[發明專利]蘭姆凹陷分子時鐘

有效

• 申請號: 202110923141.0
• 申請日: 2021-08-12
• 公開（公告）號: CN113659981B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 王成;沈芳
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種蘭姆凹陷分子時鐘，屬于時間與頻率技術領域。所述分子時鐘包括諧振式氣體腔和CMOS分子飽和波譜芯片，諧振式氣體腔內填充極性氣體分子，氣體腔內極性氣體分子的壓強為p、溫度為T，氣體腔的上下表面為可調反射面；CMOS分子飽和波譜芯片包括泵浦信號產生模塊、蘭姆凹陷探測模塊、反射面調控反饋回路、鎖相解調放大模塊、泵浦信號調控反饋回路、壓控晶振模塊和小數分頻模塊。本發明首次提出了利用極性分子旋轉譜線的蘭姆凹陷提升時鐘頻率鎖定穩定性，提高了當前芯片級分子時鐘的短期、中長期、長期穩定性；相較于當前的小型化銣鐘、原子鐘，在穩定性和功耗占優勢的前提下，大大減少制作成本，且具備快速啟動的優勢，啟動時間≤10s。

技術領域

本發明涉及時間與頻率技術領域，具體涉及一種蘭姆凹陷分子時鐘。

背景技術

時鐘是為電子系統的協同工作提供時間或頻率參考的核心基礎器件。在5G高速無線接入網絡中，大規模輸入輸出天線(Massive MIMO)需要同步發射多個射頻波形，以利用多徑效應提升信道容量。較低的時鐘同步精度會降低多徑合成效率，限制傳輸速率，國際電信聯盟ITU為此制定的同步時間精度為65ns。此外，5G基站通過測量信號抵達時間實現目標定位，3m定位誤差需要的時鐘同步精度為10ns。高精度時鐘同步需要小型化的高穩時鐘作為同步網絡的骨干時間基準。

傳統的溫補晶振(OCXO)存在難以解決的長期頻率漂移問題；小型化銣鐘長期穩定性優越，但體積功耗較大，價格昂貴；基于相干布局俘獲的芯片級原子鐘(Chip-ScaleAtomic Clock,CSAC)具有精度高、穩定性好、體積小、功耗低等優勢，但其復雜的堿性金屬物理封裝和混合光電探測結構導致成本高昂且可靠性差。

為了滿足電子系統協同工作的需求，分子時鐘被研究者提出。分子時鐘以全新原理-即旋轉譜線鎖定實現了“原子鐘”級穩定性，具備高溫度穩定性和低磁場敏感度；其全電子學架構的成本大大降低了小型化高穩時鐘成本，且具有低功耗、快速啟動的優勢。所謂旋轉譜線，是極性氣體分子在電磁場作用下產生的量子化的旋轉能級的能級躍遷導致的，是分子結構的指紋，具有絕對分辨力，特定分子旋轉譜線具有高頻率穩定性。圖1展示了硫化羰(OCS)分子的旋轉譜線，其譜線位于毫米波/亞太赫茲頻段，吸收峰值約在0.5THz，由分子轉動慣量決定的譜線頻率間隔為12.16GHz。

分子時鐘的原理圖如圖2(a)所示，包括氣體腔、發射機、接收機和低通濾波反饋回路。其工作原理為：首先，發射機中的壓控晶振輸出時鐘信號，該時鐘信號驅動鎖相環，產生探測信號，其中心頻率接近于分子旋轉譜線中心頻率。探測信號由調制器對其進行周期性波長調制，調制頻率為f_m。其次，探測信號通過耦合結構耦合到氣體腔中，氣體腔束縛極性氣體分子(氣體種類包括但不僅限于硫化羰OCS氣體分子，氣體壓強為0.1～50帕范圍)。再次，與氣體分子相互作用后的探測信號通過耦合結構耦合回到接收機中。接收機由平方率檢波器和鎖相放大器組成，平方率檢波器將探測信號轉換為基帶信號，鎖相放大器對基帶信號中調制頻率f_m的各次諧波進行解調，獲取其幅值和極性。當連續改變探測信號中心頻率，并同時記錄各次諧波的幅值和極性，可以得到各階色散曲線，如圖3(a)所示。奇次色散曲線中心存在過零點，該過零點的頻率與譜線中心頻率一致，過零點附近的色散曲線的幅度與分子時鐘的頻率偏差成比例。因此，奇次色散曲線可以用于時鐘鎖定。最后，鎖相放大器輸出選定的奇次色散曲線電壓幅度，其輸出傳遞到低通濾波器以消除高頻噪聲，并將低通濾波器的輸出反饋到壓控晶振，構建一階頻率反饋回路。于是，反饋回路閉合后，分子時鐘鎖定到譜線中心頻率。