JP2009049622A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子を電気的に接続するワイヤボンディングを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＳ／Ｎを改善した光学系を備えた原子発振器を提供する。
【解決手段】この光学系１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器１００の光学系であって、ガス状の金属原子を封入したガスセル３と、ガスセル３中の金属原子共鳴光を供給するコヒーレント光源２と、ガスセル３を透過した光６を光検出器４に導く導光手段８と、導光手段８により導かれた光６ａを検出する光検出器（光検出手段）４と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成する光学系に含まれる光源と受光素子の実装技術に関するものである。

ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を利用する際に、原子をガス状態に保つ必要があるため、原子を気密封入したガスセルを高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することにより、原子共鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。ここで、ＣＰＴを利用した原子発振器は、発光素子、ガスセル、及び受光素子を一体的に構成して光学系を形成している（特許文献１参照）。
ＵＳ６８０６７８４Ｂ２

しかし、特許文献１に開示されている従来の光学系の構成では、図６に示すように発光素子３３、ガスセル３５、及び受光素子３０が縦積みに配置されている。このため、最上面に配置した受光素子３０を電気的に接続するワイヤボンディング３１が長くなり、モジュールの実装が複雑となるといった問題がある。また、従来の構成では、受光素子３０から得られる信号が微弱なため、ノイズの影響を受けやすくなりＳ／Ｎ特性が良くないといった問題もある。
本発明は、かかる課題に鑑み、発光素子から発光した光を導光手段により折り返すことにより、受光素子を発光素子と同一側に併置し、受光素子を電気的に接続するワイヤボンディングを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＳ／Ｎを改善した光学系を備えた原子発振器を提供することを目的とする。
また他の目的は、発光素子と受光素子を密封することにより、光学系の信頼性を高めることである。

本発明はかかる課題を解決するために、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の光学系であって、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセル中の金属原子に共鳴光を供給するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出手段と、前記ガスセルを透過した光を前記光検出手段に導く導光手段と、を備え、前記光検出手段を前記コヒーレント光源と同一側に併置したことを特徴とする。
本発明の原子発振器は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。そして、本発明の光学系は、コヒーレント光源と光検出手段を同一側に実装し、透過光が光検出手段により受光されるように導光手段を構成した。これにより、ワイヤボンディングが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。

また、前記導光手段により導かれた光が共鳴光として再び前記ガスセルに入射し、ガスセルを透過した光が前記光検出手段により受光されるように構成したことを特徴とする。
ガスセルを透過した光は、ガスセルの光路が長いほど光の強度比は強くなる。そこで本発明では、導光手段により光路を折り返して光が再びガスセルを透過するように構成する。これにより、より大きな透過光のコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上することができる。

また、前記導光手段により導かれた光が前記ガスセルを透過せずに前記光検出手段に受光されるように構成したことを特徴とする。
ガスセルを透過した光がある程度のレベルであれば、ガスセルを通過する回数は１回でも構わない。即ち、導光手段により導かれた光は所定の角度で折り返されるため、２回透過させるためには、ガスセルの断面をそれなりに大きくする必要がある。しかし、これは小型化に逆行するため、本発明では、ガスセルの断面を極力小さくして、導光手段により導かれた光は直接、光検出手段に到達するように構成する。これにより、ガスセルを小型にすることが可能となり、光学系全体を小型化することができる。

また、前記コヒーレント光源と前記光検出手段を密封する容器を備えたことを特徴とする。
コヒーレント光源と光検出手段は、外的な要因の影響が受けないことが重要である。即ち、外的な要因として、塵埃や温湿度変化がある。そこで、コヒーレント光源と光検出手段を密封した容器に収容することにより、これらの課題を解決することができる。

また、前記導光手段は、ミラー、回析格子、コーナーキューブプリズム、光ファイバ、又は光導波路であることを特徴とする。
本発明の光学系は、光源から放射されたコヒーレント光をガスセルに透過させ、その透過光を再び光検出手段に戻す必要がある。そのためには、透過光を反射、又は回折、又は屈折、又は導光する必要がある。反射にはミラー、回折には回折格子、屈折にはコーナーキューブプリズム、導光には光ファイバ又は光導波路が最適である。これにより、光学系の導光手段を目的、構成により最適なものを選択することができる。

また、前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする。
普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。

また、前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする。
セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。この光学系１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器１００の光学系１であって、ガス状の金属原子を封入したガスセル３と、ガスセル３中の金属原子に共鳴光を供給するコヒーレント光源２と、ガスセル３を通過した透過光６を光検出器４に導く導光手段８と、導光手段８により導かれた透過光６ａを検出する光検出器（光検出手段）４と、光検出器４から検出された信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路５と、を備えて構成されている。尚、本発明の主旨は、原子発振器を構成する光学系の構成にあるので、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。

即ち、本実施形態の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えば、Λ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである（詳細は後述する）。そして、本実施形態の光学系１は、光検出器４をコヒーレント光源２と同一側に実装し、透過光６ａが光検出器４により受光されるように導光手段８を構成した。これにより、ワイヤボンディング性が向上し、光学系全体の実装も容易にすることができる。

図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。原子発振器に用いられるルビジウムやセシウムの基底準位は、核スピン−電子スピン相互作用による超微細構造により２種類の基底準位に分かれている。これらの基底準位の原子は光を吸収して、よりエネルギーの高い準位へ励起する。また、図２の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を２光子共鳴と言う。図２において、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）は準位のエネルギが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）と波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）の周波数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致すると、図２の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位２１への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）のどちらかまたは両方の波長を変化させたときに、ガスセル３での光吸収（つまり励起準位２１への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。

図３（ａ）は本発明の第1の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。この光学系１は、基板１２上に発光素子２と受光素子４を併置し、夫々の素子がワイヤボンディング１４により基板１２に電気的に接続されている。そして、スペーサ１５ａ、１５ｂにより所定の距離を確保して、その上に発光素子２から発光されたコヒーレント光を集光したり、平行光に変換したり、或いは偏向状態を変える受動光学素子１１を備え、更にその上にガスセル３を重ね合わせ、スペーサ１６ａ、１６ｂにより距離を確保してガスセル３を通過した透過光を反射するミラー１０を配置している。尚、発光素子２として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子としてフォトダイオードが良く使用される。また、スペーサ１６ａ、１６ｂは、高さを異なるように構成してミラー１０に所定の角度が形成されるようにしている。

図３（ｂ）により概略動作について説明する。発光素子２から発光されたコヒーレント光１３は、受動光学素子１１により集光されて平行光に補正されてガスセル３に入射する。ガスセル３は２つの波長を有するコヒーレント光１３ａの一方或いは両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル３を通過した透過光１３ａはミラー１０により反射されて、透過光１３ｂとして再びガスセル３に入射する。即ち、ガスセル３を通過した透過光１３ａは、ガスセル３の光路が長いほど光の強度比は強くなる。そこで本実施形態では、ミラー１０により光路を折り返して透過光１３ａが再びガスセル３を通過するように構成する。これにより、より大きな透過光１３ｂコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上することができる。

尚、本実施形態のコヒーレント光は、レーザ光を使用している。レーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。また、ガスセル３に使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムである。１次原子標準器に使われるセシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、２次標準器で使われるルビジウム原子は手軽に広く普及しているため、これを使えば一般的には小型で低価格な原子発振器を実現できる。従って、金属原子に何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。なお、本実施例ではルビジウム、セシウムを用いたがΛ型準位系等の３準位系を持った原子であればどのような原子であっても構わない。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。同じ構成要素には図３と同じ参照番号を付して説明する。図２が図１と異なる点は、ガスセル３を小型化して、ミラー１０により反射された透過光１３ｂがガスセル３を通過しないように構成し、発光素子２と受光素子４を外部からの塵埃、環境変化から保護するために、パッケージ（密封容器）１４により密封したことである。動作については、図３と同様であるので説明を省略する。尚、透過光１３ａが受光素子４に到達するように、ミラー１０の角度を鋭角にする必要がある。

即ち、ガスセル３を通過した透過光１３ａがある程度のレベルであれば、ガスセル３を通過する回数は１回でも構わない。ミラー１０により反射された透過光１３ｂは所定の角度で折り返されるため、２回透過させるためには、ガスセル３の断面をそれなりに大きくする必要がある。しかし、これは小型化に逆行するため、本実施形態では、ガスセル３の断面を極力小さくして、ミラー１０により反射された透過光１３ｂは直接、受光素子４に到達するように構成する。これにより、ガスセル３を小型にすることが可能となり、光学系全体を小型化することができる。また、発光素子２と受光素子４は、外的な要因の影響が受けないことが重要である。即ち、外的な要因として、塵埃や温湿度変化がある。発光素子２と受光素子４を密封したパッケージ１４に収容することにより、これらの課題を解決することができる。また、パッケージ１４内を真空状態とすることにより、更に、外部の温度変化を受けにくい状態を作り出すことができる。なお、発光素子２と受光素子４とを気密封止することにより、素子の特性が劣化しにくくなり、信頼性が向上することは言うまでもない。

図５は本発明の実施形態に係る光学系に使用される導光手段の実施例を模式化した図である。
図５（ａ）は、導光手段として回折格子１５を用いた例である。回折格子１５は、プリズムと同じように、色々な波長の混ざった光から特定波長の光を取り出す光学素子である。もともとは細いスリットを多数平行に並べ、そこに光を入射するとスリットを通過した光が回折して広がり、お互いに干渉して特定の角度で特定の波長の光のみが見えることを利用した。現在の回折格子は鏡面加工した金属板に１ｍｍに数千本の溝を平行につくり反射光が干渉し合う事を利用している。この回折格子を回転して入射角と反射角を選択することで特定波長の光を取り出すことができる。
図５（ｂ）は、導光手段としてコーナーキューブプリズム１６を用いた例である。コーナーキューブプリズム１６は、直交した３面の内部全反射を利用してプリズムへ入射する光の方向に関わらず、入射方向へ１８０°折返すプリズムである。

図５（ｃ）は、導光手段として光ファイバ１７を用いた例である。光ファイバ１７は、電気信号ではなく、半導体レーザやＬＥＤなどを光源とした光によって信号を伝達する光伝送用の線材である。光ファイバは、石英でできた高屈折率のコア（直径は５０〜６０ミクロン程度）を低屈折率のクラッド層で覆った２重構造をしており、屈折率の違いから、光信号はコアの内部だけで全反射しながら送信される。ただし実際の光ファイバケーブルでは、さらに線を保護するための被覆が最外部に施されている。光ファイバケーブルでは、信号が減衰しにくく、長距離（数十ｋｍ〜数百ｋｍ）にわたり中継なしで信号を伝送できるという特徴がある。
図５（ｄ）は、導光手段として光導波路１８を用いた例である。光導波路１８とは、光の屈折率の違いを利用して基板上に光の道を設け、光信号を導くように加工された回路のことである。電気回路中を電子が流れるように、光を回路中に流すという点では、光導波路１８はいわば光の配線板であるといえる。光導波路１８は、光屈折率を利用して直進性の高い光を導くという点では光ファイバと同様であるといえるが、光ファイバの様に３次元の繊維構造ではなく、一般に平面構造となっている。

尚、図３及び図５では導光手段としてミラー１０、又は回析格子１５、又はコーナーキューブプリズム１６、又は光ファイバ１７、又は光導波路１８を用いたが、他の手段であっても構わない。

本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。 ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ｂ）は光学系の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。 本発明の実施形態に係る光学系に使用される導光手段の実施例を模式化した図であり、（ａ）は導光手段として回折格子１５を用いた図、（ｂ）は導光手段としてコーナーキューブプリズム１６を用いた図、（ｃ）は導光手段として光ファイバ１７を用いた図、（ｄ）は導光手段として光導波路１８を用いた図である。 従来の光学系の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光学系、２ コヒーレント光源、３ ガスセル、４ 光検出器、５ 周波数制御回路、６ 透過光、７ 共鳴光（入射光）、８ 導光手段、１００ 原子発振器

Claims (7)

1. 波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の光学系であって、
   ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセル中の金属原子に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出手段と、前記ガスセルを透過した光を前記光検出手段に導く導光手段と、を備え、
   前記光検出手段を前記コヒーレント光源と同一側に併置したことを特徴とする原子発振器。
2. 前記導光手段により導かれた光が共鳴光として再び前記ガスセルに入射し、該ガスセルを透過した光が前記光検出手段により受光されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記導光手段により導かれた光が前記ガスセルを通過せずに前記光検出手段に受光されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
4. 前記コヒーレント光源と前記光検出手段を密封する容器を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の原子発振器。
5. 前記導光手段は、ミラー、回析格子、コーナーキューブプリズム、光ファイバ、又は光導波路であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の原子発振器。
6. 前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器。
7. 前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の原子発振器。

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