芯片級原子鐘的研究進展

劉雅麗,李維,武騰飛,李新良

(航空工業北京長城計量測試技術研究所 計量與校準技術重點實驗室,北京 100095)

0 引言

微型定位導航授時(Micro positioning,navigation and timing,Micro-PNT)系統是確定時間和空間的關鍵技術,以其體積小、功耗低、精度高的優點在國民經濟、軍事領域和國家安全等方面具有廣泛的應用潛力[1]。傳統的全球衛星導航系統(global navigation satellite system,GNSS)存在易受干擾和遮擋的問題,而Micro-PNT系統可以很好地解決上述問題,可應用于GNSS信號不佳的山洞、深淵、森林等極端環境。另外,Micro-PNT系統可以極大地降低慣性導航系統的累積誤差,延長其單獨工作時長。Micro-PNT系統結合了全球衛星導航系統與慣性導航系統,以低功耗、微體積、高精度的芯片級原子鐘(chip scale atomic clock,CSAC)為時鐘基礎,發播定位導航授時信號[2-3]。同時,芯片級原子鐘向接收機、加速度計和陀螺儀等發送高精度的時鐘信號,也將大大提升Micro-PNT系統的性能[1]。

芯片級原子鐘包括芯片級微波原子鐘和芯片級光學原子鐘。芯片級微波原子鐘是傳統相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子鐘,它基于相干布居囚禁原理,通過微波頻率信號來調節兩相干光場,使其與原子基態的兩超精細能級躍遷至同一激發態能級的頻率發生共振,從而獲得精度高的標準頻率信號的輸出[4]。與小型恒溫晶振相比,芯片級微波原子鐘在體積和功耗上與之相當,但是長期穩定度要比其高3個量級以上。另外,其體積和功耗要比銣原子鐘小近2個量級[5-6]。芯片級光學原子鐘是一種作為參考標準的原子能級躍遷頻率處于光頻波段的原子鐘,其工作原理與微波原子鐘相似,除了躍遷頻段不同之外,其頻率發生器是穩頻激光器而不是微波原子鐘的晶體振蕩器。因為光學頻率比微波頻率要高5個量級,故芯片級光學原子鐘比芯片級微波原子鐘具有更高的理論精度。本文對比了國內外芯片級原子鐘的研究現狀,闡述了研制的難點及需要突破的關鍵技術,最后對芯片級原子鐘的發展趨勢進行了展望。

1 芯片級原子鐘研究現狀

1.1 國外研究現狀

1976年,Alzetta等人[7]通過激光與鈉原子的作用研究了氣室中鈉原子的三能級結構,并且首次觀察到了CPT現象。

1993年,加拿大科學家Cyr等人[8]提出了利用CPT原理來研制堿金屬原子鐘的建議,從此人們展開了對CPT原子鐘的廣泛研究。

1995年,Westinghouse公司(現在的Northrup-Grumman公司)的一個小組[9-10]率先在CPT原子鐘中使用垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSEL)來代替放電燈,減少原子鐘的功耗和尺寸。他們使用微型玻璃氣室制備微波腔,得到的物理裝置體積為16 cm3,功耗為幾百毫瓦,時鐘的短期穩定性為2×10-11τ-1/2,104s內的長期漂移為3×10-12。

2000年,美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的Kitching等人[11]提出了芯片級原子鐘的構想。他們研究了Cs原子蒸氣中的暗線共振,利用VCSEL發出的光激發共振,并且通過直流吸收的變化來檢測共振,從而形成了非常簡單的物理封裝,如圖1所示。其體積小于1 cm×1 cm×2 cm,功耗遠遠小于100 mW,在1 s到10 s的積分時間內顯示出3×10-11的頻率不穩定度。2001年[12],他們設計了一款簡單、緊湊、低功耗的CPT原子鐘,物理封裝如圖2所示。裝置體積為6.6 cm×1.6 cm×1.3 cm,在沒有熱控制的情況下功耗小于30 mW,100 s內的不穩定度為1.3×10-10。

圖1 NIST的芯片級原子鐘物理封裝示意圖

圖2 NIST的CPT原子鐘微型系統

2002年,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動了芯片級原子鐘的研制計劃,包括NIST在內的多個團隊參與了該計劃[5]。

2004年,NIST的Knappe等人[13]研制出了首個芯片級原子鐘原理樣機,結構如圖3所示。從下到上依次由激光組件、光學組件、原子氣室、光電探測組件垂直堆疊而成,整個物理系統體積為9.5 mm3,系統功耗75 mW,短期穩定度達到了2.4×10-10τ-1/2,長期不穩定性頻率漂移約為-2×10-8/天。

圖3 首個芯片級原子鐘原理樣機結構圖

2008年,Teledyne Scientific公司[14]成功研制出芯片級原子鐘原理樣機,如圖4所示。其體積小于1 cm3,功耗小于30 mW,積分時間為1 h的Allan偏差小于1×10-11,滿足了DARPA目標,但是該原理樣機輸出的時鐘頻率并不是標準的10 MHz,不適合量產。

圖4 Teledyne Scientific公司研制的芯片級原子鐘

芯片級原子鐘成為各國競相研發的、具有戰略意義的裝置,其中,美國的技術水平處于全球領先地位。此外,據國外公開報道,歐盟、日本也實現了芯片級原子鐘原理樣機的研制。2010年,歐盟的Schori等人[17]研制出了芯片級原子鐘樣機,如圖5所示。其短期頻率穩定度為7×10-11τ-1/2(τ<100 s)。2018年,日本Hara等人[18]將3.5 GHz的薄膜體聲諧振器應用到一個壓控振蕩器上,作為小型化原子頻率標準的本端振蕩器,研制出了芯片級原子鐘樣機,1 s內頻率穩定度為2.1×10-11。

圖5 歐盟研制的移除磁罩的芯片級原子鐘樣機

2011年1月18日,Symetricom技術研究中心[15]宣布SA.45 s芯片級原子鐘(CSAC)全面上市。SA.45s是第一種商用的CSAC,功耗小于125 mW,短期穩定度小于3×10-10τ-1/2,其實物圖和物理封裝圖如圖6所示。

圖6 Symmetricom的SA.45s芯片級原子鐘

過去幾十年,美國的DARPA在原子鐘技術的進步和微型化方面投入了大量資金,研制出芯片級原子鐘并且已上市,具有體積小、重量輕、低功耗等特點,并提供前所未有的授時穩定性。然而,由于物理特性與設計相關,第一代芯片級原子鐘的性能從根本上受到了限制,由于它存在上電頻差,使得上電后需要6～12 h校準,同時由于存在溫漂和頻漂,其有效工作時間只能持續3～6 h。校準要求和頻率漂移會產生授時誤差,因此難以在便攜式封裝中達到最高程度的準確性和可靠性。DARPA認為穩定性更高的芯片化原子鐘將具有更廣闊的的應用前景,在此背景下,DARPA在2015年年底啟動了“高穩原子鐘”(ACES)項目,探索下一代電池供電型芯片級原子鐘的開發。ACES項目分為三個階段:在第一階段,在實驗室內研制出性能優越的關鍵部件;在第二階段,將原子鐘組件集成并將其封裝在一個不超過30 cm3的包中;在第三階段,將相關電子設備整合到一個體積不超過50 cm3的包中。ACES項目重點關注原子鐘頻率溫度系數、頻率漂移、頻率復現性,與現有原型相比,關鍵性能參數提高了1000倍。

2019年8月,DARPA宣布ACES項目取得突破性進展,美國國家航空航天局噴氣推進實驗室團隊開發出的芯片級原子鐘受溫度和環境因素干擾小,定位精度是之前原子鐘的100倍;霍尼韋爾公司成功開發了能夠使原子鐘小型化的精密原子傳感器;NIST開發的芯片級原子鐘也比先前的原子鐘性能優越。NIST團隊展示了一個實驗性的光學原子鐘[16],如圖7所示,它只由三個小芯片構成,可支持電子器件和光學器件。不同于工作在微波頻率下跟蹤Cs原子振蕩的標準原子鐘,光學原子鐘可運行在更高的頻率下并提供更高的精度,因為它們可將時間分成更小的單位。該光鐘使用激光跟蹤Rb原子振蕩,這些Rb原子被限制在一個由微型玻璃容器構成的蒸汽室中,玻璃容器直徑3 mm,位于硅片頂部。在時鐘芯片的“心臟”內,兩個頻率梳就像齒輪一樣將Rb原子的高頻光學“滴答”轉換成較低的微波頻率。該時鐘除了提供更高的準確度(大約比當前基于銫的CSAC高50倍),功耗更低,僅275 mW。

圖7 芯片級光學原子鐘結構圖

1.2 國內研究現狀

國內研究芯片級原子鐘起步較晚,主要研究機構有中國科學院武漢物理與數學研究所、成都天奧電子股份有限公司、航天科工203所、北京大學等單位[19-23]。

2006年,中國科學院武漢物理與數學研究所的顧思洪小組[19]成功研制出國內首臺CPT原子鐘原理樣機。之后,他們一直致力于研制具有重要應用背景的芯片級原子鐘樣機,并且于2013年,成功研制出芯片級原子鐘樣機。2017年,該組研制的CPT原子鐘[20]整機體積約為19 cm3,功耗約為210 mW,穩定度約為1.04×10-10τ-1/2,如圖8所示。

圖8 武漢物數所芯片級原子鐘樣機

成都天奧電子股份有限公司于2006年開始展開對芯片級原子鐘的研究,2014年實現了芯片級原子鐘原理樣機研制,其外形尺寸45 mm×36 mm×14.5 mm,功耗小于0.6 W,百秒輸出頻率穩定度為5×10-10[21]。

2015年,航天科工203所研制出第一代芯片級原子鐘樣機,其功耗為3 W,短期頻率穩定度為8×10-11τ-1/2。經優化后,原子鐘體積小于20 cm3,功耗小于1 W,短期頻率穩定度為3×10-11τ-1/2～5×10-11τ-1/2[22],實現了批量化生產。

此外,北京大學、蘇州大學、中國科學院上海微系統與信息技術研究所[24-26]等研究團隊都已研制出芯片級原子鐘原理樣機。

上述國內的研究,主要還是集中在芯片級微波原子鐘領域,目前國內還沒有芯片級光學原子鐘的報道。

2 芯片級原子鐘關鍵技術

芯片級微波原子鐘與傳統的小型原子鐘相比,將銣(或銫)光源換成了微小的VCSEL激光器,將體積較大的微波諧振腔換成了通過穩定的微波信號源來調制的VCSEL激光器,將銣(或銫)的玻璃泡換成了便于集成的微型的MEMS銣(或銫)原子氣室。芯片級微波原子鐘在保證頻率精度和穩定度的情況下,功耗由小型原子鐘的大于10 W減小到100 mW以下,體積也由小型原子鐘的大于230 cm3縮減到10 cm3以下,應用領域更加廣泛,但也面臨著新的技術挑戰[27]。芯片級原子鐘的研制需要突破多項關鍵技術,主要包括微型原子氣室制備技術和微機電系統集成技術等。此外,芯片級光學原子鐘中,激光鎖定在原子的光學躍遷作為參考,得到光學頻率標準。光鐘以光學頻段作為參考,但是目前只有對微波直接計數的電子元件,還沒有對光學頻段激光計數的元件。因此,光學原子鐘的實現,需要考慮將光學頻段的標準轉換到能夠直接計數的微波頻段。而光學頻率梳可以將光學頻率轉換到微波頻率。因此,要實現芯片級光鐘,還需要芯片級光學頻率梳。

2.1 微型原子氣室制備技術

芯片級原子鐘的核心物理部件是原子氣室,原子氣室的性能和物理尺寸對于芯片級原子鐘的原子物理系統的微型化、低功耗和系統集成化有直接的影響[28]。利用微電子機械系統(MEMS)超精細加工技術來制備原子氣室,使原子氣室的物理尺寸越來越小,便于微型化和集成化。目前芯片級原子氣室的制備技術還存在諸多問題,主要包括定量填充高純度堿金屬、精確控制氣體組分、多層結構的鍵合技術等技術難點。

隨著MEMS技術的發展,原子氣室的尺寸越來越小,可以增多單批次加工數量,但是由此帶來了新的問題,即堿金屬原子分裝不均勻、填充氣體的壓強及配比偏離增大。緩沖氣體壓強及配比對微型原子氣室的性能有很大影響,但是在封裝過程中,原子氣室內的緩沖氣體壓強很難進行監控。針對原子氣室批量加工需求,一方面需要改進堿金屬填充方法,解決定量填充高純度堿金屬的問題;另一方面,需要深入研究原子氣室內多種氣體混合充制的動力學過程,并且通過在線定量分析手段對原子氣室封裝過程中的氣體充制進行實時監測和動態調整,從而實現氣體組分的精確控制[29]。

研制微型原子氣室的另一個難點是在實施堿金屬和緩沖氣體的充制過程中保證原子氣室的氣密性。為解決此問題,需要結合堿金屬填充技術,通過優化原子氣室的結構和工藝,來提高原子氣室的氣密性。

2.2 微機電系統集成技術

芯片級原子鐘系統主要由物理系統和電路系統兩大部分組成。物理系統是芯片級原子鐘的核心,主要包括VCSEL激光器、光學元件、堿金屬原子氣室、磁場和磁屏蔽系統、溫控系統以及光電檢測器等。采用傳統的工藝很難將物理系統的各元件依次疊放成堆疊式結構,因此很難實現微型的物理系統。而MEMS技術的發展,使原子物理系統的各元件可以更好地集成封裝,從而實現芯片級原子鐘的微型化。物理系統在集成封裝過程中,存在的難點是既要實現芯片級原子鐘的微型化,又要保證芯片級原子鐘的頻率穩定度和功耗。因此,在封裝過程中,要充分考慮系統的體積、功耗以及頻率穩定度。

芯片級原子鐘的電路系統集成需要保證對VCSEL激光器輸出的激光頻率實施穩頻,對物理系統實施穩定的溫度控制,對微波鏈前端的晶振輸出頻率使用微波和CPT信號進行反饋[5],因此,電路系統對芯片級原子鐘的穩定工作非常重要。電路系統集成存在的一個難點是微型原子氣室和激光器及其各自的溫度傳感器之間存在溫度梯度,通常激光溫度是通過附近的溫度傳感器測量的,原子氣室溫度由溫度傳感器(熱敏電阻或Pt膜)監控,盡管溫度傳感器盡可能地靠近要控制的元件,但是不可避免地存在一些空間上的間隔,這導致了它們之間存在有限的熱阻。即使傳感器溫度完全穩定,原子氣室和激光器的溫度波動仍可能存在,影響芯片級原子鐘輸出頻率的長期穩定性[30]。另外一個難點:電路系統集成過程中,在保證芯片級原子鐘信號質量的前提下,減小電路的體積和功耗。

2.3 芯片級光學頻率梳技術

光學頻率梳在光學原子鐘中具有重要作用。光學頻率梳在時域上是飛秒量級的脈沖,在頻率上是一系列等間隔的頻率梳尺。因為探測器響應速度的限制,光學頻率無法直接被探測,所以即使有精準的光學頻率標準,如果無法將光學頻率傳遞出去,也就不能形成實用化的光學原子鐘。光學頻率梳鏈接了微波頻率和光學頻率,通過光學頻率梳可以將光學頻率轉化成微波頻率,實現實用化的光學原子鐘。同樣的,芯片級光學頻率梳可以在芯片尺度上實現光學頻率和微波頻率的鏈接,是芯片級光學原子鐘的核心組件。

芯片級光學頻率梳近幾年發展很快,特別是基于克爾效應的微腔光學頻率梳發展迅速。2018年,康奈爾大學Lipson課題組報道了在混合III-V/氮化硅平臺上采用電池驅動的集成克爾微腔光梳[31],光梳的集成性能大幅提高。2020年6月,在美國加州理工學院、加州大學圣芭芭拉分校以及瑞士洛桑聯邦理工學院三方組成的研究團隊的共同努力下,成功實現了芯片化微腔孤子光梳“啟鑰”運行[32]。盡管近兩年芯片化光頻梳取了得較大進展,但是整體上芯片級光學頻率梳技術還不是特別成熟,這在一定程度上阻礙了芯片級光學原子鐘的發展。

芯片級光學原子鐘受本身的尺寸、功耗等條件限制,迫切需要可在片上集成(通常是在硅片上集成)的芯片級光梳。當前面向平面集成的高品質因子氮化硅微腔制備技術。此外,國外“啟鑰”運行的光頻梳,在自注入鎖定下,激光器的頻率可以牢牢鎖定在微腔的諧振頻率上,雖然打開激光器的開關,就能自動尋找鎖模狀態并保持穩定運行,但是這種裝置需要花費較長時間安裝,且需要較長時間手動準直激光器和諧振腔,并對系統進行測試和包裝,以確保其參數保持穩定。因此,進一步研究性能穩定、可批量生產的芯片級光學頻率梳是實現芯片級光學原子鐘走向實用化的關鍵。

3 總結與展望

芯片級原子鐘作為一種小型、低功耗、高精度的時間頻率設備,具有廣闊的應用前景。本文介紹了芯片級原子鐘國內外的研究進展及研究現狀,國外已規?；a芯片級原子鐘,國內目前多家單位也都已研制出了芯片級原子鐘的原理樣機,但是與國外還存在一定的差距(主要在性能上,國外已實現商品化)。雖然近年來芯片級原子鐘技術取得了長遠的發展,但是還有多項關鍵技術需要突破,包括微型原子氣室制備技術、微機電系統集成技術和芯片級光學頻率梳技術等,芯片級原子鐘的穩定性和可靠性尚有提高的空間。

NIST提出了下一代芯片級原子鐘——芯片級光學原子鐘。芯片級光學原子鐘的頻率更高、準確度更高,它們把時間分割成更小的單位,并且有一個高“品質因子”,有望成為未來重新定義秒的基礎。NIST的銣原子氣室和兩個頻率梳是用與計算機芯片相同的方法微加工的,這意味著它們可以支持電子和光學的進一步集成,并且可以大規模生產,這是一條通向商業上可行的緊湊光學原子鐘的道路。隨著技術的進一步發展,芯片級光學原子鐘有可能變得足夠小,便于手持使用,最終可能會在導航系統和電信網絡等應用領域取代傳統的振蕩器,成為衛星上的備用光學原子鐘。