894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率>0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.

基于相干极化调制的小型化CPT原子钟进展

基于相干布局囚禁(Coherent Population Trapping)的被动型气泡原子钟,因其优良的短稳2E-13@1s和中期稳定度2.5E-15@10^4s,而成为高性能原子钟的有力竞争者。本文基于一种新构型来探索实现高性能小型化CPT原子钟。我们通过3.4GHz微波直接调制分布式布拉格反射(DBR)激光器产生相干双色光,同时在微波和激光光束上分别施加同步的相位调制和偏振调制,实现相干极化调制,获得了较高对比度(14.7%)和较窄线宽(416Hz)的CPT共振信号。该方案采用直接调制技术使原子钟系统体积、复杂性和环境敏感性都得到减小,这使得高性能CPT原子钟的小型化成为可能。

芯片原子钟——CPT钟研究进展

介绍了基于激光与原子相干布局囚禁(CPT)理论的芯片原子钟(CSAC)钟。该原子钟代表了小型化原子钟未来发展方向,近年来在设计技术、制造工艺以及物理机制方面都取得了较大进展,并实现了芯片级的CPT钟原理样机。预计,在未来3～5年将会有芯片原子钟产品面世。

一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟^(87)Rb蒸汽腔(英文)

碱金属蒸汽腔是芯片原子钟(CSACs)中重要的核心部件之一,其微型化制造具有重要的实用价值,同时也非常具有挑战性。采用MEMS技术批量化制作了具有双腔结构的芯片原子钟87Rb蒸汽腔阵列。在阳极键合过程中,通过原位化学反应产生纯净的87Rb元素蒸汽,缓冲气体(N2)采用反充的方法充入到87Rb蒸汽腔内以保证缓冲气体的压强可以精确的控制。所设计的双腔结构可以防止原位化学反应中产生的杂质阻挡光路,从而能够提高探测到的光信号的强度。通过原子钟桌面系统测试,得到了87Rb元素D1线的光学吸收谱和用于芯片原子钟锁频的误差信号,在90℃时,87Rb元素D1线纠偏信号的线宽(波峰与波谷间距)可达到0.53 kHz。测试结果表明,双腔结构的87Rb蒸汽腔满足芯片原子钟或其他芯片级原子器件的设计要求。

CPT铷原子钟微波信号源设计

CPT原子钟由于其体积小、重量轻、功耗低等优点,广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。设计基于数字锁相倍频技术,采用锁相环芯片ADF4350,根据CPT铷原子钟的需求实现了一种中心频率为3 417 MHz的微波信号源。经测试,信号源电路尺寸为30 mm×30 mm,功耗小于150 m W,输出微波功率范围为(-20^-5)d Bm,输出信号相位噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,可用于CPT铷原子钟。

基于^(85)Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 m W,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。

CPT铯原子钟微波信号源设计与分析

CPT原子钟由于其体积小、功耗低等优点广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。本文采用数字锁相倍频的方法,根据CPT铯原子钟对微波信号的需求设计了一种中心频率为4 596MHz的信号源,并对其输出信号的相位噪声进行了分析。经测试,信号源电路尺寸为30mm×50mm,功耗小于200mW,输出微波功率范围为(-20^-5)dBm,输出信号噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,调制信号频率为500Hz,可用于CPT铯原子钟。

一种应用于CPT原子钟的低相噪微波频率合成器

在微波原子钟里,微波用于激励原子的钟跃迁以获得鉴频信号,微波的相位噪声是限制微波原子钟短期频率稳定度的主要因素之一。在本工作中,实现了一种用于相干布居囚禁(CPT)原子钟的低噪声、结构简单的微波频率合成器,以满足高性能CPT原子钟需要。合成器主要由100 MHz恒温晶体振荡器(OCXO)、声表面滤波器、带锁相的介质振荡器(PDRO)和直接数字合成器(DDS)组成。经测量,对于1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz频率偏移处,其输出的3.417 GHz信号的绝对相位噪声分别为-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz。在1 s平均时间处,预期的交调效应对原子钟短期频率稳定的限制仅为5.8×10^(14)。该设计不仅为小型化高性能CPT原子钟提供一种结构简单的微波合成器,还可应用于POP、冷原子CPT等微波原子钟。

一种用于铷原子钟的低相位噪声压控振荡器

基于相干布局囚禁(CPT)现象研制的原子钟与传统原子钟相比,能够提供更高的时间精度,且有利于原子钟向微型化、低功耗方向发展。在不同种类的CPT原子钟中,铷原子钟应用最为广泛,而其性能的优劣很大一部分取决于自身内部的用于提供微波信号源的压控振荡器(VCO)。基于此,利用高品质因数的同轴谐振器和Clapp振荡电路,首先根据负阻分析法使电路快速起振,并结合虚拟地技术对电路参数进行优化,完成了一个小体积、低相位噪声的3.035 GHz压控振荡器的设计。其相位噪声为-60.49 d Bc/Hz@300 Hz、-73.08 d Bc/Hz@1 k Hz和-97.48 d Bc/Hz@10 k Hz,压控调节灵敏度为12 MHz/V,输出信号的功率为-1.13 d Bm,满足铷原子钟的应用需求。

相干布局数囚禁冷原子钟

编号：0506258 该发明专利公开了一种相干布局数囚禁冷原子钟。

国外CPT CSAC技术发展现状

概述了芯片级原子钟(CSAC)的特点和应用优势。介绍了美国和欧洲等发达国家启动的相干布局囚禁(CPT)CSAC系列研究项目。阐述了国外主要研究机构所取得的重大研究进展,如美国NIST机构和Symmetricom公司研制的CSAC样机和产品所达到的性能指标,并从物理系统、振荡器及频率合成器几个方面重点阐述国外的研究现状,其中重点阐述了物理系统部分的蒸气腔和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的制作工艺、可实现的尺寸及密封性能等。列举了CSAC在卫星导航领域、用于时间保持和导航的水下系统以及个人手表系统中的应用现状。总结了CSAC在研制和应用中存在的问题,并提出了解决思路和发展方向。

CPT clock with improved performance

A research team led by Prof. GU Sihong with the CAS Wuhan Institute of Physics and Mathematics (WIPM) has made important progress in developing a CPT clock with better performance. The feat has made it comparable with the similar devices on the international market in terms of such major indicators as stability and power consumption.

芯片原子钟的工作原理及其研究进展

作为导航设备的重要部件,芯片原子钟可作为战术导弹、卫星接收机、小型无人机等所用导航设备的时钟源,也可与陀螺仪和加速度计组合实现微型定位、导航与授时。介绍了相干布局囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)现象,以及芯片原子钟的发展历程,阐述了CPT实现方案的缺点(产生极化暗态、降低原子利用率),并给出了优化方案。此外,分析了微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)加工工艺等用于芯片原子钟制造的关键技术,并对芯片原子钟的发展趋势进行了展望。