CN108628152A - 纳米y波导的芯片原子钟微型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍一种基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，包括磁屏蔽部分、光学系统和物理系统。光学系统和物理系统设置于磁屏蔽层内部，其中，光学系统采用的独特的纳米Y波导和纳米垂直耦合光栅的应用，极大提高了光电转换效率与空间利用率，减小了原子钟的体积，此外，特别是采用了两层磁屏蔽设计，有效的提高了屏蔽效果。本发明的基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统具有便于安装、性能稳定、结构紧凑、体积小、功耗低、寿命长、精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及原子钟领域，具体为一种基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统。
背景技术
芯片原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器。以MEMS技术为基础的高精度原子钟，结合微惯性测量单元组成的Micro-PNT（Positioning Navigation and Timing，PNT）系统，与卫星导航技术相结合，形成微型导航定位授时单元，可广泛应用于卫星导航接收机、微型无人机、水下通讯设备、精确制导武器以及工农业之中，解决在军事、科研、计量、航空、航天、气象、资源、通讯、大地测量等各个领域中的定位导航授时问题。原子钟具有信息全面、完全自主、信息实时与连续以及不受时间、地域限制等重要特性。现在用在原子钟里的元素有铷（Rb）、铯（Se）等碱金属元素，精度可达6000万年误差1s，这为航空、航天、航海提供了强有力的保障。
芯片原子钟的基本原理是：相干光将原子基态两个超精细能级耦合到共同的激发态，当相干双色光频差严格等于原子基态两超精细能级时，部分原子不再吸收光子而被制备到相干布居囚禁（CPT）态。探测光与原子作用后，获得原子对激光的吸收信号，用吸收信号中由CPT共振产生的电磁感应透明谱线作为微波鉴频信号，并将其转换为频率纠偏信号对压控晶振实施负反馈纠偏，从而可获得高稳定度的原子钟输出频率信号。
芯片原子钟与传统晶振相比，其振动频率是由原子超精细能级的跃迁频率所决定的，因此它不仅在一定程度上保留了原子频标高精度的特点，同时频率准确度和频率稳定度比目前常用的晶振精度高数个量级，且具有功耗低、体积小的优点。这些优良特性主要依赖于其内部的物理系统。对于现有的芯片原子钟物理系统来说，不具备体积小、功耗低的特点，定位精度和授时能力也有待进一步提高，导致不能将原子钟应用扩展装备到各种高安全超高频率通信、全球定位系统接收器和其他电池供电便携式电子设备上，达到提高设备性能的目的。
因此需要一种结构紧凑、寿命长、体积小、功耗低、稳定度高的芯片原子钟微型物理系统。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，目的在于提供一种体积小、功耗低、稳定度高的芯片原子钟微型系统。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案： 纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，包括磁屏蔽部分、光学系统和物理系统；
磁屏蔽部分包括外部磁屏蔽外壳和内部磁屏蔽外壳，外部磁屏蔽外壳内设有PCB电路板，PCB电路板上安装有电压控制模块、 VCSEL电流控制模块，射频控制模块和温度控制模块，内部磁屏蔽外壳的下方面板上开有两个纳米垂直耦合光栅的轮廓口；
光学系统包括垂直腔面发射激光器、微光学透镜组和纳米波导功能单元；微光学透镜组包括衰减片、偏振片、λ/4波片三片透镜；纳米波导功能单元包括相位调制单元、纳米垂直耦合光栅和纳米Y波导，纳米垂直耦合光栅分别位于纳米Y波导的分叉端部和端部，相位调制单元位于纳米Y波导的其中一个分支上，电压控制模块、 VCSEL电流控制模块都和垂直腔面发射激光器连接，射频控制模块和相位调制单元连接；纳米Y波导安装固定于PCB电路板上，衰减片、偏振片、λ/4波片从上到下依次安装到PCB电路板支架上，垂直腔面发射激光器粘接于衰减片上方的空间支架上，垂直腔面发射激光器、衰减片、偏振片、λ/4波片和纳米Y波导端部的纳米垂直耦合光栅在同一竖直光路上；
物理系统包括光电转换器、C场线圈、聚酰亚胺隔热层、ITO以及MEMS微气室，MEMS微气室的上方从上到下依次设置C场线圈、聚酰亚胺隔热层、ITO，下方从上到下依次设置ITO、聚酰亚胺隔热层、C场线圈，MEMS微气室上方的C场线圈上设置两个光电转换器，物理系统设置于内部磁屏蔽外壳内，温度控制模块和ITO连接；内部磁屏蔽外壳下方面板的轮廓口分别卡在纳米Y波导分叉端部的两个纳米垂直耦合光栅上。
垂直腔面发射激光器用于发出线偏振光，衰减片用于衰减光强，偏振片用于确定光的偏振态方向，λ/4波片用于将线偏振光转换为圆偏振光，纳米波导功能单元利用纳米垂直耦合光栅和纳米Y波导将垂直腔面发射激光器出射的线偏振光、通过透镜组后转换成的圆偏振光束分成强度相同的两束，其中一束作为参考光，另一束通过相位调制单元后，进入物理系统之中，这两束光通过相同的探测单元即光电转换器后，进入减法单元进行相减得到原子钟的跃迁信号。
上述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，封装步骤如下：（1）纳米Y波导安装固定于PCB电路板之上；（2）将衰减片、偏振片、λ/4波片从上到下依次安装到电路板支架上，λ/4波片的光轴与VCSEL的极轴夹角为45°；（3）空间支架上设有垂直腔面发射激光器的焊盘和热敏电阻的焊盘，将垂直腔面发射激光器和热敏电阻安装在空间支架上，并用铟丝将空间支架与调节好的微光学透镜组焊接成一个完整的固定的结构；（4）MEMS微气室与ITO、聚酰亚胺隔热层的固定：采用激光器将MEMS微气室、ITO、聚酰亚胺隔热层光路对准，并将MEMS微气室和这些部件利用紫外光固胶固定在一起；（5）以上组件装备完成后，PCB电路及各控制模块的芯片通电并连接到封装管座上之后，对其中所有电学连接进行测试；（6）对核心组件测试透光性和铷吸收曲线；（7）当透光性和铷吸收曲线良好时，用紫外光固胶安装C场线圈；（8）将导电胶涂抹在C场线圈的玻片上，将光电转换器固定在上面；（9）然后再次进行透光性和铷吸收曲线测试，以上测试都正常，利用外部磁屏蔽外壳和内部磁屏蔽外壳真空封装，然后测试整体性能。
上述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，C场线圈匝数采用1匝，这样可以大大减小通过线圈里面的电流，从而最大限度地降低物理封装的功耗。
上述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统， C场线圈、聚酰亚胺隔热层、ITO以及MEMS微气室设置为具有相同尺寸的长方形片状结构，有利于层与层之间的对齐，便于安装，其中的C场线圈采用亥姆霍兹型线圈，与MEMS微气室的外形相匹配，有利于提高芯片原子钟的性能。
上述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统， MEMS微气室采用阳极键合工艺且内部充有缓冲气体，缓冲气体具有荧光焠灭作用和压窄谱线线宽的作用，缓冲气体可以为N2和氩气的混合气体，也可以为氖气和氩气的混合气体。
上述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，还包括带有支撑腿的底板，该微型系统可放置在底板上。
基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统结构是一种基于原子与双色相干光相互作用，从而产生相干布居囚禁现象而制作的微型化结构。该结构采用了纳米光波导功能单元、MEMS微气室、双层屏蔽设计、多功能集成电路芯片以及改进的系统整体封装步骤，具有以下优点：
（1）纳米Y波导和纳米垂直耦合光栅的使用，减小了光功率起伏和频率起伏噪声的影响，且背景噪声对短期稳定度的不利影响也被极大地削弱，解决了光电转换传输效率低下的问题，减小了空间浪费，提高了芯片原子钟的空间利用率，达到了芯片原子钟小体积、低功耗的目的。
（2）MEMS微气室取代了传统设计中的微波腔，采用阳极键合以及MEMS工艺，可明显减小芯片原子钟的体积，使之可便携的应用于对体积有要求的高精尖设备中。
（3）采用双层屏蔽设计，使用3D打印技术一次性成型，有效提高了屏蔽效果，避免了单层屏蔽效果不足对整机性能的影响。
（4）多功能集成电路芯片分为四个模块即电压控制模块、VCSEL电流控制模块、射频控制模块、温度控制模块，各个模块之间相互独立同时又相互关联，这些芯片不仅可以独立的对某一部分进行单独控制，还可以形成完整的伺服环路。
（5）系统整体封装步骤的改进，采用层层相叠的方式放置组件，使得结构牢靠紧凑，有效的提高了空间利用率，减小了原子钟的体积。
附图说明
图1是纳米Y波导双光路芯片原子钟系统整体封装示意图。
图2是纳米Y波导双光路芯片原子钟系统各部分爆炸图。
图3是纳米Y波导功能单元示意图。
图4是MEMS微气室剖面示意图。
图中：1-磁屏蔽部分，2-光学系统，3-纳米波导功能单元，4-物理系统，5-外部磁屏蔽外壳，6-垂直腔面发射激光器，7-微光学透镜组，8-电压控制模块，9-VCSEL电流控制模块，10-射频控制模块，11-相位调制单元、12-温度控制模块，13-底板，14-内部磁屏蔽外壳，15-光电转换器，16-C场线圈，17-聚酰亚胺隔热层，18-ITO，19-MEMS微气室，20-纳米垂直耦合光栅，21-纳米Y波导，22-PCB电路板，23-碱金属原子气室，24-玻璃，25-Si，26-87Rb原子，27-气室微通道，28-反应残留物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，附图中同一部件用相同的附图标记进行表示。
参见附图1和图2，为基于纳米Y波导的芯片原子钟微型系统的物理封装结构示意图，主要包括磁屏蔽部分1、光学系统2和物理系统4三个主要组成部分。
磁屏蔽部分1，即外部磁屏蔽外壳5及内部磁屏蔽外壳14，均采用3D打印技术一次性成型，并用焊接工艺进行密封，使其拥有良好的气密性以及屏蔽性能，特别是采用了内、外两层屏蔽设计，有效提高了屏蔽效果。尤其是内部磁屏蔽外壳14的高度与内部核心组件高度相配合，物理系统4的顶部与内部磁屏蔽外壳相连接，保证内部系统的机械结构不易断裂和分离，具有良好的抗冲击性。
光学系统2包括垂直腔面发射激光器6、微光学透镜组7以及纳米波导功能单元3。垂直腔面发射激光器6（VCSEL）粘接于微光学透镜组7上方的空间支架上，用于发出线偏振光，空间支架能够为线偏激光提供自由空间，使激光器发散至预定光斑大小；微光学透镜组7由衰减片、偏振片、λ/4波片三片透镜组成，衰减片用于衰减光强，偏振片用于确定光的偏振态方向，λ/4波片用于将线偏振光转换为圆偏振光，将衰减片、偏振片、λ/4波片以及空间支架用铟丝焊接固定，形成在内部的封闭空间，减小气体流动带来的热量散失，使得VCSEL电流控制模块9与温度控制模块12能够独立的工作，保证芯片原子钟整机性能稳定性；纳米波导功能单元3由相位调制单元11、纳米垂直耦合光栅20和纳米Y波导21组成，该功能单元利用纳米垂直耦合光栅20和纳米Y波导21将垂直腔面发射激光器6出射的线偏振光、通过透镜组7后转换成的圆偏振光束分成强度相同的两束，其中一束作为参考光，另一束通过相位调制单元11后，进入物理系统4之中，这两束光通过相同的探测单元即光电转换器15后，进入减法单元进行相减得到原子钟的跃迁信号。
物理系统4包括光电转换器15、C场线圈16、聚酰亚胺隔热层17、ITO18以及MEMS微气室19。原子发生能级分裂所需的恒定均匀的C场可由一组线圈来产生，本发明中C场线圈16匝数采用1匝，这样可以大大减小通过线圈里面的电流，从而最大限度地降低物理封装的功耗；聚酰亚胺隔热层17减小了热传导及热量的散失，从而减小了芯片原子钟系统整体的功耗；ITO18利用焊盘固定有热敏电阻，ITO18通过温度控制模块12控制焊盘对MEMS微气室19的加热情况，其上的热敏电阻可同时进行温度数据的采集，并将温度信号数据反馈给温度控制模块12，以便形成对MEMS微气室19的温度控制；MEMS微气室19采用阳极键合工艺且内部充有87Rb原子和缓冲气体，缓冲气体具有荧光焠灭作用和压窄谱线线宽的作用，缓冲气体可以为N2和氩气的混合气体，也可以为氖气和氩气的混合气体。C场线圈16、聚酰亚胺隔热层17、ITO18以及MEMS微气室19设置为具有相同尺寸的长方形片状结构，都由透光材料制成，有利于层与层之间的对齐，便于安装，其中的C场线圈16采用亥姆霍兹型线圈，与MEMS微气室19的外形相匹配，有利于提高芯片原子钟的性能。
光学系统2中的纳米Y波导对VCSEL出射的光进行了分光，在对物理部分封装的过程中需要将它与各个光路部分进行紧密连接，减小了芯片原子钟的体积，此外还大大减小了光功率起伏和频率起伏噪声的影响，且背景噪声对短期稳定度的不利影响也被极大地削弱；纳米垂直耦合光栅20的应用，解决了光电转换传输效率低下的问题，提高了芯片原子钟的空间利用率，达到了芯片原子钟小体积、低功耗的目的。
系统的整体封装步骤如下：
（1）纳米Y波导21安装固定于PCB电路板22之上；（2）将衰减片、偏振片、λ/4波片从上到下依次安装到支架上，特别要注意的是λ/4波片的光轴与VCSEL的极轴夹角为45°，小心调节镜片之间的距离；（3）VCSEL系统的封装与电学测试：空间支架上固定垂直腔面发射激光器6的焊盘和温敏电阻的焊盘，将垂直腔面发射激光器6和温敏电阻安装在空间支架上，并用铟丝将空间支架与调节好的微光学透镜组7焊接成一个完整的固定的结构；（4）MEMS微气室19与ITO18、聚酰亚胺隔热层17的固定：采用激光器将MEMS微气室、ITO、聚酰亚胺隔热层光路对准，并将MEMS微气室和这些部件利用紫外光固胶固定在一起，即滴少量胶液于气室表面，用波长为365nm的紫外线灯照射涂覆光固胶的区域，使其固化；（5）以上核心组件装备完成后，PCB 电路及各控制模块的芯片通电并连接到封装管座上之后，对其中所有电学连接进行测试；（6）对核心组件测试透光性和铷吸收曲线；（7）当透光性和铷吸收曲线良好时，用紫外光固胶安装C场线圈16，（8）光电转换器15的阳极在背面，将导电胶涂抹在C场线圈的玻片上，将光电转换器15固定在上面；（9）然后再次进行透光性和铷吸收曲线测试，以上测试都正常，则真空封装，然后测试整体性能。
由上述技术方案可知，本发明实现了在现有微加工工艺技术的条件下，物理系统微型化的优化设计。
Claims (6)
1.纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于包括磁屏蔽部分（1）、光学系统（2）和物理系统（4）；
磁屏蔽部分（1）包括外部磁屏蔽外壳（5）和内部磁屏蔽外壳（14），外部磁屏蔽外壳（5）内设有PCB电路板（22），PCB电路板（22）上安装有电压控制模块（8）、 VCSEL电流控制模块（9）、射频控制模块（10）和温度控制模块（12），内部磁屏蔽外壳（14）的下方面板上开有两个纳米垂直耦合光栅的轮廓口；
光学系统（2）包括垂直腔面发射激光器（6）、微光学透镜组（7）和纳米波导功能单元（3）；微光学透镜组（7）包括衰减片、偏振片、λ/4波片三片透镜；纳米波导功能单元（3）包括相位调制单元（11）、纳米垂直耦合光栅（20）和纳米Y波导（21），纳米垂直耦合光栅（20）分别位于纳米Y波导（21）的分叉端部和端部，相位调制单元（11）位于纳米Y波导（21）的其中一个分支上，电压控制模块（8）、 VCSEL电流控制模块（9）都和垂直腔面发射激光器（6）连接，射频控制模块（10）和相位调制单元（11）连接；纳米Y波导（21）安装固定于PCB电路板（22）上，衰减片、偏振片、λ/4波片从上到下依次安装到PCB电路板（22）支架上，垂直腔面发射激光器（6）粘接于衰减片上方的空间支架上；
物理系统（4）包括光电转换器（15）、C场线圈（16）、聚酰亚胺隔热层（17）、ITO（18）以及MEMS微气室（19），MEMS微气室（19）的上方从上到下依次设置C场线圈（16）、聚酰亚胺隔热层（17）、ITO（18），下方从上到下依次设置ITO（18）、聚酰亚胺隔热层（17）、C场线圈（16），MEMS微气室（19）上方的C场线圈（16）上设置两个光电转换器（15），物理系统（4）设置于内部磁屏蔽外壳（14）内，温度控制模块（12）和ITO（18）连接；内部磁屏蔽外壳（14）下方面板的轮廓口分别卡在纳米Y波导（21）分叉端部的两个纳米垂直耦合光栅（20）上。
2.根据权利要求1所述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于封装步骤如下：（1）纳米Y波导（21）安装固定于PCB电路板（22）之上；（2）将衰减片、偏振片、λ/4波片从上到下依次安装到电路板支架上；（3）衰减片上方的空间支架上设有垂直腔面发射激光器（6）的焊盘和热敏电阻的焊盘，将垂直腔面发射激光器（6）和热敏电阻安装在空间支架上，并用铟丝将空间支架与调节好的微光学透镜组（7）焊接成一个完整的固定的结构；（4）MEMS微气室（19）与ITO（18）、聚酰亚胺隔热层（17）的固定：采用激光器将MEMS微气室、ITO、聚酰亚胺隔热层光路对准，并将MEMS微气室和这些部件利用紫外光固胶固定在一起；（5）以上组件装备完成后，PCB电路及各控制模块的芯片通电并连接到封装管座上之后，对其中所有电学连接进行测试；（6）对核心组件测试透光性和铷吸收曲线；（7）当透光性和铷吸收曲线良好时，用紫外光固胶安装C场线圈（16）；（8）将导电胶涂抹在C场线圈的玻片上，将光电转换器（15）固定在上面；（9）然后再次进行透光性和铷吸收曲线测试，以上测试都正常，利用外部磁屏蔽外壳5和内部磁屏蔽外壳14真空封装，然后测试整体性能。
3.根据权利要求1或2所述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于C场线圈（16）匝数采用1匝，这样可以大大减小通过线圈里面的电流，从而最大限度地降低物理封装的功耗。
4.根据权利要求1或2所述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于C场线圈（16）、聚酰亚胺隔热层（17）、ITO（18）以及MEMS微气室（19）设置为具有相同尺寸的长方形片状结构，有利于层与层之间的对齐，便于安装，其中的C场线圈（16）采用亥姆霍兹型线圈，与MEMS微气室（19）的外形相匹配，有利于提高芯片原子钟的性能。
5.根据权利要求1或2所述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于MEMS微气室（19）采用阳极键合工艺且内部充有缓冲气体，缓冲气体具有荧光焠灭作用和压窄谱线线宽的作用，缓冲气体可以为N2和氩气的混合气体，也可以为氖气和氩气的混合气体。
6.根据权利要求1或2所述的纳米Y波导的芯片原子钟微型系统，其特征在于还包括带有支撑腿的底板（13）。
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