一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。钟的应用前景。钟的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法


[0001]本专利技术涉及原子钟
，具体涉及一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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f
rep
，光梳整体初始偏置频率即初始频率为f
ceo
，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f
ceo
和重复频率f
rep
表示出来：f
n
＝f
ceo
+nf
rep
，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f
rep
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f
ceo
与重复频率f
rep
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f
rep
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f
rep
上。
[0005]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f
ceo
，进而将其通过锁相环与重复频率f
rep
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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。

技术实现思路

[0009]本专利技术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。
[0010]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0011]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：
[0012]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；
[0013]通过第三光电探测器对扩谱光梳的重复频率f
rep
进行探测；
[0014]通过将扩谱光梳的第n梳齿频率f
n
＝f
ceo
+nf
rep
倍频后与第2n梳齿频率f
2n
＝f
ceo
+2nf
rep
进行拍频，得到光梳初始频率f
ceo
＝2f
n
‑
f
2n
，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f
ceo
锁定到重复频率f
rep
上，得到f
ceo
＝f
rep
/a；
[0015]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f
m
＝f
ceo
+mf
rep
锁定到光频钟跃迁频率f
r1
上，得到：
[0016]f
r1
＝f
m
+f
rep
/b＝f
ceo
+mf
rep
+f
rep
/b＝f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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f
rep
进行探测；通过将扩谱光梳的第n梳齿频率f
n
＝f
ceo
+nf
rep
倍频后与第2n梳齿频率f
2n
＝f
ceo
+2nf
rep
进行拍频，得到光梳初始频率f
ceo
＝2f
n
‑
f
2n
，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f
ceo
锁定到重复频率f
rep
上，得到f
ceo
＝f
rep
/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f
m
＝f
ceo
+mf
rep
锁定到光频钟跃迁频率f
r1
上，得到：f
r1
＝f
m
+f
rep
/b＝f
ceo
+mf
rep
+f
rep
/b＝f
rep
/a+mf
rep
+f
rep
/b整个系统通过两路锁相环实现将光梳重复频率f
rep
锁定到了原子光频钟跃迁频率f
r1
上：其中m、a、b均为常数，同时光频跃迁...

【专利技术属性】
技术研发人员：白清松，杜润昌，杨林，于明园，王新文，
申请(专利权)人：成都天奥电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：