JSSC 2021第2期RF & Wireless65nm

A Terahertz Molecular Clock on CMOS Using High-Harmonic-Order Inte rrogation of

提出一种基于CMOS的THz分子时钟，通过高次谐波探测提升中长期稳定性。

65nm CMOS, 231.061GHz, Allan偏差4.3×10^-12

分子时钟THzCMOS高次谐波稳定性

▸创新点1：高次谐波探测技术（方法创新）：通过锁定羰基硫（OCS）分子231.061 GHz旋转谱线的高奇次阶色散曲线，显著提升了芯片级分子时钟的中长期稳定性，Allan偏差达到4.3×10^-11。

▸创新点2：单片THz收发器（电路创新）：采用单片THz收发器生成高精度波长调制探测信号，实现了高精度的频率锁定，同时降低了系统复杂度和功耗，总功耗仅为70.4 mW。

▸创新点3：槽阵列耦合器（系统创新）：使用槽阵列耦合器作为芯片与分子腔的接口，不仅提高了信噪比（SNR），还显著简化了芯片级分子时钟的封装设计。

▸创新点4：相位敏感锁相检测（方法创新）：通过相位敏感锁相检测技术，将探测信号与谱线中心的频率误差转换为周期性强度波动，进一步提高了频率锁定的精度和稳定性。

Abstract

Chip-scale molecular clocks (CSMCs) perform frequency stabilization by referencing to the rotational spectra of polar gaseous molecules. With, potentially, the “atomic” clock grade stability, cm 3-level volume, and <100-mW dc power, CSMCs are highly attractive for the synchronization of the high-speed radio access network (RAN), precise positioning, and distributed array sensing. However, the medium-/long-term stability of CSMCs is hindered by the transmission baseline tilting due to the uneven