芯片原子鐘
——CPT鐘研究進展?

曹遠洪，何慶，楊林

（1.成都天奧電子股份有限公司，成都611731；2.西南電子設備研究所，成都610036）

芯片原子鐘
——CPT鐘研究進展?

曹遠洪1，何慶2，楊林1

（1.成都天奧電子股份有限公司，成都611731；2.西南電子設備研究所，成都610036）

介紹了基于激光與原子相干布局囚禁（CPT）理論的芯片原子鐘（CSAC）鐘。該原子鐘代表了小型化原子鐘未來發(fā)展方向，近年來在設計技術(shù)、制造工藝以及物理機制方面都取得了較大進展，并實現(xiàn)了芯片級的CPT鐘原理樣機。預計，在未來3～5年將會有芯片原子鐘產(chǎn)品面世。

芯片原子鐘；相干布局囚禁鐘；研究進展

1 引言

以原子振動頻率為基礎的時間（或頻率）已經(jīng)進入10－18量級，在質(zhì)量、長度等7個基本物理量綱中具有最高的計量精度。基于原子振動頻率的高精度原子時頻技術(shù)不僅可以應用于驗證相對論等科學研究，還在工程應用乃至人們生產(chǎn)生活中逐漸起著越來越重要的作用。1967年召開的第13屆國際計量大會上通過決議，將銫原子Cs133兩個基態(tài)超精細能級躍遷輻射振蕩9 192 631 770周所持續(xù)的時間為1 s，從此時間計量逐步進入原子時（AT）時代。近年來，隨著數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，代表原子時頻技術(shù)的原子鐘工程化應用越來越廣泛，以原子鐘為核心部件的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）及其延伸技術(shù)，專用手持式衛(wèi)星導航儀、內(nèi)置導航功能的移動通信設備逐漸開始走進人們的日常生活。

要在上述領域獲得大批量的工程應用，就要求原子鐘的體積、功耗等技術(shù)特性必須達到器件級水平。氫鐘、銫鐘和銣鐘等傳統(tǒng)原子鐘由于體積、功耗偏大，其應用形式為單獨設備或內(nèi)置于設備的部件，應用范圍也基本上局限在高端設備或系統(tǒng)。不需要傳統(tǒng)微波腔的CPT鐘，其體積、功耗的減小程度理論上不受限制，使原子鐘的廣泛推廣應用成為可能。近年來，也因為CPT鐘潛在的應用價值而引起了廣泛關注，并很快作為小型化原子鐘的研究熱點。美國Kernco公司于2001年率先研制出體積與傳統(tǒng)小銣鐘相當?shù)腃PT鐘；美國國家標準局NIST采用MEMS工藝于2002年研制出了體積僅1 cm3的CPT鐘量子物理部分，并將這種制造工藝與體積、功耗與芯片相似的CPT鐘命名為芯片原子鐘（Chip－Scale Atomic Clock，CSAC）。此后的CPT鐘研究則主要圍繞能夠?qū)崿F(xiàn)芯片原子鐘的設計技術(shù)、制作工藝和新物理機制開展，并相繼取得了較大進展。

2 CPT鐘基本原理

2.1 相干布局囚禁

1976年，Alzetta，Gozzini，Moi和Orriols等人在開展鈉原子激光抽運實驗中首次觀察到在涉及一個激發(fā)態(tài)和兩個基態(tài)的三能級系統(tǒng)中出現(xiàn)了熒光光強變?nèi)?，即相干布局囚禁（Coherent Population Trap，CPT）現(xiàn)象［1］。CPT物理演化過程比較復雜，但其穩(wěn)態(tài)可以采用如圖1所示的Λ型三能級系統(tǒng)進行模擬簡化。

當頻率為ω1和ω2的兩束激光分別耦合（｜1〉，｜3〉）和（｜2〉，｜3〉）時，原子被囚禁在｜1〉和｜2〉的疊加態(tài)上而不再被抽運到｜3〉，也不再輻射熒光，即出現(xiàn)所謂的暗態(tài)（Dark State），這里用｜P〉表示［2］：

式中，ωR1、ωR2分別為｜1〉、｜2〉到｜3〉的Rabi頻率。當抽運激光出現(xiàn)小的失諧量δ υ時，｜3〉能級的原子密度為［3］

式中，ωR為低能到高能級（激發(fā)態(tài)）的Rabi頻率，Γ*為自發(fā)輻射和碰撞引起的激發(fā)態(tài)衰減率，δ′μ′為基態(tài)超精細躍遷密度矩陣非對角元的實部。CPT鐘共振時原子熒光輻射為暗態(tài)，對應透射光為亮態(tài)，但激光頻率在CPT共振頻率附近掃描時，檢測透射光強可得到如圖2所示的CPT信號。

圖2 中，大的吸收線對應于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的躍遷，中間的小吸收峰則對應CPT共振亮態(tài)，其線寬非常窄，一般在幾百赫。這個CPT共振峰則用來作為原子鐘的頻率參考，可以得到高精度的頻標信號。

2.2 CPT鐘

原子鐘一般由樣品原子系統(tǒng)（又稱為量子物理系統(tǒng)）、產(chǎn)生激勵外場和檢測鐘躍遷信號的電子學系統(tǒng)構(gòu)成。同樣地，CPT鐘也主要由量子物理部分和電子學系統(tǒng)組成，簡化的原理框圖如圖3所示。

根據(jù)圖3，CPT鐘的量子物理系統(tǒng)包括VCSEL激光光源、四分之一玻片、容納銣或銫樣品原子的吸收泡、光電池；其電子學系統(tǒng)則由鎖定VCSEL的伺服環(huán)路和鎖定VCXO的伺服環(huán)路組成。其中前者的鎖定參考信號為基態(tài)到激發(fā)態(tài)的多普勒吸收峰，同步調(diào)制與解調(diào)信號在幾十千赫量級；后者的鎖定參考信號則為CPT共振信號，同步調(diào)制與解調(diào)信號在幾十赫量級。產(chǎn)生相干囚禁的兩束激光一般采用對同一束激光進行深度調(diào)制而得到的兩個邊帶來實現(xiàn)。在CPT鐘的研究過程中需要重點關注的參數(shù)有CPT鐘輸出頻率穩(wěn)定度、CPT共振信號對比度（Contrast）、CPT共振信號線寬、頻移機制。其中，頻率穩(wěn)定度是CPT鐘最主要的指標，其表達式為［4］

式中，K是調(diào)制類型有關的常數(shù)，νhf是超精細結(jié)構(gòu)中心頻率，C為對比度即信號強度與背景強度的比值，e為電子的電量，Ibg為背景電流強度。根據(jù)式（3）可知，要提高頻率的穩(wěn)定度，必須減小共振線的線寬Δν和背景電流，以及增大對比度C。CPT共振信號對比度是為CPT共振與背景電流比值，它對CPT共振的量子躍遷機制和原子密度有關。CPT共振信號線寬是表征這個共振展寬特性的物理量，可表示為［4］

式中，γ2為原子基態(tài)相干馳豫率，ωR為表征熒光輻射強度的Rabi頻率。因此，采用在吸收泡中充入緩沖氣體來減小原子馳豫率，從而減小原子線寬。但是，緩沖氣體的加入會使原子頻率偏離中心頻率，原因是，緩沖氣體分子與原子發(fā)生頻繁的碰撞，對原子的電子運動狀態(tài)的波函數(shù)產(chǎn)生一些擾動，從而使得能級產(chǎn)生微小的移動。同時，CPT鐘工作時需要將原子加熱到氣化狀態(tài)，也會產(chǎn)生碰撞頻移，這兩個頻移可以用公式表示［5］

式中，β為充入氮氣等緩沖氣體氣壓系數(shù)，δ為與溫度相關的線性比例系數(shù)，γ為與溫度二次關系的系數(shù)。由式（5）可知，要減小碰撞頻移，必須對吸收泡采取恒溫措施，同時要選擇合適的緩沖氣體的壓強。

另外，使原子偶極矩發(fā)生空間取向變化而為鐘躍遷提供量子化軸的C場及其它環(huán)境靜磁場會導致原子參考頻率產(chǎn)生一個較小的頻率移動，這個頻移量（Hz）為［4］

根據(jù)式（6）可知，1μT磁場就會引起原子參考頻率1 Hz的頻移量，因此需要對吸收泡進行嚴格的磁屏蔽。

CPT原子鐘產(chǎn)生光頻移的主要因素是激光的特性以及調(diào)制過程中多邊帶的影響。激光的特性包括激光的中心波長、總光強等，而影響激光特性的因素主要是激光中心波長隨溫度與電流變化的不穩(wěn)定性的溫度敏感性，以及激光的老化。調(diào)制過程中多邊帶的影響主要是多邊帶的強度變化以及微波的功率變化。光頻移量為［4］

其中：

根據(jù)式（7）可知，要減小光頻移的影響，必須選擇合適的調(diào)制指數(shù)m，盡量減小其余邊帶的強度；保證激光電流、溫度以及光強的穩(wěn)定性；保證微波的功率穩(wěn)定性。

3 新技術(shù)與新工藝應用

近年來，快速進步的激光器制造技術(shù)和穩(wěn)頻技術(shù)促進了CPT鐘的研制進展。在CPT鐘的設計制作過程中，基于經(jīng)典的CPT鐘量子物理機制引入了較先進的設計技術(shù)與新工藝，使CPT鐘整機的體積、功耗進一步降低。

3.1 光路設計技術(shù)

CPT鐘傳統(tǒng)的光路設計方案如圖4所示，其量子物理部分的VCSEL激光管、四分之一玻片、吸收泡和光電池呈順序排列設計。

圖4 所示的這種設計不利于體積功耗的減小，一般只應用于傳統(tǒng)體積的CPT鐘。近年來提出的一種新量子物理部分的光路設計技術(shù)，可以應用芯片CPT鐘方案設計［6］，這種CPT鐘新量子物理部分的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

相對于經(jīng)典結(jié)構(gòu)其新穎之處在于，將VCSEL激光管管芯設計在光電池中心開孔內(nèi)，傳統(tǒng)放置光電池的位置設計一個反光鏡。CPT鐘工作時，VCSEL發(fā)出的光線經(jīng)吸收泡到反光鏡而反射回來再次經(jīng)過吸收泡，最后投射到光電池上。由于VCSEL激光出射傾角約18°，經(jīng)反射到光電池上形成直徑1 mm的光斑時吸收泡泡長度大約為0.75 mm。這種設計的優(yōu)勢一是可以減少量子物理部分的長度，二是增加激光與原子作用的幾率，從而提高CPT共振信號強度。

3.2 吸收泡MEMS工藝

芯片CPT鐘的吸收泡體積一般在毫米量級，需要采用微加工工藝制作這種吸收泡。美國國家標準局（NIST）率先采用MEMS工藝并結(jié)合陽極鍵合方法制作出了體積僅1 mm3的吸收泡，其制作工藝流程為［7］：

（1）用KOH或深反應離子刻蝕法在硅片上刻蝕1mm大小的方形孔，用于容納銣或銫樣品原子；

（2）制作大小尺寸與硅片一樣的Pyrex波片，用陽極鍵合方法把玻片與硅片緊貼在一起形成半封閉的吸收泡；

（3）在真空環(huán)境釋放緩沖氣體氛圍，同時往吸收泡內(nèi)直接注入樣品原子或者采用BaN6與CsCl在吸收泡內(nèi)發(fā)生化學反應的方法產(chǎn)生樣品原子，實現(xiàn)吸收泡充制；

（4）把大小相同的Pyrex玻片蓋緊吸收泡開口面，再利用陽極鍵合方法將兩者緊貼，從而完成吸收泡制作。

NIST還提出了采用激光燒融空心光纖方法制作毫米級的吸收泡［8］，但這種在吸收泡后封割會留下一個較長的尾巴，使其工程應用價值大打折扣。

利用蠟包裹堿金屬，并結(jié)合激光燒融空心光纖方法，則可消除上述的“尾巴”而制作出芯片CPT鐘的吸收泡［9］。這種吸收泡MEMS工藝包括兩個過程：制作原子蠟包和吸收泡充制。首先在生長有SiO2層的硅片上刻蝕小孔，留下的硅堆作為操作手柄，并利用這種方法制作兩套這種模具；將蠟均勻涂布在在SiO2層上，并用燒針加熱硅片使一個模具上的蠟層形成凹陷；采用注射器把液態(tài)銣或銫注入到每個凹陷中，然后另外一個模具蓋緊，隨后加熱硅片使蠟融化將原子包??；將模具整體浸泡HF中使蠟層與硅片剝離，然后將包有原子的蠟層切成小塊而得到原子蠟包。

吸收泡充制工藝是首先將原子蠟包塞入細長光纖內(nèi)，然后在真空環(huán)境充制所需的緩沖氣體，最后用激光燒融光纖端面而形成封閉的吸收泡，同時原子蠟包融化而附著在吸收泡表面而形成蠟涂層，從而得到表面光滑的吸收泡。

制作這種MEMS吸收泡需要設計較多的專用夾具，工藝過程也比較復雜，但采用這種工藝方法可以實現(xiàn)體積非常小的吸收泡，也便于批量生產(chǎn)，工程價值突出。

3.3 保溫技術(shù)

在研制芯片CPT鐘時必須采取有效措施降低整機功耗，在這方面除了常用的低功耗電子線路的方法，還有近年來提出的采用量子物理部分保溫新技術(shù)降低熱功耗。美國Symmetricom公司研制芯片CPT鐘時，將量子物理部分封裝在真空骨架內(nèi)，此時CPT鐘整機功耗108 mW，首次將CPT鐘功耗降低到了一般半導體芯片水平［6］。

美國Honeywell公司采用一種如圖6所示的新熱結(jié)構(gòu)應用于CPT鐘量子物理部分，使整機的功耗降低到57 mW［10］。

這種量子物理部分采用了3層圓片設計，其中間層為硅片，兩個表面層為Pyrex玻片。制作工藝與NIST類似，不同的是在吸收泡周圍設計了一個真空室，并一個吸附鈦泵維持小于1 mTorr的真空。另外，為減小體積，還在吸收泡頂部設計了一個鍍金的反光鏡，使VCSEL發(fā)出的激光多次反射到光電池。目前，Honeywell公司已經(jīng)委托日本Kyocera公司采用MEMS實現(xiàn)了20引腳LCC封裝的量子物理部分。

3.4 專用芯片設計技術(shù)

要實現(xiàn)芯片原子鐘，為了量子物理系統(tǒng)采用相關新設計技術(shù)以及MEMS微加工工藝外，還需要對電子線路系統(tǒng)專用芯片設計。CPT原子鐘的電子線路包括基于微控制器為核心伺服環(huán)路和基于鎖相環(huán)的倍頻，前者本身集成度較高，功耗和體積也容易得到較好的控制，但后者集成的難度相對較大而成為芯片原子鐘電子線路研究的重點。美國康奈爾大學的研究人員采用半導體工藝，研制出了用于芯片原子鐘的專用倍頻器芯片［11］。他們采用0.25SOI流片工藝，制作的6.8 GHz頻率合成器，面積只有0.9 mm×2.6 mm，在100 kHz頻偏處相位噪聲達到－108 dBc，功耗僅為32.75 mW。目前，國內(nèi)的中科院半導體所等單位也在開展類似的專用芯片技術(shù)研究。

4 新物理機制探索

為了提供芯片的頻穩(wěn)特性，除了采用新技術(shù)和新工藝進行CPT原子鐘研制外，對CPT原子鐘物理機制研究也是近年來的熱點，并取得了一些進展。

4.1 三光子吸收共振

經(jīng)典的CPT鐘為兩束激光同時泵浦兩個能級的雙光子共振，近年來提出了基于三光子吸收共振的“N－resonance”用于CPT鐘［12］。這樣，三光子共振使探尋激光的透射光出現(xiàn)一個線寬很窄的吸收線，這個吸收線則可用作CPT鐘的鑒頻參考譜線，其線寬僅決定于原子基態(tài)相干馳豫。與傳統(tǒng)CPT

鐘相比較，三光子吸收共振的CPT鐘具有共振信號對比度高，能夠消除一階光頻移，對高緩沖氣體壓力敏感吸收低的優(yōu)點。

4.2 極化選擇方法

在經(jīng)典CPT鐘的激光與樣品原子的作用機制中為了使LS耦合具有對稱性，常采用σ＋或σ－的圓極化光去泵浦原子。通過在光路中設計合適的偏振片則可同時得到σ＋或σ－光譜成分。采用這兩種成分的激光通過吸收泡時，前者激發(fā)CPT共振，后者則產(chǎn)生一定相位移動并反饋控制激光產(chǎn)生的“AC－Stark”效應。基于該機制，美國Agilent公司的朱淼提出了激光偏振狀態(tài)極化選擇方法［13］。采用對激光偏振態(tài)進行選擇的方法，實際得到的CPT共振信號對比度可從經(jīng)典方法的4%提高到22%，頻率短期穩(wěn)定度可達，對頻穩(wěn)特性改善程度非常明顯。

4.3 單泡消光噪聲

CPT鐘的光源噪聲調(diào)頻（FM）噪聲對頻率穩(wěn)定度影響最大，需要研制過程中采取有效方法抑制這個噪聲幅度。Vladislav Gerginov等人提出了一種單吸收泡結(jié)構(gòu)［14］，可在FM噪聲轉(zhuǎn)換為AM調(diào)幅噪聲，同時消除光頻移。

該方法新穎之處在于采用一個光源通過單吸收泡在空間上分別進行圓極化和線性極化，這樣，圓極化光激發(fā)一個“Λ”型CPT共振，而線極化光相當于由兩個圓極化光譜構(gòu)成而分別激發(fā)磁量子數(shù)為±1的“Λ”型CPT共振結(jié)構(gòu)。但由于兩個疊加的“Λ”型CPT共振躍遷的“C－G”系數(shù)相反，其整體相消而觀察不到CPT共振信號。

這兩個相消共振則有利于將光電池接收到激光的調(diào)頻噪聲轉(zhuǎn)換為調(diào)幅（AM），同時將頻偏為10 Hz處的噪聲抑制10倍，最終改善了頻率穩(wěn)定度。根據(jù)相關理論可知，取樣時間小于100 s的頻率穩(wěn)定度主要受激光光源等部件噪聲影響。通過采用單泡消激光調(diào)頻噪聲影響，頻率穩(wěn)定度明顯改善。同時，這種方法僅需要定制一種組合偏振片和兩塊并列的光電池，不增加其它電路和部件，在芯片CPT鐘設計中具有較高的工程價值。

4.4 End-state芯片原子鐘

熱原子制作原子鐘時，為減小線寬會在容納樣品原子的吸收泡中沖入緩沖氣體。隨著吸收泡溫度升高，處于量子數(shù)為0的原子自旋交換會使線寬增大以及鐘躍遷變小，但反過來會使角動量數(shù)大的“end-state”自旋交換小，高能級end-state共振躍遷信號變大［15］。

采用end-state共振躍遷作為原子參考頻率，可提高躍遷信號信噪比，從而得到大幅度改善的芯片原子鐘。但這個參考頻率與外磁場的關系幾乎成線性關系，需要采用Zeeman end共振頻率來對C場進行主動控制。

目前，國外已經(jīng)研制出基于end-state共振躍遷作為原子參考頻率的芯片原子鐘［16］，這種芯片原子鐘的量子物理部分和鎖定后頻率短穩(wěn)如圖7所示。

這種芯片原子鐘的吸收泡采用MEMS工藝制作，并用真空密封整個量子物理部分，最后實現(xiàn)的量子物理部分直徑僅8 mm，整機的體積、功耗都得到了較好控制。對芯片原子鐘進行測試，頻率短期穩(wěn)定度實測值為6×10－11，約優(yōu)于傳統(tǒng)方案芯片原子鐘一個量級，在技術(shù)指標方面具有很大優(yōu)勢。

5 整機研制

開展CPT鐘關鍵技術(shù)與制作工藝研究，最終目的實現(xiàn)芯片CPT鐘整機，為芯片原子鐘產(chǎn)品的批量生產(chǎn)做準備。盡管到目前為止都還沒有真正的芯片CPT鐘產(chǎn)品，但近年來在CPT鐘整機研制方面還是取得了較大進展，圖8所示為近期具有代表意義的芯片CPT鐘整機樣機［10］。為展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些CPT鐘均暫時去掉外磁屏盒。這些芯片CPT鐘的頻率秒級穩(wěn)定度都在小系數(shù)（10－10），功耗在100 mW

左右，其頻穩(wěn)特性、功耗、體積等指標已能基本滿足芯片原子鐘用戶需求。

國內(nèi)的中科院武漢物理與數(shù)學研究所、北京大學、成都天奧電子股份有限公司也都陸續(xù)實現(xiàn)了CPT鐘整機，但其功耗、體積距離芯片量級還有相當大的差距。目前這些單位也正在開展芯片CPT鐘的關鍵技術(shù)和制作工藝研究，預計在3～5年內(nèi)實現(xiàn)芯片CPT鐘。

6 結(jié)束語

對CPT鐘的關鍵技術(shù)、MEMS制作工藝的研究推動了芯片原子鐘的發(fā)展，陸續(xù)實現(xiàn)了芯片原子鐘原理樣機，使芯片原子鐘進入了產(chǎn)業(yè)化的前夜，預計未來3～5年將有芯片原子鐘產(chǎn)品批量面世。芯片原子鐘的批量投產(chǎn)和推廣應用，將會在數(shù)字通信、衛(wèi)星導航定位等領域發(fā)揮重要作用，還可能催生出原子手表、原子鐘表等新興衍生產(chǎn)品而逐步向大眾產(chǎn)品領域滲透，最終將推動精密時頻技術(shù)產(chǎn)生革命性的進步。

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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

何慶（1976－），男，四川人，工程師，主要研究方向為射頻微波技術(shù)；

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.

楊林（1966－），男，四川人，高級工程師，主要研究方向為銣原子鐘。

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

曹遠洪（1974－），男，四川宜賓人，博士，高級工程師，主要研究方向為小型化銣原子鐘、CPT原子鐘和原子磁強計；

1001－893X（2010）06－0125－07

2010－03－20；

2010－05－25