美国国防高级研究计划局微型化原子钟成果初显，关键性能参数提升1000倍

9月4日消息，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。”

文章来源：麦姆斯咨询