本實用新型屬于光學(xué)領(lǐng)域和微納系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為基于CPT效應(yīng)的垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘。

背景技術(shù)：

基于CPT原理的芯片原子鐘作為一種新型的原子頻標(biāo)，可以保證移動通信星座內(nèi)衛(wèi)星間的相對位置測量及精確時間同步。目前國外各大研究機構(gòu)和公司紛紛投入精力開發(fā)CSAC的新結(jié)構(gòu)和新工藝，以期進一步縮小體積和降低功耗。從國外的研究成果可以看出，目前芯片原子鐘的研制性能參數(shù)基本滿足部分應(yīng)用需求，已研制出商用芯片原子鐘產(chǎn)品，并取得了較大進展，但由于噪聲以及頻移的存在，傳統(tǒng)的方法很難進一步提高芯片原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

從研究現(xiàn)狀看出，芯片級原子鐘的性能指標(biāo)已經(jīng)接近極限，工藝上的改善很難獲得性能指標(biāo)大幅度提高，因此發(fā)展基于新技術(shù)方案的更高精度的芯片原子鐘尤為重要。

大量文獻表明，采用1mm³體積氣室的芯片級原子鐘，其由光子散彈噪聲極限所限制的秒級穩(wěn)定度可達2×10^-13ι^-1/2。但在實驗裝置中，因為各種噪聲的影響，導(dǎo)致信號幅度很小，很難達到光子散彈噪聲極限。其中限制短期穩(wěn)定度的主要因素是VCSEL激光器的幅度噪聲和頻率噪聲。激光頻率噪聲通過原子共振信號轉(zhuǎn)換為幅度噪聲。雖然通過將VCSEL激光器鎖定到原子的躍遷線上，可以大大減小光頻率噪聲起伏的影響，但光頻率起伏噪聲依然很大。其次在某些VCSEL中，不同偏振模式之間的模式競爭噪聲，在探測器上會引起較大的幅度噪聲。所有這些噪聲都降低了芯片級原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度，導(dǎo)致目前采用1mm³氣室的芯片原子鐘所能達到的最好秒級穩(wěn)定度在10^-11量級。

限制芯片原子鐘中長期穩(wěn)定度的主要問題是頻率漂移和CPT線性的不對稱，引起頻移的因素有：磁場、緩沖氣體、溫度、光頻移、加速度或者射頻功率的漂移。因此需要嚴格控制這些參數(shù)，或者找到一種探測機制來減小芯片原子鐘對這些參數(shù)的頻率敏感度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

芯片級原子是基于CPT效應(yīng)（相干布居囚禁效應(yīng)）工作的，傳統(tǒng)的CPT原子鐘利用調(diào)制后的單束激光通過MEMS氣室，然后利用檢測電路實現(xiàn)鐘信號輸出。單光路CPT原子鐘在工作時，由于共模噪聲的存在，很大程度上限制了頻率穩(wěn)定度的提高，使得目前的原理樣機或者商用產(chǎn)品頻率穩(wěn)定度局限在10^-10~10^-11量級。

為了進一步提高芯片級原子鐘秒級穩(wěn)定度，本實用新型提出了垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘方案。

本實用新型是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘，包括激光器，所述激光器出射的光束通過垂直耦合光柵Ⅰ耦合進入Y波導(dǎo)分束器，其中一束光經(jīng)過相位調(diào)制單元后輸出，另外一束光經(jīng)調(diào)節(jié)補償后輸出，兩路光束再分別經(jīng)過垂直耦合光柵Ⅱ和垂直耦合光柵Ⅲ輸出，依次經(jīng)過偏振片、衰減片、波片、準(zhǔn)直、聚焦之后進入氣室，出射后，兩束光經(jīng)過探測單元轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過減法器輸入集成電路芯片，所述集成電路芯片對激光器和相位調(diào)制單元進行調(diào)控。

本實用新型提出的垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘方案原理圖1所示，利用納米Y型光波導(dǎo)，獲得性能完全相同的兩束光，可通過抑制共模噪聲有效提高原子鐘穩(wěn)定度是其核心所在，并采用納米光波導(dǎo)功能單元微加工工藝，以保證兩路光的最大相同。光學(xué)部分采用了雙光路方案，一束激光用來探測原子的CPT信號，另一束激光作為參考光，探測信號相減獲得原子的躍遷信號。相比于單光路的芯片級原子鐘方案，該方案通過雙光路共模抑制可以大大減小光功率起伏和頻率起伏噪聲的影響，有效提高CPT原子鐘的信噪比，從而可以大大提高芯片級原子鐘的短期穩(wěn)定度；對于由磁場、緩沖氣體、溫度、光頻移等引起的頻移，也有一定的抑制作用，從而提高芯片級原子鐘的中長期穩(wěn)定度。

如圖2所示，納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘由VCSEL光源、納米垂直耦合光柵、Y型納米光波導(dǎo)、調(diào)制、偏振控制、MEMS氣室、光電探測、多功能集成電路芯片組成。激光器出射的光束耦合進入Y波導(dǎo)分束器，其中一路經(jīng)過相位調(diào)制單元產(chǎn)生相位差恒定的相干光，另外一束經(jīng)由歐姆電極調(diào)節(jié)補償以此與調(diào)制光路一致，兩路光束然后經(jīng)過垂直耦合光柵輸出，經(jīng)過偏振片、衰減片、波片，經(jīng)過準(zhǔn)直和聚焦之后進入銣原子氣室，經(jīng)過調(diào)制的光束會與原子相互作用產(chǎn)生CPT效應(yīng)，未經(jīng)調(diào)制的光則攜帶背景噪聲信號，兩束光經(jīng)過探測單元轉(zhuǎn)化為電信號后經(jīng)過減法器可以消除背景噪聲，達到提高頻率穩(wěn)定度的目的。圖中示意出了電路部分，減法器將消除了共模噪聲的鐘信號輸入集成電路芯片，集成電路芯片完成對激光器和相位調(diào)制單元進行調(diào)控。

雙光路芯片級原子鐘共模噪聲抑制機理及雙光路對鐘信號穩(wěn)定度影響機理如下：

針對研究內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題，理論上，以原子的三能級系統(tǒng)為模型，考慮原子系統(tǒng)的實際光學(xué)長度，采用旋轉(zhuǎn)波近似，應(yīng)用Liouville-Bloch方程，得出描述系統(tǒng)演化的密度矩陣方程組。數(shù)值解更能清晰地反映物理規(guī)律，且有利于對實際問題進行具體分析，因此有必要對上述過程進行數(shù)值計算。同時精細研究雙光路與銣原子的相互作用，具體分析兩路激光各參量對鐘信號的影響，進而定量獲得激光各參量與CPT鐘信號信噪比的關(guān)系，對雙光路芯片級原子鐘的共模噪聲抑制特性進行理論驗證，用于指導(dǎo)實驗。

實際工作中，對單光路芯片原子鐘穩(wěn)定度理論公式進行修正，獲得納米光波導(dǎo)雙光路原子鐘的穩(wěn)定度模型，同時對短期穩(wěn)定度和中長期穩(wěn)定度進行分析。針對項目指標(biāo)要求，依據(jù)該穩(wěn)定度模型，給出各個關(guān)鍵器件的性能指標(biāo)要求，例如雙光路模塊的功率和頻率起伏、原子氣室的溫度系數(shù)、C場的穩(wěn)定度、控溫模塊的溫度穩(wěn)定度、射頻場的功率穩(wěn)定度、以及伺服電路的分辨率和控制電壓的穩(wěn)定度等，用于完善和指導(dǎo)各個關(guān)鍵器件的設(shè)計制作，保障最終原子鐘穩(wěn)定度的完成。

附圖說明

圖1表示納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘方案原理圖。

圖2表示雙光路原子鐘原理框圖。

圖3表示雙光路原子鐘的物理部分（單氣室）示意圖。

圖4表示雙光路原子鐘的物理部分（雙氣室）示意圖。

圖中：1-支撐結(jié)構(gòu)，2-探測單元，3-加熱單元，4-磁場線圈，5-MEMS微氣室（單氣室），6-BF33玻璃，7-準(zhǔn)直單元，8-聚焦單元，9-λ/4玻片，10-納米垂直耦合光柵Ⅰ，11-納米垂直耦合光柵Ⅱ，12-納米垂直耦合光柵Ⅲ，13-VCSEL激光器，14-光作用氣室，15-相位調(diào)制單元，16-Y波導(dǎo)分束器，17-反應(yīng)氣室，18-反應(yīng)藥品，19-電路模塊，20-引腳。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例進行詳細說明。

實施例1

一種垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘（單氣室），如圖3所示，包括VCSEL激光器13，所述VCSEL激光器13出射的光束通過垂直耦合光柵Ⅰ10耦合進入Y波導(dǎo)分束器16，納米垂直耦合光柵Ⅰ10實現(xiàn)對VCSEL準(zhǔn)直隔離激光光源的耦合輸入（耦合效率優(yōu)于80％），通過耦合對準(zhǔn)技術(shù)與納米Y型波導(dǎo)進行精準(zhǔn)對接；其中一束光經(jīng)過相位調(diào)制單元15（調(diào)制電極）產(chǎn)生相位差恒定的相干光后輸出，另外一束光由歐姆電極調(diào)節(jié)補償以此與調(diào)制光路一致后輸出，例如，可以對一路導(dǎo)波光束進行3.4GHz調(diào)制從而產(chǎn)生頻率差為6.8GHz的邊帶，另一路導(dǎo)波光束通過歐姆電極進行微調(diào)以補償與調(diào)制光路的一致性差異（即調(diào)控得到保偏的光波導(dǎo)輸出）；兩路光束再分別經(jīng)過垂直耦合光柵Ⅲ12和垂直耦合光柵Ⅱ11輸出，依次經(jīng)過偏振片、衰減片、λ/4波片9、準(zhǔn)直單元8、聚焦單元7之后進入銣原子MEMS微氣室（單氣室）5，該銣原子氣室位于磁場線圈4中，其上下布置有BF33玻璃6，并配有加熱單元3。

垂直耦合光柵作為漸變光柵，將攜帶有鐘信號的光通過納米垂直耦合光柵Ⅲ12輸入到MEMS微氣室，漸變光柵將經(jīng)過歐姆電極補償后的光通過納米垂直耦合光柵Ⅱ11輸入到MEMS微氣室，兩束光經(jīng)過氣室同時到達兩象位探測芯片，探測單元2轉(zhuǎn)化為電信號后輸入減法器，信號相減即為消除了共模噪聲的鐘信號，輸入集成電路芯片，集成電路芯片完成對激光器和相位調(diào)制單元進行調(diào)控。

具體實施時，根據(jù)CPT原子鐘的物理機制，芯片級原子鐘主要包括VCSEL、納米Y波導(dǎo)、光學(xué)鏡片、MEMS微氣室、探測單元、C場線圈。自Y波導(dǎo)耦合輸出的光束，通過偏振片、衰減片以及λ/4波片之后進入微氣室，采用MEMS工藝實現(xiàn)波導(dǎo)、微透鏡、微氣室的集成。采用特種真空膠將上述各個部件集成為一體。與傳統(tǒng)的單光路芯片級原子鐘相比，納米光波導(dǎo)雙光路芯片原子鐘在物理系統(tǒng)部分采用了納米Y波導(dǎo)對VCSEL激光器出射的光進行了分光，在對物理部分封裝的過程中需要將它與各個光路部分進行緊密連接，達到減小體積、功耗的目的。對其設(shè)計時，考慮組成的各個部件整體布局及連接關(guān)系，設(shè)計布局與連接關(guān)系設(shè)計物理系統(tǒng)。

實施例2

一種垂直耦合納米光波導(dǎo)雙光路芯片級原子鐘（雙氣室），其與實施例1的區(qū)別在于采用雙氣室，采用現(xiàn)場制備銣原子，在反應(yīng)氣室17中裝入反應(yīng)藥品18，制備出銣原子氣體進入到光作用氣室14中。其余原理同實施例1，由微氣室出射的兩束光同時到達兩象位探測芯片，即探測單元2轉(zhuǎn)化為電信號后輸入減法器，將信號相減即為消除了共模噪聲的鐘信號，輸入集成電路芯片，集成電路芯片完成對激光器和相位調(diào)制單元進行調(diào)控，減法器和集成電路芯片集成于電路模塊19中，并通過引腳20輸出控制信號。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本實用新型實施例進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋權(quán)利要求保護范圍中。