李松松，張 奕，田 原，陳杰華

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；2.中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，武漢430071)

0 引言

雙色光場(chǎng)在將原子的兩個(gè)基態(tài)能級(jí)耦合到同一個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)時(shí),將出現(xiàn)相干布居囚禁(CPT)共振現(xiàn)象。利用CPT共振原理,采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝和專用的集成電路技術(shù),可研制出芯片原子鐘［1］。芯片原子鐘的體積和功耗與小型恒溫晶振相當(dāng),而其長(zhǎng)期穩(wěn)定度比恒溫晶振高3個(gè)量級(jí)以上。相比銣原子鐘,其體積和功耗又小近2個(gè)量級(jí),特別適合作為體積和功耗受限設(shè)備中的高精度頻率源而使用。芯片原子鐘在航空、航天、通信和信息探測(cè)等領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用需求。例如:衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接受機(jī)采用芯片原子鐘作為時(shí)鐘,定位系統(tǒng)的抗干擾能力大幅增強(qiáng),接受衛(wèi)星信號(hào)、實(shí)施保密通信的能力大幅增強(qiáng),采用芯片原子鐘即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)尺寸的高性能接收機(jī)。又如,在沒(méi)有衛(wèi)星信號(hào)的水下、坑道、室內(nèi)等場(chǎng)合,在衛(wèi)星信號(hào)不佳的森林、山區(qū)等場(chǎng)所,以及在衛(wèi)星信號(hào)受自然、人為等因素干擾的情況下,衛(wèi)星定位導(dǎo)航功能將部分甚至完全失效。利用陀螺儀、加速度計(jì)、芯片原子鐘和多種傳感器構(gòu)成的自主導(dǎo)航微終端,可以實(shí)現(xiàn)用戶單元的自主導(dǎo)航。在每個(gè)用戶單元自主定位導(dǎo)航的基礎(chǔ)上,還可以通過(guò)相互通信構(gòu)成協(xié)同定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

1976年,Alzetta利用激光與鈉原子的作用首次觀察到了CPT現(xiàn)象［2］,這為芯片原子鐘的研制奠定了物理基礎(chǔ)。1977年,Iga提出了垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSEL)的概念［3］,這使得在芯片原子鐘內(nèi)使用半導(dǎo)體激光器成為了可能。1997年,Levi利用微波調(diào)制的激光器與銣原子之間的相互作用,得到了CPT共振譜線［4］,這標(biāo)志著利用CPT現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)原子鐘制造的開(kāi)端。2000年,利用微波調(diào)制的VCSEL產(chǎn)生的多色光與銫原子之間的相互作用,形成了百赫茲線寬的 CPT共振譜線［5］,這使得CPT原子鐘的潛力得到了人們的廣泛認(rèn)識(shí),極大地推動(dòng)了CPT原子鐘的發(fā)展。2000年,Kitching提出了芯片原子鐘的構(gòu)想［6］。4年后,Kitching研制出了首個(gè)芯片原子鐘原理樣機(jī)［7］。芯片原子鐘的出現(xiàn)受到了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注,已經(jīng)成為各主要國(guó)家競(jìng)相研發(fā)的、具有戰(zhàn)略意義的新技術(shù)。據(jù)國(guó)外公開(kāi)報(bào)道,研制出整機(jī)的有美國(guó)、歐盟和日本。其中,美國(guó)已經(jīng)推出了全球唯一的芯片原子鐘產(chǎn)品,其技術(shù)水平處于全球領(lǐng)先地位。

2002年,美國(guó)DARPA采納Kitching的建議啟動(dòng)了芯片原子鐘研究計(jì)劃,該計(jì)劃的目標(biāo)是研制出體積為1cm3、功耗為30mW、1h頻率穩(wěn)定度為1×10－11的芯片原子鐘。參與該研究計(jì)劃的主要團(tuán)隊(duì)包括:Symmetricom/Draper/Sandia、 NIST/University of Colorado、Teledyne Scientific/Rockwell Collins/Agilent、Honeywell, 以及 Sarnoff/Princeton/Frequency Electronics。各團(tuán)隊(duì)基本是由原子鐘研制單位牽頭,聯(lián)合MEMS加工單位和VCSEL制造單位組成。NIST團(tuán)隊(duì)為制造商提供頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10－12的芯片原子鐘設(shè)備,圖1為NIST設(shè)計(jì)的物理系統(tǒng)實(shí)物及電路系統(tǒng)示意圖。其中,物理系統(tǒng)的高度僅為5.5mm,底面邊長(zhǎng)僅為2mm。Teledyne Scientific團(tuán)隊(duì)于2008年研制出了滿足DARPA目標(biāo)的芯片原子鐘原理樣機(jī)［8］,然而該樣機(jī)輸出的時(shí)鐘頻率并不是標(biāo)準(zhǔn)的10MHz,難以獲得應(yīng)用,并不適合量產(chǎn)。圖2為Symmetricom團(tuán)隊(duì)研制出的芯片原子鐘的物理系統(tǒng)和電路系統(tǒng),該團(tuán)隊(duì)于2011年實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘的批量生產(chǎn),該產(chǎn)品的型號(hào)為SA.45s,目前產(chǎn)品已在Microsemi公司進(jìn)行出售。

歐盟Gaetano Mileti小組研制出的芯片原子鐘樣機(jī)如圖3 所示, 頻率穩(wěn)定度為 7×10－11［9］。 日本 Motoaki Hara小組省去了通常芯片原子鐘中的頻率合成電路,利用壓電薄膜中的厚度伸縮振動(dòng)設(shè)計(jì)了一種微波發(fā)生器,研制出了芯片原子鐘樣機(jī)［10］,但樣機(jī)輸出的時(shí)鐘頻率也不是標(biāo)準(zhǔn)的10MHz。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

在國(guó)內(nèi),長(zhǎng)期從事芯片原子鐘研究的單位主要有中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所(簡(jiǎn)稱中科院武漢物數(shù)所)、航天科工203所、北京大學(xué)、成都天奧電子有限公司等。目前,上述團(tuán)隊(duì)都已研制出了芯片原子鐘的原理樣機(jī)。下面,結(jié)合中科院武漢物數(shù)所研制的芯片原子鐘,介紹其原理和關(guān)鍵技術(shù)。

2014年,中科院武漢物數(shù)所突破了芯片原子鐘的主要關(guān)鍵技術(shù),研制出了芯片原子鐘的樣機(jī)。樣機(jī)如圖4(a)所示,體積小于20cm3,功耗小于220mW,采用3.3V單電源進(jìn)行供電,具備秒脈沖輸出與外部秒脈沖實(shí)時(shí)校準(zhǔn)和同步功能。其整機(jī)尺寸和引腳定義如圖4(b)所示,該封裝引腳與美國(guó)Microsemi公司銷售的芯片原子鐘產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)兼容。

頻率穩(wěn)定度是評(píng)價(jià)芯片原子鐘性能最重要的參數(shù)指標(biāo)［11］,芯片原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度在時(shí)域的表征用Allan方差表示,實(shí)測(cè)的典型芯片原子鐘樣機(jī)的頻率穩(wěn)定度如圖5所示。由圖5可知,芯片原子鐘的百秒頻率穩(wěn)定度優(yōu)于2×10－10,千秒頻率穩(wěn)定度為8×10－12,中短期頻率性能與美國(guó)Symmetricom團(tuán)隊(duì)的SA.45s型產(chǎn)品相當(dāng)。

國(guó)內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)在芯片原子鐘的研制方面也取得了可觀的進(jìn)展。航天科工203所于2015年提出了功耗為3W、 短期頻率穩(wěn)定度為 8×10－11τ－1/2的第一代樣機(jī),后來(lái)又研制了體積小于20cm3、功耗小于1W、 短期頻率穩(wěn)定度為 3×10－11τ－1/2～5×10－11τ－1/2的芯片原子鐘［12］。成都天奧電子有限公司于2014年實(shí)現(xiàn)了體積小于24cm3、功耗小于0.6W、百秒頻率穩(wěn)定度為 5×10－11的芯片原子鐘原理樣機(jī)［13］。

2 工作原理

芯片原子鐘的工作原理如圖6所示,直流電流和微波鏈輸出的微波經(jīng)過(guò)耦合輸入到激光管,并輸出調(diào)頻多色光。激光管輸出的線偏振光經(jīng)過(guò)λ/4后轉(zhuǎn)化為圓偏振光,并與原子泡內(nèi)的原子相互作用。在圖6中,原子能級(jí)被簡(jiǎn)化為三能級(jí),和表示基態(tài)能級(jí),表示激發(fā)態(tài)能級(jí),調(diào)頻多色光中正負(fù)一階邊帶光與原子躍遷共振分別激發(fā)和的躍遷。當(dāng)正負(fù)一階邊帶光的頻率差與和之間的頻率差精確相等時(shí),發(fā)生CPT共振,探測(cè)器檢測(cè)到的透射信號(hào)增強(qiáng)(如圖6中的紅色線條)。和之間的頻率差取決于所選擇的工作原子,中科院武漢物數(shù)所采用的工作原子為87Rb原子,對(duì)應(yīng)的頻率差約為6.8GHz,微波頻率約為3.4GHz。利用獲得的CPT信號(hào)對(duì)微波鏈前端的晶振進(jìn)行鑒頻,使晶振輸出頻率與穩(wěn)定的原子能級(jí)頻率差產(chǎn)生強(qiáng)關(guān)聯(lián),從而使晶振輸出穩(wěn)定的頻率。此外實(shí)現(xiàn)芯片原子鐘還需要對(duì)激光管和原子泡進(jìn)行溫度控制,獲得所需波長(zhǎng)的激光和一定數(shù)目的原子。利用原子對(duì)激光的吸收信號(hào),對(duì)激光管輸入電流進(jìn)行反饋,穩(wěn)定激光頻率。為了屏蔽外界磁場(chǎng)的干擾,需對(duì)原子泡進(jìn)行磁屏蔽,并提供與激光同向的、恒定的磁場(chǎng),為原子提供量子化軸并使原子能級(jí)去簡(jiǎn)并。

采用上述傳統(tǒng)圓偏光方案實(shí)現(xiàn)的芯片原子鐘雖然能夠獲得CPT信號(hào),但是圓偏光會(huì)將原子抽運(yùn)到如圖7所示的極化暗態(tài)(又稱泄露態(tài))。處于極化暗態(tài)中的原子并不參與CPT共振,因此CPT信號(hào)的對(duì)比度將減小,從而限制了芯片原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

為了獲得高穩(wěn)定度的CPT信號(hào)以提高芯片原子鐘的性能,中科院武漢物數(shù)所提出了準(zhǔn)雙色垂直線偏光方案和左右旋混合圓偏光方案等可行方案［14］。采用左右旋混合圓偏光方案的光路如圖8所示,此方案中與原子作用的左旋圓偏光σ－和右旋圓偏光σ＋在相位上相差π,這樣就可以將原子集中在如圖9所示的 “0－0”能級(jí)上,從而在消除極化暗態(tài)的同時(shí),獲得CPT的增強(qiáng)信號(hào)。用此方案實(shí)現(xiàn)的芯片原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案。

3 關(guān)鍵技術(shù)

研制芯片原子鐘樣機(jī)需要突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),這主要包括VCSEL研制［15］技術(shù)、微型原子泡加工［16-17］技術(shù)、微型物理系統(tǒng)集成、電路系統(tǒng)研制等。

3.1 高性能VCSEL

芯片原子鐘對(duì)VCSEL的各項(xiàng)參數(shù)都有嚴(yán)格要求,其中最為重要的參數(shù)是波長(zhǎng)、工作溫度、閾值、老化性能等。VCSEL輸出激光需要與87Rb原子能級(jí)躍遷共振,因而需要VCSEL的激光波長(zhǎng)能夠精確地保持在795nm。一般要求VCSEL的工作溫度高于70℃。為了降低整機(jī)功耗,VCSEL需要具有較低的閾值。同時(shí),由于芯片原子鐘的長(zhǎng)期老化漂移與VCSEL有很大關(guān)系,芯片原子鐘對(duì)VCSEL的老化性能也有很高的要求。因此,在各項(xiàng)參數(shù)滿足要求的情況下,研制VCSEL將面臨諸多困難。國(guó)外符合要求的VCSEL產(chǎn)品主要由飛利浦、Princeton photonics和Vixar等公司生產(chǎn),而國(guó)內(nèi)多家單位已經(jīng)突破了VCSEL光源技術(shù),正在將VCSEL實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。

3.2 微型原子泡

微型原子泡是芯片原子鐘物理系統(tǒng)的核心部件,其物理尺寸、性能與物理系統(tǒng)的體積、功耗和性能直接相關(guān)。研制微型原子泡的難點(diǎn)主要在于在保證原子泡氣密性的同時(shí),實(shí)施晶圓級(jí)的雜氣去除和控制緩沖氣體的壓強(qiáng)。堿金屬單質(zhì)特別活潑,微量的雜氣就可能導(dǎo)致微型原子泡中的堿金屬原子消耗殆盡。微型原子泡的性能與緩沖氣體的壓強(qiáng)有很大關(guān)系,而原子泡在密封過(guò)程中難以監(jiān)控緩沖氣體的壓強(qiáng)。圖10為中科院武漢物數(shù)所制作的微型原子泡,該微型原子泡采用三明治結(jié)構(gòu),即上下兩面是玻璃,中間為通孔硅片,采用晶圓級(jí)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合方式將堿金屬單質(zhì)和一定壓強(qiáng)的緩沖氣體封入由玻璃與硅通孔組成的密封體中,其厚度僅為1.5mm。

3.3 微機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)

微型物理系統(tǒng)的集成需要對(duì)VCSEL激光器、微型原子泡、光學(xué)元件和光電探測(cè)器等分部件進(jìn)行集成。集成涉及光、機(jī)、電、熱技術(shù),而且要充分考慮系統(tǒng)的體積、功耗和可靠性,因而難度相當(dāng)大。微型物理系統(tǒng)集成采用堆疊式結(jié)構(gòu)將各元件依次疊放,運(yùn)用MEMS技術(shù)進(jìn)行集成。此外,微型物理系統(tǒng)還采用了共晶鍵合技術(shù)用于完成真空封裝,以降低物理系統(tǒng)的功耗。

電路系統(tǒng)集成需要保證對(duì)物理系統(tǒng)穩(wěn)定的溫度控制,對(duì)VCSEL激光器輸出的激光頻率實(shí)施穩(wěn)頻,提供所需微波和利用CPT信號(hào)對(duì)微波鏈前端的晶振輸出頻率進(jìn)行反饋。其中,難點(diǎn)是在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下減小電路體積和功耗。硬件電路系統(tǒng)將一個(gè)微處理器作為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能,而微處理器的軟件系統(tǒng)則需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)研制涉及到芯片原子鐘整機(jī)的所有工作參數(shù)的控制和調(diào)節(jié),并需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示,以方便調(diào)試和應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

本文介紹了芯片原子鐘的發(fā)展歷程及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,給出了中科院武漢物數(shù)所試生產(chǎn)的芯片原子鐘的主要技術(shù)參數(shù),闡述了芯片原子鐘的工作原理及其所突破的關(guān)鍵技術(shù)。芯片原子鐘是一種極富特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的原子鐘,在多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在衛(wèi)星導(dǎo)航方面,芯片原子鐘可被安裝在導(dǎo)航衛(wèi)星的接收機(jī)上以提高衛(wèi)星的導(dǎo)航精度。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),人工智能及信息社會(huì)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)的傳遞將對(duì)各種智能移動(dòng)終端的時(shí)間同步提出更高的要求,芯片原子鐘可以為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端遠(yuǎn)程控制及各種人工智能設(shè)備提供高度精準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。在軍事應(yīng)用方面,芯片原子鐘可被安裝在各種便攜式單兵設(shè)備上,使各移動(dòng)作戰(zhàn)單元與指揮系統(tǒng)之間能夠保持高精度的時(shí)間同步,還可被安裝在增程炮彈等各種武器上,提高其打擊精度,預(yù)計(jì)芯片原子鐘將在信息化戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。此外,芯片原子鐘還可被應(yīng)用于水下潛航器、水下機(jī)器人,以及各種涉水設(shè)備中。