Атомные часы в масштабе чипа (CSAC) — это компактные маломощные атомные часы, изготовленные с использованием технологий микроэлектромеханических систем (MEMS) и включающие маломощный полупроводниковый лазер в качестве источника света. Первый физический пакет CSAC был продемонстрирован в Национальном институте стандартов и технологий ( NIST ) в 2003 году [1] на основе изобретения, сделанного в 2001 году. [2] Работа финансировалась Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) с целью разработки атомных часов размером с микрочип для использования в портативном оборудовании. В военном оборудовании ожидается, что они обеспечат улучшенное местоположение и ситуационную осведомленность в пространстве боя для спешенных солдат, когда глобальная система позиционирования недоступна, [3] но также предусмотрено множество гражданских применений. Коммерческое производство этих атомных часов началось в 2011 году. [4] CSAC, самые маленькие в мире атомные часы, имеют размеры 4 x 3,5 x 1 см (1,5 x 1,4 x 0,4 дюйма), весят 35 граммов, потребляют всего 115 мВт энергии и могут показывать время с точностью до 100 микросекунд в день после нескольких лет эксплуатации. Более стабильная конструкция, основанная на вибрации атомов рубидия, была продемонстрирована NIST в 2019 году. [5]
Как и другие атомные часы на основе цезия, часы отсчитывают время с помощью точного микроволнового сигнала частотой 9,192631770 ГГц, излучаемого электронными спиновыми переходами между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями в атомах цезия-133 . Механизм обратной связи удерживает кварцевый генератор на чипе, привязанный к этой частоте, которая делится цифровыми счетчиками для получения тактовых сигналов частотой 10 МГц и 1 Гц, подаваемых на выходные контакты. На чипе жидкий металлический цезий в крошечной капсуле диаметром 2 мм, изготовленной с использованием методов кремниевой микрообработки, нагревается для испарения щелочного металла. Полупроводниковый лазер направляет луч инфракрасного света, модулированного микроволновым генератором, через капсулу на фотодетектор . Когда генератор находится на точной частоте перехода, оптическое поглощение атомов цезия уменьшается, увеличивая выход фотодетектора . Выходной сигнал фотодетектора используется в качестве обратной связи в схеме автоподстройки частоты для поддержания генератора на правильной частоте.
Обычные атомные часы с паровой ячейкой имеют размер примерно с колоду карт, потребляют около 10 Вт электроэнергии и стоят около 3000 долларов. Уменьшение их до размера полупроводникового чипа потребовало обширной разработки и нескольких прорывов. [6] Важной частью разработки было проектирование устройства таким образом, чтобы его можно было изготавливать с использованием стандартных технологий изготовления полупроводников, где это возможно, чтобы сохранить его стоимость достаточно низкой, чтобы оно могло стать устройством для массового рынка. Обычные цезиевые часы используют стеклянную трубку, содержащую цезий, которую сложно сделать меньше 1 см. В CSAC методы MEMS использовались для создания цезиевой капсулы размером всего 2 кубических миллиметра. Источником света в обычных атомных часах является рубидиевая разрядная лампа с атомными парами , которая была громоздкой и потребляла большое количество энергии. В CSAC ее заменил инфракрасный вертикальный резонатор поверхностного излучения (VCSEL), изготовленный на чипе, с его лучом, излучающимся вверх в цезиевую капсулу над ней. Другим достижением стало устранение микроволновой полости , используемой в обычных часах, размер которой, равный длине волны микроволновой частоты, около 3 см, формировал фундаментальный нижний предел размера часов. [6] Полость стала ненужной благодаря использованию квантовой техники, когерентного захвата населенности .
Программа CSAC достигла стократного уменьшения размера при потреблении в 50 раз меньше энергии, чем традиционные атомные часы, что привело к широкому использованию CSAC в военных и коммерческих приложениях. [7] [8] Согласно отчету за октябрь 2023 года, ожидается, что рынок CSAC будет расти с «замечательным» среднегодовым темпом роста (CAGR) с 2023 по 2030 год. [9] Основными коммерческими игроками являются Microsemi ( Microchip Technology ), Teledyne , Chengdu Spaceon Electronics и AccuBeat. [9] [10]
NIST на чипе
{{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )