激光信号调制系统及CPT Maser原子钟

技术领域

本申请涉及原子频标技术领域，特别是涉及一种激光信号调制系统及CPT Maser原子钟。

背景技术

CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)原子频标为利用原子与相干激光相互作用所产生的一种量子干涉现象，而实现的一种新型原子频标，由于其体积小、功耗低而被广泛应用于各类时频系统中。CPT maser原子钟所能实现的频率稳定度相比被动型的CPT原子钟要高2～3个数量级，在对时间精度要求较高的场所具有非常重要的实用价值。根据CPT效应的基本原理，实现CPT原子钟需要对钟激光进行调制，以产生一对幅度相等、相位相反的±1级边带。±1级边带与铷原子的两个超精细能级相互作用后发生暗态效应，使用光电探测器探测到鉴频信号并进行频率稳定。在实际应用中受相位调制器调制后产生的激光边带幅度往往不相等，导致解调后幅度噪声转换为频率噪声，从而降低CPT原子钟的频率稳定度。

为了解决相位调制之后所产生的激光边带幅度不相等的问题，相关技术通常是通过一次调整相位调制器的参数来实现，例如可通过理论计算获得相位调制器最佳的调制深度，在系统运行的初始状态，观测调制产生的边带幅度的对称性，然后再进行手动调整相位调制器的调制深度。还可以通过控制相位调制器的温度，降低因温度漂移导致的边带幅度起伏。

但是，由于激光器及光路中的其他光学器件在受环境影响如温度和气流的波动、环境震动以及声波等时，均会导致激光边带的幅度起伏；且光路中存在的标准具效应也将降低边带幅度的对称性。相关技术单纯通过一次调制相位控制器的深度和温度并无法有效降低双边带幅度差。

鉴于此，如何有效降低双边带幅度差，是所属领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种激光信号调制系统及CPT Maser原子钟，可有效降低双边带幅度差。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种激光信号调制系统，包括：光信号发射模块、双通移频模块、幅度噪声抑制模块及光信号调制模块；

所述双通移频模块，用于将所述光信号发射模块出射的原始光信号分为用于产生CPT效应的第一光束和第二光束，并对所述第二光束进行双次移频操作，得到移频光束；

所述幅度噪声抑制模块，用于获取经所述光信号调制模块调制后的光束和所述移频光束的合束光信号所对应转换的电信号，通过对所述电信号进行解调处理及差分放大处理，得到双边带幅度值的误差信号，同时基于所述误差信号反馈控制所述光信号调制模块在当前时刻的调制深度；

所述光信号调制模块，用于基于所述调制深度对所述第一光束进行实时调制，以产生幅度相等的双边带。

可选的，所述双通移频模块包括第一分束器、声光调制器、反射镜、1/4波片及信号发生器；

所述第一分束器，用于将所述原始光信号分束为所述第一光束和所述第二光束；

所述信号发生器，用于生成声光调制信号；所述声光调制信号用于所述声光调制器产生衍射光进行移频；

所述1/4波片设置在所述第一分束器和所述声光调制器之间；

所述反射镜，用于将经过所述1/4波片和所述声光调制器的第二光束的±1级衍射光原路返回；

所述声光调制器，用于对经过所述1/4波片的第二光束以及原路返回的±1级衍射光进行调制，得到移频量达到2ω的移频光束。

可选的，所述光信号调制模块包括电光调制器和第二信号发生器；

所述电光调制器，用于通过改变调制深度使所述第一光束集中在±1级边带上；

所述第二信号发生器，用于生成电光调制信号；所述电光调制信号用于所述电光调制器进行相位调制。

可选的，所述光信号发射模块包括中心波长为795nm，线宽小于100MHz的垂直表面发射激光器。

可选的，所述幅度噪声抑制模块包括拍频组件、解调组件、差分放大组件及控制器；

所述拍频组件，用于通过对调制后的光束和所述移频光束的合束光信号进行光电探测，得到携带幅度信息的微波段信号；

所述解调组件，用于将频率为ω的信号倍频后与频率为Ω的信号混频，得到中心频率为Ω-2ω和Ω+2ω的解调信号，将各解调信号分别与所述微波段信号进行混频，得到双边带对应的直流电压变化信号；

所述差分放大组件，用于将所述直流电压变化信号进行差分放大处理，得到两个边带幅度值的误差信号；

所述控制器，用于基于所述误差信号调节所述光信号调制模块中的电光调制器的调制电压。

可选的，所述拍频组件包括45°反射镜、所述第二分束器和第一光电探测器；

所述第一光电探测器，用于对所述调制后的光束经所述45°反射镜和所述第二分束器的透射光，和所述移频光束经过所述第二分束器的合束光信号进行探测。

可选的，所述解调组件包括第一低通滤波器、功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、混频器和倍频器；

所述第一低通滤波器，用于对所述微波段信号进行滤波处理，得到频率为2ω的载波，和两个中心频率为Ω-2ω和Ω+2ω的边带；

所述功率分配器，用于将经过低通滤波的微波段信号分为第一拍频信号和第二拍频信号；

所述第一带通滤波器的中心频率为Ω-2ω，带宽为2ω，用于对所述第一拍频信号进行滤波处理，得到第一边带幅度信号；

所述第二带通滤波器的中心频率为Ω+2ω，带宽为2ω，用于对所述第二拍频信号进行滤波处理，得到第二边带幅度信号；

所述倍频器，用于将频率为ω的信号进行倍频；

所述混频器，用于分别对中心频率相同的所述第一边带幅度信号和本地第一振荡信号、中心频率相同的所述第二边带幅度信号和本地第二振荡信号进行混频。

可选的，所述差分放大组件包括第三低通滤波器、第四低通滤波器和差分放大器；

所述第三低通滤波器，用于去除所述第一边带幅度信号和所述本地第一振荡信号的混频信号的高频噪声；

所述第四低通滤波器，用于去除所述第二边带幅度信号和所述本地第二振荡信号的混频信号的高频噪声；

所述差分放大器，用于对所述第三低通滤波器和所述第四低通滤波器的输出信号进行差分放大。

可选的，所述控制器包括放大器、PI控制电路、环路滤波器和压控振荡器；

所述放大器，用于对所述误差信号进行放大处理；

所述环路滤波器，用于对放大后的误差信号中的相位噪声进行滤除，并改变所述压控振荡器的输出频率；

所述PI控制电路，用于反馈调节电光调制器的调制电压以改变调制深度。

本发明实施例另一方面提供了一种CPT Maser原子钟，包括如前任一项所述激光信号调制系统和CPT效应物理系统。

本申请提供的技术方案的优点在于，将两个边带移频至同一频率，并将光频信号频率转换到微波频段，获得双边带幅度对应的电压值，通过比较双边带的幅度差确定相应的误差信号，反馈调节调制器的调制深度即可获得最佳的调制深度，通过主动控制调制器的调制深度可实时降低边带幅度的不对称性，使得激光幅度噪声的降低具有实时性，抗环境干扰能力强，可稳定地获取幅度相等的双边带，进而可以有效提高CPT Maser原子钟误差信号的信噪比，提高CPT Maser原子钟的频率稳定度，尤其是短期稳定度。

此外，本发明实施例还针对激光信号调制系统提供了相应的应用系统即CPTMaser原子钟，进一步使得所述系统更具有实用性，该CPT Maser原子钟具有相应的优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明实施例提供的一种激光信号调制系统在一种可选的实施方式下的结构框架示意图；

图2为本发明实施例提供激光幅度噪声抑制光路示意图；

图3为本发明实施例提供两个本振信号分别用于激光相位调制和移频，并且通过混频产生用于边带频率下转换的信号的光路示意图；

图4为本发明实施例提供抑制激光幅度噪声的反馈控制示意图；

图5为本发明实施例提供激光信号调制流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种CPT Maser原子钟在一种可选的实施方式下的结构框架示意图；

图7为本发明实施例提供的一种CPT Maser原子钟的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及二者的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种激光信号调制系统在一种可选的实施方式下的结构框架示意图，本发明实施例可包括以下内容：

激光信号调制系统可包括光信号发射模块1、双通移频模块2、幅度噪声抑制模块3及光信号调制模块4。

其中，光信号发射模块1用于出射光信号，由于本实施例的激光信号调制系统是用于原子频标，可选的，光信号发射模块1可包括激光器，该激光器可为中心波长为795nm，线宽小于100MHz的垂直表面发射激光器。

本实施例的双通移频模块2用于接收光信号发射模块1出射的光信号，并将该光信号也即本实施例称为原始光信号分为两路光信号，为了便于描述，可称为第一光束和第二光束，第一光束用于产生CPT效应，也即第一光束是发送至光信号调制模块4进行调制，以产生一对幅度相等、相位相反的±1级边带以适用于CPT原子钟。第二光束用于作为体现受环境影响以及光路本身存在的标准具效应所导致的光信号变化的参考。在本实施例中，双通移频模块2对第二光束进行双次移频操作，所谓的双次移频是指两次经过进行频率调制器件如声光调制器，也对对第二光束进行两次移频得到移频光束，若单次移频量为ω，则该移频光束的移频量可达到2ω。

在本实施例中，第二光束经过双通移频模块2之后，会出射至幅度噪声抑制模块3，通过幅度噪声抑制模块3对其进行处理，最终得到可反映双边带幅度差的误差信息。第一光束会经过光信号调制模块4进行调制，得到调制光束。为了便于实现，可将调制后的第一光束分为两束调制光信号，第一调制光信号用于与气室原子相互作用发生CPT效应，第二调制光信号用于进行误差信号的获取。幅度噪声抑制模块3可先将调制后的光束也即第二调制光信号和移频光束进行合束，得到合束光信号，然后可通过光电转换方法如光电探测技术将该合束光信号转换为携带幅度信息的电信号，将光频率信号转换至微波频段，也即得到合束光信号所对应转换的电信号，该电信号为微波频段信号。通过对微波频段信号进行解调及差分放大处理，得到双边带幅度值的误差信号，同时基于误差信号反馈控制光信号调制模块中的调制器在当前时刻的调制电压进而改变调制深度，可实时消除两个边带的幅度差，从而可以主动抑制激光的幅度噪声。

本实施例的光信号调制模块4至少包括一个相位调制器如电光调制器，利用该相位调制器对光束进行调制，产生高阶边带。通过选择合适的调制深度可降低高阶边带的幅度，使光功率主要集中在±1级边带，也即可得到幅度相等的双边带。该合适的调制深度由幅度噪声抑制模块3基于双边带幅度的误差信号进行反馈控制。可选的，光信号调制模块4可包括电光调制器和第二信号发生器；电光调制器用于通过改变调制深度使第一光束集中在±1级边带上；第二信号发生器，用于生成电光调制信号；电光调制信号用于电光调制器进行相位调制。

在本发明实施例提供的技术方案中，将两个边带移频至同一频率，并将光频信号频率转换到微波频段，获得双边带幅度对应的电压值，通过比较双边带的幅度差确定相应的误差信号，反馈调节调制器的调制深度即可获得最佳的调制深度，通过主动控制调制器的调制深度可实时降低边带幅度的不对称性，使得激光幅度噪声的降低具有实时性，抗环境干扰能力强，可稳定地获取幅度相等的双边带，进而可以有效提高CPT Maser原子钟误差信号的信噪比，提高CPT Maser原子钟的频率稳定度，尤其是短期稳定度。

在上述实施例中，对于双通移频模块2所包含的光学元器件以及光路结构并不做任何限定，只要其可以实现对光束的双次移频即可，作为一种可选的实施方式，本实施例还提供了双通移频模块2的一种可选的光路结构，可包括下述内容：

双通移频模块2可包括第一分束器、声光调制器、反射镜、1/4波片及信号发生器。

第一分束器，用于将原始光信号分束为第一光束和第二光束；

信号发生器，用于生成声光调制信号；声光调制信号用于声光调制器产生衍射光进行移频；

1/4波片设置在第一分束器和声光调制器之间；

反射镜，用于将经过1/4波片和声光调制器的第二光束的±1级衍射光原路返回；

声光调制器，用于对经过1/4波片的第二光束以及原路返回的±1级衍射光进行调制，得到移频量达到2ω的移频光束。

在本实施例中，第一分束器可为任何一种可实现分光功能的器件，如可以为偏振敏感分束镜PBS。1/4波片能够使o光和e光产生λ/4附加光程差，也即可改变光束的偏振方向。反射镜例如可为0°反射镜，当然也可采用其他类型的反射镜，这均不影响本申请的实现。光信号经过声光调制器AOM后+1级衍射光由反射镜原路返回，双次通过AOM完成双次移频。

为了使所属领域技术人员更加清楚明白本实施例的实现方式，结合图2，给出了光信号从出射到生成移频光束的过程：

光信号发射模块1的激光器出射光经过PBS分为两部分，用于产生CPT效应的透射光和用于进行拍频的本地光。用于拍频的本地光经过PBS折射后通过AOM移频，AOM的调制频率为LO2＝ω。由于激光的线宽一般为100MHz，为了在频率下转换后使用滤波器将双边带分开，将激光双次通过AOM两次移频，使激光的移频量达到2ω。实现的方法是在AOM和PBS之间放置一个1/4波长波片，激光第一次通过AOM和1/4波片后取+1级衍射光，此时激光的频率为υ+ω。在1/4波片后放置反射镜将+1级衍射光原路返回，再次经过AOM取第二次通过的+1级光，此时激光的频率为υ+2ω，即实现了2ω的移频目标。同时，由于激光光信号双次通过1/4波片后偏振改变90°，再次经过PBS的时候由折射变为透射，因此光路不会沿着PBS折射的方向原路返回，有利于后续与调制光进行合束拍频。

在上述实施例中，对于幅度噪声抑制模块3所包含的光学元器件以及光路结构并不做任何限定，只要其可以实现计算双边带幅度的误差信息并基于该误差信息选择最合适的调制深度即可，作为一种可选的实施方式，本实施例还提供了幅度噪声抑制模块3的一种可选的光路结构，可包括下述内容：

幅度噪声抑制模块3可包括拍频组件、解调组件、差分放大组件及控制器。拍频组件，用于通过对调制后的光束和移频光束的合束光信号进行光电探测，得到携带幅度信息的微波段信号；解调组件，用于将频率为ω的信号倍频后与频率为Ω的信号混频，得到中心频率为Ω-2ω和Ω+2ω的解调信号，将各解调信号分别与微波段信号进行混频，得到双边带对应的直流电压变化信号；差分放大组件，用于将直流电压变化信号进行差分放大处理，得到两个边带幅度值的误差信号；控制器，用于基于误差信号调节光信号调制模块中的电光调制器的调制电压。

其中，对于拍频组件来说，其可包括45°反射镜、第二分束器和第一光电探测器。45°反射镜用于将调制后的光束也即经光信号调制模块4对第一光束进行调制后所得的光束透射至第二分束器，使用第二分束器可用于将调制后的光束和移频光束进行合束，以便于后续进行拍频。进而利用第一光电探测器用于对调制后的光束经45°反射镜和第二分束器的透射光，和移频光束经过第二分束器的合束光信号进行探测。

对于解调组件来说，其可将频率为ω的信号倍频后与频率为Ω的信号混频，产生频率中心为Ω-2ω和Ω+2ω的解调信号。将Ω-2ω和Ω+2ω的解调信号分别与微波段信号解调出的两个边带信号混频，获得两个边带对应的直流电压变化信号。结合实际光学元器件来说，其可包括第一低通滤波器、功率分配器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、混频器和倍频器。第一低通滤波器，用于对微波段信号进行滤波处理，得到频率为2ω的载波，和两个中心频率为Ω-2ω和Ω+2ω的边带；功率分配器，用于将经过低通滤波的微波段信号分为第一拍频信号和第二拍频信号；第一带通滤波器的中心频率为Ω-2ω，带宽为2ω，用于对第一拍频信号进行滤波处理，得到第一边带幅度信号；第二带通滤波器的中心频率为Ω+2ω，带宽为2ω，用于对第二拍频信号进行滤波处理，得到第二边带幅度信号；倍频器，用于将频率为ω的信号进行倍频；混频器，用于分别对中心频率相同的第一边带幅度信号和本地第一振荡信号、中心频率相同的第二边带幅度信号和本地第二振荡信号进行混频。其中，混频器可包括第一混频器和第二混频器，第一混频器对中心频率相同的第一边带幅度信号和本地第一振荡信号进行混频；第二混频器用于对中心频率相同的第二边带幅度信号和本地第二振荡信号进行混频。对于本地第一振荡信号和本地第二振荡信号的产生，结合图3所示，图3的示意性的例子的ω＝200，可通过将两个本地振荡器LO1和LO2混频后分别用中心频率为Ω-2ω及Ω+2ω的带通滤波器滤波，从而获得本地第一振荡信号LO3＝Ω-2ω和本地第二振荡信号LO4＝Ω+2ω。

对于差分放大组件来说，其将解调出的两个边带幅度的直流信号通过低通滤波后再进行差分放大，获得两个边带幅度值的误差信号。结合实际光学元器件来说，其可包括第三低通滤波器、第四低通滤波器和差分放大器；第三低通滤波器，用于去除第一边带幅度信号和本地第一振荡信号的混频信号的高频噪声；第四低通滤波器，用于去除第二边带幅度信号和本地第二振荡信号的混频信号的高频噪声；差分放大器，用于对第三低通滤波器和第四低通滤波器的输出信号进行差分放大。

对于控制器来说，其可包括放大器、PI控制电路、环路滤波器和压控振荡器；放大器，用于对误差信号进行放大处理；环路滤波器，用于对放大后的误差信号中的相位噪声进行滤除，并改变压控振荡器的输出频率；PI控制电路，用于反馈调节电光调制器的调制电压以改变调制深度。当然，可以采用其他类型的控制电路，这并不影响本申请的实现。

为了使所属领域技术人员更加清楚明白本实施例的实现方式，结合图4及图5，给出了误差信号的生成过程：

第一光电探测器采集的信号经过低通滤波器后主要有三个频率分量，频率为2ω的载波、频率为Ω-2ω及Ω+2ω的双边带，两个边带相差4ω，当调制频率ω≥100MHz时，两个边带之间的频差远大于激光线宽。使用功分也即功率分配器将拍频信号也即微波段信号分成两束，分别使用中心频率为Ω-2ω及Ω+2ω，带宽为2ω的带通滤波器进行滤波，获得两个边带的幅度对应的电压值。将两个本地振荡器LO1和LO2混频后分别用中心频率为Ω-2ω及Ω+2ω的带通滤波器滤波，获得LO3＝Ω-2ω和LO4＝Ω+2ω的振荡信号。将两个边带分别与中心频率相同的LO3和LO4混频，使用低通滤波器滤除高频噪声，仅保留直流电压信号。使用比较放大器获得两个边带的差值即误差信号，将该误差信号反馈控制EOM，改变其调制深度，从而实时降低两个边带幅度之差。

基于上述实施例，本发明实施例还提供了一种CPT Maser原子钟，请参见图6，可包括：

首先结合图7阐述CPT Maser原子钟的基本工作原理，其需要使用电光调制器对激光的相位进行调制，以产生一对相位相反、幅度相等的边带，用于与原子的两个超精细能级产生CPT效应。通常采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源，该激光器的出射激光为发散形式。使用透镜进行激光准直后耦合至电光调制器，设置在电光调制器前的二分之一波长波片可调节耦合进电光调制器光纤的偏振方向，旋转波片使激光偏振与保偏光纤的快轴一致。激光经过电光调制器调制后产生一对相位相反、幅度相等的边带，从另外一端出射后使用四分之一波片产生圆偏振光。激光进入原子气泡后，频率差为6.8GHz的一对边带与原子的两个超精细能级相互作用后产生暗态效应。通过PD探测到的信号使用功率分配器分为两部分，一部分用于锁定激光频率，另一部分用于产生CPT效应。

基于上述原理，本实施例的CPT Maser原子钟可包括如上任一个实施例中所记载的激光信号调制系统61以及CPT效应物理系统62。其中，CPT效应物理系统可包括原子气室、微波腔、温控器和光电探测器。通过激光信号调制系统61调制后的激光信号进入原子气室后发生CPT效应，光电探测器探测到暗态误差信号后反馈控制。激光信号调制系统61的调制过程例如可为：频率为υ的激光从激光器出射后经过PBS分为两路A和B，A路激光经过双通移频模块后(单次移频量为ω)，激光频率为υ+2ω。B路激光经相位调制后产生高阶边带，相位调制频率为Ω，调制后激光频率为υ±nΩ，其中n为正整数。通过选择合适的调制深度可以降低高阶边带的幅度，使光功率主要集中在±1级边带，即调制光的主要频率为υ±Ω。调制后的激光经过PBS后分为两束，其中一束调制光用于与气室原子相互作用发生CPT效应，另外一束调制光与移频光经过拍频处理后可以在微波频段探测到该激光的幅度信号，微波段的激光频率主要为2ω±Ω。进一步的，将该信号经过解调后再经过差分放大器，获得两个边带幅度的误差信号。将该误差信号再次放大滤波后经过PI控制，反馈控制相位调制器的调制深度。实时消除两个边带的幅度差，从而达到主动抑制CPT maser原子钟钟激光的幅度噪声的目的。

由上可知，本申请采用主动控制电光调制器的调制深度，实时降低边带幅度的不对称性，可以实现CPT Maser钟激光幅度噪声的降低具有实时性，抗环境干扰能力强。可有效降低钟激光幅度噪声，提高CPT Maser原子钟误差信号的信噪比，提高CPT Maser原子钟的频率稳定度，尤其是短期稳定度。由于激光边带幅度噪声的采集置于原子气室之前，正负一阶边带的幅度经过频率下转换后滤波，排除了经过原子气室后与高阶边带混杂后的本地噪声，幅度噪声的采集更加真实可靠，更加真实的反映了两个一阶边带的幅度差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的CPTMaser原子钟而言，由于其与实施例公开的激光信号调制系统的相关内容相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见该部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本申请所提供的一种激光信号调制系统及CPT Maser原子钟进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。