杜潤昌，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，可應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機、水下導(dǎo)航、武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈、時頻體系節(jié)點等，是最具有工程應(yīng)用前景的原子鐘?；仡櫫藝庑酒隅姷陌l(fā)展歷程，并給出了一種國產(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；時頻體系節(jié)點；老化率；頻率穩(wěn)定度

0 引言

相干布居囚禁[1]（Coherent Population Trapping，簡稱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現(xiàn)的被動型CPT原子鐘（簡稱CPT鐘）具有體積小、功耗低等特點，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]，開啟了CPT原子頻標(biāo)的研制工作；

2000 年，美國標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的J.Kitching小組實現(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)機構(gòu)，負責(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)化事宜進行溝通、談判，同時跟蹤當(dāng)前成果推廣狀況。

2001 年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）根據(jù)NIST科學(xué)家的建議，啟動了CSAC計劃，開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RS232串口方便地與計算機通訊。計算機通過上位機軟件可以遠程改變吸收泡溫度、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，還可以監(jiān)控整機運行狀態(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天的老化率測試結(jié)果是1.36× 10-11/day，優(yōu)于±5×10-11設(shè)計指標(biāo)要求。

成都天奧電子股份有限公司是國內(nèi)最早開始芯片原子鐘研發(fā)的單位之一。自2006年起，經(jīng)過數(shù)年研究，于2014年實現(xiàn)芯片原子鐘原理樣機。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方案和實測結(jié)果。

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

1 整機方案

用87Rb作為工作原子，其基態(tài)5S1/2的兩超精細能級的兩鐘態(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、負一級邊帶作為如圖1的制備CPT態(tài)的相干雙色光。因為微波和光頻都出于相同的源，這樣的雙色光源具有理想的相干特性[7]。光電探測器探測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”一方面是指本級政府抓上級政府或上級部門“發(fā)的包”(國家、省市或部門項目資助或財政轉(zhuǎn)移支付)，另一方面是指基層如村鎮(zhèn)抓縣級政府“打的包”(國家、省市、部門發(fā)包后通過縣級政府整合后到達村莊)。前者主要是地方政府通過營造發(fā)展模式、打造地方特色，以及同上級政府部門甚至是私人搞好關(guān)系的方法來爭取上級“發(fā)的包”，使上級的專項補助資金能夠向本地傾斜。對于后者，即村鎮(zhèn)“抓包”問題，其背后也有著相似的邏輯。X縣下面的GQ村村支書在回答“五水共治”過程中“為什么縣里和鎮(zhèn)里會把那么多錢投給你村而不是別的村？道理是什么？”的問題時講道：

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率先實現(xiàn)了芯片原子鐘物理系統(tǒng)[5]；

2 整機實測結(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)手段實現(xiàn)的。在本方案中，物理系統(tǒng)體積僅5mL，通過3D真空微組裝，降低了整機的功耗；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單獨模塊，提高了整機的可靠性，降低了整機的體積。芯片原子鐘實物圖如圖3所示。

圖3 芯片原子鐘實物圖Fig.3 The pictures of CSAC

本方案實現(xiàn)的芯片原子鐘，整機功耗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器上引起的光電流，e是單位電子電荷，q=C/Δν1/2，對比度C等于CPT峰的幅度與背景光強度的比值，Δν1/2是CPT譜線線寬。改變微波對激光的調(diào)制指數(shù)，會改變±1級邊帶光幅度?！?級邊帶光幅度越小，則CPT峰的幅度越小，對比度就越小，整機的短穩(wěn)越差。當(dāng)調(diào)制指數(shù)為1.8時，±1級邊帶幅度最大，此時短穩(wěn)最好。另外，激光光強、FM調(diào)制深度、吸收泡溫度等參數(shù)也對對比度、線寬等有較大影響，需要逐個進行優(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。結(jié)果如圖4、圖5所示。

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

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

在完成本課的summer holiday plans寫作后，可以結(jié)合五年級下冊Unit 7 Chinese festivals讓學(xué)生寫寫其他節(jié)假日的計劃，這樣就使書本知識成為學(xué)生能力運用的基礎(chǔ)，并讓書本知識真正得到延伸和發(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持續(xù)數(shù)周至數(shù)月。當(dāng)快速老化完畢后，整機的老化主要是由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。我們對激光功率進行了鎖定，減小了光頻移，進而降低了整機的天老化率。天老化率的實測結(jié)果如圖6所示。

圖6 整機天老化率典型測試曲線Fig.6 The measured curve of frequency aging

可以看到，芯片原子鐘從提出設(shè)想到實現(xiàn)商品僅11年的時間，發(fā)展速度非常迅速。該項技術(shù)仍在不斷發(fā)展，未來發(fā)展目標(biāo)是實現(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]：

任一時鐘均可以用如下時鐘模型描述。

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

圖7 秒馴服功能實測曲線Fig.7 The measured curve of external signal calibration

從上述測試結(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)控機床熱誤差數(shù)據(jù)后，采用最小二乘支持向量機(LSSVM)解決對每一層分解信號的訓(xùn)練和預(yù)測問題。最小二乘支持向量機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)的支持向量機采用的二次規(guī)劃方法，簡化了計算復(fù)雜性的同時也可以保證預(yù)測結(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可以進一步提高預(yù)測精度。

由式（2）可知，芯片原子鐘的守時精度與σχ(t)（即噪聲引入的時間偏差的均方根）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箱中，芯片原子鐘輸出頻率與氫原子鐘輸出頻率通過頻率比對設(shè)備（Picotime）進行測試，并用計算機記錄結(jié)果。改變溫度試驗箱溫度設(shè)置，同時記錄下對應(yīng)溫度的頻率準(zhǔn)確度實測值，進而可得到芯片原子鐘的頻率溫度特性。測試結(jié)果如表2所示。

我這次被叫去警察局，全是因為一件在小城鬧得沸沸揚揚的雇兇殺人案。正是這個案子使我遭遇的那場車禍真相大白。兩個案子都是同一個犯罪團伙所為。只是這一次，受害者丟了性命，而我只是住了半個月的院。想不到，我那場車禍的幕后人竟是為我墊付醫(yī)療費的佟老板。

表2 頻率溫度特性實測結(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)計指標(biāo)±5×10-10的要求。

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

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

3 結(jié)論

本文介紹了一種國產(chǎn)化芯片原子鐘。整機采用了鎖定激光功率和優(yōu)化微波調(diào)制指數(shù)的方法，獲得了較好實測結(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、水下導(dǎo)航、武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈、時頻體系節(jié)點等領(lǐng)域。后續(xù)我們將對該產(chǎn)品進行改進，預(yù)計2015年整機體積為17cm3、功耗優(yōu)于100mW，達到2011年美國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