芯片級(jí)CPT原子鐘的研制

宋躍，王貴

(波時(shí)(北京)科技有限公司，北京 100021)

0 引言

芯片級(jí)原子鐘是全新的原子鐘類別，其體積和功耗顯著低于傳統(tǒng)原子鐘，已達(dá)到與芯片相當(dāng)?shù)牧考?jí)，在多個(gè)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景[1]。國際上的芯片級(jí)原子鐘實(shí)現(xiàn)商品化已十年有余，美國Microchip公司[2]迄今已向全球用戶提供了超過13.8萬個(gè)芯片級(jí)原子鐘，占有原子鐘市場(chǎng)較大的份額。國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)近年來也開展了芯片級(jí)原子鐘的相關(guān)原理和工藝的研究，從所報(bào)道的成果看，與國外主流產(chǎn)品的能耗差距逐漸縮小，產(chǎn)品化進(jìn)程也在加速推進(jìn)[3]。

目前國內(nèi)外報(bào)道的商品化芯片級(jí)原子鐘基本都是基于CPT(coherent population trapping)原理實(shí)現(xiàn)的，減小物理部分體積和增強(qiáng)保溫性是減小整機(jī)體積和能耗的主要途徑。基于MEMS(micro electro mechanical systems)工藝加工制作微型堿金屬氣室，并且采用高真空絕熱工藝對(duì)物理部分進(jìn)行隔熱處理，可有效減小物理部分的體積和能耗[2]。這兩種工藝都并非傳統(tǒng)時(shí)頻產(chǎn)品工藝，在微小尺度下成品的工藝可靠性和工作壽命有待長(zhǎng)期驗(yàn)證，且小批量生產(chǎn)規(guī)模下成本較高。基于傳統(tǒng)工藝優(yōu)化CPT原子鐘體積和功耗仍具有一定的研究和工程價(jià)值。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)(非MEMS工藝、真空絕熱工藝)，設(shè)計(jì)優(yōu)化CPT原子鐘整機(jī)產(chǎn)品，在確保尺寸接口及主要功能與市場(chǎng)主流產(chǎn)品SA.45s兼容的基礎(chǔ)上，盡量?jī)?yōu)化功耗和穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)。

1.1 整體組成

原子鐘整體分為物理和電路兩部分。物理部分由VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)激光器、光學(xué)組件、銣原子氣室、磁屏蔽筒、光電接收器等組成；……