垂直耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟的制作方法

本发明属于光学领域和微纳系统领域，具体为基于CPT效应的垂直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。

技术实现要素：

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，本发明提出了垂直耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟方案。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种垂直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垂直耦合光栅耦合进入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和垂直耦合光栅输出，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。

本发明提出的垂直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。

如图2所示，纳米光波导双光路芯片级原子钟由VCSEL光源、纳米垂直耦合光栅、Y型纳米光波导、调制、偏振控制、MEMS气室、光电探测、多功能集成电路芯片组成。激光器出射的光束耦合进入Y波导分束器，其中一路经过相位调制单元产生相位差恒定的相干光，另外一束经由欧姆电极调节补偿以此与调制光路一致，两路光束然后经过垂直耦合光栅输出，经过偏振片、衰减片、波片，经过准直和聚焦之后进入铷原子气室，经过调制的光束会与原子相互作用产生CPT效应，未经调制的光则携带背景噪声信号，两束光经过探测单元转化为电信号后经过减法器可以消除背景噪声，达到提高频率稳定度的目的。图中示意出了电路部分，减法器将消除了共模噪声的钟信号输入集成电路芯片，集成电路芯片完成对激光器和相位调制单元进行调控。

双光路芯片级原子钟共模噪声抑制机理及双光路对钟信号稳定度影响机理如下：

针对研究内容和解决的关键问题，理论上，以原子的三能级系统为模型，考虑原子系统的实际光学长度，采用旋转波近似，应用Liouville-Bloch方程，得出描述系统演化的密度矩阵方程组。数值解更能清晰地反映物理规律，且有利于对实际问题进行具体分析，因此有必要对上述过程进行数值计算。同时精细研究双光路与铷原子的相互作用，具体分析两路激光各参量对钟信号的影响，进而定量获得激光各参量与CPT钟信号信噪比的关系，对双光路芯片级原子钟的共模噪声抑制特性进行理论验证，用于指导实验。

实际工作中，对单光路芯片原子钟稳定度理论公式进行修正，获得纳米光波导双光路原子钟的稳定度模型，同时对短期稳定度和中长期稳定度进行分析。针对项目指标要求，依据该稳定度模型，给出各个关键器件的性能指标要求，例如双光路模块的功率和频率起伏、原子气室的温度系数、C场的稳定度、控温模块的温度稳定度、射频场的功率稳定度、以及伺服电路的分辨率和控制电压的稳定度等，用于完善和指导各个关键器件的设计制作，保障最终原子钟稳定度的完成。

附图说明

图1表示纳米光波导双光路芯片级原子钟方案原理图。

图2表示双光路原子钟原理框图。

图3表示双光路原子钟的物理部分（单气室）示意图。

图4表示双光路原子钟的物理部分（双气室）示意图。

图中：1-支撑结构，2-探测单元，3-加热单元，4-磁场线圈，5-MEMS微气室（单气室），6-BF33玻璃，7-准直单元，8-聚焦单元，9-λ/4玻片，10-纳米垂直耦合光栅，11-纳米垂直耦合光栅，12-纳米垂直耦合光栅，13-VCSEL激光器，14-光作用气室，15-相位调制单元，16-Y波导分束器，17-反应气室，18-反应药品，19-电路模块，20-引脚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种垂直耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟（单气室），如图3所示，包括VCSEL激光器13，所述VCSEL激光器13出射的光束通过垂直耦合光栅 10耦合进入Y波导分束器16，纳米垂直耦合光栅 10实现对VCSEL准直隔离激光光源的耦合输入（耦合效率优于80％），通过耦合对准技术与纳米Y型波导进行精准对接；其中一束光经过相位调制单元15（调制电极）产生相位差恒定的相干光后输出，另外一束光由欧姆电极调节补偿以此与调制光路一致后输出，例如，可以对一路导波光束进行3.4GHz调制从而产生频率差为6.8GHz的边带，另一路导波光束通过欧姆电极进行微调以补偿与调制光路的一致性差异（即调控得到保偏的光波导输出）；两路光束再分别经过垂直耦合光栅 12和垂直耦合光栅 11输出，依次经过偏振片、衰减片、λ/4波片9、准直单元8、聚焦单元7之后进入铷原子MEMS微气室（单气室）5，该铷原子气室位于磁场线圈4中，其上下布置有BF33玻璃6，并配有加热单元3。

垂直耦合光栅作为渐变光栅，将携带有钟信号的光通过纳米垂直耦合光栅 12输入到MEMS微气室，渐变光栅将经过欧姆电极补偿后的光通过纳米垂直耦合光栅 11输入到MEMS微气室，两束光经过气室同时到达两象位探测芯片，探测单元2转化为电信号后输入减法器，信号相减即为消除了共模噪声的钟信号，输入集成电路芯片，集成电路芯片完成对激光器和相位调制单元进行调控。

具体实施时，根据CPT原子钟的物理机制，芯片级原子钟主要包括VCSEL、纳米Y波导、光学镜片、MEMS微气室、探测单元、C场线圈。自Y波导耦合输出的光束，通过偏振片、衰减片以及λ/4波片之后进入微气室，采用MEMS工艺实现波导、微透镜、微气室的集成。采用特种真空胶将上述各个部件集成为一体。与传统的单光路芯片级原子钟相比，纳米光波导双光路芯片原子钟在物理系统部分采用了纳米Y波导对VCSEL激光器出射的光进行了分光，在对物理部分封装的过程中需要将它与各个光路部分进行紧密连接，达到减小体积、功耗的目的。对其设计时，考虑组成的各个部件整体布局及连接关系，设计布局与连接关系设计物理系统。

实施例2

一种垂直耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟（双气室），其与实施例1的区别在于采用双气室，采用现场制备铷原子，在反应气室17中装入反应药品18，制备出铷原子气体进入到光作用气室14中。其余原理同实施例1，由微气室出射的两束光同时到达两象位探测芯片，即探测单元2转化为电信号后输入减法器，将信号相减即为消除了共模噪声的钟信号，输入集成电路芯片，集成电路芯片完成对激光器和相位调制单元进行调控，减法器和集成电路芯片集成于电路模块19中，并通过引脚20输出控制信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。