應(yīng)用于相干布居囚禁原子鐘的低相位噪聲微波頻率綜合器

姚明昊， 段俊毅， 王學(xué)影， 韓琪娜， 施 楊，周琨荔， 茹 寧， 劉小赤， 屈繼峰

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 前沿計(jì)量科學(xué)研究中心,北京 102200)

1 引 言

針對(duì)進(jìn)一步提升CPT原子鐘的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種研究方案。在短期頻率穩(wěn)定度方面，包括采用新型光抽運(yùn)構(gòu)型、優(yōu)化探測(cè)噪聲等手段，目前高性能的CPT原子鐘短期頻率穩(wěn)定度已進(jìn)入10-13量級(jí)[10～14]。同時(shí)，針對(duì)中長(zhǎng)期性能，采用更緊湊的物理系統(tǒng)和更穩(wěn)定的溫度控制、或者利用激光冷卻原子[15,16]替代熱原子氣室，都可以進(jìn)一步優(yōu)化CPT原子鐘的中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。

微波原子鐘的頻率穩(wěn)定度由以下幾個(gè)因素限制：散彈噪聲極限，依賴于原子躍遷信號(hào)信噪比；交互調(diào)制噪聲極限，依賴于微波鏈噪聲；物理環(huán)境效應(yīng)引入的漂移，光、微波功率、溫度漂移等。

包括CPT原子鐘在內(nèi)的微波原子鐘采用的本地振蕩器為一個(gè)微波源/微波綜合器。對(duì)于CPT原子鐘來(lái)說(shuō)，盡管微波場(chǎng)并沒(méi)有和原子直接作用，但源自微波綜合器的相位噪聲仍是限制其短期、中長(zhǎng)期穩(wěn)定度的重要因素之一。

微波源系統(tǒng)的核心器件為晶體振蕩器，種類包括普通晶振(PXO)、恒溫晶振(OCXO)、溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)、壓控晶振(VCXO)、藍(lán)寶石晶振等，晶振的快速發(fā)展為原子鐘的指標(biāo)提升打下了基礎(chǔ)。其中，壓控晶振短期頻率穩(wěn)定度可達(dá)5×10-6，溫度補(bǔ)償晶振短期頻率穩(wěn)定度可達(dá)5×10-8，恒溫晶振短期頻率穩(wěn)定度可達(dá)3×10-13，藍(lán)寶石晶振短期頻率穩(wěn)定度[17～19]可達(dá)10-15，但由于低溫藍(lán)寶石晶振需要低溫環(huán)境，系統(tǒng)較為復(fù)雜和對(duì)環(huán)境要求苛刻，不適于小型化和量產(chǎn)，通常會(huì)選擇使用恒溫晶振作為微波源的本振。

目前，針對(duì)微波原子鐘的小型化微波源研究，其合成微波的路線思路為將10 MHz或100 MHz微波信號(hào)使用不同倍頻手段倍頻至目標(biāo)頻率附近，同時(shí)使用本振產(chǎn)生一個(gè)小信號(hào)進(jìn)行混頻得到目標(biāo)頻率。將本振進(jìn)行多次倍頻的方式有NLTL(非線性傳輸線)、PLL(鎖相環(huán))、DRO(介質(zhì)振蕩器)等[20～25]。

微波信號(hào)的相位噪聲由于Dick效應(yīng)[23～25]限制了CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度。原子鐘頻率穩(wěn)定度限制和微波綜合器的相位噪聲關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：C表示不同調(diào)制頻率下的系數(shù)；Sφ(2nfm)表示本振信號(hào)在2nfm處的功率譜密度。當(dāng)微波源作用在連續(xù)微波場(chǎng)的原子鐘上時(shí)，fm為原子鐘鎖定的調(diào)制頻率，一般為100 Hz，故需要關(guān)注的微波綜合器相位噪聲的偏置頻率為200 Hz;當(dāng)微波源作用于脈沖式的微波源時(shí)，fm為一個(gè)原子鐘反饋周期。

根據(jù)表4各區(qū)縣的風(fēng)險(xiǎn)值及表5的雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)值R評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可得到長(zhǎng)沙地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果，如表6所示，結(jié)果表明長(zhǎng)沙縣、寧鄉(xiāng)縣為雷擊災(zāi)害極高易損區(qū)，望城區(qū)為高易損區(qū)，天心區(qū)、岳麓區(qū)、瀏陽(yáng)市為中易損區(qū)，芙蓉區(qū)、開(kāi)福區(qū)、雨花區(qū)為低易損區(qū)。

在本研究中設(shè)計(jì)并構(gòu)建了小型化超低相位噪聲微波綜合器系統(tǒng)，根據(jù)相位噪聲測(cè)量結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算，可以完全滿足高性能CPT原子鐘的性能要求。

2 微波綜合器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CPT的原理是相干光場(chǎng)提供一個(gè)原子由基態(tài)1能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)3能級(jí)的光，另一束光可提供原子由基態(tài)2能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)3能級(jí)的光。當(dāng)基態(tài)1能級(jí)和基態(tài)2能級(jí)上的原子同時(shí)受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)3能級(jí)的光時(shí)，原子將被囚禁在暗態(tài)，CPT透射信號(hào)即可被捕捉到。對(duì)銣87原子來(lái)說(shuō)，基態(tài)1、2能級(jí)之間的頻率差為6.834 GHz，原子躍遷如圖1所示，故需要一個(gè)能輸出6.834 GHz微波信號(hào)的微波源用來(lái)調(diào)制激光光源，實(shí)現(xiàn)相干雙色光場(chǎng)的輸出。

圖1 CPT原理圖Fig.1 CPT scheme

在本設(shè)計(jì)中，將鎖相介質(zhì)諧振振蕩器(PDRO)和直接數(shù)字合成(DDS)相結(jié)合，生成了高純度、低相噪的微波信號(hào)譜。相較于文獻(xiàn)[26],本設(shè)計(jì)在頻率合成過(guò)程中采用了更少的器件。微波合成器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微波頻率綜合器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of microwave synthesizer

整體系統(tǒng)采用輸出信號(hào)頻率為100 MHz的恒溫晶振(ZF550)最終生成6.834 GHz的微波信號(hào)。恒溫晶振的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器(STMFP4-1-120)分為兩路，一路輸入DDS(AD9912)作為參考，DDS產(chǎn)生66 MHz微波信號(hào);另一路經(jīng)過(guò)衰減器后進(jìn)入PDRO(PDRO-006F-100-6900-13G)，此時(shí)信號(hào)功率為8 dBm。PDRO經(jīng)過(guò)鎖頻鑒相倍頻至6.9 GHz，與DDS產(chǎn)生的66 MHz信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生6.834 GHz的信號(hào)，經(jīng)過(guò)腔體帶通濾波器后經(jīng)過(guò)放大器，最終得到干凈的6.834 GHz信號(hào)，由于DDS產(chǎn)生的66 MHz信號(hào)功率可調(diào)節(jié)，故此時(shí)信號(hào)功率為-16～-6 dBm。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中使用EOM對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制故，要求微波信號(hào)的功率需達(dá)到20 dBm以上，故在最終信號(hào)輸出前加入功率放大器將微波信號(hào)放大35 dBm，此時(shí)信號(hào)功率可達(dá)25 dBm。

在元器件放置底板有設(shè)置控溫功能，具體實(shí)施方式為使用TEC制冷片將元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到機(jī)箱外，采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采集到的溫度轉(zhuǎn)換為電壓經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行PID計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為D/A的輸出值，控制TEC制冷片的輸出功率，達(dá)到使機(jī)箱保持恒溫狀態(tài)。

在晶振的選擇上，嘗試了2種不同晶振，型號(hào)為ZF550-5和OCXO-100-L，其相位噪聲如圖3所示。1～300 Hz范圍內(nèi)，ZF550-5性能表現(xiàn)更好，在1000 Hz時(shí)，兩種晶振的相位噪聲相差僅有 2 dBc/Hz。1 kHz之后兩種晶振的相位噪聲均可達(dá)到-160 dBc/Hz以下，其差距大概為10 dBc/Hz。原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度水平由LO限制，調(diào)制頻率一般在100 Hz以內(nèi)，kHz量級(jí)之后的相位噪聲對(duì)原子鐘性能不構(gòu)成影響，并不會(huì)影響微波源最后輸出信號(hào)的相位噪聲，故在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用頻偏在200 Hz以內(nèi)相噪表現(xiàn)更好的ZF550-5作為本振。

圖3 兩種晶振相位噪聲對(duì)比圖Fig.3 Phase noises of two different quartz oscillators

DDS芯片選用ADI公司AD9912[27]，該芯片內(nèi)部主要組成部分為DDS核、14 bit的DAC，基于鎖相原理的時(shí)鐘倍頻電路、調(diào)制參數(shù)寄存器、串行/并行寄存器、時(shí)序控制單元和產(chǎn)生器。其中，鎖相倍頻電路最多可以為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘提供66倍頻，DDS輸出頻率最高達(dá)400 MHz，輸出頻率步進(jìn)不小于 4 μHz，低功耗，工作電壓為1.8 V、I/O電荷泵電壓為3.3 V，工作溫度范圍在-40 ℃至+85 ℃?？梢允褂梅抡孳浖浜蠑?shù)據(jù)板卡或單片機(jī)使用SPI通信協(xié)議進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的編輯，完全滿足產(chǎn)生66 MHz微波信號(hào)及后續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的FM、PM需要。

DDS的參考頻率可以使用不同頻率做參考，對(duì)比了兩種生成66 MHz微波信號(hào)的方案。內(nèi)部倍頻路線是指由晶振產(chǎn)生的100 MHz信號(hào)直接輸入DDS芯片作為頻率基準(zhǔn)，DDS芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字倍頻后生成1 GHz的基準(zhǔn)頻率然后生成目標(biāo)頻率 66 MHz。外部倍頻方案是指由晶振產(chǎn)生的100 MHz信號(hào)在進(jìn)入DDS芯片之前經(jīng)過(guò)頻率倍頻器倍頻至500 MHz，將此信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)輸入DDS芯片，然后產(chǎn)生66 MHz目標(biāo)頻率。兩種方案下產(chǎn)生的 66 MHz 信號(hào)的相位噪聲以及各自最終生成的6.834 GHz微波信號(hào)的相位噪聲如圖4所示：2種方式產(chǎn)生的66 MHz信號(hào)相位噪聲(黑色和紅色)，2種方式產(chǎn)生的6.834 GHz信號(hào)相位噪聲(藍(lán)色和綠色)，8257D產(chǎn)生的6.834 GHz信號(hào)的相位噪聲(紫色)，由晶振推算的6.834 GHz信號(hào)的理論相位噪聲(棕色)。

圖4 不同頻率信號(hào)的相位噪聲Fig.4 Phase noises of various signals

從圖4中可知，在1～100 Hz偏移范圍內(nèi)，兩種方式雖然在66 MHz微波信號(hào)相位噪聲上產(chǎn)生很大差異但并未影響最終輸出信號(hào)的相位噪聲，在2 kHz后幾乎無(wú)偏差。在200 Hz～100 kHz范圍內(nèi)的6.834 GHz的相位噪聲的差別是由DDS參考頻率的不同帶來(lái)的影響。兩種DDS合成微波信號(hào)方式在和商用儀器8257D(Keysight)進(jìn)行6.834 GHz相位噪聲進(jìn)行對(duì)比，在100～1 000 Hz范圍內(nèi)，兩種方式在350 Hz內(nèi)都比8257D的相位噪聲更低。在大于350 Hz的范圍，由于外部倍頻方式比內(nèi)部倍頻方式相位噪聲更好，所以最終的輸出信號(hào)上會(huì)有更多的內(nèi)部倍頻方式合成的66 MHz信號(hào)的相位噪聲影響。故若想要實(shí)現(xiàn)較大調(diào)制頻率的相位噪聲比較低，則需要使用外部倍頻產(chǎn)生DDS參考頻率的合成路線。無(wú)論哪種方式合成66 MHz信號(hào)均會(huì)在偏移200 Hz后逐漸與理論值偏離，這是由于PDRO和DDS的本底噪聲共同決定的。

由于實(shí)驗(yàn)中調(diào)制頻率為100 Hz，故在 200 Hz 處相位噪聲與理論值相近，假設(shè)希望得到原子鐘頻率穩(wěn)定度限制在10-13水平，由Dick效應(yīng)公式推算出理論上6.834 GHz信號(hào)在200 Hz處的相位噪聲至少要達(dá)到-106 dBc/Hz。故本設(shè)計(jì)選擇使用DDS內(nèi)部倍頻方案作為基準(zhǔn)生成66 MHz微波信號(hào)即符合設(shè)計(jì)需求，節(jié)省了合成路線、功耗及物理體積。

圖5展示的是DDS在不同輸出功率下的最終合成輸出的6.834 GHz信號(hào)的相位噪聲，由圖中數(shù)據(jù)可知，在所關(guān)注的200 Hz頻點(diǎn)上DDS輸出功率的變化并未影響最終輸出信號(hào)的相位噪聲，只是會(huì)相應(yīng)增大或減小最終6.834 GHz微波信號(hào)的輸出功率。在大于200 Hz頻偏時(shí)，DDS輸出功率大會(huì)有相位噪聲變差的情況出現(xiàn)但考慮到最后6.834 GHz信號(hào)需要放大至20 dBm以上，故選擇6.834 GHz輸出功率為-10.5 dBm，此時(shí)DDS輸出功率為0 dBm。

圖5 不同功率DDS信號(hào)下6.834 GHz信號(hào)的相位噪聲Fig.5 Phase noises of 6.834 GHz signal with different DDS signal powers

3 微波頻率綜合器性能測(cè)試

頻率綜合器的輸出頻譜如圖6所示。通過(guò)頻譜測(cè)量結(jié)果可得，頻率綜合器的輸出信號(hào)為6.834 GHz，滿足Rb原子CPT鐘的要求，輸出功率為25 dBm(圖示結(jié)果為信號(hào)用40 dB衰減器衰減后效果)，且無(wú)明顯雜散頻率。

圖6 輸出的6.834 GHz信號(hào)頻譜圖Fig.6 Spectrum of the output 6.834 GHz signal

圖7 頻率綜合器各節(jié)點(diǎn)的相位噪聲圖Fig.7 Phase noise of each key component output in the frequency synthesizer

圖7為低相位噪聲微波頻率綜合器的關(guān)鍵信號(hào)絕對(duì)相位噪聲性能，包括6.834 GHz信號(hào)的理論相位噪聲。頻率綜合器輸出6.834 GHz相位噪聲和PDRO輸出的偏移頻率相似，范圍為1 Hz～100 kHz。在200 Hz(時(shí)鐘調(diào)制頻率的二次諧波)處，微波信號(hào)的實(shí)測(cè)相位噪聲值與理論相位噪聲值相差3 dBc/Hz。然而，由于PDRO的本底相位噪聲限制，6.834 GHz 信號(hào)的實(shí)測(cè)相位噪聲在100 Hz量級(jí)開(kāi)始較理論值有所惡化。在1 kHz后DDS相位噪聲逐漸決定了輸出信號(hào)相位噪聲的惡化趨勢(shì)，造成了輸出信號(hào)比PDRO信號(hào)還要惡化5～8 dBc/Hz的現(xiàn)象。此外，鎖相環(huán)的鎖定帶寬約為300 kHz。因此，在300 kHz時(shí)的微波合成器的相位噪聲不能被完全抑制，也不能被DDS的相位噪聲所降低。根據(jù)式(1)，使用本微波源的CPT原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度理論值能達(dá)到8.2×10-14。當(dāng)需要微波源提供大功率微波輸出時(shí)僅需選擇合適放大倍數(shù)的功率放大器即可，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為配合EOM使用，故在系統(tǒng)中選用了放大倍數(shù)為35 dB的功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)與已知系統(tǒng)[28]相比，使用了更少的組件，達(dá)到了相似的性能。

如前文提到，本研究構(gòu)建的微波綜合器是作為高性能CPT原子鐘的本地振蕩器和雙色光場(chǎng)調(diào)制源。采用通過(guò)單色激光加電光調(diào)制器(EOM)的方案產(chǎn)生所需CPT雙色光場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 CPT信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Architecture of CPT resonance signal system

光源為通過(guò)飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)鎖定的780 nm半導(dǎo)體激光器，光場(chǎng)通過(guò)整形準(zhǔn)直后進(jìn)去光纖型EOM。EOM通過(guò)本文研制微波綜合器產(chǎn)生的 6.834 GHz 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。為驗(yàn)證產(chǎn)生的雙色光場(chǎng)是否符合CPT原子鐘要求，使用法珀腔對(duì)EOM產(chǎn)生的光場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。使用PBS以及λ/2波片分出一路光導(dǎo)入法珀腔，法珀腔的探測(cè)結(jié)果表明激光經(jīng)EOM調(diào)制后產(chǎn)生了雙色光場(chǎng),由法珀腔的工作原理可知0、+1邊帶相距6.834 GHz。改變微波信號(hào)的功率即可改變雙色光場(chǎng)的0、+1邊帶強(qiáng)度，當(dāng)0、+1邊帶的強(qiáng)度近乎相等時(shí)，理論上將取得最好的CPT效果。圖9為微波源輸出信號(hào)功率為20 dBm時(shí)，0、±1 級(jí)光邊帶信號(hào)幅度比值為1。該結(jié)果驗(yàn)證了研制的微波綜合器可以作為CPT雙色光場(chǎng)的調(diào)制源。

圖9 法珀腔探測(cè)光邊帶結(jié)果圖Fig.9 Optical signal sidebands detected with the Fabry-Pérot cavity

4 結(jié) 論

研制了一種可應(yīng)用于高性能CPT原子鐘的小型化超低相位噪聲頻率綜合器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的微波頻率綜合器產(chǎn)生的6.834 GHz微波信號(hào)在200 Hz偏置頻率下的絕對(duì)相位噪聲為-108 dBc/Hz。相較于文獻(xiàn)[29],使用了更少的元器件達(dá)到了相同kHz量級(jí)的相位噪聲表現(xiàn)。通過(guò)理論計(jì)算，可得出由微波源相位噪聲引起的頻率穩(wěn)定度限制可達(dá)8.2×10-14，滿足后續(xù)高性能CPT原子鐘研制的要求。未來(lái)將基于此相噪水平探索輸出功率穩(wěn)定的功能并應(yīng)用于CPT原子鐘。所提出的高性能頻率綜合器也可用于微波原子傳感器和標(biāo)準(zhǔn)，如原子磁強(qiáng)計(jì)、原子干涉儀和原子陀螺儀。