在很多應(yīng)用領(lǐng)域，精準(zhǔn)的時間計(jì)量是基礎(chǔ)的構(gòu)成要素。就像目前大多數(shù)電路中都使用晶振來進(jìn)行時間計(jì)量。晶振大家都很熟悉，利用晶體的特性來實(shí)現(xiàn)時間計(jì)量，一般采用石英晶體或陶瓷晶體作為振蕩源，通過晶體產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量。
作為傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)的延伸，芯片級原子鐘以其小型化優(yōu)勢和高精度時間計(jì)量特性現(xiàn)在關(guān)注度很高。原子鐘向來都是精密時間計(jì)量的代表，但在芯片級原子鐘出現(xiàn)前，這一技術(shù)的應(yīng)用都僅限于高端航空、軍事領(lǐng)域。芯片級原子鐘的普及，將大大拓展在普通電子類消費(fèi)上的應(yīng)用。
從原子鐘到芯片原子鐘
對時間計(jì)量的精準(zhǔn)度，一直都代表著每個時代科技的最高水平，從日晷和沙漏到機(jī)械鐘、石英鐘，這些都是時間計(jì)量的代表。原子鐘則是現(xiàn)在我們所處時代對時間計(jì)量最精準(zhǔn)的設(shè)備。基于原子物理學(xué)的原子鐘可以做到幾千萬年甚至上十億年僅誤差1s的超高精準(zhǔn)度。
從原理來說，原子是按照繞在原子核周圍不同電子層的能量差來吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個高“能量態(tài)”躍遷至低“能量態(tài)”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這也就是人們所說的共振頻率，而同一種原子的共振頻率是一定的。這種準(zhǔn)確的節(jié)拍就是保持精準(zhǔn)計(jì)量的核心特性。原子鐘利用振動場的頻率作為節(jié)拍器來產(chǎn)生時間脈沖，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達(dá)到完全同步的水平。
目前原子鐘采用的原子有銫、氫、銣幾種，應(yīng)用最廣的以銫原子鐘為主，在天文、地理、國防、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。
芯片級原子鐘是傳統(tǒng)原子鐘的延伸，芯片級原子鐘也稱CPT原子鐘，其最大的特點(diǎn)就是尺寸小、功耗低，計(jì)時精度能達(dá)到銣原子鐘水平。傳統(tǒng)的原子鐘首先制造難度極高，高成本也限制了可應(yīng)用的范圍。本身來說傳統(tǒng)原子鐘體積大、功耗高的特點(diǎn)也并不適合絕大多數(shù)應(yīng)用。
芯片原子鐘很好地解決了這個矛盾，把原子鐘技術(shù)集成到芯片上，能夠契合現(xiàn)在的很多應(yīng)用。具體來說就是把原子振蕩器集成到芯片上，這種振蕩器比傳統(tǒng)的石英晶振精度領(lǐng)先幾個數(shù)量級，目前已經(jīng)面世的芯片原子鐘精度通常在數(shù)納秒到毫秒之間。
現(xiàn)在的通訊應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用、導(dǎo)航定位應(yīng)用，都需要高精度的時間同步作為前提，芯片原子鐘在實(shí)現(xiàn)時間同步和頻率同步上的絕對優(yōu)勢將成為重要的助力。現(xiàn)在最大的限制仍在于產(chǎn)量和成本。
國產(chǎn)芯片原子鐘加速發(fā)展
芯片原子鐘一直都是世界各國高度重視的行業(yè)，此前這一領(lǐng)域僅有美國的Symmetricom實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘的規(guī)模化生產(chǎn)，在這一領(lǐng)域處于壟斷地位。
國內(nèi)從事芯片原子鐘研發(fā)的主要集中在高校和科研院所，成都天奧電子和天津華信泰近年來也在芯片原子鐘上進(jìn)展頻頻。
天奧電子一直在原子鐘領(lǐng)域耕耘，2020年左右開始攻克芯片原子鐘，根據(jù)目前流出的消息，目前天奧電子某型CPT原子鐘已處于小批量試制階段，某型CPT原子鐘正在進(jìn)行生產(chǎn)工藝方面的攻關(guān)工作，將在航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、計(jì)量等領(lǐng)域率先開始應(yīng)用。
今年下半年，華信泰國內(nèi)首條萬臺芯片原子鐘生產(chǎn)線近日在天津高新區(qū)落成投產(chǎn)，產(chǎn)能達(dá)到年3萬臺。華信泰自2010年起，潛心攻關(guān)，通過自主研發(fā)，突破了芯片原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，所生產(chǎn)的芯片原子鐘產(chǎn)品全部具有自主知識產(chǎn)權(quán)。
這條生產(chǎn)線投產(chǎn)意味著國內(nèi)芯片原子鐘領(lǐng)域可自主實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，不再被卡脖子。對于芯片原子鐘成本的下探、大規(guī)模應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，將進(jìn)一步推動國內(nèi)通信、導(dǎo)航、時頻領(lǐng)域發(fā)展。
小結(jié)
芯片級原子鐘無可比擬的高精度時間計(jì)量特性會為需要高精度的時間同步的應(yīng)用發(fā)展提供不可或缺的助力，當(dāng)前雖然受限于產(chǎn)能和成本，但未來充滿了巨大的潛力。
