一种基于MEMS原子气室的芯片主动光钟及其实现方法

本发明属于微型原子钟，具体涉及一种基于mems原子气室的芯片主动光钟及其实现方法。

背景技术：

1、近百年来，光学原子(分子)频率参考在科研和工程中发挥了重要作用，提供了实现精确测量的标准。自从1958年激光的概念首次提出以来，科学界就在探寻使用激光来改进时间测量精度的办法。目前，光频原子钟(下称光钟)的性能已超过微波原子钟，最好的光钟稳定度与不确定度都进入了10-19量级。光钟已经被广泛应用在基础物理研究，如暗物质探测、广义相对论验证、引力波探测、物理常数随时间的变化，为理解宇宙和微观世界提供了有力的工具。此外，其在光通信领域也有广泛应用，可用于构建高速通信系统，确保数据传输的精确同步，提高通信网络的性能和稳定性。同时，光钟还支持着全球卫星导航系统、地理信息系统和金融交易等关键应用，并正在布署未来用光钟进行秒重新定义，对于制定国际时间标准具有重要意义。

2、但传统的光钟均为被动光钟，需要外部量子频率参考，通过伺服反馈电路将本振激光的频率锁定在该量子频率参考上，从而稳定本振激光的频率。被动光钟的本振激光工作在好腔区域，腔模线宽远小于增益线宽。其输出的光频标信号的稳定度受制于谐振腔腔长稳定度，腔长热噪声直接影响被动光钟的短期频率稳定度。相比之下，主动光钟不需要外部频率参考，将原子的受激辐射信号直接作为频率标准，并工作在坏腔区域，增益线宽远小于腔模线宽，输出激光频率取决于量子参考的中心频率，对腔牵引效应有着天然抑制作用，短期频率稳定度更好。综上，主动光钟相比于被动光钟有腔牵引抑制、窄线宽、优异的短期频率稳定度、系统简单的优势，具有广泛的应用前景。若能结合mems技术，则能进一步简化系统体积和功耗，实现芯片化光钟，应用于可移动军用设备，为其提供具有授时能力、高频率稳定度的时间频率参考。

3、微机电系统(mems)技术采用类似半导体加工的硅晶圆蚀刻技术，加工精度极高，应用于各类机械元件的小型化，并服务于芯片原子钟加工制造。其中，一个关键微型量子元器件就包括mems原子气室。mems原子气室在保证性能的情况下，厚度仅数毫米或一毫米以内，总体积远小于传统原子气室，是原子钟小型化的关键部件之一。同时，近年来，基于微谐振腔的新型光梳(下称微腔光梳)、分布式布拉格反射(dbr)窄线宽激光器、薄膜光电探测器等微型光学元器件迅速发展起来，促进了芯片光学系统整合度的提高。基于mems原子气室、主动光钟技术，配合微型光学元器件，可以实现小体积、低功耗的芯片级主动光钟，但是目前还未有报道基于mems原子气室的芯片主动光钟。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于mems原子气室的芯片主动光钟及其实现方法，要求其技术方案简单可靠，且体积、功耗足够小。

2、本发明利用一个饱和吸收谱稳频的光源，泵浦mems原子气室中的原子，其产生的跃迁受激辐射激光直接作为光学频率标准输出，与微腔光梳拍频后实现芯片主动光钟，极大地减小了系统的体积，能够将光电器件纵向堆叠，并集成于芯片上，以适合紧凑、便携式设备的应用场景。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于mems原子气室的芯片主动光钟，根据目标波长确定增益介质及目标跃迁能级，用于目标跃迁能级粒子布居数反转后产生自发辐射时产生所述目标波长的光信号；以铯原子作为增益介质为例，其包括：

4、dbr泵浦激光器1，用于产生455nm波长的窄线宽泵浦光，对应铯原子从6s1/2态到7p3/2态的跃迁，将增益介质的目标跃迁能级中低能级上的粒子泵浦到高能级，实现粒子布居数反转。

5、激光控制器2，用于控制dbr泵浦激光源1的温度、电流，从而控制dbr泵浦激光源1的输出频率，并能够对输出频率进行扫描；同时，用于接收饱和吸收谱电信号，计算dbr泵浦激光器1的频率误差，从而实时地调整dbr泵浦激光器1的输出频率以进行修正，将输出频率锁定在铯原子从6s1/2态到7p3/2态跃迁频率对应的455nm波长上；

6、半波片3和偏振分光棱镜4，对于来自dbr泵浦激光器1的455nm泵浦光，通过调节半波片3，可以控制泵浦光透过偏振分光棱镜4的功率，经偏振分光棱镜4透射出的泵浦光入射到第一mems原子气室6。

7、第一薄膜光电探测器5，用于将饱和吸收谱光信号转换为电信号，传输至激光控制器2。

8、第一mems原子气室6，在激光透过的两个表面上，开有两个窗口，以铯原子为例，窗口上镀有对455nm泵浦光增透的介质膜，通过激光与原子的相互作用，能够产生饱和吸收谱光信号，作为稳频的参考。

9、部分反射镜7，用于将透过第一mems原子气室6的光部分反射回去，反射光作为饱和吸收谱探测光，反向透过第一mems原子气室6，形成饱和吸收谱光信号，并通过偏振分光棱镜4反射至第一薄膜光电探测器5上。

10、第二mems原子气室8和谐振腔镜9，第二mems原子气室8在激光透过的两个表面上，开有两个窗口，以铯原子为例，远离谐振腔镜9的一侧窗口(下称前窗口)以及谐振腔镜9上，均镀有对455nm波长泵浦光高透、对目标波长(以铯原子为例，目标波长为1470nm)具有一定反射率的介质膜，使第二mems原子气室8前窗口与谐振腔镜9形成谐振腔。第二mems原子气室8内充有适当的纯铯原子作为增益介质，透过部分反射镜7的泵浦光从前窗口进入谐振腔，铯原子在455nm泵浦光的泵浦下，发生从6s1/2态到7p3/2态的能级跃迁，再通过自发辐射掉落到下能级，从而建立起铯原子7s1/2态与6p3/2态之间的布居数反转，由于自发辐射，在谐振腔内产生1470nm荧光信号。所述谐振腔将泵浦增益介质铯原子后产生的目标波长1470nm荧光信号不断放大，直到形成目标波长为1470nm波长的受激辐射信号光，该受激辐射信号即作为本主动光钟的光学频率标准信号(下称光频标信号)，透过谐振腔镜9输出。

11、微腔光梳10，用于产生一系列相等频率间隔的梳齿光信号。

12、偏振分光棱镜11，用于将谐振腔镜9输出的1470nm波长的光频标信号和微腔光梳10产生的梳齿光信号进行合束，产生拍频光信号，从而将光频进行下转换。

13、第二薄膜光电探测器12，用于接收拍频光信号，并将其转换为电信号。

14、数字频率计数器13，用于接收来自第二薄膜光电探测器12的拍频电信号进行测量，并经过处理后输出时钟信号，实现芯片主动光钟。

15、其中，所述谐振腔镜9可以是平凹透镜或平面透镜，并且谐振腔的参数经过计算，令其腔模线宽远大于第二mems原子气室8中铯原子的增益线宽，即令光钟工作在坏腔区域。

16、其中，所述芯片主动光钟还包括所述第二mems原子气室8的靠近谐振腔镜9的一侧窗口(后窗口)镀有对455nm波长的泵浦光和1470nm波长的光频标信号均高透的介质膜。

17、其中，所述芯片主动光钟还包括所述第一mems原子气室6和第二mems原子气室8的外部设置磁屏蔽模块以及加热、保温和控温的模块，能将原子气室加热到200℃，且控温精度达到0.001℃，从而隔绝外界磁场和温度波动对铯原子跃迁频率的影响。

18、此外，本发明还提供一种基于mems原子气室的芯片主动光钟的实现方法，具体包括如下步骤：

19、步骤s1：所述dbr泵浦激光器1通过所述激光控制器2对其电流和温度进行调节，从而将dbr泵浦激光器1的频率调节至与铯原子6s1/2态到7p3/2态跃迁频率对应，并对其进行扫频；

20、步骤s2：所述dbr泵浦激光器1的频率调节至与铯原子6s1/2态到7p3/2态跃迁频率共振后，调节半波片3，使透过偏振分光棱镜4的455nm泵浦光的功率适当；

21、步骤s3：通过温控装置分别控制所述第一mems原子气室6和第二mems原子气室8的温度，使其分别处于90摄氏度到200摄氏度之间的工作温度点，从而满足激光振荡所需的原子数条件；

22、步骤s4：所述偏振分光棱镜4的透射光，透过所述第一mems原子气室6，在所述部分反射镜7上部分反射；

23、步骤s5：在所述部分反射镜7上的反射光作为饱和吸收谱探测光，反向透过所述第一mems原子气室6，产生饱和吸收谱光信号；

24、步骤s6：所述饱和吸收谱光信号在所述偏振分光棱镜4上反射，进入所述第一薄膜光电探测器5，转换为电信号，反馈给所述激光控制器2，用于将所述dbr泵浦激光器1的455nm泵浦光的频率锁定在铯原子6s1/2态到7p3/2态跃迁频率上，实现饱和吸收谱稳频；

25、步骤s7：经饱和吸收谱稳频后的455nm泵浦光透过所述第二mems原子气室8的窗口，进入谐振腔；

26、步骤s8：在所述第二mems原子气室8内，所述455nm泵浦光将铯原子从6s1/2态泵浦到7p3/2态，7p3/2态的铯原子经过自发辐射，最终建立起铯原子7s1/2态与6p3/2态之间的布居数反转；

27、步骤s9：在所述第二mems原子气室8的增益作用下，并在所述第二mems原子气室8前窗口及谐振腔镜9所组成谐振腔的增强作用下，同时，在所述455nm泵浦光功率达到合适值时，对于1470nm荧光信号的增益大于损耗，实现1470nm受激辐射信号光，作为光频标信号；

28、步骤s10：通过所述谐振腔镜9输出1470nm光频标信号；

29、步骤s11：所述光频标信号在所述偏振分光棱镜11中，与所述微腔光梳10产生的梳齿光信号进行合束，生成拍频光信号；

30、步骤s12：所述拍频光信号进入所述第二薄膜光电探测器12，转换为拍频电信号，输入数字频率计数器13中，经过一系列数字运算后，输出时间信号，实现芯片主动光钟。

31、其中，所述方法还包括：所述dbr泵浦激光器1的中心波长可以更换为459nm，并通过饱和吸收谱锁定在铯原子从6s1/2态到7p1/2态的跃迁频率上，从而将所述第二mems原子气室8中的铯原子从6s1/2态泵浦到7p1/2态，同样可以输出中心波长为1470nm的光频标信号，实现芯片主动光钟的步骤。

32、其中，所述方法还包括：所述dbr泵浦激光器1的中心波长可以更换为421nm，所述第一mems原子气室6和第二mems原子气室8中的原子类型可以改为铷原子，并通过饱和吸收谱将dbr泵浦激光器1锁定在铷原子从5s1/2态到6p1/2态的跃迁频率上，从而将所述第二mems原子气室8中的铷原子从5s1/2态泵浦到6p1/2态，输出中心波长为1367nm的光频标信号，实现芯片主动光钟的步骤。

33、与现有技术相比，本发明的积极效果为：

34、本发明将mems原子气室中铯原子作为增益介质(也可选用铷或钾原子等碱金属原子)，通过455nm泵浦光，将铯原子从6s1/2态泵浦到7p3/2态，经过自发辐射，在铯原子7s1/2态与6p3/2态之间建立布居数反转，通过谐振腔的腔反馈，使对应铯原子7s1/2态与6p3/2态跃迁的自发辐射不断放大，达到激光阈值后输出1470nm受激辐射信号光，输出激光直接作为光频标信号使用。由于主动光钟工作在坏腔区域，其增益线宽远小于腔模线宽，能大大抑制腔牵引效应对短期频率稳定度的影响，与传统被动光钟相比，无需复杂的高精度伺服电路来稳定谐振腔腔长，减小了系统的体积与功耗。同时，以mems原子气室作为核心部件，并将传统光电元器件替换为微型元器件，各个光电元器件以堆叠方式组装并集成于硅基芯片上，结合芯片微腔光梳进行频率下转换，实现窄线宽、高稳定度的芯片主动光钟，并且与现有的芯片微波原子钟相比，稳定度指标更高。本发明具有重要的应用价值，能够为可移动设备提供长时间、高精度授时的频率参考。