VCSELs for atomic clocks

原子钟 激光线宽 垂直腔面发射激光器 光电子学 超精细结构 艾伦方差 材料科学 光学 激光器 物理 原子物理学 标准差 统计 数学
作者
Darwin K. Serkland,Gregory M. Peake,K.M. Geib,Robert Lutwak,R. Michael Garvey,M. Varghese,Mark J. Mescher
出处
期刊:Proceedings of SPIE 卷期号:6132: 613208-613208 被引量:57
标识
DOI:10.1117/12.647095
摘要

The spectroscopic technique of coherent population trapping (CPT) enables an all-optical interrogation of the groundstate hyperfine splitting of cesium (or rubidium), compared to the optical-microwave double resonance technique conventionally employed in atomic frequency standards. All-optical interrogation enables the reduction of the size and power consumption of an atomic clock by two orders of magnitude, and vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are preferred optical sources due to their low power consumption and circular output beam. Several research teams are currently using VCSELs for DARPA's chip-scale atomic clock (CSAC) program with the goal of producing an atomic clock having a volume < 1 cm^3, a power consumption < 30 mW, and an instability (Allan deviation) < 1x10^-11 during a 1-hour averaging interval. This paper describes the VCSEL requirements for CPT-based atomic clocks, which include single mode operation, single polarization operation, modulation bandwidth > 4 GHz, low power consumption (for the CSAC), narrow linewidth, and low relative intensity noise (RIN). A significant manufacturing challenge is to reproducibly obtain the required wavelength at the specified VCSEL operating temperature and drive current. Data are presented that show the advantage of operating at the D1 (rather than D2) resonance of the alkali atoms. Measurements of VCSEL linewidth will be discussed in particular, since atomic clock performance is especially sensitive to this parameter.
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