CN104518790A - 原子振荡器、电子设备、移动体及原子振荡器的制造方法 - Google Patents

原子振荡器、电子设备、移动体及原子振荡器的制造方法 Download PDF

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CN104518790A CN201410460576.6A CN201410460576A CN104518790A CN 104518790 A CN104518790 A CN 104518790A CN 201410460576 A CN201410460576 A CN 201410460576A CN 104518790 A CN104518790 A CN 104518790A
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久保聪
吉田启之
林畅仁
石原直树
田中孝明
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    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
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Abstract

提供原子振荡器、电子设备、移动体及原子振荡器的制造方法，相比以往能够提高长期稳定度。原子振荡器(1)包含：气室(13)；半导体激光器(10)；以及生成频率调制信号的频率调制信号生成单元(频率转换电路28等)，该频率调制信号用于使半导体激光器(10)产生包含共振光对(成对的1次边带光)的频率调制后的光，所述共振光对使金属原子产生电磁感应透明现象。设在使频率调制的调制度从较小一侧向较大一侧变化时，1次边带光最初为极大时的调制度为m1，中心频率的光的强度最初变得比1次边带光的强度小之后下一次变为1次边带光的强度以上时的调制度为m2，以调制度比m1大且比m2小的方式，设定频率调制信号的强度。

Description

原子振荡器、电子设备、移动体及原子振荡器的制造方法
技术领域
本发明涉及原子振荡器、电子设备、移动体以及原子振荡器的制造方法。
背景技术
如图12所示，作为碱金属原子的一种的铯原子具有6S1/2的基态能级和6P1/2、6P3/2这两个激励能级，并且，6S1/2、6P1/2、6P3/2的各能级具有分裂成多个能量能级的超细微构造。具体而言，6S1/2具有F＝3、4这两个基态能级，6P1/2具有F’＝3、4这两个激励能级，6P3/2具有F’＝2、3、4、5这4个激励能级。
例如，处于6S1/2的F＝3的基态能级的铯原子能够通过吸收D2线而跃迁到6P3/2的F’＝2、3、4中的任意一个激励能级，但是不能跃迁到F’＝5的激励能级。处于6S1/2的F＝4的基态能级的铯原子能够通过吸收D2线而跃迁到6P3/2的F’＝3、4、5中的任意一个激励能级，但是不能跃迁到F’＝2的激励能级。这些是基于假定了电偶极跃迁的情况下的跃迁选择规则的。相反，处于6P3/2的F’＝3、4中的任意一个激励能级的铯原子能够发射D2线而跃迁到6S1/2的F＝3或者F＝4的基态能级(初始基态能级或者另一基态能级中的任意一个)。此处，由6S1/2的F＝3、4这两个基态能级和6P3/2的F’＝3、4中的任意一个激励能级构成的三能级(由两个基态能级和1个激励能级构成)由于能够通过吸收/发射D2线进行Λ型跃迁，因此被称作Λ型三能级。同样，由6S1/2的F＝3、4这两个基态能级和6P1/2的F’＝3、4中的任意一个激励能级构成的三能级由于能够通过吸收/发射D1线进行Λ型跃迁而形成Λ型三能级。
与此相对，处于6P3/2的F’＝2的激励能级的铯原子在发射D2线后必定跃迁到6S1/2的F＝3的基态能级(初始基态能级)，同样，处于6P3/2的F’＝5的激励能级的铯原子在发射D2线后必定跃迁到6S1/2的F＝4的基态能级(初始基态能级)。即，由6S1/2的F＝3、4这两个基态能级和6P3/2的F’＝2或者F’＝5的激励能级构成的三能级，由于不能通过吸收/发射D2线进行Λ型跃迁，因此不能形成Λ型三能级。另外，公知有铯原子以外的碱金属原子也同样具有形成Λ型三能级的两个基态能级和激励能级。
此外，公知有在对气体状的碱金属原子同时照射具有与形成Λ型三能级的第1基态能级(在铯原子的情况下为6S1/2的F＝3的基态能级)和激励能级(在铯原子的情况下，例如为6P3/2的F’＝4的激励能级)之间的能量差对应的频率(振动数)的共振光(记作共振光1)、以及具有与第2基态能级(在铯原子的情况下为6S1/2的F＝4的基态能级)和激励能级之间的能量差对应的频率(振动数)的共振光(记作共振光2)时，会成为两个基态能级重合的状态、即量子相干性状态(暗状态)而引起朝激励能级的激励停止的电磁感应透明(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)现象(有时也称作CPT(Coherent Population Trapping：相干布居俘获))。引起该EIT现象的共振光对(共振光1和共振光2)的频率差和与碱金属原子的两个基态能级的能量差ΔE12对应的频率准确地一致。例如，由于铯原子的与两个基态能级的能量差对应的频率是9.192631770GHz，因此，在对铯原子同时照射频率差为9.192631770GHz的D1线或者D2线这2种激光时，会产生EIT现象。
因此，如图13所示，在对气体状的碱金属原子同时照射频率为ω1的光和频率为ω2的光时，根据这两个光波是否成为共振光对、碱金属原子是否产生EIT现象，透过碱金属原子的光的强度急剧地变化。表示该急剧地变化的透射光的强度的信号被称作EIT信号(共振信号)，在共振光对的频率差ω1-ω2和与ΔE12对应的频率ω12准确地一致时，EIT信号的电平呈现峰值。因此，对封入有气体状的碱金属原子的原子室(气室)照射两个光波，并控制为由光检测器检测出EIT信号的峰值、即两个光波的频率差ω1-ω2和与ΔE12对应的频率ω12准确地一致，由此能够实现高精度的振荡器。例如，在专利文献1中公开了与这样的原子振荡器相关的技术。
【专利文献1】美国专利第6320472号说明书
在以往的基于EIT方式的原子振荡器中，对确定半导体激光器发出的光的中心频率f0(＝v/λ0：v是光的速度、λ0是光的波长)(载波频率)的偏置电流叠加频率为fm的调制信号并提供到半导体激光器，由此半导体激光器产生利用调制频率fm对中心频率f0进行调制后的光。半导体激光器的出射光被照射到封入有碱金属的气室，透射过气室的光被光检测器检测到。根据光检测器检测到的光的强度控制压控石英振荡器(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator)的振荡频率，经由PLL(Phase LockedLoop：锁相环)电路生成频率为fm的调制信号。并且，控制成半导体激光器发出的1次的边带光、即频率为f0+fm的光和频率为f0－fm的光成为共振光对。通过该控制，压控石英振荡器(VCXO)的输出信号的频率偏差变得极小，从而能够实现频率精度高的振荡器。EIT信号的S/N越高，频率精度(短期稳定度)越提高，因此以往以1次边带光的强度最大的方式确定了调制信号的强度(振幅)。图14示出以往的半导体激光器的出射光的频谱的一例。在图14中，横轴是光的频率，纵轴是光的强度。
另一方面，公知有被称作斯塔克位移(Stark shift)的效应，即原子原本具有的能量能级由于激光与原子的相互作用而稍微变动。EIT信号的峰值位置的频率由于斯塔克位移而移位，因此原子振荡器的频率也移位。当入射到碱金属原子的光的强度因半导体激光器或气室等部件的时效劣化而发生变化时，斯塔克位移引起的EIT峰值位置的频率的移位量也发生变动，但在以往的方法中仅考虑了提高EIT信号的S/N，因此存在EIT峰值位置的频率的移位量的变动比较大、原子振荡器的长期稳定度劣化的问题。
发明内容
本发明正是鉴于以上问题点而完成的，根据本发明的几个方式，能够提供一种相比以往可提高长期稳定度的原子振荡器、使用了该原子振荡器的电子设备和移动体、以及该原子振荡器的制造方法。
本发明正是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，可作为以下方式或应用例来实现。
[应用例1]
本应用例的原子振荡器具有：封入有金属原子的室；光源，其产生照射到所述室的光；以及频率调制信号生成单元，其生成频率调制信号，该频率调制信号用于使所述光源产生包含共振光对的频率调制后的光，所述共振光对使所述金属原子产生电磁感应透明现象，所述共振光对是所述光源产生的光所包含的成对的1次边带光，设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光最初为极大时的调制度为第1值，所述光源产生的光所包含的中心频率的光的强度最初变得比所述1次边带光的强度小之后下一次变为所述1次边带光的强度以上时的调制度为第2值，以调制度比所述第1值大且比所述第2值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
根据本应用例的原子振荡器，考虑到中心频率的光的强度变动对于共振光对的频率差的变动(斯塔克位移)是支配性的情况，以频率调制信号的强度(频率调制的调制度)变动时的中心频率的光强度的变动量比以往小的方式，设定频率调制信号的强度。因此，根据本应用例的原子振荡器，能够减少由于部件的时效变化而产生的斯塔克位移引起的振荡频率的变动量，相比以往能够提高长期稳定度。
此外，在周围的环境温度发生了变动时，频率调制信号的强度对应于电路部分的温度特性而发生变动，但根据本应用例的原子振荡器，频率调制信号的强度在其变动量比以往小的范围内被设定，因此能够减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量，相比以往提高了频率温度特性。
[应用例2]
上述应用例的原子振荡器可以设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述中心频率的光的强度最初变为与所述光源产生的光所包含的2次边带光的强度相同时的调制度为第3值，以调制度比所述第3值大的方式，设定所述频率调制信号的强度。
[应用例3]
上述应用例的原子振荡器可以设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述中心频率的光的强度最初变为与所述光源产生的光所包含的3次边带光的强度相同时的调制度为第4值，以调制度比所述第4值大的方式，设定所述频率调制信号的强度。
[应用例4]
上述应用例的原子振荡器可以设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光的强度最初变得比所述光源产生的光所包含的3次边带光的强度大之后下一次变为与所述3次边带光的强度相同时的调制度为第5值，以调制度比所述第5值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
[应用例5]
上述应用例的原子振荡器可以设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光的强度在最初变得比所述光源产生的光所包含的2次边带光的强度大之后下一次变为与所述2次边带光的强度相同时的调制度为第6值，以调制度比所述第6值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
根据这些应用例的原子振荡器，以频率调制信号的强度(频率调制的调制度)变动时的中心频率的光强度的变动量进一步减小的方式设定了频率调制信号的强度，因此能够进一步提高长期稳定度和频率温度特性。
[应用例6]
上述应用例的原子振荡器可以以调制度处于所述第1值与所述第2值之间且所述中心频率的光的强度变得极小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
根据本应用例的原子振荡器，以频率调制信号的强度(频率调制的调制度)变动时的中心频率的光强度的变动量为最小的方式设定了频率调制信号的强度，因此能够大幅度提高长期稳定度和频率温度特性。
[应用例7]
本应用例的电子设备包含上述任意一个原子振荡器。
[应用例8]
本应用例的移动体包含上述任意一个原子振荡器。
根据这些应用例的电子设备和移动体，由于包含长期稳定度和频率温度特性高的原子振荡器，因此能够长期地维持高可靠性。
[应用例9]
对于本应用例的原子振荡器的制造方法，所述原子振荡器具有：封入有金属原子的室；光源，其产生照射到所述室的光；光检测单元，其检测透射过所述室的光；以及频率调制信号生成单元，其根据所述光检测单元检测到的光的强度，生成频率调制信号，该频率调制信号用于使所述光源产生包含共振光对的频率调制后的光，所述共振光对使所述金属原子产生电磁感应透明现象，所述共振光对是所述光源产生的光所包含的成对的1次边带光，在所述原子振荡器的制造方法中，包含以下步骤：针对所述光源，在改变强度的同时输入频率调制信号，根据所述光检测单元的输出信号求出所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系；以及根据所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系，以所述光源产生的光所包含的中心频率的光的强度比所述1次边带光的强度小的方式，调整所述频率调制信号的强度。
例如在调整所述频率调制信号的强度的步骤中，可以设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光最初为极大时的调制度为第1值，所述光源产生的光所包含的中心频率的光的强度最初变得比所述1次边带光的强度小之后下一次变为所述1次边带光的强度以上时的调制度为第2值，以调制度比所述第1值大且比所述第2值小的方式，调整所述频率调制信号的强度。
根据本应用例的原子振荡器的制造方法，能够通过求出频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系，节省取得光源的出射光的频谱的时间，从而比较简单地调整频率调制信号的强度。
[应用例10]
上述应用例的原子振荡器的制造方法可以在调整所述频率调制信号的强度的步骤中，根据所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系，求出振荡频率相对于所述频率调制信号的强度的灵敏度，并以所述灵敏度接近最小的方式调整所述频率调制信号的强度。
根据本应用例的原子振荡器的制造方法，求出振荡频率相对于频率调制信号强度的灵敏度，并以该灵敏度减小的方式调整频率调制信号的强度，因此能够可靠地减少由于部件的时效变化而产生的斯塔克位移引起的振荡频率的变动量，制造长期稳定度比以往高的原子振荡器。
附图说明
图1是示出本实施方式的原子振荡器的结构例的图。
图2是示出频率转换电路的结构例的图。
图3是表示贝塞尔函数的图。
图4是示出本实施方式的半导体激光器的出射光的频谱的概略图。
图5是示出本实施方式的原子振荡器的制造方法的一例的流程图。
图6是示出信号发生器和频率计数器的连接例的图。
图7是示出微波强度与振荡频率之间的关系的一例的图。
图8是示出图5的步骤S40的实施例的流程图。
图9是示出微波强度与微波灵敏度之间的关系的一例的图。
图10是本实施方式的电子设备的功能框图。
图11是示出本实施方式的移动体的一例的图。
图12是示意性示出铯原子的能量能级的图。
图13是示出EIT信号的一例的概略图。
图14是示出以往的半导体激光器的出射光的频谱的概略图。
标号说明
1：原子振荡器；10：半导体激光器；11：减光滤光片；12：1/4波长板；13：气室；14：光检测器；16：检波电路；17：压控石英振荡器(VCXO)；18：调制电路；19：低频振荡器；20：频率转换电路；21：检波电路；22：调制电路；23：低频振荡器；24：驱动电路；26：偏置设定电路；27：存储器；28：频率转换电路；30：PLL电路；32：放大电路；34：自动增益控制(AGC)电路；40：信号发生器；50：频率计数器；100：物理封装；300：电子设备；310：原子振荡器；320：CPU；330：操作部；340：ROM；350：RAM；360：通信部；370：显示部；400：移动体；410：原子振荡器；420：汽车导航装置；430、440、450：控制器；460：电池；470：备用电池。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。另外，以下说明的实施方式不对权利要求所记载的本发明的内容进行不合理限定。并且，以下说明的所有结构并非都是本发明必需的结构要件。
1.原子振荡器
[原子振荡器的结构]
图1是示出本实施方式的原子振荡器的结构例的图。如图1所示，第1实施方式的原子振荡器1构成为包含半导体激光器10、减光滤光片(ND滤光片)11、1/4波长板12、气室13、光检测器14、检波电路16、压控石英振荡器(VCXO)17、调制电路18、低频振荡器19、频率转换电路20、检波电路21、调制电路22、低频振荡器23、驱动电路24、偏置设定电路26、存储器27和频率转换电路28。另外，本实施方式的原子振荡器也可以构成为适当省略或变更图1的结构要素(各部件)的一部分，或者附加其他结构要素。
半导体激光器10例如是垂直谐振器面发光激光器(VCSEL：Vertical CavitySurface Emitting Laser：垂直空腔表面发射激光器)等面发光激光器或端面发光激光器(Edge Emitting Laser：边发光激光器)等，半导体激光器10产生的光入射到减光滤光片11。
减光滤光片11仅使半导体激光器10的出射光的一部分透射，透射过减光滤光片11的光入射到1/4波长板12。
1/4波长板12将所入射的光设为σ+圆偏振光并使其透射，透射过1/4波长板12的光入射到气室13。
气室13是在由玻璃等透明部件构成的容器中与气体状的碱金属原子(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)一起封入氖(Ne)或氩(Ar)等的缓冲气体而得到的。入射到气室13的光的一部分透射过气室13，并入射到光检测器14。
光检测器14检测透射过气室13的光，并输出与检测到的光的强度对应的检测信号。光检测器14例如能够使用光电二极管(PD：Photo Diode)来实现，该光电二极管输出与接收到的光的强度对应的检测信号。光检测器14的输出信号被输入到检波电路16和检波电路21。
半导体激光器10、减光滤光片11、1/4波长板12、气室13和光检测器14被收纳在1个壳体中，构成了物理封装100。
检波电路16使用以几Hz～几百Hz左右的低频进行振荡的低频振荡器19的振荡信号，对光检测器14的输出信号进行检波。并且，根据检波电路16的输出信号的大小，对压控石英振荡器(VCXO)17的振荡频率进行微调。压控石英振荡器(VCXO)17例如以几MHz～几十MHz的程度进行振荡。
为了能够进行利用检波电路16的检波，调制电路18将低频振荡器19的振荡信号(与被提供到检波电路16的振荡信号相同的信号)作为调制信号，对压控石英振荡器(VCXO)17的输出信号进行调制。调制电路18能够利用频率混合器(混频器)、频率调制(FM：Frequency Modulation)电路、振幅调制(AM：Amplitude Modulation)电路等实现。
频率转换电路20将调制电路18的输出信号频率转换为与碱金属原子的两个基态能级间的能量差ΔE12对应的频率ω12的1/2频率的信号，将频率转换后的信号振幅控制为恒定并输出到驱动电路24。例如图2所示，频率转换电路20能够使用PLL(PhaseLocked Loop：锁相环)电路30、增益可变的放大电路32和自动增益控制(AGC)电路34实现。
检波电路21使用以几Hz～几百Hz左右的低频进行振荡的低频振荡器23的振荡信号，对光检测器14的输出信号进行检波。
为了能够进行利用检波电路21的检波，调制电路22将低频振荡器23的振荡信号(与被提供到检波电路21的振荡信号相同的信号)作为调制信号，对检波电路21的输出信号进行调制，并输出到驱动电路24。调制电路22能够利用频率混合器(混频器)、频率调制(FM)电路、振幅调制(AM)电路等实现。
偏置设定电路26进行如下处理：经由驱动电路24，根据存储在存储器27中的设定信息在半导体激光器10中设定偏置电流的处理(设定半导体激光器10产生的光的中心波长(中心频率(载波频率))的处理)。
存储器27是非易失性的存储器，存储有半导体激光器10的偏置电流的设定信息等。存储器27例如能够通过MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon：金属-氧化物-氮化物-氧化物-硅)存储器等闪存或EEPROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory：电可擦除可编程只读存储器)等实现。
驱动电路24设定半导体激光器10的偏置电流，并且根据调制电路22的输出信号对该偏置电流进行微调，提供到半导体激光器10。即，利用通过半导体激光器10、减光滤光片11、1/4波长板12、气室13、光检测器14、检波电路21、调制电路22、驱动电路24的反馈环路(第1反馈环路)，对半导体激光器10产生的光的中心波长λ0(中心频率f0)进行微调。
驱动电路24进一步在偏置电流上叠加频率转换电路20的输出频率成分(调制频率fm)的电流(调制电流)，并提供到半导体激光器10。通过该调制电流施加频率调制，半导体激光器10与中心频率f0(中心波长λ0)的光一起，产生包含频率f0±fm的光(1次边带光)、频率f0±2fm的光(2次边带光)、频率f0±3fm的光(3次边带光)等的光。
在本实施方式中，利用通过半导体激光器10、减光滤光片11、1/4波长板12、气室13、光检测器14、检波电路16、压控石英振荡器(VCXO)17、调制电路18、频率转换电路20和驱动电路24的反馈环路(第2反馈环路)进行微调，使得频率为f0+fm的光和频率为f0-fm的光(成对的1次边带光)成为使被封入到气室13中的碱金属原子产生EIT现象的共振光对。具体而言，利用第2反馈环路施加反馈控制，使得频率f0+fm的光与频率f0－fm的光的频率差(＝2fm)和与碱金属原子的两个基态能级间的能量差ΔE12对应的频率ω12准确地一致。
由此，通过利用碱金属原子的EIT现象，第2反馈环路所包含的、频率转换电路20的输出信号以及压控石英振荡器(VCXO)17的输出信号稳定在恒定的频率。
频率转换电路28对压控石英振荡器(VCXO)17的输出信号进行频率转换，生成期望频率(例如10.00···MHz)的时钟信号。该时钟信号被输出到外部。频率转换电路20例如能够利用DDS(Direct Digital Synthesizer：直接数字频率合成器)实现。
这样的结构的原子振荡器1的振荡频率偏差极小，能够实现较高的短期稳定度。
另一方面，入射到碱金属原子的光的强度由于半导体激光器10、减光滤光片11、1/4波长板12、气室13等部件的时效劣化发生变动时，产生ω12变动的现象(斯塔克位移)，因此随着时间的经过，振荡频率发生变动。如以下说明那样，在本实施方式中，相比以往减小了该振荡频率的变动量，从而提高了长期稳定度。
当考虑到斯塔克位移时，ω12用下式(1)进行近似。
【式1】
ω 12 = ω 120 + Ω 0 2 ω 120 - Ω + 1 - Ω - 1 2 + Ω + 1 2 + Ω - 1 2 4 ω 120 - Ω + 2 2 + Ω - 2 2 4 ω 120 + Ω + 2 2 + Ω - 2 2 6 ω 120 . . . ( 1 )
其中，ω120是与光未入射到碱金属原子时的ΔE12对应的频率，Ω0是0次(中心频率)光的强度(入射量)，Ω+1和Ω－1分别是上侧和下侧的1次边带光的强度(入射量)，Ω+2和Ω－2分别是上侧和下侧的2次边带光的强度(入射量)。
在式(1)中，右边第2项表示基于中心频率的光的强度的频率变动量，右边第3项和第4项表示基于1次边带光的强度的频率变动量，右边第5项和第6项表示基于2次边带光的强度的频率变动量。右边第3项和第4项的符号相反，因此基于1次边带光的强度的频率变动量比较小。同样，右边第5项和第6项的符号相反，因此基于2次边带光的强度的频率变动量比较小。因此，对于ω12的变动，基于中心频率的光的强度Ω0的变动量是支配性的。因此，在为了提高长期稳定度而以Ω0的变动量减小的方式施加频率调制时，即，将频率调制信号的强度设定为Ω0相对于其变动的变动量减小的值是有效的。
将半导体激光器10设为理想的激光器、并用频率为fm的频率调制信号施加了频率调制时的出射光用下式(2)表示。
【式2】
A FM = A 0 [ J 0 ( m ) sin ( 2 π f 0 t ) + J 1 ( m ) { sin 2 π ( f 0 + f m ) t - sin 2 π ( f 0 - f m ) t } + J 2 ( m ) { sin 2 π ( f 0 + 2 f m ) t + sin 2 π ( f 0 - 2 f m ) t } + J 3 ( m ) { sin 2 π ( f 0 + 3 f m ) t - sin 2 π ( f 0 - 3 f m ) t } + . . . ] = A 0 [ J 0 ( m ) sin ( 2 π f 0 t ) + Σ n = 1 ∞ J n ( m ) sin 2 π ( f 0 + n f m ) t + Σ n = 1 ∞ ( - 1 ) n J n ( m ) sin 2 π ( f 0 - n f m ) t ] . . . ( 2 )
其中，A0是未施加频率调制时的半导体激光器10的出射光(频率f0)的强度，Jn(m)是贝塞尔函数(n＝0、1、2、3···)。此外，m是调制度，与频率调制信号的强度(振幅)成比例。
在式(2)中，A0×J0(m)与0次(中心频率)光的强度对应，A0×J1(m)与1次边带光的强度对应，A0×J2(m)与2次边带光的强度对应，A0×J3(m)与3次边带光的强度对应。
图3是表示J0、J1、J2、J3的各贝塞尔函数的图，在图3中，横轴是调制度m、纵轴是各贝塞尔函数的值。
在图3中，m1是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，1次边带光的强度最初为极大时(换言之，J1最初为极大时)的调制度m的值(第1值)。此外，m2是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，中心频率的光的强度最初变得比1次边带光的强度小之后下一次变为1次边带光的强度以上时(换言之，最初变得J0＜J1之后下一次变为J0＝J1时)的调制度m的值(第2值)。以往，将调制度m设定为与m1一致，在该设定中，J0的斜率比较大，因此由于频率调制信号的强度变动时的斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量也较大。
在本实施方式中，至少在调制度m大于m1、且小于m2的范围内设定频率调制信号的强度。在该设定范围内，与以往的设定相比成为过调制，J0的斜率较小，因此能够减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量。
此外，在图3中，m3是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，中心频率的光的强度最初变为与2次边带光的强度相同时(换言之，最初变为J0＝J2时)的调制度m的值(第3值)。此外，m4是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，中心频率的光的强度最初变为与3次边带光的强度相同时(换言之，最初变为J0＝J3时)的调制度m的值(第4值)。
在本实施方式中，优选在调制度m大于m3的范围内设定频率调制信号的强度，或者在调制度m大于m4的范围内设定频率调制信号的强度。无论在哪个设定范围内，J0的斜率都更小，因此能够进一步减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量。
此外，在图3中，m5是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，1次边带光的强度最初变得比3次边带光的强度大之后下一次变为与3次边带光的强度相同时(换言之，最初变得J1＞J3之后下一次变为J1＝J3时)的调制度m的值(第5值)。此外，m6是使调制度m从较小一侧向较大一侧变化时，1次边带光的强度最初变得比2次边带光的强度大之后下一次变为与2次边带光的强度相同时(换言之，最初变得J1＞J2之后下一次变为J1＝J2时)的调制度m的值(第6值)。
在本实施方式中，更优选在调制度m小于m5的范围内设定频率调制信号的强度，或者在调制度m小于m6的范围内设定频率调制信号的强度。无论在哪个设定范围内，J0的斜率都更小，因此能够进一步减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量。
此外，在图3中，m7是调制度m处于m1与m2之间、且中心频率的光的强度变得极小时(换言之，调制度m处于m1与m2之间且J0变得极小时)的调制度m的值。
在本实施方式中，进一步优选以调制度m为m7或处于m7附近的方式设定频率调制信号的强度。如果这样设定，则J0的斜率大致为0，能够大幅度减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量。
图4示出半导体激光器10的出射光的频谱的一例。在图4中，横轴是光的频率，纵轴是光的强度。图4的例子示出了以调制度m处于m7附近的方式设定频率调制信号的强度的情况下的频谱。如图4所示，将中心频率f0的光的强度抑制到较低等级。
如以上所说明那样，在本实施方式的原子振荡器1中，考虑到中心频率f0的光的强度变动对于共振光对的频率差ω12的变动(斯塔克位移)是支配性的情况，以调制度m变动时的中心频率f0的光强度的变动量比以往小的方式，设定频率转换电路20的输出信号(频率调制信号)的强度。因此，根据本实施方式的原子振荡器1，能够减少由于部件的时效变化而产生的斯塔克位移引起的振荡频率的变动量，相比以往能够提高长期稳定度。
此外，在周围的环境温度发生了变动时，频率转换电路20的输出信号(频率调制信号)的强度对应于电路部分的温度特性而发生变动，但根据本实施方式的原子振荡器1，频率调制信号的强度在其变动量比以往小的范围内被设定，因此能够减少由于斯塔克位移而引起的振荡频率的变动量，相比以往提高了频率温度特性。
另外，在图1中，除物理封装100以外的结构要素(电路)例如可以通过单芯片的集成电路(IC)实现，也可以通过多个IC芯片实现。
此外，在图1中，半导体激光器10、气室13、光检测器14分别相当于本发明中的“光源”、“室”、“光检测单元”。此外，通过检波电路16、压控石英振荡器(VCXO)17、调制电路18、低频振荡器19和频率转换电路20构成的电路相当于本发明中的“调制信号生成单元”。
[原子振荡器的制造方法]
图5是示出本实施方式的原子振荡器1的制造方法的一例的流程图。
首先，准备图1所示的物理封装100和电路部，并连接信号发生器(SG)40和频率计数器50(S10)。
图6是示出信号发生器(SG)40与频率计数器50的连接例的图。在图6的例子中，图1的调制电路18和频率转换电路20被置换为信号发生器(SG)40，信号发生器(SG)40为了能够进行基于检波电路16的检波，将低频振荡器19的振荡信号作为调制信号，对压控石英振荡器(VCXO)17的输出信号进行调制，进而以恒定的频率转换率对其进行频率转换，生成微波，并输出到驱动电路24。该微波作为向半导体激光器10施加频率调制的频率调制信号发挥作用。此外，频率计数器50测量频率转换电路28输出的时钟信号的频率。另外，频率计数器50也可以测量VCXO 17的输出信号和信号发生器(SG)40的输出信号的频率。
接着，针对半导体激光器10，在改变强度的同时输入微波(频率调制信号)，并根据光检测器14的输出信号求出微波的强度与振荡频率之间的关系(S20)。具体而言，信号发生器(SG)40使微波的电压每次增大或减小预定值，频率计数器50测量微波的各电压下的振荡频率，由此求出微波的强度与振荡频率之间的关系。
图7是示出微波强度与振荡频率之间的关系的一例的图。在图7中，横轴是微波的强度，纵轴是振荡频率的频率偏差，均是任意单位的。如上所述，根据考虑了斯塔克位移的共振光对的频率差ω12的式(1)，对于ω12的变动，基于中心频率的光强度的变动量是支配性的，中心频率的光的强度与式(2)的右边第1项(包含贝塞尔函数J0(m)的项)对应，因此根据调制度m发生变动。并且，调制度m与微波的强度成比例，因此图7所示的基于微波强度的振荡频率的频率偏差与图3所示的贝塞尔函数J0(m)处于相关关系。具体而言，图7中频率偏差随着微波强度从0增加至P0而单调减少时与图3中J0(m)随着调制度从0增加至m7而单调减少时对应。此外，图7中微波强度为P0且频率偏差的变化率最小时与图3中调制度为m7且J0(m)为极小时对应。而且，图7中频率偏差随着微波强度从P0起增加而单调减少时与图3中J0(m)随着调制度从m7起增加而单调增加时对应。
接着，拆下信号发生器(SG)40的连接，组装调制电路18和和频率转换电路20(S30)。
然后，根据在步骤S20中求出的微波强度与振荡频率之间的关系，以中心频率的光的强度比1次边带光的强度小的方式调整微波的强度(S40)。例如，设为图7的P0与图3的m7一致，在图7中，通过计算求出与图3的J0(m)＜J1(m)的调制度m的范围对应的微波强度的范围，可以将微波的强度调整为该范围内的任意一个值。
最后，将物理封装100和电路部收纳到壳体中，组装出原子振荡器1(S50)。
图8是示出图5的步骤S40的优选实施例的流程图。在图8的例子中，首先根据在图5的步骤S20中求出的微波强度与振荡频率之间的关系，求出振荡频率相对于微波强度的灵敏度。
接着，以在步骤S42中求出的振荡频率相对于微波强度的灵敏度接近最小的方式调整微波的强度(S44)。
例如，在步骤S42中，使用图7所示的微波强度与频率偏差之间的关系，进行频率偏差的基于微波强度的1次微分计算(差分计算)，求出微波强度与微波灵敏度(频率偏差的1次微分)之间的关系。该微波灵敏度与振荡频率相对于微波强度的灵敏度对应。
图9是示出微波强度与微波灵敏度之间的关系的一例的图。在图9中，横轴是微波强度，纵轴是微波灵敏度，均是任意单位的。在图9中，微波强度(横轴)的值的范围与图7相同，微波灵敏度(纵轴)的值是图7的频率偏差(纵轴)的基于微波强度的1次微分值。在图9的例子中，在微波强度为P0时，微波灵敏度的绝对值最小(大致0)。在步骤S44中，以微波的强度为P0或处于P0附近的方式，调整频率转换电路20的输出信号(频率调制信号)的电压。
如以上所说明那样，根据本实施方式的原子振荡器的制造方法，求出振荡频率相对于微波(频率调制信号)强度的灵敏度，并以该灵敏度减小的方式调整频率转换电路20的输出信号(频率调制信号)的强度，因此能够可靠地减少由于部件的时效变化而产生的斯塔克位移引起的振荡频率的变动量，制造长期稳定度比以往高的原子振荡器。
此外，根据本实施方式的原子振荡器的制造方法，能够通过求出振荡频率相对于微波(频率调制信号)强度的灵敏度，节省取得半导体激光器10的出射光的频谱的时间，从而比较简单地调整频率调制信号的强度。
2.电子设备
图10是本实施方式的电子设备的功能框图。
本实施方式的电子设备300构成为包含原子振荡器310、CPU(Central ProcessingUnit：中央处理单元)320、操作部330、ROM(Read Only Memory：只读存储器)340、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)350、通信部360和显示部370。另外，本实施方式的电子设备也可以构成为省略或变更图10的结构要素(各部件)的一部分，或者附加其他结构要素。
原子振荡器310例如是上述实施方式的原子振荡器1，输出长期稳定度高的时钟信号。
CPU 320依照存储在ROM 340等中的程序进行各种计算处理和控制处理。具体而言，CPU 320与原子振荡器310输出的时钟信号同步地，进行各种运算处理、与来自操作部330的操作信号对应的各种处理、为了与外部进行数据通信而控制通信部360的处理、发送用于使各种信息显示在显示部370上的显示信号的处理等。
操作部330是由操作键、按钮开关等构成的输入装置，将与用户操作对应的操作信号输出到CPU 320。
ROM 340存储有用于CPU 320进行各种计算处理和控制处理的程序和数据等。
RAM 350被用作CPU 320的工作区域，暂时存储从ROM 340读出的程序和数据、从操作部330输入的数据、CPU 320依照各种程序执行的运算结果等。
通信部360进行用于建立CPU 320与外部装置之间的数据通信的各种控制。
显示部370是由LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示器)等构成的显示装置，根据从CPU 320输入的显示信号显示各种信息。可以在显示部370上设置作为操作部330发挥功能的触摸面板。
能够通过组装本实施方式的原子振荡器1作为原子振荡器310，实现可长期地维持高可靠性的电子设备。
作为这种电子设备300，例如可列举实现与标准时刻的同步的时刻管理用的服务器(时间服务器)、进行时间戳的发行等的时刻管理装置(时间戳服务器)、基站等频率基准装置等。作为电子设备300，还可以考虑其它各种电子设备，例如可列举出个人计算机(例如移动型个人计算机、膝上型个人计算机、平板型个人计算机)、智能手机或移动电话机等移动终端、数字静态照相机、喷墨式排出装置(例如喷墨打印机)、路由器或开关等存储区域网络设备、局域网设备、移动终端基站用设备、电视、摄像机、录像机、车载导航装置、实时时钟装置、寻呼机、电子记事本(也包含通信功能)、电子辞典、计算器、电子游戏设备、游戏用控制器、文字处理器、工作站、视频电话、防盗用电视监视器、电子双筒镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测定设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、头戴式显示器、运动追踪、运动跟踪、运动控制器、PDR(步行者位置方位计测)等。
3.移动体
图11是示出本实施方式的移动体的一例的图(俯视图)。图11所示的移动体400构成为包含原子振荡器410、汽车导航装置420、控制器430、440、450、电池460和备用电池470。另外，本实施方式的移动体可以构成为省略或变更图11的结构要素(各部件)的一部分，还可以附加其他结构要素。
原子振荡器410输出长期稳定度高的时钟信号，作为该原子振荡器410，能够应用上述实施方式的原子振荡器1。
汽车导航装置420与原子振荡器410输出的时钟信号同步地，将位置、时刻以及其他各种信息显示在显示器上。
控制器430、440、450进行发动机系统、制动系统、无匙门禁系统等的各种控制。控制器430、440、450可以与原子振荡器410输出的时钟信号同步地进行各种控制。
本实施方式的移动体400能够通过具有原子振荡器410，长期地维持高可靠性。
作为这样的移动体400，可以考虑各种移动体，例如可列举出汽车(也包含电动汽车)、喷气式飞机或直升飞机等飞机、船舶、火箭、人造卫星等。
4.应用例
在上述本实施方式的原子振荡器中，向气室13施加磁场时，碱金属原子的能量能级发生塞曼分裂，产生EIT现象的共振光对的频率差ω12根据磁场的强度发生变动(其结果，振荡频率发生变动)。能够利用该特性，将本实施方式的原子振荡器应用到磁传感器。
此外，本实施方式的原子振荡器能够形成极其稳定的碱金属原子的量子干涉状态(量子相干性状态)，因此能够通过取出入射到气室13的共振光对，实现用于量子计算机、量子存储器、量子加密系统等量子信息设备的光源。
本发明不限于本实施方式，能够在本发明的主旨范围内进行各种变形实施。
上述实施方式和变形例是一个例子，并非限定于此。例如，还能够适当组合各实施方式和各变形例。
本发明包含与在实施方式中说明的结构实质相同的结构(例如，功能、方法和结果相同的结构，或者目的和效果相同的结构)。此外，本发明包含对实施方式中说明的结构的非本质部分进行置换后的结构。此外，本发明包含能够起到与在实施方式中说明的结构相同作用效果的结构或达到相同目的的结构。此外，本发明包含对在实施方式中说明的结构附加了公知技术后的结构。

Claims (10)

1.一种原子振荡器，其中，该原子振荡器具有：
封入有金属原子的室；
光源，其产生照射到所述室的光；以及
频率调制信号生成单元，其生成频率调制信号，该频率调制信号用于使所述光源产生包含共振光对的频率调制后的光，所述共振光对使所述金属原子产生电磁感应透明现象，
所述共振光对是所述光源产生的光所包含的成对的1次边带光，
设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光最初为极大时的调制度为第1值，所述光源产生的光所包含的中心频率的光的强度最初变得比所述1次边带光的强度小之后下一次变为所述1次边带光的强度以上时的调制度为第2值，
以调制度比所述第1值大且比所述第2值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述中心频率的光的强度最初变为与所述光源产生的光所包含的2次边带光的强度相同时的调制度为第3值，
以调制度比所述第3值大的方式，设定所述频率调制信号的强度。
3.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述中心频率的光的强度最初变为与所述光源产生的光所包含的3次边带光的强度相同时的调制度为第4值，
以调制度比所述第4值大的方式，设定所述频率调制信号的强度。
4.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光的强度最初变得比所述光源产生的光所包含的3次边带光的强度大之后下一次变为与所述3次边带光的强度相同时的调制度为第5值，
以调制度比所述第5值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
5.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
设在使调制度从较小一侧向较大一侧变化时，所述1次边带光的强度在最初变得比所述光源产生的光所包含的2次边带光的强度大之后下一次变为与所述2次边带光的强度相同时的调制度为第6值，
以调制度比所述第6值小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
6.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
以调制度处于所述第1值与所述第2值之间且所述中心频率的光的强度为极小的方式，设定所述频率调制信号的强度。
7.一种电子设备，其中，该电子设备包含权利要求1所述的原子振荡器。
8.一种移动体，其中，该移动体包含权利要求1所述的原子振荡器。
9.一种原子振荡器的制造方法，所述原子振荡器具有：封入有金属原子的室；光源，其产生照射到所述室的光；光检测单元，其检测透射过所述室的光；以及频率调制信号生成单元，其根据所述光检测单元检测到的光的强度，生成频率调制信号，该频率调制信号用于使所述光源产生包含共振光对的频率调制后的光，所述共振光对使所述金属原子产生电磁感应透明现象，所述共振光对是所述光源产生的光所包含的成对的1次边带光，在所述原子振荡器的制造方法中，包含以下步骤：
针对所述光源，在改变强度的同时输入频率调制信号，根据所述光检测单元的输出信号求出所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系；以及
根据所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系，以所述光源产生的光所包含的中心频率的光的强度比所述1次边带光的强度小的方式，调整所述频率调制信号的强度。
10.根据权利要求9所述的原子振荡器的制造方法，其中，
在调整所述频率调制信号的强度的步骤中，根据所述频率调制信号的强度与振荡频率之间的关系，求出振荡频率相对于所述频率调制信号的强度的灵敏度，并以所述灵敏度接近最小的方式调整所述频率调制信号的强度。
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