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DARPA用于未来PNT的芯片级原子钟取得突破性进展,关键性能提升1000倍
2019-09-10

【据DARPA官网2019年8月20日报道】在DARPA高稳定性原子钟(ACES)计划支持下,美国国家航空航天局喷气推进实验室、美国国家标准与技术(NIST)研究院与霍尼韦尔公司三个团队开发的新一代芯片级原子钟在性能优化上取得突破性进展,关键性能参数提高了1000倍。

现代通信、导航、金融交易、分布式云存储和国防应用均依赖于原子钟的精确授时或时钟的高精度原子振荡来跟踪时间。利用原子功率来实现精确授时需要大量复杂而庞大的技术,这些技术开发成本高,需要消耗大量能源。5G网络和GPS替代技术等新应用和技术需要在便携式平台上进行精确授时,从而推动了对高性能小型化原子钟的需求。

在过去几十年中,DARPA在原子钟技术的发展和小型化方面投入了大量资金,研发出芯片级原子钟(CSAC),这些原子钟现已上市,并以较小的尺寸、质量和功率(SWaP)提供前所未有的授时稳定性。然而,由于与其设计相关的物理特性,第一代CSAC的性能受到限制。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实现最高精度和可靠性。DARPA的ACES计划正在探索下一代电池供电CSAC,与现有CSAC相比,关键性能参数提高了1000倍。

DARPA微系统技术办公室(MTO)ACES计划的项目经理John Burke博士表示,将大型铯束管中的原子钟缩小到芯片级而不降低性能需要重新考虑许多关键部件,包括真空泵、光隔离器以及组件集成的新方法。在ACES计划的第三阶段,研究人员已经展示了CSAC的成功工程化,包括降低SWaP,经过实验室验证的原子钟技术以及未来时钟架构的早期样机。

通过对替代物理结构和新型组件的探索,美国国家航空航天局喷气推进实验室、美国国家标准与技术研究所与霍尼韦尔公司三个团队的研究人员已经证明了在CSAC技术研究的早期进展,其温度控制、老化和回扫性能等提高了1000倍。

最近在Optica发表的一篇论文重点介绍了美国国家标NIST研究院的研究人员在加州理工学院、斯坦福大学和Draper实验室的支持下取得的最新进展。该团队展示了一个只由三个小芯片组成的实验性光学原子钟,且支持电子和光学元件。与在微波频率下工作并跟踪铯原子振动的标准原子钟不同,光学原子钟在更高频率下运行,因为它们将时间分成更小的单位,因此可提供更高的精度。NIST团队的时钟使用激光跟踪铷原子的振荡,铷原子被限制在蒸汽室或微小的玻璃容器中,直径为3 mm,置于硅芯片顶部。在基于芯片的时钟“心脏”中,两个频率梳子像齿轮一样将铷原子的高频光学“滴答”转换为较低的微波频率,大多数PNT应用中使用它来跟踪时间。除了提供更高的准确度(大约比目前铯原子钟好50倍),实验时钟的功率非常小,仅为275 mW。

除了成功展示芯片级光学时钟之外,NIST团队还能够对所有关键部件进行微加工,就像制造计算机芯片一样。这使得电子器件和光学器件能够进一步集成,为大规模生产和商业化创造了条件。

霍尼韦尔的研究小组与加州大学圣巴巴拉分校合作,正在开发精密原子传感器,以支持微型原子钟的开发。迄今为止,俘获原子传感器的小型化一直受大量光学元件(如透镜和镜子)的阻碍,传统上这些元件构成了必要的光学系统。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三维排列的激光束,精确地在一点处交叉。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。光子芯片发射三维阵列的三大准直光束以形成MOT。霍尼韦尔的集成光子芯片不仅减小了激光传输系统的尺寸、质量和功率,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。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的一个研究团队在SRI国际公司、加州大学戴维斯分校和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的支持下展示了一个实验性原子钟,能够满足ACES计划的目标指标,同时证明可免受温度和环境问题的干扰。在深空原子钟(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,该方法依赖于电离汞和紫外灯而不是激光。对于1℃的变化,喷气推进实验室的原子钟误差小于1×10-14,比当前CSAC的精度好大约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博士表示,正如NIST研究院和霍尼韦尔研究所验证的那样,ACES计划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。(北京海鹰科技情报研究所 薛连莉 徐月 沈玉芃)

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