[發明專利]一種用于CPT原子鐘的相干解調裝置

有效

• 申請號: 201010277163.6
• 申請日: 2010-09-09
• 公開（公告）號: CN101931405A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 鄧威;張奕;云恩學;顧思洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本發明涉及原子鐘技術領域，更具體涉及一種用于相干布居數囚禁（CPT,?Coherent?Population?Trapping）原子鐘的相干解調裝置。可適用于小型化商用原子鐘系統，在低功耗、小體積、高精度、高穩定度頻率標準的領域中有廣闊的應用前景。

背景技術

CPT原子鐘是一種新型原子鐘，它利用相干布居囚禁現象實現，省去了傳統原子鐘的微波腔，是一種全光原子鐘。與傳統原子鐘比，它具有體積小、功耗低、啟動快等優點，結合微電子機械系統（MEMS,?Micro?Electromechanical?System）技術，可以實現體積為幾個立方厘米、紐扣電池供電、幾十秒鐘完成啟動的微型原子鐘系統。微型CPT原子鐘結合了原子鐘的長期穩定性好和晶振的體積小、功耗低的優勢，已成為原子鐘研究領域的寵兒。國內CPT原子鐘研究單位主要有中國科學院武漢物理與數學研究所，四川天奧星華時頻公司，北京大學等單位，其中中科院武漢物理與數學研究所于2006年在國內首次研究出CPT原子鐘，2009年研制出的小型化樣機指標已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。

CPT原子鐘的控制電路主要包含有兩個鎖相控制環路：其中一個環路為激光穩頻環路，通過在注入垂直腔表面發射激光器（VCSEL,?Vertical?Cavity?Surface?Emitting?Laser）的電流（mA量級）上疊加幾KHz的淺幅調制（μA量級），以實現對輸出激光頻率的調制，使用光電探測器探測VCSEL輸出激光與原子作用后的光強，可得到原子對不同頻率激光的吸收譜線，通過相干解調的方法從原子對激光的吸收譜獲得反饋信號，用于調節注入VCSEL的電流，將輸出激光頻率鎖定在原子對不同頻率激光的吸收譜線中最大共振吸收峰對應的頻率上；另一個環路為微波頻率鎖定環路，將微波耦合到注入VCSEL的電流中，使VCSEL輸出產生雙色相干光，用于產生CPT現象，與激光穩頻環路類似，通過鎖相環對微波疊加幾百Hz的頻率調制，使用光電探測器探測VCSEL輸出激光與原子相互作用后的光強，可得到CPT譜線，通過相干解調的方法獲得反饋信號，用于調節微波頻率，將微波頻率鎖定在CPT峰上，以實現穩頻的目的。

由此可見，相干解調是實現CPT原子鐘鎖相控制的重要方法，CPT原子鐘的性能與其所使用的相干解調效果有很大的關系，高性能的原子鐘和高性能的調制解調環路是分不開的。現常用的原子鐘調制解調方法有三種：一是通過數字方法控制高速數模轉換器（DAC）得到調制信號，通過量子系統后，再由模數轉換器（ADC）高速采集響應信號，通過數字解調算法得到解調結果，再由數字方法控制數模轉換器進行反饋，如北京大學汪中等申請的專利（一種相干布居囚禁原子鐘，申請號200810225078.8）；另一種為通過模擬或數字方法得到調制信號，利用模擬開關解調響應中的同頻信號，得到模擬解調結果，執行模擬反饋；還有一種是通過模擬開關解調，得到模擬解調結果，再用ADC采集，數字控制DAC反饋。現有的這三種方法各有缺點，第一種方法對ADC、DAC的采集速度和精度要求高，對ADC、DAC的參考時鐘要求也很高，需要專門的時鐘分配芯片給電路提供時鐘，并且需要專門的控制芯片作為控制接口，增加了分立電路的功耗和體積，不利于CPT原子鐘的小型化，同時該方法對微控制器的處理能力有較高的要求，且處理算法和數字電路引入的噪聲對調制解效果影響很大，將直接影響到CPT原子頻標的穩定度；第二種方法的反饋控制電路調節復雜，靈活性差；第三種方法中的開關解調方法一般利用場效應管控制開關，外部電路的噪聲性能和體積難以兼顧。

總之，設計、研制出滿足小型、低功耗要求，性能更加理想的調制解調電路，是改進小型化CPT原子鐘的一個關鍵方面。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于CPT原子鐘的相干解調裝置，該裝置體積小，功耗低，精度高。相比已有的調制解調裝置，該裝置降低了整機的體積和功耗，提高了解調信號的信噪比，在此基礎上研制出的小型化CPT樣機指標已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。

為了實現上述的目的，本發明采用以下技術措施：