本文關(guān)鍵詞： 芯片原子鐘 相干布居囚禁 光頻移 垂直腔面發(fā)射激光器　出處：《中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：被動(dòng)型相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子鐘不需要微波諧振腔,是一種全光學(xué)微波原子鐘。由于物理系統(tǒng)體積不受微波腔尺寸的限制,通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)工藝可以制造體積1cm3左右的芯片物理系統(tǒng),再配合專(zhuān)用集成電路(application specific integrated circuit,ASIC)技術(shù)設(shè)計(jì)微型伺服電路,可以實(shí)現(xiàn)芯片原子鐘。芯片原子鐘是一種微體積、微功耗、高精度的時(shí)間頻率設(shè)備,可以滿(mǎn)足在功耗、體積和成本受限而對(duì)性能有較高要求的情況下的應(yīng)用需求,未來(lái)具有良好的應(yīng)用前景。本文主要介紹我們?yōu)檠兄菩酒隅娝_(kāi)展的部分工作,包括為優(yōu)化芯片原子鐘性能所進(jìn)行的理論、實(shí)驗(yàn)研究,以及為提高芯片原子鐘CPT信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行的技術(shù)探索等工作,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:我們對(duì)所研制的微型87Rb原子氣室開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和特性研究,在此基礎(chǔ)上研制出了性能滿(mǎn)足應(yīng)用要求的微型原子氣室,并實(shí)現(xiàn)了芯片原子鐘桌面系統(tǒng),測(cè)量獲得芯片原子鐘桌面系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度為3.60×10-10τ-1/2。CPT原子種的性能可以通過(guò)CPT信號(hào)方便、有效地實(shí)施優(yōu)化,但是受資源限制芯片原子鐘獲得的CPT信號(hào)質(zhì)量差,開(kāi)展優(yōu)化工作困難。因此實(shí)施芯片原子鐘的性能優(yōu)化效率低、耗時(shí)長(zhǎng)。我們根據(jù)芯片原子鐘的微分CPT信號(hào)質(zhì)量好的特點(diǎn),探索出一條利用微分CPT信號(hào)間接獲得CPT信號(hào)的相關(guān)特性,進(jìn)而實(shí)施原子鐘性能優(yōu)化的方法。通過(guò)芯片原子鐘桌面系統(tǒng)我們完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明該方法為優(yōu)化芯片原子鐘提供了簡(jiǎn)單有效的途徑。我們理論分析了芯片原子鐘CPT信號(hào)展寬機(jī)理,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了影響CPT信號(hào)線寬和幅度的主要因素,探索了芯片原子鐘參數(shù)優(yōu)化的基本方法。我們用兩種光-原子作用模型計(jì)算分析了物理參數(shù)對(duì)CPT信號(hào)質(zhì)量的影響,研究了物理參數(shù)對(duì)光-原子作用過(guò)程的作用機(jī)理,獲得了芯片原子鐘物理參數(shù)優(yōu)化的方法。研究結(jié)果起到為芯片原子鐘研制和工作推薦參數(shù)的作用。這兩項(xiàng)工作已經(jīng)應(yīng)用于我們團(tuán)隊(duì)研制的功耗210mW、體積19cm3、典型頻率穩(wěn)定度約為2×10-10τ-1/2的芯片原子鐘。根據(jù)光與原子作用的AC Stark效應(yīng)理論,我們分析了調(diào)頻多色光引起CPT共振頻移的物理機(jī)理,討論了光頻移系數(shù)與微波調(diào)制指數(shù)的關(guān)系,研究了通過(guò)設(shè)置合適的微波調(diào)制指數(shù)減小光強(qiáng)變化對(duì)芯片原子鐘輸出頻率影響的方法。另外,我們還研究了垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)輸出的調(diào)頻光頻率邊帶光強(qiáng)分布不同對(duì)芯片原子鐘光頻移的影響,研究結(jié)果表明芯片原子鐘光頻移優(yōu)化還應(yīng)考慮VCSEL輸出激光的頻譜分布,根據(jù)光譜特性設(shè)置合適的工作點(diǎn)才能更好地抑制光頻移。我們分析了常規(guī)CPT原子鐘以單一圓偏振光實(shí)現(xiàn)CPT原子制備時(shí)產(chǎn)生極化暗態(tài)原子的原因和可能的解決辦法,提出了一種適合用于實(shí)現(xiàn)小型σ+σ+-σ-σ-CPT原子鐘的正交偏振光產(chǎn)生器件。利用這種小型光學(xué)器件,可以實(shí)現(xiàn)與常規(guī)CPT原子鐘體積相當(dāng)?shù)阅芨玫摩?σ+-σ-σ-CPT原子鐘。我們針對(duì)所設(shè)想的這個(gè)器件搭建了桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了與常規(guī)CPT原子鐘方案的對(duì)比實(shí)驗(yàn),獲得了頻率穩(wěn)定度改善2.5倍的研究結(jié)果。這兩項(xiàng)工作對(duì)今后開(kāi)展芯片原子鐘和小型CPT原子鐘研制作了有價(jià)值的研究積累。
[Abstract]:In this paper , we have carried out experimental and experimental research on the atomic clock of chip atomic clock , and studied the effect of physical parameters on the quality of atomic clock . We also study the influence of different intensity distributions of frequency - modulated optical frequencies on the optical frequency shift of a vertical cavity surface emitting laser ( VCSEL ) . The results show that the optical frequency shift optimization of the chip atomic clock should also take into account the spectral distribution of the VCSEL output laser .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN248

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 羅君;VCSEL的發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)應(yīng)用[J];光子技術(shù);2003年04期

2 ;850 nm Implant-confined VCSEL Temperature Characteristics[J];Semiconductor Photonics and Technology;2004年01期

3 ;Rate-equation-based VCSEL thermal model and simulation[J];Journal of Zhejiang University Science A(Science in Engineering);2006年12期

4 Fumio Koyama;;New functions of VCSEL-based optical devices Invited Paper[J];Chinese Optics Letters;2008年10期

5 劉世安,林世鳴,康學(xué)軍,程澎,陸建祖,王啟明;Numerical Analysis of Steady Current and Temperature Distributions and Characteristics of Transverse Mode in VCSEL[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);1999年11期

6 程奇;發(fā)射波長(zhǎng)為1.6μm的VCSEL適于批量生產(chǎn)[J];光電子技術(shù)與信息;2000年06期

7 張勁松,曹明翠,陳濤,譚偉;VCSEL技術(shù)與并行光互聯(lián)[J];光通信研究;2002年06期

8 陳弘達(dá),申榮鉉,毛陸虹,唐君,梁琨,杜云,黃永箴,吳榮漢,馮軍,柯錫明,劉歡艷,王志功;16信道0.35μmCMOS/VCSEL光發(fā)射模塊(英文)[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2003年03期

9 趙鼎,林世鳴;確定VCSEL電勢(shì)及載流子自洽分布算法的研究[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2003年10期

10 趙鼎,林世鳴;基于矢量光場(chǎng)的VCSEL數(shù)值模型[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);2003年12期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 陳光秒;陳軍;葛劍虹;朱小平;;垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)在自由空間通信中的應(yīng)用研究[A];大珩先生九十華誕文集暨中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2004年

2 桂華僑;黃偉;汪洪波;呂亮;謝建平;趙天鵬;許立新;吳云霞;明海;;聚合物光纖傳光的VCSEL自混合測(cè)振系統(tǒng)特性研究[A];光子科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化——長(zhǎng)三角光子科技創(chuàng)新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集[C];2006年

3 韶海鈴;王榮;;新一代光通信激光管VCSEL[A];2005通信理論與技術(shù)新進(jìn)展——第十屆全國(guó)青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

4 謝志國(guó);鄭榮升;林開(kāi)群;閻杰;張永生;;基于可見(jiàn)光VCSEL的聚合物光纖高速信號(hào)傳輸[A];光子科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化——長(zhǎng)三角光子科技創(chuàng)新論壇暨2006年安徽博士科技論壇論文集[C];2006年

5 ;A Proposal of Integrated RSNOM-RW Scanning Head Array for Ultrahigh Density and Ultrahigh Rate Optical Memory with VCSEL-Tip[A];2003年納米和表面科學(xué)與技術(shù)全國(guó)會(huì)議論文摘要集[C];2003年

6 丁松鶴;馬玲;趙俊;;高精度VCSEL激光器自動(dòng)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第二十六屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文集[C];2013年

7 劉杰;高劍剛;李玉權(quán);;VCSEL技術(shù)及其在光互連中的應(yīng)用[A];全國(guó)第十二次光纖通信暨第十三屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

8 ;Crosstalk analysis of 4×48 parallel optical interconnect system based on VCSEL/CMOS optoelectronic chip and 2-D optical fiber data link[A];湖北省激光學(xué)會(huì)論文集[C];2000年

9 王科;鄭婉華;張冶金;任剛;杜曉宇;邢名欣;陳良惠;;光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的模式分析[A];第十六屆全國(guó)半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

10 Wei-Chou Hsu;Tsin-Dong Lee;Chih-Hung Chiou;;Single Mode InGaAs Photonic Crystal Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers emitting at 1170nm[A];Proceedings of the Eighth Chinese Optoelectronics Symposium[C];2006年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 周林;VCSEL影響網(wǎng)絡(luò)測(cè)試[N];中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào);2001年

2 記者 李雙藝 通訊員 李蓉;開(kāi)發(fā)出百瓦級(jí)微型化高功率半導(dǎo)體激光模塊[N];吉林日?qǐng)?bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李秀山;垂直腔面發(fā)射激光器高階模式及偏振控制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2015年

2 尹毅;芯片原子鐘性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所);2017年

3 何德勇;單模VCSEL自混合激光多普勒測(cè)速研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

4 馬雅男;垂直腔面發(fā)射激光器的慢光特性研究[D];西南交通大學(xué);2013年

5 王偉;高功率垂直腔面發(fā)射激光器的偏振特性[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2012年

6 徐軍;單模VCSEL自混合測(cè)速、測(cè)距及三維圖像技術(shù)的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

7 劉迪;高功率垂直腔面發(fā)射激光器的熱行為特性[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2012年

8 晏長(zhǎng)嶺;垂直腔面發(fā)射激光器的研制及其特性分析[D];中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所;2000年

9 黃占超;長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器材料與物理研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2006年

10 張祥偉;高功率垂直腔面發(fā)射激光器的偏振控制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉慶喜;VCSEL混沌系統(tǒng)的時(shí)延隱藏與不可預(yù)測(cè)性研究[D];西南交通大學(xué);2015年

2 欒信信;高速850nm VCSEL的研制[D];北京工業(yè)大學(xué);2015年

3 李洪雨;單模表面浮雕結(jié)構(gòu)垂直腔面發(fā)射激光器的特性研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2014年

4 王文娟;基于表面等離子體的垂直腔面發(fā)射激光器的設(shè)計(jì)和研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2015年

5 萬(wàn)仁;120Gb/s CXP光收發(fā)模塊的研究[D];武漢郵電科學(xué)研究院;2014年

6 楊傳世;16Gb/s VCSEL驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2015年

7 周元隆;65nm CMOS工藝22Gb/s VCSEL驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2015年

8 蔣國(guó)慶;基于耦合VCSEL陣列的光束操控研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2016年

9 楊炳星;光脈沖注入下VCSEL的偏振開(kāi)關(guān)特性研究[D];西南大學(xué);2009年

10 左亮;VCSEL刻蝕工藝研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2010年

，

本文編號(hào)：1453757