兰姆凹陷分子时钟制造技术

一种兰姆凹陷分子时钟，属于时间与频率技术领域。所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上下表面为可调反射面；CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块。本发明专利技术首次提出了利用极性分子旋转谱线的兰姆凹陷提升时钟频率锁定稳定性，提高了当前芯片级分子时钟的短期、中长期、长期稳定性；相较于当前的小型化铷钟、原子钟，在稳定性和功耗占优势的前提下，大大减少制作成本，且具备快速启动的优势，启动时间≤10s。启动时间≤10s。启动时间≤10s。

【技术实现步骤摘要】
兰姆凹陷分子时钟


[0001]本专利技术涉及时间与频率
，具体涉及一种兰姆凹陷分子时钟。

技术介绍

[0002]时钟是为电子系统的协同工作提供时间或频率参考的核心基础器件。在5G高速无线接入网络中，大规模输入输出天线(Massive MIMO)需要同步发射多个射频波形，以利用多径效应提升信道容量。较低的时钟同步精度会降低多径合成效率，限制传输速率，国际电信联盟ITU为此制定的同步时间精度为65ns。此外，5G基站通过测量信号抵达时间实现目标定位，3m定位误差需要的时钟同步精度为10ns。高精度时钟同步需要小型化的高稳时钟作为同步网络的骨干时间基准。
[0003]传统的温补晶振(OCXO)存在难以解决的长期频率漂移问题；小型化铷钟长期稳定性优越，但体积功耗较大，价格昂贵；基于相干布局俘获的芯片级原子钟(Chip
‑
Scale Atomic Clock,CSAC)具有精度高、稳定性好、体积小、功耗低等优势，但其复杂的碱性金属物理封装和混合光电探测结构导致成本高昂且可靠性差。
[0004]为了满足电子系统协同工作的需求，分子时钟被研究者提出。分子时钟以全新原理
‑
即旋转谱线锁定实现了“原子钟”级稳定性，具备高温度稳定性和低磁场敏感度；其全电子学架构的成本大大降低了小型化高稳时钟成本，且具有低功耗、快速启动的优势。所谓旋转谱线，是极性气体分子在电磁场作用下产生的量子化的旋转能级的能级跃迁导致的，是分子结构的指纹，具有绝对分辨力，特定分子旋转谱线具有高频率稳定性。图1展示了硫化羰(OCS)分子的旋转谱线，其谱线位于毫米波/亚太赫兹频段，吸收峰值约在0.5THz，由分子转动惯量决定的谱线频率间隔为12.16GHz。
[0005]分子时钟的原理图如图2(a)所示，包括气体腔、发射机、接收机和低通滤波反馈回路。其工作原理为：首先，发射机中的压控晶振输出时钟信号，该时钟信号驱动锁相环，产生探测信号，其中心频率接近于分子旋转谱线中心频率。探测信号由调制器对其进行周期性波长调制，调制频率为f
m
。其次，探测信号通过耦合结构耦合到气体腔中，气体腔束缚极性气体分子(气体种类包括但不仅限于硫化羰OCS气体分子，气体压强为0.1～50帕范围)。再次，与气体分子相互作用后的探测信号通过耦合结构耦合回到接收机中。接收机由平方率检波器和锁相放大器组成，平方率检波器将探测信号转换为基带信号，锁相放大器对基带信号中调制频率f
m
的各次谐波进行解调，获取其幅值和极性。当连续改变探测信号中心频率，并同时记录各次谐波的幅值和极性，可以得到各阶色散曲线，如图3(a)所示。奇次色散曲线中心存在过零点，该过零点的频率与谱线中心频率一致，过零点附近的色散曲线的幅度与分子时钟的频率偏差成比例。因此，奇次色散曲线可以用于时钟锁定。最后，锁相放大器输出选定的奇次色散曲线电压幅度，其输出传递到低通滤波器以消除高频噪声，并将低通滤波器的输出反馈到压控晶振，构建一阶频率反馈回路。于是，反馈回路闭合后，分子时钟锁定到谱线中心频率。
[0006]基于以上原理的分子时钟，其频率稳定性与参考谱线的品质因子Q和谱线探测信
噪比SNR的乘积成反比：σ
y
(τ)
∝
1/(Q
×
SNR
×
τ
0.5
)，其中τ为平均时间。限制当前CSMC(Chip
‑
Scale Molecule Clock，芯片级分子时钟)稳定性的主要因素是谱线线宽受到多普勒展宽、碰壁展宽、压强展宽、和分子饱和效应等因素的影响，其品质因子Q～106与碱性金属电子跃迁谱线的品质因子Q～107相差约一个量级。其中，碰壁展宽、压强展宽和分子饱和效应可以通过系统设计来改善，而分子热运动导致的多普勒展宽成为了限制谱线品质因子的瓶颈，限制了分子时钟的稳定性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种兰姆凹陷分子时钟。本专利技术分子时钟通过构建高Q值的分子旋转谱线的兰姆凹陷，并进行动态频率锁定，提升分子时钟的稳定性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种兰姆凹陷分子时钟，如图5所示，所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，所述谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上表面和下表面均为可调反射面；
[0010]所述CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块；
[0011]CMOS分子饱和波谱芯片中的压控晶振模块产生频率为f
xo
的信号；泵浦信号产生模块对压控晶振模块产生的频率为f
xo
的信号进行锁频倍频、信号放大和波长调制，输出频率为f
m
的调制信号(f
m
需小于极性气体分子的分子旋转谱线宽度的1/10)、频率为Nf
xo
的输出信号、以及带波长调制的频率为Mf
xo
的泵浦信号，M、N均为正数(M和N可以相等或不等)；其中f
m
调制信号作为锁相解调放大模块的参考信号，输出信号Nf
xo
为小数分频模块的输入，以产生时钟输出信号，泵浦信号Mf
xo
馈入谐振式气体腔用于旋转谱线探测；
[0012]馈入谐振式气体腔的泵浦信号在谐振式气体腔上下反射面间来回反射，并与谐振式气体腔内的极性气体分子作用，泵浦信号的包络因极性气体分子的吸收而产生周期性改变，输出的信号经兰姆凹陷探测模块耦合检波转化为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块；
[0013]反射面调控反馈回路根据接收到的基带信号，调节控制可调反射面间距，使得谐振式气体腔的谐振频率与在压强p、温度T下的极性气体分子的旋转谱线中心频率f
o
重合；
[0014]锁相解调放大模块以泵浦信号产生模块输出的调制信号作为参考信号，对兰姆凹陷探测模块输出的基带信号进行滤波、锁相、放大和奇次色散曲线解调，得到奇次色散曲线电压信号，并输入泵浦信号调控反馈回路；
[0015]泵浦信号调控反馈回路对接收到的奇次色散曲线电压信号进行信号放大，放大后的信号一路作为模拟反馈输入压控晶振模块，另一路经模数转换后作为数字反馈输入泵浦信号产生模块；
[0016]压控晶振模块接收到泵浦信号调控反馈回路的模拟反馈后，调节输出的f
xo
信号的频率和幅度；泵浦信号产生模块接收到泵浦信号调控反馈回路的数字反馈后，调节泵浦信号的频率(Mf
xo
)和功率，将谐振式气体腔内的极性气体分子驱动到饱和产生兰姆凹陷谱线，
并使得泵浦信号的频率锁定在极性气体分子的兰姆凹陷的中心频率f
o
(Mf...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，所述谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上表面和下表面均为可调反射面；所述CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块；CMOS分子饱和波谱芯片中的压控晶振模块产生频率为f
xo
的信号；泵浦信号产生模块对压控晶振模块产生的频率为f
xo
的信号进行锁频倍频、信号放大和波长调制，输出频率为f
m
的调制信号、频率为Nf
xo
的输出信号、以及带波长调制的频率为Mf
xo
的泵浦信号，M、N均为正数；其中调制信号作为锁相解调放大模块的参考信号，输出信号为小数分频模块的输入，泵浦信号馈入谐振式气体腔；泵浦信号馈入谐振式气体腔，经谐振式气体腔后，输出的信号经兰姆凹陷探测模块耦合检波转化为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块；反射面调控反馈回路根据接收到的基带信号，调节控制可调反射面间距，使得谐振式气体腔的谐振频率与在压强p、温度T下的极性气体分子的旋转谱线中心频率重合；锁相解调放大模块以泵浦信号产生模块输出的调制信号作为参考信号，对兰姆凹陷探测模块输出的基带信号进行滤波、锁相、放大和奇次色散曲线解调，得到奇次色散曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成，沈芳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：