JP2009129955A - 光学系及び原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子を発光素子と同一側に併置することが可能となり、受光素子を電気的に接続するボンディングワイヤ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１であって、ガスセル８中の金属原子に共鳴光３を供給するコヒーレント光源２と、共鳴光３に含まれるｐ偏光５を通過させｓ偏光１３を光路変換する偏光分離手段４と、円偏光を直線偏光に若しくはこの逆に変換する１／４λ波長板６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル８と、ガスセル８を通過した光９を再びガスセル８に導く導光手段１０と、偏光分離手段４により光路変換されたｓ偏光１４を検出する光検出器１５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器の光学系に関し、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５に示すように発光素子９３、ガスセル９５、及び受光素子９０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９０を電気的に接続するボンディングワイヤ９１が長くなり、モジュールの実装構造が複雑となるばかりでなく、受光素子９０から得られる信号が微弱なためにワイヤに重畳する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。
また、同一出願人による発明として、図６のように、発光素子１０２と受光素子１０４を同一基板１１２に実装した光学系の場合、ガスセル１０３の上に反射ミラー１１０を備え、発光素子１０２から発光された共鳴光１１３が、ガスセル１０３を透過して反射ミラー１１０により反射されて再びガスセル１０３に入射して受光素子１０４により受光される光学系がある。

しかし、構造上、発光素子１０２と受光素子１０４を同一基板上に離して配置する必要があるため、反射ミラー１１０に所定の傾斜角度を設けなければならない。その結果、反射ミラー１１０の角度調整が必要であり調整に手間がかかるといった問題がある。また、反射ミラー１１０が傾斜するために、光学系全体が高くなり、小型化に対して不利となるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、発光素子から発光した光の波長を偏光素子で１／４λずらして折り返すことにより、ガスセル中を光が往復通過して直交する偏光状態に変換し、偏光分離素子で光路変換されることにより、受光素子と発光素子とをガスセルに対して同一側に近接して併置することが可能となり、受光素子を電気的に接続するボンディングワイヤ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。

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、前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記共鳴光に含まれるｐ偏光、或いはｓ偏光のうち何れか一方の偏光を通過させ、他方の偏光を光路変換して出射する偏光分離手段と、前記偏光分離手段の出射側に配置され円偏光を直線偏光に、若しくはこの逆に変換する１／４λ波長板と、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、前記ガスセルを通過した光を折り返し光として再び該ガスセルに導く導光手段と、前記ガスセル及び前記１／４λ波長板を通過し前記偏光分離手段により光路変換された前記折り返し光を検出する光検出手段と、を備え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とをガスセルに対して同一側に実装し、コヒーレント光源からの共鳴光に含まれるｐ偏光が偏光分離手段を通過して１／４λ波長板により円偏光に変換される。その円偏光はガスセルを通過して導光手段により折り返されて再びガスセルを通過して、１／４λ波長板により直線偏光に変換されてｓ偏光となり、そのｓ偏光が光検出手段により検出される。これにより、１つの偏光分離手段により共鳴光をガスセルに往復させることができる。

また、前記導光手段は、前記ガスセルを通過した円偏光が前記導光手段により反射して同一光路を折り返すように構成されていることを特徴とする。
光がガスセルを通過するときに、ドップラ拡がりという現象が発生する。この現象は、同じ光路を光が往復することでキャンセルすることが期待できる。そこで本発明では、ガスセルを通過した光が同一光路を通過するように導光手段を構成する。これにより、ドップラ拡がりをキャンセルすることが期待できる。
また、前記光検出手段と前記コヒーレント光源とをガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする。
本発明の光学系は、コヒーレント光源と光検出手段とをガスセルに対して同一側に実装し、透過光が光検出手段により受光されるように偏光分離手段を構成した。これにより、ボンディングワイヤが短くなり、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、少なくとも前記ガスセル、又は／及び、導光手段が前記同一光路上に配置されていることを特徴とする。
ガスセルと導光手段は、光が通過する光路にのみ構成されていれば十分である。従って、光が通過しない場所にあるガスセルと導光手段は特に必要ではない。そこで本発明では、光路になる部分のみにガスセル、又は／及び、導光手段を配置するように構成する。これにより、ガスセルと導光手段の大きさを最小限にして、部品コストを低減することができる。
また、前記導光手段は、反射部材により構成されていることを特徴とする。
導光手段に入射した円偏光を同じ光路に折り返すにはミラー等の反射部材が最適である。これにより、円偏光が入射した光路と同じ光路に戻ることができる。

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。

また、前記コヒーレント光源から出射した光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルと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出射した光を集光して、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、受動光学素子をコヒーレント光源とガスセルとの間に配置する。これにより、光を正確に導光手段に入射させることができる。
また、上記構成による光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。
ガスセルを複数回通過する構造としたことで、より大きなＥＩＴ信号を得る光学系とすることができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な原子発振器を提供することができる。

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、共鳴光３を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置され共鳴光３に含まれるｐ偏光（直線偏光）を通過させｓ偏光（直線偏光）を光路変換する偏光分離手段４と、偏光分離手段４の出射側に配置され直線偏光を円偏光に若しくはこの逆に変換する１／４λ波長板６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル８と、ガスセル８を通過した光を再びガスセル８に導く導光手段１０と、偏光分離手段４により光路変換されたｓ偏光を検出する光検出器（光検出手段）１５と、を備えている。
原子発振器１００は光検出器１５の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１１を更に備えて構成されている。

尚、導光手段１０により反射された円偏光１１は折り返し光として再びガスセル８に入射されて円偏光１２となり、１／４λ波長板６によりｓ偏光１３（直線偏光）に変換されて、偏光分離手段４に入射される。また、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１は、コヒーレント光源２と光検出器１５とをガスセルに対して同一側に実装し、コヒーレント光源２からの共鳴光３に含まれるｐ偏光５が偏光分離手段４を通過して１／４λ波長板６により円偏光７に変換される。その円偏光７はガスセル８を通過して導光手段１０により折り返されて、折り返し光として再びガスセル８を通過して、１／４λ波長板６により直線偏光に変換されてｓ偏光１３となり、そのｓ偏光１３が偏光分離手段４で分離され光検出器１５により検出される。これにより、１つの偏光分離手段４により共鳴光３をガスセル８に往復させることができる。

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。この光吸収が停止する状態でガスセル３を通過する透過光をＥＩＴ信号と呼ぶ。

図３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１Ａは、基板３８上に発光素子（図１のコヒーレント光源２）３０と受光素子（図１の光検出器１５）３７を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ２５により基板３８に電気的に接続されている。そして、スペーサ３１ａ、３１ｂにより所定の距離を確保して、その上に発光素子３０から発光されたコヒーレント光４０を集光したり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子３２を備え、その上にビームスプリッタ３３と、ビームスプリッタ３３により光路変換されたｓ偏光を基板３８に導く第２ミラー３９が備えられている。そして、スペーサ４５ａ、４５ｂにより所定の距離を確保して、その上に１／４λ波長板３６とガスセル３４と第１ミラー３５を重ね合わせている。

次に、図３により概略動作について説明する。発光素子３０から発光されたコヒーレント光４０は、受動光学素子３２により集光されて平行光に補正されてビームスプリッタ（偏光分離手段）３３に入射する。コヒーレント光４０には、ｐ偏光とｓ偏光が含まれているが、ビームスプリッタ３３はｐ偏光のみを通過させる。通過したｐ偏光４１は、１／４λ波長板３６により円偏光に変換され、ガスセル３４に入射する。
ガスセル３４は２つの波長を有するｐ偏光４１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３４を通過したｐ偏光４１は第１ミラー３５により反射され、同じ光路を通って再びガスセル３４に入射する。ここで、光がガスセル３４を通過するときに、ドップラ拡がりという現象が発生することが知られているが、これについて補足する。セル内の原子には速度の速いものから遅いものまで色々の速度のものが混在して分布している。このうち速度の速い原子（励起状態の原子）がＥＩＴ現象に寄与すると、ドップラー効果により原子から見た光の波長が見かけ上変化するため、ＥＩＴ現象における検出幅（ガスセルでの光吸収が停止する波長の範囲）を広げてしまうことが知られている。なお、この現象は、同じ光路を光が往復することでキャンセルすることが期待できる。

そこで本実施形態では、ガスセル３４を通過した円偏光４２が同一光路を通過するように第１ミラー３５をｐ偏光４１の光路と直交するように構成する。これにより、ｐ偏光４１は全反射されてドップラ拡がりをキャンセルすることが期待できる。ガスセル３４を通過した円偏光４２は、１／４λ波長板３６によりｓ偏光（直線偏光）に変換されて再びビームスプリッタ３３に入射する。ビームスプリッタ３３はｐ偏光は通過させるが、ｓ偏光は通過させないで光路変換する特性をもったもの（ＰＢＳ）を使用し、ｓ偏光４３は直角に光路変換されて第２ミラー３９に入射して、直角に反射されて受光素子３７により受光される。尚、発光素子３０として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子３７としてフォトダイオードが良く使用される。
尚、光学系１Ａは、コヒーレント光源３０と受光素子３７とをガスセルに対し同一側に実装し、透過光が受光素子３７により受光されるようにビームスプリッタ３３と第２ミラー３９を構成した。これにより、ボンディングワイヤ２５が短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系１Ａ全体の実装も容易にすることができる。
また、共鳴光４０に含まれるｐ偏光はビームスプリッタ３３をそのまま通過するが、ｓ偏光はビームスプリッタ３３により光路が変換される。そこで本発明では、ビームスプリッタ３３を通過したｐ偏光が１／４λ波長板３６を通過することにより円偏光に変換し、その円偏光４１がガスセル３４を通過して第１ミラー３５により反射されて同じ光路を折り返して、再びガスセル３４を通過して１／４λ波長板３６によりｓ偏光に変換されてビームスプリッタ３３により光路変換される。これにより、１つのビームスプリッタ３３により光路を分離することができる。

尚、本実施形態のコヒーレント光源３０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３４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、本実施形態ではルビジウム、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。
また、偏光分離手段によりｐ偏光を通過し、ｓ偏光を光路変換するとしているが、ｓ偏光を通過し、ｐ偏光を光路変換しても構わない。

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。この光学系１Ｂは、ガスセル４６と第１ミラー４７が、光路をカバーする範囲内に構成している点である。即ち、ガスセル４６と第１ミラー４７は、光が通過する光路にのみ構成されていれば十分である。
従って、光が通過しない場所にあるガスセル４６と第１ミラー４７は特に必要ではない。そこで本実施形態では、光路になる部分のみにガスセル４６、又は／及び、第１ミラー４７を配置するように構成する。これにより、ガスセル４６と第１ミラー４７の大きさを最小限にして、部品コストを低減することができる。また、１／４λ波長板３６も光路にあれば十分であるので、同じように大きさを最小限にすることができる。

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。 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。 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。 特許文献１に開示されている従来の光学系の構成を示す図である。 同一出願人による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 共鳴光、４ 偏光分離手段、５ ｐ偏光、６ １／４λ波長板、７円偏光、８ ガスセル、１０ 導光手段、１４ ｓ偏光、１５ 光検出器、１６ 周波数制御回路、１００ 原子発振器

Claims (9)

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、
   前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記共鳴光に含まれるｐ偏光、或いはｓ偏光のうち何れか一方の偏光を通過させ、他方の偏光を光路変換して出射する偏光分離手段と、
   前記偏光分離手段の出射側に配置され円偏光を直線偏光に、若しくはこの逆に変換する１／４λ波長板と、
   ガス状の金属原子を封入したガスセルと、
   前記ガスセルを通過した光を折り返し光として再び該ガスセルに導く導光手段と、
   前記ガスセル及び前記１／４λ波長板を通過し前記偏光分離手段により光路変換された前記折り返し光を検出する光検出手段と、を備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
2. 前記導光手段は、前記ガスセルを通過した光が前記導光手段により反射して同一光路を折り返すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
3. 前記光検出手段と前記コヒーレント光源とを、前記ガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
4. 少なくとも前記ガスセル、又は／及び、導光手段が前記同一光路上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の原子発振器の光学系。
5. 前記導光手段は、反射部材により構成されていることを特徴とする請求項１、２又は４に記載の原子発振器の光学系。
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に記載の原子発振器の光学系。
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に記載の原子発振器の光学系。
8. 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コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする原子発振器。

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