芯片原子鐘的工作原理及其研究進展

李松松，張 奕，田 原，陳杰華

(1.中國科學院大學，北京100049；2.中國科學院武漢物理與數學研究所，武漢430071)

0 引言

雙色光場在將原子的兩個基態能級耦合到同一個激發態能級時,將出現相干布居囚禁(CPT)共振現象。利用CPT共振原理,采用微機電系統(MEMS)工藝和專用的集成電路技術,可研制出芯片原子鐘［1］。芯片原子鐘的體積和功耗與小型恒溫晶振相當,而其長期穩定度比恒溫晶振高3個量級以上。相比銣原子鐘,其體積和功耗又小近2個量級,特別適合作為體積和功耗受限設備中的高精度頻率源而使用。芯片原子鐘在航空、航天、通信和信息探測等領域中均有廣泛的應用需求。例如:衛星導航定位系統的接受機采用芯片原子鐘作為時鐘,定位系統的抗干擾能力大幅增強,接受衛星信號、實施保密通信的能力大幅增強,采用芯片原子鐘即可實現手機尺寸的高性能接收機。又如,在沒有衛星信號的水下、坑道、室內等場合,在衛星信號不佳的森林、山區等場所,以及在衛星信號受自然、人為等因素干擾的情況下,衛星定位導航功能將部分甚至完全失效。利用陀螺儀、加速度計、芯片原子鐘和多種傳感器構成的自主導航微終端,可以實現用戶單元的自主導航。在每個用戶單元自主定位導航的基礎上,還可以通過相互通信構成協同定位導航系統。

1 國內外研究進展

1.1 國外研究進展

1976年,Alzetta利用激光與鈉原子的作用首次觀察到了CPT現象［2］,這為芯片原子鐘的研制奠定了物理基礎。1977年,Iga提出了垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSEL)的概念［3］,這使得在芯片原子鐘內使用半導體激光器成為了可能。1997年,Levi利用微波調制的激光器與銣原子之間的相互作用,得到了CPT共振譜線［4］,這標志著利用CPT現象實現原子鐘制造的開端。2000年,利用微波調制的VCSEL產生的多色光與銫原子之間的相互作用,形成了百赫茲線寬的 CPT共振譜線［5］,這使得CPT原子鐘的潛力得到了人們的廣泛認識,極大地推動了CPT原子鐘的發展。2000年,Kitching提出了芯片原子鐘的構想［6］。4年后,Kitching研制出了首個芯片原子鐘原理樣機［7］。芯片原子鐘的出現受到了世界范圍內的極大關注,已經成為各主要國家競相研發的、具有戰略意義的新技術。據國外公開報道,研制出整機的有美國、歐盟和日本。其中,美國已經推出了全球唯一的芯片原子鐘產品,其技術水平處于全球領先地位。

2002年,美國DARPA采納Kitching的建議啟動了芯片原子鐘研究計劃,該計劃的目標是研制出體積為1cm3、功耗為30mW、1h頻率穩定度為1×10－11的芯片原子鐘。參與該研究計劃的主要團隊包括:Symmetricom/Draper/Sandia、 NIST/University of Colorado、Teledyne Scientific/Rockwell Collins/Agilent、Honeywell, 以及 Sarnoff/Princeton/Frequency Electronics。各團隊基本是由原子鐘研制單位牽頭,聯合MEMS加工單位和VCSEL制造單位組成。NIST團隊為制造商提供頻率穩定度優于1×10－12的芯片原子鐘設備,圖1為NIST設計的物理系統實物及電路系統示意圖。其中,物理系統的高度僅為5.5mm,底面邊長僅為2mm。Teledyne Scientific團隊于2008年研制出了滿足DARPA目標的芯片原子鐘原理樣機［8］,然而該樣機輸出的時鐘頻率并不是標準的10MHz,難以獲得應用,并不適合量產。圖2為Symmetricom團隊研制出的芯片原子鐘的物理系統和電路系統,該團隊于2011年實現了芯片原子鐘的批量生產,該產品的型號為SA.45s,目前產品已在Microsemi公司進行出售。

歐盟Gaetano Mileti小組研制出的芯片原子鐘樣機如圖3 所示, 頻率穩定度為 7×10－11［9］。 日本 Motoaki Hara小組省去了通常芯片原子鐘中的頻率合成電路,利用壓電薄膜中的厚度伸縮振動設計了一種微波發生器,研制出了芯片原子鐘樣機［10］,但樣機輸出的時鐘頻率也不是標準的10MHz。

1.2 國內研究進展

在國內,長期從事芯片原子鐘研究的單位主要有中國科學院武漢物理與數學研究所(簡稱中科院武漢物數所)、航天科工203所、北京大學、成都天奧電子有限公司等。目前,上述團隊都已研制出了芯片原子鐘的原理樣機。下面,結合中科院武漢物數所研制的芯片原子鐘,介紹其原理和關鍵技術。

2014年,中科院武漢物數所突破了芯片原子鐘的主要關鍵技術,研制出了芯片原子鐘的樣機。樣機如圖4(a)所示,體積小于20cm3,功耗小于220mW,采用3.3V單電源進行供電,具備秒脈沖輸出與外部秒脈沖實時校準和同步功能。其整機尺寸和引腳定義如圖4(b)所示,該封裝引腳與美國Microsemi公司銷售的芯片原子鐘產品可實現兼容。

頻率穩定度是評價芯片原子鐘性能最重要的參數指標［11］,芯片原子鐘的短期頻率穩定度在時域的表征用Allan方差表示,實測的典型芯片原子鐘樣機的頻率穩定度如圖5所示。由圖5可知,芯片原子鐘的百秒頻率穩定度優于2×10－10,千秒頻率穩定度為8×10－12,中短期頻率性能與美國Symmetricom團隊的SA.45s型產品相當。

國內其他團隊在芯片原子鐘的研制方面也取得了可觀的進展。航天科工203所于2015年提出了功耗為3W、 短期頻率穩定度為 8×10－11τ－1/2的第一代樣機,后來又研制了體積小于20cm3、功耗小于1W、 短期頻率穩定度為 3×10－11τ－1/2～5×10－11τ－1/2的芯片原子鐘［12］。成都天奧電子有限公司于2014年實現了體積小于24cm3、功耗小于0.6W、百秒頻率穩定度為 5×10－11的芯片原子鐘原理樣機［13］。

2 工作原理

芯片原子鐘的工作原理如圖6所示,直流電流和微波鏈輸出的微波經過耦合輸入到激光管,并輸出調頻多色光。激光管輸出的線偏振光經過λ/4后轉化為圓偏振光,并與原子泡內的原子相互作用。在圖6中,原子能級被簡化為三能級,和表示基態能級,表示激發態能級,調頻多色光中正負一階邊帶光與原子躍遷共振分別激發和的躍遷。當正負一階邊帶光的頻率差與和之間的頻率差精確相等時,發生CPT共振,探測器檢測到的透射信號增強(如圖6中的紅色線條)。和之間的頻率差取決于所選擇的工作原子,中科院武漢物數所采用的工作原子為87Rb原子,對應的頻率差約為6.8GHz,微波頻率約為3.4GHz。利用獲得的CPT信號對微波鏈前端的晶振進行鑒頻,使晶振輸出頻率與穩定的原子能級頻率差產生強關聯,從而使晶振輸出穩定的頻率。此外實現芯片原子鐘還需要對激光管和原子泡進行溫度控制,獲得所需波長的激光和一定數目的原子。利用原子對激光的吸收信號,對激光管輸入電流進行反饋,穩定激光頻率。為了屏蔽外界磁場的干擾,需對原子泡進行磁屏蔽,并提供與激光同向的、恒定的磁場,為原子提供量子化軸并使原子能級去簡并。

采用上述傳統圓偏光方案實現的芯片原子鐘雖然能夠獲得CPT信號,但是圓偏光會將原子抽運到如圖7所示的極化暗態(又稱泄露態)。處于極化暗態中的原子并不參與CPT共振,因此CPT信號的對比度將減小,從而限制了芯片原子鐘的頻率穩定度。

為了獲得高穩定度的CPT信號以提高芯片原子鐘的性能,中科院武漢物數所提出了準雙色垂直線偏光方案和左右旋混合圓偏光方案等可行方案［14］。采用左右旋混合圓偏光方案的光路如圖8所示,此方案中與原子作用的左旋圓偏光σ－和右旋圓偏光σ＋在相位上相差π,這樣就可以將原子集中在如圖9所示的 “0－0”能級上,從而在消除極化暗態的同時,獲得CPT的增強信號。用此方案實現的芯片原子鐘的短期頻率穩定度遠高于傳統方案。

3 關鍵技術

研制芯片原子鐘樣機需要突破多項關鍵技術,這主要包括VCSEL研制［15］技術、微型原子泡加工［16-17］技術、微型物理系統集成、電路系統研制等。

3.1 高性能VCSEL

芯片原子鐘對VCSEL的各項參數都有嚴格要求,其中最為重要的參數是波長、工作溫度、閾值、老化性能等。VCSEL輸出激光需要與87Rb原子能級躍遷共振,因而需要VCSEL的激光波長能夠精確地保持在795nm。一般要求VCSEL的工作溫度高于70℃。為了降低整機功耗,VCSEL需要具有較低的閾值。同時,由于芯片原子鐘的長期老化漂移與VCSEL有很大關系,芯片原子鐘對VCSEL的老化性能也有很高的要求。因此,在各項參數滿足要求的情況下,研制VCSEL將面臨諸多困難。國外符合要求的VCSEL產品主要由飛利浦、Princeton photonics和Vixar等公司生產,而國內多家單位已經突破了VCSEL光源技術,正在將VCSEL實現產品化。

3.2 微型原子泡

微型原子泡是芯片原子鐘物理系統的核心部件,其物理尺寸、性能與物理系統的體積、功耗和性能直接相關。研制微型原子泡的難點主要在于在保證原子泡氣密性的同時,實施晶圓級的雜氣去除和控制緩沖氣體的壓強。堿金屬單質特別活潑,微量的雜氣就可能導致微型原子泡中的堿金屬原子消耗殆盡。微型原子泡的性能與緩沖氣體的壓強有很大關系,而原子泡在密封過程中難以監控緩沖氣體的壓強。圖10為中科院武漢物數所制作的微型原子泡,該微型原子泡采用三明治結構,即上下兩面是玻璃,中間為通孔硅片,采用晶圓級硅-玻璃陽極鍵合方式將堿金屬單質和一定壓強的緩沖氣體封入由玻璃與硅通孔組成的密封體中,其厚度僅為1.5mm。

3.3 微機電系統集成技術

微型物理系統的集成需要對VCSEL激光器、微型原子泡、光學元件和光電探測器等分部件進行集成。集成涉及光、機、電、熱技術,而且要充分考慮系統的體積、功耗和可靠性,因而難度相當大。微型物理系統集成采用堆疊式結構將各元件依次疊放,運用MEMS技術進行集成。此外,微型物理系統還采用了共晶鍵合技術用于完成真空封裝,以降低物理系統的功耗。

電路系統集成需要保證對物理系統穩定的溫度控制,對VCSEL激光器輸出的激光頻率實施穩頻,提供所需微波和利用CPT信號對微波鏈前端的晶振輸出頻率進行反饋。其中,難點是在保證信號質量的前提下減小電路體積和功耗。硬件電路系統將一個微處理器作為控制核心來實現各項功能,而微處理器的軟件系統則需要進行專門的設計。軟件系統研制涉及到芯片原子鐘整機的所有工作參數的控制和調節,并需要將數據進行直觀的顯示,以方便調試和應用。

4 總結與展望

本文介紹了芯片原子鐘的發展歷程及其國內外研究現狀,給出了中科院武漢物數所試生產的芯片原子鐘的主要技術參數,闡述了芯片原子鐘的工作原理及其所突破的關鍵技術。芯片原子鐘是一種極富特點和優勢的原子鐘,在多個領域有廣泛的應用前景。在衛星導航方面,芯片原子鐘可被安裝在導航衛星的接收機上以提高衛星的導航精度。隨著5G網絡的建設,人工智能及信息社會的發展,大數據的傳遞將對各種智能移動終端的時間同步提出更高的要求,芯片原子鐘可以為移動網絡終端遠程控制及各種人工智能設備提供高度精準的時間基準。在軍事應用方面,芯片原子鐘可被安裝在各種便攜式單兵設備上,使各移動作戰單元與指揮系統之間能夠保持高精度的時間同步,還可被安裝在增程炮彈等各種武器上,提高其打擊精度,預計芯片原子鐘將在信息化戰場上發揮重要作用。此外,芯片原子鐘還可被應用于水下潛航器、水下機器人,以及各種涉水設備中。