基于AOM的CPT原子鐘差分降噪實(shí)驗研究

姜 毅，劉瑞元，趙建業(yè)

（北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子系，北京 100871）

1 引言

原子鐘可以提供精確的頻率標(biāo)準(zhǔn)，高性能的星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星上的重要設(shè)備[1]。衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，對于原子鐘的體積和功耗提出了更高的要求。基于 CPT 原理[2]的原子鐘是一種成功的小體積、低功耗原子鐘生產(chǎn)方案，美國的Symmertricom 公司已經(jīng)推出了基于 CPT 原理的商業(yè)化原子鐘。使用 CPT 原理的原子鐘與傳統(tǒng)銣原子鐘相比，由于不需要微波腔，體積可以做到很小。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)銣原子鐘的功耗主要消耗在銣燈的加熱上，由于 CPT原子鐘使用體積很小的激光器作為光源，所以消耗的功耗很低[3]。CPT 原子鐘在下一代衛(wèi)星通信、定位導(dǎo)航領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

CPT原子鐘中，物理光路部分的噪聲會對原子鐘穩(wěn)定度產(chǎn)生明顯的影響。本文分析了物理光路部分的噪聲來源，提出了一種差分降噪的方案，并進(jìn)行了具體的實(shí)驗驗證，為CPT原子鐘的改進(jìn)提供了參考。

2 CPT原子鐘的原理及其基本結(jié)構(gòu)

CPT原子鐘的基本結(jié)構(gòu)由物理光路和伺服電路兩部分組成，如圖1所示。

圖1 CPT原子鐘的結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，其物理光路中選用87Rb原子的D1線躍遷來產(chǎn)生CPT現(xiàn)象，同時選用中心波長為795nm的垂直腔面發(fā)光激光器（VCSEL）作為光源[4]。795nm 是87Rb原子的D1線躍遷光對應(yīng)的波長，在該頻率的激光上疊加3.417GHz的射頻信號，可以產(chǎn)生激發(fā)CPT現(xiàn)象所需要的雙色相干激光。由于只有圓偏振光才能激發(fā)產(chǎn)生我們所需的CPT信號[5]，所以需要在激光光路上添加一個λ/4波片濾波。當(dāng)激光通過銣原子氣室后，用一個光電探測器PD來監(jiān)測光強(qiáng)變化。激光在原子氣室內(nèi)發(fā)生共振吸收和激發(fā)CPT現(xiàn)象都會體現(xiàn)在PD探測到的光強(qiáng)變化上。其余部分為CPT原子鐘的伺服系統(tǒng)，它一方面需要控制溫度，驅(qū)動VCSEL工作，以滿足產(chǎn)生CPT的條件；另一方面，需要根據(jù)PD探測到的信號變化為物理光路提供反饋，以完成激光波長和CPT信號的鎖定，最終提供穩(wěn)定的10MHz信號輸出。

3 CPT原子鐘噪聲分析

影響CPT原子鐘長期（＞10000s）穩(wěn)定度的因素有緩沖氣體、溫度、磁場、光強(qiáng)、微波功率等[6]，已經(jīng)有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)于提高原子鐘長期穩(wěn)定度的研究。而CPT原子鐘的短期（100s～1000s）穩(wěn)定度主要受白噪聲和光強(qiáng)噪聲（包括散粒噪聲、熱噪聲和轉(zhuǎn)換噪聲）的影響。其中，散粒噪聲和熱噪聲主要是由探測裝置內(nèi)的電子振動引起的，兩者都取決于PD光電探測器的性能而不受光學(xué)頻率改變的影響[7]。在CPT原子鐘中，由散粒噪聲決定的穩(wěn)定度極限可以表示為[8]：

式中，e表示電子電量；Q1是品質(zhì)因子，表示兩個基態(tài)超精細(xì)能級之間的能級差對應(yīng)的頻率與CPT線寬的比值，；Ibg是背景光強(qiáng)；α是CPT信號的對比度。在我們的CPT原子鐘中，選用PD光檢測器的，線寬 Δυ1/2=500Hz，對比度α=5‰。由此計算，其散粒噪聲和白噪聲影響CPT穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)為：

由激光器的頻率和幅度波動經(jīng)介質(zhì)轉(zhuǎn)換會引發(fā)轉(zhuǎn)換噪聲，它造成的CPT原子鐘的穩(wěn)定度極限可以表示為[9]：

式中，k1是激光光強(qiáng)變化引起的頻率不穩(wěn)定度系數(shù)；k2是激光頻率變化引起的頻率不穩(wěn)定度系數(shù)；δI表示激光光強(qiáng)變化量的相對百分比；δf表示激光頻率的變化量，單位為MHz。在我們的CPT原子鐘中，k1=7.5×10-12/1%，k2=1.37×10-12/MHz。其中激光器的幅度噪聲可以控制在1%以內(nèi)，而VCSEL的線寬約為50MHz，因此激光器引起的頻率不穩(wěn)定度約為7.6×10-11τ-1/2。

從上面的分析推導(dǎo)中可以看出，激光器本身波動所帶來的噪聲是影響CPT原子鐘穩(wěn)定度的重要因素。通常，在空氣介質(zhì)中，激光器的頻率噪聲（或相位噪聲）變化對光強(qiáng)檢測的影響可以忽略，但是，當(dāng)激光輻射傳播通過一種原子共振媒介后，其頻率噪聲會引起偏振模式的波動，從而引起透射光強(qiáng)度的波動，稱為FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲[10]。顯然轉(zhuǎn)換噪聲的大小取決于激光器和原子氣室的性能。當(dāng)前的CPT原子鐘通常使用VCSEL（垂直腔面發(fā)光激光器）作為光源。由于VCSEL激光器的譜線較寬，約為50MHz，同時其電調(diào)率、溫調(diào)率都比較高（0.42nm/mA 和0.055nm/K），因此，F(xiàn)M-AM轉(zhuǎn)換噪聲成為影響激光器噪聲的主要因素。為此，如何壓縮、降低檢測信號中的FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲影響是提高CPT原子鐘短期穩(wěn)定度的有效手段[11]。

4 實(shí)驗方案設(shè)計

圖2 差分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了優(yōu)化CPT原子鐘的性能，需要降低檢測信號中的FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲，基于此本文提出一種差分檢測方案。如圖2所示，一束來自VCSEL的激光經(jīng)過準(zhǔn)直，穿過偏振器和衰減器，被AOM（acousto-optic modulator）分成兩束。通過調(diào)節(jié)AOM可以得到兩束強(qiáng)度相同的激光，這兩束激光的幅度波動和頻率波動相同。然后，讓一束線偏振光通過一個半波片和四分之一波片轉(zhuǎn)換為圓偏光，另一束線偏振光自由傳播。原子氣室中的一部分原子與圓偏振光相互作用，而另一部分原子與線偏振光相互作用。兩束光都會發(fā)生共振吸收，而只有圓偏光經(jīng)過的那一路能激發(fā)CPT，由于CPT峰的幅度比吸收峰的幅度小兩到三個數(shù)量級，所以原子對兩束光的吸收幾乎一樣，兩束光經(jīng)過原子氣室后的FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲幅度基本相同。利用兩個PD（光電探測器）檢測兩束出射光的光強(qiáng)，通過做差就可以得到去除激光器FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲的CPT信號。

5 測試結(jié)果分析

5.1 噪聲幅度測試

VCSEL由于其小尺寸、單縱模、低功耗、低閾值電流等優(yōu)點(diǎn)，在原子鐘中的應(yīng)用最廣泛。然而，相對于傳統(tǒng)的邊發(fā)光激光器，VCSEL具有偏振模式不穩(wěn)定，激光線寬較寬，激光波長和功率波動較大等缺點(diǎn)。當(dāng)激光通過原子氣室后，其FM-AM噪聲就會成為激光器噪聲中的主要成分，影響CPT原子鐘的穩(wěn)定度。如圖3所示，分別測量VCSEL波長處于吸收峰外和處于吸收峰內(nèi)時，激光束通過原子氣室后的噪聲幅度。從圖3中可以看出，VCSEL 波長處于吸收峰內(nèi)時，激光器噪聲幅度明顯變大。當(dāng)VCSEL波長處于吸收峰外時噪聲的均方根值為1mV；當(dāng)VCSEL波長處于吸收峰內(nèi)時，噪聲的均方根值為6mV。當(dāng)VCSEL波長處于吸收峰內(nèi)時，在原子氣室中會發(fā)生共振吸收，此時激光器的頻率噪聲會轉(zhuǎn)換為幅度噪聲，直接造成激光器噪聲幅度的增加，下面的實(shí)驗結(jié)果充分證明了這一點(diǎn)。除此之外，我們還測量了電路開路狀態(tài)下，差分前后激光器噪聲的幅度。從圖4中可以看出，差分后激光器噪聲幅度相對差分前有了明顯的改善。左圖為差分前，噪聲的均方根值為13.1mV；右圖為差分后，噪聲的均方根值為6.1mV。

5.2 短期穩(wěn)定度測試

圖3 VCSEL波長分別處于

通過差分消除噪聲，噪聲幅度的降低會直接表現(xiàn)在短期頻率穩(wěn)定度的改善上。利用3120A測量原子鐘鎖定后的10MHz頻率，并將其記錄在計算機(jī)中。如圖5所示，利用得到的測量數(shù)據(jù)可以計算出頻率信號的阿倫方差。一組數(shù)據(jù)來自于應(yīng)用差分方案的原子鐘鎖定結(jié)果，另一組來自于關(guān)閉線偏振后的單PD鎖定結(jié)果，可以看出應(yīng)用差分方案后原子鐘短期穩(wěn)定度有了顯著的改善，差分方案中的百秒穩(wěn)定度提高了1.4倍。

圖4 （a）單PD激光器噪聲（b）差分后激光器噪聲

圖5 單PD探測獲得的短期穩(wěn)定度（square）和雙PD差分探測獲得的短期穩(wěn)定度（round）

6 結(jié)束語

本文介紹了一種消除激光噪聲的新方案。將AOM應(yīng)用于光路檢測系統(tǒng)中，通過對圓偏振光和線偏振光測量信號的進(jìn)行差分改正處理，達(dá)到降低激光FM-AM轉(zhuǎn)換噪聲的目的?；贏OM的光路很容易實(shí)現(xiàn)光開關(guān)，便于在傳統(tǒng)CPT和差分方案之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，便于進(jìn)行對照實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明，經(jīng)過兩束激光的差分，F(xiàn)M-AM轉(zhuǎn)換噪聲明顯減少，百秒～千秒上GPT輸出頻率的短期穩(wěn)定度也有明顯改善。在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，下一步還可以考慮僅采用單PD完成激光光強(qiáng)的探測，利用時分復(fù)用的方式完成圓偏光和線偏光之間的差分改正轉(zhuǎn)換，這樣可以減少因采用兩個PD參數(shù)不同而帶來的誤差。