一种光频原子钟的制作方法

本发明属于原子钟技术领域，具体地涉及一种光频原子钟。

背景技术：

原子跃迁频率理论上只与原子能级有关，并且不会随着时间而改变，原子钟通过将线宽极窄和稳定度极高的原子跃迁频率的稳定度映射到微波频段，从而建立起基于原子能级的时间频率标准。原子钟频率稳定度的理论表达式可如下所示：

式中，σy(t)表示原子钟频率稳定度，χ表示原子钟跃迁谱线线型的常数，υ表示原子钟跃迁频率，δυ表示原子钟跃迁谱线线宽，sn表示探测信号信噪比，tc表示测量周期，τ表示测量时间。由上式可知，原子钟相对稳定度与钟跃迁频率(即原子钟跃迁频率υ)成反比，传统的微波原子钟的钟跃迁频率都在微波频段，如铯原子钟跃迁频率为9.192631770ghz，铷原子钟跃迁频率为6.834684211ghz。随着科学技术领域的发展，传统的原子钟性能逐渐难以满足需求，因此钟跃迁频率在光学频段的光频原子钟成为了进一步提高原子钟频标性能的重要技术路径。光频原子钟的跃迁频率比传统微波原子钟的跃迁频率高出4个数量级，此外光频钟跃迁能级差比传统微波钟跃迁能级差更大，因此相对于传统微波原子钟而言，光频原子钟的稳定度得到了大幅的提升，迄今为止性能最好的原子光频钟的频率稳定度已经达到了10^-18量级。

但是光频原子钟需要完成对光频钟跃迁的测量，并且将其稳定度传递到微波频段，现有被广泛采用的成熟方案是利用锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来完成光频钟跃迁与输出微波钟信号之间的相干链接。

光学频率梳本质上是一种脉冲激光信号，它在频域上表现为一组频率间隔相等且相位锁定的激光谱线的合集，如图1所示，脉冲的重复频率frep即为各频率梳齿间的频率间隔。在色散介质中，脉冲群速度与相速度的差异导致了载波-包络相位差δφ，从而造成了光学频率梳存在一个整体初始偏置频率fceo＝frepδφ/2π，因此光学频率梳的每一根频率梳齿的频率都可以用初始频率fceo和重复频率frep表示出来：fk＝fceo+kfrep，其中,初始频率fceo和重复频率frep都处在射频频段，而k可以达到10⁶量级，这就使得光学频率梳就像一把以重复频率为刻度的频率尺，而其频率量程高达百thz(光学频段)。

典型的光频原子钟系统构成如图2所示，其是通过传统锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来实现钟频光频率到微波频率间相干链接的，系统工作原理为：通过第三光电探测器pd3实现对光学频率梳信号的重复频率frep的数值探测；通过将第k1个光梳梳齿频率倍频后与第2k1个光梳梳齿频率进行拍频得到光梳初始频率然后通过第一个锁相环pll1控制锁模激光器的泵浦功率，使光梳初始频率fceo锁定到重复频率frep上，得到通过第二个锁相环pll2控制锁模激光器的腔长使光梳第k2个光梳梳齿频率锁定到光频钟跃迁频率fr上，得到：

式中，k2、α和β均为常数，整个系统通过两个锁相环实现：此时系统将光梳重复频率frep锁定到了原子光频钟跃迁频率fr上，实现光钟微波频率的输出。

上述方法要求光学频率梳必须满足两个条件：(1)光学频率梳的重复频率frep要在光电探测器pd的工作范围内(通常为几十ghz)；(2)光学频率梳的谱宽要达到一个倍频程，使得两根梳齿频率和可以通过倍频-拍频实现光学频率梳的初始频率fceo的锁定(即实现自参考)。传统的光学频率梳信号由锁模激光器产生，如ti:sapphire锁模激光器、掺er光纤锁模激光器和er:yb:glass锁模激光器等，其可以同时满足重复频率frep处在普通光电探测器工作带宽内和谱宽超过一个倍频程的要求。

虽然基于锁模激光器的光学频率梳作为成熟技术已经成功应用于光钟(即光频原子钟)的工程化，但是其体积和功耗仍然严重制约着光频原子钟的小型化甚至芯片化。近年来出现的微腔光梳技术通过光学微腔中局域化的强光场激发非线性四波混频(fwm，four-wavemixing)效应产生光学频率梳，如图3所示。相比于传统的锁模激光器，产生微腔光梳信号的光学微腔同时具备微米量级的尺寸和片上集成的潜力，极大地简化了光梳系统的复杂度和体积，因此微腔光梳技术是实现光频原子钟小型化甚至芯片化重要的技术途径。

现阶段的微腔光梳是通过调整微腔设计来实现从ghz到thz量级的重复频率frep，但是其难以在重复频率处在普通光电探测器工作带宽内的同时达到一个倍频程的谱宽，因此难以实现初始频率fceo的自参考锁定，这就使得基于微腔光梳的典型光钟方案(如图2所示)难以实现。

技术实现要素：

为了解决传统光钟方案在采用微腔光梳技术时难以实现初始频率的自参考锁定问题，本发明目的在于提供一种基于微腔光梳技术的新型光频原子钟，可以实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，进而无需光梳谱宽达到一个倍频程，使得微腔光梳技术能够应用于光钟系统。

本发明所采用的技术方案为：

一种光频原子钟，包括有微腔光梳模块、稳频激光源模块和锁相环模块；

所述微腔光梳模块，用于产生频率为f＝fceo+kfrep的光学频率梳信号，其中，fceo表示所述光学频率梳信号的初始频率，frep表示所述光学频率梳信号的重复频率，k为正整数；

所述稳频激光源模块，用于产生第一稳频激光和第二稳频激光，其中，所述第一稳频激光的频率fr1和所述第二稳频激光的频率fr2不相等且分别位于所述光学频率梳信号的光谱宽度覆盖范围内；

所述锁相环模块，用于根据第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep、第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep、所述第一稳频激光的频率fr1和所述第二稳频激光的频率fr2来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号功率及波长，使新产生光学频率梳信号的重复频率frep锁定到频率fr1与频率fr2之差上，实现所述光频原子钟的微波频率输出，其中，所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep为所述光学频率梳信号中最靠近频率fr1的梳齿频率，所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep为所述光学频率梳信号中最靠近频率fr2的梳齿频率，n和m分别为正整数。

基于上述发明内容，提供了一种基于微腔光梳技术的新型光频原子钟，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过锁相环将两束经稳频的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的两根梳齿频率进行锁定，从而实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，由此在实现所述光频原子钟的微波频率输出过程中，只要求重复频率处于普通光电探测器的工作带宽内且使光学频率梳信号的光谱宽度覆盖两束稳频激光即可，而不需要光谱宽度达到一个倍频程，极大地降低了光钟系统对于光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，利于对光频原子钟进行小型化甚至芯片化设计。

优化的，所述微腔光梳模块包括有泵浦光源和光学微腔，其中，所述泵浦光源的泵浦光信号输出端光路连通所述光学微腔的光信号输入端，所述光学微腔的光信号输出端用于输出所述光学频率梳信号。

具体的，所述光学微腔为采用氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、熔融石英或氟化物材质制备的且能够产生重复频率frep从ghz到thz量级的微型腔体结构。

优化的，所述第一稳频激光和所述第二稳频激光产生于同一物理系统。

优化的，所述稳频激光源模块采用基于原子跃迁谱线、分子跃迁谱线或离子跃迁谱线激发稳频激光的激光源。

具体的，所述原子跃迁谱线包含有氢原子跃迁谱线、钾原子跃迁谱线、铷原子跃迁谱线或铯原子跃迁谱线。

具体的，所述分子跃迁谱线包含有氨分子跃迁谱线和氰化氢分子跃迁谱线。

具体的，所述离子跃迁谱线包含有钙离子跃迁谱线、汞离子跃迁谱线和铝离子跃迁谱线。

优化的，所述锁相环模块包括有第一锁相环和第二锁相环；

所述第一锁相环，用于根据所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep和所述第一稳频激光的频率fr1来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号功率，使新产生光学频率梳信号的第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep锁定到频率fr1上，得到fr1＝fn+frep/a＝fceo+(n+1/a)frep，其中，a为预设常数；

所述第二锁相环，用于根据所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep和所述第二稳频激光的频率fr2来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号波长，使新产生光学频率梳信号的第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep锁定到频率fr2上，得到fr2＝fm+frep/b＝fceo+(m+1/b)frep，其中，b为预设常数。

具体的，还包括有第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；

所述第一光电探测器的输出端通信连接所述第一锁相环，用于探测出所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep与所述频率fr1之间的频率差；

所述第二光电探测器的输出端通信连接所述第二锁相环，用于探测出所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep与所述频率fr2之间的频率差；

所述第三光电探测器的输出端分别通信连接所述第一锁相环和所述第二锁相环，用于探测出所述重复频率frep的数值大小。

本发明的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种基于微腔光梳技术的新型光频原子钟，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过锁相环将两束经稳频的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的两根梳齿频率进行锁定，从而实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，由此在实现所述光频原子钟的微波频率输出过程中，只要求重复频率处于普通光电探测器的工作带宽内且使光学频率梳信号的光谱宽度覆盖两束稳频激光即可，而不需要光谱宽度达到一个倍频程，极大地降低了光钟系统对于光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，利于对光频原子钟进行小型化甚至芯片化设计；

(2)还可将重复频率与产生于同一物理系统的两束原子稳频激光间的频率之差相锁定，而不是将重复频率与单束原子稳频激光频率锁定，进而可以利用差分效应消除部分由于温度漂移和机械振动等环境扰动带来的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光学频率梳的频域及时域特征的示例图。

图2是本发明提供的典型光频原子钟的系统结构示意图。

图3是本发明提供的微腔光梳系统及其产生机制的示例图。

图4是本发明提供的基于微腔光梳技术的光频原子钟的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图4所示，本实施例提供的所述光频原子钟，包括有微腔光梳模块、稳频激光源模块和锁相环模块；所述微腔光梳模块，用于产生频率为f＝fceo+kfrep的光学频率梳信号，其中，fceo表示所述光学频率梳信号的初始频率，frep表示所述光学频率梳信号的重复频率，k为正整数；所述稳频激光源模块，用于产生第一稳频激光和第二稳频激光，其中，所述第一稳频激光的频率fr1和所述第二稳频激光的频率fr2不相等且分别位于所述光学频率梳信号的光谱宽度覆盖范围内；所述锁相环模块，用于根据第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep、第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep、所述第一稳频激光的频率fr1和所述第二稳频激光的频率fr2来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号功率及波长，使新产生光学频率梳信号的重复频率frep锁定到频率fr1与频率fr2之差上，实现所述光频原子钟的微波频率输出，其中，所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep为所述光学频率梳信号中最靠近频率fr1的梳齿频率，所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep为所述光学频率梳信号中最靠近频率fr2的梳齿频率，n和m分别为正整数。

如图4所示，在所述光频原子钟的具体结构中，所述微腔光梳模块可以但不限于包括有泵浦光源和光学微腔，其中，所述泵浦光源的泵浦光信号输出端光路连通所述光学微腔的光信号输入端，所述光学微腔的光信号输出端用于输出所述光学频率梳信号。所述泵浦光源也叫泵浦激光器，是一种现有激光器，用于发出连续激光；所述光学微腔可以但不限于为采用氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、熔融石英或氟化物等材质制备的且能够产生重复频率frep从ghz到thz量级的微型腔体结构，例如可利用连续光泵浦激光器的片上氮化硅微环腔来产生重复频率frep为35ghz且频谱范围从170thz(对应波长为1700nm)到200thz(对应波长为1500nm)的光学频率梳信号。

所述稳频激光源模块是一种利用现有稳频技术来使所述第一稳频激光和所述第二稳频激光的频率分别稳定在对应数值上的激光源。具体的，所述稳频激光源模块可以但不限于采用基于原子跃迁谱线、分子跃迁谱线或离子跃迁谱线等激发稳频激光的激光源，其中，所述原子跃迁谱线可以但不限于包含有氢原子跃迁谱线、钾原子跃迁谱线、铷原子跃迁谱线或铯原子跃迁谱线等；所述分子跃迁谱线可以但不限于包含有氨分子跃迁谱线和氰化氢分子跃迁谱线等；所述离子跃迁谱线可以但不限于包含有钙离子跃迁谱线、汞离子跃迁谱线和铝离子跃迁谱线等。例如将两束波长分别为1590nm和1560nm的窄线宽激光经过倍频后分别锁定到铷原子d1和d2跃迁谱线(对应波长分别为795nm和780nm)上构成两束频率分别为fr1和fr2的原子稳频激光参考源。

所述锁相环模块用于将两束经原子系统稳频的且频率分别为fr1和fr2的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的两根梳齿频率进行锁定(即通过常规反馈控制方式来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号功率及波长实现)，从而实现重复频率frep与频率差fr1-fr2的锁定。

由此通过前述光频原子钟的详细原理描述，提供了一种基于微腔光梳技术的新型光频原子钟，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过锁相环将两束经稳频的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的两根梳齿频率进行锁定，从而实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，由此在实现所述光频原子钟的微波频率输出过程中，只要求重复频率处于普通光电探测器的工作带宽内且使光学频率梳信号的光谱宽度覆盖两束稳频激光即可，而不需要光谱宽度达到一个倍频程，极大地降低了光钟系统对于光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，利于对光频原子钟进行小型化甚至芯片化设计。

优化的，所述第一稳频激光和所述第二稳频激光产生于同一物理系统。所述同一物理系统是指均基于相同原子、分子或离子等的不同跃迁谱线来激发两稳频激光，由此可将重复频率frep与产生于同一物理系统的两束原子稳频激光间的频率之差相锁定，而不是将重复频率frep与单束原子稳频激光频率锁定，进而可以利用差分效应消除部分由于温度漂移和机械振动等环境扰动带来的干扰。

优化的，所述锁相环模块包括有第一锁相环pll1和第二锁相环pll2；所述第一锁相环pll1，用于根据所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep和所述第一稳频激光的频率fr1来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号功率，使新产生光学频率梳信号的第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep锁定到频率fr1上，得到fr1＝fn+frep/a＝fceo+(n+1/a)frep，其中，a为预设常数；所述第二锁相环pll2，用于根据所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep和所述第二稳频激光的频率fr2来控制所述微腔光梳模块的泵浦光信号波长，使新产生光学频率梳信号的第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep锁定到频率fr2上，得到fr2＝fm+frep/b＝fceo+(m+1/b)frep，其中，b为预设常数。

如图4所示，通过前述两锁相环的锁定作用，可以得到：fr1-fr2＝(n+1/a-m-1/b)frep，即：进而使新产生光学频率梳信号的重复频率frep能够锁定到频率fr1与频率fr2之差上，实现所述光频原子钟的微波频率输出。例如可以实现重复频率frep与铷原子d1和d2跃迁谱线间频率差的锁定：υd2-υd1＝2fr1-2fr2＝2(n+1/a-m-1/b)frep，即：其中，υd2表示对应铷原子d2跃迁谱线的跃迁频率，υd1表示对应铷原子d2跃迁谱线的跃迁频率。

进一步优化的，还包括有第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2和第三光电探测器pd3；所述第一光电探测器pd1的输出端通信连接所述第一锁相环pll1，用于探测出所述第n梳齿频率fn＝fceo+nfrep与所述频率fr1之间的频率差；所述第二光电探测器的输出端通信连接所述第二锁相环，用于探测出所述第m梳齿频率fm＝fceo+mfrep与所述频率fr2之间的频率差；所述第三光电探测器pd3的输出端分别通信连接所述第一锁相环pll1和所述第二锁相环pll3，用于探测出所述重复频率frep的数值大小。所述第一光电探测器pd1、所述第二光电探测器pd2和所述第三光电探测器pd3均可采用现有的常规光电探测器实现，以便得到所负责频率的数值大小，进而可利于对应锁相环进行重复频率锁定控制。

综上，采用本实施例所提供的光频原子钟，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种基于微腔光梳技术的新型光频原子钟，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过锁相环将两束经稳频的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的两根梳齿频率进行锁定，从而实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，由此在实现所述光频原子钟的微波频率输出过程中，只要求重复频率处于普通光电探测器的工作带宽内且使光学频率梳信号的光谱宽度覆盖两束稳频激光即可，而不需要光谱宽度达到一个倍频程，极大地降低了光钟系统对于光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，利于对光频原子钟进行小型化甚至芯片化设计；

(2)还可将重复频率与产生于同一物理系统的两束原子稳频激光间的频率之差相锁定，而不是将重复频率与单束原子稳频激光频率锁定，进而可以利用差分效应消除部分由于温度漂移和机械振动等环境扰动带来的干扰。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。