一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟<sup>87</sup>Rb蒸汽腔

李绍良; 徐静; 张志强; 吴亚明

一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟⁸⁷Rb蒸汽腔

1.
中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室,上海 200050;
2.
中国科学院大学,北京 100049

基金项目:

中科院院知识创新工程重要方向性项目（KGCX2-YW-143）

详细信息

作者简介:
李绍良（1987-），男，博士生，主要从事MEMS技术和微型CPT原子钟物理系统等方面的研究工作。Email：lishaoliang@mailsim.ac.cn

中图分类号: TN389

A microfabricated ⁸⁷Rb vapor cell with dual-chamber for chipscale atomic clock

1.
State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;
2.
University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

摘要: 碱金属蒸汽腔是芯片原子钟（CSACs）中重要的核心部件之一，其微型化制造具有重要的实用价值，同时也非常具有挑战性。采用MEMS 技术批量化制作了具有双腔结构的芯片原子钟87Rb 蒸汽腔阵列。在阳极键合过程中，通过原位化学反应产生纯净的87Rb 元素蒸汽，缓冲气体（N2）采用反充的方法充入到87Rb 蒸汽腔内以保证缓冲气体的压强可以精确的控制。所设计的双腔结构可以防止原位化学反应中产生的杂质阻挡光路，从而能够提高探测到的光信号的强度。通过原子钟桌面系统测试，得到了87Rb 元素D1 线的光学吸收谱和用于芯片原子钟锁频的误差信号，在90℃时，87Rb 元素D1 线纠偏信号的线宽（波峰与波谷间距）可达到0.53 kHz。测试结果表明，双腔结构的87Rb 蒸汽腔满足芯片原子钟或其他芯片级原子器件的设计要求。
- 87Rb 蒸汽腔 /
- 芯片原子钟 /
- 相干布居数囚禁（CPT） /
- 双腔结构 /
- MEMS 技术
Abstract: Alkali vapor cell is one of the key components of chip-scale atomic clocks (CSACs), and its microfabrication is very significant yet challenging. Arrays of 87Rb vapor cell with dual-chamber for CSACs were batch fabricated by MEMS technology. Pure 87Rb vapor was produced by in-situ chemical reaction during anodic bonding process and buffer gas (N2) was backfilled to ensure the pressure is precisely controlled. The dual-chamber structure helps to prevent the impurity after reaction from blocking light path, in order to improve the intensity of optical signal. Optical absorption spectrum of 87Rb D1 line and the error signal used to lock the frequency of chip-scale atomic clock were finally obtained through experimental test. The peak-to-valley separation of the 87Rb D1 line error signal can reach 0.53 kHz at 90℃, which indicates that the 87Rb vapor cell can meet the requirement of CSACs or other chip-scale atomic devices (CSADs).
- 87Rb vapor cell /
- chip-scale atomic clock /
- coherent population trapping /
- dual-chamber structure /
- MEMS technology

[1]
[2]	Lutwak R, Emmons D, Riley W, et al. The chip-scale atomic clock-coherent population trapping vs conventional interrogation [C]//34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, 2002.
[3]
[4]	Kitching J, Knappe S, Hollberg L, et al. Miniature vapor-cell atomic-frequency references [J]. Applied Physics Letters, 2002,81(3): 553-555.
[5]
[6]	Knappe S, Vishal S, Schwindt P, et al. A microfabricated atomic clock [J]. Applied Physics Letters, 2004, 85(9): 1460-1462.
[7]
[8]	Zhu M, Cutler L, Berberian J E, et al. Narrow linewidth CPT signal in small vapor cells for chip scale atomic clocks [C]//2004 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, 2004.
[9]	Gong F, Jau Y Y, Jensen K, et al. Electrolytic fabrication of atomic clock cells [J]. Review of Scientific Instruments, 2006,77: 076101-3.
[10]
[11]
[12]	Goka S. Rb-85 D1-line coherent-population-trapping atomic clock for low-power operation [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2010,21院:1508-1513.
[13]
[14]	Knapkiewicz P, Dziuban J, Walczak R, et al. MEMS caesium vapour cell for European micro-atomic-clock [J]. Procedia Engineering, 2010, 5:721-724.
[15]	Lutwak R, Emmons D, English T, et al. The chip-scale atomic clock-recent development progress [C]// 35th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, 2003.
[16]
[17]	LiewL, Knappe S, Moreland J, et al. Microfabricated alkali atom vapor cells [J]. Applied Physics Letters, 2004, 84 (14): 2694-2696.
[18]
[19]
[20]	Liew L, Moreland J, Gerginov V. Wafer-level filling of microfabricated atomic vapor cells based on thin-film deposition and photolysis of cesium azide [J]. Applied Physics Letters,2007, 90(11): 1141061-3.
[21]
[22]	Radhakrishnan S, Lal A. Alkali metal-wax micropackets for chip-scale atomic clocks [C]//The 13th Intemational Conference on Solid-state Sensors, Actuators and Microsystems, 2005.
[23]
[24]	Griffith W C, Knappe S, Kitching J. Femtotesla atomic magnetometry in a microfabricated vapor cell [J]. Optical Express, 2010, 18(26): 27167-27172.
[25]
[26]	Knappe S, Schwindt P, Shah V, et al. A chip-scale atomic clock based on 87Rb with improved frequency stability [J]. Optical Express, 2005, 13(4): 1249-1253.
[27]	Kitching J, Knappe S, Donley E A. Atomic sensors-a review[J]. IEEE Sens J, 2011, 11(9): 1749-1758.
[28]
[29]	Su J, Deng K, Guo D Z, et al. Stable Rb-85 micro vapour cells:fabrication based on anodic bonding and application in chip-scale atomic clocks [J]. Chinese Physics B, 2010, 19 (11):1107011-8.

[1]	金装, 李景, 姜梦华, 刘友强, 秦文斌, 曹银花, 王智勇. 无输出镜外腔光谱合束结构对反馈效率的影响 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220446-1-20220446-10. doi: 10.3788/IRLA20220446
[2]	张振国, 李英一, 鞠有伦, 吕志伟. 双楔镜腔长微调节结构研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(8): 20230422-1-20230422-10. doi: 10.3788/IRLA20230422
[3]	蔡兆雨, 王子皓, 杨昌喜, 鲍成英. 相干泵浦微腔光孤子基础与双光梳应用（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20220271-1-20220271-12. doi: 10.3788/IRLA20220271
[4]	努尔兰·吐尔达洪, 祝连庆, 陈广伟, 李慧宇, 祝静. 法布里-珀罗腔型弱磁增敏气室结构 . 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210155-1-20210155-7. doi: 10.3788/IRLA20210155
[5]	宁城枭, 张兆伟. 中红外飞秒双谐振光参量振荡器的腔长调谐（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210341-1-20210341-7. doi: 10.3788/IRLA20210341
[6]	李东康, 高丽媛, 王涛, 田杏霞, 付长宝. 三束相干光场驱动的Ru原子蒸汽中可调谐的光吸收 . 红外与激光工程, 2020, 49(9): 20190528-1-20190528-5. doi: 10.3788/IRLA20190528
[7]	靳全伟, 庞毓, 蒋建锋, 谭亮, 崔玲玲, 魏彬, 万敏, 高清松, 唐淳. VRM腔高光束质量高功率双波长激光器 . 红外与激光工程, 2018, 47(11): 1105003-1105003(5). doi: 10.3788/IRLA201847.1105003
[8]	曾钦勇, 万勇, 秦开宇. 可应用于高效光电对抗的新颖结构激光谐振腔 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 806002-0806002(4). doi: 10.3788/IRLA201746.0806002
[9]	白慧君, 汪岳峰, 王军阵, 郭天华. 双波长可调外腔半导体激光器 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 906002-0906002(5). doi: 10.3788/IRLA201746.0906002
[10]	方俊飞, 邓建平, 张鹏超. 球形谐振腔表面结构对银的增强辐射性能 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 916001-0916001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0916001
[11]	施蕊, 徐畅, 徐锐, 石诺, 杨扬, 钱丽勋, 王欣, 李卓. 基于MEMS的红外动态图像生成技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(2): 204002-0204002(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0204002
[12]	姚呈康, 李俊, 李龙. 对称棱镜式环形谐振腔结构优化 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1118002-1118002(9). doi: 10.3788/IRLA201645.1118002
[13]	朱君, 李志全, 秦柳丽. MIM 结构中腔的物理性质对SPP传播的分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 852-856.
[14]	张磊, 李璟文, 周望, 王守岩. 基于MEMS技术的柔性多触点深部脑刺激电极研制 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1517-1521.
[15]	刘耀英, 薛晨阳, 郑华, 安盼龙, 崔晓文, 卢晓云, 刘俊. 高精度环形谐振腔的结构设计及优化 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3688-3693.
[16]	陈颖, 王文跃, 范卉青, 卢波. 异质结构光子晶体微腔实现多通道可调谐滤波 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3399-3403.
[17]	田磊. 双补偿结构I-V 转换电路在红外接收芯片中的应用 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2170-2174.
[18]	李晓龙, 王江安, 吴亚明. MEMS双光纤位移声传感器设计与分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2505-2509.
[19]	陶蒙蒙, 黄启杰, 余婷, 杨鹏翎, 陈卫标, 叶锡生. LD泵浦不同腔结构高效运转掺铥光纤激光器 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 2008-2011.
[20]	邹前进, 陈前荣, 王敏, 袁圣付. 连续波DF激光器光腔温度和相对粒子数范围估算 . 红外与激光工程, 2013, 42(12): 3320-3324.

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一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟⁸⁷Rb蒸汽腔

作者简介:
李绍良（1987-），男，博士生，主要从事MEMS技术和微型CPT原子钟物理系统等方面的研究工作。Email：lishaoliang@mailsim.ac.cn

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1. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室,上海 200050;

2. 中国科学院大学,北京 100049

作者简介:
李绍良（1987-），男，博士生，主要从事MEMS技术和微型CPT原子钟物理系统等方面的研究工作。Email：lishaoliang@mailsim.ac.cn

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A microfabricated ⁸⁷Rb vapor cell with dual-chamber for chipscale atomic clock

1. State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;

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作者简介: 李绍良（1987-），男，博士生，主要从事MEMS技术和微型CPT原子钟物理系统等方面的研究工作。Email：lishaoliang@mailsim.ac.cn

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作者简介: 李绍良（1987-），男，博士生，主要从事MEMS技术和微型CPT原子钟物理系统等方面的研究工作。Email：lishaoliang@mailsim.ac.cn

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A microfabricated 87Rb vapor cell with dual-chamber for chipscale atomic clock

1. State Key Laboratory of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China; 2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

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