基于超表面设计和TSV技术的高性能芯片级原子钟研究

Under the guidance of the national strategy on sustainable development, geological exploration had been expended to deep sea area. Operating equipment in the deep sea area could not receive GPS signal, so punctual equipment with high stability was needed for clock signal. With the development of science and technology, portable geological exploration devices are more and more, the size and power consumption of clock signal generator become an urgent problem. The stability of chip-scale atomic clock based on the principle of coherent population trapping is not affected by environment. And the ultimate target in the aspect of size, power consumption and stability are 1cm3, 30mW and 1×10-11 which is 1 to 2 orders of magnitude higher than the stability of quartz crystal. The above shows chip-scale atomic clock is the best clock signal generator choice. Both military products and corporation products are exist overseas, but domestic chip-scale atomic clock is still in scientific research stage for the bottleneck of decreasing physics package size. Metasurface was used to realize light polarization overseas, but domestic research still adopted traditional quarter-wave plate. Therefore, Metasurface would be adopted to resolve the bottleneck of decreasing physics package with estimate decreasing by 30%. And TSV technology would be applied to enhance the robustness of physics package.

在国家可持续发展战略的指引下，地质勘探已经拓展到深海区域。在深海区域，因为作业设备不能接收GPS授时，所以需要稳定度高的守时设备提供时钟信号。随着科学技术的发展，便携式的地质勘探设备越来越多，时钟信号发生器的体积和功耗成为亟需解决的问题。芯片级原子钟，基于相干布局囚禁原理，稳定度不受环境影响，终极目标的体积为1cm3，功耗为30mW，稳定度为1×10-11（比石英晶振的稳定度高1-2个数量级），是地质勘探时钟信号发生器的最佳选择。在国外，芯片级原子钟既有军品又有商品；在国内，物理封装的体积减小成为瓶颈，至今仍处于科学研究阶段。因为国外在光极化方面使用超表面技术，但是国内仍采用传统四分之一波片。因此，本项目首先拟采用超表面解决物理封装体积减小的瓶颈，预计将体积减小30%；然后拟采用TSV技术提高物理封装的鲁棒性。

在国家可持续发展战略的指引下，地质勘探已经拓展到深海区域。在深海区域，因为作业设备不能接收GPS授时，所以需要稳定度高的守时设备提供时钟信号。随着科学技术的发展，便携式的地质勘探设备越来越多，时钟信号发生器的体积和功耗成为亟需解决的问题。芯片级原子钟，基于相干布局囚禁原理，稳定度不受环境影响，终极目标的体积为1立方厘米，功耗为30mW，稳定度为1E-11（比石英晶振的稳定度高1-2个数量级），是地质勘探时钟信号发生器的最佳选择。在国外，芯片级原子钟既有军品又有商品；在国内，物理封装的体积减小成为瓶颈，至今仍处于科学研究阶段。因为国外在光极化方面使用超表面技术，但是国内仍采用传统四分之一波片。因此，主要研究内容是借助微纳光学的超表面设计实现四分之一波片功能取代传统四分之一波片和衰减片，研究结果显示借助微纳光学的超表面设计实现的四份之一波片取代芯片级原子钟系统内的传统四分之一波片和衰减片之后获得类似的效果实现任务指标，而且能将物理封装的高度从0.8mm减小到0.5mm，实际体积减小37.5%，实现体积减小30%的任务指标；另外一部分内容主要通过硅通孔和键合技术解决物理封装电学信号不同端面问题，该问题迫使物理封装内引入飞线，鲁棒性较差，研究结果显示硅通孔技术的可行性，需要更多的支持进一步研究。