칩 스케일 원자 시계

Chip-scale atomic clock
NIST 칩 스케일 원자 시계의 물리학 패키지

칩 스케일 원자 시계(CSAC)는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)의 기법을 사용하여 제조되고 저전력 반도체 레이저를 광원으로 통합한 소형 저전력 원자 시계다. 최초의 CSAC 물리학 패키지는 2001년에 만들어진 발명에 기초하여 2003년에 NIST에서 입증되었다.[1][2] 이 작업은 휴대용 장비에 사용할 마이크로칩 크기의 원자시계를 개발한다는 목표로 미 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)의 자금 지원을 받았다. 군사 장비에서는, 지구 위치 확인 시스템을 이용할 [3]수 없을 때, 탈영병들에게 개선된 위치와 전투 공간 상황 인식을 제공할 것으로 기대되지만, 많은 민간 응용 프로그램도 구상되고 있다. 이러한 원자시계의 상업적 제조는 2011년에 시작되었다.[4] 세계에서 가장 작은 원자 시계인 CSAC는 크기가 4 x 3.5 x 1 cm(1.5 x 1.4 x 0.4 inch)이고, 무게는 35g이며, 115 mW의 전력만을 소비하며, 몇 년 작동한 후에도 하루에 100마이크로초 이내로 시간을 유지할 수 있다. 루비듐 원자의 진동에 기초한 보다 안정적인 설계는 NIST가 2019년에 시연했다.[5] 그 새 디자인은 아직 상용화되지 않았다.

작동 방식

다른 세슘 원자 시계와 마찬가지로, 시계는 세슘-133 원자의 두 초미세 에너지 수준 사이에서 전자 스핀 전환에 의해 방출되는 9.192631770GHz 마이크로파 신호에 의해 시간을 유지한다. 피드백 메커니즘은 출력 핀에 제공되는 10 MHz와 1 Hz 클럭 신호를 제공하기 위해 디지털 카운터에 의해 나누어지는 이 주파수로 잠긴 칩에 쿼츠 크리스털 오실레이터를 유지한다. 칩 위에는 실리콘 마이크로마칭 기법으로 제작된 2mm 크기의 작은 캡슐에 액상 금속 세슘이 가열되어 알칼리 금속을 기화시킨다. 반도체 레이저가 캡슐을 통해 마이크로파 발진기에 의해 변조된 적외선 광선을 광검출기에 비춘다. 오실레이터가 전환의 정확한 주파수에 도달하면 세슘 원자의 광학 흡수가 감소하여 광검출기의 출력이 증가한다. 광검출기의 출력은 오실레이터를 올바른 주파수로 유지하기 위해 주파수 잠금 루프 회로에서 피드백으로 사용된다.

개발

기존의 증기 세포 원자 시계는 카드 한 벌 정도의 크기로, 약 10W의 전력을 소비하며 약 3,000달러의 비용이 든다. 이를 반도체 칩 크기로 축소하는 데는 광범위한 개발과 몇 가지 돌파구가 필요했다.[6] 개발의 중요한 부분은 가능한 경우 표준 반도체 제조 기법을 사용하여 제조할 수 있도록 기기를 설계하는 것으로, 대량 시장 기기가 될 수 있을 정도로 비용을 낮게 유지하도록 하는 것이었다. 기존 세슘 시계는 세슘이 함유된 유리관을 사용하는데, 이 유리관은 1cm 이하로 만들기 어렵다. CSAC에서는 MEMS 기법을 사용하여 겨우 2입방 밀리미터 크기의 세슘 캡슐을 만들었다. 재래식 원자시계의 광원은 루비듐 원자-증기 방전등인데, 부피가 크고 많은 전력을 소비했다. CSAC에서 이것은 칩 위에 제조된 적외선 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)로 대체되었고, 그것의 빔은 그 위의 세슘 캡슐로 위쪽으로 방사되었다. 또 다른 진보는 재래식 시계에 사용되는 마이크로파 공동의 제거로, 약 3cm의 마이크로파 주파수의 파장과 같은 크기가 시계 크기에 대한 근본적인 하한선을 형성했다.[6] 이 충치는 양자 기법, 일관성 있는 모집단 트랩을 사용하여 불필요하게 만들어졌다.

상용화

적어도 한 회사인 Microsemi는 시계의 버전을 생산한다.[7]

참조

  1. ^ Knappe, Svenja; Shah, Vishal; Schwindt, Peter D. D.; Hollberg, Leo; Kitching, John; Liew, Li-Anne; Moreland, John (2004-08-30). "A microfabricated atomic clock". Applied Physics Letters. 85 (9): 1460–1462. Bibcode:2004ApPhL..85.1460K. doi:10.1063/1.1787942. ISSN 0003-6951. S2CID 119968560.
  2. ^ Leo Hollberg and John Kitching, Miniature frequency standard based on all-optical excitation and a micro-machined containment vessel, US Patent 6,806,784 B2., retrieved 2018-10-10
  3. ^ "Miniaturized Atomic Clock to Support Soldiers In Absence of GPS". Defense-Aerospace.com. Retrieved 2020-04-19.
  4. ^ Jones, Willie D. (March 16, 2011). "Chip-Scale Atomic Clock". IEEE Spectrum. Inst. of Electrical and Electronic Engineers. Retrieved February 2, 2017.
  5. ^ "NIST Team Demonstrates Heart of Next-Generation Chip-Scale Atomic Clock".
  6. ^ a b Kitching, John (2018). "Chip-scale atomic devices". Applied Physics Reviews. 5 (3): 031302. Bibcode:2018ApPRv...5c1302K. doi:10.1063/1.5026238. ISSN 1931-9401.
  7. ^ "Chip Scale Atomic Clock (CSAC) Microsemi". www.microsemi.com. Retrieved 2018-10-08.