用于具有改善的频率稳定性的蒸气池原子频率参考的设备和方法技术

本发明专利技术题为“用于具有改善的频率稳定性的蒸气池原子频率参考的设备和方法”。本发明专利技术提供了一种芯片级原子钟(CSAC)。所述CSAC包括：温稳物理系统，所述温稳物理系统包括蒸气池和磁场线圈并且包封在磁屏蔽罩中；以及电耦合到所述温稳物理系统的温稳电子电路。

【技术实现步骤摘要】
用于具有改善的频率稳定性的蒸气池原子频率参考的设备和方法
技术介绍
使用原子蒸气池的芯片级原子钟(CSAC)在作为频率参考时提供比温控振荡器(TCXO)高多达四个数量级的准确度。与基于冷原子的时钟相比，CSAC更便宜也更小，但频率参考的准确度较低。需要提高CSAC在温度下的稳定性，从而延长与主频率参考的同步之间所需的时间段。
技术实现思路
提供了芯片级原子钟(CSAC)。该CSAC包括：温稳物理系统，该温稳物理系统包括蒸气池和磁场线圈且包封在磁屏蔽罩中；以及电耦合到温稳物理系统的温稳电子电路。附图说明应当理解，附图仅示出示例性实施方案并且因此不被视为在范围上进行限制，将通过使用附图以额外的特征性和细节来描述示例性实施方案，其中：图1示出了包括温稳电子电路的芯片级原子钟的一个实施方案的框图；图2示出了温稳电子电路的一个实施方案；图3A示出了电气系统的一个实施方案的平面图；图3B示出了包括散热器系统的电气系统的一个实施方案的平面图；图3C示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法；图3D示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法；并且图4示出了使用蒸气池的改善的芯片级原子钟的一个实施方案的剖视图。根据惯例，各种所述特征未按比例绘制，而是被绘制来强调与示例性实施方案相关的具体特征。参考字符在整个图和文本中表示类似的元素。具体实施方式在以下详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且在附图中以举例说明的方式示出了具体的示例性实施方案。然而，应当理解，可使用其他实施方案，并且可进行结构、机械和电气更改。此外，附图和说明书中呈现的方法不应理解为限制各个步骤可被执行的顺序。因此，以下详细描述不应被理解成具有限制性意义。原子钟依赖于具有频率分量的光信号，该频率分量引起该原子的电子被刺激到较高的能量水平。使用蒸气池的芯片级原子钟(CSAC)包括(a)物理封装或系统，以及(b)电子电路以用于(i)控制和/或(ii)处理发送至物理系统的部件的数据和/或由物理系统的部件接收的数据。物理系统可以是温度稳定的以降低物理系统部件的温度变化从而降低频率的变化，进而增强频率稳定性；因此，物理系统也可被称为温稳物理系统。然而，电子电路可以不是温度稳定的，从而引起CSAC在环境温度变化时在环境中变得较不准确。为了进一步增强频率稳定性，可对全部或部分电子电路进行温度稳定以降低电子电路部件的温度变化从而进一步降低频率的变化，进而进一步增强频率稳定性。图1示出了包括温稳电子电路的芯片级原子钟(改善的CSAC)100的一个实施方案的框图。改善的CSAC100包括温稳物理封装或系统(物理封装或PP)102和温稳电子电路(温稳电子电路(EP))104。任选地，改善的CSAC100包括非温稳电子电路(温稳电子电路(EP))106。温稳物理系统102是一种系统，包括气体池102D和光源(例如，激光器)、至少一个光检测器(例如，光检测器1102C和光检测器2102F)以及磁场线圈(如下所例示)，该系统的全部或一些部件在宽的外部环境温度范围内(例如，-40℃至85℃)被保持为基本上恒定的设定点温度，例如，约90℃。基本上恒定的设定点温度意指介于一定温度范围内的不降低CSAC的稳定性的温度。因此，基本上恒定的设定点温度大于环境温度。这可通过将此类全部或一些部件与外部环境热隔离并提供额外的热能以保持所期望的升高的设定点温度来部分地实现。为此，温稳物理系统102包括至少一个加热器，例如VSCEL加热器和/或气体池加热器102E。所示的温稳物理系统102包括为激光器的光源。出于示教原因，激光器将被示出为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)102A。然而，可使用其他类型的激光器，诸如水平二极管激光器。图1中的其他部件可被标记为VSCEL加热器或电流控制器，但这也是出于示教目的；加热器和电流控制器可与其他类型的激光器一起使用。VCSEL102A热耦合到加热器(VCSEL加热器)102B，并且被配置为控制和稳定VCSEL102A的温度。相似地，气体池102D热耦合到加热器(气体池加热器)102E，并且被配置为控制和稳定气体池102D的温度。气体池102通常包括处于蒸气状态的碱原子。例如，碱为铯或铷。从VCSEL102A发出的光信号被投射到气体池102D。图1中示出了温稳物理系统102的一个实施方案，然而，温稳物理系统102能够以其他方式与其他部件类型一起实现。在图1中，实线指示模拟电信号的路径。虚线指示数字电子信号的路径。温稳电子电路104是包括控制和信号处理电路(如下所例示)的系统，该系统的部件在宽的外部环境温度范围内(例如，-40℃至85℃)被保持为基本上恒定的设定点温度，例如，90℃。这可通过将全部或一些部件与外部环境热隔离来部分地实现。任选地，如图1所示，改善的CSAC100包括非温稳电子电路(非温稳电子电路(EP))106。非温稳电子电路106可与温稳电子电路104分离，因为非温稳电子电路106可以：(a)产生不期望的电气噪音，该噪音会对其他电路的操作产生不利影响；(b)不依赖于精确电流和/或电压，因此对温度变化不敏感；(c)作为闭环系统或作为闭环系统的一部分来操作，因此对温度变化不敏感；并且/或者(d)体积或功率消耗过大，使得如果包括在温稳电子电路104中，则由温稳电子电路104消耗的功率将过高(例如，超过允许的系统操作规格)。任选地，全部(而不是部分)电子电路位于温稳电路104内。所示的温稳物理系统102还包括用于促进相干群体捕获(CPT)的磁场线圈(磁场线圈)102G。所示的温稳物理系统102还包括第一光检测器(光检测器1)102C和第二光检测器(光检测器2)102F，该第一光检测器和该第二光检测器用于分别感测(a)从VCSEL102A发出的光信号以及(b)从气体池(或蒸气池)102D输出的对应光信号的光学功率量。从VCSEL102A发出的光信号进入、穿过气体池102D并且从该气体池输出。第一光检测器102C和该第二光检测器102F(以及它们的对应的互阻抗放大器和滤波器)各自为反馈回路的部分，例如用于调节本文所述的晶体振荡器、信号振幅和加热器电流控制电路的频率。所示的温稳电子电路104包括电流控制电路(VCSEL电流控制器)104A、晶体振荡器104B(例如，10MHz晶体振荡器)、锁相环104C、电压控制振荡器104D(VCO)(例如，3.417GHzVCO)、第一数模数据转换器(DAC)(DAC1)104E、第一加热器电流控制电路(加热器电流控制器1)104F、第二DAC(DAC2)104G、第一滤波器(滤波器1)104H、第一互阻抗放大器(TIA)(TIA1)104I、第二加热器电流控制电路(加热器电流控制器2)104J、第三DAC(DAC3)104K、第二TIA(TIA2)104L、第二滤波器(滤波器2)104M、第四DAC(DAC4)104N、精确电压和/或电流参考(精确电压/电流参考)104O、线圈电流控制电路(线圈电流控制器)104P、加热器104Q、加热器电流控制电路(加热器电流控制器)104R和第五DAC(DAC5)104S。精确电压和/或电流参考104O可电耦合到温稳物理系统102、温稳电子电路104和/或非温稳电子电路10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芯片级原子钟(CSAC)(100)，包括：温稳物理系统(102,402)，所述温稳物理系统包括蒸气池(102)和磁场线圈(102G)，并且包封在磁屏蔽罩(448A)中；和温稳电子电路(104,404)，所述温稳电子电路电耦合到所述温稳物理系统。

【技术特征摘要】
2018.03.26 US 62/648,079;2018.07.10 US 16/031,4581.一种芯片级原子钟(CSAC)(100)，包括：温稳物理系统(102,402)，所述温稳物理系统包括蒸气池(102)和磁场线圈(102G)，并且包封在磁屏蔽罩(448A)中；和温稳电子电路(104,404)，所述温稳电子电路电耦合到所述温稳物理系统。2.根据权利要求1所述的CSAC，其中所述温稳电子电路和所述温稳物理系统中的至少一者还包括无源散热器(332,334)。3.根据权利要求2所述的CSAC，其中所述温稳电子电路和所述温稳物理系统中的所述至少一者包括：第一衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·詹姆斯·克里茨，罗伯特·康普顿，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US