CN108474808B - 用于冷原子惯性传感器的激光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光源组件(10)，其被配置为照射包含气态原子(At)的真空室(E)，以便实施冷原子惯性传感器，所述原子具有至少两个基本能级，所述至少两个基本能级由包括在1和几千兆赫兹之间的基频差(δf0)分开，所述组件包括：‑主激光器(Lm)，其发射具有主频率(fm)的光束；‑第一控制环(BA1)，其被配置为使所述主激光器的所述主频率稳定在与在所述原子的基本能级和激发能级之间的原子跃迁的设定频率的一半相对应的频率；‑从激光器(Le)，其具有从频率(fe)；以及‑第二控制环(BA2)，其被配置为相对于所述主频率(fm)稳定所述从激光器的所述从频率，‑所述从频率(fe)相对于所述主频率(fm)随时间相继偏移第一预设偏移值(δf1)、第二预设偏移值(δf2)和第三预设偏移值(δf3)，所述偏移值包括在等于所述基频差(δf0)的一半加或减几百MHz的区间中。

Description

用于冷原子惯性传感器的激光源
技术领域
本发明涉及冷原子惯性传感器的领域。更具体而言，本发明涉及产生用于实施传感器的各种激光束所需的激光源。
背景技术
冷原子传感器在对时间(时钟)和重力场、加速度和旋转的测量中已经表现出优异的性能。在下面回顾它们的工作原理。
原子钟中采用的冷原子传感器在真空室中使用气态原子云。这些原子是使得它们有两个被称为“超精细”原子能级(level)的原子能级，它们在频率上分开δf0的量，δf0为千兆赫的量级，其中δf0＝ω0/2π，这是非常稳定且公知的。这些原子典型地是铷87的原子，其δf0＝6.834GHz。
这些原子最初处于两个基态之一中。由角频率为ω(称为π/2脉冲)的振荡器产生的脉冲被施加到这些原子，然后等待一定时间tf，然后施加与第一脉冲等同的第二脉冲。然后原子被分布在两个“超精细”基态之间，并且相应原子量的测量允许计算量ω0-ω，这允许振荡器被锁定在原子振荡。
为了测量加速度，利用磁场将两个基态在空间上分开。受到加速的两个原子量的测量与下式成比例：
Figure BDA0001702654080000011
其中a是云受到的加速度，d是基态的空间间隔，
Figure BDA0001702654080000012
是约化普朗克常数，并且m是原子的质量。
例如通过在频域中测量Ramsey干涉仪(典型地如在光学中的Mach-Zehnder干涉仪中)的条纹移动来测量加速度。
测量旋转速度需要对Sagnac效应灵敏。为了实现这个目的，原子在包含一区域的闭合路径上行进，两个内部状态沿相反方向在该路径上行进。
为了产生利用上述效应的冷原子惯性传感器，测量包括三个主要阶段，即冷却阶段、泵浦阶段和检测阶段。
作为非限制性示例，下文针对铷87原子描述传感器的原理，铷87是最常用的原子类型，但可以使用具有相同类型的原子结构的其它碱原子，例如铷85(δf0＝3.0GHz)、铯(δf0＝9.2GHz)、钠(δf0＝1.7GHz)或钾40(δf0＝1.3GHz)的原子。
图1示出了铷的感兴趣的主要原子能级。
两个基本能级F＝1和F＝2分开了δf0＝6834MHz。激发能级F’＝0,1,2或3是通过在780nm附近进行光学激发而获得的，并且彼此分开包括在50MHz和300MHz之间的量。
图2示出了在三个前述阶段中所需要的频率。
在冷却阶段中，形成三维磁光陷阱。为了这样做，将被称为冷却激光器的第一激光器L1调节到比激发能级稍低ε1量的频率fRefroid，该频率典型地包括在几MHz和大约一百MHz之间。原子在其动能上汲取能量以在激发频率重新发射并减慢下来。优选地，激光器L1的频率在冷却阶段的开始和结束之间被降低大约一百MHz。在实践中，初始激光束被分成3个光束，其用于例如使用立体角(参见图8)减慢三个方向。
在冷却期间，为了使所有原子都达到相同的基本能级，使用频率为fRepomp的第二激光器L2(被称为“重新泵浦”激光器)将原子光学泵浦到两个超精细能级之一，例如F＝2。能级的选择基于所考虑原子的光谱选择规则。
一旦原子得到冷却，光学泵浦第二阶段就将所有原子置于基态F＝2的给定Zeeman子能级中。磁场用于经由Zeeman效应将各能级的简并分裂。冷却激光器L1被重新用作用于进行泵浦的泵浦激光器(然后在与冷却期间的方向不同的方向上照射原子云)，这需要处在比设定跃迁低大约160到260Mhz的量ε2的频率fpomp，并且第二“重新泵浦”激光器L2还被用于使所有原子都处于相同的基本能级。
在检测第三阶段(在特定干涉时间之后)中，仅使用激光器L1，在这里作为检测激光器，其频率fdet被调整到原子谐振。
在根据现有技术的冷原子惯性传感器中，例如如图3所示，激光器L1的频率f1和激光器L2的频率f2均被使用控制环BAet1和BAet2非常精确地稳定在铷的原子频率上，这两个控制环均使用铷饱和吸收单元Cell1和Cell2。激光器L1的频率从基态F＝2被稳定，并且“重新泵浦”激光器L2的频率从基态F＝1被稳定。两个激光器L1和L2和每个测量(冷却，然后是光学泵浦，然后是检测)阶段的正确频率是使用非常复杂的光学系统和至少5个声光调制器获得的。AOM3在激光器L1稳定于原子跃迁期间起作用，并且AOM4在激光器L2稳定于原子跃迁期间起作用。AOM7在冷却阶段的实现期间起作用，AOM6在光学泵浦阶段的实现期间起作用，并且AOM1在检测阶段期间起作用。
用于产生冷却并操控冷原子所需的系统的现有方案有两种类型：
-整个系统可以利用基于光纤的部件产生：组件然后配合到1m×1m×2m高的凹槽中，这样的体积与任何板载应用不兼容；或者
-可以使用微机电技术，其类似于Sodern公司生产的Pharao原子钟的激光器系统：该方案比前一方案更紧凑，但成本极高，因为需要对准并接合非常大量的微型光学部件。
本发明的一个目的是通过提供一种与集成光学实现兼容的简化的激光源组件来缓解前述缺点。
发明内容
本发明的一个主题是一种激光源组件，所述激光源组件被配置为照射包含气态原子的真空室，以便实施冷原子惯性传感器，所述原子具有至少两个基本能级，所述至少两个基本能级由包括在1和几千兆赫兹之间的基频差分开，所述组件包括：
-主激光器，所述主激光器发射具有主频率的光束；
-第一控制环，所述第一控制环被配置为使所述主激光器的主频率稳定在与在原子的基本能级和激发能级之间的原子跃迁的设定频率的一半相对应的频率；
-具有从频率的从激光器；以及
-第二控制环，所述第二控制环被配置为相对于主频率稳定从激光器的从频率，
-所述从频率相对于主频率随时间相继偏移第一预设偏移值、第二预设偏移值和第三预设偏移值，所述偏移值包括在等于基频差的一半加或减几百MHz的区间中。第二控制环由光学锁相环制成，其被配置为基于误差信号来实现稳定，所述误差信号取决于如下两方面之间的相位差：一方面是主频率和从频率之间的拍频(beat)，另一方面是具有预先基于预设偏移值所定义的参考频率的参考信号。
优选地，主频率被设置为使其对应于原子的重新泵浦频率的一半，并且第一、第二和第三相继从频率值对应于分别偏移第一偏移值、第二偏移值和第三偏移值的主频率，并被设置为使得它们分别对应于在实施惯性传感器期间原子的冷却频率的一半、光学泵浦频率的一半和检测频率的一半。
根据一个实施例，光学锁相环包括：
-光电二极管，其被配置为检测主频率和从频率之间的拍频；
-混频器，所述混频器被配置为基于所述拍频输送与相位比较器的操作范围兼容的较低频率的转换信号；
-参考振荡器，所述参考振荡器被配置为输送射频参考信号，所述射频参考信号具有基于预设偏移值而预先定义的射频参考频率；
-相位比较器，所述相位比较器被配置为输送误差信号，所述误差信号取决于所述转换信号和所述射频参考信号之间的相位差；以及
-电子反馈装置，所述电子反馈装置被配置为作用于从激光器的从频率，以便使所述误差信号最小化。
有利地，所述第一控制环包括相位调制器、放大器、倍频部件以及可饱和吸收单元，所述可饱和吸收单元包括与用于实施惯性传感器的原子相同种类的原子。
有利地，从激光器和主激光器是分布式反馈(DFB)激光器。
有利地，根据本发明的激光源组件还包括光束形成级，所述光束形成级包括：
-多个光学放大器，所述光学放大器被配置为放大由频率稳定的激光器生成的光束；以及
-多个倍频部件，所述多个倍频部件被配置为使所述放大光束的频率加倍。
有利地，激光源发射1560nm波长(对应于铷的光学频率除以二)，并且放大器为半导体光学放大器。
根据一个优选实施例，根据本发明的激光源组件在硅衬底上包括第一集成光子电路，其包括第二控制环和生成用于实施所述传感器的光束所需的一些光学部件。
有利地，第一集成光子电路还包括第一控制环的相位调制器。
优选地，根据前述权利要求之一的激光源组件在InP衬底上包括第二集成光子电路和/或包括第三集成光子电路，所述第二集成光子电路包括放大器，所述第三集成光子电路包括倍频部件，所述倍频部件采用由PPLN(周期性极化铌酸锂)制成的波导的形式。
优选地，第一集成光子电路、以及在适当时第二集成光子电路、以及在适当时第三集成光子电路被混合，以便集成到同一芯片中。
有利地，根据本发明的激光源组件包括源集成光子电路，所述源集成光子电路包括所述主激光器、所述从激光器和相关联的隔离器。
有利地，所述源集成光子电路、所述第一集成光子电路、所述第二集成光子电路(PIC2)和所述第三集成光子电路被混合，以便集成到同一芯片中。
本发明的另一个主题是一种冷原子惯性传感器，其包括根据本发明的激光源组件，并且还包括包含气态的原子At的真空室E。
附图说明
在参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见，附图是通过非限制性示例给出的，并且在附图中：
图1示出了铷的感兴趣的主要原子能级。
图2示出了在实施冷原子惯性传感器的三个阶段中使用的照射频率。
图3示意性示出了根据现有技术的用于惯性传感器的激光源组件。
图4示意性示出了根据本发明的激光源组件。
图5描述了用于基于铷原子实施冷原子传感器的各种频率和偏移值。
图6示出了使用光学锁相环的第二控制环的操作模式。
图7示出了使用集成光学技术的冷原子传感器的示例性激光源。
图8示出了根据本发明的冷原子惯性传感器的示例。
具体实施方式
图4示意性示出了根据本发明的用于实施冷原子惯性传感器的激光源组件10。惯性传感器使用在真空室E中捕获的气态的原子At。原子At具有至少两个基本能级，它们由包括在1和几千兆赫兹之间的基频差δf0分开。
优选地，原子为铷87原子，对此δf0＝6.834GHz。然而，还可以使用各种碱原子，例如铷85、铯、钠或钾40。
组件10包括主激光器Lm，主激光器发射具有主频率fm的光束，主频率被第一控制坏BA1稳定到与在原子At的基本能级和激发能级之间的原子跃迁的设定频率的一半相对应的频率。对于铷的情况，在利用780nm的波长光学激发时，原子从基本能级F＝1或F＝2穿越到激发能级。第一控制环BA1包括铷单元Cell1，以便能够将主激光器稳定在原子频率的一半(在传输用于稳定原子的激光的部分之前使用倍频系统)。该控制环BA1使用相位调制器和原子单元所生成的吸收信号来完成Pound-Drever-Hall稳定。
考虑原子频率的一半而不是原子频率，因为激光的发射优选基本等于电信波长(波段C)，例如，对于铷-87传感器，电信波长为1560nm，其然后被倍频到780nm，之后再照射传感器(以便对应于铷的光学跃迁)。
组件10还包括从激光器Le，其具有从频率fe，经由第二控制环BA2相对于主频率fm稳定该从频率fe。从频率fe相对于主频率fm随时间相继偏移第一预设偏移值δf1、第二预设偏移值δf2和第三预设偏移值δf3。
这些偏移值包括在等于基频差(δf0)的一半加或减几百MHz的区间中。
典型地，δf1、δf2、δf3包括在[δf0/2–400MHz；δf0/2+400MHz]之间。
典型地，从激光器的频率低于主激光器的频率。
这些预设值必须要以高精度(典型地为大约1到几MHz)获得。
例如，对于铷：
δf0＝6.836GHz
2.δf1、2.δf2、2.δf3包括在[δf0-300MHz；δf0+300MHz]之间(参见以下图5)。
出于如上所述相同的原因，考虑基频差δf0的一半。
与现有技术的惯性传感器的激光源组件(其中频率f1和f2中的每个使用原子气体单元Cell1、Cell2稳定在原子跃迁)相反，根据本发明的激光器组件包括第一控制环BA1中的单个原子单元Cell1，从激光器的频率fe相对于主激光器的频率fm(其保持固定)被稳定，并且不相对于绝对值被稳定，即不相对于使用第二单元的第二原子跃迁被稳定。于是，相对于fm调整从激光器的频率fe，以获得用于实施传感器的各个阶段的正确值。
在实施惯性传感器期间，主激光器的主频率fm被设置为使得其对应于原子的重新泵浦频率fRepomp的一半：
fm＝fRepomp/2
由于该频率是固定的，所以从激光器的相继频率值被如下设置：
使fe1为对应于在冷却阶段期间施加到从激光器的频率的第一从频率值。
使fe2为对应于在光学泵浦阶段期间施加到从激光器的频率的第二从频率值。
使fe3为对应于在检测阶段期间施加到从激光器的频率的第三从频率值。
这些相继频率值对应于分别偏移第一偏移值δf1、第二偏移值δf2和第三偏移值δf3的主频率fm：
fe1＝fm-δf1,
fe2＝fm-δf2,
fe3＝fm-δf3
偏移值δf1被设置为使得fe1对应于原子At的冷却频率fRefroid的一半：
fe1＝fRefroid/2
偏移值δf2被设置为使得fe2对应于原子At的光学泵浦频率fPomp的一半：
fe2＝fPomp/2
例如，对于铷，进行光学泵浦以到达原子能级|2,2>。
偏移值δf3被设置为使得fe3对应于原子At的检测频率fdet的一半：
fe3＝fdet/2。
例如，对于铷，对从|2,mF>到|3,mF>的原子跃迁进行检测。
在图2中可以清楚看出，各频率fe1(fRefroid/2)、fe2(fPomp/2)和fe3(fdet/2)相对于主激光器的频率fm(fRepomp/2)偏移接近δf0/2到几百MHz的偏移值，该值需要以高精度获得。重新泵浦频率使得能级F＝1的原子数减少，而频率fe1、fe2和fe3从能级F＝2激发原子。
在本发明中将要指出，使用两个激光器，即主激光器和从激光器来生成用于实施传感器所需的各种光束。在该情况下，有必要使由这两个激光器生成的光束中的每者是相位锁定的(参见下文)，以便产生例如拉曼跃迁，其用以在传感器的询问期间与原子交互。
由于可用于实施冷原子惯性传感器的原子的原子跃迁的值，优选利用：
fei＝fm–δfi，其中i＝1,2,3
并且其中，δfi包括在区间[δf0/2-800MHz；δf0/2+800MHz]中。
将要指出，冷却由在室中形成三维磁光陷阱构成，其典型地需要3个光束，该3个光束通常被表示为3-D MOT X1、X2和H，并且可以从单个光束获得(参见下文)。
还要指出，泵浦和检测步骤的目标是在实施惯性传感器时，在干涉测量序列之前使原子进入正确状态。由于泵浦和检测光束不是在传感器的测量周期中同时使用的，所以可以使用相同的输出来照射室。
优选地，激光源组件10的主激光器Lm和从激光器Le是发射电信波长(有利地，1560nm)的分布式反馈(DFB)或分布式布拉格反射器(DBR)型的光栅激光二极管，或激光二极管带。
通过使用光电二极管检测两个激光器之间的拍频，然后基于诸如下述的光学锁相环(OPLL)原理执行稳定，来将从激光器Le稳定到主激光器。
主光束和从光束的锁相使得能够获得两个光束之间的相干和主激光器与从激光器之间的频率差异的预定义值。
根据一个优选实施例，根据本发明的激光源组件10还包括光束形成台20，其也在图4中被示出并且包括：
-多个光学放大器A，其被配置为放大由频率稳定的激光器所生成的光束。有利地，放大器是半导体光学放大器(SOA)。
-多个倍频部件D，其被配置为使经放大的光束的频率加倍。在1560nm发射的前一示例中，倍频光束具有780nm的波长，与用于实施冷原子惯性传感器的前述原子的激发兼容。
激光源组件还包括用于操控由主激光器和从激光器生成的光束的各种部件：由激光器生成的这些光束被分裂、衰减并重新组合以形成光束，所述光束旨在被放大、然后倍频以便生成如下光束：所述光束被配置为照射冷原子传感器室，以便实施在实施传感器期间执行的测量期间的冷却阶段1、泵浦阶段2和检测阶段3。
在冷却阶段1中，图4顶部的光束被切割，并且单元被图4底部的光束照射。在泵浦阶段2中，图4底部的光束被切割，并且单元被图4顶部的光束照射。
在检测阶段3中，图4底部的光束被切割，如图顶部的光束那样，其源自主激光器，主激光器仍保持打开，以便执行fe3相对于fm的频率稳定化。
图5中针对铷例示了要利用环BA2实现的偏移值δf1、δf2、δf3的非限制性示例。主频率fm以THz为单位给出，并且对应于大约780nm的光波长，如上所述，其中δf0介于相隔6834GHz的基态F＝1和基态F＝2之间。主激光器的频率被调节到例如图2所示的被称为“重新泵浦”频率fRepomp的频率的一半。
在冷却阶段中，频率fe1对应于主激光器的频率fm减去δf1，其中：
2.δf1在δf0-267MHz和δf0-167MHz之间变化
在泵浦阶段中，频率fe2对应于主激光器的频率fm减去δf2，其中：
2.δf2＝δf0–2MHz
在检测阶段中，频率fe3对应于主激光器的频率fm减去δf3，其中：
2.δf3＝δf0–267MHz
这些偏移值是基于原子能级(参见图1和图2)和冷原子传感器的物理性质的已知值而确定的。从频率值的期望精度，以及因此偏移值的期望精度优选地大约为1到几MHz。
优选地，第一控制环BA1包括相位调制器
Figure BDA0001702654080000091
放大器、倍频部件和可饱和吸收单元Cell1，可饱和吸收单元Cell1包含与诸如上述传感器室中所使用的材料相同的材料的原子At。
根据一个优选实施例，第二控制环BA2基于锁相环PLL的原理，并且能够通过变换成电信号而作用于两个光束之间的相对相位。该方法被称为光学锁相环或OPLL。
图6中示出了这种稳定的原理。
将要回想，信号的频率f正比于信号的相位
Figure BDA0001702654080000101
相对于时间的导数。例如，使要稳定的从信号与参考信号之间的相位差为零，允许获得稳定到(使等于)参考频率的从频率。
换言之，基于光学锁相环OPLL形成第二控制环BA2，其被配置为基于误差信号ε执行稳定，误差信号ε取决于如下两方面之间的相位差：一方面是主频率和从频率之间的拍频fm-fe，另一方面是具有基于预设偏移值δf1、δf2或δf3预先定义的参考频率fref的参考信号。
根据一个优选实施例，锁相环OPLL包括光电二极管Ph，其检测由从激光器和主激光器生成的光束，并且更具体而言，这些频率之间的拍信号，频率fm-fe。基于该拍频fm-fe，从激光器的频率fe稳定在主激光器的频率fm(自身直接稳定在原子基准)，拍频fm-fe被调整到接近δf0/2的值(对于铷为3.418GHz)，并且必须可以在大约1毫秒的时间内被反复修改几百MHz，例如，介于-150MHz和+50MHz之间。
千兆赫兹量级的信号之间的相位比较实施起来非常复杂，使用混频器M执行拍频fm-fe到更低频率fm-fe-fd的转换信号的转换，该操作被称为下转换。目的是使要稳定的信号的频率与相位比较器
Figure BDA0001702654080000102
的操作范围兼容。所获得的频率为fm-fe-fd并且相位为Φ＝2π(fm-fe-fd)t+Φ1的信号典型具有包括在1和500MHz之间的频率。优选地，在混频器之后增加滤波器，以便仅选择期望范围中的感兴趣频率fm-fe-fd的信号。
OPLL环还包括参考振荡器Oref，其被配置为生成具有射频参考频率frefr和参考相位Φref＝2π.frefr.t+Φ2的射频参考信号，频率frefr是基于期望的预设偏移值δf1或δf2或δf3而预先定义的。射频参考信号的频率frefr典型地在射频域中，包括在1和500MHz之间。
接下来，相位比较器
Figure BDA0001702654080000103
生成误差信号ε，误差信号ε取决于转换信号和射频参考信号之间的相位差Φ–Φref。
最后，反馈电子装置ER生成校正信号，并且作用于从激光器的从频率fe，以便使误差信号ε最小化。在DFB激光二极管的情况下，典型地，施加激光器的供应电流，光学频率为该电流的函数。
典型地，在打开时，在特定时间之后，转换的拍信号的频率锁定在振荡器的选定频率frefr上。
使用OPLL环的优点在于，它与要施加的偏移的数量级以及集成光子实施方式兼容，这允许显著减小冷原子惯性传感器的体量和总成本。
本发明还涉及同样在图4中示出的冷原子惯性传感器100，其包括激光源组件10，并且还包括包含气态的所捕获的原子At的真空室E，所述室被由完整激光源组件所生成的光束照射。
在图4的示意图中，对已经放大的光束使用例如立体角的分束器S，以将光束分成三个，以用于形成磁光陷阱。替代地，在放大器上游进行分束。
图7中示出了根据本发明的冷原子传感器激光源和传感器100的示例。除了室E和可饱和吸收单元Cell1之外，图7的组件可以使用集成光子部件集成到各种程度。
根据一个优选变体，激光源组件10在硅衬底上包括第一集成光子电路PIC1，至少包括第二控制环BA2和生成用于实施传感器的各种光束所需的一些光学部件。任选地，电路PIC1还包括环路BA1中的一些，只是没有饱和吸收单元Cell1。
优选地，激光源组件10在InP衬底上包括第二集成光子电路PIC2，其包括光学放大器。
有利地，激光源组件10包括第三集成光子电路PIC3，其包括倍频部件，倍频部件采取由PPLN制成的波导的形式。
优选地，第一集成光子电路PIC1包括第一锁相环BA1的相位调制器和/或第二集成光子部件PIC2包括第一锁相环的放大器和/或第三集成光子电路PIC3包括第一锁相环的倍频部件。
在一个实施例中，第一、第二和/或第三集成光子电路与相邻集成光子电路混合，以便被集成到同一芯片中。在完全集成版本中，PPLN倍频器的混合矩阵-阵列用于光子电路中。
这些各种集成光子电路替代了实施冷原子传感器所需的现有技术的复杂光学系统中的全部或一些。
根据一个实施例，根据本发明的激光源组件10包括源集成光子电路PIC，其包括激光器Le和Lm以及相关联的隔离器ISOe和ISOm。根据另一个实施例，利用光纤将激光器及其隔离器连接到电路PIC1。
根据一个全集成实施例，源集成光子电路PIC以及第一、第二和第三集成光子电路PIC1、PIC2和PIC3被混合，以便集成到同一芯片PIC中。
根据一个变体，自由空间或基于光纤的隔离器带用于在激光二极管远离集成电路的情况下保护二极管。在激光源混合在电路中的情况下，根据一个变体，使用直接集成到光子电路PIC中的隔离器，这些隔离器例如采用法拉第材料层，或者甚至产生非互易布里渊散射，以便使波导仅在一个方向上透明。
下文列出的部件与到硅芯片中的集成兼容，例如如图7中示意性所示，包括用于产生和操控各种光束的集成光子部件，所述各种光束是操控冷原子以及使各种激光二极管稳定所必需的：
-1/99(1到2)和33/33/33(1到3)分束器，静态2到1和2到3(2到6)耦合器，以及在CMOS技术中产生的波导之间的交叉；
-可以从0调节到-10dB的衰减器，对通带没有约束。
这些可变衰减器可以使用Mach-Zehnder方法产生，或者使用其输出用以转移不期望的功率的可变分束器来产生。为了操控冷原子，激光器的消光比必须较高，为此，可以相继地使用多个衰减器。
-开/关：例如2到2耦合器，其输出的分配可以在微秒量级上改变。消光比为-20dB。
-1560nm处的光电二极管PhD，用于稳定通带为3.5GHz的激光器。
-基于光纤的输入-输出，例如，具有光栅耦合。
-相位调制器
Figure BDA0001702654080000121
(例如，通过载波注入实现)。
-集成光子技术中(例如，CMOS电子技术中)的锁相环。
-使用非互易效应的隔离器，例如，利用法拉第效应材料薄层，或甚至利用布里渊散射感生的透明(BSIT)而获得非互易效应。
图8示出了根据本发明的冷原子惯性传感器的示例，其包括集成到单个光子电路PIC中的全集成激光源组件。集成光子电路PIC包含其自己的主激光器和从激光器，它们被形成(放大和倍频)，然后在光子电路的输出处被耦合到光纤FO1和FO23。这些光纤被放置在最接近真空室E处，并且从这些光纤输出的光束用以冷却、泵浦和检测原子。在示意图中，通过非限制性示例，使用磁光陷阱，其包括立体角CC并且仅需要单个初始光束用于冷却。

Claims (13)

1.一种激光源组件(10)，所述激光源组件(10)被配置为照射包含气态的原子(At)的真空室(E)，以便实施冷原子惯性传感器，所述原子具有至少两个基本能级，所述至少两个基本能级由包括在1和几千兆赫兹之间的基频差(δf0)分开，所述组件包括：
-主激光器(Lm)，其发射具有主频率(fm)的光束；
-第一控制环(BA1)，其被配置为使所述主激光器的所述主频率稳定在与在所述原子的基本能级和激发能级之间的原子跃迁的设定频率的一半相对应的频率；
-从激光器(Le)，其具有从频率(fe)；以及
-第二控制环(BA2)，其被配置为相对于所述主频率(fm)稳定所述从激光器的所述从频率，所述第二控制环(BA2)由光学锁相环(OPLL)构成，所述光学锁相环被配置为基于误差信号(ε)来实现稳定，所述误差信号取决于以下两方面之间的相位差：一方面是所述主频率和所述从频率之间的拍频(fm-fe)，以及另一方面是具有基于预设偏移值而预先定义的参考频率的参考信号，
所述主频率(fm)被设置为使得其对应于所述原子的重新泵浦频率(fRepomp)的一半，
所述从频率(fe)相对于所述主频率(fm)随时间相继偏移第一预设偏移值(δf1)、第二预设偏移值(δf2)和第三预设偏移值(δf3)，所述偏移值包括在等于所述基频差(δf0)的一半加或减几百MHz的区间中，分别对应于偏移了所述第一偏移值(δf1)、所述第二偏移值(δf2)和所述第三偏移值(δf3)的所述主频率(fm)的第一、第二和第三相继从频率值(fe1,fe2,fe3)被设置为使得它们分别对应于在实施惯性传感器期间的所述原子的冷却频率(fRefroid)的一半、光学泵浦频率(fPomp)的一半和检测频率(fdet)的一半。
2.根据权利要求1所述的激光源组件，其中，所述光学锁相环包括：
-光电二极管(Ph)，其被配置为检测所述主频率和所述从频率之间的所述拍频(fm-fe)；
-混频器(M)，其被配置为基于所述拍频输送与相位比较器
Figure FDA0002742828470000024
的操作范围兼容的较低频率的转换信号；
-参考振荡器(Oref)，其被配置为输送射频参考信号，所述射频参考信号具有基于预设偏移值而预先定义的射频参考频率(frefr)；
-相位比较器
Figure FDA0002742828470000025
其被配置为输送误差信号(ε)，所述误差信号取决于所述转换信号和所述射频参考信号之间的相位差；以及
-电子反馈装置(ER)，其被配置为作用于所述从激光器的所述从频率，以便使所述误差信号最小化。
3.根据前述权利要求之一所述的激光源组件，其中，所述第一控制环(BA1)包括相位调制器
Figure FDA0002742828470000023
放大器、倍频部件以及可饱和吸收单元，所述可饱和吸收单元包括与用于实施惯性传感器的那些相同种类的原子(At)。
4.根据权利要求1或2所述的激光源组件，其中，所述从激光器和所述主激光器是分布式反馈激光二极管。
5.根据权利要求1或2所述的激光源组件，还包括光束形成级(20)，所述光束形成级包括：
-多个光学放大器(A)，其被配置为放大由频率稳定的激光器所生成的光束；以及
-多个倍频部件(D)，其被配置为使所述放大的光束的频率加倍。
6.根据权利要求1或2所述的激光源组件，其中，所述激光源发射1560nm的波长，并且所述放大器是半导体光学放大器。
7.根据权利要求1或2所述的激光源组件，在硅衬底上包括第一集成光子电路(PIC1)，所述第一集成光子电路包括所述第二控制环(BA2)以及生成用于实施所述传感器的光束所需要的光学部件中的一些。
8.根据权利要求7所述的激光源组件，其中，所述第一集成光子电路还包括所述第一控制环(BA1)的相位调制器
Figure FDA0002742828470000031
9.根据权利要求1或2所述的激光源组件，在InP衬底上包括第二集成光子电路(PIC2)和/或包括第三集成光子电路(PIC3)，所述第二集成光子电路包括放大器，所述第三集成光子电路包括所述倍频部件，所述倍频部件采用由PPLN制成的波导的形式。
10.根据权利要求7所述的激光源组件，其中，所述第一集成光子电路、以及在适当时所述第二集成光子电路、以及在适当时所述第三集成光子电路被混合，以便集成到同一芯片中。
11.根据权利要求1或2所述的激光源组件，包括源集成光子电路(PIC)，所述源集成光子电路包括所述主激光器、所述从激光器和相关联的隔离器。
12.根据权利要求1或2所述的激光源组件，其中，所述源集成光子电路(PIC)、所述第一集成光子电路(PIC1)、所述第二集成光子电路(PIC2)和所述第三集成光子电路(PIC3)被混合，以便集成到同一芯片中。
13.一种冷原子惯性传感器(100)，包括根据权利要求1-12之一所述的激光源组件，并且还包括包含气态的所述原子(At)的所述真空室(E)。
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