JP2013098607A

JP2013098607A - 原子発振器

Info

Publication number: JP2013098607A
Application number: JP2011236928A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yoshida; 啓之吉田; Koji Chindo; 幸治珎道
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】キャリア光を帯域通過フィルタによって減衰させて、信号検出のＳ／Ｎを改善して周波数安定度を高めた原子発振器を提供する。
【解決手段】の原子発振器１００は、半導体レーザーにより構成されるＬＤ（光源）１と、ＬＤ１に直流電流を与え、ＬＤ１の波長を所定の値に設定する中心波長設定部１３と、アルカリ金属が封止された原子セル２と、アルカリ金属原子を透過したキャリア光（ωｃ）と共に第１の共鳴光（ω１）、及び第２の共鳴光（ω２）のうちいずれか一方の光を減衰させる波長フィルタ１４と、波長フィルタ１４を通過した原子セル２の透過光を検出するＰＤ（光検出器）３と、を備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器に関し、特に、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎを改善した原子発振器に関するものである。

アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるためには、周波数の異なる２つの共鳴光（周波数ω１、ω２）をアルカリ金属原子に照射する必要がある。ＥＩＴ方式による原子発振器は、図４に示すように、第１基底準位３３と第２基底準位３４は準位のエネルギが若干異なるため（ΔＥ１２）、共鳴光もそれぞれ第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の波長ｆ１、ｆ２が若干異なる。同時に照射される第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の周波数差ｆ１−ｆ２（波長の差：ω１−ω２）が正確に第１基底準位３３と第２基底準位３４のエネルギ差ΔＥ１２に一致すると、図４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３０への励起が停止する（ＥＩＴ現象と呼ぶ）。ＥＩＴはこの原理を利用して、第１共鳴光３１と第２共鳴光３２のどちらか、または両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収（つまり励起準位３０への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。

図５は特許文献１に開示されている原子発振器の概略構成を示す図であり、半導体レーザー４０と、アルカリ金属原子を封入した原子セル４１と、原子セル４１を透過した光を検知するフォトダイオード（ＰＤ）４２と、ＰＤ４２で検知した信号を同期制御する制御手段４３と、図示しない電圧制御発振器（ＶＣＯ）の出力信号を逓倍して高周波を発生する高周波発生手段４４と、半導体レーザー４０に直流電流を与え、半導体レーザー４０の波長を所定の値に設定する直流バイアス４６と、それを制御する制御手段４７と、高周波発生手段４４と直流バイアス４６を合成する合成手段４５と、を備えて構成されている。
２つの共鳴光ω１、ω２を一つの半導体レーザー４０から発生させるには、半導体レーザー４０に高周波発生手段４４から高周波信号を入力することにより、半導体レーザー４０の出力信号に周波数変調を与え、２つの共鳴光ω１、ω２に対応する周波数成分を生成するようにしている。

ＵＳ６３２０４７２Ｂ１

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、半導体レーザー４０に周波数変調を与えると、半導体レーザー４０の出力には２つの共鳴光（周波数ω１、ω２）以外の周波数成分（特にキャリア光の成分ωｃが）含まれており（図６（ａ）参照）、この不要な成分がＰＤ４２により検出されて雑音成分となり、Ｓ／Ｎの劣化を招いて原子発振器の周波数安定度を劣化させる要因となっている。
例えば、キャリア光の成分ωｃはアルカリ金属原子と反応（電磁誘起透過現象：ＥＩＴ現象）を起こさずに原子セル４１をそのまま透過し、ＰＤ４２によって検出されてしまう。つまり、キャリア光は電磁誘起透過現象に全く寄与せず、ＰＤ４２の出力信号に雑音成分として重畳されてしまう（図６（ｂ）参照）。

そこで、このキャリア光のみを波長フィルタで除去できれば、雑音成分を除去したＥＩＴ信号を検出することが可能となる。そのためには、原子セル４１の共鳴光が入射する側（半導体レーザー４０（光源）と原子セル４１との間）に狭帯域の帯域除去フィルタを配置する必要がある。しかしながら、キャリア光のみを除去する狭帯域の帯域除去フィルタを実現するのは極めて困難である。なぜならば、キャリア光の成分は周波数的に共鳴光１（ω１）と共鳴光２（ω２）との間に配置されており、また、キャリア光の周波数は共鳴光１、２の周波数に接近しているので、共鳴光１、２の両者を除去せずに（減衰させずに）、キャリア光のみを除去する特性を有するフィルタを実現することは技術的に非常に困難だからである。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、原子セルを透過した共鳴光対（ω１、ω２）のうち、何れか一方が存在すれば、電磁誘起透過現象の発現させることができる点に着目して、原子セルの共鳴光が出射した側に広帯域の帯域通過フィルタを配置して、一方の共鳴光のみを通過させて、他方の共鳴光とキャリア光を減衰させることにより、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎを改善して周波数安定度を高めた原子発振器を提供することを目的とする。

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。

［適用例１］アルカリ金属原子が封入された原子セルと、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための第１の共鳴光、及び第２の共鳴光とキャリア光とを少なくとも含む光を前記アルカリ金属原子に照射する光源と、前記アルカリ金属原子を透過した前記キャリア光と共に前記第１の共鳴光及び前記第２の共鳴光のうちいずれか一方の光を減衰させるフィルタと、前記フィルタから出力された光を検出する光検出手段と、前記光検出手段の出力信号に基づき、前記アルカリ金属原子に前記電磁誘起透過現象を発現させるように、前記第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

光源から照射された光には、２つの共鳴光とキャリア光が存在する。この中で、２つの共鳴光は電磁誘起透過現象を発現させるためには必要な光であるが、キャリア光は全く電磁誘起透過現象の発現には寄与しない光である。しかし、キャリア光は原子セルをそのまま透過してしまうため、雑音成分となり、Ｓ／Ｎの劣化を招いて原子発振器の周波数安定度を劣化させる要因となっている。ここで注目すべきは、光源から照射された光には必ず２つの共鳴光が必要であるが、原子セルから透過した光には、２つの共鳴光の何れか一方が存在すれば、電磁誘起透過現象の発現させることができる点である。本発明では、この点に着目して、一方の共鳴光のみを通過させて、他方の共鳴光とキャリア光を減衰させるフィルタを光検出手段の前に設置して、Ｓ／Ｎを改善して原子発振器の周波数安定度を高めるものである。

［適用例２］前記フィルタは、所定の波長帯域を有する光を通過させる帯域通過フィルタ、又は所定の長波長帯域の光を通過させる長波長通過フィルタ、又は所定の短波長帯域の光を通過させる短波長通過フィルタの何れかであることを特徴とする。

キャリア光を減衰して何れか一方の共鳴光を取り出すためには、何れかの共鳴光の波長に通過特性を持たせた帯域通過フィルタか、波長の長い方の共鳴光を通過させる長波長通過フィルタか、或いは波長の短い方の共鳴光を通過させる短波長通過フィルタを形成する。尚、これらフィルタのオクターブ特性は、さほど急峻にする必要はなく、隣接するキャリア周波数の一部が通過しても構わない。これにより、安価なフィルタによりキャリア光と何れか一方の共鳴光を有効に減衰させることができる。

本発明の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。（ａ）は、ω２を通過させるためのフィルタの一例を示す図、（ｂ）は、ω１を通過させるためのフィルタの一例を示す図である。（ａ）は、図２（ａ）の特性を有するフィルタによりＰＤで検出された各波長ごとのスペクトラム強度をグラフにした図、（ｂ）は、図２（ｂ）の特性を有するフィルタによりＰＤで検出された各波長ごとのスペクトラム強度をグラフにした図である。ＥＩＴ方式の原理を説明する図である。特許文献１に開示されている原子発振器の構成を示すブロック図である。（ａ）（ｂ）は、図５の原子セルから透過する光のスペクトラムを示す図である。

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構成を示す図である。この原子発振器１００は、半導体レーザーにより構成されるＬＤ（光源）１と、ＬＤ１に直流電流を与え、ＬＤ１の波長を所定の値に設定する中心波長設定部１３と、アルカリ金属が封止された原子セル２と、アルカリ金属原子を透過したキャリア光（ωｃ）と共に第１の共鳴光（ω１）、及び第２の共鳴光（ω２）のうちいずれか一方の光を減衰させる波長フィルタ１４と、波長フィルタ１４を通過した原子セル２の透過光を検出するＰＤ（光検出器）３と、ＰＤ３の電流出力を増幅し電圧に変換するＡＭＰ４と、ＡＭＰ４に含まれる低周波信号（１１１Ｈｚ）と低周波発振器８の信号を同期検波し、誤差電圧を生成する乗算器５と、乗算器５の出力に含まれる交流成分を除去するフィルタ６と、乗算器５に入力される二つの信号間の位相差を０度にする位相回路７と、約１１１Ｈｚの低周波信号を出力する低周波発振器８と、同期制御部１６からの制御信号に従い、出力周波数が制御される電圧制御水晶発振器９と、電圧制御水晶発振器９の出力信号（原子発振器出力１５）を低周波発信器８の出力信号にて位相変調する位相変調部１０と、位相変調部１０の出力信号を逓倍し、４．５９６ＧＨｚのマイクロ波信号を生成するＰＬＬ（逓倍回路）１１と、を備えて構成される。
尚、電圧制御水晶発振器９の周波数を制御する制御信号を生成する同期制御部１６は、乗算器５、フィルタ６、位相回路７、及び低周波発振器８により構成される。

次に本発明に係る原子発振器１００の動作について説明する。まず装置の電源をＯＮすると、ＰＤ３の出力が最小となるように中心波長設定部１３がＬＤ１の中心波長を設定する。次に、ＰＬＬ１１の出力信号をＬＤ１に印加し、ＬＤ１にサイドバンド成分を発生させる（第１共鳴光（ω１）、第２共鳴光（ω２）の成分を発生）。このとき、ＰＬＬ１１の出力はフリーランの状態にあるが、ほぼ４．５９６ＧＨｚ（共鳴周波数の約１／２）の周波数を維持する（電圧制御水晶発振器９の周波数は安定している）。ＰＬＬ１１の出力がほぼ４．５９６ＧＨｚにあるとき、ＡＭＰ４の出力にＥＩＴ信号が出力される。尚、本実施形態では、波長フィルタ１４によりキャリア光と何れか一方の共鳴光が減衰されているので、雑音成分であるキャリア光の周波数成分（ωｃ）のレベルは抑制されて、Ｓ／Ｎが大きいＥＩＴ信号を得ることができる。

このとき、ＰＬＬ１１の出力信号には１１１Ｈｚの位相変調がかかっているため、ＬＤ１にも位相変調がかかり（第１共鳴光、又は第２共鳴光の波長がそれぞれ１１１Ｈｚの周期で変化）、ＡＭＰ４の出力は、何れか一方の共鳴光が１１１Ｈｚ周期で脈動する。アンロック（非同期）状態では、ＰＬＬ１１の出力周波数が共鳴周波数の１／２にロックされていないため、ＡＭＰ４の出力において低周波発振器８の成分（１１１Ｈｚ）のみ発生する。そこで、ＡＭＰ４の出力において低周波発振器８（１１１Ｈｚ）の２倍の成分（２２２Ｈｚ）が最少になるようにフィードバック制御され、ＰＬＬ１１の出力信号の周波数が共鳴周波数の１／２に正確にロックされる。

以上のとおり、ＬＤ１から照射された光には、２つの共鳴光ω１、ω２とキャリア光ωｃが存在する。この中で、２つの共鳴光ω１、ω２はＥＩＴを発現させるためには必要な光であるが、キャリア光ωｃは全くＥＩＴの発現には寄与しない光である。しかし、キャリア光ωｃは原子セル２をそのまま透過してしまうため、雑音成分となり、Ｓ／Ｎの劣化を招いて原子発振器１００の周波数安定度を劣化させる要因となっている。ここで注目すべきは、ＬＤ１から照射された光には必ず２つの共鳴光ω１、ω２が必要であるが、原子セル２から透過した光には、２つの共鳴光ω１、ω２の何れか一方が存在すれば、ＥＩＴを発現させることができる点である。本実施形態では、この点に着目して、原子セル２を透過した共鳴光の何れか一方とキャリア光ωｃを減衰させる波長フィルタ１４を、ＰＤ３の前に設置してＳ／Ｎを改善して原子発振器１００の周波数安定度を高めるものである。

図２は本発明の波長フィルタの減衰特性を説明する図である。縦軸に減衰量を示し、横軸に周波数を示す。図の縦軸の減衰量は、下に行くほど大きくなることを表している。図２（ａ）は、ω２を通過させるためのフィルタの一例である。符号２０の特性は、ω１を減衰させて、ωｃをある程度減衰させω２はほとんど減衰させない特性を有している。このような特性のフィルタは比較的容易に且つ安価に構成することができる。符号２１の特性は、ω１とωｃを同じレベルで減衰させて、ω２はほとんど減衰させない特性を有している。このような特性のフィルタは減衰特性をフィルタ２０に比べて急峻にしたもので、フィルタ２０より部品点数が増加するが、特性的には符号２０より優れている。

図２（ｂ）は、ω１を通過させるためのフィルタの一例である。符号２２の特性は、ω２を減衰させて、ωｃをある程度減衰させω１はほとんど減衰させない特性を有している。このような特性のフィルタは比較的容易に且つ安価に構成することができる。符号２３の特性は、ω２とωｃを同じレベルで減衰させて、ω１はほとんど減衰させない特性を有している。このような特性のフィルタは減衰特性を符号２２に比べて急峻にしたもので、符号２２の特性を有するフィルタより部品点数が増加するが、特性的には符号２２より優れている。

図３は、図２の特性を有するフィルタによりＰＤで検出された各波長ごとのスペクトラム強度をグラフにした図である。図３（ａ）は、図２（ａ）の特性を有するフィルタによりＰＤで検出された各波長ごとのスペクトラム強度をグラフにした図である。この図から明らかなとおり、符号２０の特性のフィルタを使用した場合は、ω１はほとんど減衰されて強度が低下し、ωｃは符号２４のレベルまで減衰され、ω２は殆ど減衰されていないのが分る。また、図２（ａ）の符号２１の特性のフィルタを使用した場合は、ω１は同じであるが、ωｃが符号２５のようにω１と同じレベルまで減衰されているのが分る。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）の特性を有するフィルタによりＰＤで検出された各波長ごとのスペクトラム強度をグラフにした図である。この図から明らかなとおり、符号２２の特性のフィルタを使用した場合は、ω２はほとんど減衰されて強度が低下し、ωｃは符号２６のレベルまで減衰され、ω１は殆ど減衰されていないのが分る。また、図２（ｂ）の符号２３の特性のフィルタを使用した場合は、ω２は同じであるが、ωｃが符号２７のようにω２と同じレベルまで減衰されているのが分る。

以上に説明のとおり、原子セルを透過したキャリア光を減衰させるフィルタを光検出手段の前に設置してＳ／Ｎを改善することにより、原子発振器の周波数安定度を高めることができる。
また、キャリア光を減衰して何れか一方の共鳴光を取り出すためには、何れかの共鳴光の周波数に通過特性を持たせた帯域通過フィルタか、周波数の低い方の共鳴光を通過させる低域通過フィルタか、或いは周波数に高い方の共鳴光を通過させる高域通過フィルタを形成するので、安価なフィルタによりキャリア光を有効に減衰させることができる。

１ＬＤ、２原子セル、３ＰＤ、４ＡＭＰ、５乗算器、６フィルタ、７位相回路、８低周波発振器、９電圧制御水晶発振器、１０位相変調部、１１ＰＬＬ、１３中心波長設定部、１４波長フィルタ、２０〜２３フィルタ減衰特性、２４〜２７波長スペクトラム、１００原子発振器

Claims

アルカリ金属原子が封入された原子セルと、
前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための第１の共鳴光、及び第２の共鳴光とキャリア光とを少なくとも含む光を前記アルカリ金属原子に照射する光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した前記キャリア光と共に前記第１の共鳴光及び前記第２の共鳴光のうちいずれか一方の光を減衰させるフィルタと、
前記フィルタから出力された光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の出力信号に基づき、前記アルカリ金属原子に前記電磁誘起透過現象を発現させるように、前記第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする原子発振器。
前記フィルタは、所定の波長帯域を有する光を通過させる帯域通過フィルタ、又は所定の長波長帯域の光を通過させる長波長通過フィルタ、又は所定の短波長帯域の光を通過させる短波長通過フィルタの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。