JP2009194418A - Atomic oscillator - Google Patents

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an atomic oscillator having high precision and low power consumption by improving a Q value by reducing optical intensity to reduce the full width at half maximum of an EIT signal, and by improving a S/N ratio. <P>SOLUTION: This atomic oscillator includes an LD 53 to emit each kind of resonance light, a resonance gas cell 58 to pass each kind of resonance light in a metal atom gas, a PD 55 to detect transmitting light 1, a beat component detecting means 2 to detect a difference frequency beat component in a received photoelectric current, a detecting means 3 to detect the amplitude level of the difference frequency beat component detected by the beat component detecting means 2, a frequency control means 59 to generate the control voltage of a crystal oscillator 60 based on the detected output of the detecting means 3, the crystal oscillator 60 to oscillate a predetermined frequency based on the control voltage generated from the frequency control means 59, and a modulating means 61 to modulate the dc current of the LD (coherent light source) 53 by a modulation frequency ω<SB>m</SB>generated by synthesizing and multiplying the oscillating frequency of the crystal oscillator 60. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、CPT方式の原子発振器におけるEIT信号の検出精度を高める回路技術に関するものである。   The present invention relates to an atomic oscillator, and more particularly to a circuit technique for increasing the detection accuracy of an EIT signal in a CPT type 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。   An atomic oscillator using an alkali metal such as rubidium or cesium needs to keep atoms in a gas state when utilizing energy transition of atoms, and therefore operates a gas cell in which atoms are hermetically sealed while maintaining a high temperature. . The principle of operation of an atomic oscillator is broadly divided into a double resonance method using light and microwaves, and a method using a quantum interference effect (hereinafter referred to as CPT: Coherent Population Trapping) by two types of laser light. In both cases, the amount of the light incident on the gas cell is detected by the detector provided on the opposite side to detect how much light has been absorbed by the atomic gas, so that the atomic resonance is detected and a reference signal from a crystal oscillator or the like is sent to the control system. Output is obtained in synchronization with atomic resonance.

図6(a)はコヒーレント光源の変調方式を説明する模式図である。この変調方式は直接変調方式と呼ばれ、DC電源51(直流電流)を変調周波数ωm52により変調してレーザダイオード(LD)53に供給して発光させる。その結果、LD53を直接変調して作られる光54の周波数成分は、図6(b)のようにEIT現象が起きているときには、キャリア周波数ωoと、エネルギ準位に共鳴する周波数の1/2だけキャリア周波数ωoより離調したカップリング光周波数ωc、プローブ光周波数ωpとなる。共鳴ガスセル58を通過したこれらの光は、フォトダイオード(PD)55の受光電流として直流成分を検出していた(図7参照)。図8は従来の原子発振器の概略構成を示す図である。従来は上記で説明したように、PD55の受光電流として直流成分を検出して、その電流値をI/V変換器57により電圧に変換して周波数制御手段59に入力していた。しかし、直流成分の変化量は非常に微弱なため、従来から信号のS/N比を高める方策が採られていた。
このCPT方式における原子発振器の従来技術として特許文献1には、小さなガスセルを使用して精度を高めた原子発振器について開示されている。
特開2004−96410公報
FIG. 6A is a schematic diagram illustrating a modulation method of a coherent light source. This modulation method is called a direct modulation method, and a DC power source 51 (direct current) is modulated by a modulation frequency ω m 52 and supplied to a laser diode (LD) 53 to emit light. As a result, when the EIT phenomenon occurs as shown in FIG. 6B, the frequency component of the light 54 produced by directly modulating the LD 53 is 1 / of the frequency that resonates with the carrier frequency ω o and the energy level. The coupling optical frequency ω c and the probe optical frequency ω p detuned by 2 from the carrier frequency ω o are obtained. These lights that passed through the resonance gas cell 58 detected a direct current component as a light receiving current of the photodiode (PD) 55 (see FIG. 7). FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional atomic oscillator. Conventionally, as described above, a DC component is detected as the light receiving current of the PD 55, and the current value is converted into a voltage by the I / V converter 57 and input to the frequency control means 59. However, since the amount of change in the DC component is very weak, measures have conventionally been taken to increase the S / N ratio of the signal.
As a prior art of an atomic oscillator in the CPT system, Patent Document 1 discloses an atomic oscillator that uses a small gas cell to improve accuracy.
JP 2004-96410 A

しかし、特許文献1に開示されている従来の光学系の光強度検出では、ガスセルを小さくしたとき、EITスペクトルの半値全幅を小さくしてQ値を高めるために、コヒーレント光源の光強度を小さくする必要があった。しかし、光強度を小さくするとEIT信号のレベルも相対的に小さくなるため、S/N比が劣化するといった問題がある。
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、光検出器で検出した信号に含まれる差周波ビート成分を検出可能な回路構成とすることにより、光強度を小さくしてEITスペクトルの半値全幅を小さくしてQ値を高めると共に、S/N比を高めて高精度で低消費電力の原子発振器を提供することを目的とする。
However, in the light intensity detection of the conventional optical system disclosed in Patent Document 1, when the gas cell is reduced, the light intensity of the coherent light source is reduced in order to reduce the full width at half maximum of the EIT spectrum and increase the Q value. There was a need. However, if the light intensity is decreased, the level of the EIT signal is also relatively decreased, which causes a problem that the S / N ratio is deteriorated.
The present invention has been made in view of the above problems, and has a circuit configuration capable of detecting a difference frequency beat component included in a signal detected by a photodetector, thereby reducing the light intensity and reducing the half value of the EIT spectrum. An object is to provide an atomic oscillator with high accuracy and low power consumption by increasing the Q value by reducing the overall width and increasing the S / N ratio.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例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であって、前記各共鳴光を出射するコヒーレント光源と、該コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に前記各共鳴光を通過させるガスセルと、該ガスセルを通過した光を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された受光電流に含まれる差周波ビート成分を検出するビート成分検出手段と、該ビート成分検出手段により検出された差周波ビート成分の振幅レベルを検波する検波手段と、を備えたことを特徴とする。
[Application Example 1]
An atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic by a quantum interference effect when two types of resonant light as coherent light having different wavelengths are incident, and a coherent light source that emits each of the resonant lights; A gas cell which is disposed on the emission side of the coherent light source and encloses gaseous metal atoms, allows the resonance light to pass through the metal atom gas, and a light detection means for detecting light passing through the gas cell; and Beat component detection means for detecting a difference frequency beat component included in the light receiving current detected by the light detection means, and detection means for detecting the amplitude level of the difference frequency beat component detected by the beat component detection means. It is characterized by that.

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3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、本発明の原子発振器は、光検出手段により検出された電流に含まれる差周波ビート成分を検出して、この差周波ビート成分の振幅レベルを検波することによりEIT信号を得る。これにより、光強度を小さくしてEITスペクトルの半値全幅を小さくしてQ値を高めると共に、S/N比を高めて、発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。   The atomic oscillator of the present invention utilizes the quantum interference effect of coherent light such as laser light. In this method, two ground levels are simultaneously irradiated in a three-level system (for example, a Λ-type three-level system) in which two ground levels receive resonant light and are resonantly coupled with a common excitation level. Is exactly equal to the energy difference between the ground level 1 and the ground level 2, the three-level system becomes a superposition state of the two ground levels, and the excitation to the excitation level 3 stops. CPT uses this principle to detect and use a state in which light absorption in the gas cell stops when the wavelength of one or both of the two resonance lights is changed. The atomic oscillator of the present invention detects the difference frequency beat component included in the current detected by the light detection means, and obtains the EIT signal by detecting the amplitude level of the difference frequency beat component. As a result, the light intensity can be reduced, the full width at half maximum of the EIT spectrum can be reduced to increase the Q value, and the S / N ratio can be increased to increase the accuracy of the oscillation frequency and reduce the power consumption.

[適用例2]
前記ビート成分検出手段は、前記コヒーレント光源を変調する周波数帯域内で動作可能なI/V変換器及び増幅器により構成されていることを特徴とする。
[Application Example 2]
The beat component detection means includes an I / V converter and an amplifier that can operate in a frequency band for modulating the coherent light source.

光検出手段は一般的に光の強度により受光電流値が変化するフォトダイオードが多く使用される。また、この受光電流中の変調マイクロ波周波数成分を検出するためには、マイクロ波で動作することが要求される。そこで本発明では、マイクロ波周波数成分の電流を検出し電圧に変換するI/V変換器と増幅器により構成する。これにより、簡単な回路構成で光検出手段により検出された差周波ビート成分を検出することができる。   As the light detecting means, a photodiode whose light receiving current value varies depending on the light intensity is generally used. In order to detect the modulated microwave frequency component in the light receiving current, it is required to operate with microwaves. In view of this, the present invention is constituted by an I / V converter and an amplifier that detect a current of a microwave frequency component and convert it into a voltage. Thereby, the difference frequency beat component detected by the light detection means can be detected with a simple circuit configuration.

[適用例3]
前記コヒーレント光源は、EITスペクトルの半値全幅を小さくするために、該コヒーレント光源の発光パワーを極力小さくしたことを特徴とする。
[Application Example 3]
The coherent light source is characterized in that the emission power of the coherent light source is reduced as much as possible in order to reduce the full width at half maximum of the EIT spectrum.

本発明は、EIT信号として光検出手段により検出された差周波ビート成分を検出する。差周波ビート成分は、従来の直流成分の変化量に対して大きく変化するためS/N比が大きくなる。これにより、EITスペクトルの半値全幅を小さくしてQ値を高めると共に、発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。   The present invention detects the difference frequency beat component detected by the light detection means as the EIT signal. Since the difference frequency beat component changes greatly with respect to the change amount of the conventional DC component, the S / N ratio increases. Thereby, the full width at half maximum of the EIT spectrum can be reduced to increase the Q value, and the oscillation frequency can be highly accurate and the power consumption can be reduced.

[適用例4]
前記コヒーレント光源を変調する変調方式は、該コヒーレント光源に供給する電流を直接変調する直接変調方式であることを特徴とする。
[Application Example 4]
The modulation method for modulating the coherent light source is a direct modulation method for directly modulating a current supplied to the coherent light source.

直接変調方式は、レーザダイオードを発光させるために供給する直流電流を変調周波数(ωm)により直接変調する方式である。従って、発光するレーザ光のスペクトラム成分として、キャリア光(ωo)と共に、変調周波数ωmだけキャリア周波数ωoより離調したカップリング光(ωc)とプローブ光(ωp)のスペクトルが出射される。本発明では、フォトダイオードにより、ωoとωc及びωoとωpの差周波ビート成分を検出する。そしてキャリア光の光電界振幅Eo、カップリング光の光電界振幅Ec、プローブ光の光電界振幅Epとすると、この時の受光電流の直流成分はEc2+Ep2に比例し、差周波ビート成分はEoEc+EoEpに比例する。これにより、キャリア光のEoがEc、Epより大きい時には差周波ビート成分の方が大きくなる。 The direct modulation method is a method in which a direct current supplied for causing a laser diode to emit light is directly modulated by a modulation frequency (ω m ). Accordingly, the spectrum components of the emitted laser beam include the carrier light (ω o ) and the spectrum of the coupling light (ω c ) and the probe light (ω p ) detuned from the carrier frequency ω o by the modulation frequency ω m. Is done. In the present invention, the difference frequency beat components of ω o and ω c and ω o and ω p are detected by the photodiode. If the optical electric field amplitude Eo of the carrier light, the optical electric field amplitude Ec of the coupling light, and the optical electric field amplitude Ep of the probe light, the DC component of the received current at this time is proportional to Ec 2 + Ep 2 , and the difference frequency beat component is It is proportional to EoEc + EoEp. Thereby, when Eo of carrier light is larger than Ec and Ep, the difference frequency beat component becomes larger.

[適用例5]
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。
[Application Example 5]
The coherent light is laser light.

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。   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.

[適用例6]
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。
[Application Example 6]
The gaseous metal atom is rubidium or cesium.

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、ルビジウム原子はマイクロ波遷移周波数が6.8GHzとセシウム原子の9.2GHzに比べ低いため使いやすい。よって、原子発振器の要求性能と利便性を考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。   If cesium atoms are used, a highly accurate atomic oscillator can be realized. In addition, rubidium atoms are easy to use because the microwave transition frequency is lower than 6.8 GHz and 9.2 GHz of cesium atoms. Therefore, any metal atom can be selected in consideration of the required performance and convenience 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要部構成図である。同じ構成要素には図8と同じ参照番号を付して説明する。この原子発振器100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であって、各共鳴光を出射するLD(コヒーレント光源)53と、LD53の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に各共鳴光を通過させる共鳴ガスセル58と、共鳴ガスセル58を通過した光1を検出するPD(光検出手段)55と、PD55により検出された電流に含まれる差周波ビート成分を検出するビート成分検出手段2と、ビート成分検出手段2により検出された差周波ビート成分の振幅レベルを検波する検波手段3と、検波手段3の検波電圧に基づいて水晶発振器60の制御電圧を生成する周波数制御手段59と、周波数制御手段59から生成された制御電圧に基づいて規定の周波数を発振する水晶発振器60と、水晶発振器60の発振周波数を基に合成・逓倍して生成した変調周波数ωmによりLD(コヒーレント光源)53の駆動電流を変調する変調手段61と、を備えて構成されている。尚、本発明の主旨は、原子発振器の光検出方法にあるので、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 atomic oscillator according to an embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. This atomic oscillator 100 is an atomic oscillator 100 that controls the oscillation frequency by utilizing the light absorption characteristics due to the quantum interference effect when two types of resonant light as coherent light having different wavelengths are incident. An emitted LD (coherent light source) 53, a resonance gas cell 58 that is disposed on the emission side of the LD 53 and encloses gaseous metal atoms and allows each resonance light to pass through the metal atom gas, and light that has passed through the resonance gas cell 58 PD (light detection means) 55 for detecting 1, beat component detection means 2 for detecting a difference frequency beat component included in the current detected by the PD 55, and difference frequency beat component detected by the beat component detection means 2 Detection means 3 for detecting the amplitude level, frequency control means 59 for generating a control voltage of the crystal oscillator 60 based on the detection voltage of the detection means 3, A crystal oscillator 60 for oscillating a frequency defined based on a control voltage generated from the wave number control unit 59, the modulation frequency omega m produced by synthesis and multiplication based on the oscillation frequency of the crystal oscillator 60 LD (coherent light source) And modulation means 61 for modulating 53 drive currents. Since the gist of the present invention is the optical detection method of the atomic oscillator, a detailed description of the frequency control of the atomic oscillator is omitted.

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。更に図2を参照して詳細に説明する。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Iと電子の全角運動量Jとの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。尚、この光吸収が停止する状態でガスセル6を通過する透過光をEIT信号と呼ぶ。   That is, the atomic oscillator 100 of this embodiment uses quantum interference of coherent light such as laser light. In this system, in a system in which two ground levels receive resonance light and are resonantly coupled with a common excitation level, the frequencies of the two resonance lights irradiated simultaneously are precisely the ground level 1 and the ground level. When the energy difference of level 2 coincides, the atom is in a superposition state of two ground levels, and excitation to excitation level 3 stops. CPT uses this principle to detect and use a state in which light absorption in the gas cell stops when the wavelength of one or both of the two resonance lights is changed. Further details will be described with reference to FIG. 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 interaction between the nuclear spin I and the total angular momentum J of the electrons. 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 excitation level 21 stops. The CPT utilizes this principle to absorb light in the gas cell 3 (that is, to the excitation level 21) when the wavelength of one or both of the resonant light 1 (20) and the resonant light 2 (22) is changed. This is a method of detecting and using a state where the conversion is stopped. The transmitted light that passes through the gas cell 6 in a state where the light absorption is stopped is called an EIT signal.

即ち、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。
そして、本発明の原子発振器100は、PD55により検出された電流に含まれる差周波ビート成分をビート成分検出手段2により検出して、この差周波ビート成分の振幅レベルを検波手段3により検波することによりEIT信号を得る。これにより、光強度を小さくしてEITスペクトルの半値全幅を小さくしてQ値を高めると共に、S/N比を高めて、高精度化と低消費電力化を実現することができる。
That is, 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.
The atomic oscillator 100 of the present invention detects the difference frequency beat component included in the current detected by the PD 55 by the beat component detection means 2 and detects the amplitude level of the difference frequency beat component by the detection means 3. To obtain an EIT signal. As a result, the light intensity can be reduced, the full width at half maximum of the EIT spectrum can be reduced to increase the Q value, and the S / N ratio can be increased to achieve high accuracy and low power consumption.

図3は本発明のビート成分検出手段の回路構成の一例を示す図である。このビート成分検出手段2は、LD53を変調する周波数帯域内で動作可能なI/V変換器4及び増幅器5により構成されている。即ち、光検出手段は一般的に光の強度により受光電流値が変化するフォトダイオードが多く使用される。また、この受光電流中の変調マイクロ波周波数成分を検出するためには、マイクロ波で動作することが要求される。そこで本実施形態では、マイクロ波周波数成分の電流を検出し電圧に変換するI/V変換器4と増幅器5により構成する。これにより、簡単な回路構成でPD55により検出された差周波ビート成分を検出することができる。   FIG. 3 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the beat component detecting means of the present invention. The beat component detecting means 2 is constituted by an I / V converter 4 and an amplifier 5 that can operate within a frequency band for modulating the LD 53. That is, as the light detection means, a photodiode whose light receiving current value varies depending on the light intensity is generally used. In order to detect the modulated microwave frequency component in the light receiving current, it is required to operate with microwaves. Therefore, in the present embodiment, the I / V converter 4 and the amplifier 5 are configured to detect the current of the microwave frequency component and convert it into a voltage. Thereby, the difference frequency beat component detected by the PD 55 can be detected with a simple circuit configuration.

図4は本発明の原子発振器の光検出方法を説明する図である。比較のために、従来の直流成分による特性を図4(a)、(b)に示す。直接変調方式は、図6で説明したとおり、レーザダイオード53を発光させるDC電源51(直流電流)を変調周波数(ωm)により直接変調する方式である。従って、発光するレーザ光のスペクトラム成分として、図6(b)に示すように、キャリア光(ωo)と共に、変調周波数ωmだけキャリア周波数ωoより離調したカップリング光(ωc)とプローブ光(ωp)のスペクトルが生成される。本発明では、ωoとωc及びωoとωpの差周波ビート成分を検出する。この時キャリア光の光電界振幅Eo、カップリング光の光電界振幅Ec、プローブ光の光電界振幅Epとすると、フォトダイオード55により検出された受光電流の直流成分は図4(a)に示すように、Ec2+Ep2に比例し、差周波ビート成分は図4(c)に示すように、EoEc+EoEpに比例する。これにより、レーザダイオード53から出射される光強度が小さく、かつキャリア光Eoに比べてカップリング光Ecとプローブ光Epが小さい時、直流成分は共鳴した場合の受光電流値(Ec2+Ep2)(図4(a))と、共鳴しない場合の受光電流値(図4(b))のレベル差が小さいが、差周波ビート成分は共鳴した場合の受光電流値(EoEc+EoEp)(図4(c))と、共鳴しない場合の受光電流値(図4(d))のレベル差が大きくなる。即ち、EIT信号としてPD55により生成された差周波ビート成分を検出すれば、S/Nを高くすることができる。差周波ビート成分は、従来の直流成分の変化量に対して大きく変化するためS/N比が大きくなるので光強度を小さくすることができ、そのため光強度を小さくしてEIT信号の半値全幅を小さくしてQ値を高めることが可能となる。これにより、EIT信号の半値全幅を小さくしてQ値を高めると共に、S/Nの向上により発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。 FIG. 4 is a diagram for explaining the light detection method of the atomic oscillator of the present invention. For comparison, the characteristics of the conventional DC component are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). The direct modulation method is a method of directly modulating the DC power source 51 (direct current) for causing the laser diode 53 to emit light with the modulation frequency (ω m ) as described with reference to FIG. Accordingly, as shown in FIG. 6 (b), as the spectral component of the emitted laser light, the coupling light (ω c ) detuned from the carrier frequency ω o by the modulation frequency ω m together with the carrier light (ω o ). A spectrum of the probe light (ω p ) is generated. In the present invention, the difference frequency beat components of ω o and ω c and ω o and ω p are detected. At this time, assuming that the optical electric field amplitude Eo of the carrier light, the optical electric field amplitude Ec of the coupling light, and the optical electric field amplitude Ep of the probe light, the direct current component of the light receiving current detected by the photodiode 55 is as shown in FIG. in proportional to Ec 2 + Ep 2, difference frequency beat component as shown in FIG. 4 (c), it is proportional to EoEc + EoEp. Thus, when the light intensity emitted from the laser diode 53 is small and the coupling light Ec and the probe light Ep are smaller than the carrier light Eo, the received light current value (Ec 2 + Ep 2 ) when the DC component resonates. Although the level difference between the light reception current value (FIG. 4 (b)) when not resonating (FIG. 4 (a)) and the difference frequency beat component is small, the light reception current value (EoEc + EoEp) (FIG. 4 (c) )) And the level difference between the received light current values (FIG. 4D) when there is no resonance. That is, the S / N can be increased by detecting the difference frequency beat component generated by the PD 55 as the EIT signal. The difference frequency beat component greatly changes with respect to the amount of change of the conventional DC component, so the S / N ratio increases, so that the light intensity can be reduced. Therefore, the full width at half maximum of the EIT signal can be reduced by reducing the light intensity. It is possible to increase the Q value by reducing the size. As a result, the full width at half maximum of the EIT signal can be reduced to increase the Q value, and the S / N can be improved to increase the accuracy of the oscillation frequency and reduce the power consumption.

図5は実際にPDから出力される電流の様子を表す図である。縦軸にPD電流、横軸に時間を表す。この図から明らかなように、変調手段56により変調周波数ωmで変調すると、PD電流の上部にωoとωc及びωoとωpの差周波ビート成分11である変調周波数ωmの成分が現れる。この差周波ビート成分11は従来の回路構成(図8)では直流成分のみ検出していたために増幅器57の周波数帯域が狭く検出されない成分である。従って、増幅器57からは直流成分10のみが現れていた。そこで本発明では、図3のようにマイクロ波帯の周波数帯域を有するI/V変換器4と増幅器5によりこの差周波ビート成分11を検出することができる。そして、ビート成分検出手段2はこの差周波ビート成分11のみを検出し、その振幅レベルを検波手段3により検波することにより、EIT信号を検出することができる。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state of current actually output from the PD. The vertical axis represents PD current and the horizontal axis represents time. As is apparent from this figure, when modulated by the modulation means 56 at the modulation frequency omega m, component of the modulation frequency omega m is the difference frequency beat component 11 of the top of the PD current omega o and omega c and omega o and omega p Appears. The difference frequency beat component 11 is a component in which the frequency band of the amplifier 57 is not detected narrowly because only the DC component is detected in the conventional circuit configuration (FIG. 8). Accordingly, only the DC component 10 appears from the amplifier 57. Therefore, in the present invention, the difference frequency beat component 11 can be detected by the I / V converter 4 and the amplifier 5 having the frequency band of the microwave band as shown in FIG. The beat component detecting means 2 can detect only the difference frequency beat component 11 and detect the EIT signal by detecting the amplitude level by the detecting means 3.

本発明の実施形態に係る原子発振器の要部構成図である。It is a principal part block diagram of the atomic oscillator which concerns on embodiment of this invention. CPT方式による原子の3準位系を説明する図である。It is a figure explaining the 3 level system of an atom by a CPT system. 本発明のビート成分検出手段の回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure of the beat component detection means of this invention. 本発明の原子発振器の光検出方法を説明する図である。It is a figure explaining the optical detection method of the atomic oscillator of this invention. PDで検出された受光電流の様子を表す図である。It is a figure showing the mode of the light reception current detected by PD. コヒーレント光源の変調方式を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the modulation system of a coherent light source. 従来の光学系の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the conventional optical system. 従来の原子発振器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional atomic oscillator.

符号の説明Explanation of symbols

1 透過光、2 ビート成分検出手段、3 検波手段、4 I/V変換器、5 増幅器、53 LD、55 PD、56、57 増幅器、58 共鳴ガスセル、59 周波数制御手段、60水晶発振器、61 変調手段、100 原子発振器   1 transmitted light, 2 beat component detection means, 3 detection means, 4 I / V converter, 5 amplifier, 53 LD, 55 PD, 56, 57 amplifier, 58 resonance gas cell, 59 frequency control means, 60 crystal oscillator, 61 modulation Means, 100 atomic oscillator

Claims (6)

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であって、
前記各共鳴光を出射するコヒーレント光源と、該コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に前記各共鳴光を通過させるガスセルと、該ガスセルを通過した光を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された電流に含まれる差周波ビート成分を検出するビート成分検出手段と、該ビート成分検出手段により検出された差周波ビート成分の振幅レベルを検波する検波手段と、を備えたことを特徴とする原子発振器。
An atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic by a quantum interference effect when two types of resonance light as coherent light having different wavelengths are incident,
A coherent light source that emits each resonance light, a gas cell that is disposed on the emission side of the coherent light source, encloses gaseous metal atoms, and passes the resonance light in the metal atom gas, and passes through the gas cell Light detecting means for detecting the detected light, beat component detecting means for detecting the difference frequency beat component included in the current detected by the light detecting means, and amplitude of the difference frequency beat component detected by the beat component detecting means An atomic oscillator comprising: a detecting means for detecting a level.
前記ビート成分検出手段は、前記コヒーレント光源を変調する周波数帯域内で動作可能なI/V変換器及び増幅器により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。   2. The atomic oscillator according to claim 1, wherein the beat component detecting means includes an I / V converter and an amplifier operable within a frequency band for modulating the coherent light source. 前記コヒーレント光源は、EITスペクトルの半値全幅を小さくするために、該コヒーレント光源の発光パワーを極力小さくしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の原子発振器。   The atomic oscillator according to claim 1 or 2, wherein the coherent light source has a light emission power of the coherent light source made as small as possible in order to reduce the full width at half maximum of the EIT spectrum. 前記コヒーレント光源を変調する変調方式は、該コヒーレント光源に供給する電流を直接変調する直接変調方式である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。   4. The atomic oscillator according to claim 1, wherein the modulation method for modulating the coherent light source is a direct modulation method for directly modulating a current supplied to the coherent light source. 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4の何れか一項に記載の原子発振器。   The atomic oscillator according to claim 1, wherein the coherent light is laser light. 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5の何れか一項に記載の原子発振器。   The atomic oscillator according to any one of claims 1 to 5, wherein the gaseous metal atom is rubidium or cesium.
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