CN108206693A - 量子干涉装置、原子振荡器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
提供量子干涉装置、原子振荡器和电子设备，该量子干涉装置具有：原子室，其封入有碱金属；光源部，其射出对所述碱金属进行激励的光；光源温度调节部，其对所述光源部的温度进行调节；受光部，其接收透过了所述原子室的光，输出与接收到的光的强度对应的输出信号；检测部，其根据所述受光部的输出信号，输出与透过所述原子室的所述光的量随时间的变化对应的输出信号；以及光源温度控制部，其根据所述检测部的输出信号，对所述光源温度调节部的驱动进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及量子干涉装置、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(例如，参照美国专利第6320472号说明书)。
例如，美国专利第6320472号说明书所记载的原子振荡器具有封入有气态的碱金属的室(原子室)、射出对室进行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，原子振荡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号说明书所记载的原子振荡器中，例如当由于随时间的变化，碱金属被室的内壁吸收而使室内的碱金属的密度下降或半导体激光元件劣化而使半导体激光元件的输出下降时，与此相伴，光检测器所检测的信号强度下降，其结果存在使频率精度恶化的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够提高长期频率稳定度的量子干涉装置，并且，提供具有该量子干涉装置的原子振荡器等。
上述目的的至少一部分通过下述的本应用例来实现。
本应用例的量子干涉装置具有：原子室，其封入有碱金属；光源部，其射出对所述碱金属进行激励的光；光源温度调节部，其对所述光源部的温度进行调节；受光部，其接收透过了所述原子室的光，输出与该接收到的光的强度对应的信号；检测部，其根据所述受光部的输出信号，输出与透过所述原子室的所述光的量随时间的变化对应的信号；以及光源温度控制部，其根据所述检测部的输出信号，对所述光源温度调节部的驱动进行控制。
根据这样的量子干涉装置，由于根据与透过原子室的光的量随时间的变化对应的信号，对光源温度调节部的驱动进行控制，所以即使原子室内的碱金属的密度和光源部的光量中的至少一方随时间经过而下降，也能够减小受光部的输出信号随时间经过的下降。因此，能够使用受光部的输出信号来长期地发挥高精度的频率特性。因此，能够提高量子干涉装置的长期频率稳定度。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，所述检测部具有输入所述受光部的输出信号的自动增益控制电路，输出与所述自动增益控制电路的放大率对应的信号。
由此，能够通过比较简单的结构来实现检测部。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，具有：室温度调节部，其对所述原子室的温度进行调节；以及室温度控制部，其根据所述检测部的输出信号，对所述室温度调节部的驱动进行控制。
由此，即使原子室内的碱金属的密度随时间经过而下降，也能够可靠地减小受光部的输出信号随时间经过的下降。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，具有：信号生成部，其根据所述受光部的输出信号，生成与所述碱金属的原子所具有的两个基态能级间的跃迁频率对应的微波信号；以及驱动电路，其通过将驱动电流输入到所述光源部，对所述光源部进行驱动，该驱动电流是将基于所述微波信号的调制电流叠加于偏置电流而得的电流。
由此，能够通过来自光源部的光与碱金属原子的相互作用而发生电磁感应透明现象。并且，能够实现CPT方式的量子干涉装置(原子振荡器)。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，具有自动增益控制电路，该自动增益控制电路以使所述微波信号的振幅恒定的方式进行放大并输出。
由此，还能够减少受光部的输出信号中的、用于生成微波信号的信号成分随时间经过而下降或因干扰(温度变动等)而发生变动的情况。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，具有偏置电流调整部，该偏置电流调整部根据所述受光部的输出信号，对所述偏置电流的电流值进行调整。
由此，能够将来自光源部的光的中心波长控制为碱金属的吸收波长。并且，能够随着光源部的温度变化(下降)来调整偏置电流(使偏置电流增大)。因此，能够随着光源温度控制部所进行的光源温度调节部的驱动控制来进行控制，使得光源部的光量保持恒定。
在本应用例的量子干涉装置中，优选的是，所述信号生成部根据按照每个第1周期对所述受光部的输出信号进行检波而得的结果，生成所述微波信号，所述检测部按照与所述第1周期不同的第2周期，输出与所述随时间的变化对应的信号。
由此，能够在信号生成部和检测部中分别生成高精度的信号。
本应用例的原子振荡器具有上述应用例的量子干涉装置。
根据这样的原子振荡器，具有量子干涉装置的优异的效果，能够发挥优异的振荡特性。
本应用例的电子设备具有上述应用例的量子干涉装置。
根据这样的电子设备，具有量子干涉装置的优异的效果，能够发挥优异的特性。
本应用例的移动体具有上述应用例的量子干涉装置。
根据这样的移动体，具有量子干涉装置的优异的效果，能够发挥优异的特性。
附图说明
图1是示出第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置的一种)的概略结构的示意图。
图2是用于说明图1所示的原子振荡器中的各部分的信号与EIT信号之间的关系的图(示出受光部的输出强度与来自光源部的光的中心频率之间的关系的曲线图)。
图3是说明当在图2中的A所示的范围内存在偏置调整部的输出信号的频带时的受光部的输出信号的曲线图。
图4是说明当在图2中的B所示的范围内存在信号生成部的输出信号的频带时的受光部的输出信号的曲线图。
图5是示出在光源部中使用的发光元件的光量(光源光量)随时间的变化的曲线图。
图6是示出第2实施方式的原子振荡器(量子干涉装置的一种)的概略结构的示意图。
图7是示出电子设备的实施方式的图。
图8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的实施方式对量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体进行详细地说明。
1.原子振荡器(量子干涉装置)
首先，对原子振荡器(具有量子干涉装置的原子振荡器)进行说明。另外，以下，以作为量子干涉装置的一种(一例)的原子振荡器为例进行说明，但量子干涉装置并不限于此，例如也可以应用于磁传感器、量子存储器等器件。
<第1实施方式>
图1是示出第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置的一种)的概略结构的示意图。
图1所示的原子振荡器1是利用了量子干涉效应(CPT：Coherent PopulationTrapping：相干布居俘获)的原子振荡器，该量子干涉效应是指发生了如下现象：当对碱金属原子同时照射特定的不同波长的两种共振光时，这两种共振光未被碱金属原子吸收而透过。基于该量子干涉效应的现象也被称为电磁感应透明(EIT：ElectromagneticallyInduced Transparency)现象。如图1所示，该原子振荡器1具有封装部10和与封装部10电连接的电路部20。
封装部10具有：光源12(光源部)，其射出光；原子室11(气室)，其封入有例如铷原子或铯原子等碱金属原子；光检测器13(受光部)；珀耳帖元件14(光源温度调节部)；加热器15(室温度调节部)，它们被收纳在作为恒温槽发挥功能的封装(未图示)内。另外，封装部10所具有的封装也可以被分割成由对光源12和珀耳帖元件14进行收纳的封装(恒温槽)和对原子室11、光检测器13和加热器15进行收纳的封装(恒温槽)构成的两个封装。
这里，光源12通过对偏置电流叠加调制电流而得的驱动电流来进行驱动。并且，光源12射出光LL，该光LL包含中心波长与偏置电流的电流值对应的光、和波长相对于该光的波长朝两侧偏移了与调制电流的频率对应的波长量的两个边带光(第1光和第2光)。光LL穿过原子室11而被光检测器13检测。并且，珀耳帖元件14通过对光源12进行加热或冷却来调节光源12的温度。加热器15通过对原子室11进行加热来调节原子室11的温度。
电路部20具有放大器21、偏置电流调整部22、驱动电路23、信号生成部24、自动增益控制电路25(AGC：自动增益控制放大器)、检测部26、温度控制部27(光源温度控制部)以及温度控制部28(室温度控制部)，它们设置在封装部10的封装的外部。另外，电路部20的至少一部分也可以收纳在封装部10的封装内。
这里，驱动电路23对光源12提供对偏置电流叠加调制电流而得的驱动电流。偏置电流调整部22根据光检测器13的检测结果，对驱动电路23的偏置电流的电流值进行调整。信号生成部24根据光检测器13的检测结果，生成与原子室11内的碱金属原子的两个基态能级间的跃迁频率对应的微波信号。该信号生成部24具有压控型石英振荡器243(VCXO)，该信号生成部24对作为调制电流使用的微波信号的频率进行调整，使得发生基于上述的两个边带光和原子室11内的碱金属原子的EIT现象，并且使压控型石英振荡器243(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25对来自信号生成部24的调制电流(微波信号)的振幅进行调整并输入到驱动电路23。
并且，温度控制部27(光源温度控制部)对珀耳帖元件14的驱动进行控制。温度控制部28对加热器15(室温度调节部)的驱动进行控制。特别是温度控制部27(光源温度控制部)根据检测部26的输出信号，对珀耳帖元件14的驱动进行控制。检测部26根据光检测器13的输出信号，输出与原子室11内的碱金属的光吸收特性随时间的变化对应的信号。
以下，对原子振荡器1的各部分依次进行说明。
<封装部>
如上述那样，图1所示的封装部10具有光源12(光源部)、原子室11(气室)、光检测器13(受光部)、珀耳帖元件14(光源温度调节部)以及加热器15(室温度调节部)。
(光源部)
光源12具有如下功能：接收对偏置电流叠加调制电流而得的驱动电流的供给，将上述那样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12，只要是具有上述的功能的光源即可，并没有特别地限定，例如可列举出垂直谐振器面发光激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等半导体激光器等。
(原子室)
在原子室11内封入有气态的铷、铯、钠等碱金属(碱金属原子)。并且，在原子室11内还可以根据需要而将氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体而与气态的碱金属一起封入。另外，在原子室11内，气态的碱金属和液态或固态的碱金属保持着平衡状态存在。并且，气态的碱金属按照以下的方式在电磁感应透明现象中发挥作用。
碱金属原子具有由互不相同的两个基态能级(第1基态能级和第2基态能级)和激励能级构成的三能级系统的能级。第1基态能级是比第2基态能级低的能级。这里，当分别单独地对碱金属原子照射具有相当于第1基态能级与激励能级的能量差的频率ω1的共振光(第1共振光)、以及具有相当于第2基态能级与激励能级的能量差的频率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(共振光对)时，会发生第1共振光和第2共振光的双方未被碱金属原子吸收而透过的电磁感应透明(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、且第1共振光的频率ω1与第2共振光的频率ω2的频率差(ω1-ω2)与相当于第1基态能级与第2基态能级的能量差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，透过了碱金属原子的第1共振光和第2共振光的强度急剧上升。将随着这样的EIT现象产生的急剧的信号称为EIT信号。该EIT信号具有由碱金属原子的种类确定的固有值。因此，通过使用这样的EIT信号为基准，能够构成高精度的振荡器。
例如，在碱金属原子为铯原子的情况下，由于相当于能量差ΔE的频率ω0为9.1926GHz，所以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。
在这样的原子室11的附近设置有例如磁场产生部(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正在简并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。
并且，也可以在上述的光源12与原子室11之间配置波长板、减光滤光器、透镜、偏振片等光学部件。
(受光部)
光检测器13具有如下功能：接收并检测透过了原子室11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13，只要是能够检测上述的光的强度的检测器，则并没有特别限定，例如，可列举出光电二极管等光检测器(受光元件)。
(珀耳帖元件)
虽然未进行图示，但珀耳帖元件14与光源12热连接，珀耳帖元件14具有对光源12的温度进行调节的功能。特别是珀耳帖元件14具有根据提供的电流的方向对光源12进行加热或冷却的功能。由此，即使环境温度的范围增大，也能够将光源12的温度调节至期望的温度(目标温度)。另外，也可以替代珀耳帖元件14而使用加热器，在该情况下，也可以通过该加热器对原子室11进行加热，可以省略加热器15。
(加热器)
虽然未进行图示，但加热器15例如配置在上述的原子室11上或经由金属等热传导性部件而与原子室11连接。该加热器15例如构成为具有发热电阻体，具有对原子室11(更具体来说是原子室11内的碱金属)进行加热的功能。由此，能够将原子室11中的碱金属维持为气态。
<电路部>
如上述那样，电路部20具有放大器21、偏置电流调整部22、驱动电路23、信号生成部24、自动增益控制电路25(AGC：自动增益控制放大器)、检测部26、温度控制部27(光源温度控制部)以及温度控制部28(室温度控制部)。
(放大器)
放大器21对光检测器13的输出信号进行放大并且转换成电压信号而输出。放大器21的输出信号分别被输入到偏置电流调整部22、信号生成部24和检测部26。
(偏置电流调整部)
偏置电流调整部22具有相位检波器221、低通滤波器222(LPF)、调制电路223以及低频振荡器224。相位检波器221使用以几Hz～几百Hz左右的较低的频率f1进行振荡的低频振荡器224的输出信号，以该周期(每第4周期)对放大器21的输出信号进行同步检波。相位检波器221的输出信号被输入到低通滤波器222。低通滤波器222是积分电路，其输出将相位检波器221的输出信号的交流成分去除后的电压信号。调制电路223将低频振荡器224的输出信号(振荡信号)作为调制信号对低通滤波器222的输出信号进行调制，以便能够使相位检波器221进行检波。
(驱动电路)
驱动电路23根据调制电路223的输出信号对偏置电流进行微调，设定对光源12提供的偏置电流(设定从光源12射出的光的中心波长)。这样，利用经过光源12、原子室11、光检测器13、相位检波器221、低通滤波器222、调制电路223和驱动电路23的反馈环路，控制(微调)光源12所射出的光的中心波长并使其稳定。这里，偏置电流调整部22按照每个与低频振荡器224的振荡频率对应的周期(第4周期)，对由驱动电路23设定的偏置电流的电流值进行调整。该调整的周期(第4周期)比后述的信号生成部24中的检波周期(第1周期)长。另外，该反馈环路可以通过模拟处理来进行，也可以通过数字处理来进行。
并且，驱动电路23对如上述那样进行了微调的偏置电流叠加后述的来自自动增益控制电路25的调制电流而向光源12提供。当利用该调制电流对从光源12射出的光进行频率调制时，会产生中心频率与偏置电流对应的光、以及频率分别向其两侧偏移调制电流的频率后的多组光作为边带光。
(信号生成部)
信号生成部24具有相位检波器241、低通滤波器242(LPF)、压控型石英振荡器243(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillators)、调制电路244、低频振荡器245以及相位同步电路246(PLL：phase locked loop：锁相环)。相位检波器241使用以几Hz～几百Hz左右的较低频率f2进行振荡的低频振荡器245的输出信号，以该周期(每第1周期)对放大器21的输出信号进行同步检波。相位检波器241的输出信号被输入到低通滤波器242。低通滤波器242是积分电路，其输出将相位检波器241的输出信号的交流成分去除后的电压信号。并且，压控型石英振荡器243(VCXO)根据低通滤波器242的输出信号的大小，对压控型石英振荡器243(VCXO)的振荡频率进行微调。压控型石英振荡器243(VCXO)例如以几十Hz～几百Hz左右的较低频率进行振荡。
调制电路244将低频振荡器245的振荡信号作为调制信号对压控型石英振荡器243(VCXO)的输出信号进行调制，使得相位检波器241能够进行检波。
相位同步电路246以恒定的频率转换率(倍频比)对调制电路244的输出信号进行转换并输出。由此，相位同步电路246对调制电路244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246转换为频率等于与封入原子室11中的磁量子数m＝0的碱金属原子的两个基态能级的能量差相当的频率差的1/2(在铯原子的情况下为9.1926GHz/2＝4.5963GHz)的信号。另外，也可以是，相位同步电路246将调制电路244的输出信号转换为频率等于与封入原子室11中的磁量子数m＝0的碱金属原子的两个基态能级的能量差相当的频率差(在铯原子的情况下为9.1926GHz)的信号。
(自动增益控制电路)
自动增益控制电路25是自动调整放大率(增益)，使得来自相位同步电路246的信号(调制电流)的振幅恒定的放大电路(放大器)。即，自动增益控制电路25具有：对来自相位同步电路246的调制电流进行放大的放大功能；以及自动增益控制功能，对放大功能的放大率进行调整，使得来自相位同步电路246的调制电流的振幅为预先设定的恒定振幅。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，也能够将由该变动引起的调制电流的振幅变动去除，得到预先设定的恒定振幅的调制电流。特别是自动增益控制电路25按照比信号生成部24中的检波周期长的每个周期，对来自相位同步电路246的微波信号的振幅进行调整。
该自动增益控制电路25具有放大器251、电平检测器252以及滤波器253。放大器251具有对来自相位同步电路246的调制电流进行放大并输出的功能，其放大率根据来自滤波器253的信号进行调整。并且，从放大器251输出的调制电流分别被输入到驱动电路23和电平检测器252。电平检测器252以规定的周期(例如，1秒～10000秒)对来自放大器251的调制电流的输出电平进行检测，输出与该检测结果对应的信号。来自电平检测器252的信号经由具有与电平检测器252的检测周期对应的频带的滤波器253而输入到放大器251。并且，如上述那样，放大器251的放大率根据来自电平检测器252的信号进行调整。另外，自动增益控制电路25的结构并不限于图示的结构，例如，还可以在电平检测器252与滤波器253之间设置缓冲电路。
通过上述的自动增益控制功能，这样的自动增益控制电路25的输出信号的振幅变动被降低，该输出信号作为调制频率fm的电流(调制电流)被输入到驱动电路23。这样，利用经过光源12、原子室11、光检测器13、相位检波器241、低通滤波器242、压控型石英振荡器243、调制电路244、相位同步电路246、自动增益控制电路25和驱动电路23的反馈环路，将光源12射出的1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。
如上述那样，利用光检测器13对随着EIT现象产生的急剧的信号即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243的输出信号稳定在规定的频率。然后，将压控型石英振荡器243的输出信号向外部输出。此时，也可以根据需要，利用例如DDS(Direct Digital Synthesizer：直接数字合成器)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243的输出信号频率转换为期望的频率。
(检测部)
检测部26具有如下功能：根据光检测器13的输出信号(在本实施方式中为通过放大器21放大后的输出信号)，输出与透过原子室11的光LL的量随时间的变化对应的信号。该检测部26具有与自动增益控制电路同样的电路结构。即，如图1所示，检测部26具有放大器261、电平检测器262以及滤波器263。但是，该检测部26与上述的自动增益电路25不同，其使用滤波器263的输出信号(与放大器261的放大率对应的信号)作为检测部26的输出信号，而不是使用放大器261的输出信号作为检测部26的输出信号。
放大器261是放大率可变的放大器，具有对放大器21的输出信号进行放大并输出的功能，该放大率根据来自滤波器263的信号进行调整。并且，从放大器261输出的信号被输入到电平检测器262。电平检测器262以规定的周期(例如，1秒～10000秒)对来自放大器261的信号的输出电平进行检测，输出与该检测结果对应的信号。来自电平检测器262的信号经由具有与电平检测器262的检测周期对应的带宽的滤波器263而输入到放大器261。并且，如上述那样，放大器261的放大率根据来自电平检测器262的信号进行调整。这里，通过适当设定上述的电平检测器262的检测周期和滤波器263的带宽，能够将不需要的频率成分从放大器261的输出信号中去除，其结果是，能够减小短期的振幅变动对检测部26的检测结果造成的影响，其中，该短期的振幅变动是因放大器21的输出信号的干扰(温度变动等)而造成的。另外，只要检测部26的结构能够发挥上述的功能，则并不限定于图示的结构，例如，也可以在电平检测器262与滤波器263之间设置缓冲电路。
(光源温度控制部)
温度控制部27具有如下功能：根据对光源12的温度进行检测的温度传感器(未图示)的检测结果对珀耳帖元件14的驱动进行控制，使得光源12的温度为目标温度。由此，能够减小因温度变动导致的光源12的输出变动。
特别是，温度控制部27构成为根据检测部26的输出信号(即，与放大器261的放大率对应的信号)对目标温度进行调整。即，温度控制部27构成为根据检测部26的输出信号，对珀耳帖元件14(光源温度调节部)的驱动进行控制。例如，每当放大器261的放大率为规定的值以上时，温度控制部27将目标温度每次下降规定的温度。由此，即使原子室11内的碱金属的密度和光源12的光量中的至少一方随时间下降，也能够减小光检测器13的输出信号随时间的下降。这里，具体的目标温度是根据光源12的特性、原子室11的特性等各种条件来适当设定的，并没有特别限定，例如设为30℃以上40℃以下左右的范围或该范围内的规定的温度。
(室温度控制部)
温度控制部28具有如下功能：根据对原子室11的温度进行检测的温度传感器(未图示)的检测结果对加热器15的驱动进行控制，使得加热器15的温度为目标温度(60°左右)。由此，能够将原子室11中的碱金属维持为适当的浓度的气态。该加热器15并没有特别限定，但例如构成为包含通过通电来发热的发热电阻体，以与原子室11接触的方式进行设置或经由其他部件以非接触的方式进行设置。
如以上说明的那样，在原子振荡器1中，根据光检测器13的检测结果，偏置电流调整部22对驱动电路23的偏置电流的电流值进行调整，并且信号生成部24对驱动电路23的调制电流的频率进行调整。自动增益控制电路25对来自信号生成部24的调制电流的电流值(电平)进行调整并输入到驱动电路23。并且，信号生成部24使压控型石英振荡器243(VCXO)的输出信号稳定在规定的频率，使得发生基于上述的两个边带光和原子室11内的碱金属原子的EIT现象，信号生成部24将该输出信号作为原子振荡器1的时钟信号输出。
这里，温度控制部27对珀耳帖元件14的驱动进行控制，使得光源12的温度为该目标温度，并且温度控制部28对加热器15的驱动进行控制，使得原子室11的温度为该目标温度。
特别是在原子振荡器1中，为了减小因原子室11和光源12随时间劣化而导致的光检测器13的输出下降，检测部26对该输出下降进行检测，为了补充相当于该输出下降的部分，温度控制部27根据检测部26的检测结果对珀耳帖元件14的驱动进行控制。由此，能够提高原子振荡器1的长期频率稳定度。以下，对该点进行详述。
(长期频率稳定度的提高)
在原子振荡器1中，偏置电流的电流值以偏置电流调整部22的低频振荡器224的振荡频率、即频率f1进行变化。随着这样的偏置电流的电流值的变化，光LL的中心频率也以频率f1进行变化。并且，调制电流(微波信号)的电流值(振幅)以信号生成部24的低频振荡器245的振荡频率、即频率f2进行变化。随着这样的调制电流的变化，光LL的两个边带光的频率也以频率f2进行变化。
这样的光LL穿过原子室11而被光检测器13检测。这里，在光检测器13的输出信号(电流信号)中，基于光LL的中心频率的光与原子室11内的碱金属的相互作用的、光吸收特性与频率f1同步出现，并且基于光LL的两个边带光与原子室11内的碱金属的相互作用的、光吸收特性与频率f2同步出现。因此，如上述那样，在偏置电流调整部22中，以频率f1对光检测器13的输出信号进行检波，使用该检波结果对偏置电流进行调整。并且，在信号生成部24中，以频率f2对光检测器13的输出信号进行检波，使用该检波结果生成微波信号。
图2是用于说明图1所示的原子振荡器中的各部分的信号与EIT信号之间的关系的图，即，是示出受光部的输出强度(输出强度)与来自光源部的光的中心频率之间的关系的曲线图。图3是说明当在图2中的A所示的范围内存在偏置调整部的输出信号的频带时的受光部的输出信号(检测强度)的曲线图。图4是说明当在图2中的B所示的范围内存在信号生成部的输出信号的频带时的受光部的输出信号(检测强度)的曲线图。
当光LL的中心频率以频率f1进行变化的范围(光LL的中心频率的扫描范围)是在图2中示出的范围A，并且该范围的中心频率与原子室11内的碱金属的原子的吸收光谱的谷值(频率f0)一致时，相位检波器221的输出信号如图3所示的那样成为频率(周期T1)为频率f1的2倍的波形。与此相对，当光LL的中心频率的扫描范围的中心频率偏离原子室11内的碱金属的原子的吸收光谱的谷值时，在相位检波器221的输出信号中出现频率f1的频率成分，随着该偏移量增大，频率f1的频率成分也增大。并且，相位检波器221的输出信号的相位根据该偏移的方向而错开180°。通过利用低通滤波器222进行积分，使这样的相位检波器221的输出信号成为电压值与上述的偏移量对应的误差信号(以下，称为“第1误差信号”)。通过使用这样的第1误差信号，能够控制成稳定在如下状态：光LL的中心频率的扫描范围的中心频率与原子室11内的碱金属的原子的吸收光谱的谷值一致。
并且，当光LL的两个边带光的频率差(调制电流的频率)以频率f2进行变化的范围(光LL的两个边带光的频率差的扫描范围)是在图2中示出的范围B，并且该范围的中心频率与原子室11内的碱金属的原子的EIT频谱的峰值(频率f0)一致时，相位检波器241的输出信号如图4所示的那样成为频率(周期T2)为频率f2的2倍的波形。与此相对，当光LL的两个边带光的频率差的扫描范围的中心频率偏离原子室11内的碱金属的原子的EIT频谱的峰值时，在相位检波器241的输出信号中出现频率f2的频率成分，随着该偏移量增大，频率f2的频率成分也增大。并且，相位检波器241的输出信号的相位根据该偏移的方向而错开180°。通过利用低通滤波器242进行积分，而使这样的相位检波器241的输出信号成为电压值与上述的偏移量对应的误差信号(以下，称为“第2误差信号”)。通过使用这样的第2误差信号，能够控制成稳定在如下状态：光LL的两个边带光的频率差的扫描范围的中心频率与原子室11内的碱金属的原子的EIT频谱的峰值一致。
图5是示出在光源部(光源12)中使用的发光元件的光量(光源光量)随时间的变化的曲线图。
在光源12中使用的发光元件随着使用时间变长而发生劣化。因此，在向发光元件提供的偏置电流恒定的情况下，该发光元件的光量如在图5中实线C所示的那样随时间经过而减少，导致了由光检测器13检测的信号电平的下降。并且，原子室11内的碱金属随着使用时间变长而被原子室11的壁面吸收。因此，即使发光元件的光量恒定，原子室11内的碱金属的原子密度也会随时间经过而减少，导致了由光检测器13检测的信号电平的下降。
假设在向光源12提供的偏置电流恒定时，随着上述那样的光源12的光量下降和原子室11内的碱金属的原子密度的下降，上述的图3所示的信号的强度I1也会下降，原子振荡器1的长期频率稳定度也下降。
因此，在原子振荡器1中，如上述那样，为了减小因原子室11和光源12随时间的劣化而导致的光检测器13的输出下降，检测部26对该输出下降进行检测，为了补充相当于该输出下降的部分，温度控制部27根据检测部26的检测结果对珀耳帖元件14的驱动进行控制。更具体来说，根据上述的来自检测部26的滤波器263的信号(即，与放大器261的放大率对应的信号)对珀耳帖元件14的驱动进行控制，使得光源12的温度随着光检测器13的输出下降而变低，其中，该光检测器13的输出下降是由原子室11和光源12随时间的劣化导致的。
这里，在光源12中使用的发光元件具有如下两个特性：随着偏置电流增大，射出的光的强度(光量)变高，并且射出的光的中心频率变低(波长变长)的特性；以及随着温度变低，射出的光的中心频率变高(波长变短)的特性。
因此，当光源12的温度变低时，从光源12射出的光LL的中心频率会变高。于是，通过上述的偏置电流调整部22的控制来使偏置电流增大，使得光LL的中心频率不会变高。其结果是，如在图5中的虚线D所示的那样，将光源12的光量控制为保持恒定，能够减小图3所示的信号的强度I1随时间经过的下降。这样，能够使光LL的中心频率稳定，并且减小图3所示的信号的强度I1随时间经过的下降。
并且，在原子振荡器1中，自动增益控制电路25如上述那样控制成信号生成部24的输出信号(微波信号)的振幅恒定。由此，也能够减少上述的图4所示的信号的强度I2(用于生成微波信号的信号成分)随时间经过而下降或因干扰(温度变动等)而发生变动的情况。
如以上那样，作为“量子干涉装置”的一种的原子振荡器1具有：原子室11，其封入有碱金属；作为“光源部”的光源12，其射出对原子室11内的碱金属进行激励的光LL；作为“光源温度调节部”的珀耳帖元件14，其对光源12的温度进行调节；以及作为“受光部”的光检测器13，其接收透过了原子室11的光LL，输出与该接收到的光的强度对应的信号。特别是，原子振荡器1具有：检测部26，其根据光检测器13的输出信号，输出与透过原子室11的光LL的量随时间的变化对应的信号；以及作为“光源温度控制部”的温度控制部27，其根据检测部26的输出信号，对珀耳帖元件14的驱动进行控制。
根据这样的原子振荡器1，由于根据与透过原子室11的光LL的量随时间的变化对应的信号，对珀耳帖元件14的驱动进行控制，所以即使原子室11内的碱金属的密度和光源12的光量中的至少一方随时间经过而下降，也能够减小由这个原因导致的光检测器13的输出信号随时间经过的下降。因此，能够使用光检测器13的输出信号来长期地发挥高精度的频率特性。因此，能够提高原子振荡器1的长期频率稳定度。
另外，作为量子干涉装置的一种(一例)的原子振荡器1可以说是具有量子干涉装置。并且，原子振荡器1可以具有量子干涉装置的优异的效果，能够发挥优异的振荡特性。
这里，如上述那样，检测部26具有放大器261、电平检测器262以及滤波器263，具有与自动增益控制电路同样的结构，将来自滤波器263的信号向温度控制部27输出。即，可以说检测部26具有输入光检测器13(受光部)的输出信号的自动增益控制电路，且输出与该自动增益控制电路的放大率对应的信号。由此，能够通过比较简单的结构实现检测部26的上述的功能。
并且，原子振荡器1(量子干涉装置)具有：信号生成部24，其根据光检测器13(受光部)的输出信号，生成与原子室11内的碱金属的原子所具有的两个基态能级间的跃迁频率对应的微波信号；以及驱动电路23，其通过将驱动电流输入到光源12(光源部)而对光源12进行驱动，该驱动电流是将基于该微波信号的调制电流与偏置电流叠加而得的电流。由此，能够通过来自光源12的光LL与碱金属原子的相互作用产生电磁感应透明现象。并且，能够实现CPT方式的量子干涉装置(原子振荡器1)。
此外，原子振荡器1(量子干涉装置)具有偏置电流调整部22，该偏置电流调整部22根据光检测器13(受光部)的输出信号对向光源12提供的偏置电流的电流值进行调整。由此，能够将来自光源12的光LL的中心波长控制为碱金属的吸收波长。并且，能够随着光源12的温度变化(下降)来调整偏置电流(使偏置电流增大)。因此，能够随着温度控制部27所进行的珀耳帖元件14的驱动控制来进行控制，使得光源12的光量保持恒定。
并且，优选的是，信号生成部24根据按照每个第1周期对光检测器13(受光部)的输出信号进行检波而得的结果来生成微波信号，另一方面，检测部26按照与第1周期不同的第2周期，输出与透过原子室11的光LL的量随时间的变化对应的信号。由此，能够在信号生成部24和检测部26中分别生成高精度的信号。
<第2实施方式>
接着，对第2实施方式进行说明。
图6是示出第2实施方式的原子振荡器(量子干涉装置的一种)的概略结构的示意图。
本实施方式除了对原子室进行加热的加热器的驱动控制方法不同之外，均与上述的第1实施方式同样。
另外，在以下的说明中，以与第1实施方式的不同点为中心对第2实施方式进行说明，省略了有关同样事项的说明。并且，在图6中对与上述的实施方式同样的结构赋予相同的标号。
如图6所示，图6所示的原子振荡器1A除了具有电路部20A来替代上述的第1实施方式的电路部20之外，均与上述的第1实施方式的原子振荡器1相同。电路部20A除了具有温度控制部28A来替代上述的第1实施方式的温度控制部28之外，均与上述的第1实施方式的电路部20相同。
温度控制部28A根据检测部26的输出信号，对加热器15的驱动进行控制。更具体来说，随着光检测器13的输出信号下降，对加热器15的驱动进行控制，使得原子室11的温度变高。由此，能够减小原子室11内的气态的碱金属的密度下降。这里，例如随着光检测器13的输出信号下降而使温度控制部28A中的加热器15的驱动控制的目标温度变高。此时，该目标温度是60°附近的温度范围内的温度，但温度控制部28A也可以预先设定目标温度的上限值，使得目标温度不会超过该上限值。
这样，作为“量子干涉装置”的一种的原子振荡器1A具有：作为“室温度调节部”的加热器15，其对原子室11的温度进行调节；以及作为“室温度控制部”的温度控制部28A，其根据检测部26的输出信号，对加热器15的驱动进行控制。由此，即使原子室11内的碱金属的密度随时间经过而下降，也能够减小该下降，并能够可靠地减小光检测器13的输出信号随时间经过的下降。
通过以上说明的第2实施方式，也能够提高长期频率稳定度。
2.电子设备
以下，对电子设备进行说明。
图7是示出电子设备的实施方式的图。
图7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例如具有：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来高精度地接收来自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是具有上述的原子振荡器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。并且，通过发送装置304来实时地发送由接收装置302接收到的定位信息。
GPS接收装置400具有：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。
以上说明的定位系统100所具有的“电子设备”即接收装置302具有作为“量子干涉装置”的一种的原子振荡器1。因此，接收装置302具有原子振荡器1的优异的效果，能够发挥优异的特性。另外，接收装置302也可以替代原子振荡器1而具有原子振荡器1A，或除了原子振荡器1之外还具有原子振荡器1A。
另外，具有原子振荡器的电子设备并不限定于上述的电子设备，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8是示出移动体的实施方式的图。
在该图中，移动体1500具有车体1501和4个车轮1502，且构成为通过设置于车体1501的未图示的动力源(发动机)而使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中内置有原子振荡器1。
以上说明的移动体1500具有作为“量子干涉装置”的一种的原子振荡器1。因此，移动体1500具有原子振荡器1的优异的效果，能够发挥优异的特性。另外，移动体1500也可以具有原子振荡器1A来替代原子振荡器1，或除了原子振荡器1之外还具有原子振荡器1A。
以上，根据图示的实施方式对量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体进行了说明，但本发明并不限于此。
并且，量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体的各部分的结构能够置换为发挥同样的功能的任意结构，并且，还能够添加任意结构。
Claims (9)
1.一种量子干涉装置，其中，该量子干涉装置具有：
原子室，其封入有碱金属；
光源部，其射出对所述碱金属进行激励的光；
光源温度调节部，其对所述光源部的温度进行调节；
受光部，其接收透过了所述原子室的光，输出与接收到的光的强度对应的输出信号；
检测部，其根据所述受光部的输出信号，输出与透过所述原子室的所述光的量随时间的变化对应的输出信号；以及
光源温度控制部，其根据所述检测部的输出信号，对所述光源温度调节部的驱动进行控制。
2.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，
所述检测部具有输入所述受光部的输出信号的自动增益控制电路，输出与所述自动增益控制电路的放大率对应的输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其中，
所述量子干涉装置还具有：
室温度调节部，其对所述原子室的温度进行调节；以及
室温度控制部，其根据所述检测部的输出信号，对所述室温度调节部的驱动进行控制。
4.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其中，
所述量子干涉装置还具有：
信号生成部，其根据所述受光部的输出信号，生成与所述碱金属的原子所具有的两个基态能级间的跃迁频率对应的微波信号；以及
驱动电路，其通过将驱动电流输入到所述光源部，对所述光源部进行驱动，该驱动电流是将基于所述微波信号的调制电流叠加于偏置电流而得的电流。
5.根据权利要求4所述的量子干涉装置，其中，
所述量子干涉装置具有自动增益控制电路，该自动增益控制电路以使所述微波信号的振幅恒定的方式进行放大并输出。
6.根据权利要求4所述的量子干涉装置，其中，
所述量子干涉装置还具有偏置电流调整部，该偏置电流调整部根据所述受光部的输出信号，对所述偏置电流的值进行调整。
7.根据权利要求4所述的量子干涉装置，其中，
所述信号生成部根据按照每个第1周期对所述受光部的输出信号进行检波而得的结果，生成所述微波信号，
所述检测部按照与所述第1周期不同的第2周期，输出与所述随时间的变化对应的信号。
8.一种原子振荡器，其中，该原子振荡器具有权利要求1或2所述的量子干涉装置。
9.一种电子设备，其中，该电子设备具有权利要求1或2所述的量子干涉装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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