芯片级铯原子钟关键技术研究

高精度原子钟的工作原理与应用

高精度原子钟的工作原理与应用随着科技的不断发展，时间的精确度对于现代社会的各个领域来说变得越来越重要。

而高精度原子钟作为时间测量的基准，被广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。

本文将介绍高精度原子钟的工作原理以及其在各个领域的应用。

高精度原子钟的工作原理主要基于原子的振荡频率稳定性。

目前应用最广泛的原子钟是基于铯原子的原子钟。

铯原子钟的工作原理是利用铯原子的基态超精细能级之间的跃迁频率作为时间测量的基准。

在原子钟中，通过激光将铯原子激发到高能级，然后再通过微波辐射使其回到基态，而这个过程中发射的微波辐射的频率就是原子钟的输出频率。

由于铯原子的超精细能级之间的跃迁频率非常稳定，因此可以作为时间测量的基准。

高精度原子钟的应用非常广泛。

首先，原子钟在科学研究中起到了至关重要的作用。

在物理学、天文学等领域，时间的精确度对于实验数据的准确性和科学理论的验证非常重要。

高精度原子钟可以提供非常稳定和准确的时间信号，为科学家们提供了时间测量的基准，使得实验数据更加精确可靠。

其次，原子钟在导航系统中也有广泛的应用。

全球定位系统（GPS）就是利用原子钟提供精确时间信号来进行导航定位的。

GPS系统中的卫星搭载了高精度原子钟，通过接收卫星发射的信号，接收器可以计算出自己与卫星之间的距离，从而实现精确定位。

原子钟的高精度和稳定性保证了GPS系统的定位准确性，使得我们能够在导航中准确地找到目的地。

此外，高精度原子钟还在通信网络中发挥着重要作用。

在现代的通信技术中，时间同步是非常重要的。

例如，在金融交易中，微秒级的时间差都可能导致巨大的损失。

高精度原子钟可以提供非常稳定和准确的时间信号，确保网络中各个节点之间的时间同步，从而保证通信的可靠性和准确性。

总结起来，高精度原子钟作为时间测量的基准，在科学研究、导航系统、通信网络等领域有着广泛的应用。

其工作原理基于原子的振荡频率稳定性，尤其是铯原子钟在实际应用中最为常见。

高精度原子钟的应用使得时间的测量更加精确和可靠，为现代社会的各个领域提供了重要的支持。

芯片原子钟

芯片原子钟原子钟是一种精确计时设备，它使用原子物理中的稳定振荡现象来测量时间。

芯片原子钟是一种小型化的原子钟，它将原子钟技术集成到芯片上，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。

下面将对芯片原子钟进行详细介绍。

芯片原子钟采用的基本原理是原子的振荡频率非常稳定。

在原子钟中，常用的振荡器是铯原子或针对铯原子进行调整的型号。

铯原子钟的原理如下：首先，铯原子被加热，使其蒸发成铯原子蒸气。

然后，这些原子通过激光束被囚禁在一个封闭的腔体内。

在腔体内，激光束与铯原子发生共振，使铯原子产生受激辐射。

之后，将受激辐射的频率通过一个稳定的振荡器转化为电信号，并进行计数和测量，从而得到非常准确的时间。

芯片原子钟是将原子钟的核心部分——振荡器集成到芯片上。

它的精确度通常在数纳秒到毫秒之间，比传统的石英晶体振荡器要高出几个数量级。

此外，芯片原子钟具有非常低的功耗，通常只需几十微瓦，可以极大地延长电池的寿命。

由于芯片原子钟的小型化和低功耗特性，它被广泛应用于移动设备、导航系统和数据中心等领域。

在移动设备中，芯片原子钟可以提供非常准确的时间信息，以便实现精确的定位和时间同步。

在导航系统中，芯片原子钟可以提供高精度的时间和位置信息，提高导航定位的准确性。

在数据中心中，芯片原子钟可以用于同步多台服务器的时间，保证数据的一致性和准确性。

然而，芯片原子钟也存在一些挑战和限制。

首先，腔体的封闭性和激光束的稳定性对芯片原子钟的精确度和稳定性有很大影响，需要采取一些措施来解决。

其次，芯片原子钟的制造和集成是一项技术难题，需要掌握核心的集成技术和原子物理知识。

最后，芯片原子钟的成本较高，需要一定的投资才能实现商业化应用。

总的来说，芯片原子钟是一种集成了原子钟技术的小型化设备，具有小巧、低功耗和高稳定性的特点。

它的应用范围广泛，可以提供准确的时间和位置信息。

虽然还存在一些挑战和限制，但随着技术的进步和成本的下降，芯片原子钟有望在更多的领域得到推广和应用。

高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

高性能磁选态光检测铯原子钟的研究
李源昊;陈思飞;刘晨;范利锋;王延辉
【期刊名称】《仪器仪表学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与4-5循环跃迁线共振的激光进行检测。

介绍了此方案的物理系统、光学系统和电路系统。

进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积4U,稳定度达到
4×10^(-13)@100 s,4.5×10^(-14)@10000 s,2.2×10^(-14)@1 d,优于可搬运铯钟典型产品5071A优质型。

将此方案与磁选态磁检测铯原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。

最后介绍了两种针对磁选态
光检测铯钟的可行性改善,一种为采用3-2循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升稳定度指标至稳定度低于
3×10^(-13)@100 s。

【总页数】8页(P112-119)
【作者】李源昊;陈思飞;刘晨;范利锋;王延辉
【作者单位】北京大学电子学院;北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家
重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH714
【相关文献】
1.基于二维磁光阱的冷原子光抽运铯原子钟研究
2.一型国产无人机直升机铯光泵航磁系统补偿方法研究和试验
3.磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究
4.北京大学小型化光抽运热、冷铯束原子钟研究进展
5.磁选态光检测铯原子钟技术
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211233497_国产高性能光抽运小铯钟研制进展

国产高性能光抽运小铯钟研制进展贺轩1，袁志超1，陈佳源1，陈徐宗1，王青2*，齐向晖1*（1.北京大学量子电子学研究所，北京 100871；2.北京大学电子信息科学基础实验中心，北京 100871）摘要：介绍了北京大学利用光抽运小铯钟相比于传统的磁选态小铯钟有更高的铯原子利用率的优势，在频率稳定度方面取得的突破性进展；总结出了光抽运小铯钟达到高性能的关键因素在于铯束管优值、激光稳频和电路地噪声；最终优化后的光抽运小铯钟频率稳定度均超过了5071A优质管2倍以上，典型值为3 × 10-12 / τ1/2；近三年来陆续研制出8台光抽运小铯钟，初步实现了高性能光抽运小铯钟工程化。

关键词：原子钟；小铯钟；光抽运；频率稳定度；信噪比中图分类号：TB939 文献标志码：A 文章编号：1674-5795（2023）03-0099-08Progress of domestic high performance optically pumpedcompact cesium clocksHE Xuan1, YUAN Zhichao1, CHEN Jiayuan1, CHEN Xuzong1, WANG Qing2*, QI Xianghui1*(1.Institute of quantum electronics, Peking University, Beijing 100871, China；2.Center for experimental electronics and information, Peking University, Beijing 100871, China)Abstract: The advantage of optically pumped compact cesium clocks is that they have a higher utilization of at⁃oms compared to traditional magnetic state⁃selection cesium clocks. The group in Peking University has made breakthroughs in the frequency stability of optically pumped compact cesium clocks. The key factors for achieving high performance of optically pumped compact cesium clocks are the cesium beam tube, laser frequency stabiliza⁃tion, and circuits. The frequency stability of the optimized optically pumped compact cesium clock exceeds by more than twice that of the 5071A high⁃performance cesium beam tubes, with a typical value of 3 × 10-12 / τ1/2. Eight opti⁃cally pumped compact cesium clocks have been developed in the past three years. And the commercial high perfor⁃mance optically pumped compact cesium clocks have been preliminarily realizedKey words: atomic clock; compact cesium clock; optical pumping; frequency stability; signal⁃to⁃noise ratio0　引言小铯钟是目前应用广泛的原子钟之一，在守时授时、卫星定位导航、高速通信、量子精密测量等领域发挥着重要作用［1-4］。

铯原子钟知识

铯原子钟所有时钟的构造都包括两大部分：能够按照固定周期走动的装置，如钟摆；还有一些计算、累加和显示时间流失的装置，如驱动时钟指针的齿轮。

大约50年前首次研制出的原子钟增加了第三部分，即以特定的频率对光和电磁辐射作出反应的原子，这些原子用来控制“钟摆”。

目前最高级的原子钟，就是利用106个液态金属铯原子对微波辐射产生共振效应来控制时针的走动。

这样的时针每秒约走动1011次，时钟指针走动得越快，时钟计算的时间也就越精确。

每一种原子都有自己的特征振动频率。

人们最熟悉的振动频率现象，就是当食盐被喷洒到火焰上时，食盐中的元素钠所发出的橘红色的光。

一个原子可以具有多种特征振动频率，可能位于无线电波波段、可见光波段，或介于其中。

铯－133则被普遍地选用作原子钟。

将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。

通常是采用锁定晶体震荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。

这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。

秒的定义随着精确测量时间的工具不断改进推出，人们自然会怀疑时间单位本身的精确性。

时间量测单位在数学方面定义的很清楚，一秒是1/60分钟，一分钟是1/60小时，亦即一小时是1/24天，一秒等于一天的1/86400。

但事实上，因为地球在运行之速度及距离太阳的改变，一个太阳日—由正午至正午的一段时间，并非都一样长。

公元1960年以前，CIPM （世界度量衡标准会议）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。

即1秒＝1/86400平均太阳日。

然而地球自转并不稳定，会因其它星体引力的牵引而改变。

公元1960～1967年CIPM改以地球公转为基础，定义公元1900年为平均太阳年。

秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。

公元1967年举行的第十三届国际计量大会 (General Conference on Weights and Measures) 选择以铯原子的跃迁做为秒的新定义，即铯原子同位素Cs133基态超精细能阶跃迁9,192,631,770个周期所经历的时间，定为1秒（称作「原子秒」），秒的新定义使计时方式进入了原子的时代，此定义一直维持至今。

芯片级铯原子钟MEMS气室的气密性封装

第58卷第4期 2021年4月微纳电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol.58 No.4April 2021D〇I：1〇_ 1325〇/j-cnk i_wncj z-2021.04. 010|加工、测量与设备%芯片级铯原子钟MEMS气室的气密性封装王錦曦'闫树斌lb’2，苏浩1a，杨啸宇la，罗云霞2，郭京2，华尔天2(1.中北大学a.仪器与电子学院，b.电气与控制工程学院，大原 030051;2.浙江水利水电学院电气工程学院，杭州 310018)摘要：为适应芯片级原子钟（C S A C)微型化和高精度的发展趋势，介绍了一种面向C S A C微型系统的碱金属原子气室的微电子机械系统（M E M S)工艺流程，设计了一种能够提供光反应所需的碱金属原子气氛且气密性好的气室结构，氦气真空泄漏率小于5. (>X l〇_9p a. c m3/s。

采用 L-Edit软件设计掩膜版，通过光刻工艺在光刻胶上制作所需图形，采用感应耦合等离子体刻蚀(I C P E)法将结构转移到硅片表面，刻蚀出微通道和两个腔室，其中一个腔室为反应腔，另一个为光学腔。

通过低温阳极键合工艺封装原子气室，划片后即可得到玻璃-硅-玻璃三明治结构的气室。

按照G J B 548A-96标准（方法1014.2密封）的相关规定对M E M S气室先后进行了氦气细检和氟油粗检，测试结果验证了工艺的适用性，成品率达到96.08%。

同时，搭建实验平台，测试了吸收谱线，得到了良好的谱线图。

关键词：微电子机械系统（M E M S);芯片级原子钟（C S A C);微通道；铯（C s)原子气室；气密性中图分类号：T H703文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) 04-0342-08Hermetic Packaging of MEMS Vapor Cell ofChip-Scale Cesium Atomic ClockWangjinxi1*, Y a n Shubin1b,2, S u H a o1*, Yang Xiaoyu1", L u o Y u n x i a2. Guojing2,H u a Ertian'(1. a.School o f In stru m en t a n d E lectronics\b.School o f E le ctric a l a n d C ontrol E n g in e e r in g，N orth U n iv ersity o f C hina♦T a iy u a n 030051 ,China; 2.T he C ollege o f E lectrica l E n g in e erin g^ Z h e jia n g U n iv ersity o f W ater Resources and E lectric P m v e r，H a n g zh o u 310018, C h in a)Abstract：In order to adapt the development trend of miniaturization and high precision of chip-scale atomic clock (CSAC), a micro-electromechanical system (MEMS)process flow of alkali metal atomic vapor cell for CSAC microsystem was introduced,and a vapor cell structure with good hermeticity was designed,which can provide alkali metal atomic atmosphere for light reaction.The helium vacuum leak rate was less than 5.0 X Pa •cm3/s.L-Edit software was used to design the mask,the lithographic process was uesd to fabricate the desired pattern on the photoresist,and the structure was transferred to the surface of silicon wafer by inductively coupled plasma etching(ICPE)method.The microchannel and two chambers were etched.One收稿日期：2020-09-10基金项目：国家自然科学基金资助项目（6丨975189, 6丨675185);科技部国家重点研发计划资助项目（2017YFB0503200)通信作者：间树斌•E-mail: yanshb@342王锦曦等：芯片级铯原子钟M EM S气室的气密性封装chamber was a reaction chamber,and the other was an optical chamber.The atomic vapor cell was packaged by low-temperature anodic bonding process，then a vapor cell with glass-silicon-glass sandwich structure was obtained after scribing.According to the relevant regulations of the GJB548A- 96 standard(method 1014. 2 sealing),the helium gas fine inspection and fluorine oil rough inspection of the MEMS vapor cell were carried out successively.The test result verifies the applicability of the process,and the yield rate reaches96. 08%. At the same time,an experimental platform was built,the absorption spectrum was tested,and a good spectrum diagram was obtained.Key words：micro-electromechanical system (MEMS)；chip-scale atomic clock (CSAC)；micro-channel；cesium (Cs)atomic vapor cell；hermeticityEEACC：2575F；0170J〇引言1879年，L.K elvin研究小组[1]首先提出了利用原子跃迁频率来测量时间的方法，但是直到1929年I.I.Rabi[2]才提出了原子束磁共振技术。

一种微型CPT铯原子钟的设计

2017年第2期空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY25一种微型C P T铯原子钟的设计0翟浩〃，廉吉庆u，陈大勇u(1.兰州空间技术物理研究所，兰州730000;2.真空技术与物理重点实验室，兰州730000)摘要:被动型C PT原子钟是一种可实现微型化和芯片化设计的原子钟。

针对微小卫星和地面手持设备的应用需求，提出了一种微型C PT铯原子钟的设计方案。

分析了基于133C s的C PT原子钟物理设计的优点。

完成了原理样机的设计实现与测试,原理样机的体积小于100ml、功耗小于2W、稳定度指标优于6x l(T n T-1/2(l~l〇〇s)。

最后，对芯片化设计及微型C PT原子钟应用进行了展望。

关键词：Coherent population trapping(C PT);微型原子钟；设计；微小卫星中图分类号:V443 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 02-0025-MD O I：10.3969/j.issn. 1674-7135.2017.02.005Design of A Miniature CPT Cesium Atomic ClockZHAI Hao12,LIAN Ji-qing1'2,CHEN Da-yong1'2(nzhou Institute of Physics,Lanzhou 730000,China；2.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory,Lanzhou 730000,China)Abstract：Passive coherent population trapping( CPT) atomic clock can be designed as a miniature and even chip-scale atomic clock.According to application requirements of micro-satellites and man-portable instruments on the ground,the design of a CPT Cs atomic clock was proposed.The advantages of physics design of the CPT atomic clock based on 133Cs were analyzed.The prototype of the clock was designed and implemented.The test results indicate the volume less than 100 m l,the power dissipation less than 2W and the stability superior to 6x l〇1/2( 1〜100s) .At last the prospect of the design of chip scale atomic clock and the applications of miniature CPT atomic clock was reviewed.Key words：CPT( Coherent Population Trapping) ；Miniature atomic clock；Design；Micro-satellites〇引言原子钟是时间频率系统的核心部件，随着电子信息技术的发展，其工程化应用越来越广。

芯片式原子钟 -回复

芯片式原子钟-回复芯片式原子钟是一种使用芯片技术来实现的原子钟，它具有极高的精度和稳定性，广泛应用于科学研究、导航系统、通信网络等领域。

本文将逐步介绍芯片式原子钟的工作原理、制造工艺及应用领域，并探讨其未来发展的趋势。

首先，我们来了解芯片式原子钟的工作原理。

原子钟是利用原子的振荡频率来测量时间的装置。

芯片式原子钟通过将原子内部的电子转换为可计数的信号脉冲来实现时间的测量。

具体来说，它利用了原子的原子间跃迁的稳定性，将原子的振荡频率转换为电波信号，并使用电路将这些信号处理成为可用的时间标准。

接下来，我们介绍一下芯片式原子钟的制造工艺。

芯片式原子钟的制造工艺主要包括原子源的制备、原子激发和探测、信号转换和放大等步骤。

首先，原子源的制备是关键的一步，通常采用稀薄原子金属薄膜的方法。

然后，通过激发原子获得原子的跃迁信号，这一过程通常采用激光辐射或磁共振的方法。

接下来，利用电路将原子的跃迁信号转换为电信号，并通过放大电路提高信号的灵敏度。

最后，将信号输出为标准的时间信号，用于其他设备的同步。

芯片式原子钟具有许多优势，使得它在许多领域中得到广泛应用。

首先，它具有非常高的精度和稳定性，通常误差在纳秒或更小的范围内，比传统的石英钟或铯钟要准确得多。

其次，它体积小、功耗低，便于集成到其他设备中。

再次，它的成本相对较低，适合大规模应用。

最后，由于其高度的稳定性，芯片式原子钟可以在恶劣的环境条件下工作，如高温、低温或高辐射的环境。

芯片式原子钟在许多应用领域中发挥着重要的作用。

首先，它在科学研究中被广泛应用于时间测量，如精密测量、空间探测、相对论测试等。

其次，由于其高精度和稳定性，芯片式原子钟在导航系统中扮演着关键的角色，如全球定位系统（GPS）或定位导航系统（INS）。

此外，芯片式原子钟还被广泛应用于通信网络、金融交易、无线电电视等领域，以确保数据的准确同步。

展望未来，芯片式原子钟有望进一步发展。

首先，随着科技的进步和芯片技术的改进，芯片式原子钟的精度和稳定性将进一步提高。

原子钟的新精度博士生实现了一种更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域

原子钟的新精度博士生实现了一种更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域原子钟的新精度原子钟是一种利用原子物理过程来测量时间，具有极高的精度和稳定性。

近年来，博士生们在原子钟技术的研究中取得了重大突破，实现了更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域。

本文将重点介绍这一新技术的原理和应用前景。

一、原子钟技术简介原子钟是利用原子（通常为铷、铯等元素）的稳定原子能级进行时间测量的设备。

其基本原理是通过一个非常稳定的振荡系统，将原子的电磁振动频率转换为时间单位，并与标准时间进行比较，从而精确地测量出时间。

二、博士生实现的新技术博士生们在原子钟技术的研究中提出了一种更高精度的方法。

他们通过控制原子的能级转换时间，减小了原子钟的频率误差。

同时，他们优化了原子钟的振荡系统，提高了稳定性和精度。

具体来说，他们利用精确的激光技术，操纵原子的能级转换频率，使其与参考时钟保持同步。

此外，他们还引入了一种新型的温度控制技术，用于降低原子钟受温度影响的误差，进一步提高了精度。

三、应用前景新精度的原子钟技术在导航和通信领域具有广泛的应用前景。

在导航领域，原子钟被广泛应用于全球卫星导航系统（GNSS）中。

GNSS依赖于卫星上的原子钟来提供准确的时间和位置信息。

原子钟的更高精度将使GNSS在航空、航海和地理测量等领域的精度得到大幅提升，提供更可靠的导航服务。

在通信领域，原子钟的高精度对于数据传输的同步和精确计时至关重要。

例如，高频交易等金融交易需要纳秒级的时间同步，而原子钟的更高精度将能够满足这一需求。

此外，原子钟还被用于天文观测、科学实验等领域，为相关研究提供准确的时间基准。

总之，博士生们实现的更高精度的原子钟技术为导航和通信领域带来了巨大的进步。

其应用前景广阔，将为人们的生活和科技发展带来更精确和可靠的时间标准。

随着技术的不断进步，相信原子钟的精度还会不断提高，为人类带来更多惊喜和便利。

[惯性技术之窗] 芯片级原子钟(CSAC)——目前最小军民两用原子钟(二)

[惯性技术之窗] 芯片级原子钟（CSAC）——目前最小军民两用原子钟（二）（继续）世界上首款芯片级原子钟CSAC SA.45 CSAC SA.45s采用CPT现象解调原子频率，并通过新颖的电子结构，实现了小型化和低功耗的芯片级原子钟。

SA.45s 电路系统包含低功耗数字信号处理器、高分辨率微波合成器和模拟信号处理。

微波输出源自可调谐的晶体振荡器，并施加到物理表头内的激光上，以便产生CPT 解调所需的两个边带。

在通过铯蒸汽原子气室后，光电探测器检测发射过来的激光。

基于所测量的原子响应，微处理器调整了晶体振荡器的频率。

物理系统（图10）中包含了“中心叠层”和“热绝缘系统”。

中心叠层包含VCSEL、原子气室和光电二极管。

从VCSEL发出的激光在通过原子气室前，会因为通过单元间隔柱而发散，并在光电探测器上被检测。

图10 CSAC SA.45s物理表头及在电路系统中的位置热绝缘系统的功能主要是支撑中心叠层，同时为周围环境提供高度的隔热，最大限度地减小所需要的加热器功率。

热绝缘系统包含上下悬架和真空封装。

真空封装消除了由于气体导热和对流而产生的热损失。

通过悬架设计，使导热造成的热损失减少到最小。

上下悬架由一层薄的聚酰亚胺薄膜制成，带有金属图案导线，可与中心叠层来回发送信号。

中心叠层需要悬挂在两个聚酰亚胺“圆柱头”之间。

这种结构非常牢固，能够承受超过1000g （1ms 半正弦波的机械冲击，并提供极高的热阻（>5000℃/W）。

此外，将电气连接图案印在聚酰亚胺上，无需机械支持，因此它们的尺寸由电气要求而不是机械要求来确定，从而减少了由于热通过连接传导而产生的热负荷。

芯片级原子钟的应用鉴于芯片级原子钟的性能基准，目前“最适合”芯片级原子钟的应用将是：海底地震感测。

在海底地震感测技术中，多种水下传感系统都依赖于精确定时的有效性。

由于在水下难以从GPS 获得精确的时间，因此这类传感器通常会依赖于恒温晶振，用以从传感器内获得稳定和准确的时间戳。

芯片级原子钟评测报告

CSAC-SA.45s原子钟测试——儒科测评报告测评概述：全球最小的芯片级原子钟CSAC—SA.45s现已经正式登陆中国，儒科电子对首批到货的CSAC进行了相关性能测试以期为客户选型提供依据。

本次测试，使用我们公司自主研制的高性能GPS同步时钟——TG100系统作为测试参考源，分别对CSAC的10MHz输出和1PPS相关指标进行了测试，并同其它铷钟进行了一个横向比较。

测试内容包括CSAC的10MHz的频率准确度、短期稳定性、相位噪声，以及1PPS信号的定时精度、锁定频率准确度、保持稳定性和24小时保持等关键指标。

此外，还对CSAC的锁定时间和功耗进行了测试。

测试设备：测试参考源：TG100-FTS同步时钟的10MHz输出以及1PPS秒脉冲；频率计数器：Agilent 53132A；相噪测试仪：Symmetricom TSC 5125A；万用表、直流电源设备。

待测设备：Symmetricom SA.45s芯片级原子钟。

测试连接：1.使用TG100同步时钟作为参考源（连续工作24小时以上）测试CSAC的1PPS和10MHz输出；2.使用屋顶天线，收星状况良好。

图表1 测试连接测试综述：CSAC 的各项指标测试良好； ☆锁定时间约为：60s ；☆开机功耗约为：110mW ，稳定运行时功耗约为：90mW ； ☆10MHz 输出的相噪、短稳、频率准确度和普通铷钟水平相当； ☆1PPS 锁定输出峰峰值实测67小时保持在20ns 以内； ☆1PPS 锁定67小时平均频率准确度为：2.32E-14； ☆1PPS 保持24小时相差为：4us ；☆1PPS 保持24小时平均频率准确度为：4.72E-11。

测试项目：一、开机锁定时间原子钟型号锁定时间CSAC原子钟约60sSA.3xm系列铷钟约5分钟X72系列铷钟约6分钟图表 2 开机锁定时间对比二、开机功耗原子钟型号开机功耗稳定运行时功耗CSAC原子钟110 mW 90m WSA.3xm系列14 W 5 WX72系列18 W（最大）10 W图表 3 功耗对比注明：测试的时候要求测试环境的温度在25℃左右三、10MHz方波输出1.频率准确度图表 4 频率准确度2.相位噪声图表 5 相位噪声CSAC锁定时候的10MHz频率准确度可以达到E-10量级CSAC的10MHz输出的相噪与普通铷钟SA.31m性能相当相位噪声（10MHz）SA.31m CSAC实测结果@1Hz<-65dBc/Hz <-64.54dBc/Hz@10Hz <-85dBc/Hz <-93.75dBc/Hz@100Hz<-112dBc/Hz <-120.67dBc/Hz@1KHz<-130dBc/Hz <-132.79dBc/Hz@10KHz <-140dBc/hz <-140.43dBc/Hz图表 6 相噪对比3.短期稳定性CSAC的短期稳定性与普通铷钟SA.31m的性能相当图表 7 阿伦方差10MHz输出短期稳定性SA.31m CSAC实测结果@1S ≤5E-11 5.31E-11@10S ≤2.5E-11 1.96E-11@100S ≤1E-11 7.90E-12图表 8 短稳对比四、1PPS相关指标1.1PPS定时精度（锁定到GPS）1PPS输出峰峰值实测67小时保持在20ns以内图表 9 锁定PPS精度1PPS定时精度测试数据采集从CSAC刚开始锁定到外部1PPS时进行记录。

铯原子钟精度

铯原子钟精度一、铯原子钟的背景和原理铯原子钟是一种高精度的时间测量装置，其精度可以达到每秒钟误差不到一纳秒。

它是基于铯原子的电磁辐射频率特性来实现时间测量的。

铯原子钟的发明和发展，对于现代科学技术领域具有重要意义。

二、铯原子钟精度对科学研究的意义1. 铯原子钟在导航系统中的应用导航系统是现代社会不可或缺的一部分，而其中时间同步性和高精度对导航系统来说尤为重要。

铯原子钟可以提供高精度和稳定性的时间标准，为导航系统提供准确可靠的定位和导航服务。

2. 铯原子钟在通信领域中的应用随着通信技术不断发展，人们对通信信号传输速率和稳定性要求越来越高。

而铯原子钟可以提供非常准确可靠的时标，用于同步通信设备中各个节点之间传输数据，确保数据传输速率和稳定性。

3. 铯原子钟在科学实验中的应用科学实验需要非常精确的时间标准，以确保实验的准确性和可重复性。

铯原子钟可以为科学实验提供高精度的时间标准，帮助科学家们进行精密测量和实验，推动科学研究的发展。

三、铯原子钟精度提高的技术手段1. 温度控制技术铯原子钟中，温度对原子的运动状态和能级分布有着重要影响。

通过精确控制温度，可以减小温度对原子运动状态和能级分布产生的影响，提高铯原子钟的稳定性和精度。

2. 磁场控制技术磁场对铯原子内部能级结构有着重要影响。

通过精确控制磁场强度和方向，可以调节铯原子内部能级结构，并使其与电磁辐射频率产生更为精确的共振。

这样就可以提高铯原子钟测量时间的准确性。

3. 激光技术激光技术是现代科学中不可或缺的一部分。

在铯原子钟中，激光被用来激发并测量铯原子内部能级之间跃迁所对应的频率。

通过使用高精度的激光技术，可以提高铯原子钟的频率测量精度，从而提高铯原子钟的整体精度。

四、铯原子钟精度的应用前景1. 时空导航系统随着航天技术和导航系统的不断发展，对时间和空间定位精度要求越来越高。

铯原子钟可以为时空导航系统提供高精度和稳定性的时间标准，为卫星导航、定位和测量等应用领域提供更准确可靠的服务。

芯片级原子钟评测报告

CSAC-SA.45s原子钟测试——儒科测评报告测评概述：全球最小的芯片级原子钟CSAC—SA.45s现已经正式登陆中国，儒科电子对首批到货的CSAC进行了相关性能测试以期为客户选型提供依据。

本次测试，使用我们公司自主研制的高性能GPS同步时钟——TG100系统作为测试参考源，分别对CSAC的10MHz输出和1PPS相关指标进行了测试，并同其它铷钟进行了一个横向比较。

测试内容包括CSAC的10MHz的频率准确度、短期稳定性、相位噪声，以及1PPS信号的定时精度、锁定频率准确度、保持稳定性和24小时保持等关键指标。

此外，还对CSAC的锁定时间和功耗进行了测试。

测试设备：测试参考源：TG100-FTS同步时钟的10MHz输出以及1PPS秒脉冲；频率计数器：Agilent 53132A；相噪测试仪：Symmetricom TSC 5125A；万用表、直流电源设备。

待测设备：Symmetricom SA.45s芯片级原子钟。

测试连接：1.使用TG100同步时钟作为参考源（连续工作24小时以上）测试CSAC的1PPS和10MHz输出；2.使用屋顶天线，收星状况良好。

图表1 测试连接测试综述：CSAC 的各项指标测试良好； ☆锁定时间约为：60s ；☆开机功耗约为：110mW ，稳定运行时功耗约为：90mW ； ☆10MHz 输出的相噪、短稳、频率准确度和普通铷钟水平相当； ☆1PPS 锁定输出峰峰值实测67小时保持在20ns 以内； ☆1PPS 锁定67小时平均频率准确度为：2.32E-14； ☆1PPS 保持24小时相差为：4us ；☆1PPS 保持24小时平均频率准确度为：4.72E-11。

测试项目：一、开机锁定时间原子钟型号锁定时间CSAC原子钟约60sSA.3xm系列铷钟约5分钟X72系列铷钟约6分钟图表 2 开机锁定时间对比二、开机功耗原子钟型号开机功耗稳定运行时功耗CSAC原子钟110 mW 90m WSA.3xm系列14 W 5 WX72系列18 W（最大）10 W图表 3 功耗对比注明：测试的时候要求测试环境的温度在25℃左右三、10MHz方波输出1.频率准确度图表 4 频率准确度2.相位噪声图表 5 相位噪声CSAC锁定时候的10MHz频率准确度可以达到E-10量级CSAC的10MHz输出的相噪与普通铷钟SA.31m性能相当相位噪声（10MHz）SA.31m CSAC实测结果@1Hz<-65dBc/Hz <-64.54dBc/Hz@10Hz <-85dBc/Hz <-93.75dBc/Hz@100Hz<-112dBc/Hz <-120.67dBc/Hz@1KHz<-130dBc/Hz <-132.79dBc/Hz@10KHz <-140dBc/hz <-140.43dBc/Hz图表 6 相噪对比3.短期稳定性CSAC的短期稳定性与普通铷钟SA.31m的性能相当图表 7 阿伦方差10MHz输出短期稳定性SA.31m CSAC实测结果@1S ≤5E-11 5.31E-11@10S ≤2.5E-11 1.96E-11@100S ≤1E-11 7.90E-12图表 8 短稳对比四、1PPS相关指标1.1PPS定时精度（锁定到GPS）1PPS输出峰峰值实测67小时保持在20ns以内图表 9 锁定PPS精度1PPS定时精度测试数据采集从CSAC刚开始锁定到外部1PPS时进行记录。

中国研制的铯原子喷泉钟精度可达3000年不差一秒

中国研制的铯原子喷泉钟精度可达3000年不差一秒国家原子时比对测量系统如今，电子商务网站会定期发布一些价格低廉的商品，往往一上架就被抢购一空，有时只用一秒钟，于是有了“秒杀”这一销售噱头。

在人类日常生活中，当时间精确到秒时，已经让人感觉很短暂，然而在很多领域，可能还需要使用更精确的时间，比如百分之一秒的差别将决定田径运动员胜负、炮弹的发射精度需要达到千分之一秒、雷达甚至需要百万分之一秒的时间精度，这就要不断地提高计量时间频率的精度。

中国科学院时间频率基准重点实验室正在为更高精度的时间而努力，同时他们还需要传递和保持产生的时间。

守候时间30年时间频率基准重点实验室首席研究员董绍武在自己的岗位上工作了整整30年。

记者是在一个装满仪器的实验室里见到董绍武，后来才知道实验室里那些仪器上跳动的红色数字就是中国标准时间。

这些时间并不是完全相同，经董绍武介绍，其中既有中国标准时间——北京时间，也有国际原子时，还有协调世界时，也叫格林威治时间，协调世界时UTC是当前的国际标准时间，与北京时间相差8小时。

目前的世界时通过地球自转测量获得，比原子时慢35秒。

董绍武介绍，从1958年1月1日开始，原子钟时间与地球自转时间对准，但因为地球自转的减慢，导致1秒的长度发生变化，不再“准时”，于是就需要隔一段时间人为给原子钟时间增加或减少1秒，即闰秒。

别小看了这样1秒，在通信、证券、航空、地震勘探等领域，这1秒的影响无法忽视。

尤其是在航天领域里，飞船1秒就要飞将近8公里的路程，可谓失之毫厘谬以千里。

因此，在董绍武的实验室里还有我国北斗时间和美国GPS时间，虽然他们与协调世界时间不一致，但却是自己领域里的参考时间。

目前，时间频率基准重点实验室采用23台铯原子钟和3台氢原子钟组成守时钟组，之所以有两种原子钟，董绍武指出，因为铯原子钟长期稳定性好，但短期波动性较大，而氢原子钟短期稳定性好，长期则有频率漂移。

结合使用，可以保障原子钟产生的时间在长短期内保持稳定。

芯片级铯原子钟关键技术研究

芯片级铯原子钟关键技术研究随着技术的进步,高端电子设备对时间和频率参考的精度和稳定性方面都提出了更严格的要求。

由于准确度高,长期稳定性好,传统原子钟被广泛应用于GPS 授时、导航定位、导弹及卫星定位、天文观测、精密仪器仪表校准,通信、高速交通管理、地球物理勘探等领域。

但是,传统原子钟体积大,功耗高,价格昂贵,使之在手持电子设备和移动电子设备中的应用受到一定的限制。

芯片级原子钟(CSAC,Chip-scale Atomic Clock)的出现,为上述应用提供了一条新的途径。

芯片级原子钟系统主要有三大部分组成,即物理封装、微波射频模块和微处理器伺服环路控制模块。

其中最核心的部分是物理封装部分,该部分由垂直腔表面发射激光器(VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、微光学透镜组、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)铯蒸汽泡、铟锡氧化物(ITO,Indium Tin Oxide)加热器和光电探测器组成。

微波射频模块利用一个高品质因数的薄膜体声波谐振器(FBAR,Film Bulk Acoustic wave Resonator)构建的压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)实现。

伺服环路控制模块由低功耗的单片机进行控制,主要包括温度控制伺服环路、垂直腔表面发射激光器的电流控制伺服环路、射频功率和频率伺服环路四个部分。

与传统的小型原子钟相比,芯片级原子钟在三个方面进行了改进:一是用微型的VCSEL激光器代替了铷灯(或铯灯);二是用稳定的微波信号源直接调制VCSEL激光器替代体积庞大的微波谐振腔;三是用微小的MEMS铯蒸汽泡代替大的含有铯(或铷)蒸汽的玻璃泡。

这些改进在频率精度和稳定性相同的情况下,大幅度降低了芯片级原子钟的功耗(从大于10W降低到100mW以下)和体积(从大于230cm3减小到10cm3以下),扩大了芯片级原子钟的应用领域,但同时也带来了新的技术挑战。

芯片级原子钟及多通道数据采集同步系统研究

芯片级原子钟及多通道数据采集同步系统研究随着量子物理学、微波波谱学和无线电电子学的深入发展,人们认识到不受外界干扰的原子、分子的内部运动状态非常稳定,因此努力将时间频率的计量标准定义到微观量子态的稳定周期信号上。

在1967年召开的国际计量大会上,人们对秒进行了新的定义:在零磁场中铯原子(133)基态的两超精细能级间的跃迁频率的9192631770个周期所持续的时间称为原子时的1秒。

至此,人们进入了原子时时代。

传统型原子钟由于精度高和稳定性好等优点,被广泛应用在精密导航、精密时间同步和军事相关领域。

但是其具有价格高、功耗高和体积大等缺点,不利于在便携式设备中应用。

小型化和微型化的原子钟由于具有较小的尺寸、极低的功耗以及中等的精度和稳定性,在便携式设备中有极大的用武之地,得到了越来越多的关注。

芯片级原子钟(CSAC)是一种微型化原子钟,主要由射频信号源模块、物理封装模块和外围控制电路组成,具有功耗低、体积小和价格低等优点。

本文一方面通过研究芯片级原子钟的射频信号源模块、外围控制电路模块和物理封装的组装与测试,为实现芯片级原子钟样机打下了坚实的基础;另一方面针对现有地面电磁探测系统同步方案的不足,提出了一种基于芯片级原子钟的多通道数据采集同步系统,为我国地面电磁探测系统提供了一种新的同步方案。

具体工作及创新如下:(1)针对提高芯片级原子钟的输出稳定度的问题,提出采用锁相环电路作为射频频率源,电路主要包括压控振荡器、频率综合器和环路滤波器。

同时针对所研制的压控振荡器进行了高低温测试和良率测试,结果表明压控振荡器高低温性能良好,1000个样品的相位噪声均值为-60.83d Bc/Hz@1k Hz,性能优异。

对所设计的锁相环电路进行了仿真和实际测试,结果显示,在300Hz频率偏移下,相位噪声为-83.57d Bc/Hz。

远优于由Romisch S和Lutwak R提出的芯片级原子钟射频信号源的指标:-43d Bc/Hz@300Hz。

用于铯芯片级原子钟的4.596 GHz射频源研制

用于铯芯片级原子钟的4.596 GHz射频源研制季磊;汤亮;张忠山【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2015(0)2【摘要】芯片级原子钟主要包括射频模块、物理封装模块以及其他的外围控制模块.射频模块的设计关系到芯片级原子钟的短期稳定度,所以射频模块在芯片级原子钟的设计时是非常重要的一部分.本文利用数字锁相环技术实现频率为4.596GHz 的射频源,射频源由三部分组成,包括小数分频频率综合器、压控振荡器和环路滤波器.数字锁相环具有相位噪声低,频谱稳定度高等特点.此外,由于小数分频频率综合器是可编程的,可以通过配置N分频器与R分频器实现输出频率的快速扫描.与此同时,根据相关公式,可以计算出三阶无源环路滤波器的近似参数值,所设计的环路滤波器具有300 kHz的环路带宽以及55°的相位裕度.最后,整个基于数字锁相环技术实现的射频源通过仿真、硬件实现以及测试.测试结果显示,射频源的相位噪声为-74.02 dBc/Hz@300 Hz,符合芯片级原子钟射频源的设计要求.【总页数】5页(P152-156)【作者】季磊;汤亮;张忠山【作者单位】苏州大学电子信息学院,江苏苏州215000;中国科学院声学研究所,北京100190;苏州大学电子信息学院,江苏苏州215000【正文语种】中文【中图分类】TN124【相关文献】1.用于CPT芯片级原子钟的滤波器设计 [J], 和灿斌;刘瑞元;赵建业2.芯片级原子钟专用射频模块设计 [J], 罗国勇;赵建业;3.芯片级原子钟专用射频模块设计 [J], 罗国勇;赵建业4.894 nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用∗ [J], 张星;张奕;张建伟;张建;钟础宇;黄佑文;宁永强;顾思洪;王立军5.小型铯原子钟用压控晶振的研制 [J], 高尚志因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

1500万年不差一秒中国计量院研制成功NIM5铯原子喷泉钟

1500万年不差一秒中国计量院研制成功NIM5铯原子喷泉
钟
刘旭红
【期刊名称】《中国计量》
【年(卷),期】2011()1
【摘要】2010年11月30日,由中国计量科学研究院（NIM）自主研制的＂NIM5可搬运激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准＂通过了国家质检总局组织的专家鉴定。

经鉴定,NIM5铯原子喷泉钟的频率不确定度达到2×10^15，
【总页数】1页(P11-11)
【关键词】中国计量科学研究院;铯原子喷泉钟;计量院;时间频率基准;国家质检总局;专家鉴定;激光冷却;自主研制
【作者】刘旭红
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TB9-24
【相关文献】
1.我国铯钟2000万年不差一秒 [J], 刘志强
2.30万年不差一秒的原子钟 [J], 李荣成
3.我国铯钟2000万年不差一秒 [J], 刘志强;
4.我自主研制NIM5铯原子钟1500万年不差一秒 [J],
5.中国“NIM5铯原子喷泉钟”通过评审:2000万年不差一秒 [J], 陈海波
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铯原子钟驱动源——852nm可调谐光纤激光器研究的开题报告

铯原子钟驱动源——852nm可调谐光纤激光器研究的开题报告1. 研究背景钟是现代精密科学技术的重要组成部分，铯原子钟作为目前最为常用的钟之一，在精度、稳定性等方面表现出色，被广泛应用于通信、导航、地球物理等领域。

铯原子钟的准确度对其它技术的准确度都有很大的影响。

铯原子钟需要使用准确稳定的光源来驱动，以保证钟的高精度和稳定性。

可调谐光纤激光器是驱动铯原子钟的一种理想光源，可以在较高的频率精度和长时间稳定性下提供高质量的激光光源。

因此，在854nm可调谐光纤激光器驱动铯原子钟方面的研究具有重要的理论和实际意义。

2. 研究目的本研究旨在探究可调谐光纤激光器驱动铯原子钟的原理、优势和不足之处，并在此基础上开展852nm可调谐光纤激光器的研究。

通过实验，研究其输出功率、频率精度和长时间稳定性等性能指标，为铯原子钟的实际应用提供更为稳定和精准的驱动光源。

3. 研究内容(1) 可调谐光纤激光器驱动铯原子钟的原理和机理探究(2) 852nm可调谐光纤激光器的设计、制备和测试(3) 分析852nm可调谐光纤激光器在驱动铯原子钟中的性能指标，包括频率精度、输出功率和长时间稳定性等(4) 基于实验结果，对驱动铯原子钟的852nm可调谐光纤激光器进行性能优化4. 研究方法(1) 理论探讨：综合前人研究成果和相关文献，阅读光纤激光器和铯原子钟等相关领域的理论知识和最新进展。

(2) 852nm可调谐光纤激光器制备与测试：选择合适的光纤材料和光谱分析设备，制备852nm可调谐光纤激光器，并进行频率、输出功率和长时间稳定性等性能测试。

(3) 实验设计与数据处理：将852nm可调谐光纤激光器与铯原子钟连接，在恒温、恒湿条件下进行连续运行，记录实验数据并进行分析和处理，提取性能指标。

(4) 性能优化：根据实验结果，对852nm可调谐光纤激光器进行性能优化设计，以提高频率精度和输出功率、减小相位噪声、提高长时间稳定性和可靠性。

5. 研究意义(1) 提高铯原子钟的精度和稳定性，为现代通信、导航、地球物理等领域提供更为准确和可靠的时间基准。

芯片级铯原子钟关键技术研究

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高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

211233497_国产高性能光抽运小铯钟研制进展

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芯片级铯原子钟MEMS气室的气密性封装

一种微型CPT铯原子钟的设计

芯片式原子钟 -回复

原子钟的新精度博士生实现了一种更高精度的原子钟技术应用于导航和通信领域

[惯性技术之窗] 芯片级原子钟(CSAC)——目前最小军民两用原子钟(二)

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