美国国防高级研究计划局微型化原子钟成果初略

2020-10-18 13:02:51 来源: 滨州信息港

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,通讯、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,这类基于原子振荡来跟踪时间的时钟器件,具有的精确度。利用原子能量实现精确授时需要大量复杂而庞大的技术,这些技术的开发本钱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,并提供的授时稳定性。但是,由于物理特性与设计相干,代CSAC的性能从根本上遭到了限制: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到达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,需要重新推敲许多关键部件,包括真空泵和光隔离器,和集成元件的新方法。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初期原型。”

来自美国国家标准与技术研究院(NIST)、霍尼韦尔公司、美国宇航局喷气推动实验室(JPL)的三组研究人员,通过对替换物理结构和新型元件技术的探索,在CSAC初期研发阶段获得不错的进展,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,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,由于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。

除成功展现芯片级光学时钟外,NIST团队还实现了所有关键元件的微加工,大量采取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伏的途径。

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遭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类精确配置,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构成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,霍尼韦尔利用这类光源捕获铷原子,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但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,同时下降了制造本钱。

一组研究团队来自美国宇航局喷气我们计划借助日益壮大的用户群推动实验室(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,他们展现了一种能够满足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,该方法依托电离汞和紫外灯代替激光器。JPL原子钟显示,对温度产生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着落。

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,这使得延续的技术探索更具本钱效益,并且更少依赖于大规模的工程设计。对我们当前正在处理的复杂光学系统,不管什么时候想要迭代设计时,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干的巨额本钱的情况下,在开发进程中也存在可行的选择。”

文章来源:麦姆斯咨询

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