DARPA微型化原子钟成果初显,关键性能参数提升1000倍

麦姆斯咨询殷飞 MEMS 2019-09-04

高稳原子钟(ACES)项目研究人员开发的芯片级原子钟已取得了初步成功,其性能提高了1000倍。



当前,通信、导航、金融交易、分布式云和国防等许多应用都依赖于原子钟的精确授时,这种基于原子振荡来跟踪时间的时钟器件,具有最高的精确度。利用原子能量实现精确授时需要大量复杂而庞大的技术,这些技术的开发成本高且需消耗大量能源。5G网络和GPS替代品等新应用技术将需要在便携式平台上进行精确授时,从而推动对高性能、微型化原子钟的需求。


据麦姆斯咨询报道,在过去的几十年中,美国国防高级研究计划局(DARPA)在原子钟技术的进步和微型化方面投入了大量资金,研制出了芯片级原子钟(CSAC),这些原型钟现已上市,具有体积小、重量轻、低功耗(SWaP)等特点,并提供前所未有的授时稳定性。然而,由于物理特性与设计相关,第一代CSAC的性能从根本上受到了限制:校准要求和频率漂移会产生授时误差,因此难以在便携式封装中达到最高程度的准确性和可靠性。DARPA的“高稳原子钟”(ACES)项目正在探索下一代电池供电型CSAC的开发,与现有原型相比,关键性能参数提高了1000倍。


DARPA微系统技术办公室(MTO)负责ACES的项目经理John Burke博士表示:“将原子钟从大型铯束管缩小到芯片级器件,且性能不受影响,需要重新考虑许多关键部件,包括真空泵和光隔离器,以及集成元件的新方法。我们为ACES项目制定的目标指标很高,但当我们进入项目的第三阶段时,研究人员已经实现了工程上的成功,包括减少SWaP、实验室验证的原子钟技术,以及未来时钟架构的早期原型。”


来自美国国家标准与技术研究院(NIST)、霍尼韦尔公司、美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的三组研究人员,通过对替代物理结构和新型元件技术的探索,在CSAC早期研发阶段取得不错的进展,在温度控制、老化和回扫等方面将性能参数提高了1000倍。


美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员,最近在Optica发表了一篇论文,在文中重点介绍了其团队在加州理工学院、斯坦福大学和Charles Stark Draper实验室的研究人员的支持下取得的最新进展。该团队展示了一个实验性的光学原子钟,它只由三个小芯片构成,可支持电子器件和光学器件。不同于工作在微波频率下跟踪铯原子振荡的标准原子钟,光学原子钟可运行在更高的频率下并提供更高的精度,因为它们可将时间分成更小的单位。NIST团队研发的时钟使用激光跟踪铷原子振荡,这些铷原子被限制在一个由微型玻璃容器构成的蒸汽室中,玻璃容器直径3毫米,位于硅片顶部。在时钟芯片的“心脏”内,两个频率梳就像齿轮一样将铷原子的高频光学“滴答”转换成较低的微波频率,即在大多数授时(PNT)应用中跟踪时间的频率大小。除了提供更高的准确度(大约比当前基于铯的CSAC高50倍),实验时钟的功耗更低,仅275毫瓦。


除了成功展示芯片级光学时钟外,NIST团队还实现了所有关键元件的微加工,大量采用与制造计算机芯片相同的制造技术。这使得进一步集成电子器件和光学器件,同时为大规模生产和商业化创造潜在的途径。


第二组研究团队来自霍尼韦尔公司,他们正与加州大学圣巴巴拉分校合作,开发精密原子传感器,以支持微型原子钟的开发。


到目前为止,捕获原子传感器的小型化一直受到大型光学元件的阻碍,例如透镜和反射镜,这些是构成传统光学系统的必要元件。霍尼韦尔团队开发的精密原子传感器依赖于磁光阱(MOT),它需要来自不同方向的三维激光束排列,精确地在一点上交叉。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“光学电路”周围的光,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。


最后一组研究团队来自美国宇航局喷气推进实验室(JPL),他们得到了SRI国际公司、加州大学戴维斯分校和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员的支持,他们展示了一种能够满足ACES目标指标的实验性原子钟,并证明其不受温度和环境问题的影响。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,该方法依靠电离汞和紫外灯代替激光器。JPL原子钟显示,对于温度发生1摄氏度的变化,其误差小于小数点后14位。以该精度而言,性能要比当前的CSAC将近高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的敏感性降低。


Burke指出:“正如NIST和霍尼韦尔研究所验证的那样,ACES项目的进展带来了制造晶圆级原子钟技术的新方法,这使得持续的技术探索更具成本效益,并且更少依赖于大规模的工程设计。对于我们当前正在处理的复杂光学系统,无论何时想要迭代设计时,都需要大量的工程设计。ACES项目的这些早期进展表明,在没有大量工程人力或与当前方法相关的巨额成本的情况下,在开发过程中也存在可行的选择。”


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