JP2008263362A

JP2008263362A - ガスセル型原子発振器

Info

Publication number: JP2008263362A
Application number: JP2007103980A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ouchi; 裕司大内
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】原子発振器の出力する安定な周波数の信号を使う場所が離れている場合に、その信号を長い同軸ケーブルで搬送していた。外部環境が同軸ケーブルに影響して発生する信号の周波数の揺らぎを削減する。
【解決手段】金属原子に対する励起光を出力する光源部１を設置する。その場所から離れて設置された原子共鳴部３０には、該光源部１からの出射光を伝播させる光ファイバ３３，３４から出射される励起光と共鳴マイクロ波とを入力する。原子共鳴部３０は、光マイクロ波二重共鳴を起し、その際に生じる共鳴周波数を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型・簡素にして高い周波数安定度が得られるガスセル型原子発振器に係り、
特に、安定な周波数出力を使用する場所が複数箇所あり、光源部から遠く離れた場合となるガスセル型原子発振器に関する。

従来のガスセル型原子発振器について、同一出願人による特許文献１を用いて説明する。ガスセル型原子発振器は、原子固有の共鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器である。共鳴信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が高いため短期周波数安定度に優れているものが商用化されており、基準周波数を得るための原子としては、主にルビジウムが使用されている。ガスセル型原子発振器の基本構成について図４及び図５を用いて説明する。なお、図４は全体の基本構成図、図５は基本構成中の二重共鳴部２の二重共鳴共振器２ｃ部分を示す断面模式図である。

図４、図５において、電圧制御水晶発振器５から出力された信号周波数ｆ１の信号は周波数合成・逓倍回路４に入力されて、二重共鳴部２の中のガスセル２１に封入されている原子の共鳴周波数ｆ２に近いマイクロ波信号（周波数Ｎ×ｆ１）に変換される。このマイクロ波信号は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃに入力されて、二重共鳴共振器２ｃ内の空洞共振器２２を励振する。また光源部１から出射されたレーザ光は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃへ励起光として照射される。二重共鳴共振器２ｃ内では、光およびマイクロ波による二重共鳴現象が生じ、二重共鳴部２からは、加えられたマイクロ波信号の周波数Ｎ×ｆ１と原子の共鳴周波数ｆ２との周波数差（Ｎ×ｆ１ −ｆ２）に比例した信号が誤差信号として出力される。

信号処理制御装置３は、この周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の発振周波数を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器５からは標準となる周波数ｆ１を有する信号（標準周波数出力）が出力される。二重共鳴部２に含まれている温度制御回路２ａは、ガスセル２１を恒温化するためにヒータ２６へ電力を供給し、また同様に静磁場発生回路２ｂはガスセル２１に直流平行磁場（静磁場）を与えるために静磁場コイル２７へ電流を供給している。

次に、二重共鳴共振器２ｃの構成について、図５を用いて説明する。空洞共振器２２の中には、アルカリ金属が封入されたガスセル２１が収容されている。アルカリ金属としては、共鳴マイクロ波周波数が６．８３ＧＨｚ付近であるルビジウム原子（以下、「Ｒｂ」と記す。）が一般に利用されているが、共鳴マイクロ波周波数が９．１９ＧＨｚ付近であるセシウム原子（以下、「Ｃｓ」と記す。）を利用することで、空洞共振器２２の小型化が図れる。以下の説明は、Ｃｓを例にとり説明しているが、Ｒｂの場合でも構成は同じである。空洞共振器２２は、非磁性体の金属でなる同筒状であり、その一端には光源部１からの励起光を採り入れる光入力窓２８が設けられ、また他端には光入力窓２８に対向する位置にガスセル２１を透過したレーザ光を受光するための光検出器２３が備えられている。また空洞共振器２２の内部には、周波数合成・逓倍回路４からのマイクロ波信号を入力するためのマイクロ波アンテナ２４およびガスセル２１の温度を検出するための温度センサ２９が備えられている。

空洞共振器２２の外周には、ガスセル２１に静磁場を与えるための静磁場コイル２７が巻回されている。空洞共振器２２と静磁場コイル２７は、複数の磁気シールド槽２５，２５に収容されている。複数の磁気シールド槽２５，２５は、一端に光源部１からのレーザ光からなる励起光をとり入れるための光入力窓２８がそれぞれ設けられ、かつ他端が閉塞された形状の強磁性体材料でなる金属ケースであり、外部磁場および周辺制御回路からの発生磁場を遮断する。最内層の磁気シールド槽２５の外周には、ガスセル２１と空洞共振器２２を加熱し恒温化するためのヒータ２６が巻回されている。ヒータ２６は、温度センサ２９によって検出される温度が一定となるように温度制御回路２ａから印加される電圧が制御されている。温度は、例えば常温より高い３０〜７０℃の間の所定温度で一定になるように制御されているが、これはガスセル２１に封入されている金属原子を蒸気の状態にし、励起光の吸収量を増すためである。

ＬＤ励起方式を用いた場合の光源部１について、図６の光源部の光学系および制御系のブロック図を用いて説明する。図６において、ＬＤ１１の波長安定化には、Ｃｓのみを封入した基準セル１８の吸収特性を用いており、吸収特性を得るための方法としては、線形吸収分光法と飽和吸収分光法とがある。

（線形吸収分光法の説明）
変調信号発生器１５から出力された変調信号を、ＬＤ１１に加わる注入電流に加算器１３を介して重畳し、レーザ光を周波数変調する。光検出器１７は、基準セル１８を透過したレーザ光に含まれた変調信号成分を検出し、増幅器１６を介して制御手段１４に入力される。制御手段１４は、増幅器１６からの電圧出力信号に含まれた変調信号成分を変調信号発生器１５から出力された変調信号により同期検波し、その同期検波出力がゼロとなるようレーザ制御器１２へ帰還を行う。なお、異なる変調方式として、基準セル１８に変調磁場を発生させ、ガスの吸収スペクトル自体を変調しても同様の効果が得られる。

（飽和吸収分光法の説明）
この方法は、前述の線形吸収分光法による出力波長の短期安定度をさらに向上させるものである。ＬＤ１１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ１９ａで分岐し、一方の分岐光は基準セル１８を透過し光検出器１７に入射される。もう一方の分岐光はビームスプリッタ１９ｂ、ミラー１９ｃ、ビームスプリッタ１９ｄを介して基準セル１８へ入射される。この入射光とビームスプリッタ１９ａで分岐された前記一方の分岐光とは、基準セル１８の中において、進行方向は互いに反対向きで、かつ、ほぼ重なり合うようにする。この場合、上記入射光および分岐光のどちらか一方のレーザ光で分子の吸収が飽和状態となると、他方のレーザ光（この場合プローブ光となる）による光の吸収量が減少する。このプローブ光にもたらされる飽和吸収特性を光検出器１７で受光し、増幅器１６より電圧出力信号を得る。レーザ制御器１２にてＬＤ１１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープして、線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルが観測される。一つの飽和吸収スペクトルの半値全幅は線形吸収スペクトルの半値全幅の約１／１００である。このため、ＬＤ１１の出力波長を制御する際、飽和吸収スペクトルを用いると狭線幅化により安定度が大幅に改善できる。
特許第３６３１４１０公報

従来のガスセル型原子発振器にも、まだ解決すべき課題がある。原子発振器の出力する安定な周波数の信号を使う場所が離れている場合に、長い同軸ケーブルで信号を搬送していた。そのため、外部環境が同軸ケーブルに影響して、信号の周波数が揺らいでしまう。

本発明は、外部環境が同軸ケーブルに影響して発生する信号の周波数の揺らぎを削減したガスセル型原子発振器を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、標準周波数出力を、離れた場所に搬送するのではなく、標準周波数出力を出力する原子共鳴部を離れた場所に設置した。そして、光源部からの励起光を、光ファイバを用いて遠くにある原子共鳴部に入射する構成とした。

具体的には、本願発明の請求項１のガスセル型原子発振器は、
金属原子に対する励起光を出力する光源部と、該光源部からの出射光を伝播させる光ファイバと、該金属原子を封入したガスセルを有し、該光ファイバから出射される励起光と共鳴マイクロ波とを入力させて、光マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いる原子共鳴部とから構成される。

本願発明の請求項２のガスセル型原子発振器は、請求項１に加え、
前記光ファイバに光分岐手段を設けて、分岐された複数の光ファイバ各々に複数の原子共鳴部を備えた。

本願発明の請求項３のガスセル型原子発振器は、請求項１または請求項２のガスセル型原子発振器に加え、
前記光ファイバから出射された励起光が前記原子共鳴部に入射する光路に、励起光の出力を調整する光量調整手段を備えた。

本願発明の請求項４のガスセル型原子発振器は、請求項１乃至請求項３のガスセル型原子発振器において、
前記原子共鳴部が、ＣＰＴ方式による原子共鳴を生じさせる原子共鳴部とした。

本発明の請求項１に係るガスセル型原子発振器は、原子発振器が小型化でき、光源部と離れた場所で、原子発振器の安定な周波数を使うことができる。つまり、光源部を温度安定性のある場所に設置し、原子共鳴部を離れた任意の場所に設置できる。先に述べたように、原子共鳴部は通常、常温より高い３０℃〜７０℃で恒温化されている（０００６）。従って、原子共鳴部の設置場所に温度変化が生じても、共鳴セルが受ける影響は少ない。対して、光源部は温度の影響を原子共鳴部より受けやすい。ＬＤを含めた光学系は、光学部品の過干渉性の問題で、温度変化による励起光波長変化が生じてしまう。そのため、光学系である光源部の設置場所の温度安定性が必要であり、そうでない場合は、光学系の温度安定化制御を施さなければならなくなる。

さらに請求項２に係るガスセル型原子発振器は、１つの励起光源を複数の原子発振器に利用する経済効果、および、原子発振器から出力される周波数安定度が向上する。励起光源部を共鳴部から切り離して光ファイバで接続することにより、装置の小型化が図れる。レーザ励起のガスセル型原子発振器において、光源部の占める割合は、制御系を含めて１／３程度となる。従って光源部の分離し設置した状態で使用できれば、小型化が図れる。

また、光源部から光ファイバを分岐することにより、複数の共鳴部を接続でき、安定な周波数を異なる場所で同時に得ることができる。光源部のＬＤを長期間使用すると性能劣化（例えば、ノイズ増加、発振線幅増加）が生じ、ＬＤ自体の交換が必要となる。共通の一つのＬＤを交換すれば、複数の原子共鳴部が同時にメンテナンスされたことになり、コスト削減効果がある。

さらに請求項３に係るガスセル型原子発振器は、原子共鳴部に入射する励起光の出力を調整することができ、励起光の強度変動による共鳴マイクロ波周波数の光パワーシフトが生じてしまうことがない。

さらに請求項４に係るガスセル型原子発振器は、二重共鳴方式よりもさらに小型化が図れる。これは、ＣＰＴ方式では、空洞共振器が不要となるからである。

[第１の実施形態]
以下、本発明の第１の実施形態を、図１を用いて説明する。図１は本発明のガスセル型原子発振器の構成図である。光源部１から出射された光は、光ファイバ３３で伝搬され光分岐手段３１に入射する。入射された光は光分岐手段３１で複数に分岐される。分岐されたそれぞれの光は、光ファイバ３４により伝搬され原子共鳴部３０に入射される。この原子共鳴部３０は、図４で説明した、二重共鳴部２、信号処理制御装置３、周波数合成・逓倍回路４、電圧制御水晶発振器５で構成され、電圧制御水晶発振器５からは標準となる周波数ｆ１を有する信号（標準周波数出力）が出力される。

また、各原子共鳴部３０に入射する光量は、それぞれ同じ条件とすることが望ましい。しかし、分岐手段３１で分岐され各原子共鳴部３０に入射する光の光量は、その伝搬する光ファイバ３４により異なり、それぞれの原子共鳴部３０は、異なる光量の光を入射することになる。光源部１から出射す光の光量を、光ファイバ３４等による減衰が最も大きい
原子共鳴部３０に最適なとなる光量とする。各原子共鳴部３０に入射する前に光量調整手段３２を配置し、その各光量調整手段３２により各原子共鳴部３０に最適な光量となるよう調整する。光量調整手段３２は、例えば光減衰器（ＮＤフィルタ）を用いる。

[第２の実施形態]
以下、本発明の第２の実施形態を、図２を用いて説明する。図１と異なる構成を説明する。図２は一つの原子共鳴部３０を光源部１と同一場所（例えば、同一筐体）とし、他の原子共鳴部３０を異なった場所に配置する実施形態である。光源部１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３５で分岐される。分岐された一方のレーザ光は光調整手段３２を介して、原子共鳴部３０に入射する。また、分岐された他方のレーザ光はレンズ３６で集光され光ファイバ３３に入射し、光分岐手段３１まで伝搬され、複数に分岐される。分岐されたそれぞれのレーザ光は、光ファイバ３４により伝搬され原子共鳴部３０に入射される。

[第３の実施形態]
以下、本発明の第３の実施形態を、図３を用いて説明する。第３の実施形態は、本発明の特徴である、光源部から出射された励起光を光ファイバで伝搬して、遠くに設置された共振器に入射させる構成を、ＣＰＴ(Coherent Population Trapping)方式（変調したレーザ光で原子を励起する方式）のガスセル型原子発振器に用いた実施形態である。

図３は、第１のＣＰＴ方式原子共鳴部４０を光源部４１と同一場所（例えば、同一筐体）とし、第２のＣＰＴ方式原子共鳴部４０’ を異なった場所に配置する実施形態である。光源部４１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３５で分岐される。分岐された一方のレーザ光は、外部変調器４３により周波数合成・逓倍回路４８からの信号で変調される。その変調されたレーザ光は光量調整手段５０、λ／４板５１を透過して、励起光として共鳴部４４に入射する。共鳴部４４は、誤差信号を光源制御装置４５、マイクロ波制御装置４６に出力する。

マイクロ波制御装置４６は、誤差信号がゼロになるように、電圧制御水晶発振器４７を制御する。制御された電圧制御水晶発振器４７の出力は、標準周波数出力となると共に、前述の周波数合成・逓倍回路４８に入力される。周波数合成・逓倍回路４８は、電圧制御水晶発振器４８の安定化のための変調信号と、マイクロ波信号とを、外部共振器４３に出力する。外部共振器４３は、マイクロ波信号の周波数（例えば４．６ＧＨｚ）程度の位相変調または強度変調を行う。

また、光源制御装置４５は、光源部４１内のＬＤ安定化のための変調信号（ｆｍｏｄ）と、注入電流制御信号（ΔＩ）を注入電流源４２に出力する。注入電流源４２は、バイアス電流Ｉと、光源制御装置４５から受領した変調信号（ｆｍｏｄ）と、注入電流制御信号（ΔＩ）と加算し、ＬＤ制御信号（Ｉ＋ΔＩ＋ｆｍｏｄ）として光源部４１に出力する。

ビームスプリッタ３５で分岐された他方のレーザ光は、レンズ５２で集光し光ファイバ５３に入射され、第２のＣＰＴ方式原子共鳴部４０’ の設置場所に伝搬される。伝搬されたレーザ光は、光量調整手段５０で適切な光量に調整される。調整されたレーザ光は、外部変調器４３により周波数合成・逓倍回路４８からの信号で変調される。その変調されたレーザ光はλ／４板５１を透過して、励起光として共鳴部４４に入射する。共鳴部４４は、誤差信号を光源制御装置４５、マイクロ波制御装置４６に出力する。

なお、偏波が変わるとλ／４板５１を透過したレーザ光の光量が変化してしまうため、光ファイバ５３は偏波保持ファイバとする。

ＣＰＴ方式のガスセル型原子発振器は、原子の電磁的な固有振動を基準とする時間標準周波数発生システムであって、小型化、省電力化に適し、将来的にクロック、ウオッチの周波数源（原子時計）への応用の可能性を有する。

[第４の実施形態]
安定度性能の向上のために、励起光の光強度の均一性が重要である。しかし、励起光の強度分布の不均一性をなくすため、励起光の平行光調整に時間がかかった。特に、光源部１から離れた場所に設置される原子共鳴部３０のガスセル２１に対して、光軸が平行になるように光軸合わせをすることは難しい。そこで、第４の実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態のそれぞれに対し内側の磁気シールド槽２５に設けられた光入力窓２８に、光拡散板（図示せず）を挿入してある。励起光であるレーザ光を、拡散板により拡散させると、ある方向にはコヒーレントな光が数多くの方向に散乱される。

各光ファイバからレーザ光が光拡散板に入射され、レーザ光が多くの方向に拡散して出射され、ガスセル２１に均一に入射される。その結果、ガスセル２１内の光強度の分布が均一となり、二重共鳴セル吸収スペクトルは、理想に近いものとなり、ガスセル型原子発振器は、高い周波数安定度が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す構成図である。本発明の第２の実施形態を示す構成図である。本発明の第３の実施形態を示す構成図である。従来のガスセル型原子発振器の基本構成図である。従来の二重共鳴共振器の構成を示す断面模式図である。従来の光源部の光学系および制御系のブロック図である。

符号の説明

１、４１・・・光源部、２・・・二重共鳴部、２ａ・・・温度制御回路、２ｂ・・・静磁場発生回路、２ｃ・・・二重共鳴共振器、３・・・信号処理制御装置、４、４８・・・周波数合成・逓倍回路、５、４７・・・電圧制御水晶発振器、１１・・・ＬＤ（半導体レーザ）、１２・・・レーザ制御器、１３・・・加算器、１４・・・制御手段、１５・・・変調信号発生器、１６・・・増幅器、１７・・・光検出器、１８・・・基準セル、１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、３５、４９・・・ビームスプリッタ、１９ｃ・・・ミラー、２１・・・ガスセル、２２・・・空洞共振器、２３、３４ｂ・・・光検出器、２４・・・マイクロ波アンテナ、２５・・・磁気シールド槽、２６・・・ヒータ、２７・・・静磁場コイル、２８・・・光入力窓、２９・・・温度センサ、３０、４０、４０’・・・原子共鳴部、３１・・・光分岐手段、３２、５０・・・光量調整手段、３３、３４、５３・・・光ファイバ、３６、５２・・・レンズ、４２・・・注入電流源、４３・・・外部変調器、４４・・・共鳴部、４５・・・光源制御装置、４６・・・マイクロ波制御装置、５１・・・λ／４板。

Claims

レーザ光からなる励起光を出射する光源部（１）と、該励起光を入射し共鳴マイクロ波を入力させて、光マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いる原子共鳴部(３０)とを備えたガスセル型原子発振器において、前記光源部からの出射された励起光を前記原子共鳴部に入射するために伝播する光ファイバ(３３、３４)を備えたことを特徴とするガスセル型原子発振器。
前記光源部からの出射された励起光を、複数の光ファイバに分岐し、該複数の光ファイバに接続される複数の前記原子共鳴部に入射させるための分岐手段（３１、３５、３６）を備えたことを特徴とする前記請求項１記載のガスセル型原子発振器。
前記光ファイバから出射された励起光が前記原子共鳴部に入射する光路に、励起光の出力を調整する光量調整手段（３２）を備えたことを特徴とする前記請求項１、又は請求項２記載のガスセル型原子発振器。
前記原子共鳴部が、ＣＰＴ方式による原子共鳴を生じさせる原子共鳴部であることを特徴とする前記請求項１乃至請求項３記載のガスセル型原子発振器。