本申請(qǐng)涉及原子鐘，尤其涉及一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

1、原子鐘是目前最高精度的時(shí)間頻率信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或儀器，原子鐘被廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、偵察、通信等技術(shù)領(lǐng)域，在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，光頻原子鐘是一種作為參考標(biāo)準(zhǔn)的原子能級(jí)躍遷頻率處于光頻波段的原子鐘，光頻原子鐘又稱光鐘，而傳統(tǒng)的光鐘體積過于龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、難以集成化小型化甚至芯片化，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景，因此，研制高性能小型化光鐘一直是各個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，基于雙光子系統(tǒng)，完成了體積為35ml功耗為450mw的小型化光鐘，該光鐘的穩(wěn)定度指標(biāo)達(dá)到了2.9e-12。

3、但是，上述構(gòu)建的小型化光鐘中的雙光子系統(tǒng)需要復(fù)雜的熒光收集裝置，集成難度大，不易于實(shí)現(xiàn)光鐘的全芯片化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘及其實(shí)現(xiàn)方法，用于解決現(xiàn)有小型化光鐘的集成難度大，不易于實(shí)現(xiàn)全芯片化的問題。

2、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘，所述芯片光鐘包括：片上窄線寬激光器、波導(dǎo)分束器、微機(jī)電系統(tǒng)mems原子氣室、電光相位調(diào)制器、光電探測(cè)器和高速伺服反饋控制集成電路；

3、所述片上窄線寬激光器的輸出端與所述波導(dǎo)分束器的輸入端連接，所述片上窄線寬激光器用于發(fā)射激光；

4、所述波導(dǎo)分束器用于將所述激光分成兩束；一束激光用于輸入至所述電光相位調(diào)制器，另一束激光用于輸入至所述mems原子氣室；

5、所述電光相位調(diào)制器用于對(duì)輸入的所述一束激光進(jìn)行相位調(diào)制，輸出泵浦光；

6、所述mems原子氣室用于基于所述泵浦光實(shí)現(xiàn)對(duì)所述另一束激光的調(diào)制轉(zhuǎn)移，得到探測(cè)光譜；

7、所述光電探測(cè)器用于探測(cè)所述探測(cè)光譜，并將所述探測(cè)光譜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

8、所述高速伺服反饋控制集成電路的一端與所述光電探測(cè)器的輸出端連接，用于將接收到的所述光電探測(cè)器輸出的所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反饋控制信號(hào)；

9、所述高速伺服反饋控制集成電路的另一端與所述片上窄線寬激光器的反饋控制端口連接，所述反饋控制端口用于接收所述反饋控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)所述反饋控制信號(hào)的全帶寬鎖定，輸出光鐘信號(hào)。

10、可選的，所述高速伺服反饋控制集成電路包括：信號(hào)放大器、信號(hào)發(fā)生器、混頻器和高速伺服反饋控制電路；

11、所述信號(hào)放大器的輸入端與所述光電探測(cè)器的輸出端連接，所述信號(hào)放大器用于將所述電信號(hào)進(jìn)行放大，得到放大信號(hào)；

12、所述信號(hào)放大器的輸出端與所述混頻器的一個(gè)輸入端連接，所述信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)輸出端與所述混頻器的另一個(gè)輸入端連接，所述信號(hào)發(fā)生器用于向所述混頻器提供解調(diào)信號(hào)；

13、所述混頻器用于接收所述放大信號(hào)和所述解調(diào)信號(hào)，并對(duì)所述放大信號(hào)和所述解調(diào)信號(hào)進(jìn)行混頻，得到調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)；

14、所述混頻器的輸出端與所述高速伺服反饋控制電路連接，所述高速伺服反饋控制電路用于對(duì)所述調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)進(jìn)行處理，得到反饋控制信號(hào)。

15、可選的，所述波導(dǎo)分束器具體用于：將所述激光分成光強(qiáng)不等的兩束，光強(qiáng)較強(qiáng)的一束激光作為泵浦激光，光強(qiáng)較弱的一束激光作為探測(cè)激光；

16、所述信號(hào)發(fā)生器的另一個(gè)輸出端與所述電光相位調(diào)制器連接，所述信號(hào)發(fā)生器還用于向所述電光相位調(diào)制器提供驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)；

17、所述電光相位調(diào)制器具體用于：基于所述驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)對(duì)所述泵浦激光實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，輸出泵浦光；

18、所述mems原子氣室具體用于：實(shí)現(xiàn)所述泵浦光和所述探測(cè)激光的反向重合，并與所述mems原子氣室中的量子參考介質(zhì)相互作用，得到探測(cè)光譜。

19、可選的，所述mems原子氣室中的量子參考介質(zhì)包括：銣原子或銫原子。

20、可選的，所述片上窄線寬激光器為微環(huán)外腔激光器。

21、可選的，所述電光相位調(diào)制器為波導(dǎo)級(jí)鈮酸鋰薄膜電光相位調(diào)制器。

22、可選的，所述mems原子氣室外部包括磁屏蔽和控溫裝置，所述磁屏蔽和控溫裝置用于減小外界磁場(chǎng)以及溫度的影響。

23、第二方面，本申請(qǐng)還提供一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘的實(shí)現(xiàn)方法，應(yīng)用于包括片上窄線寬激光器、波導(dǎo)分束器、微機(jī)電系統(tǒng)mems原子氣室、電光相位調(diào)制器、光電探測(cè)器和高速伺服反饋控制集成電路的芯片光鐘；所述方法包括：

24、所述片上窄線寬激光器發(fā)射激光，所述激光經(jīng)過所述波導(dǎo)分束器后分成兩束：一束激光輸入至所述電光相位調(diào)制器，另一束激光輸入至所述mems原子氣室；

25、所述電光相位調(diào)制器對(duì)輸入的所述一束激光進(jìn)行相位調(diào)制，輸出泵浦光；

26、所述mems原子氣室基于所述泵浦光實(shí)現(xiàn)對(duì)所述另一束激光的調(diào)制轉(zhuǎn)移，得到探測(cè)光譜；

27、所述光電探測(cè)器探測(cè)所述探測(cè)光譜，并將所述探測(cè)光譜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

28、所述高速伺服反饋控制集成電路將接收到的所述光電探測(cè)器輸出的所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反饋控制信號(hào)；

29、所述片上窄線寬激光器的反饋控制端口接收所述反饋控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)所述反饋控制信號(hào)的全帶寬鎖定，輸出光鐘信號(hào)。

30、可選的，所述電光相位調(diào)制器對(duì)輸入的所述一束激光進(jìn)行相位調(diào)制，輸出泵浦光，包括：

31、所述電光相位調(diào)制器響應(yīng)于調(diào)制操作，確定躍遷能級(jí)；

32、所述電光相位調(diào)制器基于所述躍遷能級(jí)，對(duì)輸入的所述一束激光的相位進(jìn)行調(diào)整，確定相位調(diào)制深度，并基于所述相位調(diào)制深度對(duì)所述一束激光進(jìn)行調(diào)制，輸出泵浦光。

33、可選的，所述反饋控制端口包括高速反饋控制端口和慢速反饋控制端口；所述高速反饋控制端口用于穩(wěn)定高頻率的反饋控制信號(hào)，所述慢速反饋控制端口用于穩(wěn)定低頻率的反饋控制信號(hào)。

34、綜上所述，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘及其實(shí)現(xiàn)方法，可以通過芯片光鐘中的片上窄線寬激光器發(fā)射激光給芯片光鐘中的波導(dǎo)分束器，以使波導(dǎo)分束器將激光分成兩束；一束激光用于輸入至芯片光鐘中的電光相位調(diào)制器，另一束激光用于輸入至芯片光鐘中的mems原子氣室，以使電光相位調(diào)制器對(duì)輸入的一束激光進(jìn)行相位調(diào)制輸出泵浦光，mems原子氣室基于泵浦光實(shí)現(xiàn)對(duì)另一束激光的調(diào)制轉(zhuǎn)移，進(jìn)而得到探測(cè)光譜；進(jìn)一步的，芯片光鐘中的光電探測(cè)器可以探測(cè)到探測(cè)光譜，并將探測(cè)光譜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；進(jìn)一步的，將電信號(hào)輸出給高速伺服反饋控制集成電路，以使高速伺服反饋控制集成電路將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反饋控制信號(hào)；進(jìn)一步的，高速伺服反饋控制集成電路將反饋控制信號(hào)輸出給片上窄線寬激光器的反饋控制端口，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋控制信號(hào)的全帶寬鎖定，輸出光鐘信號(hào)，通過以上設(shè)計(jì)的芯片光鐘，通過采用片上激光器與電光相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了光鐘的高度芯片化，使得集成難度減小，并基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理，將光鐘的激光頻率鎖定在原子的能級(jí)上，從而實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的芯片光鐘。

技術(shù)特征：

1.一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘，其特征在于，所述芯片光鐘包括：片上窄線寬激光器、波導(dǎo)分束器、微機(jī)電系統(tǒng)mems原子氣室、電光相位調(diào)制器、光電探測(cè)器和高速伺服反饋控制集成電路；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片光鐘，其特征在于，所述高速伺服反饋控制集成電路包括：信號(hào)放大器、信號(hào)發(fā)生器、混頻器和高速伺服反饋控制電路；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片光鐘，其特征在于，所述波導(dǎo)分束器具體用于：將所述激光分成光強(qiáng)不等的兩束，光強(qiáng)較強(qiáng)的一束激光作為泵浦激光，光強(qiáng)較弱的一束激光作為探測(cè)激光；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的芯片光鐘，其特征在于，所述mems原子氣室中的量子參考介質(zhì)包括：銣原子或銫原子。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的芯片光鐘，其特征在于，所述片上窄線寬激光器為微環(huán)外腔激光器。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的芯片光鐘，其特征在于，所述電光相位調(diào)制器為波導(dǎo)級(jí)鈮酸鋰薄膜電光相位調(diào)制器。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的芯片光鐘，其特征在于，所述mems原子氣室外部包括磁屏蔽和控溫裝置，所述磁屏蔽和控溫裝置用于減小外界磁場(chǎng)以及溫度的影響。

8.一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，應(yīng)用于包括片上窄線寬激光器、波導(dǎo)分束器、微機(jī)電系統(tǒng)mems原子氣室、電光相位調(diào)制器、光電探測(cè)器和高速伺服反饋控制集成電路的芯片光鐘；所述方法包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述電光相位調(diào)制器對(duì)輸入的所述一束激光進(jìn)行相位調(diào)制，輸出泵浦光，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述反饋控制端口包括高速反饋控制端口和慢速反饋控制端口；所述高速反饋控制端口用于穩(wěn)定高頻率的反饋控制信號(hào)，所述慢速反饋控制端口用于穩(wěn)定低頻率的反饋控制信號(hào)。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及原子鐘技術(shù)領(lǐng)域，提供一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜原理的芯片光鐘及其實(shí)現(xiàn)方法，芯片光鐘包括：片上窄線寬激光器，用于發(fā)射激光；波導(dǎo)分束器，用于將激光分成兩束；一束激光用于輸入至電光相位調(diào)制器，另一束激光用于輸入至MEMS原子氣室；電光相位調(diào)制器，用于對(duì)一束激光進(jìn)行相位調(diào)制，輸出泵浦光；MEMS原子氣室，用于基于泵浦光對(duì)另一束激光進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)移，得到探測(cè)光譜；光電探測(cè)器，用于將探測(cè)到的探測(cè)光譜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；高速伺服反饋控制集成電路，用于將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為反饋控制信號(hào)，將其輸入片上窄線寬激光器的反饋控制端口，以實(shí)現(xiàn)全帶寬鎖定，輸出光鐘信號(hào)，以上設(shè)計(jì)的芯片光鐘，集成難度小，易于實(shí)現(xiàn)光鐘的全芯片化。

技術(shù)研發(fā)人員：潘多,楊巧會(huì),陳景標(biāo),李建銅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/26