芯片級原子鐘

NIST芯片級原子鐘的物理封裝

芯片級原子鐘（英語：Chip-scale atomic clock，縮寫为CSAC）是使用微機電系統（MEMS）技術製造的緊湊型低功耗原子鐘，並結合了低功耗半導體激光器作為光源。基於2001年的一項發明，2003年在國家標準技術研究所上展示了第一個芯片級原子鐘物理軟件包。這項工作是由美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）資助的，目的是開發一種微芯片大小的原子鐘，用於便攜式設備。在軍事裝備中，當全球定位系統不可用時，有望為下崗士兵提供更好的位置和戰場態勢感知，但也可以設想許多民用應用。這些原子鐘的商業生產始於2011年。芯片級原子鐘是世界上最小的原子鐘，其尺寸為4 x 3.5 x 1厘米（1.5 x 1.4 x 0.4英寸），重35克，僅消耗115毫瓦的功率，也可以在運行幾年後將時間保持在每天100微秒以內。

原理

像其他銫原子鐘一樣，該時鐘通過銫133原子中兩個超精細能級之間的電子自旋躍遷發射的精確的9.192631770吉赫茲微波信號來保持時間。反饋機制將芯片上的石英晶體振盪器鎖定在該頻率，該頻率被數字計數器分頻，以提供10兆赫茲和1赫茲的時鐘信號提供給輸出引腳。在芯片上，使用硅微機械加工技術製造的2毫米微型膠囊中的液態金屬銫被加熱以蒸發鹼金屬。半導體激光器將微波振盪器調製的紅外光束通過膠囊照射到光電探測器上。當振盪器處於躍遷的精確頻率時，銫原子的光吸收會減少，從而增加了光電探測器的輸出。光電檢測器的輸出在鎖頻環電路中用作反饋，以將振盪器保持在正確的頻率。

發展歷程

常規的蒸氣室原子鐘大約是一副紙牌的大小，消耗約10瓦的電能，成本約為3,000美元。 將這些縮小到半導體芯片的大小需要大量的開發和一些突破。開發的重要部分是設計該設備，以便在可能的情況下使用標準的半導體製造技術製造該設備，以使其成本保持足夠低的水平，從而使其可以成為大眾市場的設備。常規銫鐘使用裝有銫的玻璃管，要使其直徑小於1厘米是很困難的。在芯片級原子鐘中，使用MEMS技術製造了尺寸僅為2立方毫米的銫膠囊。常規原子鐘中的光源是銣氣體放電燈，其體積龐大且消耗大量功率。在芯片級原子鐘中，這由在芯片上製造的垂直腔面發射激光器（VCSEL）代替，其光束向上輻射到其上方的銫囊中。另一個進步是消除了傳統時鐘中使用的微波腔，該微波腔的大小等於微波頻率的波長（約3厘米），構成了時鐘大小的基本下限。通過使用量子技術，相干布局囚禁，空腔變得不必要。

商業化

至少有一個公司Microsemi生產這種時鐘的版本。