经验之谈 | CPT原子钟的关键技术问题及突破方向

概述

芯片原子钟 (CSAC) 的概念在21世纪初被提出，先行的研究者们对其进行了理论和实验研究，并预期用相干粒子数囚禁(CPT)原理实现原子钟的微型化和低功耗[1-3]。由于CPT原子钟理论上不再需要微波腔，没有相关尺寸的限制，因此具有理想的微型化和集成化潜力。相关研究得到了美国和欧洲等世界上主要发达国家的重视，被认为是未来军用和民用小型原子钟和芯片尺度原子钟发展的重要技术基础。

迄今为止，几乎所有的CSAC研究都是基于CPT效应的机制。本文中笔者一般使用微型原子钟而慎用芯片钟(CSAC)一词，是因为我们至今商品化CPT钟所达到的体积，很难与通常的半导体芯片体积相比较。而且也远未实现将元器件集成在一个芯片上的初衷，称其为芯片钟难免名不副实。

在21世纪的第一个十年中，研究人员对CPT原子钟进行了大量的理论和实验研究，旨在实现小型化并降低功耗。2004年，NIST小组发布了他们最小的CPT原子钟的物理部分，如图1所示。根据他们的实验结果，预测物理部分封装体积将小于10 mm3，总功率预算将小于30 mW[4]。众所周知，电路本身可以非常容易地减小到非常小的尺寸。因此，预计CSAC的体积最终将为约1 cm3，并且可以由电池驱动。

图1美国NIST研制的CSAC物理部分只有米粒大小

与此同时，CPT原子钟的制造工艺也有了很大的发展。从已发表的技术报告中可以看到，对于物理封装和原子气室的小型化，大多数研究小组使用了MEMS处理技术[5]。气室一般通过在两个玻璃晶片之间夹着一个带有孔的硅晶片以阳极键合技术制成[6]。钟原子与适当的缓冲气体一起密封在玻璃晶片之间的空间中。气室的内部体积从1 mm3到几十mm3不等。

大多数基于CPT原理的微型原子钟采用垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为激励和探测CPT信号的激光源，具有低功耗（通常<5 mW）、高调制效率的特点。近十年来也有一些研究小组探索了用DFB激光器、微型外腔激光器，或其他类型半导体激光器作为激光源来实现CPT原子钟，但迄今为止主流产品还是用VCSEL激光器。

2011年，美国Microsemi公司的前身Symmetricom公司发布了它的SA.45s 微型原子钟，这是世界首个正式推出的商用CPT微型原子钟产品，它的总功耗降低到大约120 mW。体积约为16 cm3，短期频率不稳定性优于2X10-10。

CPT原子钟的关键技术问题及突破方向

首先是CPT芯片钟的温度稳定性问题。这几乎是国内外20 cm2体积以下的CPT原子钟产品普遍存在的问题。原因有以下几个方面：首先，由于体积小，绝热层不可能太厚，物理部分热容量也很小，导致其容易受到周围环境温度影响。其二，为了降低功耗，控温部分一般只控制物理单元，且只能单向加热而不能制冷。这导致原子钟仅能够工作在环境温度低于气室工作温度的情况。而气室温度在 50℃左右为佳。如果提高工作温度，由于激光器与气室位置很近，气室温度提高，会使激光器发光效率和寿命降低，从另一个方面导致原子钟工作的不稳定。

在解决温度稳定性问题中，国内外产品普遍采用将物理部分整体密封，也有产品采用了双层密封的方案。北京大学某研究组还提出了双层真空气室方案，即将玻璃气室做成与保温瓶相似的双层内外胆，将夹层抽真空，进一步提高气室的隔热性能，进而增加工作稳定性。增加物理部分、特别是原子气室的隔热能力固然重要，其实还有另外一个方向也值得重视，即通过调整缓冲气体的比例使原子的CPT谐振峰对温度不敏感。

当原子钟物理部分体积减小到一定程度时，将很难有足够的空间来隔离气室。因此，如果CPT谐振峰可以对温度不敏感，将有助于微型原子钟实现更高的稳定性并降低温度控制的功耗。2011年，北京大学课题组的一项研究成果证明，通过优化缓冲气体压力和泵浦光强度，可显著降低CPT共振频率的温度漂移率[7,8] (见图2)。当碰撞频移率小于0.3 Hz/K 时，通过调整光强，碰撞频移率和光频移率可以相互抵消，允许CPT谐振峰频率随温度漂移率在7℃左右范围内接近于零。

图2 CPT谐振峰的频率偏移与气室温度的关系[8]

综上所述，将调整缓冲气体比例与进一步优化隔热封装工艺相结合应该是 CPT微型原子钟进一步提高性能、优化温度适应参数应努力的关键方向。

另外，对于有较高温度要求的使用场景，如果仍然用单一加热的模式，解决方法只能是把工作温度提高到高于工作场景要求的水平，这就要求激光器能适应高温工作；或在气室和激光器之间加入高效绝热层，将激光器和气室分别控温，并允许有较大的温度梯度。这无疑将大大提高物理部分和控温的工艺难度。控温的梯度差也会导致功率损耗加大，增加不稳定因素。所以，在环境温度要求较高的情况下，更实际的方案或许是加入制冷，并同时加强原子钟整体的隔热能力。例如在封装外壳上加绝热层。但牺牲功耗和体积参数无疑会降低CPT原子钟在面对传统小型原子钟时的竞争力。因此，平衡利弊，优化工艺是CPT微型原子钟未来发展中要面对的永恒课题。

我国CPT原子钟发展的问题与机遇

在我国CPT原子钟研究的初期，由于VCSEL激光器主要依靠进口，且只能买到795 nm输出波长的器件，买不到894 nm激光器，又因为笔者有在NIST的Kitching团队研究工作的经历，北京大学课题组就选择了铷原子作为CPT原子钟的工作物质。而后诸多科研院所，以及一些公司和大学研究机构也都采用了铷原子作为CPT原子钟的工作原子。后续相关的国家项目和课题也大都采用了铷原子作为CPT原子钟的工作原子。而反观国外，唯一的商用CPT微型原子钟，即Microsemi的SA.45s采用的是铯作为钟的工作原子。

笔者认为，我国CPT原子钟的研究在工作原子选择上有失偏颇。2005年研究刚开始时，由于受到进口VCSEL激光器波长的限制，这个选择本无可厚非。但实际上，与铷原子相比，铯原子用于CPT原子钟更有优势。首先铯的钟频率高，稳定性更具上升空间；其次，铯原子气室制作工艺较铷原子简便，工作温度点选择更宽泛，相同工作温度下信号更强。在894 nm激光器货源不再是问题后，笔者的课题组曾进行了相关研究，并获得了相当好的数据。数据体现了铯原子用于CPT原子钟的潜力。而国内多数企事业单位现在还在沿用铷原子方案。笔者认为，国内应该更多地加强研究铯原子CPT钟，这将可能为CPT原子钟的研究和发展开拓更宽广的道路。

此外，困扰CPT微型原子钟发展的还有VCSEL激光器。中国科学院长春光机所和半导体所等单位虽然也在研发CPT原子钟所用波长的VCSEL激光器，但由于投入有限，进展不大。迄今为止，CPT原子钟用激光器仍然要依赖进口。研制VCSEL激光器无疑需要大资金投入，而资本投入的积极性取决于需求和市场规模，因此，CPT原子钟的发展状况又会反过来影响到VCSEL激光器及一些专用元器件的研发。而激光器的工艺及性能参数又直接影响到CPT原子钟的整体性能和质量。因此，认清这个问题，使CPT原子钟的关键元器件和整体研制有机结合也将是推动其发展的关键。

CPT原子钟的微型化在21世纪的前十年取得了相当大的成功，并成为原子钟微型化，乃至成为CSAC研究的主流方向。而在原子钟微型化之外，CPT效应实际上还是有很多更具潜力的研究和应用方向。前面提到，NIST的Kiching组在CPT原子钟方面做出过开创性贡献。但不为人知的是，这个组采用了图1的米粒大小的物理部分，为美国GPS系统研发的CSAC，结题时稳定度仅为 6X10-9。自那以后，他们转向研究微型磁强计，将这个尺度毫米量级的物理部分用于脑磁和人体局部弱磁场的探测。这也给我们一个启示，在一些需要微型化，又不需要长时间稳定度的场合，CPT效应或许有更好的用武之地。

除了在微型化方面的优势，CPT效应有其独特的物理特性：它的谐振频率间隔固定，恒定为原子基态超精细能级跃迁频率，但绝对频率不固定，可以有一个百兆量级的冗余范围。换句话说，就是激发CPT效应的两束激光场要求频率间隔严格等于工作原子基态超精细能级的跃迁频率，否则不能激发CPT效应，而激励光场的绝对频率只要在数百兆赫兹的范围内就可以符合要求。如图3所示，Δv频率严格等于基态跃迁频率，而Δvd则可以有百兆量级冗余频偏。

利用CPT效应的这两点独特性能，笔者提出了基于CPT效应和激光锁模原理的激光原子钟方案。设想如果在一个激光谐振腔内，放入一个CPT系统，当谐振腔内有两个，而且仅有两个对准ω1和ω2的圆偏振激光场存在，且频率差严格等于Δv 时，损耗最小。

图 3CPT效应的原子跃迁能级图

根据激光原理，这种情况下两激光场频率间隔应恒等于原子基态超精细能级跃迁频率，且自动锁定。而这正是我们所需要的钟频率。因此，如果利用CPT这一特性于激光谐振腔内，将有可能建立这样一个激光系统：它将会产生两个激光纵模，且两个振荡的激光模式之频率间隔自动锁定，并严格等于原子基态超精细能级频率。那么这一激光器输出模式的拍频就是一个稳定的可以作为标准的钟频率。这就是CPT激光原子钟方案的基本原理。

从这一点出发，根据激光原理和锁模技术理论，我们可以设计激光谐振腔腔长，当令谐振腔中激光纵模间隔的整数倍等于Δv 时，将可以在对应ω1和ω2频点产生所需要的两个纵模振荡。而根据激光原理，由此设计的激光谐振腔通过控制腔长，即可使腔内的两个纵模对准ω1和ω2。但此时如果不做任何限制，谐振腔内会出现多纵模振荡。因此需要一个滤波装置，将不需要的纵模滤除。由此我们提出了采用与CPT相同的工作原子的原子滤光器方案[9]，以及采用相干滤波的光学干涉滤光片方案[10]。

如图4所示，LD为半导体激光器，其增益光谱覆盖ω1和ω2，并在面向腔内的出光面镀增透膜，经过滤波模块后仅有ω1和ω2附近光场可以通过；再经过CPT模块，使两光场的振荡频率间隔严格等于原子基态超精细能级跃迁频率时损耗最小。在此基础上调整谐振腔的腔长，使其腔内的两个纵模对准ω1和ω2。此时根据CPT原理，当这两个纵模频率间隔严格等于基态超精细能级跃迁频率并且相干锁定时，他们有最大增益。这也同时符合激光锁模原理。这样设计和建立的激光系统，只可能有两个频率间隔固定，并等于基态超精细能级跃迁频率的纵模振荡，它们的拍频就是稳定的原子钟频率。整个系统我们称之为CPT激光原子钟，而且在理论上，CPT 激光原子钟对谐振腔长度控制要求并不高，因为CPT效应允许有百兆量级频率偏差Δvd，一定范围的绝对频率漂移并不影响两个纵模之间的频率差的锁定。换句话说，不会影响两模式差频的稳定性。

而且，从原理上分析，这个装置甚至可以容忍激光的跳模，因为随着两个模式频率的整体联动漂移，虽然两个模式会因漂离增益谱线中心而减弱，并最终被增益更强的一对纵模取代。但取代它们的新一对激光纵模一定是更符合CPT原理，因而增益更有优势。显然也是更好的一对拍频为严格锁定在钟频率的激光模式。也就是说CPT激光原子钟将是一个由物理原理自动识别锁定、对外部环境如温度和振动等不敏感、对电路控制要求不高、自锁定、自主稳定原子钟。而且由于其输出的是激光场，钟频率由直接探测其输出光场的拍频产生，信噪比将大大好于传统原子钟。因而CPT激光原子钟很可能获得较传统原子钟更高的稳定性，并具有更好的环境适应能力。

以上是CPT原理拓展应用的一个例子，旨在启发和开拓思路，希望CPT原子钟研究能够走出更宽广的道路，出现更多突破和创新性成果。

结束语

本文是笔者近20年来在CPT原子钟研究方面的一些体会和总结。对于CPT微型原子钟研发中出现的困难与问题，真正的解决还是要依靠一线的研究者们不断地努力和创新。现在的微型原子钟产品，在实验室条件下可以得到不错的数据，但在较为苛刻的环境中，往往表现不佳，因此本文提出了一些建议，希望能给读者一些启发。

而关于国内研究偏重铷钟，而缺少铯钟的问题，是笔者多次在同行中提出讨论的问题，这里专门再次提出，望能引起重视。关于CPT激光原子钟方案，笔者提出后有多位专家和研究者感兴趣。这个课题实际研究有相当难度，笔者欢迎同行们的讨论和合作研究。

作者简介：

汪中，北京大学电子学院，长期从事CPT原子钟研究。

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