[发明专利]用于磁性补偿的芯片级原子钟的方法和装置

说明书

本申请涉及一种用于磁性补偿的芯片级原子钟的方法和装置。在所描述的示例中，一种装置包含物理单元(图3，302)和电子电路(304)，物理单元包含：配置为朝向含有原子气体的原子腔室发射光的激光源；配置为接收来自原子腔室的发射物的光电探测器；以及用于在该原子腔室中产生磁场的线圈；并且电子电路(304)包含：耦合到光电探测器输出端并且具有到数模转换器电路(322)的控制输出端的控制器电路(324)；数模转换器电路，其具有用于调整磁场的线圈电流输出端(E)、用于控制光(C)的调制的调制控制输出端，并且具有控制压控振荡器的输出端(AB)；以及射频输出电路(320)，其具有耦合到数模转换器电路的输出端的压控振荡器并且向物理单元(302)中的激光源(LASER)输出射频信号。

技术领域

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(degeneratetransition)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。

发明内容