1 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 湖北 武汉 430071
2 中国科学院大学, 北京 100049
为满足同一科研园区内不同建筑之间10 MHz氢钟信号（HCS）长期稳定度共享的需求，提出了一种低成本、集成化的基于光纤链路的10 MHz HCS传递完整解决方案。该方案采用1 GHz的射频信号对激光光强进行调制，利用光纤实现信号传递。通过将远端反射信号与本地信号和频后直接与待传递的HCS分频鉴相，输出误差信号反馈控制1 GHz信号的频率，实现远端1 GHz信号与本地HCS之间的相位锁定，从而使远端1 GHz信号具有与本地HCS相同的频率稳定度；之后再通过分频器在远端生成10 MHz信号，作为射频参考输出。实验验证了该方案的频率传递保真度，该系统在200 m往返光纤上的附加频率稳定度 (艾伦偏差）为1 s平均时间和10000 s平均时间；在20 km传递距离上，附加频率稳定度 (艾伦偏差）为1 s平均时间和10000 s平均时间。研究结果表明该系统的长时间频率传递稳定度优于HCS的频率稳定度，可以满足千米范围内氢钟信号共享的需求。
光通信 氢钟信号传递 光纤 锁相环 噪声补偿 optical communication hydrogen clock signal transferring optical fiber phase-locked loop noise compensation
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
单模795 nm垂直腔面发射激光器作为铷原子钟的激光光源，一般采用氧化限制结构获得单模输出。对垂直腔面发射激光器外延结构以及氧化限制孔径进行了优化设计。基于有限元分析方法，利用光纤波导理论和热电耦合模型，对氧化孔径的光学和电学限制进行了模拟，计算分析了实现单模和良好热电特性所需的氧化孔径大小。实验制备了具有不同氧化孔径的器件，并进行了功率-电流以及光谱特性测试。当氧化孔径为1.9 μm时，在3~7 mA注入电流下器件始终保持单模输出，边模抑制比大于35 dB；器件保持单模输出的最大氧化孔径为3.8 μm，室温下阈值电流为1 mA，最大饱和输出功率为2 mW，斜率效率为0.3 W/A，3 mA注入电流下的出射波长为790 nm，边模抑制比大于30 dB。制备的室温下单模特性良好的790 nm垂直腔面发射激光器，为实现高温下795 nm偏振稳定单模输出提供了可能。
激光器 垂直腔面发射激光器 铷原子钟 单模 氧化限制层
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
以超冷铒原子系统冷却光的基频光作为探测光，主动补偿激发铒原子赫兹线宽能级跃迁的激光在光纤传输中引入的附加相位噪声。在不影响原有被传输亚赫兹线宽激光（1299 nm）的情况下，将相近波长的宽线宽基频光（1166 nm）从光纤输出端反向注入，实施外差拍频探测并主动反馈补偿。当两个波长激光的光纤传输噪声基本一致时，可极大地抑制亚赫兹线宽激光在光纤传输中由于温度和振动等因素引起的各种相位噪声。主动补偿后传输激光的线宽从锁定前的14.6 Hz压窄到锁定后的11.6 mHz，光频传输的1000 s稳定度从1.6×10-16提升到6.5×10-19，满足当前最高精度和稳定度光钟的光频传输需求。所发展的光频传送方案可作为被传输激光器功率不足或空间受限时的替代方案，也可用在单点对多点近距离传输网络中简化源端发送装置。
光纤链路 光纤相位噪声 窄线宽 相位噪声抑制 光钟 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0506004
1 中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室 陕西 西安 710600
2 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原 030006
3 中国科学院大学天文与空间科学学院 北京 100049
光钟在时间保持、精密测量、暗物质探测等方面有广泛的应用。可搬运光钟研制是光钟的重要方向,它是不同类型光钟比对以及引力红移测量的重要设备。研制用于冷原子制备的可搬运冷却光源是实现可搬运光钟研制的关键。本文主要介绍了可搬运锶光钟二级冷却光源的研制。首先,通过Pound-Drever-Hall稳频技术将半导体激光器锁定在超稳腔上,实现了用于锶光钟二级冷却的689 nm窄线宽稳频光源,其线宽优于 263 Hz,频率秒稳定度优于1.56×10-14。另外,利用注入锁定技术制备了两台同等性能的光源,分别用作二级冷却阶段的俘获光和匀化光。整个光学系统集成在一个0.56m2的光学面包板,通过光纤与真空系统耦合,整体可搬运。利用该稳频光源,实验上制备了数目为2×106,温度为5.3K的二级冷却原子团,这为下一步进行光晶格原子装载和钟跃迁谱探测奠定了基础。
可搬运锶光钟 二级冷却 立方体腔 可搬运稳频光源 transportable 87Sr optical lattice clock the second-stage cooling cubic cavity the transportable frequency stabilized laser sourc 量子光学学报
2023, 29(2): 020201
合肥工业大学 微电子设计研究所 教育部IC设计网上合作研发中心, 合肥 230601
在无人机3D地形测绘中, 作为核心模块的时间数字转换器(TDC)需要具有远距离测量能力和高测量分辨率。基于对测距系统的长续航、公里级测距能力和厘米级测量精度的综合考量, 文章设计了一种用于TDC的低功耗多相位时钟生成电路。采用了伪差分环形压控振荡器, 通过优化交叉耦合结构, 在保证低功耗的前提下, 提升了信号边缘的斜率, 增强了时钟的抖动性能和对电源噪声的抑制能力。在电荷泵设计中, 通过对环路带宽的考量选取了极低的偏置电流, 在进一步降低功耗的同时缩小了环路滤波器的面积。基于SMIC 180 nm CMOS工艺完成了对多相时钟生成电路的设计。仿真结果表明, 在400 MHz的输出频率下, 环路带宽稳定在1 MHz。该电路在不同工艺角下均能达到较快的锁定速度, 相位噪声为-88 dBc@1 MHz, 功耗为1 mW, 均方根抖动为27 ps, 满足厘米级测距的精度需求。
时间数字转换器 多相时钟 低功耗 压控振荡器 电荷泵 TDC multi-phase clock low power consumption voltage controlled oscillator charge pump
江南大学 电子工程系 物联网技术应用教育部工程研究中心, 江苏 无锡 214122
针对传统四相时钟发生电路产生的时钟波形信号易发生交叠、驱动电荷泵易发生漏电等问题, 提出了一种占空比可调四相时钟发生电路。电路在每两相可能出现交叠的时钟信号之间都增加了延时单元模块, 通过控制延时时间对输出时钟信号的占空比进行调节, 避免了时钟相位的交叠。对延时单元进行了改进, 在外接偏置电压条件下, 实现了延时可控。基于55 nm CMOS工艺的仿真结果表明, 在10~50 MHz时钟输入频率范围内, 该四相时钟发生电路可以稳定输出四相不交叠时钟信号, 并能在12 V电压下驱动十级电荷泵高效泵入112 V。流片测试结果表明, 该四相时钟发生电路能够产生不相交叠的四相时钟波形, 时钟输出相位满足电荷泵驱动需求。
电荷泵 四相时钟电路 延时单元 charge pump four-phase clock circuit delay time
提出了一种适用于18/25/33 V宽电源范围的时钟IP电路结构。为了抑制电源变化时鉴频鉴相器(PFD)复位脉冲信号对电荷泵(CP)性能所产生的影响, 提出了一种恒定复位脉宽产生电路结构。采用超低失配CP, 增加输出电流匹配性, 当控制电压在02~(VDD-02) V范围内变化时, IUP/IDN电流失配小于009%。引入对称负载结构环形振荡器(RO), 抑制电源变化对环路性能所产生的影响。基于SMIC 180 nm CMOS工艺, 完成整体电路设计与仿真, 输出频率为100~500 MHz。仿真结果显示, 当输入参考频率为50 MHz、输出频率为250 MHz时, 在18/25/33 V电源电压下, 功耗分别为82/125/184 mW, 参考杂散低于-74 dBc, 输出均方根抖动为18 ps。
宽电源范围时钟 恒定复位脉宽 超低失配 对称负载 wide power supply range clock constant reset pulse width ultra-low mismatch symmetrical load
1 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
2 东南大学 毫米波国家重点实验室, 南京 210096
基于65 nm CMOS工艺设计了一种25~28 Gbit/s具有自适应均衡和时钟数据恢复功能的光接收机电路。光接收前端采用低带宽设计, 以优化接收机的灵敏度;采用判决反馈均衡器, 以恢复低带宽前端引入的码间干扰。为了适应不同速率和工艺角引入的码间干扰, 结合SS-LMS自适应算法, 实现信号的自适应均衡。无参考时钟数据恢复电路采用鉴频环路拓宽频率捕获范围, 同时将半速率鉴相器嵌入均衡器中, 以降低功耗和成本。后仿真结果表明, 在100 fF光电二极管的寄生电容条件下, 接收前端最大增益达到66 dBΩ, 25%带宽处的等效输入噪声电流为153 pA·Hz-1/2, 光接收机灵敏度为-145 dBm。当电源电压为12 V时, 光接收机的整体功耗为1811 mW。
光接收机前端 判决反馈均衡器 时钟数据恢复电路 无参考时钟 嵌入式鉴相器 optical receiver front end decision feedback equalizer clock data recovery circuit reference-less clock embedded phase detector
1 国科大杭州高等研究院, 杭州 310024
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春130033
4 中国科学院力学研究所, 北京 100190
太极计划是中国科学院提出的空间引力波探测任务，其利用激光差分干涉的方法探测卫星间由引力波引起的pm级位移波动。为消除卫星间因时钟不同步而产生的测量误差，拟采用边带倍频时钟噪声传递方法进行星间时钟噪声测量与消除。本文讨论太极计划星间时钟噪声传递的需求、原理、方法，并设计实验进行原理验证。通过搭建电子学实验测试两个系统时钟噪声的极限值，确定实验相关参数，进一步通过光学实验验证边带倍频传递方案的原理。实验结果表明，本文提出的时钟噪声消除方案及相关参数合理可行，满足太极计划的应用需求。在0.05 Hz~1 Hz频段，星间时钟噪声的抑制效果优于2π×10−5 rad/Hz1/2，满足太极探路者的噪声需求。本文研究为未来太极计划的时钟噪声传递方案与参数设计奠定实验和理论基础。
太极计划 空间引力波探测 时钟噪声传递 原理验证 Taiji program space gravitational wave detection clock noise transfer principle verification
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
通过调制转移光谱稳频的方式，将外腔半导体激光器频率锁定于87Rb原子D2线超精细跃迁52S1/2，F=2→52P3/2，F=3，使激光器线宽由自由运转的382.18 kHz压窄至稳频后的37.94 kHz。稳频后的窄线宽激光用于积分球冷原子钟的探测光，可以将激光频率噪声对原子钟短期稳定度的影响降低至5.6×10-14 τ-1/2。
激光器与激光光学 调制转移光谱 激光稳频 外腔半导体激光器 积分球冷原子钟 频率稳定度 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1514008
