CN107800432A - 原子振荡器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供原子振荡器和电子设备。原子振荡器包含：原子室，其封入有碱金属原子；光源部，其对所述原子室照射频率互不相同的第1光和第2光；光检测部，其对透过了所述原子室的所述第1光和所述第2光进行检测，输出与该检测的强度对应的检测信号；信号生成部，其根据按照每个第1周期对所述检测信号进行检波而得的结果，生成与所述碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；以及光源调节部，其按照每个比所述第1周期长的第2周期对所述第1光和所述第2光各自的频率进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及原子振荡器和电子设备。
背景技术
作为具有较高的长期频率稳定度的振荡器，公知有基于铷、铯等碱金属的原子的能量跃迁而进行振荡的原子振荡器(参照例如美国专利第6320472号说明书)。
美国专利第6320472号说明书所述的原子振荡器例如具备封入有气态的碱金属的室(原子室)、射出对室照射的光的半导体激光元件、以及对透过了室的光进行检测的光检测器，根据光检测器的检测结果来控制半导体激光器的驱动。
在美国专利第6320472号说明书所述的原子振荡器中，存在这样的问题：由于原子振荡器的设置环境的变动(例如温度变动、磁场变动等外部干扰)而导致输入到半导体激光器中的电流值发生变动，与此相伴，导致短期频率稳定度恶化。
发明内容
本发明的目的在于提供即使发生设置环境的变动也能够减少短期频率稳定度的恶化的原子振荡器，此外，还提供具备上述原子振荡器的电子设备及移动体。
所述目的通过下述本发明来实现。
本发明的原子振荡器包含：原子室，其封入有碱金属原子；光源部，其对所述原子室照射频率互不相同的第1光和第2光；光检测部，其对透过了所述原子室的所述第1光和所述第2光进行检测，输出检测信号；信号生成部，其根据按照每个第1周期对所述检测信号进行检波而得的结果，生成与所述碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；以及光源调节部，其按照每个比所述第1周期长的第2周期对所述第1光和所述第2光各自的频率进行调节。
根据这样的原子振荡器，通过对第1光和第2光各自的频率进行调节，能够减少由于设置环境的变动(外部干扰)导致的短期频率稳定度的恶化。此外，通过使调节第1光和第2光各自的频率的周期(第2周期)比信号生成部对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述光源调节部具有：驱动电路，其通过向所述光源部输入将基于所述微波信号的调制电流与偏置电流叠加而得的驱动电流，驱动所述光源部；和自动增益控制电路，其按照每个比所述第1周期长的第3周期对所述微波信号的振幅进行调节。
由此，能够使输入至光源部的调制电流稳定，减少由于设置环境的变动(外部干扰)引起的短期频率稳定度的变动。此外，通过使调节调制电流的周期(第3周期)比在生成微波信号时对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述光源调节部具有偏置电流调节部，该偏置电流调节部按照每个比所述第1周期长的第4周期对所述偏置电流的电流值进行调节。
由此，能够使输入至光源部的偏置电流稳定，减少由于设置环境的变动(外部干扰)引起的短期频率稳定度的变动。此外，通过使调节偏置电流的周期(第4周期)比在生成微波信号时对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述第4周期比所述第3周期短。由此，在光源部相对于偏置电流的输出特性的线性较高(非线性较低)的情况下，能够有效地减少来自光源部的光的中心波长的变动，其结果能够提高第1光和第2光的波长的稳定性。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述第4周期比所述第3周期长。由此，在光源部相对于偏置电流的输出特性的非线性较高(线性较低)的情况下，能够有效地减少来自光源部的光的中心波长的变动，其结果能够提高第1光和第2光的波长的稳定性。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，当设置环境温度以变动速度T[℃/秒]进行变动时，所述第2周期为(0.1/T)秒以下。
由此，能够减少由于设置环境温度的变动引起的短期频率稳定度的变动。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述第1周期为1/150秒以上且1/50秒以下。
由此，能够良好地生成微波信号。
在本发明的原子振荡器中，优选的是，所述第2周期为1秒以下。
由此，能够减少由于一般的设置环境的变动引起的短期频率稳定度的变动。
本发明的原子振荡器包含：原子室，其封入有碱金属原子；光源部，其对所述原子室照射光；光检测部，其对透过了所述原子室的所述光进行检测，输出检测信号；信号生成部，其根据按照每个第1周期对所述检测信号进行检波而得的结果，生成与所述碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；天线，其输入基于所述微波信号的信号，由此对所述原子室照射微波；以及微波调节部，其按照每个比所述第1周期长的第2周期对所述微波的振幅进行调节。
根据这样的原子振荡器，通过对微波的振幅进行调节，能够减少由于设置环境的变动(外部干扰)导致的短期频率稳定度的恶化。此外，通过使调节微波的振幅的周期(第2周期)比信号生成部对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
本发明的电子设备包含本发明的原子振荡器。
根据这样的电子设备，即使发生原子振荡器的设置环境的变动，也能够减少原子振荡器的短期频率稳定度的恶化。因此，能够与电子设备的设置环境无关地，使用较高的频率稳定度的信号来实现电子设备的高功能化。
本发明的移动体包含本发明的原子振荡器。
根据这样的移动体，即使发生原子振荡器的设置环境的变动，也能够减少原子振荡器的短期频率稳定度的恶化。因此，能够与移动体的位置无关地，使用较高的频率稳定度的信号来实现移动体的高功能化。
附图说明
图1是示出第1实施方式的原子振荡器的概要结构的示意图。
图2是示出图1所示的原子振荡器所具备的控制环的环频带与环增益的关系的曲线图。
图3是示出图1所示的原子振荡器的输出信号的测定时间与阿伦方差(频率精度)的关系的曲线图。
图4是用于根据EIT信号的波形对图3所示的结果进行说明的图。
图5是概要地示出从图1所示的光源射出的光的频谱的图。
图6是示出光源的特性(所提供的偏置电流与光源输出的关系)的一例的曲线图。
图7是示出第2实施方式的原子振荡器的概要结构的示意图。
图8是示出电子设备的实施方式的图。
图9是示出移动体的实施方式的图。
具体实施方式
以下，根据附图所示的优选实施方式对原子振荡器、电子设备及移动体详细地进行说明。
1.原子振荡器
首先，对原子振荡器进行说明。
＜第1实施方式＞
图1是示出第1实施方式的原子振荡器的概要结构的示意图。
图1所示的原子振荡器1是利用量子干涉效应(CPT：Coherent PopulationTrapping)的原子振荡器，该量子干涉效应是当对碱金属原子同时照射特定的不同波长的两个共振光时产生这两个共振光不被碱金属原子吸收而透过的现象。另外，该量子干涉效应的现象也称作电磁诱导透明(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)现象。
如图1所示，该原子振荡器1具有封装部2以及与封装部2电连接的控制部10。封装部2具有射出光的光源22(光源部)、例如封入有铷原子、铯原子等碱金属原子的原子室21(气室)以及光检测器23(光检测部)，上述元件被收纳在封装体(未图示)内。控制部10具有检波电路31、调制电路32、低频振荡器33、驱动电路35、检波电路42、压控型石英振荡器43(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillators)、调制电路44、低频振荡器45、相位同步电路46(PLL：phase locked loop)、以及自动增益控制电路47(AGC：自动增益控制放大器)，它们设置在封装部2的封装体的外部。另外，也可以将控制部10的至少一部分收纳在封装部2的封装体内。
这里，驱动电路35对光源22提供将偏置电流与调制电流叠加而得的驱动电流。由此，光源22射出与偏置电流的电流值对应的中心波长的光、以及相对于该光的波长在两侧偏移与调制电流的频率对应的波长量的波长的两个边带光(第1光和第2光)。这两个边带光穿过原子室21，由光检测器23进行检测。检波电路31、调制电路32和低频振荡器33作为根据光检测器23的检测结果调节驱动电路35的偏置电流的电流值的“偏置电流调节部30”发挥功能。此外，检波电路42、压控型石英振荡器43、调制电路44、低频振荡器45和相位同步电路46作为根据光检测器23的检测结果生成与原子室21内的碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号的“信号生成部40”发挥功能。该信号生成部40以使基于前述的两个边带光和原子室21内的碱金属原子的EIT现象发生的方式，对用作调制电流的微波信号的频率进行调节并使压控型石英振荡器43(VCXO)的输出信号稳定在规定的频率，将该输出信号作为原子振荡器1的时钟信号输出。自动增益控制电路47对来自信号生成部40的调制电流(微波信号)的振幅进行调节，输入到驱动电路35。在这样的原子振荡器1中，驱动电路35、偏置电流调节部30和自动增益控制电路47作为对前述的两个边带光(第1光和第2光)各自的频率进行调节的“光源调节部50”发挥功能。
以下，依次对原子振荡器1的各部进行说明。
<封装部>
如前述那样，图1所示的封装部2具有光源22(光源部)、原子室21(气室)和光检测器23(光检测部)。
(光源部)
光源22具有如下功能：接受将偏置电流与调制电流叠加而得的驱动电流的提供，将前述的两个边带光作为频率(波长)互不相同的第1光和第2光射出。作为该光源22，只要是具有前述功能的光源即可，没有特别限定，例如可以举出垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等半导体激光器等。
(原子室)
在原子室21内，封入有气态的铷、铯、钠等碱金属(碱金属原子)。此外，在原子室21内，还可以根据需要，与气态的碱金属一并封入氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体。
碱金属原子具有由互不相同的两个基态(第1基态和第2基态)和激发态构成的三能级系统的能级。第1基态是比第2基态低的能级。这里，当分别单独地对碱金属原子照射具有相当于第1基态与激发态的能量差的频率ω1的共振光(第1共振光)以及具有相当于第2基态与激发态的能量差的频率ω2的共振光(第2共振光)时，发生光吸收。与此相对，当同时照射第1共振光和第2共振光(共振光対)时，会发生第1共振光和第2共振光双方不被碱金属原子吸收而透过的电磁诱导透明(EIT)现象。
当对碱金属原子同时照射第1共振光和第2共振光、第1共振光的频率ω1与第2共振光的频率ω2的频率差(ω1-ω2)和相当于第1基态与第2基态的能量差ΔE的频率ω0一致时，会发生该EIT现象。因此，第1共振光和第2共振光在碱金属原子中的光吸收率(光透过率)与频率差(ω1-ω2)对应地发生变化，当频率差(ω1-ω2)与频率ω0一致时，发生EIT现象，透过碱金属原子后的第1共振光和第2共振光的强度急剧上升。伴随着这样的EIT现象而产生的陡峭的信号称作EIT信号。该EIT信号具有由碱金属原子的种类决定的固有值。因此，通过使用这样的EIT信号作为基准，能够构成高精度的振荡器。
例如，当碱金属原子为铯原子时，相当于能量差ΔE的频率ω0为9.1926GHz，因此，当对铯原子同时照射频率差(ω1-ω2)为9.1926GHz的两种光时，会检测到EIT信号。
原子室21由加热器(未图示)进行加热，该加热器根据检测原子室21的温度的温度传感器(未图示)的检测结果而被驱动。由此，能够将原子室21中的碱金属维持为适当浓度的气态。此外，在原子室21附近例如设有磁场产生部(未图示)，该磁场产生部具有利用通电对碱金属施加磁场的线圈等。利用来自该磁场产生部的磁场，通过塞曼分裂，能够扩大碱金属原子退化的不同的多个能级间的能隙，提高分辨率。其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡频率的精度。
此外，在上述光源22与原子室21之间，还可以配置波长板、减光滤光器、透镜、偏振板等光学元件。
(光检测部)
光检测器23具有如下功能：接受并检测透过原子室21内的光(第1光和第2光)，输出与检测出的光的强度对应的检测信号。作为该光检测器23，只要能够检测前述的光的强度，则没有特别限定，例如可以举出光电二极管等光检测器(受光元件)。
<控制部>
如前述那样，控制部10具有偏置电流调节部30、驱动电路35、信号生成部40和自动增益控制电路47。
(偏置电流调节部)
偏置电流调节部30具有检波电路31、调制电路32和低频振荡器33。检波电路31使用以几Hz～几百Hz左右的较低频率进行振荡的低频振荡器33的输出信号(振荡信号)，以该频率(每第4周期)对光检测器23的输出信号进行同步检波。调制电路32将低频振荡器33的输出信号(振荡信号)作为调制信号对检波电路31的输出信号进行调制，以便能够使检波电路31进行检波。
(驱动电路)
驱动电路35根据调制电路32的输出信号对偏置电流进行微调，设定对光源22提供的偏置电流(设定从光源22射出的光的中心波长)。这样，利用经过光源22、原子室21、光检测器23、检波电路31、调制电路32和驱动电路35的反馈环来控制(微调)光源22所射出的光的中心波长并使其稳定。这里，偏置电流调节部30按照每个与低频振荡器33的振荡频率对应的周期(第4周期)对由驱动电路35设定的偏置电流的电流值进行调节。该调节的周期(第4周期)比后述的信号生成部40中的检波周期(第1周期)长。另外，该反馈环可以通过模拟处理来进行，也可以通过数字处理来进行。
此外，驱动电路35将如前述那样进行微调后的偏置电流与后述的来自自动增益控制电路47的调制电流叠加后提供给光源22。当利用该调制电流对从光源22射出的光进行频率调制时，会产生与偏置电流对应的中心频率的光以及频率分别在其两侧偏移调制电流的频率后的频率的多组光作为边带光。
(信号生成部)
信号生成部40具有检波电路42、压控型石英振荡器43、调制电路44、低频振荡器45和相位同步电路46。检波电路42使用以几Hz～几百Hz左右的较低频率进行振荡的低频振荡器45的振荡信号，以该频率(每第1周期)对光检测器23的输出信号进行同步检波。并且，压控型石英振荡器43(VCXO)根据检波电路42的输出信号的大小，对压控型石英振荡器43(VCXO)的振荡频率进行微调。压控型石英振荡器43(VCXO)例如以几Hz～几百Hz左右的较低频率进行振荡。
调制电路44将低频振荡器45的振荡信号作为调制信号对压控型石英振荡器43(VCXO)的输出信号进行调制，以便能够使检波电路42进行检波。
相位同步电路46以固定的频率转换率(倍频比)对调制电路44的输出信号进行转换后输出。由此，相位同步电路46对调制电路44的输出进行倍频，生成调制电流作为微波信号。例如，相位同步电路46转换为等于与封入原子室21中的磁量子数m＝0的碱金属原子的两个基态的能量差相当的频率差的1/2(铯原子的情况下为9.1926GHz/2＝4.5963GHz)的频率的信号。另外，也可以是，相位同步电路46将调制电路44的输出信号转换为等于与封入原子室21中的磁量子数m＝0的碱金属原子的两个基态的能量差相当的频率差(铯原子的情况下为9.1926GHz)的频率的信号。
由这样的检波电路42、压控型石英振荡器43、调制电路44、低频振荡器45和相位同步电路46构成的信号生成部40根据按照每个与低频振荡器45的振荡频率对应的周期(第1周期)对光检测器23的检测信号进行检波而得的结果，生成与原子室21内的碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号(调制电流)。
(自动增益控制电路)
自动增益控制电路47是如下这样的放大电路(放大器)，该放大电路(放大器)自动对放大率(增益)进行调节，以使来自相位同步电路46的信号(调制电流)的振幅固定。即，自动增益控制电路47具有放大来自相位同步电路46的调制电流的放大功能、以及对放大功能的放大率进行调节以使来自相位同步电路46的调制电流的振幅成为预先设定的固定振幅的自动增益控制功能。由此，即使原子振荡器1的设置环境(例如温度、磁场等)发生变动，也能够去除因该变动引起的调制电流的振幅变动，从而得到预先设定的固定振幅的调制电流。特别是，自动增益控制电路47按照每个比信号生成部40中的检波周期(第1周期)长的周期(第3周期)对来自相位同步电路46的微波信号的振幅进行调节。
在图示中，自动增益控制电路47具有放大器471(AMP)、电平检测器472和滤波器473。放大器471具有将来自相位同步电路46的调制电流放大后输出的功能，其放大率根据来自滤波器473的信号来调节。此外，从放大器471输出的调制电流分别输入到驱动电路35和电平检测器472。电平检测器472以规定的周期(第3周期)对来自放大器471的调制电流的输出电平进行检测，输出与该检测的结果对应的信号。来自电平检测器472的信号经由具有与电平检测器472的检测周期对应的频带的滤波器473输入到放大器471。另外，自动增益控制电路47的结构不限于图示的结构，例如，还可以在电平检测器472与滤波器473之间设置缓冲电路。
这样的自动增益控制电路47的输出信号作为调制频率fm的电流(调制电流)输入到驱动电路35。这样，利用经过光源22、原子室21、光检测器23、检波电路42、压控型石英振荡器43、调制电路44、相位同步电路46、自动增益控制电路47和驱动电路35的反馈环，将光源22射出的一组边带光控制(微调)成使碱金属原子发生EIT现象的共振光对。该反馈环的环频带等于低频振荡器45的振荡频率。
如上所述，利用光检测器23对伴随着EIT现象而产生的陡峭的信号即EIT信号进行检测，利用该EIT信号作为基准信号，使压控型石英振荡器43的输出信号稳定在规定的频率。然后，压控型石英振荡器43的输出信号输出至外部。这时，也可以根据需要，利用例如DDS(Direct Digital Synthesizer)等频率转换电路(未图示)，以规定的频率转换率将压控型石英振荡器43的输出信号频率转换为期望的频率。
如上所述，在原子振荡器1中，偏置电流调节部30根据光检测器23的检测结果对驱动电路35的偏置电流的电流值进行调节，并且，信号生成部40根据光检测器23的检测结果对驱动电路35的调制电流的频率进行调节。自动增益控制电路47对来自信号生成部40的调制电流的电流值(电平)进行调节后输入到驱动电路35。此外，信号生成部40以使基于前述的两个边带光和原子室21内的碱金属原子的EIT现象发生的方式，使压控型石英振荡器43(VCXO)的输出信号稳定在规定的频率，将该输出信号作为原子振荡器1的时钟信号输出。
这里，由驱动电路35、偏置电流调节部30和自动增益控制电路47构成的光源调节部50按照每个比信号生成部40中的检波周期(第1周期)长的周期(第2周期)对前述的两个边带光(第1光和第2光)各自的频率进行调节。该调节的周期(第2周期)等于前述的偏置电流调节部30中的调节周期(第4周期)与自动增益控制电路47中的调节周期(第3周期)中的较短的一个周期。
(偏置电流和调制电流的调节)
以下，根据图2至图6，对偏置电流和调制电流的调节进行详细叙述。
图2是示出图1所示的原子振荡器所具备的控制环的环频带与环增益的关系的曲线图。图3是示出图1所示的原子振荡器的输出信号的测定时间与阿伦方差(频率精度)的关系的曲线图。图4是用于根据EIT信号的波形对图3所示的结果进行说明的图。图5是概要地示出从图1所示的光源射出的光的频谱的图。图6是示出光源的特性(所提供的偏置电流与光源输出的关系)的一例的曲线图。
如前述那样，原子振荡器1具备：原子室21，其封入有碱金属原子；作为“光源部”的光源22，其对原子室21照射频率互不相同的第1光和第2光；以及作为“光检测部”的光检测器23，其对透过了原子室21的第1光和第2光进行检测，输出与该检测的强度对应的检测信号(以下，还简称为“检测信号”)。此外，原子振荡器1还具备：信号生成部40，其根据按照每个第1周期(以下，还简称为“第1周期”)对光检测器23的检测信号进行检波而得的结果，生成与原子室21内的碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；和光源调节部50，其按照每个比第1周期长的第2周期(以下，还简称为“第2周期”)对来自光源22的第1光和第2光各自的频率进行调节。
根据这样的原子振荡器1，即使发生原子振荡器1的设置环境的变动，光源调节部50也进行调节，使来自光源22的第1光和第2光各自的频率稳定。这样，通过对来自光源22的第1光和第2光各自的频率进行调节，能够减少由于设置环境的变动(外部干扰)导致的短期频率稳定度的恶化。此外，通过使调节第1光和第2光各自的频率的周期(第2周期)比信号生成部40对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
这里，光源调节部50具有：驱动电路35，其通过将基于来自信号生成部40的微波信号的调制电流与偏置电流叠加而得的驱动电流输入至作为“光源部”的光源22，驱动光源22；和自动增益控制电路47，其按照每个比第1周期长的第3周期(以下，还简称为“第3周期”)对来自信号生成部40的微波信号的振幅进行调节。由此，能够使输入至光源22的调制电流稳定，减少由于设置环境的变动(外部干扰)引起的短期频率稳定度的变动。此外，通过使调节调制电流的周期(第3周期)比在生成微波信号时对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
更具体地说明，如图2所示，自动增益控制电路47的控制环的环频带小于前述的经过光源22、原子室21、光检测器23、检波电路42、压控型石英振荡器43、调制电路44、相位同步电路46、自动增益控制电路47和驱动电路35的反馈环(以下，也称作“原子共振环”)的环频带。这里，图2中的单点划线所示的A示出原子共振环中的环频带与环增益的关系，原子共振环中的环频带等于第1周期的倒数。此外，图2中的实线所示的B示出自动增益控制电路47的控制环中的环频带与环增益的关系，自动增益控制电路47的控制环中的环频带等于第3周期的倒数。
在第3周期比第1周期长(图3中的实线所示的C)的情况下，能够减少由于外部干扰引起的短期频率稳定度的变动，并且，与第3周期比第1周期短的情况(图3中的虚线所示的D)相比，如图3所示，能够提高短期频率稳定度。与此相对，在第3周期比第1周期短(图3中的虚线所示的D)的情况下，能够减少由于外部干扰引起的短期频率稳定度的变动，但是，与第3周期比第1周期长的情况(图3中的实线所示的C)相比，短期频率稳定度恶化。可以认为这是因为，在第3周期比第1周期短的情况下(图4中的双点划线所示的F)，由自动增益控制电路47进行的调节成为噪声而出现，与第3周期比第1周期长的情况(图4中的实线所示的E)相比，即使没有信号成分S的变化，噪声成分N也增加，S/N比下降。
此外，光源调节部50具有偏置电流调节部30，该偏置电流调节部30按照每个比第1周期长的第4周期(以下，还简称为“第4周期”)调节对驱动电路35设定的偏置电流的电流值。由此，能够使输入至光源22的偏置电流稳定，减少由于设置环境的变动(外部干扰)引起的短期频率稳定度的变动。此外，通过使调节偏置电流的周期(第4周期)比在生成微波信号时对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。所起到这样的效果与通过使第3周期比第1周期长所起到的效果相同。
基于控制的容易性等观点，优选的是，这样的第3周期和第4周期互不相同。上述周期的大小关系例如可以根据光源22的特性来决定。当光源22相对于偏置电流的输出特性的线性较高(非线性较低)时，优选的是，第4周期比第3周期短。由此，能够有效地减少来自光源22的光的中心波长的变动，其结果，能够提高第1光和第2光的波长的稳定性。更具体地说明，如图5所示，光源22射出与偏置电流的电流值对应的中心频率f0的光、以及相对于该光的中心频率f0在两侧偏移调制电流的频率fm后的频率f1、f2的两个边带光(第1光和第2光)。当第4周期比第3周期短时，能够使中心频率f0先稳定，然后在该状态下使频率f1、f2稳定。因此，能够进一步缩小中心频率f0的波动。
另一方面，当光源22相对于偏置电流的输出特性的非线性较高(线性较低)时，优选的是，第4周期比第3周期长。由此，能够有效地减少来自光源22的光的中心波长的变动，其结果，能够提高第1光和第2光的波长的稳定性。更具体地说明，例如，如图6所示，在光源22相对于偏置电流的输出特性的非线性较高的情况下，当微波信号发生变动时，伴随于此，偏置电流也从I1变化至I2，由此，导致光源22的输出也从P1变化至P2，难以稳定地进行偏置电流的调节。因此，通过使第4周期比第3周期长，能够使微波信号先稳定，其结果，能够稳定地进行偏置电流的调节。
此外，在如前述那样第3周期与第4周期互不相同的情况下，基于控制的容易性等观点，当设第3周期为T3[秒]、第4周期为T4[秒]时，优选的是，T3/T4为0.1以上且10以下，更优选的是，0.5以上且2.0以下。
如前述那样，第2周期是比第1周期长的周期，并且等于第3周期和第4周期中的较短的一个周期。当原子振荡器1的设置环境温度以变动速度T[℃/秒]进行变动时，优选的是，该第2周期为(0.1/T)秒以下。由此，能够减少由于设置环境温度的变动引起的短期频率稳定度的变动。
此外，优选的是，第1周期为1/150秒以上且1/50秒以下。即，优选的是，原子共振环中的环频带为50Hz以上且150Hz以下。由此，信号生成部40能够良好地生成微波信号。
此外，优选的是，第2周期为1秒以下。即，优选的是，由偏置电流调节部30进行的调节的频率以及由自动增益控制电路47进行的调节的频率分别为1Hz以上。由此，能够减少由于一般的设置环境的变动引起的短期频率稳定度的变动。
＜第2实施方式＞
接下来，对第2实施方式进行说明。
图7是示出第2实施方式的原子振荡器的概要结构的示意图。
本实施方式除了在光微波双共振方式中应用本发明以外，与前述的第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第2实施方式，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明，省略关于相同事项的说明。此外，在图7中，对于与前述的实施方式相同的结构，标注相同的标号。
图7所示的原子振荡器1A是如下这样的原子振荡器：利用光微波双共振现象，根据铷等碱金属的原子的能量跃迁进行振荡。这里，光微波双共振现象是在对碱金属原子同时照射具有相当于第1基态与激发态的能量差的频率的共振光、以及具有相当于第1基态与第2基态的能量差的频率的微波时发生的现象。
该原子振荡器1A具有封装部2A以及与封装部2A电连接的控制部10A。
封装部2A具有光源22A(光源部)、原子室21(气室)、光检测器23(光检测部)和天线24，上述元件收纳在封装体(未图示)内。
光源22A例如是封入有碱金属的灯。另外，还可以将垂直谐振器面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等半导体激光器等用作光源22A。
天线24具有发出(辐射)对原子室21内的碱金属原子照射的微波的功能。作为该天线24，只要能够发出微波，则没有特别限定，可以使用各种天线。例如，天线24具有由电介质材料构成的基板、以及设置于该基板的表面的由导电性材料构成的辐射图案和反射器。
在本实施方式中，原子室21和天线24收纳在构成为产生相当于碱金属原子的第1基态与第2基态的能量差的频率的驻波的空腔(未图示)内。因此，当来自天线24的微波的频率成为相当于碱金属原子的第1基态与第2基态的能量差的频率时，来自天线24的微波在空腔内谐振。
控制部10A根据光检测器23的检测结果，控制从天线24发出的微波的频率，以产生光微波双共振现象。该控制部10A具有驱动电路35A、信号生成部40和自动增益控制电路47。
驱动电路35A以使来自光源22A的光的频率成为相当于碱金属原子的第1基态与激发态的能量差的频率的方式驱动光源22A。在本实施方式中，来自自动增益控制电路47的调制电流被提供给天线24。这里，自动增益控制电路47是按照每个比第1周期长的第2周期对来自天线24的微波的振幅进行调节的微波调节部50A。
以上的结构的原子振荡器1A具备：原子室21，其封入有碱金属原子；作为“光源部”的光源22A，其对原子室21照射光；以及作为“光检测部”的光检测器23，其对透过了原子室21的光进行检测，输出与该检测的强度对应的检测信号。特别是，原子振荡器1A具备：信号生成部40，其根据按照每个第1周期对检测信号进行检波而得的结果，生成与原子室21内的碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；天线24，其输入基于来自信号生成部40的微波信号的信号，对原子室21照射微波；以及微波调节部50A，其按照每个比第1周期长的第2周期对来自天线24的微波的振幅进行调节。
根据这样的原子振荡器1A，通过对来自天线24的微波的振幅进行调节，能够减少由于设置环境的变动(外部干扰)导致的短期频率稳定度的恶化。此外，通过使调节来自天线24的微波的振幅的周期(第2周期)比信号生成部40对检测信号进行检波的周期(第1周期)长，也能够减少由于该调节导致的短期频率稳定度的恶化。
根据以上说明的第2实施方式，即使发生原子振荡器1A的设置环境的变动，也能够减少短期频率稳定度的恶化。
2.电子设备
以下，对电子设备进行说明。
图8是示出电子设备的实施方式的图。
图8所示的定位系统100(电子设备)由GPS卫星200、基站装置300和GPS接收装置400构成。
GPS卫星200发送定位信息(GPS信号)。
基站装置300例如具备：接收装置302，其经由设置于电子基准点(GPS连续观测站)的天线301，高精度地接收来自GPS卫星200的定位信息；以及发送装置304，其经由天线303发送由该接收装置302接收到的定位信息。
这里，接收装置302是具备前述的原子振荡器1作为其基准频率振荡源的电子装置。这样的接收装置302具有优异的可靠性。此外，由发送装置304实时地发送接收装置302接收到的定位信息。
GPS接收装置400具备：卫星接收部402，其经由天线401接收来自GPS卫星200的定位信息；以及基站接收部404，其经由天线403接收来自基站装置300的定位信息。
如前述那样，以上说明的定位系统100所具备的“电子设备”即接收装置302具备原子振荡器1。如前述那样，即使发生设置环境的变动，该原子振荡器1也能够减少短期频率稳定度的恶化。因此，能够与接收装置302的设置环境无关地，使用较高的频率稳定度的信号来实现接收装置302的高功能化。另外，接收装置302可以具备原子振荡器1A来代替原子振荡器1，或者，也可以除了具备原子振荡器1之外，还具备原子振荡器1A。
另外，具备原子振荡器的电子设备不限于前述的电子设备，例如还可以应用于智能手机、平板电脑终端、钟表、移动电话、数字静态照相机、喷墨式喷出装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、汽车导航装置、寻呼器、电子记事本(也包含带通信功能的)、电子词典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、电视电话、防盗用电视监视器、电子双筒望远镜、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、各种测量设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、地面数字广播、移动电话基站等。
3.移动体
图9是示出移动体的实施方式的图。
在该图中，移动体1500构成为具有车体1501和4个车轮1502，并利用设置于车体1501的未图示的动力源(发动机)使车轮1502旋转。原子振荡器10内置于这样的移动体1500中。
如前述那样，以上说明的移动体1500具备原子振荡器1。如前述那样，即使发生设置环境的变动，该原子振荡器1也能够减少短期频率稳定度的恶化。因此，能够与移动体1500的位置无关地，使用较高的频率稳定度的信号来实现移动体1500的高功能化。另外，移动体1500可以具备原子振荡器1A来代替原子振荡器1，或者，也可以除了具备原子振荡器1之外，还具备原子振荡器1A。
以上，根据图示的实施方式，对原子振荡器、电子设备及移动体进行了说明，但本发明不限于此。
此外，原子振荡器、电子设备及移动体的各部的结构可置换为发挥相同的功能的任意结构，此外，还可以添加任意结构。
Claims (10)
1.一种原子振荡器，其包含：
原子室，其封入有碱金属原子；
光源部，其对所述原子室照射频率互不相同的第1光和第2光；
光检测部，其对透过了所述原子室的所述第1光和所述第2光进行检测，输出检测信号；
信号生成部，其根据按照每个第1周期对所述检测信号进行检波而得的结果，生成与所述碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；以及
光源调节部，其按照每个比所述第1周期长的第2周期对所述第1光和所述第2光各自的频率进行调节。
2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
所述光源调节部具有：
驱动电路，其通过向所述光源部输入将基于所述微波信号的调制电流与偏置电流叠加而得的驱动电流，驱动所述光源部；和
自动增益控制电路，其按照每个比所述第1周期长的第3周期对所述微波信号的振幅进行调节。
3.根据权利要求2所述的原子振荡器，其中，
所述光源调节部具有偏置电流调节部，该偏置电流调节部按照每个比所述第1周期长的第4周期对所述偏置电流的电流值进行调节。
4.根据权利要求3所述的原子振荡器，其中，
所述第4周期比所述第3周期短。
5.根据权利要求3所述的原子振荡器，其中，
所述第4周期比所述第3周期长。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的原子振荡器，其中，
当设置环境温度以变动速度T[℃/秒]进行变动时，所述第2周期为(0.1/T)秒以下。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的原子振荡器，其中，
所述第1周期为1/150秒以上且1/50秒以下。
8.根据权利要求1～5中的任一项所述的原子振荡器，其中，
所述第2周期为1秒以下。
9.一种原子振荡器，其包含：
原子室，其封入有碱金属原子；
光源部，其对所述原子室照射光；
光检测部，其对透过了所述原子室的所述光进行检测，输出检测信号；
信号生成部，其根据按照每个第1周期对所述检测信号进行检波而得的结果，生成与所述碱金属原子的两个基态间的跃迁频率对应的微波信号；
天线，其输入基于所述微波信号的信号，由此对所述原子室照射微波；以及
微波调节部，其按照每个比所述第1周期长的第2周期对所述微波的振幅进行调节。
10.一种电子设备，其特征在于，
所述电子设备具备权利要求1～5、9中的任一项所述的原子振荡器。
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