芯片級(jí)原子鐘的研究進(jìn)展

劉雅麗,李維,武騰飛,李新良

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100095)

0 引言

微型定位導(dǎo)航授時(shí)(Micro positioning,navigation and timing,Micro-PNT)系統(tǒng)是確定時(shí)間和空間的關(guān)鍵技術(shù),以其體積小、功耗低、精度高的優(yōu)點(diǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域和國(guó)家安全等方面具有廣泛的應(yīng)用潛力[1]。傳統(tǒng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)存在易受干擾和遮擋的問(wèn)題,而Micro-PNT系統(tǒng)可以很好地解決上述問(wèn)題,可應(yīng)用于GNSS信號(hào)不佳的山洞、深淵、森林等極端環(huán)境。另外,Micro-PNT系統(tǒng)可以極大地降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,延長(zhǎng)其單獨(dú)工作時(shí)長(zhǎng)。Micro-PNT系統(tǒng)結(jié)合了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng),以低功耗、微體積、高精度的芯片級(jí)原子鐘(chip scale atomic clock,CSAC)為時(shí)鐘基礎(chǔ),發(fā)播定位導(dǎo)航授時(shí)信號(hào)[2-3]。同時(shí),芯片級(jí)原子鐘向接收機(jī)、加速度計(jì)和陀螺儀等發(fā)送高精度的時(shí)鐘信號(hào),也將大大提升Micro-PNT系統(tǒng)的性能[1]。

芯片級(jí)原子鐘包括芯片級(jí)微波原子鐘和芯片級(jí)光學(xué)原子鐘。芯片級(jí)微波原子鐘是傳統(tǒng)相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子鐘,它基于相干布居囚禁原理,通過(guò)微波頻率信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)兩相干光場(chǎng),使其與原子基態(tài)的兩超精細(xì)能級(jí)躍遷至同一激發(fā)態(tài)能級(jí)的頻率發(fā)生共振,從而獲得精度高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的輸出[4]。與小型恒溫晶振相比,芯片級(jí)微波原子鐘在體積和功耗上與之相當(dāng),但是長(zhǎng)期穩(wěn)定度要比其高3個(gè)量級(jí)以上。另外,其體積和功耗要比銣原子鐘小近2個(gè)量級(jí)[5-6]。芯片級(jí)光學(xué)原子鐘是一種作為參考標(biāo)準(zhǔn)的原子能級(jí)躍遷頻率處于光頻波段的原子鐘,其工作原理與微波原子鐘相似,除了躍遷頻段不同之外,其頻率發(fā)生器是穩(wěn)頻激光器而不是微波原子鐘的晶體振蕩器。因?yàn)楣鈱W(xué)頻率比微波頻率要高5個(gè)量級(jí),故芯片級(jí)光學(xué)原子鐘比芯片級(jí)微波原子鐘具有更高的理論精度。本文對(duì)比了國(guó)內(nèi)外芯片級(jí)原子鐘的研究現(xiàn)狀,闡述了研制的難點(diǎn)及需要突破的關(guān)鍵技術(shù),最后對(duì)芯片級(jí)原子鐘的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 芯片級(jí)原子鐘研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1976年,Alzetta等人[7]通過(guò)激光與鈉原子的作用研究了氣室中鈉原子的三能級(jí)結(jié)構(gòu),并且首次觀察到了CPT現(xiàn)象。

1993年,加拿大科學(xué)家Cyr等人[8]提出了利用CPT原理來(lái)研制堿金屬原子鐘的建議,從此人們展開(kāi)了對(duì)CPT原子鐘的廣泛研究。

1995年,Westinghouse公司(現(xiàn)在的Northrup-Grumman公司)的一個(gè)小組[9-10]率先在CPT原子鐘中使用垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSEL)來(lái)代替放電燈,減少原子鐘的功耗和尺寸。他們使用微型玻璃氣室制備微波腔,得到的物理裝置體積為16 cm3,功耗為幾百毫瓦,時(shí)鐘的短期穩(wěn)定性為2×10-11τ-1/2,104s內(nèi)的長(zhǎng)期漂移為3×10-12。

2000年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的Kitching等人[11]提出了芯片級(jí)原子鐘的構(gòu)想。他們研究了Cs原子蒸氣中的暗線共振,利用VCSEL發(fā)出的光激發(fā)共振,并且通過(guò)直流吸收的變化來(lái)檢測(cè)共振,從而形成了非常簡(jiǎn)單的物理封裝,如圖1所示。其體積小于1 cm×1 cm×2 cm,功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100 mW,在1 s到10 s的積分時(shí)間內(nèi)顯示出3×10-11的頻率不穩(wěn)定度。2001年[12],他們?cè)O(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)單、緊湊、低功耗的CPT原子鐘,物理封裝如圖2所示。裝置體積為6.6 cm×1.6 cm×1.3 cm,在沒(méi)有熱控制的情況下功耗小于30 mW,100 s內(nèi)的不穩(wěn)定度為1.3×10-10。

圖1 NIST的芯片級(jí)原子鐘物理封裝示意圖

圖2 NIST的CPT原子鐘微型系統(tǒng)

2002年,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了芯片級(jí)原子鐘的研制計(jì)劃,包括NIST在內(nèi)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)參與了該計(jì)劃[5]。

2004年,NIST的Knappe等人[13]研制出了首個(gè)芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī),結(jié)構(gòu)如圖3所示。從下到上依次由激光組件、光學(xué)組件、原子氣室、光電探測(cè)組件垂直堆疊而成,整個(gè)物理系統(tǒng)體積為9.5 mm3,系統(tǒng)功耗75 mW,短期穩(wěn)定度達(dá)到了2.4×10-10τ-1/2,長(zhǎng)期不穩(wěn)定性頻率漂移約為-2×10-8/天。

圖3 首個(gè)芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2008年,Teledyne Scientific公司[14]成功研制出芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī),如圖4所示。其體積小于1 cm3,功耗小于30 mW,積分時(shí)間為1 h的Allan偏差小于1×10-11,滿足了DARPA目標(biāo),但是該原理樣機(jī)輸出的時(shí)鐘頻率并不是標(biāo)準(zhǔn)的10 MHz,不適合量產(chǎn)。

圖4 Teledyne Scientific公司研制的芯片級(jí)原子鐘

芯片級(jí)原子鐘成為各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的、具有戰(zhàn)略意義的裝置,其中,美國(guó)的技術(shù)水平處于全球領(lǐng)先地位。此外,據(jù)國(guó)外公開(kāi)報(bào)道,歐盟、日本也實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī)的研制。2010年,歐盟的Schori等人[17]研制出了芯片級(jí)原子鐘樣機(jī),如圖5所示。其短期頻率穩(wěn)定度為7×10-11τ-1/2(τ<100 s)。2018年,日本Hara等人[18]將3.5 GHz的薄膜體聲諧振器應(yīng)用到一個(gè)壓控振蕩器上,作為小型化原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的本端振蕩器,研制出了芯片級(jí)原子鐘樣機(jī),1 s內(nèi)頻率穩(wěn)定度為2.1×10-11。

圖5 歐盟研制的移除磁罩的芯片級(jí)原子鐘樣機(jī)

2011年1月18日,Symetricom技術(shù)研究中心[15]宣布SA.45 s芯片級(jí)原子鐘(CSAC)全面上市。SA.45s是第一種商用的CSAC,功耗小于125 mW,短期穩(wěn)定度小于3×10-10τ-1/2,其實(shí)物圖和物理封裝圖如圖6所示。

圖6 Symmetricom的SA.45s芯片級(jí)原子鐘

過(guò)去幾十年,美國(guó)的DARPA在原子鐘技術(shù)的進(jìn)步和微型化方面投入了大量資金,研制出芯片級(jí)原子鐘并且已上市,具有體積小、重量輕、低功耗等特點(diǎn),并提供前所未有的授時(shí)穩(wěn)定性。然而,由于物理特性與設(shè)計(jì)相關(guān),第一代芯片級(jí)原子鐘的性能從根本上受到了限制,由于它存在上電頻差,使得上電后需要6～12 h校準(zhǔn),同時(shí)由于存在溫漂和頻漂,其有效工作時(shí)間只能持續(xù)3～6 h。校準(zhǔn)要求和頻率漂移會(huì)產(chǎn)生授時(shí)誤差,因此難以在便攜式封裝中達(dá)到最高程度的準(zhǔn)確性和可靠性。DARPA認(rèn)為穩(wěn)定性更高的芯片化原子鐘將具有更廣闊的的應(yīng)用前景,在此背景下,DARPA在2015年年底啟動(dòng)了“高穩(wěn)原子鐘”(ACES)項(xiàng)目,探索下一代電池供電型芯片級(jí)原子鐘的開(kāi)發(fā)。ACES項(xiàng)目分為三個(gè)階段:在第一階段,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制出性能優(yōu)越的關(guān)鍵部件;在第二階段,將原子鐘組件集成并將其封裝在一個(gè)不超過(guò)30 cm3的包中;在第三階段,將相關(guān)電子設(shè)備整合到一個(gè)體積不超過(guò)50 cm3的包中。ACES項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注原子鐘頻率溫度系數(shù)、頻率漂移、頻率復(fù)現(xiàn)性,與現(xiàn)有原型相比,關(guān)鍵性能參數(shù)提高了1000倍。

2019年8月,DARPA宣布ACES項(xiàng)目取得突破性進(jìn)展,美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的芯片級(jí)原子鐘受溫度和環(huán)境因素干擾小,定位精度是之前原子鐘的100倍;霍尼韋爾公司成功開(kāi)發(fā)了能夠使原子鐘小型化的精密原子傳感器;NIST開(kāi)發(fā)的芯片級(jí)原子鐘也比先前的原子鐘性能優(yōu)越。NIST團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的光學(xué)原子鐘[16],如圖7所示,它只由三個(gè)小芯片構(gòu)成,可支持電子器件和光學(xué)器件。不同于工作在微波頻率下跟蹤C(jī)s原子振蕩的標(biāo)準(zhǔn)原子鐘,光學(xué)原子鐘可運(yùn)行在更高的頻率下并提供更高的精度,因?yàn)樗鼈兛蓪r(shí)間分成更小的單位。該光鐘使用激光跟蹤Rb原子振蕩,這些Rb原子被限制在一個(gè)由微型玻璃容器構(gòu)成的蒸汽室中,玻璃容器直徑3 mm,位于硅片頂部。在時(shí)鐘芯片的“心臟”內(nèi),兩個(gè)頻率梳就像齒輪一樣將Rb原子的高頻光學(xué)“滴答”轉(zhuǎn)換成較低的微波頻率。該時(shí)鐘除了提供更高的準(zhǔn)確度(大約比當(dāng)前基于銫的CSAC高50倍),功耗更低,僅275 mW。

圖7 芯片級(jí)光學(xué)原子鐘結(jié)構(gòu)圖

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研究芯片級(jí)原子鐘起步較晚,主要研究機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、成都天奧電子股份有限公司、航天科工203所、北京大學(xué)等單位[19-23]。

2006年,中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的顧思洪小組[19]成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)CPT原子鐘原理樣機(jī)。之后,他們一直致力于研制具有重要應(yīng)用背景的芯片級(jí)原子鐘樣機(jī),并且于2013年,成功研制出芯片級(jí)原子鐘樣機(jī)。2017年,該組研制的CPT原子鐘[20]整機(jī)體積約為19 cm3,功耗約為210 mW,穩(wěn)定度約為1.04×10-10τ-1/2,如圖8所示。

圖8 武漢物數(shù)所芯片級(jí)原子鐘樣機(jī)

成都天奧電子股份有限公司于2006年開(kāi)始展開(kāi)對(duì)芯片級(jí)原子鐘的研究,2014年實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī)研制,其外形尺寸45 mm×36 mm×14.5 mm,功耗小于0.6 W,百秒輸出頻率穩(wěn)定度為5×10-10[21]。

2015年,航天科工203所研制出第一代芯片級(jí)原子鐘樣機(jī),其功耗為3 W,短期頻率穩(wěn)定度為8×10-11τ-1/2。經(jīng)優(yōu)化后,原子鐘體積小于20 cm3,功耗小于1 W,短期頻率穩(wěn)定度為3×10-11τ-1/2～5×10-11τ-1/2[22],實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。

此外,北京大學(xué)、蘇州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所[24-26]等研究團(tuán)隊(duì)都已研制出芯片級(jí)原子鐘原理樣機(jī)。

上述國(guó)內(nèi)的研究,主要還是集中在芯片級(jí)微波原子鐘領(lǐng)域,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有芯片級(jí)光學(xué)原子鐘的報(bào)道。

2 芯片級(jí)原子鐘關(guān)鍵技術(shù)

芯片級(jí)微波原子鐘與傳統(tǒng)的小型原子鐘相比,將銣(或銫)光源換成了微小的VCSEL激光器,將體積較大的微波諧振腔換成了通過(guò)穩(wěn)定的微波信號(hào)源來(lái)調(diào)制的VCSEL激光器,將銣(或銫)的玻璃泡換成了便于集成的微型的MEMS銣(或銫)原子氣室。芯片級(jí)微波原子鐘在保證頻率精度和穩(wěn)定度的情況下,功耗由小型原子鐘的大于10 W減小到100 mW以下,體積也由小型原子鐘的大于230 cm3縮減到10 cm3以下,應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛,但也面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)[27]。芯片級(jí)原子鐘的研制需要突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),主要包括微型原子氣室制備技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)等。此外,芯片級(jí)光學(xué)原子鐘中,激光鎖定在原子的光學(xué)躍遷作為參考,得到光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。光鐘以光學(xué)頻段作為參考,但是目前只有對(duì)微波直接計(jì)數(shù)的電子元件,還沒(méi)有對(duì)光學(xué)頻段激光計(jì)數(shù)的元件。因此,光學(xué)原子鐘的實(shí)現(xiàn),需要考慮將光學(xué)頻段的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到能夠直接計(jì)數(shù)的微波頻段。而光學(xué)頻率梳可以將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換到微波頻率。因此,要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)光鐘,還需要芯片級(jí)光學(xué)頻率梳。

2.1 微型原子氣室制備技術(shù)

芯片級(jí)原子鐘的核心物理部件是原子氣室,原子氣室的性能和物理尺寸對(duì)于芯片級(jí)原子鐘的原子物理系統(tǒng)的微型化、低功耗和系統(tǒng)集成化有直接的影響[28]。利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)超精細(xì)加工技術(shù)來(lái)制備原子氣室,使原子氣室的物理尺寸越來(lái)越小,便于微型化和集成化。目前芯片級(jí)原子氣室的制備技術(shù)還存在諸多問(wèn)題,主要包括定量填充高純度堿金屬、精確控制氣體組分、多層結(jié)構(gòu)的鍵合技術(shù)等技術(shù)難點(diǎn)。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,原子氣室的尺寸越來(lái)越小,可以增多單批次加工數(shù)量,但是由此帶來(lái)了新的問(wèn)題,即堿金屬原子分裝不均勻、填充氣體的壓強(qiáng)及配比偏離增大。緩沖氣體壓強(qiáng)及配比對(duì)微型原子氣室的性能有很大影響,但是在封裝過(guò)程中,原子氣室內(nèi)的緩沖氣體壓強(qiáng)很難進(jìn)行監(jiān)控。針對(duì)原子氣室批量加工需求,一方面需要改進(jìn)堿金屬填充方法,解決定量填充高純度堿金屬的問(wèn)題;另一方面,需要深入研究原子氣室內(nèi)多種氣體混合充制的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,并且通過(guò)在線定量分析手段對(duì)原子氣室封裝過(guò)程中的氣體充制進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)氣體組分的精確控制[29]。

研制微型原子氣室的另一個(gè)難點(diǎn)是在實(shí)施堿金屬和緩沖氣體的充制過(guò)程中保證原子氣室的氣密性。為解決此問(wèn)題,需要結(jié)合堿金屬填充技術(shù),通過(guò)優(yōu)化原子氣室的結(jié)構(gòu)和工藝,來(lái)提高原子氣室的氣密性。

2.2 微機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)

芯片級(jí)原子鐘系統(tǒng)主要由物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩大部分組成。物理系統(tǒng)是芯片級(jí)原子鐘的核心,主要包括VCSEL激光器、光學(xué)元件、堿金屬原子氣室、磁場(chǎng)和磁屏蔽系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及光電檢測(cè)器等。采用傳統(tǒng)的工藝很難將物理系統(tǒng)的各元件依次疊放成堆疊式結(jié)構(gòu),因此很難實(shí)現(xiàn)微型的物理系統(tǒng)。而MEMS技術(shù)的發(fā)展,使原子物理系統(tǒng)的各元件可以更好地集成封裝,從而實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)原子鐘的微型化。物理系統(tǒng)在集成封裝過(guò)程中,存在的難點(diǎn)是既要實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)原子鐘的微型化,又要保證芯片級(jí)原子鐘的頻率穩(wěn)定度和功耗。因此,在封裝過(guò)程中,要充分考慮系統(tǒng)的體積、功耗以及頻率穩(wěn)定度。

芯片級(jí)原子鐘的電路系統(tǒng)集成需要保證對(duì)VCSEL激光器輸出的激光頻率實(shí)施穩(wěn)頻,對(duì)物理系統(tǒng)實(shí)施穩(wěn)定的溫度控制,對(duì)微波鏈前端的晶振輸出頻率使用微波和CPT信號(hào)進(jìn)行反饋[5],因此,電路系統(tǒng)對(duì)芯片級(jí)原子鐘的穩(wěn)定工作非常重要。電路系統(tǒng)集成存在的一個(gè)難點(diǎn)是微型原子氣室和激光器及其各自的溫度傳感器之間存在溫度梯度,通常激光溫度是通過(guò)附近的溫度傳感器測(cè)量的,原子氣室溫度由溫度傳感器(熱敏電阻或Pt膜)監(jiān)控,盡管溫度傳感器盡可能地靠近要控制的元件,但是不可避免地存在一些空間上的間隔,這導(dǎo)致了它們之間存在有限的熱阻。即使傳感器溫度完全穩(wěn)定,原子氣室和激光器的溫度波動(dòng)仍可能存在,影響芯片級(jí)原子鐘輸出頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[30]。另外一個(gè)難點(diǎn):電路系統(tǒng)集成過(guò)程中,在保證芯片級(jí)原子鐘信號(hào)質(zhì)量的前提下,減小電路的體積和功耗。

2.3 芯片級(jí)光學(xué)頻率梳技術(shù)

光學(xué)頻率梳在光學(xué)原子鐘中具有重要作用。光學(xué)頻率梳在時(shí)域上是飛秒量級(jí)的脈沖,在頻率上是一系列等間隔的頻率梳尺。因?yàn)樘綔y(cè)器響應(yīng)速度的限制,光學(xué)頻率無(wú)法直接被探測(cè),所以即使有精準(zhǔn)的光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn),如果無(wú)法將光學(xué)頻率傳遞出去,也就不能形成實(shí)用化的光學(xué)原子鐘。光學(xué)頻率梳鏈接了微波頻率和光學(xué)頻率,通過(guò)光學(xué)頻率梳可以將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)化成微波頻率,實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的光學(xué)原子鐘。同樣的,芯片級(jí)光學(xué)頻率梳可以在芯片尺度上實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率和微波頻率的鏈接,是芯片級(jí)光學(xué)原子鐘的核心組件。

芯片級(jí)光學(xué)頻率梳近幾年發(fā)展很快,特別是基于克爾效應(yīng)的微腔光學(xué)頻率梳發(fā)展迅速。2018年,康奈爾大學(xué)Lipson課題組報(bào)道了在混合III-V/氮化硅平臺(tái)上采用電池驅(qū)動(dòng)的集成克爾微腔光梳[31],光梳的集成性能大幅提高。2020年6月,在美國(guó)加州理工學(xué)院、加州大學(xué)圣芭芭拉分校以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院三方組成的研究團(tuán)隊(duì)的共同努力下,成功實(shí)現(xiàn)了芯片化微腔孤子光梳“啟鑰”運(yùn)行[32]。盡管近兩年芯片化光頻梳取了得較大進(jìn)展,但是整體上芯片級(jí)光學(xué)頻率梳技術(shù)還不是特別成熟,這在一定程度上阻礙了芯片級(jí)光學(xué)原子鐘的發(fā)展。

芯片級(jí)光學(xué)原子鐘受本身的尺寸、功耗等條件限制,迫切需要可在片上集成(通常是在硅片上集成)的芯片級(jí)光梳。當(dāng)前面向平面集成的高品質(zhì)因子氮化硅微腔制備技術(shù)。此外,國(guó)外“啟鑰”運(yùn)行的光頻梳,在自注入鎖定下,激光器的頻率可以牢牢鎖定在微腔的諧振頻率上,雖然打開(kāi)激光器的開(kāi)關(guān),就能自動(dòng)尋找鎖模狀態(tài)并保持穩(wěn)定運(yùn)行,但是這種裝置需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間安裝,且需要較長(zhǎng)時(shí)間手動(dòng)準(zhǔn)直激光器和諧振腔,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和包裝,以確保其參數(shù)保持穩(wěn)定。因此,進(jìn)一步研究性能穩(wěn)定、可批量生產(chǎn)的芯片級(jí)光學(xué)頻率梳是實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)光學(xué)原子鐘走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。

3 總結(jié)與展望

芯片級(jí)原子鐘作為一種小型、低功耗、高精度的時(shí)間頻率設(shè)備,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了芯片級(jí)原子鐘國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展及研究現(xiàn)狀,國(guó)外已規(guī)?；a(chǎn)芯片級(jí)原子鐘,國(guó)內(nèi)目前多家單位也都已研制出了芯片級(jí)原子鐘的原理樣機(jī),但是與國(guó)外還存在一定的差距(主要在性能上,國(guó)外已實(shí)現(xiàn)商品化)。雖然近年來(lái)芯片級(jí)原子鐘技術(shù)取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展,但是還有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要突破,包括微型原子氣室制備技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)和芯片級(jí)光學(xué)頻率梳技術(shù)等,芯片級(jí)原子鐘的穩(wěn)定性和可靠性尚有提高的空間。

NIST提出了下一代芯片級(jí)原子鐘——芯片級(jí)光學(xué)原子鐘。芯片級(jí)光學(xué)原子鐘的頻率更高、準(zhǔn)確度更高,它們把時(shí)間分割成更小的單位,并且有一個(gè)高“品質(zhì)因子”,有望成為未來(lái)重新定義秒的基礎(chǔ)。NIST的銣原子氣室和兩個(gè)頻率梳是用與計(jì)算機(jī)芯片相同的方法微加工的,這意味著它們可以支持電子和光學(xué)的進(jìn)一步集成,并且可以大規(guī)模生產(chǎn),這是一條通向商業(yè)上可行的緊湊光學(xué)原子鐘的道路。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,芯片級(jí)光學(xué)原子鐘有可能變得足夠小,便于手持使用,最終可能會(huì)在導(dǎo)航系統(tǒng)和電信網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的振蕩器,成為衛(wèi)星上的備用光學(xué)原子鐘。