CN114167709A - 一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法 - Google Patents

一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过将微腔光频梳信号进行扩谱使得其光谱宽度达到一个倍频程后实现光频梳信号的自参考锁定，从而实现重复频率与经原子系统稳频的钟激光之间的直接锁定。本发明基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，降低了光钟系统对于微腔光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，同时本方法仅需要一套微腔光梳系统和两路锁相环，系统复杂度低，具有良好的工程化前景，另外微腔光梳毫米级的尺寸和可片上集成的特性赋予了光频原子钟实现小型化甚至芯片化的潜力，极大地拓展光钟的应用前景。

Description

一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法
技术领域
本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法。
背景技术
原子钟通过将理论上只与原子能级有关的超稳定极窄线宽原子跃迁频率锁定到晶振上输出稳定度极高的标准频率信号，传统的微波原子钟都是利用原子超精细能级间的跃迁频率作为钟跃迁频率，如作为一级频标的铯原子喷泉钟就是将高稳晶振输出频率与铯原子频率为9.192631770GHz的超精细能级跃迁锁定。而光频原子钟则直接将处在光频段高达几百THz的原子跃迁频率经过光学频率梳分频到微波频段，从而将光频段原子跃迁频率的稳定度传递到微波频段，由于原子钟相对不稳定度与钟跃迁频率成反比，而光频原子钟利用的光频段跃迁频率比传统微波原子钟利用的微波频段跃迁频率高出4个数量级，因此光频原子钟的稳定度和不确定度指标已经全面超越了传统的微波原子钟。
光频原子钟的光频跃迁频率高达数百THz，不能直接通过电子器件直接精确测量，因此现有的光频原子钟都是利用锁模激光器(如Ti:sapphire锁模激光器、掺Er光纤锁模激光器和Er:Yb:Glass锁模激光器等)产生的飞秒光学频率梳来完成光频钟跃迁频率的分频，从而将其稳定度传递到微波频段。
光学频率梳本质上是极窄脉冲激光信号，它在频域上表现为一组频率间隔相等且相位锁定的激光谱线的合集，如图1所示。梳齿间频率间隔即光梳重复频率为frep，光梳整体初始偏置频率即初始频率为fceo，因此光学频率梳的每一根处在光频频段的梳齿频率都可以用射频频段的初始频率fceo和重复频率frep表示出来：fn＝fceo+nfrep，其中而n为正整数，这就使得光学频率梳就像一把以重复频率frep为刻度的频率尺，可以用来度量光学频段的频率。在光梳初始频率fceo与重复频率frep锁定的同时再通过锁相环将特定光学频率与光梳梳齿锁定，即可实现光学频率与重复频率frep之间的相干链接，从而将光学频率的稳定度映射到射频频段的重复频率frep上。
典型的光频原子钟系统是通过传统锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来实现钟频光频率到微波频率间相干链接的，由锁模激光器产生的光学频率梳可以达到超过倍频程的谱宽，因此可以利用"f-2f"方案来探测初始频率fceo，进而将其通过锁相环与重复频率frep锁定实现整个光梳的自参考稳频。虽然基于锁模激光器的光学频率梳已经广泛应用于光频原子钟的工程化，但是锁模激光器昂贵的价格、较大的体积和较高的功耗都是制约着光频原子钟走向小型化和实用化的重要因素。现有的光钟体积都在百L甚至m3量级，因此现阶段的光频原子钟大多都是作为时间频率标准处在实验室阶段，难以广泛应用。
微腔光学频率梳技术的出现为克服传统锁模激光器在体积和功耗方面的劣势提供了优良的解决方案，与传统锁模激光器不同，微腔光学频率梳是利用毫米量级尺寸的光学微腔中局域化强光场激发非线性四波混频(FWM)效应产生的锁模光梳信号。相比于传统的锁模激光器，微腔光学频率梳在体积、功耗和系统复杂度方面具备巨大的优势，同时光学微腔制备工艺与传统半导体工艺高度兼容，赋予了其与电子芯片实现片上集成的潜力。微腔光梳是实现光频原子钟小型化甚至芯片化的重要技术路径。
根据微腔光学频率梳的特性，通过调整光学微腔的设计，可以实现不同重复频率(从GHz量级到THz量级)和不同光谱宽度的光学频率梳。光频原子钟需要重复频率处在普通光电探测器工作带宽内(通常为几十GHz)的光学频率梳，现阶段的微腔光梳在满足这一要求的同时，难以获得较大的频谱宽度。这就使得微腔光梳难以像基于锁模激光器的传统光梳一样实现初始频率的自参考锁定，因此不能直接使用传统方案实现基于微腔光学频率梳的光频原子钟。
目前，美国已经率先开展了基于微腔光梳的光频原子钟的研究，并提出了一种基于双微腔光梳交联互锁的方法实现了基于微腔光梳的光频原子钟，该方法利用一个重复频率1THz、光谱宽度超过倍频程的氧化硅微腔光梳通过“f-2f”方法实现自参考锁定，并最终实现原子跃迁频率稳定度到氮化硅微腔重复频率之间的传递。但是该方法需要两套不同类型的微腔光梳系统，并搭建四个锁相回路，整个系统复杂度较高；此外由于需要同时实现两套微腔光梳的锁模和四路锁相环的锁定，造成整个系统的鲁棒性和适装性较低，不利于光频原子钟的工程化和实用化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，降低了光钟系统对于微腔光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，同时本方法仅需要一套微腔光梳系统和两路锁相环，系统复杂度低，具有良好的工程化前景，另外微腔光梳毫米级的尺寸和可片上集成的特性赋予了光频原子钟实现小型化甚至芯片化的潜力，极大地拓展光钟的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，光频原子钟控制系统包括泵浦光源、微腔光梳、扩谱装置和两路锁相环，在具体的控制过程中，包括以下步骤：
利用微腔光梳从泵浦光源输出的光信号中获得重复频率处于光电探测器工作带宽内的微腔光学频率梳，利用扩谱装置将微腔光学频率梳的光谱扩展到一个倍频程以上的宽度，得到扩谱光梳；
通过第三光电探测器对扩谱光梳的重复频率frep进行探测；
通过将扩谱光梳的第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep倍频后与第2n梳齿频率f2n＝fceo+2nfrep进行拍频，得到光梳初始频率fceo＝2fn-f2n，然后通过第一锁相环PLL1控制泵浦光源的泵浦功率，使光梳初始频率fceo锁定到重复频率frep上，得到fceo＝frep/a；
通过第二锁相环PLL2控制泵浦光源的波长，使扩谱光梳第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep锁定到光频钟跃迁频率fr1上，得到：
fr1＝fm+frep/b＝fceo+mfrep+frep/b＝frep/a+mfrep+frep/b
整个系统通过两路锁相环实现将光梳重复频率frep锁定到了原子光频钟跃迁频率fr1上：
Figure BDA0003139807640000031
其中m、a、b均为常数，
同时光频跃迁频率fr1也经微腔光梳分频后将其稳定度传递到了重复频率frep上，从而实现高稳定度的微波频率frep输出。
进一步地，所述光频原子钟还包括激光器、原子吸收泡及反馈控制回路，原子吸收泡通过反馈控制回路与激光器连接，通过原子吸收泡和反馈控制回路将激光器的输出频率反馈锁定到光频跃迁频率fr1上。
进一步地，所述激光器输出频率经过原子跃迁谱线、分子跃迁谱线或离子跃迁谱线稳频。
进一步地，所述原子跃迁谱线为氢H、钾K、铷Rb或铯Cs原子跃迁谱线。
进一步地，所述分子跃迁谱线为氨NH3或氰化氢HCN分子跃迁谱线。
进一步地，所述离子跃迁谱线为钙离子Ca+、汞离子Hg+或铝离子Al+离子跃迁谱线。
进一步地，所述反馈控制回路上设置有第四光电检测器。
进一步地，所述扩谱装置为基于高非线性光纤或片上高非线性波导的扩谱装置。
进一步地，所述片上高非线性波导为氮化硅波导、铌酸锂波导或锗波导。
进一步地，所述微腔光梳为产生重复频率在普通光电探测器工作带宽内的微型腔体结构。优选地，所述微腔光梳为产生重复频率从GHz到THz量级的微型腔体结构。优选地，所述微腔光梳的尺寸为毫米级。
进一步地，所述微腔光梳的材质为氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、融融石英或氟化物材料。
进一步地，所述光频原子钟包括第一光电探测器，所述第一光电探测器与第一锁相环PLL1连接，第一光电探测器用于检测光梳初始频率fceo。
进一步地，所述光频原子钟包括第二光电探测器，所述第二光电探测器与第二锁相环PLL2连接，第二光电探测器用于检测第m梳齿频率fm与光频钟跃迁频率fr1之间的频率差。
进一步地，在光频原子钟系统中，所述泵浦光源的泵浦光信号输出端与微腔光梳的光信号输入端连接，微腔光梳的光信号输出端与扩谱装置的光信号输入端连接，扩谱装置的光信号输出端分别通过第一锁相环PLL1、第二锁相环PLL2与泵浦光源连接，所述第三光电检测器分别与第一锁相环PLL1、第二锁相环PLL2连接。
本发明的有益效果是：本发明基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，降低了光钟系统对于微腔光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，同时本方法仅需要一套微腔光梳系统和两路锁相环，系统复杂度低，具有良好的工程化前景，另外微腔光梳毫米级的尺寸和可片上集成的特性赋予了光频原子钟实现小型化甚至芯片化的潜力，极大地拓展光钟的应用前景。
附图说明
图1为光学频率梳的频域及时域特征图；
图2为本发明光频原子钟的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图2所示，一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，光频原子钟包括泵浦光源、微腔光梳、扩谱装置和两路锁相环，在具体的控制过程中，包括以下步骤：
利用微腔光梳从泵浦光源输出的光信号中获得重复频率处于光电探测器工作带宽内的微腔光学频率梳，利用扩谱装置将微腔光学频率梳的光谱扩展到一个倍频程以上的宽度，得到扩谱光梳；
通过第三光电探测器对扩谱光梳的重复频率frep进行探测；
通过将扩谱光梳的第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep倍频后与第2n梳齿频率f2n＝fceo+2nfrep进行拍频，得到光梳初始频率fceo＝2fn-f2n，然后通过第一锁相环PLL1控制泵浦光源的泵浦功率，使光梳初始频率fceo锁定到重复频率frep上，得到fceo＝frep/a；
通过第二锁相环PLL2控制泵浦光源的波长，使扩谱光梳第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep锁定到光频钟跃迁频率fr1上，得到：
fr1＝fm+frep/b＝fceo+mfrep+frep/b＝frep/a+mfrep+frep/b
整个系统通过两路锁相环实现将光梳重复频率frep锁定到了原子光频钟跃迁频率fr1上：
Figure BDA0003139807640000051
其中m、a、b均为常数，
同时光频跃迁频率fr1也经微腔光梳分频后将其稳定度传递到了重复频率frep上，从而实现高稳定度的微波频率frep输出。
具体地，所述光频原子钟还包括激光器、原子吸收泡及反馈控制回路，原子吸收泡通过反馈控制回路与激光器连接，通过原子吸收泡和反馈控制回路将激光器的输出频率反馈锁定到光频跃迁频率fr1上。
具体地，所述激光器输出频率经过原子跃迁谱线、分子跃迁谱线或离子跃迁谱线稳频。
具体地，所述原子跃迁谱线为氢H、钾K、铷Rb或铯Cs原子跃迁谱线。
具体地，所述分子跃迁谱线为氨NH3或氰化氢HCN分子跃迁谱线。
具体地，所述离子跃迁谱线为钙离子Ca+、汞离子Hg+或铝离子Al+离子跃迁谱线。
具体地，所述反馈控制回路上设置有第四光电检测器。
具体地，所述扩谱装置为基于高非线性光纤或片上高非线性波导的扩谱装置。
具体地，所述片上高非线性波导为氮化硅波导、铌酸锂波导或锗波导。
具体地，所述微腔光梳为产生重复频率在普通光电探测器工作带宽内的微型腔体结构。优选地，所述微腔光梳为产生重复频率从GHz到THz量级的微型腔体结构。优选地，所述微腔光梳的尺寸为毫米级。
具体地，所述微腔光梳的材质为氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、融融石英或氟化物材料。
具体地，所述光频原子钟包括第一光电探测器，所述第一光电探测器与第一锁相环PLL1连接，第一光电探测器用于检测光梳初始频率fceo。
具体地，所述光频原子钟包括第二光电探测器，所述第二光电探测器与第二锁相环PLL2连接，第二光电探测器用于检测第m梳齿频率fm与光频钟跃迁频率fr1之间的频率差。
具体地，在光频原子钟系统中，所述泵浦光源的泵浦光信号输出端与微腔光梳的光信号输入端连接，微腔光梳的光信号输出端与扩谱装置的光信号输入端连接，扩谱装置的光信号输出端分别通过第一锁相环PLL1、第二锁相环PLL2与泵浦光源连接，所述第三光电检测器分别与第一锁相环PLL1、第二锁相环PLL2连接。
试验例
利用连续光泵浦的片上氮化硅微环腔产生重复频率frep为25GHz，频谱范围从1500nm到1700nm的光学频率梳；将波长1560nm的窄线宽激光经过倍频后锁定到Rb原子波长为780nm的D2跃迁谱线上构成频率fr1原子稳频激光参考源；通过基于片上高非线性氮化硅波导的扩谱系统将氮化硅微环腔产生的光梳光谱扩展到倍频程(1000nm～2200nm)后将2100nm附近的梳齿频率倍频后与1050nm附近的梳齿频率拍频获得光梳初始频率fceo并与重复频率frep通过锁相环锁定；再通过如图2所示的系统将经原子系统稳频的频率为的fr1激光利用锁相环在频谱上最近的光梳梳齿频率进行锁定，反馈信号分别用于控制微腔光梳泵浦源，从而实现光梳重复频率frep与Rb原子D2跃迁频率υD2的锁定：
υD2＝2fr1＝2[m+1/a+1/b]·frep
即，
Figure BDA0003139807640000061
现高稳定度的微波频率frep输出；上述扩谱系统可以采用基于高非线性光纤或片上高非线性波导(氮化硅波导、铌酸锂波导或锗波导)的扩谱装置；窄线宽激光可以由基于原子跃迁谱线(氢H、钾K、铷Rb或铯Cs原子跃迁谱线)、分子跃迁谱线(氨NH3或氰化氢HCN分子跃迁谱线)或离子跃迁谱线(钙离子Ca+、汞离子Hg+或铝离子Al+离子跃迁谱线)的激光器产生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，光频原子钟包括泵浦光源、微腔光梳、扩谱装置和两路锁相环，在具体的控制过程中，包括以下步骤：
利用微腔光梳从泵浦光源输出的光信号中获得重复频率处于光电探测器工作带宽内的微腔光学频率梳，利用扩谱装置将微腔光学频率梳的光谱扩展到一个倍频程以上的宽度，得到扩谱光梳；
通过第三光电探测器对扩谱光梳的重复频率frep进行探测；
通过将扩谱光梳的第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep倍频后与第2n梳齿频率f2n＝fceo+2nfrep进行拍频，得到光梳初始频率fceo＝2fn-f2n，然后通过第一锁相环PLL1控制泵浦光源的泵浦功率，使光梳初始频率fceo锁定到重复频率frep上，得到fceo＝frep/a；
通过第二锁相环PLL2控制泵浦光源的波长，使扩谱光梳第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep锁定到光频钟跃迁频率fr1上，得到：
fr1＝fm+frep/b＝fceo+mfrep+frep/b＝frep/a+mfrep+frep/b
整个系统通过两路锁相环实现将光梳重复频率frep锁定到了原子光频钟跃迁频率fr1上：
Figure FDA0003139807630000011
其中m、a、b均为常数，
同时光频跃迁频率fr1也经微腔光梳分频后将其稳定度传递到了重复频率frep上，从而实现高稳定度的微波频率frep输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述光频原子钟还包括激光器、原子吸收泡及反馈控制回路，原子吸收泡通过反馈控制回路与激光器连接，通过原子吸收泡和反馈控制回路将激光器的输出频率反馈锁定到光频跃迁频率fr1上。
3.根据权利要求2所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述激光器输出频率经过原子跃迁谱线、分子跃迁谱线或离子跃迁谱线稳频。
4.根据权利要求2所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述反馈控制回路上设置有第四光电检测器。
5.根据权利要求1所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述扩谱装置为基于高非线性光纤或片上高非线性波导的扩谱装置。
6.根据权利要求5所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述片上高非线性波导为氮化硅波导、铌酸锂波导或锗波导。
7.根据权利要求1所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述微腔光梳为产生重复频率在普通光电探测器工作带宽内的微型腔体结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述微腔光梳的材质为氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、融融石英或氟化物材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述光频原子钟包括第一光电探测器，所述第一光电探测器与第一锁相环PLL1连接，第一光电探测器用于检测光梳初始频率fceo。
10.根据权利要求1所述的一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，其特征在于，所述光频原子钟包括第二光电探测器，所述第二光电探测器与第二锁相环PLL2连接，第二光电探测器用于检测第m梳齿频率fm与光频钟跃迁频率fr1之间的频率差。
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