芯片級CPT原子鐘的研制

宋躍，王貴

(波時(shí)(北京)科技有限公司，北京 100021)

0 引言

芯片級原子鐘是全新的原子鐘類別，其體積和功耗顯著低于傳統(tǒng)原子鐘，已達(dá)到與芯片相當(dāng)?shù)牧考?，在多個(gè)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景[1]。國際上的芯片級原子鐘實(shí)現(xiàn)商品化已十年有余，美國Microchip公司[2]迄今已向全球用戶提供了超過13.8萬個(gè)芯片級原子鐘，占有原子鐘市場較大的份額。國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)近年來也開展了芯片級原子鐘的相關(guān)原理和工藝的研究，從所報(bào)道的成果看，與國外主流產(chǎn)品的能耗差距逐漸縮小，產(chǎn)品化進(jìn)程也在加速推進(jìn)[3]。

目前國內(nèi)外報(bào)道的商品化芯片級原子鐘基本都是基于CPT(coherent population trapping)原理實(shí)現(xiàn)的，減小物理部分體積和增強(qiáng)保溫性是減小整機(jī)體積和能耗的主要途徑?；贛EMS(micro electro mechanical systems)工藝加工制作微型堿金屬氣室，并且采用高真空絕熱工藝對物理部分進(jìn)行隔熱處理，可有效減小物理部分的體積和能耗[2]。這兩種工藝都并非傳統(tǒng)時(shí)頻產(chǎn)品工藝，在微小尺度下成品的工藝可靠性和工作壽命有待長期驗(yàn)證，且小批量生產(chǎn)規(guī)模下成本較高?；趥鹘y(tǒng)工藝優(yōu)化CPT原子鐘體積和功耗仍具有一定的研究和工程價(jià)值。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)(非MEMS工藝、真空絕熱工藝)，設(shè)計(jì)優(yōu)化CPT原子鐘整機(jī)產(chǎn)品，在確保尺寸接口及主要功能與市場主流產(chǎn)品SA.45s兼容的基礎(chǔ)上，盡量優(yōu)化功耗和穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)。

1.1 整體組成

原子鐘整體分為物理和電路兩部分。物理部分由VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)激光器、光學(xué)組件、銣原子氣室、磁屏蔽筒、光電接收器等組成；電路部分由微處理器、多通道ADC(analog to digital converter)、多通道DAC(digital to analog converter)、微波鎖相電路、溫度控制電路、TDC(time to digital conversion)電路、信號放大濾波等信號調(diào)理電路組成。產(chǎn)品整體組成框圖如圖1所示。為了考慮尺寸兼容性，原子鐘外殼同樣也采用4.0 cm×3.5 cm×1.2 cm尺寸[4]。

圖1 微型CPT原子鐘的組成框圖

1.2 物理部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

物理部分中的銣原子氣室內(nèi)部充入了微量87Rb金屬以及適當(dāng)緩沖氣體。需要通過加熱提高內(nèi)部銣蒸汽的濃度，以便提高激光探測信號的對比度[5]。用于加熱銣原子氣室的能耗占據(jù)了整個(gè)產(chǎn)品能耗的絕大部分。本產(chǎn)品中的物理部分通過三方面的措施進(jìn)行能耗的優(yōu)化：第一是減小高溫部分體積，第二是采用絕熱支撐材料，第三是降低加熱溫度。

為了減小加熱控溫區(qū)域體積，我們使用了小尺度的玻璃氣室(如圖2所示)，腔體部分外邊長度3.5 mm，內(nèi)邊2 mm，在氣嘴方向總長約6 mm。氣室所在的加熱控溫區(qū)域舍棄了厚重的導(dǎo)熱層，采用輕薄的材料代替，從而將高溫部位的體積盡量做小。支撐高溫部位的結(jié)構(gòu)件采用導(dǎo)熱系數(shù)低的硬質(zhì)材料來制作，在提供足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)支撐的前提下，減少傳導(dǎo)途徑的熱量損失。此外，在滿足信噪比的前提下，通過軟件控制降低氣室的加熱溫度，從而降低將物理部分加熱控溫所需的功率。

圖2 產(chǎn)品所用堿金屬玻璃氣室實(shí)物

CPT原子頻標(biāo)的溫控系統(tǒng)是影響原子頻標(biāo)穩(wěn)定度指標(biāo)的重要部分[6]。通過增加控溫部位導(dǎo)熱層的厚度以及保溫絕熱層厚度是提高控溫性能的有效方法，但同時(shí)也會(huì)增加產(chǎn)品的體積，這在芯片級原子鐘的體積和功耗受限的條件下無法實(shí)施。本產(chǎn)品通過軟件技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化溫度補(bǔ)償，在一定程度上減小控溫硬件不足帶來的影響。

1.3 電路部分優(yōu)化設(shè)計(jì)

電路部分需要能放入尺寸為4.0 cm×3.5 cm×1.2 cm的外殼內(nèi)。為此簡化了電路設(shè)計(jì)，采用高集成度、小封裝尺寸的元器件，減小占用PCB的面積。在器件選型方面，同等條件下優(yōu)先選用低功耗器件，盡量用軟件代替硬件功能電路。數(shù)字電路在滿足性能條件下盡量低速工作，從而減小功耗。電路板采用6層PCB(printed circuit board)板，3.8 cm×3.3 cm，單面放置元器件，采用組裝SMT工藝，可在標(biāo)準(zhǔn)PCBA生產(chǎn)線進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。產(chǎn)品的外形及內(nèi)部電路板設(shè)計(jì)模型如圖3所示。目前采用鍍鎳金屬外殼和基座，封接工藝為錫焊封接。

電路部分采用了ST公司一款低功耗的32位ARM(advcaced RISC machine)處理器作為軟件運(yùn)行平臺(tái)，外置8通道16位精度的ADC以及8通道16位精度DAC芯片，較好滿足整機(jī)處理能力的需求。通過鎖相環(huán)芯片、微波VCO(voltage controlled oscillator)、低通濾波器，將VC-TCXO輸出的10 MHz信號倍頻，得到3.417 GHz的微波信號。微波相敏檢波工作需要對微波頻率進(jìn)行的調(diào)制則是通過軟件修改鎖相環(huán)芯片中射頻分頻系數(shù)實(shí)現(xiàn)。具有調(diào)節(jié)范圍約3 dB的電調(diào)衰減電路，可通過軟件對微波功率進(jìn)行調(diào)整。具有簡化的TDC電路，時(shí)差測量分辨率在1 ns左右。電路部分在關(guān)閉加熱功能后的功耗約為0.1 W。

1.4 軟件部分設(shè)計(jì)

原子鐘的軟件為無操作系統(tǒng)的嵌入式軟件，主要實(shí)現(xiàn)對處理器外圍器件的參數(shù)設(shè)置、各通道信號采集、控制信號輸出、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)計(jì)算、馴服保持、監(jiān)測通訊等功能。采用高階巴特沃茲型數(shù)字濾波器，改善CPT諧振峰探測信號的信噪比。采用了Kalman濾波器對采集的1 PPS時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。采用數(shù)字式的相敏檢波處理代替硬件相敏檢波電路，降低系統(tǒng)復(fù)雜性。采用時(shí)分復(fù)用全數(shù)字控制方法，對包括VCSEL溫度鎖定、銣原子泡溫度鎖定、激光波長鎖定、微波頻率鎖定等多個(gè)模塊自動(dòng)進(jìn)行控制及鎖定。軟件還具有智能程度較高的溫度特性、老化特性學(xué)習(xí)算法，外秒馴服和自動(dòng)保持算法，以及狀態(tài)監(jiān)控等功能。

1.5 主要工作過程

1.5.1激光波長鎖定

CPT原子鐘工作首先需要實(shí)現(xiàn)激光波長鎖定。通過控制VCSEL激光二極管溫度和電流將輸出激光波長調(diào)整到87Rb原子D1吸收譜線對應(yīng)的波長795 nm附近，然后對電流進(jìn)行掃描并采集接收的光電信號，從光電信號數(shù)據(jù)中找到吸收峰。典型曲線如圖4所示(激光器工作電流中已加入微波的調(diào)制)。從圖中可見，87Rb原子多普勒吸收峰信號特征明顯。通過軟件算法搜索定位到吸收峰值對應(yīng)的電流控制量，然后利用相敏檢波反饋信號判斷誤差及方向，動(dòng)態(tài)修正激光器工作電流，實(shí)現(xiàn)激光波長的自動(dòng)鎖定。

圖4 掃描激光器工作電流得到 87Rb原子氣室光電檢測信號

1.5.2微波頻率鎖定

在激光波長鎖定之后，對調(diào)制到激光二極管上面的微波信號頻率進(jìn)行掃描(掃描通過改變微波鎖相環(huán)參考信號—VC-TCXO的控制電壓實(shí)現(xiàn))，在相應(yīng)的光電檢測電壓曲線上出現(xiàn)諧振峰值，即為CPT諧振峰。典型曲線如圖5所示，由圖可見CPT諧振峰特征明顯，諧振峰的半高寬度約為680 Hz。與激光波長鎖定的處理方法類似，通過軟件搜索定位到諧振峰值對應(yīng)的微波頻率控制量，然后利用相敏檢波反饋的光電信號判斷誤差及方向，動(dòng)態(tài)修正微波頻率，使微波頻率鎖定在CPT峰的峰值處。此時(shí)，VC-TCXO輸出的10 MHz被鎖定，既獲得了CPT原子鐘信號。

圖5 微波掃描CPT曲線

1.5.3頻率準(zhǔn)確度自動(dòng)校準(zhǔn)

CPT原子鐘鎖定之后輸出頻率具有較好的穩(wěn)定性，但頻率準(zhǔn)確度還需要進(jìn)一步校準(zhǔn)。通過調(diào)整原子氣室所處磁場(C場)的大小可以調(diào)整CPT諧振譜線的中心頻率，進(jìn)而調(diào)制整體輸出10 MHz以及1 PPS信號的頻率。電路部分可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤外部參考1 PPS信號，調(diào)整輸出1 PPS信號的相位和10 MHz頻率的準(zhǔn)確度。內(nèi)部TDC電路測量到本地與參考1 PPS的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理后帶入軟件PID控制器，動(dòng)態(tài)計(jì)算并調(diào)整中心頻率，使輸出1 PPS相位保持與參考1 PPS鎖定，頻率同時(shí)得到馴服。保存馴服模式下的工作參數(shù)到內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，開機(jī)后默認(rèn)讀取Flash中保存的參數(shù)進(jìn)行工作，輸出頻率準(zhǔn)確度獲得較大改善。自動(dòng)校準(zhǔn)頻率過程的頻率曲線如所圖6所示。測試所用參考信號為GPS接收機(jī)輸出1 PPS，定時(shí)穩(wěn)定度約為10 ns(1σ)。原子鐘上電鎖定之后繼續(xù)跟蹤參考信號約15 min可完成頻率自動(dòng)校準(zhǔn)。

圖6 外接GNSS接收機(jī)1 PPS參考自動(dòng)校準(zhǔn)頻率過程

1.5.4頻率溫度特性自動(dòng)優(yōu)化

對自由運(yùn)行的CPT原子鐘輸出頻率連續(xù)多日進(jìn)行測試，觀察到頻率曲線存在較明顯的波動(dòng)(周期大致為1天)，與監(jiān)測到的環(huán)境溫度曲線有明顯一致的變化規(guī)律，且具有高度的重復(fù)性。為此采用了溫度校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀倪M(jìn)頻率-溫度的穩(wěn)定性。

溫度標(biāo)校工作在電路中自動(dòng)完成。在電路板上遠(yuǎn)離物理部分的位置設(shè)有感知環(huán)境溫度的傳感器，當(dāng)進(jìn)入馴服模式并且鎖定參考信號后，軟件自動(dòng)記錄感知的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和C場控制參數(shù)(頻率控制量)到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表，并定時(shí)保存到內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)區(qū)中。當(dāng)原子鐘工作在非馴服狀態(tài)下，對照保存的校準(zhǔn)表和感知到的環(huán)境溫度值，對C場進(jìn)行調(diào)整從而補(bǔ)償溫度對頻率的影響，進(jìn)而優(yōu)化輸出信號的頻率溫度穩(wěn)定性。

2 性能測試

2.1 常溫下頻率穩(wěn)定度測試

樣品CPT原子鐘在室溫環(huán)境下自由運(yùn)行，穩(wěn)定功耗約0.5 W。利用自建的頻率測試系統(tǒng)對樣品進(jìn)行頻率測試[7]，測得Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線如圖7所示。從曲線數(shù)據(jù)可見，1 s采樣Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大(1.45×10-10)，200 s采樣Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差值最小(1.91×10-11)，10 ks左右的Allan標(biāo)準(zhǔn)偏差值在5×10-11上下波動(dòng)。

圖7 輸出10 MHz頻率穩(wěn)定度測試曲線

2.2 常溫跟蹤保持性能測試

對樣品原子鐘進(jìn)行了跟蹤外秒和保持性能測試。樣品在室內(nèi)環(huán)境下冷啟動(dòng)，自動(dòng)跟蹤來自外部GNSS接收機(jī)的1 PPS參考信號，加電跟蹤1天后手動(dòng)斷開參考信號，利用外置的時(shí)間間隔測量儀全程記錄樣品原子鐘輸出1 PPS與參考1 PPS的時(shí)差，測試過程記錄數(shù)據(jù)如圖8所示。由數(shù)據(jù)可見鎖定后跟蹤參考信號1天之中，1 PPS偏差小于100 ns，保持24 h最大偏差2.5 μs，保持36 h最大偏差5 μs。

圖8 輸出1 PPS跟蹤外秒及保持測試曲線

2.3 計(jì)量校準(zhǔn)

樣品原子鐘還送到專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行了校準(zhǔn)，參考規(guī)范為JJG292-2009《銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)檢定規(guī)程》，主要結(jié)果為：啟動(dòng)時(shí)間2 min 15 s，跟蹤外秒1天后斷開外秒24 h最大偏差1.4 μs，頻率穩(wěn)定度7.1×10-11/1 s，相位噪聲-101 dBc/Hz @ 10 Hz，頻率漂移率5.4×10-11/d。

3 結(jié)語

我們以時(shí)頻產(chǎn)品常用工藝：玻璃氣室、常壓保溫、自動(dòng)控制、數(shù)字溫度補(bǔ)償、焊錫封裝等為基礎(chǔ)，開展了CPT原子鐘整體尺寸和功耗優(yōu)化的工程研制。最終產(chǎn)品重量為30 g，外殼尺寸為4.0 cm×3.5 cm×1.2 cm，尺寸大小、引腳定義及主要功能與國外產(chǎn)品SA.45s兼容，主要技術(shù)指標(biāo)接近或達(dá)到典型的芯片級原子鐘的水平，常溫下穩(wěn)定功耗小于0.53 W，且實(shí)現(xiàn)了智能化的生產(chǎn)測試。產(chǎn)品采用的工藝成熟穩(wěn)定，品質(zhì)一致性容易控制，在中小規(guī)模生產(chǎn)模式下，具有較高的性價(jià)比。