本发明专利技术公开了一种用于ＣＰＴ原子钟的相干解调装置。它包含两路调制和解调单元，采用数字控制电路与模拟解调电路实现高精度的相干解调。微控制器经过两路数模转换器分别与电压／电流转换电路和频率综合电路相连，微控制器输出的调制参考方波至电压／电流转换电路实现直流环路调制，微控制器控制频率综合电路相连实现微波环路调制。电压／电流转换电路的输出与频率综合电路的输出通过直流偏置器件与物理系统的ＶＣＳＥＬ输入端相连。物理系统输出的光电流信号经过光检放大电路后连接到直流解调电路和微波解调电路，解调结果分别通过模数转换器输入微控制器。该装置体积小，功耗低，信噪比高。基于该装置的ＣＰＴ原子钟指标已达到国际上最好的商用小型ＣＰＴ原子钟水平。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及原子钟
，更具体涉及一种用于相干布居数囚禁(CPT， Coherent Population Trapping)原子钟的相干解调装置。可适用于小型化商用原子钟系 统，在低功耗、小体积、高精度、高稳定度频率标准的领域中有广阔的应用前景。
技术介绍
CPT原子钟是一种新型原子钟，它利用相干布居囚禁现象实现，省去了传统原子钟 的微波腔，是一种全光原子钟。与传统原子钟比，它具有体积小、功耗低、启动快等优点，结 合微电子机械系统(MEMS, Micro Electromechanical System)技术，可以实现体积为几个 立方厘米、纽扣电池供电、几十秒钟完成启动的微型原子钟系统。微型CPT原子钟结合了原 子钟的长期稳定性好和晶振的体积小、功耗低的优势，已成为原子钟研究领域的宠儿。国内 CPT原子钟研究单位主要有中国科学院武汉物理与数学研究所，四川天奥星华时频公司，北 京大学等单位，其中中科院武汉物理与数学研究所于2006年在国内首次研究出CPT原子 钟，2009年研制出的小型化样机指标已达到国际上最好的商用小型CPT原子钟水平。CPT原子钟的控制电路主要包含有两个锁相控制环路其中一个环路为激光稳频 环路，通过在注入垂直腔表面发射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的电流(mA量级)上叠加几KHz的浅幅调制(μΑ量级)，以实现对输出激光频率的 调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子作用后的光强，可得到原子对不同频率 激光的吸收谱线，通过相干解调的方法从原子对激光的吸收谱获得反馈信号，用于调节注 入VCSEL的电流，将输出激光频率锁定在原子对不同频率激光的吸收谱线中最大共振吸收 峰对应的频率上；另一个环路为微波频率锁定环路，将微波耦合到注入VCSEL的电流中，使 VCSEL输出产生双色相干光，用于产生CPT现象，与激光稳频环路类似，通过锁相环对微波 叠加几百Hz的频率调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子相互作用后的光强， 可得到CPT谱线，通过相干解调的方法获得反馈信号，用于调节微波频率，将微波频率锁定 在CPT峰上，以实现稳频的目的。由此可见，相干解调是实现CPT原子钟锁相控制的重要方法，CPT原子钟的性能 与其所使用的相干解调效果有很大的关系，高性能的原子钟和高性能的调制解调环路是分 不开的。现常用的原子钟调制解调方法有三种一是通过数字方法控制高速数模转换器 (DAC)得到调制信号，通过量子系统后，再由模数转换器(ADC)高速采集响应信号，通过数 字解调算法得到解调结果，再由数字方法控制数模转换器进行反馈，如北京大学汪中等申 请的专利(一种相干布居囚禁原子钟，申请号200810225078. 8)；另一种为通过模拟或数字 方法得到调制信号，利用模拟开关解调响应中的同频信号，得到模拟解调结果，执行模拟反 馈；还有一种是通过模拟开关解调，得到模拟解调结果，再用ADC采集，数字控制DAC反馈。 现有的这三种方法各有缺点，第一种方法对ADC、DAC的采集速度和精度要求高，对ADC、DAC 的参考时钟要求也很高，需要专门的时钟分配芯片给电路提供时钟，并且需要专门的控制 芯片作为控制接口，增加了分立电路的功耗和体积，不利于CPT原子钟的小型化，同时该方法对微控制器的处理能力有较高的要求，且处理算法和数字电路引入的噪声对调制解效果 影响很大，将直接影响到CPT原子频标的稳定度；第二种方法的反馈控制电路调节复杂，灵 活性差；第三种方法中的开关解调方法一般利用场效应管控制开关，外部电路的噪声性能 和体积难以兼顾。总之，设计、研制出满足小型、低功耗要求，性能更加理想的调制解调电路，是改进 小型化CPT原子钟的一个关键方面。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于CPT原子钟的相干解调装置，该装置体积小，功耗 低，精度高。相比已有的调制解调装置，该装置降低了整机的体积和功耗，提高了解调信号 的信噪比，在此基础上研制出的小型化CPT样机指标已达到国际上最好的商用小型CPT原 子钟水平。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施一种用于CPT原子钟的相干解调装置，该装置包括光检放大电路、直流解调单元、微 波解调单元、第一模数转换器(直流环路)、第二模数转换器(微波环路)、微控制器、第一数 模转换器(直流环路)、第二数模转换器(微波环路)、频率综合电路、电压/电流转换电路、直 流偏置器件、物理系统。其特征在于物理系统的输入输出分别与光检放大电路、直流偏置 器件相连，物理系统中的光电探测器输出端与光检放大电路相连，光检放大电路的输出分 别与直流解调单元和微波解调单元相连，直流调制单元与微波调制单元的输出分别通过第 一模数转换器(直流环路)和第二模数转换器(微波环路)相连，第一模数转换器(直流环路)、 第二模数转换器(微波环路)输出与微控制器相连，微控制器通过串行接口总线读取模数转 换得到的结果。微控制器通过串行接口总线与第一数模转换器(直流环路)、第二数模转换 器(微波环路)相连，第一数模转换器(直流环路)、第二数模转换器(微波环路)分别与频率综 合电路、电压/电流转换电路相接。电压/电流转换电路输出端、频率综合电路的微波输出 端分别与直流偏置器件的直流和微波输入端相连。直流偏置器件输出与物理系统的VCSEL 输入端相连，驱动激光管发光。其中光检放大电路，直流解调单元，直流环路模数转换器，微 控制器，直流环路数模转换器，电压/电流转换电路，直流偏置器件，物理系统构成激光频 率锁定环路；而光检放大电路，微波解调单元，微波环路模数转换器，微控制器，微波环路数 模转换器，频率综合电路，直流偏置器件，物理系统构成微波频率锁定环路。所述的物理系统包括微波发生器、VCSEL激光器、原子气室和光电探测器；VCSEL 激光器输入与直流偏置器件的输出相连，VCSEL激光器发出的激光经过原子气室与原子相 互作用，透射的激光进入光电探测器，光电探测器的输出与光检放大电路相连。微控制器用于提供调制和相干解调所需的方波信号，调节调制和相干解调方波 信号之间的相位，处理解调得到的结果，并控制数模转换器反馈输出；所述的调制单元用于调制所述原子钟物理单元中的激光器和微波发生器，得到经过 调制的直流和微波；所述的解调单元包括带通滤波器、解调器和低通滤波器，用于从所述原子钟物理单元 中光电探测器输出中过滤出与调制同频的信号分量，并模拟解调。所述的直流解调单元、微波解调单元包括带通滤波器、微控制器、解调器、低通滤波器，解调器包括信号通道、参考通道、相位检测器，解调器中的信号通道与参考通道两个 输入通道与相位检测器连接，带通滤波器的输出的鉴频信号接入解调器中的信号通道，微 控制器输出用于解调的参考方波输入参考通道，解调器的输出与低通滤波器相连。通过微波对VCSEL的输入电流进行幅度调制，可获得受微波调制的多色光，这些 多色光具有良好的相干特性。选择适当的调制指数，使该多色光中的士 1级边带光较强。 此多色光通过吸收泡和泡中的原子相互作用，利用透射光信号来检测原子对激光频率和微 波频率的响应，就是光检测原理。通过检测透射光的光强，可以得到原子对激光频率的响 应。在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于ＣＰＴ原子钟的相干解调装置，它由光检放大电路（１）、直流解调单元（２）、微波解调单元（３）、第一模数转换器（４）、微控制器（６）、第一数模转换器（７）、电压／电流转换电路（９）、频率综合电路（１０）、直流偏置器件（１１）、物理系统（１２）组成，其特征在于：物理系统（１２）的输入输出分别与光检放大电路（１）、直流偏置器件（１１）相连，光检放大电路（１）的输出分别与直流解调单元（２）和微波解调单元（３）相连，直流解调单元（２）与微波解调单元（３）的输出分别与第一模数转换器（４）和第二模数转换器（５）相连，第一模数转换器（４）、第二模数转换器（５）输出与微控制器（６）相连，微控制器（６）与第一数模转换器（７）、第二数模转换器（８）相连，第一数模转换器（７）、第二数模转换器（８）分别与频率综合电路（１０）、电压／电流转换电路（９）相接，电压／电流转换电路（９）输出端、频率综合电路（１０）的微波输出端分别与直流偏置器件（１１）的直流和微波输入端相连，直流偏置器件（１１）输出与物理系统（１２）的ＶＣＳＥＬ输入端相连。
【技术特征摘要】
一种用于CPT原子钟的相干解调装置，它由光检放大电路(1)、直流解调单元(2)、微波解调单元(3)、第一模数转换器(4)、微控制器(6)、第一数模转换器(7)、电压/电流转换电路(9)、频率综合电路(10)、直流偏置器件(11)、物理系统(12)组成，其特征在于物理系统(12)的输入输出分别与光检放大电路(1)、直流偏置器件(11)相连，光检放大电路(1)的输出分别与直流解调单元(2)和微波解调单元(3)相连，直流解调单元(2)与微波解调单元(3)的输出分别与第一模数转换器(4)和第二模数转换器(5)相连，第一模数转换器(4)、第二模数转换器(5)输出与微控制器(6)相连，微控制器(6)与第一数模转换器(7)、第二数模转换器(8)相连，第一数模转换器(7)、第二数模转换器(...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓威，张奕，云恩学，顾思洪，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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