通信、导航、金融交易、分布式云和国防应用中有很多应用都依赖于原子钟来精确定时，甚至是最高精度的原子钟。控制原子来实现精确定时需要大量复杂而庞大的技术，并且面临开发成本高、功耗大等问题。5G网络和GPS的替代品的技术发展的新应用对便携式新型原子钟装置有很大需求。
在过去的几十年中，国际上通过对原子钟的小型化技术不断投资，生成了芯片级原子钟（CSAC）。目前芯片级原子钟已经达到商用水平，实现了小尺寸、轻重量和低功耗的同时并且提供前所未有的计时稳定性。
然而，由于其最初设计原理的物理特性，第一代CSAC的性能受到诸多限制，因此难以在便携式封装中实现更高精度和可靠性。ACES小组正在探索下一代可电池供电的CSAC，现在ACES小组宣布目前项目进展将关键性能参数提高了1000倍。
John Burke博士表示：“若将大型铯束管中的原子钟缩小到芯片级而不降低性能，则需要重新设计许多关键部件（包括真空泵和光隔离器）以及组件集成的新方法。”研究小组通过对更改物理结构和探索新型组件技术，将温度控制、老化和追溯方面的改进提高了1000倍。
最近在Optica发表的一篇论文中介绍了NIST的研究人员最近取得的进展，该项目组得到了加州理工学院、斯坦福大学和Charles Stark Draper实验室研究人员的支持。该团队展示了一个实验性光学原子钟，它仅由三个小芯片和支持电子元件和光学元件组成。与微波原子钟不同，光学原子钟在更高频率下运行，将时间分成更小的单位，因此提供更高的精度。
NIST团队使用激光跟踪铷原子的振荡，铷原子被限制在硅芯片顶部3毫米的蒸汽室内（或微小的玻璃容器中）。在时钟芯片的核心部分两个频率梳（OFC）像齿轮一样将铷原子的光频转换为较低的微波频率。除了提供更高的准确度外（大约比目前基于铯的CSAC好50倍），实验时钟使用的功率非常小，仅为275mW。
除了成功展示芯片级光学时钟之外，NIST团队还对所有关键部件进行微加工。这使得电子器件和光学器件能够进一步集成，同时为规模化生产和商业化提供了可能性。
图1 由NIST、加州理工学院、斯坦福大学和Charles Stark Draper实验室开发的微制造光子光学原子钟的示意图
霍尼韦尔与加州大学圣巴巴拉分校合作的团队也正在开发可以支持微型原子钟的精密原子级传感器。
迄今为止，捕获原子的传感器的小型化过程一直受到大量光学元件（例如透镜和反射镜组）的限制，而这些元件构成了必要的光学系统。霍尼韦尔团队开发的精密原子传感器依赖于磁光阱技术（MOT）。磁光阱需要不同方向的激光束精确地在一点处交叉。为了在不使用透镜或镜子也能实现这种精确配置，研究人员开发了一种集成光子芯片，用于引导“光路”周围的光，这类似于传统计算机芯片中电信号的导线。光子芯片以适当的三维排列发射三个准直光束以形成MOT。霍尼韦尔利用这种MOT捕获铷原子，并实现了先进的微型原子钟。
霍尼韦尔的集成光子芯片技术不仅减小了激光传输系统的尺寸，重量和功率，而且还允许批量制造复杂的光学系统，同时降低了制造成本。
图2 带有波导和光栅的硅芯片创建的3D激光束图案
（资料来源：霍尼韦尔）
受NASA喷气推进实验室（JPL）、SRI国际研究人员的支持，加州大学戴维斯分校和伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校合作的项目展示了一个试验级原子钟原型机，证明了该模组对温度不敏感。在创建深空原子钟（DSAC）的研究基础上，该团队开发了一种基于离子的原子冷却方法，该方法依赖于电离汞和紫外灯。对于1℃的环境变化，JPL原子钟频率漂移小于10E-14，这比现有的CSAC性能提升约100倍。汞离子的使用也提供了更高的稳定性，同时使该技术对磁场和温度变化不太敏感。
图3 NASA JPL小组研究人员开发的ACES 10cc套件
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