[发明专利]一种用于CPT原子钟的相干解调装置

说明书

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，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。

背景技术

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（μA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。

发明内容

本发明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，本发明采用以下技术措施：