В Концерне «РТИ» начаты испытания малогабаритных атомных часов

В Концерне «РТИ», специализирующемся на разработке и производстве высокотехнологичных продуктов и инфраструктурных решений с использованием собственных микроэлектронных технологий, создается опытный образец устройства временного и частотного обеспечения, который позволит сделать качественный шаг в разработке нового поколения малогабаритных атомных часов (МАЧ).
Сертифицированные образцы перспективных МАЧ должны появиться уже в следующем году, а серийный продукт планируется запустить в продажу ближе к 2020 году.  

Атомные часы являются по своей сути квантовыми стандартами частоты, т.е. генераторами, частота которых точно определена и стабильна во времени. Стандартная частота такого генератора – 10 МГц, но, при необходимости, она может быть и иной.

Данные устройства необходимы для корректного хранения шкалы времени автономными потребителями и также могут служить источниками эталонных сигналов при создании самых различных систем, построенных на измерениях частоты и времени.

Один из примеров использования атомных часов человеком – глобальные системы позиционирования, работа которых невозможна без установленных на спутниках стандартов частоты.

МАЧ являются примером нового поколения таких устройств, и их отличительными чертами являются не только малые габариты, как это следует из названия, но и крайне низкий уровень энергопотребления.

Впервые МАЧ в современном понимании это слова были разработаны в США в начале этого века и выпущены на рынок несколько лет назад компанией Symmetricom, которая позднее была приобретена компанией Microsemi. Свое устройство с объемом в 17 см3 и энергопотреблением в 120 мВт американцы назвали CSAC (Chip Scale Atomic Clock – атомные часы размером с микросхему). Эта аббревиатура в России форматировалась в МАЧ. Их характеристики и по объему, и по энергопотреблению примерно на один-два порядка лучше, чем у классических рубидиевых стандартов частоты (~ 500 см3 и 10 Вт), что значительно расширяет область их возможного применения.

– Для создания малогабаритных атомных часов нам потребовалось организовать тесную кооперацию с разработчиками интегральных микросхем и лазеров, излучающих с поверхности (известны также, как вертикально излучающие лазеры, VCSEL). В числе дочерних компаний Концерна «РТИ» такие предприятия есть. Среди них – лидер российской микроэлектроники ПАО «Микрон», а также единственный в нашей стране промышленный изготовитель вертикально-излучающих лазеров (VCSEL) компания «Коннектор Оптикс». Также специально под этот проект мы создали Центр научной и технической компетенции по атомным часам – АО «Лазертех», – рассказывает генеральный директор Концерна «РТИ» Игорь Бевзюк.

Создание МАЧ стало возможным именно благодаря появлению в мире вертикально-излучающих лазеров и развитию современной электронной компонентной базы.

Сам физический эффект, который реализуется в МАЧ, известен уже около 30 лет и называется эффектом когерентного пленения населённостей (КПН). Его использование позволяет отказаться от необходимого в классической конструкции СВЧ резонатора. При частоте СВЧ около 7-9 ГГц, длина такого резонатора составляет около 2 см, что накладывает ограничение «снизу» на характерный размер так называемого квантового дискриминатора – блока устройства, непосредственно в котором реализуется физический эффект. Эффект КПН подразумевает модуляцию источника оптического излучения на половине рабочей частоты СВЧ, и именно поэтому его практическое применение стало возможным лишь с появлением полупроводниковых лазеров типа VCSEL. Помимо широкой полосы модуляции, эти лазеры отличаются также большим ожидаемым сроком службы (в десятки тысяч часов), устойчивостью к внешним механическим воздействиям и принципиально одномодовым режимом генерации. И, конечно, экстремально низким энергопотреблением, которое составляет лишь несколько мВт для лазера вместе со всей управляющей электроникой. В классических устройствах для оптической накачки применяются газоразрядные лампы, энергопотребление которых составляет 8-10 Вт. Использование лазера одновременно позволяет уменьшить энергопотребление и реализовать в устройстве эффект КПН, который, в свою очередь, убирает принципиальные ограничения на размер устройства. В результате – становится возможным создать МАЧ.

По словам руководителя проектов проектного центра Концерна «РТИ» Евгения Лобашова, в целом ряде электронных приложений МАЧ могут заменить собой используемые кварцевые генераторы и качественно улучшить работу соответствующих систем. Например, МАЧ могут быть использованы в навигационной аппаратуре малых БПЛА, что сделает короче необходимые сигналы связи при определении собственного местоположения по сигналам ГЛОНАСС и повысит безопасность передачи сигналов управления на БПЛА.

МАЧ, которые разработаны в Концерне «РТИ» уже превосходят классические стандарты по энергопотреблению (~500 см3 и 2 Вт), но пока не достигают уровня американских CSAC.

– Мы ставим перед собой цель выйти в ближайшее время на показатели объема и энергопотребления в 100 см3 и 200 мВт соответственно. При этом дополнительные по сравнению с CSAC объем и энергопотребление должны помочь нам выиграть в качестве продукта: мы ожидаем лучшие показатели временной стабильности сигнала и существенной меньший уровень его фазовых шумов, – говорит генеральный конструктор – директор по НИОКР АО «Лазертех» Александр Кузнецов.

Проект создания перспективных МАЧ реализуется в Концерне «РТИ» с 2015 года и сейчас уже находится на завершающей стадии. Данная работа является примером развития стандарта частоты в сторону устройства временного и частотного обеспечения (УВЧО).

– В отличие от МАЧ, УВЧО генерирует множество различных частотных сигналов, формирует, хранит и предоставляет потребителям шкалу времени в различных форматах, осуществляет синхронизацию собственной шкалы времени со шкалой времени ГЛОНАСС/GPS, а также может выступать в роли NTP сервера для вычислительных средств. В состав УВЧО входят МАЧ, но в специальной модификации, разработанной в рамках нашего проекта, УВЧО отличается от МАЧ в лучшую сторону и по параметрам временной стабильности, и по спектральной чистоте сигнала, – поясняет научный сотрудник АО «Лазертех» Виталий Шутов. 

URL