基于AOM的CPT原子钟差分降噪实验研究

姜 毅，刘瑞元，赵建业

（北京大学信息科学技术学院电子系，北京 100871）

1 引言

原子钟可以提供精确的频率标准，高性能的星载原子钟是导航卫星上的重要设备[1]。卫星技术的不断发展，对于原子钟的体积和功耗提出了更高的要求。基于 CPT 原理[2]的原子钟是一种成功的小体积、低功耗原子钟生产方案，美国的Symmertricom 公司已经推出了基于 CPT 原理的商业化原子钟。使用 CPT 原理的原子钟与传统铷原子钟相比，由于不需要微波腔，体积可以做到很小。另一方面传统铷原子钟的功耗主要消耗在铷灯的加热上，由于 CPT原子钟使用体积很小的激光器作为光源，所以消耗的功耗很低[3]。CPT 原子钟在下一代卫星通信、定位导航领域具有广泛的应用前景。

CPT原子钟中，物理光路部分的噪声会对原子钟稳定度产生明显的影响。本文分析了物理光路部分的噪声来源，提出了一种差分降噪的方案，并进行了具体的实验验证，为CPT原子钟的改进提供了参考。

2 CPT原子钟的原理及其基本结构

CPT原子钟的基本结构由物理光路和伺服电路两部分组成，如图1所示。

图1 CPT原子钟的结构框图

图1中，其物理光路中选用87Rb原子的D1线跃迁来产生CPT现象，同时选用中心波长为795nm的垂直腔面发光激光器（VCSEL）作为光源[4]。795nm 是87Rb原子的D1线跃迁光对应的波长，在该频率的激光上叠加3.417GHz的射频信号，可以产生激发CPT现象所需要的双色相干激光。由于只有圆偏振光才能激发产生我们所需的CPT信号[5]，所以需要在激光光路上添加一个λ/4波片滤波。当激光通过铷原子气室后，用一个光电探测器PD来监测光强变化。激光在原子气室内发生共振吸收和激发CPT现象都会体现在PD探测到的光强变化上。其余部分为CPT原子钟的伺服系统，它一方面需要控制温度，驱动VCSEL工作，以满足产生CPT的条件；另一方面，需要根据PD探测到的信号变化为物理光路提供反馈，以完成激光波长和CPT信号的锁定，最终提供稳定的10MHz信号输出。

3 CPT原子钟噪声分析

影响CPT原子钟长期（＞10000s）稳定度的因素有缓冲气体、温度、磁场、光强、微波功率等[6]，已经有诸多文献进行关于提高原子钟长期稳定度的研究。而CPT原子钟的短期（100s～1000s）稳定度主要受白噪声和光强噪声（包括散粒噪声、热噪声和转换噪声）的影响。其中，散粒噪声和热噪声主要是由探测装置内的电子振动引起的，两者都取决于PD光电探测器的性能而不受光学频率改变的影响[7]。在CPT原子钟中，由散粒噪声决定的稳定度极限可以表示为[8]：

式中，e表示电子电量；Q1是品质因子，表示两个基态超精细能级之间的能级差对应的频率与CPT线宽的比值，；Ibg是背景光强；α是CPT信号的对比度。在我们的CPT原子钟中，选用PD光检测器的，线宽 Δυ1/2=500Hz，对比度α=5‰。由此计算，其散粒噪声和白噪声影响CPT稳定度的贡献为：

由激光器的频率和幅度波动经介质转换会引发转换噪声，它造成的CPT原子钟的稳定度极限可以表示为[9]：

式中，k1是激光光强变化引起的频率不稳定度系数；k2是激光频率变化引起的频率不稳定度系数；δI表示激光光强变化量的相对百分比；δf表示激光频率的变化量，单位为MHz。在我们的CPT原子钟中，k1=7.5×10-12/1%，k2=1.37×10-12/MHz。其中激光器的幅度噪声可以控制在1%以内，而VCSEL的线宽约为50MHz，因此激光器引起的频率不稳定度约为7.6×10-11τ-1/2。

从上面的分析推导中可以看出，激光器本身波动所带来的噪声是影响CPT原子钟稳定度的重要因素。通常，在空气介质中，激光器的频率噪声（或相位噪声）变化对光强检测的影响可以忽略，但是，当激光辐射传播通过一种原子共振媒介后，其频率噪声会引起偏振模式的波动，从而引起透射光强度的波动，称为FM-AM转换噪声[10]。显然转换噪声的大小取决于激光器和原子气室的性能。当前的CPT原子钟通常使用VCSEL（垂直腔面发光激光器）作为光源。由于VCSEL激光器的谱线较宽，约为50MHz，同时其电调率、温调率都比较高（0.42nm/mA 和0.055nm/K），因此，FM-AM转换噪声成为影响激光器噪声的主要因素。为此，如何压缩、降低检测信号中的FM-AM转换噪声影响是提高CPT原子钟短期稳定度的有效手段[11]。

4 实验方案设计

图2 差分系统结构框图

为了优化CPT原子钟的性能，需要降低检测信号中的FM-AM转换噪声，基于此本文提出一种差分检测方案。如图2所示，一束来自VCSEL的激光经过准直，穿过偏振器和衰减器，被AOM（acousto-optic modulator）分成两束。通过调节AOM可以得到两束强度相同的激光，这两束激光的幅度波动和频率波动相同。然后，让一束线偏振光通过一个半波片和四分之一波片转换为圆偏光，另一束线偏振光自由传播。原子气室中的一部分原子与圆偏振光相互作用，而另一部分原子与线偏振光相互作用。两束光都会发生共振吸收，而只有圆偏光经过的那一路能激发CPT，由于CPT峰的幅度比吸收峰的幅度小两到三个数量级，所以原子对两束光的吸收几乎一样，两束光经过原子气室后的FM-AM转换噪声幅度基本相同。利用两个PD（光电探测器）检测两束出射光的光强，通过做差就可以得到去除激光器FM-AM转换噪声的CPT信号。

5 测试结果分析

5.1 噪声幅度测试

VCSEL由于其小尺寸、单纵模、低功耗、低阈值电流等优点，在原子钟中的应用最广泛。然而，相对于传统的边发光激光器，VCSEL具有偏振模式不稳定，激光线宽较宽，激光波长和功率波动较大等缺点。当激光通过原子气室后，其FM-AM噪声就会成为激光器噪声中的主要成分，影响CPT原子钟的稳定度。如图3所示，分别测量VCSEL波长处于吸收峰外和处于吸收峰内时，激光束通过原子气室后的噪声幅度。从图3中可以看出，VCSEL 波长处于吸收峰内时，激光器噪声幅度明显变大。当VCSEL波长处于吸收峰外时噪声的均方根值为1mV；当VCSEL波长处于吸收峰内时，噪声的均方根值为6mV。当VCSEL波长处于吸收峰内时，在原子气室中会发生共振吸收，此时激光器的频率噪声会转换为幅度噪声，直接造成激光器噪声幅度的增加，下面的实验结果充分证明了这一点。除此之外，我们还测量了电路开路状态下，差分前后激光器噪声的幅度。从图4中可以看出，差分后激光器噪声幅度相对差分前有了明显的改善。左图为差分前，噪声的均方根值为13.1mV；右图为差分后，噪声的均方根值为6.1mV。

5.2 短期稳定度测试

图3 VCSEL波长分别处于

通过差分消除噪声，噪声幅度的降低会直接表现在短期频率稳定度的改善上。利用3120A测量原子钟锁定后的10MHz频率，并将其记录在计算机中。如图5所示，利用得到的测量数据可以计算出频率信号的阿伦方差。一组数据来自于应用差分方案的原子钟锁定结果，另一组来自于关闭线偏振后的单PD锁定结果，可以看出应用差分方案后原子钟短期稳定度有了显著的改善，差分方案中的百秒稳定度提高了1.4倍。

图4 （a）单PD激光器噪声（b）差分后激光器噪声

图5 单PD探测获得的短期稳定度（square）和双PD差分探测获得的短期稳定度（round）

6 结束语

本文介绍了一种消除激光噪声的新方案。将AOM应用于光路检测系统中，通过对圆偏振光和线偏振光测量信号的进行差分改正处理，达到降低激光FM-AM转换噪声的目的。基于AOM的光路很容易实现光开关，便于在传统CPT和差分方案之间进行转换，便于进行对照实验。实验结果表明，经过两束激光的差分，FM-AM转换噪声明显减少，百秒～千秒上GPT输出频率的短期稳定度也有明显改善。在上述研究结果的基础上，下一步还可以考虑仅采用单PD完成激光光强的探测，利用时分复用的方式完成圆偏光和线偏光之间的差分改正转换，这样可以减少因采用两个PD参数不同而带来的误差。