情况下,研制VCSEL将面临诸多困难。国外符合要求的VCSEL产品主要由飞利浦、Princeton photonics和Vixar等公司生产,而国内多家单位已经突破了VCSEL光源技术,正在将VCSEL实现产品化。

3.2 微型原子泡

微型原子泡是芯片原子钟物理系统的核心部件,其物理尺寸、性能与物理系统的体积、功耗和性能直接相关。研制微型原子泡的难点主要在于在保证原子泡气密性的同时,实施晶圆级的杂气去除和控制缓冲气体的压强。碱金属单质特别活泼,微量的杂气就可能导致微型原子泡中的碱金属原子消耗殆尽。微型原子泡的性能与缓冲气体的压强有很大关系,而原子泡在密封过程中难以监控缓冲气体的压强。图10为中科院武汉物数所制作的微型原子泡,该微型原子泡采用三明治结构,即上下两面是玻璃,中间为通孔硅片,采用晶圆级硅-玻璃阳极键合方式将碱金属单质和一定压强的缓冲气体封入由玻璃与硅通孔组成的密封体中,其厚度仅为1.5mm。

3.3 微机电系统集成技术

微型物理系统的集成需要对VCSEL激光器、微型原子泡、光学元件和光电探测器等分部件进行集成。集成涉及光、机、电、热技术,而且要充分考虑系统的体积、功耗和可靠性,因而难度相当大。微型物理系统集成采用堆叠式结构将各元件依次叠放,运用MEMS技术进行集成。此外,微型物理系统还采用了共晶键合技术用于完成真空封装,以降低物理系统的功耗。

电路系统集成需要保证对物理系统稳定的温度控制,对VCSEL激光器输出的激光频率实施稳频,提供所需微波和利用CPT信号对微波链前端的晶振输出频率进行反馈。其中,难点是在保证信号质量的前提下减小电路体积和功耗。硬件电路系统将一个微处理器作为控制核心来实现各项功能,而微处理器的软件系统则需要进行专门的设计。软件系统研制涉及到芯片原子钟整机的所有工作参数的控制和调节,并需要将数据进行直观的显示,以方便调试和应用。

4 总结与展望

本文介绍了芯片原子钟的发展历程及其国内外研究现状,给出了中科院武汉物数所试生产的芯片原子钟的主要技术参数,阐述了芯片原子钟的工作原理及其所突破的关键技术。芯片原子钟是一种极富特点和优势的原子钟,在多个领域有广泛的应用前景。在卫星导航方面,芯片原子钟可被安装在导航卫星的接收机上以提高卫星的导航精度。随着5G网络的建设,人工智能及信息社会的发展,大数据的传递将对各种智能移动终端的时间同步提出更高的要求,芯片原子钟可以为移动网络终端远程控制及各种人工智能设备提供高度精准的时间基准。在军事应用方面,芯片原子钟可被安装在各种便携式单兵设备上,使各移动作战单元与指挥系统之间能够保持高精度的时间同步,还可被安装在增程炮弹等各种武器上,提高其打击精度,预计芯片原子钟将在信息化战场上发挥重要作用。此外,芯片原子钟还可被应用于水下潜航器、水下机器人,以及各种涉水设备中。