Page 91 - 《真空与低温》2026年第1期

88 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

pursuit of system-level integration and modularization for improved reliability，and the pioneering effort towards chip-scale
implementation based on Photonic Integrated Circuits （PICs）. This systematic analysis provides a solid foundation for ad-
vancing the overall capability of future OPLL systems，which thereby facilitates the development of high-precision atom in-
terferometry sensors， enabling their broader deployment in fundamental physics research， autonomous inertial navigation，
and space exploration.
Key words：atom interferometry；optical phase-locked loop；phase lock；coherent light

0 引言 等部分。其中，OVCO 的功能由可调谐激光器实现，
激光器的温度、电流和腔长等反馈调谐端相当于
基于原子干涉的量子精密测量技术自出现以
来，因其优异的测量精度和灵敏度而迅速发展。该 OVCO 的压控端。

技术已在多个领域获得广泛应用，包括基本物理规
f ref
律验证 [1-4] 、地质勘探 [5-6] 、重力测量 [7-8] 、重力梯度测
主激光器u m (t)
量 [9-10] 、转动测量 [11-12] 、惯性导航 [13-14] 、太空探测 [15-17] f beat u o (t) u out (t)
等。原子干涉的实现是基于原子内部能级结构及 偏振分 光电 鉴相器 环路滤波器
激光与原子的耦合效应。通过将具有一定时序间 从激光器u s (t) 光棱镜 探测器
隔的多束脉冲激光精准照射原子源，可改变原子在 反射镜 光学鉴相器
光压控
不同能态上的布居数。在这一过程中，脉冲激光操 振荡器
控原子波包的分束与合束，使得原子不同内态之间
图 1 光学锁相环基本结构示意图
产生干涉现象。因此，制备相位相干的激光是实现
Fig. 1 Schematic diagram of basic structure of OPLL
原子干涉的关键，同时相干光的质量直接影响着精
[18]
密测量的精度 。 主激光器和从激光器的输出光经光学鉴相器
目前，相位相干激光的制备方法主要包括声光调 中的拍频光路和光电探测器相干混合得到拍频电
制法 [19-20] ，电光调制法 [21-22] 、光学锁相环（OPLL） [23-24] 信号，其与预先设定为固定频差的参考频率信号进
等。声光调制法利用声光效应实现激光移频以获 行鉴频鉴相，得到与相位差成比例的鉴相误差电压
取频差。但在移频量达到 GHz 级别时，声光调制 信号。该信号经环路滤波器处理后得到直流控制
器（AOM）的衍射效率较低，激光需通过调制、放大 电压，反馈至可调谐激光器频率调制端调节其频率，
等过程才能使用。此外，衍射光反射后可能因振动 使拍频信号的频率和相位锁定至参考信号上，最终
引起两束激光的光程差变化，从而引入额外噪声。 实现从激光对主激光的精确频率跟踪与锁定。
电光调制法基于电光调制器（EOM）产生 GHz 边带， 1.2 时域分析
与其载波构成相干激光对。但该方法存在无用边 在图 1 的 OPLL 中，主激光 u m （t）和从激光 u s （t）
带干扰的问题，且边带激光与载波的空间重合，不 经光学鉴相器后输出拍频 f beat，假设拍频信号 f beat和
利于单独调节相干激光的偏振和功率等参数。 射频参考信号 f ref均为正弦信号， 其表达式分别为：
OPLL 作为一种产生成对相干光的有效手段，其核 f beat (t) = U 1 sin(ω 1 t +ϕ 1 ) （1）
心原理是通过闭环反馈调节实现从激光器对主激
f ref (t) = U 2 cos(ω 2 t +ϕ 2 ) （2）
光器的精确频率相位跟踪。OPLL 能主动抑制激
、
式中： U 1 ω 1 ϕ 1和 U 2 ω 2 ϕ 2分别是拍频信号和
、
、
、
光器相位噪声，实现数十吉赫兹的可调频差，且最
射频参考信号的振幅、角频率、相位。
终输出功率与频差无关。因此，为得到原子干涉所
f beat和通过 PD 后得到鉴相输出信号 u o (t)，其为
需的高质量相干光，国内外研究者提出了多种基于
两个信号的乘积：
不同技术原理和光路结构的 OPLL 实现方案。
u o (t) =K PD f beat (t) f ref (t)
1 OPLL 原理
=K PD U 1 U 2 sin(ω 1 t +ϕ 1 )cos(ω 2 t +ϕ 2 )
1.1 基本结构 1 { [ ] （3）
= K PD U 1 U 2 sin (ω 1 +ω 2 )t +(ϕ 1 +ϕ 2 ) +
OPLL 源于电子锁相环，其基本结构是一个反 2
[ ]}
馈式相位锁定回路，如图 1 所示，主要包括鉴相器 sin (ω 1 −ω 2 )t +(ϕ 1 −ϕ 2 )
（PD）、环路滤波器（LF）和光压控振荡器（OVCO） 式中： K PD为鉴相器的增益系数。