《计测技术》推荐文章｜北京大学陈景标团队：基于外腔半导体激光器的微型原子钟

导读

北京大学陈景标教授团队，设计实现了一种基于外腔半导体激光器的微型CPT原子钟样机，该样机使用了团队研制的芯片尺度的外腔半导体激光器（ECDL）作为光源，首次实现了非垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光源的微型原子钟设计验证。

基于外腔半导体激光器的微型原子钟

作者：廉吉庆¹^，²^，³，潘多²，赵天²^，⁴，黄鹏翔⁵，陈景标²^，⁶

作者单位：1.西安电子科技大学机电工程学院；2.北京大学电子学院量子电子学研究所光子传输与通信全国重点实验室；3.兰州空间技术物理研究所；4.国测量子科技（浙江）有限公司；5.温州大学电气与电子工程学院；6.合肥国家实验室

摘要：为了解决传统微型和芯片级相干布居囚禁（Coherent Population Trapping，CPT）原子钟使用的垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL）线宽大的问题，采用自研的激光芯片和毫米量级尺寸的光学元件，设计了一种适用于微型CPT铷原子钟、波长为795 nm的微型外腔半导体激光器（External Cavity Diode Laser，ECDL），该激光器尺寸小于1 cm³，且具有线宽窄、直接调制特性好的特点。基于该ECDL，首次实现了非VCSEL光源的微型原子钟设计验证，短期频率稳定度达到3.70 × 10^-11@1 s，1.35 × 10^-12@1 000 s，对后续研制高性能微型甚至芯片级原子钟产品具有重要意义。

关键词：外腔半导体激光器；相干布居囚禁；微型原子钟；窄线宽激光器

文章主要内容

传统微型CPT原子钟采用垂直腔面发射激光器（VCSEL）作为光源，但VCSEL的激光线宽较大（典型值为几十MHz），与原子作用时会引入较大的FM-AM噪声，限制了原子钟的稳定度。针对该问题，利用自研的激光器芯片和毫米量级特征尺寸的微型光学元件，设计实现了一种795nm的微型外腔激光器（ECDL），整体体积小于1 cm³，激光线宽小于500 kHz，调制带宽大于3.4 GHz，满足微型CPT原子钟的使用需求。

图1　微型外腔半导体激光器

Fig.1 Miniature ECDL

注：分辨率带宽（Resolution Bandwidth， RBW）；半峰全宽（Full Width at Half Maxima， FWHM）。

图2　微型外腔半导体激光器拍频信号

Fig.2 Beating data of two identical miniature ECDLs

图5　微型外腔半导体激光器的频率响应曲线

Fig.5 Frequency response curve of the miniature ECDL

图6　微型外腔半导体激光器的波长&频率⁃电流曲线

Fig.6 λ⁃I and f⁃I relationships of the miniature ECDL

ECDL与VCSEL相比，激光线宽减小2个量级，能够大幅降低激光器对原子钟系统的噪声贡献。利用该原子钟，设计了微型CPT原子钟，样机体积为48 cm³，稳态功率小于4 W。微型原子钟的控制电路在原有基于VCSEL的微型原子钟相关设计基础上实现，采用5 V供电，沿用了VCSEL⁃CPT微型原子钟的微波倍频、信号检测、伺服锁定等电路设计。由于外腔激光器的工作电流和输出功率比VCSEL的大10倍左右，激光器调制所需微波功率也需要相应提高，因此在原有微波倍频电路输出端增加微波功率放大模块，电路输出微波信号功率可达15dBm以上。

图7　微型原子钟设计图

Fig.7 Design of the miniature atomic clock

对基于ECDL的微型CPT原子钟进行测试，获得的CPT信号线宽约为767 Hz，对比度为1.52%。以高精度商用铷钟信号（其频率稳定度为5 × 10^-12τ^-1/2）作为参考信号，对微型原子钟锁定后的输出信号进行了测试，频率稳定度达到3.70 × 10^-11@1 s，1.35 × 10^-12@1 000 s，完成了该激光器用于微型原子钟的可行性验证。

图8　基于ECDL的微型原子钟CPT信号

Fig.8 CPT signal of the ECDL⁃based miniature atomic clock

图9　基于ECDL的微型原子钟频率稳定度测试结果

Fig.9 Frequency stability of the ECDL⁃based miniature atomic clock

结论

基于CPT现象的原子钟由于不需要微波腔，能够实现微型甚至芯片级产品。在目前主流的CPT原子钟产品方案中，光源噪声是限制稳定度提升的最关键因素。采用线宽窄、调制特性好的微型外腔激光器替代VCSEL作为微型CPT原子钟的光源，能够降低光源噪声对稳定度的影响。未来通过改进控制电路，设计与外腔激光器匹配的低噪声控制电路，能够进一步提升原子钟的整机稳定度，有望实现更高性能的微型原子钟。

作者简介

廉吉庆（1987—），男，博士研究生，主要研究方向为原子钟技术。

潘多（1990—），女，副研究员，博士，主要研究方向为新型原子钟。

科研团队介绍

北京大学原子稳频激光与新型原子钟团队

团队负责人：陈景标（北京大学博雅特聘教授）

主要成员：潘多（副研究员）、史田田（助理研究员）、葛哲屹（助理研究员）

研究方向：团队聚焦于法拉第激光器、自锁定原子稳频激光器、主动光钟、芯片光钟、芯片原子钟及原子束光钟等关键领域，致力于高性能激光与原子时频技术的前沿突破。在激光器研究方面，团队国际首创法拉第激光器技术体系，攻克了我国高精度半导体稳频激光器“卡脖子”难题，并成功实现产业化落地与推广应用。在原子钟方向，首次提出主动光钟这一颠覆性技术路线，突破传统光钟受限于腔长热噪声、脉冲式工作和低输出功率等瓶颈，相关成果受到美欧等二十余家国际研究机构的广泛关注和跟踪研究。团队研制出国内首款基于国产激光器的芯片原子钟，实现产品化和规模应用，推动建成国际首条年产十万只芯片原子钟产线，为构建自主可控的国家时频体系提供关键支撑。此外，团队国际首次提出钙原子束飞轮光钟中的能级转移探测与速度光栅谱方案，相关理论与实验成果被西澳大利亚大学、美国海军天文台等多个国际研究组引用，引领钙原子束光钟方向的前沿发展。

科研成果：获省部级奖项8项，承担国家自然科学基金重大研究计划、国家863计划、国家国际科技合作专项、国家高端科学仪器等科研项目。在国内外学术刊物发表论文100多篇，获授权国内外专利100余件。

全文链接

基于外腔半导体激光器的微型原子钟 （点击查看）

引用格式：廉吉庆，潘多，赵天，等. 基于外腔半导体激光器的微型原子钟［J］. 计测技术， 2025， 45（2）： 26-32.

Citation：LIAN J Q， PAN D， ZHAO T，et al.Miniature atomic clock based on external cavity diode laser［J］.Metrology & Measurement Technology， 2025， 45（2）： 26-32.