JP2009049623A - Atomic oscillator - Google Patents
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- G04F5/145—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks using Coherent Population Trapping
Abstract
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の薄型化技術に関するものである。 The present invention relates to an atomic oscillator, and more particularly to a technique for thinning an optical system constituting the atomic oscillator.
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)。
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7に示すように発光素子33、受動光学素子34、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と、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があった。また、各部品を積み重ねるため、光学系の高さが高くなり小型化、薄型化に対して課題があった。更に、各部品を積み重ねて、ワイヤボンディング31を完了した後に光学系の調整を行なうため、発光素子33と受光素子30の光軸がずれていた場合、或いはどれかの部品が不良の場合には、再度ワイヤボンディング31を取り外して、最初から部品の組付けを行なわなければならず、リペア、部品交換に時間が掛かり煩わしかった。
本発明はかかる課題に鑑み、発光素子、ガスセル、及び受光素子を同一平面上の面方向に沿って順次配置し、第1の導光手段と第2の導光手段により光を屈曲することにより、光学系を薄型化し、且つ各部品のリペア及び交換を容易に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、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を改善することである。
However, in the configuration of the conventional optical system disclosed in
In view of such problems, the present invention sequentially arranges a light emitting element, a gas cell, and a light receiving element along a plane direction on the same plane, and bends light by the first light guiding means and the second light guiding means. Another object of the present invention is to provide an atomic oscillator including an optical system that has a thin optical system and that facilitates repair and replacement of each component.
Another object is to shorten the wire bonding for electrically connecting the light receiving elements to facilitate the module mounting and to improve the S / N.
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、前記コヒーレント光源から発光された光を前記ガスセルに導く第1の導光手段と、前記ガスセルを透過した光を前記光検出手段に導く第2の導光手段と、を備え、前記コヒーレント光源、前記ガスセル、及び前記光検出手段を同一平面上の面方向に沿って順次配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)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、この系は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、ガスセル、及び光検出手段を同一平面上の面方向に沿って順次配置し、第1の導光手段と第2の導光手段により光を屈曲する構成とした。これにより、光学系を薄型化し、且つ各部品のリペア、交換を容易に行なうことができる。
In order to solve such a problem, the present invention is an optical system of an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic due to a quantum interference effect when two types of resonant light as coherent lights having different wavelengths are incident. A gas cell encapsulating gaseous metal atoms, a coherent light source for supplying the resonance light to the metal atoms in the gas cell, a light detecting means for detecting the light transmitted through the gas cell, and light emission from the coherent light source First light guiding means for guiding the emitted light to the gas cell, and second light guiding means for guiding the light transmitted through the gas cell to the light detection means, the coherent light source, the gas cell, and the light The detection means is sequentially arranged along the surface direction on the same plane.
The atomic oscillator of the present invention utilizes the quantum interference effect of coherent light such as laser light. In this method, the frequencies of two resonant lights irradiated simultaneously in a three-level system (for example, a Λ-type level) in which two ground levels receive resonant light and are resonantly coupled with a common excitation level. Is exactly coincident with the energy difference between the
また、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、を備え、前記コヒーレント光源と前記光検出手段とを対向するように配置したことを特徴とする。
光学系を薄型化するには、光路上に介在する部品を少なくする必要がある。そのためには、コヒーレント光源から発光された光がガスセルを介して直接光検出手段に入射されるように構成することである。そこで本発明では、コヒーレント光源と光検出手段とを対向するように配置して、コヒーレント光源と光検出手段との間にガスセルを配置する構成とした。これにより、部品点数を削減して光学系を更に薄型化することができる。
Also, an optical system of an atomic oscillator that controls the oscillation frequency by utilizing the light absorption characteristics due to the quantum interference effect when two types of resonance light as coherent lights having different wavelengths are incident, and the gaseous metal atoms are An encapsulated gas cell; a coherent light source that supplies the resonance light to the metal atoms in the gas cell; and a light detection unit that detects light transmitted through the gas cell, wherein the coherent light source and the light detection unit are opposed to each other. It arrange | positions so that it may carry out.
In order to reduce the thickness of the optical system, it is necessary to reduce the number of parts interposed on the optical path. For this purpose, the light emitted from the coherent light source is directly incident on the light detection means via the gas cell. Therefore, in the present invention, the gas cell is arranged between the coherent light source and the light detecting means by arranging the coherent light source and the light detecting means so as to face each other. Thereby, the number of parts can be reduced and the optical system can be further thinned.
また、前記コヒーレント光源、前記ガスセル、及び前記光検出手段を同一平面上に併置する基板を備え、該基板の適所に開口部又は透明部を設け、前記コヒーレント光源、又は/及び、前記光検出手段を該基板の前記平面とは反対面に配置し、前記開口部又は透明部を介して発光及び受光を行なうことを特徴とする。
コヒーレント光源、ガスセル、及び光検出手段を同一平面上に併置する基板を備えた場合、コヒーレント光源の発光面と光検出手段の受光面は基板面に対して上側を向くことになる。この配置で光学系を薄型化するためには、ガスセルをコヒーレント光源と光検出手段との間に配置すると共に、上側に発光された光を屈曲してガスセルに入射させ、ガスセルからの透過光を更に屈曲して光検出手段に導く必要がある。このとき、コヒーレント光源、及び光検出手段を基板の表面に実装した場合、その部品の高さだけ全体の高さが高くなる。そこで本発明では、基板の適所に開口部又は透明部を設け、コヒーレント光源、又は/及び、光検出手段を基板の同一平面と反対面に配置する。これにより、基板上の部品の高さを極力低くすることができる。
The coherent light source, the gas cell, and a substrate on which the light detection means are juxtaposed on the same plane, provided with an opening or a transparent portion at an appropriate position of the substrate, the coherent light source and / or the light detection means Is disposed on a surface opposite to the plane of the substrate, and emits light and receives light through the opening or the transparent portion.
In the case of providing a substrate on which the coherent light source, the gas cell, and the light detection means are juxtaposed on the same plane, the light emitting surface of the coherent light source and the light receiving surface of the light detection means face upward with respect to the substrate surface. In order to reduce the thickness of the optical system with this arrangement, the gas cell is arranged between the coherent light source and the light detection means, and the light emitted from the upper side is bent and incident on the gas cell to transmit the transmitted light from the gas cell. Furthermore, it is necessary to bend and guide to the light detection means. At this time, when the coherent light source and the light detection means are mounted on the surface of the substrate, the overall height is increased by the height of the component. Therefore, in the present invention, an opening or a transparent part is provided at an appropriate position of the substrate, and the coherent light source or / and the light detection means are arranged on the opposite surface of the same plane of the substrate. Thereby, the height of the components on the substrate can be made as low as possible.
また、前記コヒーレント光源から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記第1の導光手段と前記ガスセルの間に配置したことを特徴とする。
光学系には、コヒーレント光源から発光された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや波長板といった受動光学素子が使用される。この受動光学素子は、ガスセルに入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本発明では、受動光学素子を第1の導光手段とガスセルとの間に配置する。これにより、受動光学素子を備えても、光学系全体が高くなることを極力抑えることができる。
In addition, a passive optical element that collects the light emitted from the coherent light source and corrects the light into parallel light is disposed between the first light guide unit and the gas cell.
In the optical system, a passive optical element such as a lens or a wave plate is used to collect light emitted from the coherent light source and correct it so as to become parallel light. This passive optical element may be disposed anywhere before entering the gas cell. Therefore, in the present invention, the passive optical element is disposed between the first light guide means and the gas cell. Thereby, even if it has a passive optical element, it can suppress that the whole optical system becomes high as much as possible.
また、前記受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記第1の導光手段との間に配置したことを特徴とする。
受動光学素子を第1の導光手段とガスセルとの間に配置すると、光学系の高さは抑えることができるが、基板の幅が大きくなる可能性がある。そこで本発明では、受動光学素子をコヒーレント光源と第1の導光手段との間に配置する。これにより、基板の幅方向の大きさを抑えることができる。
Further, the passive optical element is arranged between the coherent light source and the first light guide means.
If the passive optical element is disposed between the first light guide means and the gas cell, the height of the optical system can be suppressed, but the width of the substrate may be increased. Therefore, in the present invention, the passive optical element is disposed between the coherent light source and the first light guide unit. Thereby, the magnitude | size of the width direction of a board | substrate can be suppressed.
また、前記第1の導光手段及び前記第2の導光手段に光軸調整機構を備えたことを特徴とする。
コヒーレント光源から発光した光は、第1の導光手段及び第2の導光手段を介して光検出手段に到達する。このとき、各部品の取り付け誤差等により、光軸がずれた場合、光がガスセルに入射しなかったり、或いは、ガスセルからの透過光が光検出手段に到達しない不具合が発生する。そこで本発明では、第1の導光手段及び第2の導光手段に光軸調整機構を備える。これにより、光軸のずれを容易に調整することができる。
Further, the first light guide means and the second light guide means are provided with an optical axis adjusting mechanism.
The light emitted from the coherent light source reaches the light detection means via the first light guide means and the second light guide means. At this time, when the optical axis is shifted due to an attachment error of each component, the light does not enter the gas cell, or the transmitted light from the gas cell does not reach the light detection unit. Therefore, in the present invention, the first light guide means and the second light guide means are provided with an optical axis adjustment mechanism. Thereby, the shift | offset | difference of an optical axis can be adjusted easily.
また、前記第1の導光手段及び前記第2の導光手段は、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、その透過光を光検出手段に受光させる必要がある。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。
Further, the first light guide means and the second light guide means are mirrors, diffraction gratings, corner cube prisms, optical fibers, or optical waveguides.
In the optical system of the present invention, the coherent light emitted from the light source needs to be transmitted through the gas cell, and the transmitted light needs to be received by the light detection means. For this purpose, it is necessary to reflect, diffract, refract, or guide the transmitted light. A mirror for reflection, a diffraction grating for diffraction, a corner cube prism for refraction, and an optical fiber or optical waveguide for light guide are optimal. This makes it possible to select an optimum light guide means for the optical system depending on the purpose and configuration.
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。
The coherent light is laser light.
Ordinary light is light in which various wavelengths are mixed and the phase is random. On the other hand, laser light has good monochromaticity in wavelength and is light with a uniform phase. Coherence is defined as a measure of the stability of the wavelength and phase of light. Light with good coherence, that is, with stable wavelength and phase, can cause a quantum interference effect. In that respect, laser light is optimal.
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。
The gaseous metal atom is rubidium or cesium.
If cesium atoms are used, a highly accurate atomic oscillator can be realized. In addition, rubidium atoms are widely spread easily. Therefore, any metal atom can be selected in consideration of the required performance and cost of the atomic oscillator.
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、コヒーレント光源2から発光された光をガスセル3に導く第1の導光手段9と、ガスセル3を透過した透過光6を光検出器4に導く第2の導光手段8と、第2の導光手段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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of an optical system of an atomic oscillator according to an embodiment of the present invention. This
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、原子は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)。
That is, the
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。
FIG. 2 is an example for explaining a three-level system of atoms by the CPT method. The rubidium and cesium ground levels used in the atomic oscillator are divided into two kinds of ground levels by the hyperfine structure due to the nuclear spin-electron spin interaction. These ground level atoms absorb light and excite to higher energy levels. A state in which two ground levels receive light and are resonantly coupled to a common excitation level as shown in FIG. 2 is called two-photon resonance. In FIG. 2, since the ground level 1 (23) and the ground level 2 (24) have slightly different levels of energy, the resonant light also has a wavelength slightly different from that of the resonant light 1 (20) and the resonant light 2 (22), respectively. Different. When the frequency difference (wavelength difference) between the resonant light 1 (20) and the resonant light 2 (22) irradiated at the same time exactly matches the energy difference between the ground level 1 (23) and the ground level 2 (24), The system shown in FIG. 2 enters a superposition state of two ground levels, and excitation to the
図3は本発明の第1の実施形態に係る光学系1aの構成を模式化した図である。この光学系1aは、発光素子(コヒーレント光源)2、ガスセル3、及び受光素子(光検出手段)4を基板12上の面方向に沿って順次配置し、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15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屈曲させるミラー(第1の導光手段)16と、ミラー16により屈曲された光を集光したり、平行光にしたり、偏光状態を変えたりできる受動光学素子17を備え、ミラー16と受動光学素子17を一体構成として1つのモジュールとしている。そして、受動光学素子17から出射された光11bは、ガスセル3を通過し、その透過光がミラー(第2の導光手段)19により屈曲されて受光素子4により受光される。ミラー19と受光素子4を一体構成として1つのモジュールとしている。従って、基板12上には3つのモジュールが実装されている。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。従って、本実施形態の光学系1は、コヒーレント光源2、ガスセル3、及び光検出器4を同一平面上の面方向に沿って順次配置し、ミラー16とミラー19により透過光を屈曲する構成とした。これにより、光学系1を薄型化し、且つ各モジュールのリペア、部品交換を容易に行なうことができる。また、光学系には、コヒーレント光源2から発光された光を集光したり、平行光にしたり、偏光状態を変えたりできる受動光学素子17が使用される。この受動光学素子17は、ガスセル3に入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本実施形態では、受動光学素子17をミラー16とガスセル3との間に配置する。これにより、受動光学素子17を備えても、光学系1a全体が高くなることを極力抑えることができる。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the
図3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11aは、ミラー16により90度に屈曲されて受動光学素子17により集光、平行光、偏光された光11b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11a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を通過した透過光はミラー19により90度に屈曲されて、透過光11cとして受光素子4により受光される。
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よく、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。コヒーレンスがよい、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。例えば、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、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。
The schematic operation will be described with reference to FIG. The coherent light 11 a emitted from the
The coherent light in this embodiment uses laser light. Laser light has good monochromaticity in wavelength and has a uniform phase. Coherence is defined as a measure of the stability of the wavelength and phase of light. Light having good coherence, that is, light having a stable wavelength and phase can cause a quantum interference effect. In that respect, laser light is optimal. The gaseous metal atom used in the
図4は、本発明の第2の実施形態に係る光学系1b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4が図3と異なる点は、基板12の適所に開口部又は透明部10を設け、発光素子2、又は/及び、受光素子4を基板12の同一平面と反対面に配置し、開口部又は透明部10を介して発光及び受光を行なう点である。
即ち、発光素子2、ガスセル3、及び受光素子4を同一平面上に併置する基板12を備えた場合、発光素子2の発光面と受光素子4の受光面は基板面に対して上側を向くことになる。この配置で光学系を薄型化するためには、ガスセル3を発光素子2と受光素子4との間に配置すると共に、上側に発光された光を屈曲させてガスセル3に入射させ、ガスセル3からの透過光を更に屈曲して受光素子4に導く必要がある。このとき、発光素子2、及び受光素子4を基板12の表面に実装した場合、その部品の高さだけ全体の高さが高くなる。そこで本実施形態では、基板12の適所に開口部又は透明部10を設け、発光素子2、又は/及び、受光素子4を基板12の同一平面と反対面に配置する。これにより、基板12上の部品の高さを極力低くすることができる。
また、基板12をガラス板としても、同様の効果が得られる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the optical system 1b according to the second embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. 4 differs from FIG. 3 in that an opening or a
That is, when the
The same effect can be obtained even when the
図5は、本発明の第3の実施形態に係る光学系1c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5が図4と異なる点は、受動光学素子17を発光素子2とミラー16の間に配置した点である。即ち、受動光学素子17を図3のようにミラー16とガスセル3との間に配置すると、光学系1の高さは抑えることができるが、基板12の幅が大きくなる可能性がある。そこで本実施形態では、受動光学素子17を発光素子2とミラー16との間に配置する。これにより、基板12の幅方向の大きさを抑えることができる。
また、発光素子2から発光した光は、ミラー16、19を介して受光素子4に到達する。このとき、各部品の取り付け誤差等により、光軸がずれた場合、光がガスセル3に入射しなかったり、或いは、ガスセル3からの透過光が受光素子4に到達しない不具合が発生する。そこで、ミラー16、19に光軸調整機構を備えることにより、光軸のずれを容易に調整することができる。
なお、従来例では、全てを組上げないと光軸がずれているか分からないが、本構成では最後にミラー及び受動光学素子モジュールを光軸調整しながら基板に搭載することができる。
FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of an optical system 1c according to the third embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. 5 is different from FIG. 4 in that the passive
The light emitted from the
In the conventional example, it is not known whether the optical axis is shifted unless all the components are assembled. However, in this configuration, the mirror and the passive optical element module can be finally mounted on the substrate while adjusting the optical axis.
図6は、本発明の第4の実施形態に係る光学系1d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。この光学系1dは、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発光素子2と、ガスセル3を通過した透過光を検出する受光素子4と、を備え、発光素子2と受光素子4とを対向するように配置した。尚、発光素子2と受光素子4とを対向するように配置するために、夫々の部品を基板12に対して直交させる小基板12a、12bを用意する。
即ち、光学系1dを薄型化するには、光路上に介在する部品を少なくする必要がある。そのためには、発光素子2から発光された光がガスセル3を介して直接受光素子4に入射されるように構成することである。そこで本実施形態では、発光素子2と受光素子4とを対向するように配置して、発光素子2と受光素子4との間にガスセル3を配置する構成とした。これにより、部品点数を削減して光学系1dを更に薄型化することができる。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of an optical system 1d according to the fourth embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. The optical system 1d includes a
That is, in order to reduce the thickness of the optical system 1d, it is necessary to reduce the number of parts interposed on the optical path. For this purpose, the light emitted from the
以上の説明では、導光手段としてミラーについて説明したが、導光手段として、ミラー、回析格子、コーナーキューブプリズム、光ファイバ、又は光導波路がある。即ち、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3に通過させ、その透過光を受光素子4に受光させる必要がある。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。
回折格子は、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。
In the above description, the mirror is described as the light guide unit, but the light guide unit includes a mirror, a diffraction grating, a corner cube prism, an optical fiber, or an optical waveguide. That is, in the optical system of the present invention, the coherent light emitted from the light source needs to pass through the
Similar to a prism, a diffraction grating is an optical element that extracts light of a specific wavelength from light mixed with various wavelengths. Originally, a large number of thin slits were arranged in parallel, and when light was incident on the slits, the light that passed through the slits was diffracted and spread, and interfered with each other so that only light of a specific wavelength could be seen at a specific angle. Current diffraction gratings use the fact that thousands of grooves are formed in parallel on a mirror-finished metal plate to interfere with reflected light. By rotating the diffraction grating and selecting an incident angle and a reflection angle, light having a specific wavelength can be extracted.
また、コーナーキューブプリズムは、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。
また、光ファイバは、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。
また、光導波路とは、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、光導波路はいわば光の配線板であるといえる。光導波路は、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。
The corner cube prism is a prism that turns back 180 ° in the incident direction regardless of the direction of the light incident on the prism using total internal reflection of three orthogonal surfaces.
The optical fiber is a wire for optical transmission that transmits a signal not by an electrical signal but by light using a semiconductor laser, an LED, or the like as a light source. The optical fiber has a double structure in which a high refractive index core (diameter of about 50 to 60 microns) made of quartz is covered with a low refractive index cladding layer. It is transmitted with total reflection only inside. However, in an actual optical fiber cable, the outermost coating is further applied to protect the wire. The optical fiber cable is characterized in that the signal is not easily attenuated and can be transmitted over a long distance (several tens to several hundreds km) without relay.
An optical waveguide is a circuit that is processed so as to guide an optical signal by providing a light path on a substrate by utilizing a difference in refractive index of light. The optical waveguide is a so-called light wiring board in that light flows through the circuit so that electrons flow through the electric circuit. An optical waveguide can be said to be similar to an optical fiber in that it uses a light refractive index to guide light with high straightness, but it is not a three-dimensional fiber structure like an optical fiber, but generally has a planar structure. Yes.
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、8、9 導光手段、100 原子発振器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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、前記コヒーレント光源から発光された光を前記ガスセルに導く第1の導光手段と、前記ガスセルを透過した光を前記光検出手段に導く第2の導光手段と、を備え、
前記コヒーレント光源、前記ガスセル、及び前記光検出手段を同一平面上の面方向に沿って順次配置したことを特徴とする原子発振器。 An optical system of an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic due to a quantum interference effect when two types of resonance light as coherent light having different wavelengths are incident,
A gas cell in which gaseous metal atoms are sealed; a coherent light source that supplies the resonance light to the metal atoms in the gas cell; a light detection means that detects light transmitted through the gas cell; and light emitted from the coherent light source. A first light guide means for guiding the light to the gas cell, and a second light guide means for guiding the light transmitted through the gas cell to the light detection means,
An atomic oscillator, wherein the coherent light source, the gas cell, and the light detection means are sequentially arranged along a plane direction on the same plane.
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、を備え、
前記コヒーレント光源と前記光検出手段とを対向配置したことを特徴とする原子発振器。 An optical system of an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic due to a quantum interference effect when two types of resonance light as coherent light having different wavelengths are incident,
A gas cell in which gaseous metal atoms are sealed, a coherent light source that supplies the resonance light to the metal atoms in the gas cell, and a light detection means that detects light transmitted through the gas cell,
An atomic oscillator characterized in that the coherent light source and the light detection means are arranged to face each other.
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