基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法技术

本发明专利技术涉及一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法。该CPT芯片原子钟包括光学系统和电路系统；光学系统包括拓扑体态PCSEL、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、原子气室、光电探测器；电路系统包括光电流放大器、滤波器模块、直流调制解调模块、直流信号伺服反馈控制模块、压控电压源、微波调制解调模块、晶体振荡器、微波信号伺服反馈控制模块、微波源、直流电流和微波耦合器。本发明专利技术首次将拓扑体态PCSEL用于CPT芯片原子钟，利用拓扑体态PCSEL低温度漂移系数、单模激射、低阈值、谱线宽度窄的巨大优势，创新性地实现了对外界温度波动更免疫、频率更稳定、性能更优越的CPT芯片原子钟。芯片原子钟。芯片原子钟。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法


[0001]本专利技术属于相干布居数囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)芯片原子钟
，尤其涉及一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法。

技术介绍

[0002]原子钟基于量子跃迁特性，可以产生稳定且准确的频率标准。利用原子固有的量子跃迁频率使得原子钟成为目前可以产生最精准时间频率标准的仪器设备。但目前国际上性能优异的原子钟一般系统复杂、造价昂贵、可搬运性差，限制了原子钟的应用范围。为了突破这种限制，国内外多家研究单位对小型化的原子钟展开了研究，其中，CPT芯片原子钟体积小、功耗低，被广泛应用于卫星导航、5G和6G网络建设、微型定位导航授时、信息化战场、涉水设备、无人智能驾驶等领域。
[0003]CPT芯片原子钟不需要微波腔腔体，因此有体积小、功耗低、启动快等优点；与晶体振荡器相比，又具有优异的长期频率稳定度指标，在要求低功耗、高精度的守时设备方面应用广泛。作为CPT芯片原子钟光源的激光器主要为分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)和具有高速直调特性的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，DFB激光器支持单模稳定工作。但边发射特性的激光不易生成高质量光束；VCSEL具有面发射特性便于光束成型，却难以稳定单模工作；且上述激光器均难以在保持激光质量的前提下提升输出功率(典型值约几十毫瓦量级)，无法满足广泛的应用需求。而且，VCSEL作为CPT芯片原子钟的光源自身也存在一定问题，如VCSEL具有比较大的温度系数，容易受环境温度波动的影响，且其光谱长期特性不稳定，这就导致了以VCSEL作为光源的CPT芯片原子钟的可靠性比较差，很大可能导致其寿命一般只有一年左右，甚至几个月后CPT芯片原子钟就不能正常工作。
[0004]利用具有光子能带结构的介电物质，即光子晶体，可以制备光子晶体面发射激光器(Photonic Crystal Surface Emitting Laser，PCSEL)。PCSEL激射模式与动量空间的偏振涡旋相关，本质上是动量空间中的拓扑荷。通过调控拓扑荷演化构造拓扑保护机制，可使激射模式在结构及材料参数连续变化下保持不变，从而大幅提升PCSEL的模式选择性和稳定性，实现工艺误差和环境扰动下鲁棒的单模激射。尤其是高性能的拓扑体态面发射激光器(Topological Bulk Photonic Crystal Surface Emitting Laser，拓扑体态PCSEL)，其直径只有几微米，具有良好的垂直发射方向性、线宽窄、单模激射的特性。拓扑体态PCSEL同时具备大功率、面发射和稳定单模工作的特性，可以实现全光谱、大面积、极低发散角、高功率激光输出，是一种极具潜力的新型激光器类型，可用于克服传统半导体激光器在的发散角大、单色性差、亮度低等缺点，在原子钟、量子精密计量、激光雷达、空间通讯、传感和激光加工等领域有着重要的应用前景。

技术实现思路

[0005]为了克服上述利用传统VCSEL和DFB激光器作为光源的CPT芯片原子钟存在的不
足，针对CPT芯片原子钟由于VCSEL的大温度系数而导致的CPT芯片原子钟受环境温度波动影响大、光谱漂移、可靠性差的问题，以及针对DFB激光器光束质量不高且输出功率有限等问题，本专利技术首次提出一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法，能够提升CPT芯片原子钟的性能指标以及产品的可靠性，在提升我国CPT芯片原子钟领域原始创新、推动核心器件和关键应用自主可控方面具有重大价值。
[0006]本专利技术的目的是提出一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟及其实现方法，将拓扑体态PCSEL作为光源应用于传统的CPT芯片原子钟，利用拓扑体态PCSEL单模激射、低阈值、温度系数低、谱线宽度窄且稳定的优势，提高CPT信号的信噪比，提升CPT芯片原子钟的性能指标以及产品的可靠性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，在结构上包括光学系统和电路系统两部分。光学系统包括：拓扑体态PCSEL、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、原子气室、光电探测器；电路系统包括：光电流放大器、滤波器模块、直流调制解调模块、直流信号伺服反馈控制模块、压控电压源、微波调制解调模块、晶体振荡器、微波信号伺服反馈控制模块、微波源、直流电流和微波耦合器。其中，拓扑体态PCSEL、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、原子气室依次相邻设置，光电探测器设于原子气室之后并与光电流放大器、滤波器模块依次连接，滤波器模块分别连接直流调制解调模块、微波调制解调模块，直流调制解调模块、直流信号伺服反馈控制模块、压控电压源依次连接，微波调制解调模块、晶体振荡器、微波信号伺服反馈控制模块、微波源依次连接，直流电流和微波耦合器分别连接压控电压源、微波源、拓扑体态PCSEL。其中，聚焦透镜、准直透镜、光电流放大器为可选部件，即可以不设置聚焦透镜、准直透镜、光电流放大器。
[0009]一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟的实现方法，即上述基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟的工作过程，包括以下步骤：
[0010]拓扑体态PCSEL作为光源发射出激光，经过聚焦透镜与准直透镜后(若不含有聚焦透镜、准直透镜则省略该步骤)，再经过四分之一波片，四分之一波片用于使拓扑体态PCSEL产生的线偏振光变为圆偏振光，此圆偏振光与原子气室中的原子发生相互作用后被光电探测器所接收，探测到的光信号转化为电信号后进入光电流放大器(若不含有光电流放大器则省略该步骤)，然后进入滤波器模块；
[0011]滤波器模块可以将光电探测器所探测到的激光环路频率和微波环路频率在时域上的叠加信号分离开，从而分别得到直流信号和微波信号；直流信号进入直流信号调制解调模块进行信号的调制与解调，解调后的信号经过直流信号伺服反馈控制模块反馈至压控电压源；微波信号进入微波信号调制解调模块进行信号的调制与解调，解调后的微波鉴频信号传递给晶体振荡器，利用获得的CPT信号对晶体振荡器进行鉴频，使晶体振荡器的输出频率与稳定的原子能级频率差产生强关联，从而使晶体振荡器输出稳定的频率；晶体振荡器有两路输出，一路输出信号进入微波信号伺服反馈控制模块反馈至微波源，另外一路作为标准频率输出；
[0012]压控电压源产生的直流电流和微波源产生的微波信号进入直流电流和微波耦合器进行信号的耦合，耦合之后的信号反馈至拓扑体态PCSEL以进行快速直调。
[0013]进一步地，为了使上述拓扑体态PCSEL以及原子气室的工作环境更稳定，减小外界
温度波动对CPT芯片原子钟的影响，在上述拓扑体态PCSEL以及原子气室外分别设置保温控温装置。
[0014]进一步地，为更好地减小温度波动对原子气室的影响，原子气室可以设置为双层真空原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，包括拓扑体态PCSEL、四分之一波片、原子气室、光电探测器、滤波器模块、直流调制解调模块、直流信号伺服反馈控制模块、压控电压源、微波调制解调模块、晶体振荡器、微波信号伺服反馈控制模块、微波源、直流电流和微波耦合器；其中，拓扑体态PCSEL、四分之一波片、原子气室依次相邻设置，光电探测器设于原子气室之后并连接滤波器模块，滤波器模块分别连接直流调制解调模块、微波调制解调模块，直流调制解调模块、直流信号伺服反馈控制模块、压控电压源依次连接，微波调制解调模块、晶体振荡器、微波信号伺服反馈控制模块、微波源依次连接，直流电流和微波耦合器分别连接压控电压源、微波源、拓扑体态PCSEL。2.根据权利要求1所述的基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，所述拓扑体态PCSEL和所述四分之一波片之间设置聚焦透镜、准直透镜。3.根据权利要求1所述的基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，在所述拓扑体态PCSEL以及所述原子气室外分别设置保温控温装置。4.根据权利要求1所述的基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，所述原子气室设置为双层真空原子气室。5.根据权利要求1所述的基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，所述原子气室外设置磁屏蔽装置，用以屏蔽外界磁场对原子气室的干扰，并提供与激光同向恒定的磁场从而为原子提供量子化轴并使其能级去简并。6.根据权利要求1所述的基于拓扑体态面发射激光器的CPT芯片原子钟，其特征在于，所述原子气室为铷原子气室、铯原子气室或其它类型的能够用于原...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，张佳，史田田，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：