專利名稱：一種用于cpt原子鐘的相干解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子鐘技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種用于相干布居數(shù)囚禁(CPT， Coherent Population Trapping)原子鐘的相干解調(diào)裝置。可適用于小型化商用原子鐘系 統(tǒng)，在低功耗、小體積、高精度、高穩(wěn)定度頻率標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
CPT原子鐘是一種新型原子鐘，它利用相干布居囚禁現(xiàn)象實現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)原子鐘 的微波腔，是一種全光原子鐘。與傳統(tǒng)原子鐘比，它具有體積小、功耗低、啟動快等優(yōu)點，結(jié) 合微電子機械系統(tǒng)(MEMS, Micro Electromechanical System)技術(shù)，可以實現(xiàn)體積為幾個 立方厘米、紐扣電池供電、幾十秒鐘完成啟動的微型原子鐘系統(tǒng)。微型CPT原子鐘結(jié)合了原 子鐘的長期穩(wěn)定性好和晶振的體積小、功耗低的優(yōu)勢，已成為原子鐘研究領(lǐng)域的寵兒。國內(nèi) CPT原子鐘研究單位主要有中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，四川天奧星華時頻公司，北 京大學(xué)等單位，其中中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所于2006年在國內(nèi)首次研究出CPT原子 鐘，2009年研制出的小型化樣機指標(biāo)已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。CPT原子鐘的控制電路主要包含有兩個鎖相控制環(huán)路其中一個環(huán)路為激光穩(wěn)頻 環(huán)路，通過在注入垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的電流(mA量級)上疊加幾KHz的淺幅調(diào)制(μΑ量級)，以實現(xiàn)對輸出激光頻率的 調(diào)制，使用光電探測器探測VCSEL輸出激光與原子作用后的光強，可得到原子對不同頻率 激光的吸收譜線，通過相干解調(diào)的方法從原子對激光的吸收譜獲得反饋信號，用于調(diào)節(jié)注 入VCSEL的電流，將輸出激光頻率鎖定在原子對不同頻率激光的吸收譜線中最大共振吸收 峰對應(yīng)的頻率上；另一個環(huán)路為微波頻率鎖定環(huán)路，將微波耦合到注入VCSEL的電流中，使 VCSEL輸出產(chǎn)生雙色相干光，用于產(chǎn)生CPT現(xiàn)象，與激光穩(wěn)頻環(huán)路類似，通過鎖相環(huán)對微波 疊加幾百Hz的頻率調(diào)制，使用光電探測器探測VCSEL輸出激光與原子相互作用后的光強， 可得到CPT譜線，通過相干解調(diào)的方法獲得反饋信號，用于調(diào)節(jié)微波頻率，將微波頻率鎖定 在CPT峰上，以實現(xiàn)穩(wěn)頻的目的。由此可見，相干解調(diào)是實現(xiàn)CPT原子鐘鎖相控制的重要方法，CPT原子鐘的性能 與其所使用的相干解調(diào)效果有很大的關(guān)系，高性能的原子鐘和高性能的調(diào)制解調(diào)環(huán)路是分 不開的?，F(xiàn)常用的原子鐘調(diào)制解調(diào)方法有三種一是通過數(shù)字方法控制高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)得到調(diào)制信號，通過量子系統(tǒng)后，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)高速采集響應(yīng)信號，通過數(shù) 字解調(diào)算法得到解調(diào)結(jié)果，再由數(shù)字方法控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行反饋，如北京大學(xué)汪中等申 請的專利(一種相干布居囚禁原子鐘，申請?zhí)?00810225078. 8)；另一種為通過模擬或數(shù)字 方法得到調(diào)制信號，利用模擬開關(guān)解調(diào)響應(yīng)中的同頻信號，得到模擬解調(diào)結(jié)果，執(zhí)行模擬反 饋；還有一種是通過模擬開關(guān)解調(diào)，得到模擬解調(diào)結(jié)果，再用ADC采集，數(shù)字控制DAC反饋。 現(xiàn)有的這三種方法各有缺點，第一種方法對ADC、DAC的采集速度和精度要求高，對ADC、DAC 的參考時鐘要求也很高，需要專門的時鐘分配芯片給電路提供時鐘，并且需要專門的控制 芯片作為控制接口，增加了分立電路的功耗和體積，不利于CPT原子鐘的小型化，同時該方法對微控制器的處理能力有較高的要求，且處理算法和數(shù)字電路引入的噪聲對調(diào)制解效果 影響很大，將直接影響到CPT原子頻標(biāo)的穩(wěn)定度；第二種方法的反饋控制電路調(diào)節(jié)復(fù)雜，靈 活性差；第三種方法中的開關(guān)解調(diào)方法一般利用場效應(yīng)管控制開關(guān)，外部電路的噪聲性能 和體積難以兼顧?？傊O(shè)計、研制出滿足小型、低功耗要求，性能更加理想的調(diào)制解調(diào)電路，是改進 小型化CPT原子鐘的一個關(guān)鍵方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置，該裝置體積小，功耗 低，精度高。相比已有的調(diào)制解調(diào)裝置，該裝置降低了整機的體積和功耗，提高了解調(diào)信號 的信噪比，在此基礎(chǔ)上研制出的小型化CPT樣機指標(biāo)已達到國際上最好的商用小型CPT原 子鐘水平。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施
一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置，該裝置包括光檢放大電路、直流解調(diào)單元、微 波解調(diào)單元、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)、微控制器、第一數(shù) 模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)、頻率綜合電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路、直 流偏置器件、物理系統(tǒng)。其特征在于物理系統(tǒng)的輸入輸出分別與光檢放大電路、直流偏置 器件相連，物理系統(tǒng)中的光電探測器輸出端與光檢放大電路相連，光檢放大電路的輸出分 別與直流解調(diào)單元和微波解調(diào)單元相連，直流調(diào)制單元與微波調(diào)制單元的輸出分別通過第 一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)、 第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)輸出與微控制器相連，微控制器通過串行接口總線讀取模數(shù)轉(zhuǎn) 換得到的結(jié)果。微控制器通過串行接口總線與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換 器(微波環(huán)路)相連，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)分別與頻率綜 合電路、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路相接。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路輸出端、頻率綜合電路的微波輸出 端分別與直流偏置器件的直流和微波輸入端相連。直流偏置器件輸出與物理系統(tǒng)的VCSEL 輸入端相連，驅(qū)動激光管發(fā)光。其中光檢放大電路，直流解調(diào)單元，直流環(huán)路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微 控制器，直流環(huán)路數(shù)模轉(zhuǎn)換器，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，直流偏置器件，物理系統(tǒng)構(gòu)成激光頻 率鎖定環(huán)路；而光檢放大電路，微波解調(diào)單元，微波環(huán)路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，微控制器，微波環(huán)路數(shù) 模轉(zhuǎn)換器，頻率綜合電路，直流偏置器件，物理系統(tǒng)構(gòu)成微波頻率鎖定環(huán)路。所述的物理系統(tǒng)包括微波發(fā)生器、VCSEL激光器、原子氣室和光電探測器；VCSEL 激光器輸入與直流偏置器件的輸出相連，VCSEL激光器發(fā)出的激光經(jīng)過原子氣室與原子相 互作用，透射的激光進入光電探測器，光電探測器的輸出與光檢放大電路相連。微控制器用于提供調(diào)制和相干解調(diào)所需的方波信號，調(diào)節(jié)調(diào)制和相干解調(diào)方波 信號之間的相位，處理解調(diào)得到的結(jié)果，并控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器反饋輸出；
所述的調(diào)制單元用于調(diào)制所述原子鐘物理單元中的激光器和微波發(fā)生器，得到經(jīng)過 調(diào)制的直流和微波；
所述的解調(diào)單元包括帶通濾波器、解調(diào)器和低通濾波器，用于從所述原子鐘物理單元 中光電探測器輸出中過濾出與調(diào)制同頻的信號分量，并模擬解調(diào)。所述的直流解調(diào)單元、微波解調(diào)單元包括帶通濾波器、微控制器、解調(diào)器、低通濾波器，解調(diào)器包括信號通道、參考通道、相位檢測器，解調(diào)器中的信號通道與參考通道兩個 輸入通道與相位檢測器連接，帶通濾波器的輸出的鑒頻信號接入解調(diào)器中的信號通道，微 控制器輸出用于解調(diào)的參考方波輸入?yún)⒖纪ǖ溃庹{(diào)器的輸出與低通濾波器相連。通過微波對VCSEL的輸入電流進行幅度調(diào)制，可獲得受微波調(diào)制的多色光，這些 多色光具有良好的相干特性。選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制指數(shù)，使該多色光中的士 1級邊帶光較強。 此多色光通過吸收泡和泡中的原子相互作用，利用透射光信號來檢測原子對激光頻率和微 波頻率的響應(yīng)，就是光檢測原理。通過檢測透射光的光強，可以得到原子對激光頻率的響 應(yīng)。在溫度不變的條件下，一定范圍內(nèi)，VCSEL輸出的光頻率隨輸入的電流線性變化，電流 越大，激光波長越長。在微波調(diào)制時進行電流掃描，可得到原子對激光的吸收譜線。將激 光頻率停留在最大吸收峰的峰值處，對應(yīng)于士 1級邊帶同時作用在所選定的原子能級上。 調(diào)整微波的頻率，使得士 1邊帶光子的能量差與兩下能級的能量差精確相等，這時原子體 系中的部分原子就會被制備成CPT態(tài)而不再吸收光子，因而光電探測器將探測到較強的透 射光信號，這就是由CPT態(tài)所造成的電磁感應(yīng)透明(EIT，Electromagnetically Induced Transparency) flfl。激光頻率鎖定選用原子對激光的多普勒吸收譜線作為鑒頻譜線，微波頻率鎖定選 用EIT譜線作為鑒頻譜線。在供給VCSEL的直流和微波上加上調(diào)制，并配合相敏檢測方法 提高信噪比。這種帶有調(diào)制的雙色光與原子相互作用后，原子則對這些偵測激勵信號有鑒 頻作用，光檢信號攜帶了調(diào)制信號各次諧波的鑒頻信息。將鑒頻信號同步解調(diào)就得到鎖定 激光頻率的糾偏電流和鎖定微波頻率的糾偏電壓。針對直流調(diào)制進行解調(diào)，得到直流環(huán)路的糾偏電壓，其極性和幅度反映了激光頻 率與所選鎖定頻率的偏差方向和偏差程度，將該糾偏電壓作為負(fù)反饋量疊加到VCSEL的輸 入電流就可實現(xiàn)激光頻率穩(wěn)頻。同理，針對微波調(diào)制進行解調(diào)，得到微波環(huán)路的糾偏電壓， 其極性和幅度反映了微波頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差方向和偏差程度，將該糾偏電壓作為負(fù)反 饋量加到頻率綜合電路中晶體振蕩器的壓控端就可實現(xiàn)微波頻率穩(wěn)頻。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
將相敏檢測技術(shù)用于對光檢信號的檢測和處理顯示出優(yōu)秀的性能，可獲得用于反饋的 糾偏信號。相敏檢測對白噪聲具有有效的抑制作用，能在較強的噪聲中提取信號，使得測量 精度大大提高。同時，由于采用高精度模擬器件實現(xiàn)相干解調(diào)電路，避免了直接對鑒頻信號 進行數(shù)字采樣過程弓I起的量化誤差，進一步提高了信噪比。在模擬電路的基礎(chǔ)上加入了數(shù)字電路+軟件的設(shè)計思路。通過微控制器提供調(diào)制 和相干解調(diào)的參考信號，并控制掃描反饋的流程，充分利用了軟件的靈活性，且調(diào)試更加方 便。通過微控制器可改變調(diào)制信號與相干解調(diào)信號的之間的相位差并實現(xiàn)自動修正，可提 高相敏檢測的精度。本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，微控制器提供用于調(diào)制與相干解調(diào)的方波信號只需要占用 很少的資源，可用低功耗低成本的微控制器實現(xiàn)。參考信號的頻率遠低于數(shù)字方法所需的 采樣頻率，同時由于微控制器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集的信號為解調(diào)得到的結(jié)果，而不是原始 的光檢信號，因此對微控制器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器時鐘和處理速度的要求大大降低，在體積、功 耗、成本上具有優(yōu)勢。將本發(fā)明實現(xiàn)的相干解調(diào)裝置用于CPT頻標(biāo)，滿足了小信號檢測的及高精度的需求，提高了原子頻標(biāo)穩(wěn)定度。


圖1為一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-光檢放大電路(采用運算放大器MAX414實現(xiàn))，2_直流解調(diào)單元(采用平 衡調(diào)制解調(diào)器AD630實現(xiàn))，3_微波解調(diào)單元(采用平衡調(diào)制解調(diào)器AD630實現(xiàn))，4-第一模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADS1211)，5-第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADS1211)，6-微控制器(MSC1220)，7-第一數(shù)模 轉(zhuǎn)換器(ADS1200)，8-第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADS1200)，9-頻率綜合電路(LMX2487)，10-電壓/ 電流轉(zhuǎn)換電路(采用運算放大器MAX414實現(xiàn))，11-直流偏置電路(在微波信號上加上直流 偏置，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員均可實現(xiàn))，12-物理系統(tǒng)。圖2為CPT原子頻標(biāo)中激光與原子相互作用原理示意圖。其中，圖a為Rb原子三能級結(jié)構(gòu)，EU E2為基態(tài)能級，E3為激發(fā)態(tài)能級，fVCSEL為 經(jīng)過微波調(diào)制后的VCSEL輸出的激光頻譜，其中f+1和L1分別對應(yīng)原子能級E1、E2與E3 之間的能級躍遷頻率V1* v2;圖b為掃描激光器輸入電流得到的原子對不同激光頻率的 多普勒吸收譜線；圖c為掃描調(diào)制微波頻率得到的CPT信號。圖3為一種相干解調(diào)原理示意圖。其中，橫坐標(biāo)表示輸入微波頻率f，縱坐標(biāo)表示輸出的光電流大小I。f\、f2、f3分 別表示三種不同微波頻率下正弦波調(diào)制得到的輸入信號，I1^ 12、I3、分別表示對應(yīng)的三種不 同微波頻率下光電流輸出信號。圖4為一種單路相干解調(diào)單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中，21-帶通濾波器(采用運算放大器MAX414實現(xiàn))，22_微控制器(MSC1220)， 23-解調(diào)器(AD630)，24-低通濾波器(采用運算放大器實現(xiàn))。25-信號通道，26-參考通道， 27-相位檢測器(AD630)。圖5為一種微控制器程序運行框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述
根據(jù)圖1可知，一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置，它由光檢放大電路1、直流解調(diào) 單元2、微波解調(diào)單元3、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)5、微控 制器6、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)7、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)8、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 9、頻率綜合電路10、直流偏置器件11、物理系統(tǒng)12組成。CPT原子頻標(biāo)伺服電路主要完成 兩個環(huán)路的控制和鎖定，一個是激光穩(wěn)頻環(huán)路，另一個是微波穩(wěn)頻環(huán)路，相應(yīng)地，每個環(huán)路 均包含獨立的調(diào)制和解調(diào)裝置。其連接關(guān)系是物理系統(tǒng)12中的光電探測器輸出端與光檢 放大電路1相連，物理系統(tǒng)12中的VCSEL輸入端與直流偏置器件11相連。光檢放大電路 1的輸出分別與直流解調(diào)單元2和微波解調(diào)單元3相連，光檢放大電路1與直流解調(diào)單元2 和微波解調(diào)單元3相連，光檢放大電路將物理系統(tǒng)12光電探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電 壓信號，并進行放大和濾波，得到含有直流調(diào)制和微波調(diào)制頻率的信號，分別送入直流解調(diào) 單元2和微波解調(diào)單元3解調(diào)。直流解調(diào)單元2與微波解調(diào)單元3是本發(fā)明的重要部分， 其作用為對濾波得到的直流和微波兩路信號進行解調(diào)，利用相敏檢測的原理得到直流和微波糾偏信號，得到噪聲低，靈敏度高的糾偏信號。直流解調(diào)單元2與微波解調(diào)單元3的輸出 分別通過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)5相連，將糾偏信號 由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)5輸出 與微控制器6相連，微控制器6通過串行接口總線讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果。微控制器6 是伺服裝置的主要控制器件，其作用為讀取第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (微波環(huán)路)5輸出的糾偏信號，根據(jù)一定的算法計算得到直流和微波反饋量，然后根據(jù)此反 饋量輸出電壓信號，改變直流輸出的大小和微波輸出信號的頻率。同時，微控制器6輸出用 于調(diào)制和相干解調(diào)的參考方波信號，調(diào)制和解調(diào)方波之間的相位精確可調(diào)，調(diào)制與相干解 調(diào)的過程由外部模擬電路完成，無需微控制器的干預(yù)。微控制器通過調(diào)節(jié)調(diào)制和解調(diào)方波 之間的相位差獲得最好的解調(diào)結(jié)果。此外，微控制器還用于整機工作過程控制，包括初始化 配置，直流掃描與反饋，微波掃描與反饋等過程。微控制器6通過串行接口總線與第一數(shù)模 轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)7、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)8相連，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)7與 綜頻電路9相連，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)8與電壓/電流轉(zhuǎn)換電路10相連。微控制器 6控制第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)8輸出電壓信號經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換電路9得到電流信 號，驅(qū)動激光管發(fā)光，并通過改變電流大小改變輸出激光的頻率。頻率綜合電路9由IOMHz 壓控晶振、微波頻率壓控振蕩器和鎖相環(huán)組成，將壓控晶振產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號通過頻率 綜合電路得到原子基態(tài)超精細能級頻率差的一半(約3. 417GHz)的微波頻率信號。微控制 器6控制第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)8輸出電壓信號，控制壓控晶振輸出頻率，進而改變頻 率綜合電路10輸出的微波頻率。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路9輸出端輸出直流，頻率綜合電壓/ 電流轉(zhuǎn)換電路10的微波輸出端輸出微波，分別與直流偏置器件11的兩個輸入端相連。直 流偏置器件11在輸入的直流上疊加微波調(diào)制，得到幅度調(diào)制的直流，調(diào)制頻率為輸入微波 頻率。直流偏置器件11輸出與物理系統(tǒng)12的VCSEL輸入端相連，驅(qū)動激光管發(fā)光，由于直 流上的疊加的微波調(diào)制，VCSEL輸出激光在基頻之外會出現(xiàn)多級邊帶，相鄰邊帶之間頻率差 為微波頻率，各邊帶的幅度大小服從調(diào)頻譜分布，可由調(diào)制指數(shù)根據(jù)貝塞爾函數(shù)計算得出。 物理系統(tǒng)12是CPT原子頻標(biāo)的核心部分。VCSEL輸出激光與原子相互作用，不同頻率的激 光與原子作用時具有不同的吸收特性。其中光檢放大電路1、直流解調(diào)單元2、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4、微控制器6、 第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)7、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路9，直流偏置器件11、物理系統(tǒng)12構(gòu)成 激光頻率鎖定環(huán)路。光檢放大電路1，微波解調(diào)單元3，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)5、微控 制器6，第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)8、頻率綜合電路10，直流偏置器件11，物理系統(tǒng)12構(gòu) 成微波頻率鎖定環(huán)路。所述的物理系統(tǒng)12包括VCSEL激光器(ULM795)、原子氣室(圓柱形銣原子玻璃氣 室，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員均能設(shè)計實現(xiàn))和光電探測器(S1223 Series) ；VCSEL激光器輸 入與直流偏置器件11的輸出相連，VCSEL激光器發(fā)出的激光經(jīng)過原子氣室與原子相互作 用，透射的激光進入光電探測器，光電探測器的輸出與光檢放大電路1相連。圖2是CPT原子頻標(biāo)中激光與原子相互作用時輸入與輸出的關(guān)系，其中，圖2a為 Rb原子三能級結(jié)構(gòu)，E1、E2為基態(tài)能級，E3為激發(fā)態(tài)能級，fVCSEL為經(jīng)過微波調(diào)制后的VCSEL 輸出的激光頻譜，其中f+1和L1分別對應(yīng)原子能級El、E2與E3之間的能級躍遷頻率V1 和V2 ；圖2b為掃描激光器輸入電流得到的原子對不同激光頻率的多普勒吸收譜線；圖2c為掃描調(diào)制微波頻率得到的CPT信號。微波調(diào)制VCSEL的輸入電流，得到多色光，選取合適 的調(diào)制深度使正負(fù)一級邊帶(f+1與L1 )最大。激光頻率改變時，該多色光與原子相互作 用會有不同的吸收，通過探測透射光的光強，便可得到如圖2b所示的吸收譜線。用其中幅 度最大的吸收譜線，即正負(fù)一級邊帶的吸收譜線作為激光頻率的鑒頻譜線，在激光穩(wěn)頻環(huán) 路中產(chǎn)生負(fù)反饋電流疊加的VCSEL的輸入電流中，便可穩(wěn)定VCSEL輸出激光的頻率。改變 調(diào)制VCSEL的輸入電流的微波頻率，當(dāng)微波頻率嚴(yán)格等于原子三能級結(jié)構(gòu)(2a)中原子兩下 個能級的頻率差時，會產(chǎn)生EIT現(xiàn)象(2c)。用EIT譜線作為微波頻率的鑒頻譜線，在微波穩(wěn) 頻環(huán)路中產(chǎn)生負(fù)反饋電壓信號輸入到晶體振蕩器的壓控端，便可實現(xiàn)微波頻率穩(wěn)頻，得到 原子鐘穩(wěn)定的IOMHz頻率輸出。所述的物理系統(tǒng)12輸出的光檢信號如果直接放大用作鑒頻信號會出現(xiàn)兩個問 題，一是信號信噪比低，二是光檢信號的強弱只能給出探詢信號偏離設(shè)定頻率的大小而不 能直接反映偏離的方向。因此，為了從吸收譜線和EIT譜線中檢測出信號的偏離，在CPT原 子頻標(biāo)工作環(huán)路中需要對供給VCSEL的直流和微波進行調(diào)制，并配合相敏檢測方法提高信 噪比。圖3為相干解調(diào)的原理，受到調(diào)制的雙色光與原子作用后，光檢信號攜帶了調(diào)制 信號各諧波的鑒頻信息。將鑒頻信息進行同步解調(diào)就得到鎖定激光頻率的糾偏電流和鎖定 微波頻率的糾偏電壓，這就是伺服的相干同步解調(diào)理論。以微波鎖定環(huán)路為例分析，圖中所 示光電流-微波頻率曲線為EIT譜線。對微波進行固定頻率的調(diào)制，可在光檢信號中得到 包含該調(diào)制頻率的信息。根據(jù)EIT譜線，對于不同的微波頻率，光檢信號中包含不同的調(diào)制 頻率信息。如圖3所示，光檢信號的相位與微波頻率和EIT譜線中心頻率的關(guān)系分為三種 情況
第一當(dāng)微波頻率低于EIT譜線中心頻率時，光檢信號與參考信號反相，圖中f< fKb所
7J\ ο第二 當(dāng)微波頻率高于EIT譜線中心頻率時，光檢信號與參考信號同相，圖中f>fKb 所示。第三當(dāng)微波頻率等于EIT譜線中心頻率時，光檢信號表現(xiàn)為基波的二倍頻信號， 基波分量最小，如圖中f=fKb所示。從以上分析可知，光檢信號的相位極性反映微波頻率相對于EIT譜線中心頻率是 高還是低，光檢信號的幅度則反映該微波頻率處EIT譜線的斜率。通過對光檢信號進行解調(diào)，得到EIT譜線的微分曲線，解調(diào)結(jié)果的符號和大小反 映了微波頻率出現(xiàn)偏離的大小和方向。根據(jù)該微分曲線對頻率綜合電路9的輸入電壓進行 反饋，達到穩(wěn)定微波頻率的目的。直流和微波環(huán)路調(diào)制所需的參考方波由微控制器6給出，兩路調(diào)制信號保持一定 的頻率間隔以減小兩個環(huán)路之間的串?dāng)_。直流調(diào)制參考方波信號通過分壓之后得到調(diào)制信 號，疊加在電壓/電流轉(zhuǎn)換的輸出上。微波的調(diào)制通過周期性改變鎖相環(huán)綜頻的倍數(shù)實現(xiàn)， 壓控晶振輸入電壓恒定時，壓控晶振有固定的頻率輸出。微制器6以一定的頻率交替發(fā)送 高低兩種控制字，使得頻率綜合電路產(chǎn)生的微波輸出包含頻率調(diào)制。所述的物理系統(tǒng)12中光電探測器輸出的電流信號經(jīng)過光檢放大電路1得到放大 后的電壓信號輸出，該信號中直流分量由光檢放大電路1濾除，交流分量中包含了調(diào)制信號各諧波的鑒頻信息。直流環(huán)路和交流環(huán)路鑒頻信號的頻率由微控制器6給出的調(diào)制信號 控制，具有一定的頻率差，通過帶通濾波器分離直流環(huán)路和交流環(huán)路中不同頻率的鑒頻信 號。直流解調(diào)單元2和微波解調(diào)單元3分別對兩路信號進行解調(diào)，得到用于直流環(huán)路和微 波環(huán)路的反饋信號，得到的結(jié)果由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，發(fā)送給微控制器進行處理。圖4為直流解調(diào)單元2、微波解調(diào)單元3結(jié)構(gòu)圖，所述的直流解調(diào)單元2、微波解調(diào) 單元3的結(jié)構(gòu)完全相同，直流解調(diào)單元2、微波解調(diào)單元3的部件包括帶通濾波器21，微控 制器22，解調(diào)器23，低通濾波器24。解調(diào)器23包括信號通道25、參考通道26、相位檢測器 27。其連接關(guān)系為解調(diào)器23中的信號通道25與參考通道26兩個輸入通道與相位檢測器 27連接。帶通濾波器21的輸出的鑒頻信號接入解調(diào)器23中的信號通道25，微控制器6輸 出用于解調(diào)的參考方波輸入?yún)⒖纪ǖ?6，解調(diào)器23的輸出與低通濾波器24相連。解調(diào)器23是模擬解調(diào)電路的核心部件，既鑒相又鑒幅，其輸入取決于信號通道25 輸入信號的幅度以及輸入信號與參考通道26輸入?yún)⒖夹盘柕南辔徊?。常用的解調(diào)器有模 擬乘法器式和電子開關(guān)式，實際上電子開關(guān)式相位檢測器相當(dāng)于參考信號為方波情況下的 模擬乘法器。解調(diào)電路采用了 Analog Devices公司生產(chǎn)的AD630平衡調(diào)制解調(diào)芯片。該 芯片具有低功耗，高信噪比的特點。AD630有很多用途，根據(jù)外部配置電路的不同，該芯片可 以接成平衡調(diào)制/解調(diào)器、鎖相放大器、相位檢測器等功能電路形式。AMP A和AMP B分別配置為正向放大器和反向放大器。信號通道26對調(diào)制正弦信 號進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相位檢測器工作的電平，同時濾除部分干擾 和噪聲。參考信號輸入到比較放大器，參考信號可以為方波、單頻正弦或余弦等形式。待檢 測信號在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號的正負(fù)進行翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了開關(guān)乘法功能。AD630的作用就是得到輸入信號和參考信號相乘后的結(jié)果，后續(xù)的低通濾波電路 的作用是累加求和，濾去交流信號，得到直流信號。因此，只要將光檢信號與輸入信號相連， 同步解調(diào)方波信號與參考信號相連，就可以得到環(huán)路鎖定所需的誤差信號。微控制器6是整個控制功能的核心。微控制器6輸出一路5kHz方波至電壓/電 流轉(zhuǎn)換電路10用于直流調(diào)制，輸出兩路位相相差180度的5kHz解調(diào)方波至直流解調(diào)單元2 用于AD630解調(diào)；通過控制綜頻電路9中的鎖相環(huán)的分頻因子，通過跳頻的方式(2FSK)給 微波加上160Hz的頻率調(diào)制，同時輸出兩路位相相差180度的160Hz方波至微波解調(diào)單元 3用于AD630解調(diào)；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)5采集解調(diào)后得 到的結(jié)果并根據(jù)此結(jié)果計算，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(微波環(huán)路)7、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(直流環(huán)路)8的輸 出，以鎖定激光頻率和微波頻率；
圖5是微控制器程序運行框圖。系統(tǒng)開機時，微控制器執(zhí)行初始化操作，輸出時鐘信 號和調(diào)制解調(diào)方波信號，復(fù)位并初始化第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器4和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、第一數(shù)模轉(zhuǎn) 換器7和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器8 ；初始化完畢后，開始執(zhí)行溫控程序，對物理系統(tǒng)12進行控溫， 保持物理系統(tǒng)12工作在恒定的溫度；通過讀取熱敏電阻的阻值判斷溫度是否穩(wěn)定，當(dāng)溫度 未達到穩(wěn)定值時繼續(xù)等待，當(dāng)溫度達到穩(wěn)定值時，進入掃描程序，先后對直流和微波進行掃 描，找出鎖定點，掃描結(jié)束后，將直流和微波的輸出設(shè)為鎖定點的值，然后開始反饋。微控制 器工作過程中，溫度控制從一開機就始終保持工作；溫度穩(wěn)定后，進行直流掃描，然后通過 直流反饋鎖定激光頻率，此后直流反饋始終保持；激光頻率鎖定后，進行微波掃描，微波頻率鎖定后，所有的反饋控制始終保持。
權(quán)利要求
一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置，它由光檢放大電路(1)、直流解調(diào)單元(2)、微波解調(diào)單元(3)、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)、微控制器(6)、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(9)、頻率綜合電路(10)、直流偏置器件(11)、物理系統(tǒng)(12)組成，其特征在于物理系統(tǒng)(12)的輸入輸出分別與光檢放大電路(1)、直流偏置器件(11)相連，光檢放大電路(1)的輸出分別與直流解調(diào)單元(2)和微波解調(diào)單元(3)相連，直流解調(diào)單元(2)與微波解調(diào)單元(3)的輸出分別與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)相連，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(4)、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)輸出與微控制器(6)相連，微控制器(6)與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)相連，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器(7)、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器(8)分別與頻率綜合電路(10)、電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(9)相接，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(9)輸出端、頻率綜合電路(10)的微波輸出端分別與直流偏置器件(11)的直流和微波輸入端相連，直流偏置器件(11)輸出與物理系統(tǒng)(12)的VCSEL輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置，其特征在于所述的 直流解調(diào)單元(2)包括帶通濾波器(21)、微控制器(22)、解調(diào)器(23)、低通濾波器(24)， 解調(diào)器(23)包括信號通道(25)、參考通道(26)、相位檢測器(27)，帶通濾波器(21)的輸出 與解調(diào)器(23 )的信號通道(25 )輸入相連，微控制器(6 )的輸出與解調(diào)器(23 )參考通道(26 ) 相連，解調(diào)器(23 )的輸出與低通濾波器(24 )相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于CPT原子鐘的相干解調(diào)裝置。它包含兩路調(diào)制和解調(diào)單元，采用數(shù)字控制電路與模擬解調(diào)電路實現(xiàn)高精度的相干解調(diào)。微控制器經(jīng)過兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與電壓/電流轉(zhuǎn)換電路和頻率綜合電路相連，微控制器輸出的調(diào)制參考方波至電壓/電流轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)直流環(huán)路調(diào)制，微控制器控制頻率綜合電路相連實現(xiàn)微波環(huán)路調(diào)制。電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的輸出與頻率綜合電路的輸出通過直流偏置器件與物理系統(tǒng)的VCSEL輸入端相連。物理系統(tǒng)輸出的光電流信號經(jīng)過光檢放大電路后連接到直流解調(diào)電路和微波解調(diào)電路，解調(diào)結(jié)果分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入微控制器。該裝置體積小，功耗低，信噪比高?；谠撗b置的CPT原子鐘指標(biāo)已達到國際上最好的商用小型CPT原子鐘水平。
文檔編號H03L7/26GK101931405SQ20101027716
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者云恩學(xué), 張奕, 鄧威, 顧思洪 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所