研究目的
开发一种超稳定的计时装置，将其输出时钟频率锁定至极性气体分子的转动模跃迁，从而利用CMOS技术实现微型化、低功耗和低成本。
研究成果
该CMOS分子钟在τ=1000秒时实现3.8×10^{-10}的阿伦偏差，功耗为66毫瓦，在展现出与原子钟相当的稳定性的同时，兼具尺寸、成本和功耗优势。通过降低耦合器损耗并对气室进行气密封装，未来改进可进一步提升稳定性。
研究不足
当前原型芯片与波导耦合器存在过高的插入损耗，导致信噪比下降。气室需连接真空系统，且存在压力引起的频率漂移。温度依赖性以及塞曼效应和斯塔克效应等因素也会造成长期漂移。
1：实验设计与方法选择：
该时钟采用基于CMOS技术的亚太赫兹频谱仪，探测羰基硫（OCS）分子在231.061 GHz处的转动跃迁。使用带频移键控（FSK）调制的锁相环（PLL）和锁相放大器进行频率锁定。
2：061 GHz处的转动跃迁。使用带频移键控（FSK）调制的锁相环（PLL）和锁相放大器进行频率锁定。 样本选择与数据来源：
2. 样本选择与数据来源：以OCS气体作为分子样本，置于定制的波导气体池中。
3：实验设备与材料清单：
包括65纳米CMOS芯片、OCS气体、波导气体池、真空系统及功率计、频率计数器等多种测量仪器。
4：实验流程与操作步骤：
发射端（TX）芯片生成经FSK调制的亚太赫兹信号探测OCS气体，接收端（RX）芯片检测吸收并生成误差信号以调节压控晶体振荡器（VCXO），通过闭环锁定输出频率。
5：数据分析方法：
通过频率计数器和锁相放大器等仪器测量艾伦偏差以评估频率稳定性。
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获取完整内容-
Spectrum Analyzer
N9020A
Keysight
Measures the spectrum of the down-converted signal.
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Frequency Counter
53230A
Keysight
Measures the output frequency of the VCXO and clock stability.
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Lock-In Amplifier
SR865A
Stanford Research Systems
Performs lock-in detection to measure the dispersion curve and error signals.
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Rubidium Atomic Clock
PRS10
Stanford Research Systems
Provides a stable reference for frequency measurements.
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Power Meter
PM-5
Virginia Diode Inc. (VDI)
Measures the power of the sub-THz output from the transmitter chip.
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Even-Harmonic Mixer
EHM
Virginia Diode Inc. (VDI)
Down-converts the TX signal to an intermediate frequency for spectrum analysis.
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CMOS Chip
65-nm LP
TSMC
Implements the transmitter and receiver circuits for the molecular clock.
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Waveguide
WR-4.3
Serves as the gas cell for containing OCS gas and guiding the sub-THz signal.
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Vacuum System
Maintains low pressure (~10 Pa) for the OCS gas in the gas cell.
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