芯片原子鐘的現狀與發展

杜潤昌，楊 林，趙海清

（成都天奧電子股份有限公司，成都 611731）

芯片原子鐘的現狀與發展

杜潤昌，楊 林，趙海清

（成都天奧電子股份有限公司，成都 611731）

芯片原子鐘具有體積小、功耗低、成本低的突出優點，可應用于北斗衛星導航接收機、水下導航、武器系統數據鏈、時頻體系節點等，是最具有工程應用前景的原子鐘。回顧了國外芯片原子鐘的發展歷程，并給出了一種國產芯片原子鐘的主要技術指標。討論了芯片原子鐘的常用技術方案，并分析了體積與功耗、頻率穩定度、天老化率、秒馴服功能、溫度系數等指標的影響因素和改進措施，最后指出了芯片原子鐘的發展目標。

武器系統數據鏈；時頻體系節點；老化率；頻率穩定度

0 引言

相干布居囚禁[1]（Coherent Population Trapping，簡稱CPT）是相干雙色光與原子相互作用所產生的一種量子干涉現象，利用窄線寬CPT譜線作為鑒頻譜線實現的被動型CPT原子鐘（簡稱CPT鐘）具有體積小、功耗低等特點，有著廣泛的用途。CPT鐘與MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）工藝相結合，能夠制造出手表尺寸、紐扣電池供電的芯片原子鐘（CSAC，Chip Scale Atomic Clocks）[2]。國內外芯片原子鐘的發展現狀如下：

1997 年，加拿大科學家J.Vanier等人用微波調制的激光器與銣原子相互作用，得到了CPT共振譜線[3]，開啟了CPT原子頻標的研制工作；

2000 年，美國標準局（NIST）的J.Kitching小組實現了CPT原子頻標[4]，J.Kitching還提出了微型化CPT原子頻標的設想；

在高職院校層面成立科研成果轉化服務機構，負責科研成果的應用推廣，統籌管理全校的科研成果。其主要職能是宣傳當前成果，挖掘成果需求方，并與需求方就成果轉化事宜進行溝通、談判，同時跟蹤當前成果推廣狀況。

2001 年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）根據NIST科學家的建議，啟動了CSAC計劃，開始了芯片原子鐘的研制；

圖2中，TEC為VCSEL自帶的控溫系統，熱環為吸收泡控溫系統，虛線方框內為物理系統，其它部分為電路系統。與其它小型CPT鐘方案相似[8]，本方案中激光頻率鎖定選用原子對激光的多普勒吸收譜線作為鑒頻譜線，微波頻率鎖定選用CPT譜線作為鑒頻譜線。為了便于整機的參數優化和狀態監控，本方案采用了全數字化電路控制。控制電路中的MCU作為主控芯片控制著VCSEL溫控、吸收泡溫控、激光頻率鎖定、微波頻率鎖定；并能夠通過RS232串口方便地與計算機通訊。計算機通過上位機軟件可以遠程改變吸收泡溫度、VCSEL溫度、激光功率值、微波功率值、微波調制深度、微波調制速率等參數，便于物理系統的參數優化；同時，還可以監控整機運行狀態等。

2011 年，Symmetricom公司發布了第一款芯片原子鐘商業化產品SA.45s[6]。該產品體積17cm3，功耗110mW。

如圖6所示，20天的老化率測試結果是1.36× 10-11/day，優于±5×10-11設計指標要求。

成都天奧電子股份有限公司是國內最早開始芯片原子鐘研發的單位之一。自2006年起，經過數年研究，于2014年實現芯片原子鐘原理樣機。該芯片原子鐘的主要技術指標如表1所示。

表1 芯片原子鐘主要技術指標Tab.1 The main technical indexes of CSAC

本文主要介紹該芯片原子鐘的整機方案和實測結果。

式（2）中T是總時差，T0是初同步誤差，是在t時間段內平均頻率準確度，D是頻率漂移率，σχ(t)是噪聲引入的時間偏差的均方根。從式（2）可知，時鐘的總時差與初始同步誤差、時鐘的頻率以及漂移率有關系。秒馴服功能可以優化頻率準確度和漂移率，進而提高芯片原子鐘的守時精度。圖7給出了芯片原子鐘的秒馴服功能實測曲線。

1 整機方案

用87Rb作為工作原子，其基態5S1/2的兩超精細能級的兩鐘態(|F=1,mF=0>和|F=2,mF=0>)與第一激發態5P1/2的|F=2,mF=1>態構成制備CPT態的L型結構，CPT共振發生在D1線，如圖1。圖2是整機原理框圖，光源由縱腔面發射半導體激光器（VCSEL）提供。直流電流與頻率為ν的微波通過BiasT合成為供電電流輸入VCSEL，使VCSEL輸出受微波頻率調制的多色光，利用其正、負一級邊帶作為如圖1的制備CPT態的相干雙色光。因為微波和光頻都出于相同的源，這樣的雙色光源具有理想的相干特性[7]。光電探測器探測與原子相互作用后的透射激光，獲得用于穩定激光頻率的原子吸收譜線和穩定原子鐘輸出頻率的CPT譜線。

“抓包”一方面是指本級政府抓上級政府或上級部門“發的包”(國家、省市或部門項目資助或財政轉移支付)，另一方面是指基層如村鎮抓縣級政府“打的包”(國家、省市、部門發包后通過縣級政府整合后到達村莊)。前者主要是地方政府通過營造發展模式、打造地方特色，以及同上級政府部門甚至是私人搞好關系的方法來爭取上級“發的包”，使上級的專項補助資金能夠向本地傾斜。對于后者，即村鎮“抓包”問題，其背后也有著相似的邏輯。X縣下面的GQ村村支書在回答“五水共治”過程中“為什么縣里和鎮里會把那么多錢投給你村而不是別的村？道理是什么？”的問題時講道：

圖1 制備CPT態的Λ結構Fig.1 TheΛstructure of CPT state preparation

圖2 芯片原子鐘技術方案框圖Fig.2 Block diagram of technical proposal

2004 年，NIST率先實現了芯片原子鐘物理系統[5]；

2 整機實測結果

2.1 體積與功耗

芯片原子鐘的體積與功耗降低主要是通過MEMS原子泡、3D微組裝以及電路部分的模塊化等技術手段實現的。在本方案中，物理系統體積僅5mL，通過3D真空微組裝，降低了整機的功耗；電路可分為MCU控制部分及微波頻率綜合器部分，兩部分電路均是一個單獨模塊，提高了整機的可靠性，降低了整機的體積。芯片原子鐘實物圖如圖3所示。

圖3 芯片原子鐘實物圖Fig.3 The pictures of CSAC

本方案實現的芯片原子鐘，整機功耗0.6W，體積23.5mL（45mm×36mm×14.5mm），安裝引腳與Symmetricom公司的SA.45s兼容。

2.2 頻率穩定度

2.4 秒馴服功能

式中，K是比例常數，Ibg為未被吸收的激光在光電探測器上引起的光電流，e是單位電子電荷，q=C/Δν1/2，對比度C等于CPT峰的幅度與背景光強度的比值，Δν1/2是CPT譜線線寬。改變微波對激光的調制指數，會改變±1級邊帶光幅度。±1級邊帶光幅度越小，則CPT峰的幅度越小，對比度就越小，整機的短穩越差。當調制指數為1.8時，±1級邊帶幅度最大，此時短穩最好。另外，激光光強、FM調制深度、吸收泡溫度等參數也對對比度、線寬等有較大影響，需要逐個進行優化[10-11]。完成所有參數優化后，將這套芯片原子鐘與氫鐘做頻率比對。結果如圖4、圖5所示。

圖4 芯片原子鐘頻率準確度實測曲線Fig.4 The measured curve of frequency accuracy

圖5 芯片原子鐘頻率穩定度實測曲線Fig.5 The measured curve of frequency stability

在完成本課的summer holiday plans寫作后，可以結合五年級下冊Unit 7 Chinese festivals讓學生寫寫其他節假日的計劃，這樣就使書本知識成為學生能力運用的基礎，并讓書本知識真正得到延伸和發展。

芯片原子鐘的老化一般可分為快速老化階段和緩慢老化階段，快速老化階段一般會持續數周至數月。當快速老化完畢后，整機的老化主要是由VCSEL老化引起的光頻移造成的。芯片原子鐘老化率的提高主要是從如何減小光頻移著手的。我們對激光功率進行了鎖定，減小了光頻移，進而降低了整機的天老化率。天老化率的實測結果如圖6所示。

圖6 整機天老化率典型測試曲線Fig.6 The measured curve of frequency aging

可以看到，芯片原子鐘從提出設想到實現商品僅11年的時間，發展速度非常迅速。該項技術仍在不斷發展，未來發展目標是實現體積1cm3、功耗30mW的商業化產品。

2.3天老化率

芯片原子鐘的短期頻率穩定度為[9]：

任一時鐘均可以用如下時鐘模型描述。

Lakoff和Johnson(1980)確立了認知語言學的基本研究框架。該框架有以下五個研究主題：（1）語言研究必須同人的概念形成過程的研究聯系。（2）詞義的確立必須參照百科全書般的概念內容和人對這一內容的解釋。（3）概念形成根植于普遍的軀體經驗，特別是空間經驗，制約了人對心理世界的隱喻性建構。（4）語言的方方面面都包含著范疇化，并以廣義的原型理論為基礎。（5）認知語言學并不把語言現象區分為音位、形態、詞匯、句法和語用等不同的層次，而是尋求語言現象統一的解釋。[2]

圖7 秒馴服功能實測曲線Fig.7 The measured curve of external signal calibration

從上述測試結果可以看出，馴服后芯片原子的輸出頻率準確度達到1×10-12，有效地消除了初始同步誤差。

2.5 頻率溫度特性

在使用提升小波分解數控機床熱誤差數據后，采用最小二乘支持向量機(LSSVM)解決對每一層分解信號的訓練和預測問題。最小二乘支持向量機方法是采用最小二乘線性系統作為損失函數，代替傳統的支持向量機采用的二次規劃方法，簡化了計算復雜性的同時也可以保證預測結果的準確性[8]。而使用提升小波處理后的功率數據也更有規律，使用最小二乘支持向量機可以進一步提高預測精度。

由式（2）可知，芯片原子鐘的守時精度與σχ(t)（即噪聲引入的時間偏差的均方根）有關。一般的，環境溫度的變化是影響該項指標的決定因素，因此頻率溫度特性也是芯片原子鐘的重要技術指標。將芯片原子鐘放置在溫度試驗箱中，芯片原子鐘輸出頻率與氫原子鐘輸出頻率通過頻率比對設備（Picotime）進行測試，并用計算機記錄結果。改變溫度試驗箱溫度設置，同時記錄下對應溫度的頻率準確度實測值，進而可得到芯片原子鐘的頻率溫度特性。測試結果如表2所示。

我這次被叫去警察局，全是因為一件在小城鬧得沸沸揚揚的雇兇殺人案。正是這個案子使我遭遇的那場車禍真相大白。兩個案子都是同一個犯罪團伙所為。只是這一次，受害者丟了性命，而我只是住了半個月的院。想不到，我那場車禍的幕后人竟是為我墊付醫療費的佟老板。

表2 頻率溫度特性實測結果Tab.2 Temperature coefficient results

由表2可知，芯片原子鐘的工作溫度范圍為-40～+60℃，全溫范圍內準確度最大變化量為3.8× 10-10，優于設計指標±5×10-10的要求。

基礎量概念實施以來取得一定效果，但因各種原因，存在問題也不少，使內部市場化的作用還不能充分體現。主要表現在：

《音樂課程標準》指出，在教學過程中豐富學生的情感體驗，培養學生的審美情趣是音樂教學的核心目標。所以音樂教學從本質上講是情感教育，在新課程實施的今天，注重情感教育遠比傳授知識與技能重要。

3 結論

本文介紹了一種國產化芯片原子鐘。整機采用了鎖定激光功率和優化微波調制指數的方法，獲得了較好實測結果：天老化率為-4.4×10-11/ d，頻率穩定度為3×10-10/1s、2.5×10-11/100s,溫度系數為4.9×10-10/（-40～+60℃）。該芯片原子鐘體積23.5mL，僅為傳統銣鐘的1/6；功耗0.6W，僅為傳統銣鐘的1/20；可直接應用于北斗衛星導航接收機、水下導航、武器系統數據鏈、時頻體系節點等領域。后續我們將對該產品進行改進，預計2015年整機體積為17cm3、功耗優于100mW，達到2011年美國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。

杜潤昌（1982-），男，博士，高工，主要從事芯片原子鐘、原子陀螺儀等研究。E-mail:drc1982@qq.com