用于磁性补偿的芯片级原子钟的方法和装置与流程

文档序号:14897072发布日期:2018-07-08 08:20

本申请总体涉及原子钟,并且更具体地涉及具有对于外部磁场的波动补偿的原子钟。



背景技术:

原子钟是使用原子系统的固有振动进行调节的非常精确和稳定的计时器件。便携式导航系统中越来越期望原子钟精度以提高位置精度。原子钟的微型版本(有时称为芯片级原子钟(CSAC))使用采用先进半导体工艺构建的集成电路。操作环境的稳定性对于CSAC器件来说是一个挑战。原子钟可以分为三个部分:物理部分(或物理单元);电子部分;以及封装件。这些零件可以分开制造并且稍后组装。

CSAC的物理单元有时使用MEMS技术来构建。典型的物理单元至少具有激光源、一些无源光学部件(透镜、四分之一波长偏振器等)、包含原子气体的腔室、光电探测器、加热器,热传感器和用于感应穿过原子腔室的内部磁场的励磁线圈。CSAC的电子部分包含控制电子件和施加到压控振荡器(VCO)以产生输出时钟的电压。陶瓷模块通常形成包含物理单元和电子件的封装件。

在原子钟中,激光将单元的碱金属原子(通常为铯或铷)的外部电子从基态激发到激发态。这些量子跃迁受到塞曼效应的影响,塞曼效应将零磁场处的退化跃迁(degenerate transition)分裂为有限磁场处的多个不同能态。主频率对磁场(零阶)稍微不敏感,而高阶谐振频率具有对磁场的越来越高的敏感度。随着磁场的到位,量子跃迁频率分散开并且电子件中的调节电路可以区分并锁定这些量子跃迁频率。

在现有的原子钟设计方法中,由内部磁场分散的谐振频率对外部磁场的变化敏感。为了防止杂散的外部磁场不利地影响系统的频率响应,围绕原子腔室、物理单元周围并且有时围绕整个CSAC放置磁屏蔽罩或者有时放置多个磁屏蔽罩。磁屏蔽件体积大、难于设计并且昂贵。在固定的原子钟中,一旦器件安装到位,可以校准外部磁场。在便携式原子钟器件(诸如越来越多地使用的便携式原子钟器件)中,会发生外部磁场的波动,并且因此需要改进。



技术实现要素:

在所描述的示例中,一种装置包含物理单元和电子电路,物理单元包含:激光源,其被配置为朝向含有原子气体的原子腔室发射光;光电探测器,其被配置成接收来自原子腔室的发射物;励磁线圈,其用于在该原子腔室中生成磁场;电子电路包含:控制器电路,其耦合到光电探测器输出端并且具有到数模转换器电路的控制输出端;数模转换器电路,其具有用于调节磁场的线圈电流输出端、用于控制光的调制的调制控制输出端,并且具有用于控制压控振荡器的输出端;以及射频输出电路,其具有耦合到数模转换器电路的输出端的压控振荡器,该射频输出电路向物理单元中的激光源输出射频信号。

附图说明

图1是芯片级原子钟器件的截面图。

图2是芯片级原子钟器件的框图。

图3是芯片级原子钟的实施例的框图。

图4是示出了利用施加的内部磁场进行频率分散之后的原子钟的两个量子跃迁频率的曲线图。

图5是方法实施例的流程图。

具体实施方式

除非另外指明,否则不同附图中的相应的数字和符号通常指代相应的部分。这些附图不一定按比例绘制。术语“耦合”可以包括利用中间元件进行的连接,并且在“耦合”的任何元件之间可以存在附加元件和各种连接。

图1是芯片级原子钟器件100的截面图。在CSAC器件100中,物理单元102被示出为例如封装在陶瓷体中并被安装在封装衬底106上的部件。在该示例中,物理单元102包含具有被引导通过微型温度稳定的原子腔室112的激光束的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)110。原子腔室包含标记为QWP的四分之一波长偏振器和标记为P-35含有少量的原子气体的腔室,在该示例中原子气体是铯。由激光能量撞击原子气体引起的光发射被光电探测器114接收。原子腔室112被励磁线圈116包围,该励磁线圈产生内部磁场以便引起来自原子腔室的光的量子跃迁频率在频率上分散开。原子腔室对外部磁场的敏感与对地球磁场的敏感一样细微,并且必须注意确保原子腔室经历一个恒定的磁场。不由物理单元产生的磁场在本文中被称为“外部”磁场,并且由物理单元的励磁线圈116产生的磁场在本文中被称为“内部”磁场。外部磁场和内部磁场的组合是影响原子腔室112的磁场。图1中没有示出使VCSEL 110和原子腔室112热稳定的加热元件。电子部分104示出为封装衬底上的单个集成电路。在其它实施方式中,电子部分可以包括多个集成电路和无源部件。如上所述,在一些现有的解决方案中,在系统内产生内部磁场以产生量子跃迁频率的频率间隔。为了避免产生可能干扰系统校准的额外的内部磁场,加热元件(为了清楚而未示出)通常被仔细地布置,例如各种加热元件布局成消除各个加热元件可能产生的任何磁场。

图2是芯片级原子钟器件200的框图。在图2中,为清楚起见,与图1中所示的元件类似的元件被类似于图1编号。例如,物理单元202对应于图1中的物理单元102。在图2中,还示出了物理单元202和电路204的特定功能件。在物理单元202中,包含加热元件或烘箱以及激光器的激光源被示出为具有至由输入信号控制的调制器的光发射。经调制的光通过准直器和包括隔离器、偏振器和四分之一波长分频器的光路传输到铯烘箱中。铯烘箱响应于激光发射的询问发射选定波长的光。如上所述,穿过原子腔室之后出现的光的频率包含在经受内部磁场时分散开的量子跃迁频率。光电探测器用于收集来自铯原子的发射物。

控制电路204为系统200提供控制功能和测量功能。物理单元202中的光电探测器的输出与两个路径中的环路滤波器一起使用。信号发生器产生用于驱动物理单元中的调制器的频率信号。激光驱动器电路还向激光源提供控制信号和驱动信号。通过改变至激光器的信号和至调制器的信号,并且随后识别来自光电探测器的峰值响应,可以将系统锁定到对应于由于铯原子中的电子能量的量子化能量变化而出现的物理恒定频率的频率。一旦系统被锁定到频率,可以使用频率计数器以产生用作非常精确的时间基准的时钟输出。时钟输出基准信号随后可用于通过对高达秒、分钟或更长周期的跃迁进行计数来形成时钟。替换性地,可以通过锁相环或类似技术产生对频率发生器信号的相干信号来形成时钟。

在这些实施例中,为了提高微型原子钟的可靠性并使其便于携带,包含并适应原子钟结构上变化的磁场的能力使得准确度提高,并且使得能够消除或减少昂贵而庞大的磁屏蔽件。示例实施例使用量子跃迁频率之间的间隔来检测磁场的变化。在另一个附加实施例中,对CSAC的物理单元中的励磁线圈电流施加校正动作以调节内部磁场,从而补偿外部磁场的波动。

图3是芯片级原子钟器件的实施例的框图。在图3中,为了清楚起见,类似编号的元件执行与图2中的元件类似的功能。例如,在图3中,物理单元302对应于图2中的物理单元202。物理单元302被示出为包含与图1中的物理单元102中所示的部件类似的部件的框,物理单元302至少包括激光器、光学透镜、原子腔室、光电探测器、具有热传感器的加热器以及用于产生内部磁场的励磁线圈。例如激光器可以是VCSEL。物理单元部分302具有用于激光器的输入端,用于励磁线圈电流的输入端和用于控制加热元件输入端。物理单元具有来自热传感器的输出端(在该示例中热传感器是热电偶)以及来自光电探测器的输出端。

在该示例实施例中,电子部分304被分成三块:分数合成器(fractional synthesizer)320、12位DAC 322以及微控制器或微处理器324。微处理器324被示出为用德克萨斯仪器公司制造的MSP430微控制器器件实现。也可以使用其他控制器器件和处理器器件。合成器320至少具有RF输出端和时钟输出端。本示例中示出为合成器320的TRF3765器件是分数合成器,其具有串行外围接口(SPI)输入端口和用于控制压控振荡器(VCO)的电压输入。在该说明性示例中,使用由得克萨斯仪器公司制造的具有集成的VCO的TRF3765分数合成器。数模转换器DAC 322接收来自微控制器324的数字输入,并且耦合到合成器320中的VCO以及物理单元302中的激光器、励磁线圈电流和加热元件。微控制器324至少具有耦合到物理单元302的热电偶输出端的A/D输入端以及耦合到来自物理单元302的光电探测器输出端的放大器和A/D。微控制器324在SPI总线上与分数合成器320通信。用于产生RF输出的分数可以通过使用SPI总线由微处理器修改。可以使用其他接口和控制类型(例如I2C接口或存储器映射I/O接口)以修改合成器或分数合成器中的控制寄存器。

图3中示出和布置的部件只是一个示例实施方式。在形成进一步实施例的附加布置中,可以使用其他集成电路。在形成实施例的附加替代布置中,304中的电子电路的功能件可以组合到单个集成电路,组合到几个集成电路,或者可以通过使用除了在图3中所示出的那些之外的现成的集成电路(诸如从各种制造商可获得的集成电路)来实现。虽然在该示例布置中示出了分数合成器,但是也可以使用其他合成器或RF信号发生器。可以使用具有除了12位(如图3所示)以外的不同分辨率的各种数模转换器器件(DAC)。可以使用各种可编程控制器、微处理器、微控制器、CPU、DSP、RISC处理器和其他控制器件。另外,可以由用户定义的诸如FPGA器件、CPLD器件和ASIC器件的集成电路可以用于实现304中所示的功能件的一部分。这些替代方法中的每一个可以形成另外的实施例。

在图3所示的示例实施例的操作中,在物理单元302中的原子腔室中(为了清楚而未示出)使用铯气体。为了初始化CSAC,原子腔室被加热。在一个示例中,温度被调节到80℃至100℃的范围(也可以使用其他温度),并且其温度由使用包括热电偶输出端、微控制器和DAC输出端的温度调节环路以控制加热元件的已知控制方法来稳定。加热单元的目的是在室温下蒸发处于液态的铯。在90℃下铯蒸发,允许个别原子与光源相互作用。使用具有调节温度的加热原子腔室的优点是环境温度不是系统操作中的控制因素。通过激励物理单元的励磁线圈来建立内部磁场。内部磁场的电平由至物理单元的励磁线圈电流输入端的DAC输出控制,该DAC输出驱动电流通过围绕物理单元的线圈以产生内部磁场。内部磁场将在上文所描述的原子腔室中的铯气体的量子跃迁频率分散。激光器由分数合成器激励至约为4.6GHz的主铯谐振频率。为了将VCO锁定到该频率,在量子跃迁频率上实施调节环路。在一个示例布置中,使用主量子跃迁频率或频率响应中的第一峰值来锁定VCO。通过使用内部磁场来分离和稳定频率响应中的峰值,即使在存在变化的外部磁场的情况下也可以获得非常精确的调节,如在下文中进一步解释的。

内部磁场的使用提供了可用于锁定磁控制系统的扩展功能,其使用频率响应中的峰值之间的差异。峰值之间的间隔与磁场的强度相关,并提供用于稳定原子腔室所经受的磁场的非常精确的差分测量。如果没有施加磁控系统,系统将需要昂贵且庞大的磁屏蔽件以防止由于包含地球磁场的外部磁场变化而引起的频移。此外,由于在实施例中使用励磁线圈电流来控制调节控制环路中的磁场,所以可以动态地补偿变化,诸如由于温度依赖性或器件工艺变化而可能发生的用于励磁线圈电流的DAC输出的变化。基于峰值的差异自动执行该励磁线圈电流调节,从而消除基于针对DAC 322中的特定设置获得的输出电流值来调节内部磁场的需要。

图4是使用施加的内部磁场使频率分散之后示出的铯基原子钟的两个量子跃迁频率的曲线图400。在曲线图400中,水平轴或X轴表示具有向右增加的值的频率。竖直轴表示具有向上增加的值的幅度。从左到右审阅频率信号,第一个峰值是主量子跃迁频率信号410,其在由励磁线圈电流提供的内部磁场和稳定的外部磁场的情况下出现。以虚线示出的下一个频率信号420是由于外部磁场增加而引起的移位到较高频率的主量子跃迁频率。以实线示出的第三信号412是在由线圈电流提供的内部磁场和稳定的外部磁场的情况下出现的第二量子跃迁频率。以虚线示出的信号422是由于外部磁场的增加而引起的移位到较高频率的第二量子跃迁频率。频率信号410和420对应于原子腔室中铯原子的0-0自旋状态之间的差的一半,并且频率信号412和422对应于原子腔室中铯原子的0-1自旋状态之间差的一半。

在内部磁场已经将谐振频率分散并且外部磁场稳定的工况下,第一信号410处于主谐振频率的位置。为了锁定VCO控制环路,分数合成器产生略高于主信号410的中心频率的采样信号频率和略低于主信号410的中心频率的采样信号频率以测量信号幅度。两个采样频率的位置在区域460内,并且在视图464、466和468中示出了三种可能情况的放大视图。视图466示出了定位低采样频率416L和高采样频率416H以测量信号的幅度的示例。在该示例466中,在两个频率位置416L和416H处的幅值是相同的,这意味着输出中心频率与主谐振频率对准,所以不需要对控制VCO的电压输出进行进一步调整。

在视图464中,示出了两个采样频率414L和414H,并且频率414H处的幅度大于频率414L处的幅度。这个结果表明输出频率低于主谐振频率,导致需要增加DAC到VCO的输出电压。为了补偿,耦合到激光器的RF输出端子处的频率增加,最终导致输出频率被推向主谐振频率。

在视图468中,示出了两个采样频率418L和418H,并且频率418L处的幅度大于频率418H处的幅度。这表明输出频率高于主谐振频率,导致需要降低DAC到VCO的输出电压。为了补偿,耦合到激光器的RF输出端子处的频率降低,最终导致输出频率被推向主谐振频率。

在外部磁场可能影响原子腔室的便携式原子钟装置中,如信号420和422所示,量子跃迁频率可能更大幅度地漂移。一个实施例形成将针对外部磁场的变化进行理解(comprehend)并动态校正的磁性补偿的芯片级原子钟(MCCSAC)。

在操作中,MCCSAC被初始化,因此内部磁场将引起量子跃迁频率的分离,如在信号410和412中所示。在磁场稳定时,例如在校准周期期间,测量并记录两个信号410和412之间的频率差411。信号之间的频率差411对磁场的大小敏感。差异的增加表明增加的磁场。在示例实施例中,通过减小励磁线圈电流(减小内部磁场)来补偿磁场的增加。差异的减小表明减小的磁场。通过增加线圈电流(增加内部磁场)来补偿减小的磁场。在实施例的一个方面中,调节环路的处理包括对主频率信号410和次频率信号412的检查,导致基于主频率410对VCO电压进行调节和基于主量子跃迁频率410与第二量子跃迁频率412之间的差异对内部磁场进行调节。因为外部磁场的变化速率比调节环路速率慢得多,因此当本申请的方法正在使用时将不会发生图4所示的信号422远离信号412的情况。由于调节环路的运行比磁场变化快得多,所以即使频率差411的最轻微的变化,也会对励磁线圈电流进行校正,从而将差保持在原始规定的值。针对变化的磁场进行动态调节的能力允许减少或消除现有已知CSAC的操作所需的磁屏蔽件。对操作中的系统的简单观察可以确定对屏蔽件的需求。

原子钟系统产生多个量子跃迁频率,并且针对用于监测的系统选择的频率可以不同于上述示例中所描述的频率。此外,可以使用两个以上的频率来检测和补偿磁场的变化。可以使用多个量子跃迁频率代替主频率和一个谐振频率并且观察这些多个量子跃迁频率之间的频率间隔来形成附加的布置。在上面描述的示例中所示的频率是针对铯的,但是其他原子诸如铷也可以用于原子钟。使用另一个原子(诸如铷)将改变量子跃迁频率,但是这些替代布置的操作原理是相似的,其包括施加磁场,使用峰值和在峰值之间的频率测量进行锁定以及针对在指示外部磁场的峰值之间的间隔的变化进行磁性补偿。碱金属原子便于在原子钟中使用,这是因为外层(outer shell)中有单个电子,其使离散的能量跳跃并通过振荡激光源产生对询问的区别的频率响应。

图5是方法实施例的流程图。为了简化说明,流程图中没有显示加热器和热电偶的控制和监测。在图5中,方法500以步骤510处的初始化开始,其中物理单元被供电并初始化。接下来,可以执行可选的校准步骤511。在校准期间,记录至少两个值:第一量子跃迁频率F1(记录为FT)以及第一量子跃迁频率F1和第二量子跃迁频率F2之间的差或增量(delta)DTO。步骤512的下一个动作是测量第一(CF1)量子跃迁频率和第二(CF2)量子跃迁频率。在步骤514中,计算CF1和CF2之间的差DF。在接下来的步骤516中做出判定。如果DF>DTO为真,则在步骤518中线圈电流减小,导致内部磁场减小,并且该方法返回到步骤512。如果步骤516中的比较为假,则在步骤520处,第二判定比较DF<DTO。如果该比较为真,则在步骤522中线圈电流增加,导致内部磁场增加并且该方法返回到步骤512。如果在步骤520处该比较为假,则在步骤524处,第三判定框比较CF1>FT。如果该比较为真,则在步骤524处VCO电压被降低,导致CF1降低,并且该方法返回到步骤512。如果在步骤524处的比较为假,则在步骤528处,第四判定框比较CF1<FT。如果该比较为真,则在步骤526处增加到VCO的电压,导致CF1增加,并且流程返回到步骤512处重新开始。如果比较为假,则方法在步骤512处重新开始。方法500中的步骤的顺序可以被修改以形成额外的实施例。例如,在图5的步骤中示出的各种比较可以按不同的顺序完成。

除了上述方法中的补偿方案之外,在额外的替代实施例中,该方法还可以被延伸以提供指示外部磁场的值的输出或者对应于相比内部场的外部磁场的相对值。也就是说,因为观察到的频率差对应于磁场的变化,所以磁场的变化可以由系统测量并且可供系统使用。这些信息在对外部磁场特别感兴趣的应用中可能是有价值的。

在所描述的实施例中修改是可能的并且在权利要求的范围内形成进一步的实施例的其他附加布置是可能的。

再多了解一些
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