基于专利地图的原子钟技术现状分析＊

中国科学院武汉文献情报中心，武汉430071

0 引言

原子钟又称原子频标，是利用原子、分子或离子等粒子内部跃迁频率锁定晶体振荡器或激光器频率，使其输出标准频率信号的物理设备。

从应用层面来说，首先原子钟作为强国强军的核心器件[1]，是卫星导航系统实现定位、导航、授时（PNT）的基础和保障，在推动国防建设方面发挥着至关重要的作用。其次，原子钟的精准计时功能支撑着我们的日常生活，在促进社会经济发展方面也发挥着日益重要的推动作用。2016年英国政府发布《量子时代：技术机会》（《The Quantum Age：technological opportunity》）报告，称原子钟的应用已涉及雷达导航系统、远程通信网络、电力输配网络、金融市场、新闻市场等多个领域，并明确将原子钟技术列为排位第一、优先发展的前沿量子技术。

从技术层面来说，原子钟研发主要集中在两个方向。一是追求更高的精确度和稳定度，这部分以冷原子光钟为代表。光钟被认为是下一代原子钟，理论预测其准确度和稳定度将优于10-18：2019年7月15日《物理评论快报》报道S.M.Brewer 等[2]制备的Al+量子逻辑光钟系统不确定度已低于10-18。二是追求便携化小型化，这部分以基于相干布局囚禁（coherent population trapping，CPT）理论的CPT 原子钟为代表。CPT 原子钟是唯一从原理上可实现小型化的新型原子钟，也是应用于导航终端接收机的理想原子钟[3]。过去几十年美国国防高级研究计划局（DARPA）在原子钟小型化方面投入大量资金，2015年底又启动“稳定增强原子钟”（Atomic Clock with Enhanced Stability，ACES）项目，开发新一代电池供电芯片原子钟（chip-scale atomic clocks，CSAC）；2017年英国启动“使用垂直腔面发射激光器泵浦源的微型原子钟”（Miniaturised Atomic Clocks using VCSEL pump sources，MacV）项目，开发商用、量产的小型化CPT原子钟。

伴随着应用和技术的不断发展，国内学者已开展大量相关研究，不过多聚焦原子钟尤其是星载钟的研发，主要关注氢原子钟、全球卫星导航系统、稳定度、铯原子钟、钟差预报等主题。比如，2006年郭海荣[4]基于原子钟在卫星导航系统中的核心地位，研究了原子钟时频特性分析的理论与方法。张首刚[3]基于我国建设全球卫星导航定位系统的实际需求,比较研究了多种新型原子钟。王宇谱等[5]从全球导航系统的实际应用出发，提出小波神经网络钟差预报算法。

图1 专利申请趋势（方块全球趋势；圆圈国内趋势与安然等人［9］分析一致）

基于专利视角的原子钟研究尚不多见。专利作为重要的技术载体，其相关研究有助于了解技术发展趋势、创新主体创新能力和战略布局等，进而推动创新系统的调整和优化。2017年安然[6]以专利为研究对象，选取中科院武汉物理与数学研究所和中科院上海光学精密机械研究所，通过文献解读介绍了它们的主要专利申请。本文综合专利地图法和文献调研法，系统研究了全球原子钟专利申请趋势及技术发展脉络，主要国家的竞争力、专利战略，全球及主要国家的技术布局，主要专利权人的研发主题和创新活动等，力争为国内相关技术创新活动提供信息支撑。

1 基于专利地图的原子钟专利分析

本文采用IPC 分类号针对“应用原子钟”及“应用分子、原子以及亚原子粒子的能级作为频率基准”等技术领域，在Incopat 专利数据库中进行检索，共获取4381 条有效数据（检索日期：2019年09月03日）。

1.1 申请趋势

图1为原子钟专利年度申请数量随时间的变化趋势，反映了原子钟技术受关注程度的变化情况。

早在19世纪70年代麦克斯韦、开尔文便认识到利用原子跃迁频率作为基准频率的可行性，但第一件技术专利到1924年才出现，1947年之前专利申请数量非常之少。彼时原子钟技术作为一种全新的计量学技术发展十分缓慢，主要是一些基础性探索性工作。1950年前后专利数量出现增长，该趋势持续到1988年左右。这一时期，首先1950年Ramsey 分离振荡场理论的提出使原子钟从技术上变为可能，紧接着微波振荡器、离子阱以及填充气体谱线压制等技术先后取得重大突破。1955年，英国研制出第一台铯原子钟，主动钟、离子阱钟、泡式原子钟等也相继研制成功。到1960年代，原子钟的计时精度（10-12）已远远超过原有自然钟、摆轮钟、机械钟、石英晶体钟的计时精度（10-8），于是1967年第13 届国际计量大会上人们首次利用铯原子能级的跃迁周期定义了“秒”长。总的来看，传统的磁选态及光抽运大型原子钟等技术在这一阶段取得飞速发展。1988年到1997年专利申请数量有所下降，但经历短暂下跌之后，申请数量又出现爆发式增长，2014年年度专利申请达346 件。这一时期专利申请数量的变化主要考虑上世级八九十年代随着相关技术的不断成熟传统原子钟技术的潜力逐渐挖掘殆尽，而几乎同一时期激光冷却原子、光学频率梳、超窄线宽激光等技术却得以快速发展并迅速应用到原子钟领域，有力推动了冷原子喷泉钟、冷原子光钟等新型原子钟的研究热潮。新型原子钟相比于传统铯束原子钟，在准确度和稳定度方面具有数量级的改善：2002年原子喷泉钟不确定度达到10-15；2019年Al+量子逻辑光钟系统不确定度已低于10-18[2]。2015-2017年专利申请数量呈下降趋势，这可能是由于部分原子钟技术专利对于导航和确定国防应用中的位置信息至关重要，作为国家科学技术秘密尚未解密造成的；而2018-2019年间专利申请数量显著下降与专利公开的滞后性有关。

图2 国家专利申请排名

近年来国际上争相推出原子钟研发计划，除前面已提到的美国ACES 项目、英国MacV 项目外；2017年德国启动“光电单离子钟”（OptIclock）项目；日本国家信息与通信技术研究所、东北大学、东京工业大学、理光公司均在开展小型原子钟的应用研究；我国也在国家基础研究发展规划课题、国家自然基金项目里大力鼓励冷原子技术研发，并在十二五“精密测量物理”重大研究计划里明确提出要解决“突破现有原子频标精度水平的新原理与方法”这一核心科学问题，因此可以预见未来一段时间内原子钟技术领域的专利申请仍将保持在较高水平。

1.2 国家分布

专利体量是研发实力最直接的体现，PCT 专利（由世界知识产权组织进行国际公开）代表向海外申请专利的意向以及开拓国际市场的能力[7]，高价值专利反映核心竞争力和自主创新能力。以上三个指标通常用于刻画专利的国家分布情况。本部分，首先根据原子钟专利申请数量对国家进行排序（图2），随后展示主要专利申请国家的技术输出情况（包括PCT 专利申请）（表1），最后展示主要国家或组织拥有的高价值专利数量及整体占比情况（图3）。

从专利体量来看，日本、美国、中国为原子钟技术主要研发国家，其中日本专利申请数量约占领域专利的41.5%，排名世界第1，美国排名第2，中国排名第3。从PCT 专利来看，美国、日本、法国向海外申请专利的水平较强，中国的表现要弱于法国，其中美国PCT 专利数接近中国5倍。从高价值专利来看，日本、美国高价值专利最多，其次是法国、德国、瑞士。其中，美国高价值专利与专利申请量比例高达18.3%，日本为11.1%，而中国仅为1.4%。总体来说，我国原子钟技术有一定积累，但相比于美国、日本竞争力仍有待加强。

专利的地域布局战略是开拓市场意愿的直接体现，也间接反映出市场竞争的格局。从专利公开来看，日本、中国、美国、欧洲是原子钟主要市场，这与博思数据发布的《2018-2023年中国原子钟市场分析与投资前景研究报告》基本相符。该报告显示原子钟行业市场主要集中在北美、欧盟、亚洲等地区，其中北美占比41%，亚洲占比29%，欧盟占比15%。从专利布局来看，美国、日本、法国、瑞士的专利已基本覆盖主要市场，专利布局战略比较合理；中国除在世界知识产权组织、美国、欧洲专利局、英国有少量布局外，96.4%的专利定域在国内，相对薄弱的海外专利申请反映出中国国际市场竞争力有待提高的现状。并且从他国专利在我国的分布来看，国内市场也存在日、美两个竞争对手。

1.3 技术分布

IPC 分类号对应专利文献的技术主题、功能、应用等信息。表2为专利数量排名前十的IPC 分类号及其含义，图4为主要IPC 分类号的年度专利申请数量随时间的变化趋势，图5为主要IPC 分类号涉及的主要研发国家及其技术构成情况。

从IPC 分类来看，全球原子钟研发主要集中在H03L7（频率或相位的自动控制；同步）、G04F5（产生用作定时标准的预选的时间间隔的仪器）、H01S1（微波激射器，即利用微波范围内的电磁辐射的受激发射器件）等技术领域。其中，H03L7属于控制单元，G04F5属于测时仪器，H01S1 属于微波单元，除了在上世纪80年代末到90年代专利申请数量有所下降外（与原子钟领域的整体发展趋势一致），这3个技术领域一直受关注较多。

除上述领域外，H01S5（半导体激光器）在最近10年内也受到较多关注。作为光学单元的重要组成部分，原子钟光源通常选择固态激光器或半导体激光器，不过半导体激光器光源在近10年却呈现出诸多利好因素：（1）相比于体积庞大的固态激光器，半导体激光器体积小、功耗低，具有催生新产品的巨大潜力；（2）随着微机电技术的发展，半导体激光器的复杂机械问题逐渐得以解决，原子钟的可靠性逐步提升；（3）垂直腔面发射激光器（VCSEL）、分布反馈式半导体激光器（DFB-LD，比如GaN激光器）等半导体技术的迅速发展。

表1 全球专利分布

图3 高价值专利国家或组织排名

从技术构成种类来看，日、美、中、法、瑞、德、英等国家涉及技术较多，俄、以、韩等涉及技术较少。从技术构成占比来看，①Top10 国家均十分重视H03L7 和G04F5技术；②日、美、法、瑞、德等技术分布相对均衡，同时中国技术分布最不均衡——90%的专利集中在H03L7 和G04F5 技术。因此，我国应注意逐步推进技术方向全面覆盖、各技术方向均衡发展，避免出现卡脖子技术点，已推动原子钟技术和产品的高质量、可持续发展。③日韩两国H01S5 技术占比较高，这也许与日韩高度发达的半导体技术有关。

1.4 专利权人

持有专利体量是创新主体技术创新能力的最直接体现。图6为专利申请数量排名前10 的全球专利权人。从专利体量排名来看，全球Top15 专利权人全部来自日本（6 家）、美国（5 家）、中国（4 家），表明这3 个国家内部以及相互之间技术竞争最为激烈。从专利权人类型来看，日本、美国专利权人均为企业，而中国专利权人均为高校或科研院所，由此可以推断日本、美国原子钟技术相对成熟、市场化程度明显高于国内。QYR Research《2019 全球与中国市场原子钟深度研究报告》显示2018年全球原子钟市场价值为244.33 百万美元，2025年将达到359.92 百万美元；2018年中国市场规模为40.8 百万美元，2025年将达到62.63 百万美元，表明全球与中国的原子钟市场短期内均将快速增长。进一步综合国内已有技术积累以及当前我国大力推动军民融合的情况，预计国内未来将有大量民营企业进入原子钟领域。

表2 专利IPC分类排名

图4 技术申请趋势

专利技术研发主题与创新主体的发展历史、发展定位密不可分。利用IncoPat自动聚类功能挖掘日、美主要专利权人研发主题（表3和表4），以期为国内同行创新活动提供信息支撑。

日本精工爱普生公司长期称霸晶振行业，致力于提供高稳定性计时设备和模块，曾为通信基础设施设备提供原子振荡器，2015年开发出小型高稳原子振荡器AO6860LAN；2019年又开发出具有时间戳功能的紧凑型实时时钟模块RX8111CE 和RX4111CE，并计划于2020年3月批量生产。富士通公司和日本电气公司早在上世纪70年代便垄断日本国内铷原子钟市场，并致力将其广泛用于同步通信网路和其它重要系统；日本理光基于相干布居囚禁原理，已开发出拇指大小、功耗降低一个数量级、优于当前工业标准的原子钟，计划在2024年投入市场积极推动智能物联网的发展；日本电报电话公司的研究主要集中在原子束、激光振荡器、铯原子钟等方向；日本安立手持式原子钟可与外部参考时钟同步，大大提高了测试、测量设备的精度和稳定性。

图5 主要国家技术构成

图6 全球专利权人排名

美国霍尼韦尔公司是最具影响力的航空电子设备综合制造商，正在开发精密原子传感器，在小型化原子钟的PNT 应用研究方面世界领先，其开发的集成光子芯片技术不仅可以缩小激光传输系统的尺寸、重量和功率，还允许批量制造复杂的光学系统降低制造成本；瓦里安联合公司是传统原子钟研发单位，1962年开发商用氢气激射器，1964年为惠普公司开发铯原子束管，其频率标准被纳入了HP 5060铯原子束频率标准成为原子能谱中使用最广泛的标准之一；美国德州仪器的研发主要集中在集成微传感器、波传播、磁力计、电池腔、泄漏率等方向；波尔公司达图姆（Datum）分部的高精度时间频率产品全球领先，旗下Datum-Irvine 曾开发出世界上第一个微型铷原子振荡器，为个人或蜂窝状的通信服务网络基站提供70%以上的高精度铷原子钟。

表3 日本主要专利权人研发主题

表4 美国主要专利权人研发主题

2 结束语

进入本世纪以来原子钟专利增长迅速，处于新型原子钟技术的快速增长期。

从国家分布来看，中国虽然与日本、美国同为原子钟技术的主要研发国家，但与日美两国相比，中国专利多而不强，核心竞争力明显不足，具体表现为：①PCT 专利与高价值专利数量有限；②96.4%的专利定域国内，对日本、美国、欧洲等主要原子钟市场专利布局薄弱；③日美专利占我国公开专利的25.4%，国内市场竞争也存在不小压力。

从技术分布来看，原子钟技术研发主要集中在H03L7、G04F5、H01S1 这3 个领域，同时H01S5（半导体激光器）具有较大发展潜力。从国家技术分布来看，日、美、法、瑞、德等国技术分布相对均衡；中国技术分布最不均衡——90%的专利集中在H03L7 和G04F5 技术；日韩两国个相对关注H01S5技术。

从专利权人来看，全球Top15 专利权人全部来自日本、美国、中国。与中国不同，日美主要专利权人均为企业，原子钟技术相对成熟、市场化程度明显高于国内。其中，日本的精工爱普生、富士通、日本电气、理光、电话电报公司、安立，美国的美国无线电公司、霍尼韦尔国际、瓦里安联合公司、德州仪器、波尔公司等作为全球领先的原子钟研发机构，定位清晰、发展各具特色。

根据以上专利研究，建议

（1）政府部门参照美国、英国、德国的做法，尽早启动专门的原子钟研发项目，扩大以原子钟为前沿的量子技术的先发优势；针对国内研发基础薄弱但有发展前景的技术方向予以特别支持。

（2）研发单位积极开展专利预警工作，制定合理的专利战略，推动PCT 专利申请，培育高价值专利，提高核心竞争力；

（3）技术密集地区根据原子钟领域巨大的军民两用发展前景，积极推动技术成果转化，主动布局原子钟产业及相关上下游产业，谋求区域的跨越式创新发展。