JP2000183430A - 原子周波数標準レーザパルス発振器 - Google Patents

原子周波数標準レーザパルス発振器

Info

Publication number
JP2000183430A
JP2000183430A JP10358831A JP35883198A JP2000183430A JP 2000183430 A JP2000183430 A JP 2000183430A JP 10358831 A JP10358831 A JP 10358831A JP 35883198 A JP35883198 A JP 35883198A JP 2000183430 A JP2000183430 A JP 2000183430A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
laser pulse
atomic
resonance transition
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP10358831A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3443534B2 (ja
Inventor
Masataka Nakazawa
正隆 中沢
Eiji Yoshida
英二 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP35883198A priority Critical patent/JP3443534B2/ja
Priority to US09/461,181 priority patent/US6333942B1/en
Priority to EP99125101A priority patent/EP1014518B1/en
Priority to DE69920386T priority patent/DE69920386T2/de
Publication of JP2000183430A publication Critical patent/JP2000183430A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3443534B2 publication Critical patent/JP3443534B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06791—Fibre ring lasers
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/139—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1394—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length by using an active reference, e.g. second laser, klystron or other standard frequency source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1109—Active mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1121—Harmonically mode locking lasers, e.g. modulation frequency equals multiple integers or a fraction of the resonator roundtrip time

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の原子発振器以上にジッターの少ない超
高安定なマイクロ波出力を得るとともに、時間標準と同
程度に安定化された繰り返し周波数の超短光パルス列の
発生を可能にする。 【解決手段】 高周波において非常に優れた低ジッター
特性を有する高調波再生モード同期レーザパルス発振器
の繰り返し周波数を直接、各種の原子の共鳴遷移周波数
にロックさせる。クロック信号周波数と所定の原子の共
鳴遷移周波数との周波数差を検出し、誤差信号として出
力する周波数差検出手段と、クロック信号周波数と所定
の原子の共鳴遷移周波数が一致するようにレーザ共振器
の共振器長を変化させる共振器長可変手段と、周波数差
検出手段から出力される誤差信号を共振器長可変手段に
負帰還する手段とを備え、所定の原子の共鳴遷移周波数
に安定化した繰り返し周波数の超短光パルス列（光出
力）およびクロック信号（マイクロ波出力）を発生させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子発振器で得ら
れる時間標準と同程度に安定化された繰り返し周波数の
超短光パルス列を発生する原子周波数標準レーザパルス
発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は、特開平８−１８１３９号公報に
記載の従来のレーザパルス発振器の構成例を示す。
【０００３】図３において、１は希土類元素を添加した
光ファイバ（以下「希土類添加光ファイバ」という）、
２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光を発
生する励起光源、３は励起光を希土類添加光ファイバ１
に結合させる光結合器、４はレーザ出力を取り出す光分
岐器、５は光の進行方向を１方向に限定する光アイソレ
ータ、６は光変調器、７は光フィルタであり、１，３，
４，５，６，７がリング状に結合されてレーザ共振器
（リング共振器）を構成している。光分岐器４で分岐さ
れたレーザ出力は、光分岐器８で光出力端子と光変調器
６の駆動系に分岐される。光変調器６の駆動系は、クロ
ック抽出器９、移相器１０、マイクロ波の電気増幅器１
１により構成される。
【０００４】本レーザパルス発振器における高繰り返し
光パルス列の発生動作は次の通りである。励起光源２か
ら出力された励起光を光結合器３を介して希土類添加光
ファイバ１に入力すると、光フィルタ７の透過帯域内
で、光アイソレータ６の順方向に連続光の発振が起こ
る。このレーザ出力を光分岐器４を介して取り出し、さ
らに光分岐器８を介してその一部を受光素子、狭帯域電
気フィルタおよび電気増幅器からなるクロック抽出器９
に入力する。次に、クロック抽出器９で正弦波のクロッ
ク信号を抽出し、移相器１０でそのクロック信号の位相
を調整し、マイクロ波の電気増幅器１１でそのクロック
信号を増幅した後に光変調器６に印加する。この結果、
レーザ共振器内ではクロック信号に同期した周波数で光
が強度変調される。
【０００５】一般に、共振器長をＬ、光ファイバの屈折
率をｎ、光速をｃとしたときに、共振器長Ｌで決まる基
準周波数ｆ0 ＝ｃ／（ｎＬ）の振幅変調を加えると、基
本波でのモード同期（共振器中に光パルスが１個）が実
現される。さらに、変調周波数ｆを共振器長Ｌで決まる
基準周波数ｆ0 のｑ倍（ｑは整数）、ｆ＝ｑｆ0 ＝ｑｃ
／（ｎＬ）に設定すると、基本波のｑ倍の周波数で発振
する高調波のモード同期が実現できる。すなわち、レー
ザの共振器内にｑ個の光パルスが等間隔に作られ、繰り
返し周波数がｑｆ0 である光パルス列が発生する。
【０００６】図３において、10ＧHzのクロック抽出器９
を用いる場合について考える。基本周波数ｆ0 の整数倍
に一致しない10ＧHz付近のクロック信号は、安定な光パ
ルス列を発生できないので、クロック抽出過程において
消滅する。一方、基準周波数ｆ0 の整数倍に一致したク
ロック信号は、変調周波数と光パルスの繰り返し周波数
が完全に一致し、安定なパルス発振が徐々に強められ
る。これが繰り返されると、最初は雑音的であった基準
周波数の整数倍のクロック信号だけが残る。すなわち、
余分な縦モードを抑制した１つの正弦波クロック信号だ
けで光変調器６を駆動するようになり、10ＧHzの高調波
モード同期が達成される。この従来技術を高調波再生モ
ード同期と呼ぶ。
【０００７】従来の高調波再生モード同期レーザパルス
発振器では、レーザ共振器内の温度変動により共振器長
が変動すると、基本周波数ｆ0 が時間とともに変化する
（上記公報）。光変調器を駆動する変調周波数ｆは、こ
の共振器長の変化に追随して自動的に設定されるので、
発生する光パルス列の繰り返し周波数も共振器長の変化
に応じて変動する。例えば、Ｌ＝200 ｍ、ｆ＝10ＧHzと
したときに、共振器内の温度が0.01度（℃）変化する
と、共振器長Ｌは20μｍ変化し、繰り返し周波数は１ｋ
Hz変動する。ただし、この高調波再生モード同期レーザ
パルス発振器のジッター特性はよく調べられており、低
周波数のドリフト的な変化はあるものの、その以外のジ
ッターは通常の電気のシンセサイザよりも優れており、
10ＧHzの繰り返し周波数において約80ｆｓと小さいこと
が判っている。なお、通常の電気シンセサイザのジッタ
ーは約 200ｆｓである。
【０００８】この高調波再生モード同期レーザパルス発
振器の繰り返し周波数を一定にするために、低周波数の
ドリフト的変動を除去したり、または外部のクロック信
号に同期してレーザの繰り返し周波数を制御する位相同
期法（ＰＬＬ法）が提案されている（特開平１０−７４
９９９号公報）。
【０００９】図４は、特開平１０−７４９９９号公報に
記載の従来のレーザパルス発振器の構成例を示す。図３
に示すレーザパルス発振器の構成に新たに加わったもの
は、シンセサイザ（標準信号発生器）１２、移相器１
３、位相比較器１４、電気フィルタ１５、負帰還制御回
路１６、電気増幅器１７、電歪素子（ＰＺＴ）１８であ
る。
【００１０】図４において、シンセサイザ１２から出力
される周波数が一定に設定された外部信号と、フリーラ
ンニングのレーザパルス発振器のクロック信号（クロッ
ク抽出器９の出力）との位相差をＤＢＭによる位相比較
器１４で電圧信号に変換し、これを電気フィルタ１５、
負帰還制御回路１６、電気増幅器１７を介して共振器内
に挿入された電歪素子１８に負帰還する。これにより、
レーザパルス発振器の繰り返し周波数が外部信号と同期
するように共振器長が自動的に制御され、繰り返し周波
数がシンセサイザ１２の発振周波数にロックされる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図４に示すレ
ーザパルス発振器の繰り返し周波数の安定度は、外部か
ら供給されるクロック信号の安定度、すなわちシンセサ
イザの安定度によって制限され、時間標準となるような
超高安定な繰り返し周波数の光パルス列は今までに得ら
れていない。ただし、図４に示すレーザパルス発振器の
高周波側のジッター特性はシンセサイザよりも優れてい
る。
【００１２】ところで、レーザパルス発振器とは別個の
技術として、原子（セシウム（Ｃs)やルビジウム（Ｒb)
等）の共鳴遷移周波数に発振周波数をロックする構成の
原子発振器がすでに提案されている（参考文献：吉村、
古賀、大浦、「周波数と時間−原子時計の基礎／原子時
の仕組み−」、電子情報通信学会編）。
【００１３】図５は、従来のＣs 原子発振器の構成例を
示す。図５において、２１は水晶発振器、２２は位相敏
感検波用の位相変調器、２３は位相変調用発振器、２４
は周波数合成・逓倍器、２５はＣs の原子ビーム管、２
６は電気増幅器、２７はＣs原子の共鳴遷移周波数から
のずれを位相敏感検波するための位相弁別器、１６は負
帰還制御回路である。原子発振器の基本となる水晶発振
器２１は、水晶振動子を用いた構成でありその発振周波
数は５ＭHz程度である。その出力信号を位相変調器２２
に入力して位相変調し、さらに周波数合成・逓倍器２４
で数ＧHzから数十ＧHzの共鳴遷移周波数（使用する原子
によって異なる）まで逓倍する。
【００１４】原子ビーム管２５は空洞共振器の中にＣs
を封入した構成であり、それに周波数合成・逓倍器２４
の出力信号（マイクロ波）を入力して共鳴させる。その
際、Ｃs 共鳴遷移線からの周波数のずれを検出するに
は、ラムゼイ共鳴と呼ばれる共鳴遷移線の技術を用い
る。ラムゼイ共鳴は、Ｃs ビームをある長さだけ離して
２度マイクロ波と共鳴させることにより、図６に示すよ
うにＣs の中心周波数ν0に対して非常に鋭い共鳴遷移
線が得られる現象である。ラムゼイ共鳴の中心周波数ν
0 には凸型の鋭いカーブがあるので、位相弁別器２７で
位相敏感検波し、その誤差信号を負帰還制御回路１６を
介して水晶発振器２１に負帰還し、Ｃs の中心周波数と
逓倍されたマイクロ波の周波数が一致するように制御す
る。
【００１５】ここで、位相敏感検波を行うためには、マ
イクロ波に低周波数ｆm で位相変調または周波数変調を
加えておき、Ｃs のラムゼイ共鳴の中心周波数ν0 の低
周波側と高周波側で原子ビームの位相のずれを位相弁別
する。この様子を図７に示す。図７(a) は横軸にマイク
ロ波の周波数をとり、位相変調されたマイクロ波（周波
数ν）が共鳴遷移線の中心周波数ν0 より低い場合と高
い場合とで出力強度に現れる位相の正負の違いを示す。
すなわち、共鳴遷移線を介してそれからのずれを強度信
号に変換しており、原子ビーム管２５の出力信号は位相
変調周波数ｆmで強度変調された低周波数の電気信号に
変換される。
【００１６】この信号と位相変調用発振器２３の出力信
号を位相弁別器２７に入力して位相比較すると、図７
(b) に示すような誤差信号が得られる。すなわち、Ｃs
のラムゼイ共鳴の中心周波数ν0 に対して、マイクロ波
の周波数が正負いずれの方向にずれたかにより正負の電
圧信号が得られる。これを周波数ずれに対応した誤差信
号として水晶発振器２１に負帰還し、水晶発振器２１の
発振周波数を安定化する。これが原子発振器の動作原理
である。
【００１７】なお、Ｃs の原子発振器の場合には、安定
化される水晶発振器の５ＭHzの信号を分周し、１Hzに落
としたものが時間標準の１秒として採用されていること
はよく知られている。
【００１８】しかし、図５に示す原子発振器では、周波
数合成・逓倍器２４を用いて原子ビーム管２５に入力す
るマイクロ波を生成する必要がある。これは、水晶発振
器２１が数ＧHz〜数十ＧHz帯で直接発振できないからで
ある。一般的な数ＧHz〜数十ＧHzで動作する電気のシン
セサイザは、水晶振動子の周波数を逓倍したもので高周
波のジッター特性は決してよくない。また、周波数合成
・逓倍器２４を用いた構成では、逓倍する過程で付加的
なジッターが加わり、さらに水晶振動子そのものに付随
する高周波の不安定性およびジッター特性はそのまま原
子発振器の品質を決めてしまう。すなわち、図５に示す
原子発振器では、直流的なゆっくりした周波数変動はＣ
s の共鳴遷移線からのずれを検知することにより取り除
くことができるが、他の高周波揺らぎの成分はそのまま
出力されてしまう問題点があった。
【００１９】以上説明したように、高調波再生モード同
期レーザパルス発振器の繰り返し周波数の高調波ジッタ
ー特性は、本来シンセサイザの安定度よりも良好である
が、この特徴を活かした高安定な発振回路の提案は今ま
でになされていなかった。さらに、長期安定度もシンセ
サイザの安定度が限界であり、あまりよくなかった。そ
の一方で、原子発振器の発振部には低周波の水晶振動子
が用いられており、高周波のジッター特性を抑えるため
にそれ以上の改良の余地はあまりなかった。
【００２０】本発明は、従来の原子発振器以上にジッタ
ーの少ない超高安定なマイクロ波出力を得るとともに、
時間標準と同程度に安定化された繰り返し周波数の超短
光パルス列を発生することができる原子周波数標準レー
ザパルス発振器を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明の原子周波数標準
レーザパルス発振器は、高周波において非常に優れた低
ジッター特性を有する高調波再生モード同期レーザパル
ス発振器の繰り返し周波数を直接、各種の原子の共鳴遷
移周波数にロックさせることを特徴とする。
【００２２】すなわち、レーザ共振器の縦モードの整数
倍のクロック信号を抽出し、このクロック信号をレーザ
共振器内に設置された光変調器に印加することによりク
ロック信号周波数に一致した繰り返し周波数の光パルス
を発生する自励型の高調波再生モード同期レーザパルス
発振器において、クロック信号周波数（光パルスの繰り
返し周波数）と所定の原子の共鳴遷移周波数との周波数
差を検出し、誤差信号として出力する周波数差検出手段
と、クロック信号周波数（光パルスの繰り返し周波数）
と所定の原子の共鳴遷移周波数が一致するようにレーザ
共振器の共振器長を変化させる共振器長可変手段と、周
波数差検出手段から出力される誤差信号を共振器長可変
手段に負帰還する手段とを備え、所定の原子の共鳴遷移
周波数に安定化した繰り返し周波数の超短光パルス列
（光出力）およびクロック信号（マイクロ波出力）を発
生させる。
【００２３】したがって、原子発振器としては、従来の
水晶発振器に代えて高調波再生モード同期レーザパルス
発振器を用いることにより、従来の原子発振器以上にジ
ッターの少ない超高安定なマイクロ波出力を得ることが
できる。また、レーザパルス発振器としては、時間標準
と同程度に安定化された繰り返し周波数の超短光パルス
列を発生させることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の原子周波数標準
レーザパルス発振器の実施形態を示す。図１において、
希土類添加光ファイバ１、励起光源２、光結合器３、光
分岐器４、光アイソレータ５、光変調器６、光フィルタ
７、光分岐器８、クロック抽出器９、移相器１０、マイ
クロ波の電気増幅器１１は、図３，４に示す従来の自励
型の高調波再生モード同期レーザパルス発振器と同様の
構成である。さらに、レーザ共振器内には共振器長を変
化させる共振器長可変手段として、図４に示す構成と同
様の電歪素子（ＰＺＴ）１８が配置される。
【００２５】本実施形態の特徴は、図５に示す原子発振
器の水晶発振器２１の代わりに、共振器長可変手段を含
む高調波再生モード同期レーザパルス発振器を用いると
ころにある。すなわち、クロック抽出器９から出力され
るクロック信号をマイクロ波の位相変調器２２′に入力
し、位相弁別器２７から出力される誤差信号を負帰還制
御回路１６、電気増幅器１７を介して電歪素子（ＰＺ
Ｔ）１８にフィードバックする。位相変調用発振器２
３、Ｃs の原子ビーム管２５、電気増幅器２６、位相弁
別器２７、負帰還制御回路１６は、図５に示す原子発振
器と同様の構成である。
【００２６】自励発振する高調波再生モード同期レーザ
パルス発振器のクロック信号（クロック抽出器９の出
力）をマイクロ波の位相変調器２２′に入力し、位相敏
感検波用の位相変調用発振器２３により低周波数変調す
る。従来は、周波数合成・逓倍器２４を用いて水晶発振
器２１の周波数を逓倍する必要があったが、本実施形態
ではクロック信号周波数（光パルスの繰り返し周波数）
を原子の共鳴遷移周波数に直接設定できるので逓倍手段
は不要となる。
【００２７】マイクロ波の位相変調器２２′の出力信号
はＣs の原子ビーム管２５に入力され、Ｃs のラムゼイ
共鳴線と相互作用によって得られた出力信号が電気増幅
器２６で増幅され位相弁別器２７に入力される。位相弁
別器２７では、Ｃs のラムゼイ共鳴の遷移周波数と、高
調波再生モード同期レーザパルス発振器のクロック信号
周波数（繰り返し周波数）との周波数ずれを位相敏感検
波し、誤差信号して出力する。この誤差信号を負帰還制
御回路１６および電気増幅器１７を介して電歪素子（Ｐ
ＺＴ）１８にフィードバックし、高調波再生モード同期
レーザパルス発振器の共振器長を変化させる。これによ
り、高調波再生モード同期レーザパルス発振器の繰り返
し周波数をＣs のラムゼイ共鳴の遷移周波数 9.192ＧHz
にロックすることができる。
【００２８】したがって、光分岐器８から光出力端子に
出力される光パルスの繰り返し周波数の精度は、Ｃs の
原子周波数標準程度になる。この光パルスを多重分離
（ＤＥＭＵＸ）すれば、非常に精度の高い１秒間隔の超
短光パルス列の発生も可能である。このような光多重分
離回路は、例えば光カースイッチ、非線形ループミラー
（ＮＯＬＭ）、４光波混合スイッチ、相互位相変調型チ
ャープスイッチ等により実現することができる。
【００２９】また、本発明の原子周波数標準レーザパル
ス発振器をマイクロ波発振器とすれば、クロック抽出器
９から出力されるクロック信号はマイクロ波出力とな
る。このマイクロ波出力を１秒に分周することは、10〜
40ＧHz領域での分周回路がすでに実用化されているので
何ら問題ない。このような分周回路２８を用いれば、従
来の原子発振器以上にジッターの少ない超高安定な基準
周波数出力（１秒のクロック）を取り出すことができ
る。これは、水晶発振器２１に代わる高調波再生モード
同期レーザパルス発振器の非常に優れた高周波低ジッタ
ー特性によるものである。
【００３０】図２は、従来の原子発振器と本発明の原子
周波数標準レーザパルス発振器における発振周波数の揺
らぎを比較した例を示す。図において、横軸は発振周波
数からのオフセット、縦軸は発振周波数のスペクトルの
まわりのパワースペクトル密度（ＳＳＢの位相雑音）で
ある。
【００３１】(1) は従来の原子発振器の揺らぎを示し、
(2) は本発明の原子周波数標準レーザパルス発振器の揺
らぎを示すが、高周波成分における揺らぎが従来型の方
が大きい。これは、水晶振動子に起因する雑音であり、
これが高調波再生モード同期レーザパルス発振器を用い
ることにより大幅に改善されることを示している。な
お、斜線で示す部分の積分値が発振器のジッターを表す
が、これが小さくなることが特徴である。
【００３２】セシウムＣs の代わりに共鳴遷移周波数が
異なるルビジウムＲb (6.834ＧHz）、水素Ｈ(1.420ＧH
z）、タリウムＴl(21.310ＧHz）、アンモニアＮＨ3(22.
834ＧHz）等も同様に利用できる。
【００３３】また、高調波再生モード同期レーザパルス
発振器を構成する希土類添加光ファイバ１の希土類元素
として、エルビウムＥr 、ネオジムＮd 、ツリウムＴm
などを用いることができる。また、ファイバレーザに代
えて、Ｔi:サファイアなどの個体レーザ、ＧaＡs やＩn
ＧaＡsＰなどの半導体レーザを高調波再生モード同期型
にして用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の原子周波
数標準レーザパルス発振器は、自励発振する低ジッター
の高調波再生モード同期レーザパルス発振器の繰り返し
周波数を原子の共鳴遷移線にロックすることにより、従
来の原子発振器以上にジッターの少ない超高安定なマイ
クロ波出力（クロック信号）が得られ、かつ時間標準と
同程度に安定化された繰り返し周波数の超短光パルス列
を発生させることができる。
【００３５】このような超高安定な信号源が得られるこ
とにより、例えば時間標準器、地殻変動や潮汐運動の精
密測定、通信網の同期、電波望遠鏡の位相アレイアンテ
ナの高精度位相調整、宇宙通信のクロック信号源として
の利用が可能となる。さらに、繰り返し周波数が超高安
定な光源が得られるので、上記の各装置の光回路化が可
能となり、さらに超高速光通信システムの光源やその他
の超高速光信号処理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原子周波数標準レーザパルス発振器の
実施形態を示すブロック図。
【図２】従来の原子発振器と本発明の原子周波数標準レ
ーザパルス発振器における発振周波数の揺らぎを比較す
る図。
【図３】特開平８−１８１３９号公報に記載の従来のレ
ーザパルス発振器の構成例を示すブロック図。
【図４】特開平１０−７４９９９号公報に記載の従来の
レーザパルス発振器の構成例を示すブロック図。
【図５】従来のＣs 原子発振器の構成例を示すブロック
図。
【図６】Ｃs 原子発振器の位相敏感検波に用いるラムゼ
イ共鳴を示す図。
【図７】原子発振器における位相敏感検波の動作原理を
説明する図。
【符号の説明】
１ 希土類添加光ファイバ ２ 励起光源 ３ 光結合器 ４ 光分岐器 ５ 光アイソレータ ６ 光変調器 ７ 光フィルタ ８ 光分岐器 ９ クロック抽出器 １０ 移相器 １１ マイクロ波の電気増幅器 １２ シンセサイザ（標準信号発生器） １３ 移相器 １４ 位相比較器 １５ 電気フィルタ １６ 負帰還制御回路 １７ 電気増幅器 １８ 電歪素子（ＰＺＴ） ２１ 水晶発振器 ２２ 位相変調器 ２２′マイクロ波の位相変調器 ２３ 位相変調用発振器 ２４ 周波数合成・逓倍器 ２５ Ｃs の原子ビーム管 ２６ 電気増幅器 ２７ 位相弁別器 ２８ 分周回路

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ共振器の縦モードの整数倍のクロ
    ック信号を抽出し、このクロック信号をレーザ共振器内
    に設置された光変調器に印加することによりクロック信
    号周波数に一致した繰り返し周波数の光パルス列を発生
    する自励型の高調波再生モード同期レーザパルス発振器
    において、 前記クロック信号周波数（光パルスの繰り返し周波数）
    と所定の原子の共鳴遷移周波数との周波数差を検出し、
    誤差信号として出力する周波数差検出手段と、 前記クロック信号周波数（光パルスの繰り返し周波数）
    と前記所定の原子の共鳴遷移周波数が一致するように、
    前記レーザ共振器の共振器長を変化させる共振器長可変
    手段と、 前記周波数差検出手段から出力される誤差信号を前記共
    振器長可変手段に負帰還する手段とを備え、前記所定の
    原子の共鳴遷移周波数に安定化した繰り返し周波数の光
    パルス列およびクロック信号を発生させることを特徴と
    する原子周波数標準レーザパルス発振器。
  2. 【請求項２】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数は、セ
    シウム（Ｃs ）のラムゼイ共鳴の遷移周波数 9.192ＧHz
    であることを特徴とする請求項１に記載の原子周波数標
    準レーザパルス発振器。
  3. 【請求項３】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数は、ル
    ビジウム（Ｒb ）の共鳴遷移周波数 6.834ＧHzであるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の原子周波数標準レーザ
    パルス発振器。
  4. 【請求項４】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数は、水
    素（Ｈ）の共鳴遷移周波数 1.420ＧHzであることを特徴
    とする請求項１に記載の原子周波数標準レーザパルス発
    振器。
  5. 【請求項５】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数は、タ
    リウム（Ｔl ）の共鳴遷移周波数21.310ＧHzであること
    を特徴とする請求項１に記載の原子周波数標準レーザパ
    ルス発振器。
  6. 【請求項６】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数は、ア
    ンモニア（ＮＨ3 ）の共鳴遷移周波数22.834ＧHzである
    ことを特徴とする請求項１に記載の原子周波数標準レー
    ザパルス発振器。
  7. 【請求項７】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数に安定
    化した光パルス列を多重分離し、時間標準となる光パル
    ス列を出力する光多重分離回路を備えたことを特徴とす
    る請求項１に記載の原子周波数標準レーザパルス発振
    器。
  8. 【請求項８】 前記所定の原子の共鳴遷移周波数に安定
    化したクロック信号周波数を分周し、時間標準となる所
    定の基準周波数信号を出力する分周回路を備えたことを
    特徴とする請求項１に記載の原子周波数標準レーザパル
    ス発振器。
JP35883198A 1998-12-17 1998-12-17 原子周波数標準レーザパルス発振器 Expired - Fee Related JP3443534B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP35883198A JP3443534B2 (ja) 1998-12-17 1998-12-17 原子周波数標準レーザパルス発振器
US09/461,181 US6333942B1 (en) 1998-12-17 1999-12-14 Atomic frequency standard laser pulse oscillator
EP99125101A EP1014518B1 (en) 1998-12-17 1999-12-16 An atomic frequency standard laser pulse oscillator
DE69920386T DE69920386T2 (de) 1998-12-17 1999-12-16 Atomfrequenz-Standard Laserpulsoszillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP35883198A JP3443534B2 (ja) 1998-12-17 1998-12-17 原子周波数標準レーザパルス発振器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000183430A true JP2000183430A (ja) 2000-06-30
JP3443534B2 JP3443534B2 (ja) 2003-09-02

Family

ID=18461339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP35883198A Expired - Fee Related JP3443534B2 (ja) 1998-12-17 1998-12-17 原子周波数標準レーザパルス発振器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6333942B1 (ja)
EP (1) EP1014518B1 (ja)
JP (1) JP3443534B2 (ja)
DE (1) DE69920386T2 (ja)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003069618A1 (fr) * 2002-02-12 2003-08-21 Nippon Sogo Seisaku Co., Ltd. Dispositif d'enregistrement/lecture utilisant un oscillateur de reference pour l'audio numerique
JPWO2005111563A1 (ja) * 2004-05-14 2008-03-27 独立行政法人科学技術振興機構 位相同期回路を用いた高感度力・質量検出方法および装置
JP2008251723A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Tohoku Univ パルスレーザ光源
JP2009016454A (ja) * 2007-07-02 2009-01-22 Advantest Corp モードロックレーザ装置
JP2009140581A (ja) * 2007-12-07 2009-06-25 Time Technology Kk デジタル・オーディオ用記録再生装置
JP2012038849A (ja) * 2010-08-05 2012-02-23 Tohoku Univ 半導体光位相変調器を用いた高繰り返しフェムト秒ファイバレーザ
CN113050404A (zh) * 2021-03-23 2021-06-29 深港产学研基地（北京大学香港科技大学深圳研修院） 基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及实现方法
CN113655700A (zh) * 2021-08-19 2021-11-16 中国计量科学研究院 应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法
CN114578547A (zh) * 2022-03-23 2022-06-03 北京无线电计量测试研究所 一种原子束光钟光束指向控制方法及装置

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000332348A (ja) * 1999-05-24 2000-11-30 Oki Electric Ind Co Ltd モード同期半導体レーザ
WO2001076026A1 (en) * 2000-03-30 2001-10-11 National Institute Of Standards And Technology ('nist') Mode-locked pulsed laser system and method
DE10044404C2 (de) * 2000-09-08 2002-08-14 Max Planck Gesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von stabilisierten ultrakurzen Laser-Lichtpulsen
US6831522B2 (en) * 2001-07-09 2004-12-14 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Method of minimizing the short-term frequency instability of laser-pumped atomic clocks
JP2004030401A (ja) * 2002-06-27 2004-01-29 Nippon Sogo Seisaku Kk 機械制御用基準発振器に原子周波数標準器を採用した超高安定な回転系の定速制御および位置決め制御方法
JP4471572B2 (ja) * 2003-01-31 2010-06-02 独立行政法人科学技術振興機構 光伝送方法
US7492795B1 (en) * 2004-01-06 2009-02-17 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Ultralow noise mode-locked laser and RF sinewave source
US7494598B2 (en) * 2005-11-22 2009-02-24 Honeywell International Inc. Miniature optically transparent window
JP4478800B2 (ja) * 2006-05-15 2010-06-09 独立行政法人産業技術総合研究所 クロック伝送装置
CN101604815B (zh) * 2009-06-26 2011-02-09 哈尔滨工业大学（威海） 一种控制脉冲激光建立时间的激光稳频方法
GB2475331A (en) * 2009-11-17 2011-05-18 Rad Data Comm Ltd Reference frequency source
GB201200219D0 (en) * 2012-01-09 2012-02-22 Calder Martin A clock signal generator for a digital circuit
CN103326221B (zh) * 2013-06-25 2015-07-01 上海朗研光电科技有限公司 利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法
CN103633537B (zh) * 2013-11-13 2016-09-14 中国科学院物理研究所 一种载波包络相移频率可控的低噪声光纤激光频率梳装置
CN103762496B (zh) * 2014-01-06 2016-05-25 中国科学院物理研究所 基于全固态飞秒激光器的天文光学频率梳装置
CN107302178B (zh) * 2017-06-26 2019-11-19 天津理工大学 基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器
CN108508733B (zh) * 2018-04-13 2020-02-21 北京大学 基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟
WO2020087423A1 (zh) 2018-10-31 2020-05-07 浙江大学 一种基于环形器结构的双向光载微波谐振系统及其检测角速度的方法
CN110554597B (zh) * 2019-08-25 2021-03-26 中国科学院国家授时中心 基于Vondark-Cepek滤波的氢铯时间尺度融合方法
CN112332198B (zh) * 2020-11-02 2022-04-22 中国科学院半导体研究所 光电振荡器
CN116599619B (zh) * 2023-07-17 2023-09-22 成都通航科技有限公司 一种高精度远距离光纤同步系统

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4635266A (en) 1984-12-11 1987-01-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Active dispersion control for a Doppler broadened laser
US4661782A (en) * 1985-11-25 1987-04-28 Ball Corporation Integrated microwave cavity resonator and magnetic shield for an atomic frequency standard
JPH0761013B2 (ja) * 1988-07-19 1995-06-28 富士通株式会社 セシウム原子発振器
DE68920372T2 (de) 1988-07-20 1995-05-11 Hitachi Ltd Optisch aktive Verbindungen, Flüssigkristallzusammensetzungen, welche diese Verbindungen enthalten, sowie optische Flüssigkristall-Modulatoren, in denen diese Zusammensetzungen verwendetsind.
FR2644315B1 (fr) * 1989-03-13 1991-05-24 Oscilloquartz Sa Module d'interaction micro-onde, notamment pour un resonateur a jet atomique ou moleculaire
JP2788807B2 (ja) 1991-10-16 1998-08-20 日本電気株式会社 ルビジウム原子発振器
JP3434869B2 (ja) * 1994-02-07 2003-08-11 株式会社日立製作所 光再生中継器および光伝送装置
JP3191843B2 (ja) 1994-06-29 2001-07-23 日本電信電話株式会社 レーザパルス発振器
JP2856108B2 (ja) * 1995-05-31 1999-02-10 日本電気株式会社 周波数逸脱検出回路
JP2735039B2 (ja) 1995-06-09 1998-04-02 日本電気株式会社 光パルス発生方法および装置
JPH1074999A (ja) 1996-09-02 1998-03-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> レーザパルス発振器
US6204944B1 (en) * 1997-07-18 2001-03-20 Nippon Telegraph And Telephone Corporation All-optical time-division demultiplexing circuit and all-optical TDM-WDM conversion circuit

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7015848B2 (en) 2002-02-12 2006-03-21 Nippon Sogo Seisaku Co. Ltd. Recording/reproducing apparatus using reference oscillator for digital audio
WO2003069618A1 (fr) * 2002-02-12 2003-08-21 Nippon Sogo Seisaku Co., Ltd. Dispositif d'enregistrement/lecture utilisant un oscillateur de reference pour l'audio numerique
JP4567676B2 (ja) * 2004-05-14 2010-10-20 独立行政法人科学技術振興機構 位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置
JPWO2005111563A1 (ja) * 2004-05-14 2008-03-27 独立行政法人科学技術振興機構 位相同期回路を用いた高感度力・質量検出方法および装置
JP2008251723A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Tohoku Univ パルスレーザ光源
JP2009016454A (ja) * 2007-07-02 2009-01-22 Advantest Corp モードロックレーザ装置
JP2009140581A (ja) * 2007-12-07 2009-06-25 Time Technology Kk デジタル・オーディオ用記録再生装置
JP2012038849A (ja) * 2010-08-05 2012-02-23 Tohoku Univ 半導体光位相変調器を用いた高繰り返しフェムト秒ファイバレーザ
CN113050404A (zh) * 2021-03-23 2021-06-29 深港产学研基地（北京大学香港科技大学深圳研修院） 基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及实现方法
CN113655700A (zh) * 2021-08-19 2021-11-16 中国计量科学研究院 应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法
CN113655700B (zh) * 2021-08-19 2022-09-13 中国计量科学研究院 应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法
CN114578547A (zh) * 2022-03-23 2022-06-03 北京无线电计量测试研究所 一种原子束光钟光束指向控制方法及装置
CN114578547B (zh) * 2022-03-23 2024-04-26 北京无线电计量测试研究所 一种原子束光钟光束指向控制方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP1014518A3 (en) 2001-09-05
DE69920386D1 (de) 2004-10-28
US6333942B1 (en) 2001-12-25
JP3443534B2 (ja) 2003-09-02
DE69920386T2 (de) 2005-10-06
EP1014518A2 (en) 2000-06-28
EP1014518B1 (en) 2004-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3443534B2 (ja) 原子周波数標準レーザパルス発振器
Bai et al. Brillouin-Kerr soliton frequency combs in an optical microresonator
US10454238B2 (en) Systems and methods for low noise frequency multiplication, division, and synchronization
Hall et al. Stabilization and frequency measurement of the I/sub 2/-stabilized Nd: YAG laser
US4329664A (en) Generation of stable frequency radiation at an optical frequency
JP4478800B2 (ja) クロック伝送装置
US5926492A (en) Laser pulse oscillator
CN107124910A (zh) 稳定的微波频率源
JP4951762B2 (ja) パルスレーザ光源
Zhu et al. High-quality optical pulse train generation at 80 Gb/s using a modified regenerative-type mode-locked fiber laser
CN112213938B (zh) 一种光频原子钟
Bagayev et al. A femtosecond self-mode-locked Ti: sapphire laser with high stability of pulse-repetition frequency and its applications
JP3772650B2 (ja) モード同期半導体レーザの駆動方法及び装置
US5751193A (en) Rubidium atomic oscillator with laser diode wavelength adjustment
US7026594B2 (en) Method and device for producing radio frequency waves
JPH11317567A (ja) レーザー光発生方法及びその装置
JP2000244044A (ja) ファブリペローフィルターを用いた再生モード同期レーザ
JP2001267667A (ja) 周波数シフト帰還型モード同期レーザ及び周波数シフト帰還型再生モード同期レーザ。
JP2006179779A (ja) 二重周波数安定化モード同期レーザ光源
CN116937294B (zh) 一种微波产生装置及产生方法
JP3172776B2 (ja) 原子発振器
JP3092757B2 (ja) 光パルスレーザの分周同期信号発生装置
JP3411832B2 (ja) 光位相同期光源および光周波数同期光源
JPS63957B2 (ja)
JPH06152406A (ja) 位相同期型ルビジウム原子発振器

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090620

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090620

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100620

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100620

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110620

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120620

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130620

Year of fee payment: 10

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees