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
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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。
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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。
本文就芯片级原子钟系统的关键技术,展开了研究,主要工作如下:(1)设计
了满足芯片级原子钟系统需要的FBAR:以氮化铝(AlN)为压电层材料,通过理论
分析、数值建模、仿真等,设计出谐振频率为4.6GHz,品质因数为754的FBAR器件。
(2)提出了制备MEMS铯蒸汽泡的新方法,解决了MEMS铯蒸汽泡漏气的问题:通过制备工艺优化,采用同时加载特定静电键合电压和合适温度等成功制备同时包含缓冲气体和铯的MEMS铯蒸汽泡,该方法制备出的MEMS铯蒸汽泡在时隔1年被测得重合的铯吸收谱线,证明新的方法解决了MEMS铯蒸汽泡漏气的问题。
(3)设计了透明ITO薄膜的制备工艺流程,解决了满足一定透光率的局部加
热问题:利用优化的射频磁控溅射参数制备出高透射率的ITO薄膜,由该薄膜构
成的加热结构对895nm波长激光的透射率为82.3%,将非真空物理封装加热到85℃的时间小于420s。
(4)设计了低功耗的真空组装结构,实现了CSAC的物理封装:
组装结构由VCSEL、四分之一波片、MEMS铯蒸汽泡、ITO加热器、光电探测器组成,该组装结构被压焊在电路板上,之后被真空封装;通过使用低导热系数材料减小了物理封装热传导,将物理封装功耗降低到300mW。
该物理封装被测试到铯的吸收谱线和微波调制的铯吸收谱线,证明物理封装可以满足芯片级原子钟系统的要求。