PNT应用中微型原子钟进展

来源：科学前瞻

D-MTO-ACES原子钟课题

在未来的PNT应用中所使用的微型化原子钟上目前进展

2019年8月28日星期三

小型可电池供电芯片级原子钟项目目前取得了很多进展，在温控、老化、追溯性能都有提高了1000倍的表现。这次会主要介绍世界上较为领先的三个小组的研究进展以供讨论。有了解相关技术和项目的朋友欢迎在评论区进行举手和交流。

ACES进展

通信、导航、金融交易、分布式云和国防应用中有很多应用都依赖于原子钟来精确定时，还有一些应用基于具有最高精度的原子振荡来跟踪时间的计时器。控制原子来实现精确定时需要大量复杂而庞大的技术，并且面临开发成本高、消耗大量能源等问题。5G网络和GPS的替代品等新应用和和技术发展对能够在便携式平台上进行精确计时的新型原子钟装置有很大需求。基于这些需求D社和国际组织开始了对具有高性能的小型化原子钟的研发。

在过去的几十年中，国际上通过对原子钟的技术和小型化的不断投资，生成了芯片级原子钟（CSAC）。目前芯片级原子钟已经达到商用水平，实现了小尺寸、轻重量和低功率的同时并且提供前所未有的计时稳定性。

然而，由于其最初设计原理的物理特性，第一代CSAC的性能受到诸多限制。校准的高要求和频率漂移都会产生误差，因此难以在便携式封装中实现最高精度和可靠性。D社的ACES小组正在探索下一代可用电池供电的CSAC，现在ACES小组宣布目前项目进展将关键性能参数提高了1000倍。

John Burke博士表示“将大型铯束管中的原子钟缩小到芯片级器件而不会降低性能需要重新考虑许多关键部件，包括真空泵和光隔离器，以及组件集成的新方法，”。小组通过对更改物理结构和使用新型组件技术的探索，三组研究人员已经证明了在创建CSAC方面的早期进展，尤其是目前显示结果在温度控制，老化和追溯方面的改进提高了1000倍。

NIST进展

最近在Optica发表的一篇论文中强调了NIST的一组研究人员最近取得的进展，该项目组得到了加州理工学院，斯坦福大学和Charles Stark Draper实验室研究人员的支持。该团队展示了一个实验性光学原子钟，它仅由三个小芯片和支持电子元件和光学元件组成。与在微波频率下跟踪铯原子振动的标准原子钟不同，光学原子钟在更高频率下运行，因为它们将时间分成更小的单位，因此提供更高的精度。

NIST团队的时钟使用激光跟踪铷原子的振荡，铷原子被限制在坐落在硅芯片顶部3毫米的蒸汽室内（或微小的玻璃容器中）。在时钟芯片的核心部分两个频率梳（OFC）像齿轮一样将铷原子的高频光学“滴答”转换为较低的微波频率。除了提供更高的准确度外（大约比目前基于铯的CSAC好50倍），实验时钟使用的功率非常小，仅为275毫瓦。

除了成功展示芯片级光学时钟之外，NIST团队还对所有关键部件进行微加工。这使得电子器件和光学器件能够进一步集成，同时为规模化生产和商业化提供了可能性。

 图1.由NIST、加州理工学院、斯坦福大学和Charles Stark Draper实验室开发的微制造光子光学原子钟的示意图。资料来源：NIST

Honeywell进展 

第二个参与该项研究的是霍尼韦尔与加州大学圣巴巴拉分校合作的团队。该团队也正在开发可以支持微型原子钟的开发的精密原子级传感器。

迄今为止，将捕获原子传感器的小型化过程一直受到大量光学元件（例如透镜和反射镜组）的阻碍，这些元件传统上构成了必要的光学系统。霍尼韦尔团队开发的精密原子传感器依赖于磁光阱技术（MOT）。磁光阱需要来自不同方向的激光束的三维排列，精确地在一点处交叉。为了在不使用透镜或镜子的情况下实现这种精确配置，研究人员开发了一种集成光子芯片，用于引导“光路”周围的光，这类似于传统计算机芯片中电信号的引导。光子芯片以适当的三维排列发射三个大的准直光束以形成MOT。通过将这些相交的激光束与一组专用的紧凑型磁场线圈相结合，霍尼韦尔利用这种光源捕获铷原子，并实现了先进的微型原子钟。

霍尼韦尔的集成光子芯片技术不仅减小了激光传输系统的尺寸，重量和功率，而且还允许批量制造复杂的光学系统，同时降低了制造成本。

图2.带有波导和光栅的硅芯片，用于创建3D激光束图案。在照片中，光导通道从它们所引导的光发出光芒，并且从芯片出来。（3D光束为计算机渲染示意）资料来源：霍尼韦尔

美国宇航局喷气推进实验室（JPL）进展

来自NASA喷气推进实验室（JPL）、SRI国际研究人员的支持、加州大学戴维斯分校和伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校合作的项目展示了一个试验级原子钟原型机。该测试同时证明了该模组对温度和环境因素免疫。在创建深空原子钟（DSAC）的研究基础上，该团队开发了一种基于离子的原子冷却方法，该方法依赖于电离汞和紫外灯而非激光。对于1摄氏度的变化，JPL原子钟小于10^14分之一的免疫力。从好处看，这比当前现有的CSAC性能好大约100倍。汞离子的使用也提供了更高的稳定性，同时使该技术对磁场和温度变化不太敏感。

图3.这张照片是NASA JPL小组研究人员开发的ACES 10 cc套件。资料来源：美国宇航局喷气推进实验室

正如以上三方所证明的那样，目前晶圆级原子钟制成技术的新方法已经取得很大成效。希望通过不断的研究使得原子钟技术更具成本效益，并且使晶圆级原子钟的制造更加可行简单。