[实用新型]端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟

说明书

技术领域

本实用新型属于光学领域和微纳系统领域，具体为基于CPT效应的端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟。

背景技术

基于CPT原理的芯片原子钟作为一种新型的原子频标，可以保证移动通信星座内卫星间的相对位置测量及精确时间同步。目前国外各大研究机构和公司纷纷投入精力开发CSAC的新结构和新工艺，以期进一步缩小体积和降低功耗。从国外的研究成果可以看出，目前芯片原子钟的研制性能参数基本满足部分应用需求，已研制出商用芯片原子钟产品，并取得了较大进展，但由于噪声以及频移的存在，传统的方法很难进一步提高芯片原子钟的频率稳定度。

从研究现状看出，芯片级原子钟的性能指标已经接近极限，工艺上的改善很难获得性能指标大幅度提高，因此发展基于新技术方案的更高精度的芯片原子钟尤为重要。

大量文献表明，采用1mm³体积气室的芯片级原子钟，其由光子散弹噪声极限所限制的秒级稳定度可达2×10^-13ι^-1/2。但在实验装置中，因为各种噪声的影响，导致信号幅度很小，很难达到光子散弹噪声极限。其中限制短期稳定度的主要因素是VCSEL激光器的幅度噪声和频率噪声。激光频率噪声通过原子共振信号转换为幅度噪声。虽然通过将VCSEL激光器锁定到原子的跃迁线上，可以大大减小光频率噪声起伏的影响，但光频率起伏噪声依然很大。其次在某些VCSEL中，不同偏振模式之间的模式竞争噪声，在探测器上会引起较大的幅度噪声。所有这些噪声都降低了芯片级原子钟的短期频率稳定度，导致目前采用1mm³气室的芯片原子钟所能达到的最好秒级稳定度在10^-11量级。

限制芯片原子钟中长期稳定度的主要问题是频率漂移和CPT线性的不对称，引起频移的因素有：磁场、缓冲气体、温度、光频移、加速度或者射频功率的漂移。因此需要严格控制这些参数，或者找到一种探测机制来减小芯片原子钟对这些参数的频率敏感度。

发明内容

芯片级原子是基于CPT效应（相干布居囚禁效应）工作的，传统的CPT原子钟利用调制后的单束激光通过MEMS气室，然后利用检测电路实现钟信号输出。单光路CPT原子钟在工作时，由于共模噪声的存在，很大程度上限制了频率稳定度的提高，使得目前的原理样机或者商用产品频率稳定度局限在10^-10~10^-11量级。

为了进一步提高芯片级原子钟秒级稳定度，本实用新型提出了端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟方案。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟，包括激光器，所述激光器出射的光束通过端面耦合输入端耦合进入Y波导分束器，其中一束光经过相位调制单元后输出，另外一束光经调节补偿后输出，两路光束再分别经过垂直耦合光栅Ⅱ和垂直耦合光栅Ⅲ输出，依次经过偏振片、衰减片、波片、准直、聚焦之后进入气室，出射后，两束光经过探测单元转化为电信号后经过减法器输入集成电路芯片，所述集成电路芯片对激光器和相位调制单元进行调控。

本实用新型提出的端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟方案原理图1所示，利用纳米Y型光波导，获得性能完全相同的两束光，可通过抑制共模噪声有效提高原子钟稳定度是其核心所在，并采用纳米光波导功能单元微加工工艺，以保证两路光的最大相同。光学部分采用了双光路方案，一束激光用来探测原子的CPT信号，另一束激光作为参考光，探测信号相减获得原子的跃迁信号。相比于单光路的芯片级原子钟方案，该方案通过双光路共模抑制可以大大减小光功率起伏和频率起伏噪声的影响，有效提高CPT原子钟的信噪比，从而可以大大提高芯片级原子钟的短期稳定度；对于由磁场、缓冲气体、温度、光频移等引起的频移，也有一定的抑制作用，从而提高芯片级原子钟的中长期稳定度。