PDF《曹远洪,何庆,杨林》

文章编号:1001 - 893X( 2010)

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07 芯片原子钟― ― ―CPT 钟研究进展 曹远洪1,何庆

2 , 杨林

1 ( 1.

成都天奥电子股份有限公司,成都611731;

2.西南电子设备研究所,成都610036) 摘要 : 介绍了基于激光与原子相干布局囚禁(CPT) 理论的芯片原子钟(CSAC) 钟 .该 原子钟代表了小型化原子钟未来发展方向,近年来在设计技术、制造工艺以及物理机制方面都取得了较大进展,并实现了芯片级的CPT 钟原理样机.预 计,在未来3~5年将会有芯片原子钟产品面世.关键词:芯片原子钟;

相干布局囚禁钟;

研究进展中图分类号:TM935.115;

TH714 文献标识码:Adoi: 10.3969 / j. issn.1001 - 893x.2010.06.029 Research Progress of Chip - Scale Atomic Clock, CPT Clock CAO Yuanhong1 ,HE Qing2 ,YANG Lin1 ( 1.XHTF of E - SPACEON Ltd., Chengdu 611731, China;

2. Southwest China Institute of Electronic Equipment, Chengdu 610036, China) Abstract: This paper introduces the chipscale atomic clock( CSAC)based on coherent population trap( CPT) theory. CPT clock is the representative of atomic miniature atomic clock in the future. Standing progress has been made for CPT clock in designing techniques,manufacturing technology,and physics mechanism, in recent years. Principle prototype of the CSAC has been developed. According to the developing trend,product of the CSAC will be offered to customer in three or five years. Key words: chipscale atomic clock( CSAC) ;

coherent population trap( CPT)clock;

research progress

1 引言 以原子振动频率为基础的时间(或频率)已经进入10-

18 量级,在质量、长度等7个基本物理量纲中具有最高的计量精度.基 于原子振动频率的高精度原子时频技术不仅可以应用于验证相对论等科学研究,还在工程应用乃至人们生产生活中逐渐起着越来越重要的作用.1967 年召开的第13 届国际计量大会上通过决议,将铯原子Cs133 两个基态超精细能级跃迁辐射振荡9192

631 770 周所持续的时间为1s, 从此时间计量逐步进入原子时(AT) 时代.近 年来,随着数字通信技术的飞速发展,代表原子时频技术的原子钟工程化应用越来越广泛,以原子钟为核心部件的全球卫星导航系统(GNSS) 及其延伸技术,专用手持式卫星导航仪、内置导航功能的移动通信设备逐渐开始走进人们的日常生活.要在上述领域获得大批量的工程应用,就要求原子钟的体积、功耗等技术特性必须达到器件级水平.氢 钟、铯钟和铷钟等传统原子钟由于体积、功耗偏大,其应用形式为单独设备或内置于设备的部件,应用范围也基本上局限在高端设备或系统.不 需要传统微波腔的CPT 钟,其体积、功耗的减小程度理论上不受限制,使原子钟的广泛推广应用成为可能.近年来,也因为CPT 钟潜在的应用价值而引起了广泛关注,并很快作为小型化原子钟的研究热点.美 国Kernco 公司于2001 年率先研制出体积与传统小铷钟相当的CPT 钟 ;

美 国国家标准局NIST 采用MEMS 工艺于2002 年研制出了体积仅1cm3 的CPT ・

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1 ・ 第50 卷第6期2010 年6月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.50 No.6 Jun.

2010 收稿日期:2010 -

03 - 20;

修回日期:2010 -

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25 钟量子物理部分,并将这种制造工艺与体积、功耗与芯片相似的CPT 钟命名为芯片原子钟(Chip - Scale Atomic Clock, CSAC) .此后的CPT 钟研究则主要围绕能够实现芯片原子钟的设计技术、制作工艺和新物理机制开展,并相继取得了较大进展.2CPT 钟基本原理2.1 相干布局囚禁1976 年,Alzetta, Gozzini,Moi 和Orriols 等人在开展钠原子激光抽运实验中首次观察到在涉及一个激发态和两个基态的三能级系统中出现了荧光光强变弱,即 相干布局囚禁(Coherent Population Trap, CPT) 现象[1] .CPT 物理演化过程比较复杂,但其稳态可以采用如图1所示的Λ型三能级系统进行模拟简化.图1原子三能级系统Fig.1 Threelevel scheme used to model the CPT resonances 当频率为ω1和ω2的两束激光分别耦合(| 1〉, | 3〉) 和(| 2〉,| 3〉) 时,原子被囚禁在|1〉和|2〉 的叠加态上而不再被抽运到|3〉, 也不再辐射荧光,即出现所谓的暗态(Dark State) , 这里用|P〉表示[2] : | P〉∝ω R1 | 2〉- ω R2exp(- iΔ t)| 1〉 ( 1) 式中,ωR