芯片原子鐘的現(xiàn)狀與發(fā)展

杜潤(rùn)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(xiàn)狀與發(fā)展

杜潤(rùn)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(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、水下導(dǎo)航、武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈、時(shí)頻體系節(jié)點(diǎn)等，是最具有工程應(yīng)用前景的原子鐘?；仡櫫藝?guó)外芯片原子鐘的發(fā)展歷程，并給出了一種國(guó)產(chǎn)芯片原子鐘的主要技術(shù)指標(biāo)。討論了芯片原子鐘的常用技術(shù)方案，并分析了體積與功耗、頻率穩(wěn)定度、天老化率、秒馴服功能、溫度系數(shù)等指標(biāo)的影響因素和改進(jìn)措施，最后指出了芯片原子鐘的發(fā)展目標(biāo)。

武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈；時(shí)頻體系節(jié)點(diǎn)；老化率；頻率穩(wěn)定度

0 引言

相干布居囚禁[1]（Coherent Population Trapping，簡(jiǎn)稱(chēng)CPT）是相干雙色光與原子相互作用所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象，利用窄線寬CPT譜線作為鑒頻譜線實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)型CPT原子鐘（簡(jiǎn)稱(chēng)CPT鐘）具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，有著廣泛的用途。CPT鐘與MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）工藝相結(jié)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(guó)內(nèi)外芯片原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀如下：

1997 年，加拿大科學(xué)家J.Vanier等人用微波調(diào)制的激光器與銣原子相互作用，得到了CPT共振譜線[3]，開(kāi)啟了CPT原子頻標(biāo)的研制工作；

2000 年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的J.Kitching小組實(shí)現(xiàn)了CPT原子頻標(biāo)[4]，J.Kitching還提出了微型化CPT原子頻標(biāo)的設(shè)想；

在高職院校層面成立科研成果轉(zhuǎn)化服務(wù)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)科研成果的應(yīng)用推廣，統(tǒng)籌管理全校的科研成果。其主要職能是宣傳當(dāng)前成果，挖掘成果需求方，并與需求方就成果轉(zhuǎn)化事宜進(jìn)行溝通、談判，同時(shí)跟蹤當(dāng)前成果推廣狀況。

2001 年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）根據(jù)NIST科學(xué)家的建議，啟動(dòng)了CSAC計(jì)劃，開(kāi)始了芯片原子鐘的研制；

圖2中，TEC為VCSEL自帶的控溫系統(tǒng)，熱環(huán)為吸收泡控溫系統(tǒng)，虛線方框內(nèi)為物理系統(tǒng)，其它部分為電路系統(tǒng)。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(duì)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(jī)的參數(shù)優(yōu)化和狀態(tài)監(jiān)控，本方案采用了全數(shù)字化電路控制?？刂齐娐分械腗CU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(guò)RS232串口方便地與計(jì)算機(jī)通訊。計(jì)算機(jī)通過(guò)上位機(jī)軟件可以遠(yuǎn)程改變吸收泡溫度、VCSEL溫度、激光功率值、微波功率值、微波調(diào)制深度、微波調(diào)制速率等參數(shù)，便于物理系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化；同時(shí)，還可以監(jiān)控整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等。

2011 年，Symmetricom公司發(fā)布了第一款芯片原子鐘商業(yè)化產(chǎn)品SA.45s[6]。該產(chǎn)品體積17cm3，功耗110mW。

如圖6所示，20天的老化率測(cè)試結(jié)果是1.36× 10-11/day，優(yōu)于±5×10-11設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

成都天奧電子股份有限公司是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始芯片原子鐘研發(fā)的單位之一。自2006年起，經(jīng)過(guò)數(shù)年研究，于2014年實(shí)現(xiàn)芯片原子鐘原理樣機(jī)。該芯片原子鐘的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 芯片原子鐘主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The main technical indexes of CSAC

本文主要介紹該芯片原子鐘的整機(jī)方案和實(shí)測(cè)結(jié)果。

式（2）中T是總時(shí)差，T0是初同步誤差，是在t時(shí)間段內(nèi)平均頻率準(zhǔn)確度，D是頻率漂移率，σχ(t)是噪聲引入的時(shí)間偏差的均方根。從式（2）可知，時(shí)鐘的總時(shí)差與初始同步誤差、時(shí)鐘的頻率以及漂移率有關(guān)系。秒馴服功能可以?xún)?yōu)化頻率準(zhǔn)確度和漂移率，進(jìn)而提高芯片原子鐘的守時(shí)精度。圖7給出了芯片原子鐘的秒馴服功能實(shí)測(cè)曲線。

1 整機(jī)方案

用87Rb作為工作原子，其基態(tài)5S1/2的兩超精細(xì)能級(jí)的兩鐘態(tài)(|F=1,mF=0>和|F=2,mF=0>)與第一激發(fā)態(tài)5P1/2的|F=2,mF=1>態(tài)構(gòu)成制備CPT態(tài)的L型結(jié)構(gòu)，CPT共振發(fā)生在D1線，如圖1。圖2是整機(jī)原理框圖，光源由縱腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）提供。直流電流與頻率為ν的微波通過(guò)BiasT合成為供電電流輸入VCSEL，使VCSEL輸出受微波頻率調(diào)制的多色光，利用其正、負(fù)一級(jí)邊帶作為如圖1的制備CPT態(tài)的相干雙色光。因?yàn)槲⒉ê凸忸l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(cè)器探測(cè)與原子相互作用后的透射激光，獲得用于穩(wěn)定激光頻率的原子吸收譜線和穩(wěn)定原子鐘輸出頻率的CPT譜線。

“抓包”一方面是指本級(jí)政府抓上級(jí)政府或上級(jí)部門(mén)“發(fā)的包”(國(guó)家、省市或部門(mén)項(xiàng)目資助或財(cái)政轉(zhuǎn)移支付)，另一方面是指基層如村鎮(zhèn)抓縣級(jí)政府“打的包”(國(guó)家、省市、部門(mén)發(fā)包后通過(guò)縣級(jí)政府整合后到達(dá)村莊)。前者主要是地方政府通過(guò)營(yíng)造發(fā)展模式、打造地方特色，以及同上級(jí)政府部門(mén)甚至是私人搞好關(guān)系的方法來(lái)爭(zhēng)取上級(jí)“發(fā)的包”，使上級(jí)的專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)助資金能夠向本地傾斜。對(duì)于后者，即村鎮(zhèn)“抓包”問(wèn)題，其背后也有著相似的邏輯。X縣下面的GQ村村支書(shū)在回答“五水共治”過(guò)程中“為什么縣里和鎮(zhèn)里會(huì)把那么多錢(qián)投給你村而不是別的村？道理是什么？”的問(wèn)題時(shí)講道：

圖1 制備CPT態(tài)的Λ結(jié)構(gòu)Fig.1 TheΛstructure of CPT state preparation

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

2004 年，NIST率先實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘物理系統(tǒng)[5]；

2 整機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)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(guò)MEMS原子泡、3D微組裝以及電路部分的模塊化等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的。在本方案中，物理系統(tǒng)體積僅5mL，通過(guò)3D真空微組裝，降低了整機(jī)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(gè)單獨(dú)模塊，提高了整機(jī)的可靠性，降低了整機(jī)的體積。芯片原子鐘實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 芯片原子鐘實(shí)物圖Fig.3 The pictures of CSAC

本方案實(shí)現(xiàn)的芯片原子鐘，整機(jī)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(wěn)定度

2.4 秒馴服功能

式中，K是比例常數(shù)，Ibg為未被吸收的激光在光電探測(cè)器上引起的光電流，e是單位電子電荷，q=C/Δν1/2，對(duì)比度C等于CPT峰的幅度與背景光強(qiáng)度的比值，Δν1/2是CPT譜線線寬。改變微波對(duì)激光的調(diào)制指數(shù)，會(huì)改變±1級(jí)邊帶光幅度?！?級(jí)邊帶光幅度越小，則CPT峰的幅度越小，對(duì)比度就越小，整機(jī)的短穩(wěn)越差。當(dāng)調(diào)制指數(shù)為1.8時(shí)，±1級(jí)邊帶幅度最大，此時(shí)短穩(wěn)最好。另外，激光光強(qiáng)、FM調(diào)制深度、吸收泡溫度等參數(shù)也對(duì)對(duì)比度、線寬等有較大影響，需要逐個(gè)進(jìn)行優(yōu)化[10-11]。完成所有參數(shù)優(yōu)化后，將這套芯片原子鐘與氫鐘做頻率比對(duì)。結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 芯片原子鐘頻率準(zhǔn)確度實(shí)測(cè)曲線Fig.4 The measured curve of frequency accuracy

圖5 芯片原子鐘頻率穩(wěn)定度實(shí)測(cè)曲線Fig.5 The measured curve of frequency stability

在完成本課的summer holiday plans寫(xiě)作后，可以結(jié)合五年級(jí)下冊(cè)Unit 7 Chinese festivals讓學(xué)生寫(xiě)寫(xiě)其他節(jié)假日的計(jì)劃，這樣就使書(shū)本知識(shí)成為學(xué)生能力運(yùn)用的基礎(chǔ)，并讓書(shū)本知識(shí)真正得到延伸和發(fā)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(huì)持續(xù)數(shù)周至數(shù)月。當(dāng)快速老化完畢后，整機(jī)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(duì)激光功率進(jìn)行了鎖定，減小了光頻移，進(jìn)而降低了整機(jī)的天老化率。天老化率的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 整機(jī)天老化率典型測(cè)試曲線Fig.6 The measured curve of frequency aging

可以看到，芯片原子鐘從提出設(shè)想到實(shí)現(xiàn)商品僅11年的時(shí)間，發(fā)展速度非常迅速。該項(xiàng)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，未來(lái)發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)體積1cm3、功耗30mW的商業(yè)化產(chǎn)品。

2.3天老化率

芯片原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度為[9]：

任一時(shí)鐘均可以用如下時(shí)鐘模型描述。

Lakoff和Johnson(1980)確立了認(rèn)知語(yǔ)言學(xué)的基本研究框架。該框架有以下五個(gè)研究主題：（1）語(yǔ)言研究必須同人的概念形成過(guò)程的研究聯(lián)系。（2）詞義的確立必須參照百科全書(shū)般的概念內(nèi)容和人對(duì)這一內(nèi)容的解釋。（3）概念形成根植于普遍的軀體經(jīng)驗(yàn)，特別是空間經(jīng)驗(yàn)，制約了人對(duì)心理世界的隱喻性建構(gòu)。（4）語(yǔ)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(chǔ)。（5）認(rèn)知語(yǔ)言學(xué)并不把語(yǔ)言現(xiàn)象區(qū)分為音位、形態(tài)、詞匯、句法和語(yǔ)用等不同的層次，而是尋求語(yǔ)言現(xiàn)象統(tǒng)一的解釋。[2]

圖7 秒馴服功能實(shí)測(cè)曲線Fig.7 The measured curve of external signal calibration

從上述測(cè)試結(jié)果可以看出，馴服后芯片原子的輸出頻率準(zhǔn)確度達(dá)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(shù)控機(jī)床熱誤差數(shù)據(jù)后，采用最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)解決對(duì)每一層分解信號(hào)的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)問(wèn)題。最小二乘支持向量機(jī)方法是采用最小二乘線性系統(tǒng)作為損失函數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支持向量機(jī)采用的二次規(guī)劃方法，簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜性的同時(shí)也可以保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。而使用提升小波處理后的功率數(shù)據(jù)也更有規(guī)律，使用最小二乘支持向量機(jī)可以進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度。

由式（2）可知，芯片原子鐘的守時(shí)精度與σχ(t)（即噪聲引入的時(shí)間偏差的均方根）有關(guān)。一般的，環(huán)境溫度的變化是影響該項(xiàng)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)。將芯片原子鐘放置在溫度試驗(yàn)箱中，芯片原子鐘輸出頻率與氫原子鐘輸出頻率通過(guò)頻率比對(duì)設(shè)備（Picotime）進(jìn)行測(cè)試，并用計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果。改變溫度試驗(yàn)箱溫度設(shè)置，同時(shí)記錄下對(duì)應(yīng)溫度的頻率準(zhǔn)確度實(shí)測(cè)值，進(jìn)而可得到芯片原子鐘的頻率溫度特性。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

我這次被叫去警察局，全是因?yàn)橐患谛〕囚[得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的雇兇殺人案。正是這個(gè)案子使我遭遇的那場(chǎng)車(chē)禍真相大白。兩個(gè)案子都是同一個(gè)犯罪團(tuán)伙所為。只是這一次，受害者丟了性命，而我只是住了半個(gè)月的院。想不到，我那場(chǎng)車(chē)禍的幕后人竟是為我墊付醫(yī)療費(fèi)的佟老板。

表2 頻率溫度特性實(shí)測(cè)結(jié)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(nèi)準(zhǔn)確度最大變化量為3.8× 10-10，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)±5×10-10的要求。

基礎(chǔ)量概念實(shí)施以來(lái)取得一定效果，但因各種原因，存在問(wèn)題也不少，使內(nèi)部市場(chǎng)化的作用還不能充分體現(xiàn)。主要表現(xiàn)在：

《音樂(lè)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，在教學(xué)過(guò)程中豐富學(xué)生的情感體驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的審美情趣是音樂(lè)教學(xué)的核心目標(biāo)。所以音樂(lè)教學(xué)從本質(zhì)上講是情感教育，在新課程實(shí)施的今天，注重情感教育遠(yuǎn)比傳授知識(shí)與技能重要。

3 結(jié)論

本文介紹了一種國(guó)產(chǎn)化芯片原子鐘。整機(jī)采用了鎖定激光功率和優(yōu)化微波調(diào)制指數(shù)的方法，獲得了較好實(shí)測(cè)結(jié)果：天老化率為-4.4×10-11/ d，頻率穩(wěn)定度為3×10-10/1s、2.5×10-11/100s,溫度系數(shù)為4.9×10-10/（-40～+60℃）。該芯片原子鐘體積23.5mL，僅為傳統(tǒng)銣鐘的1/6；功耗0.6W，僅為傳統(tǒng)銣鐘的1/20；可直接應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、水下導(dǎo)航、武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈、時(shí)頻體系節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域。后續(xù)我們將對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)計(jì)2015年整機(jī)體積為17cm3、功耗優(yōu)于100mW，達(dá)到2011年美國(guó)Symmetricom公司SA.45s的水平。

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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(rùn)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