JP2013143498A - 原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】交換コストの低減が可能な原子発振器用の光学モジュールを提供する。
【解決手段】光学モジュール１は、量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、異なる２つの波長を有する第１共鳴光Ｌ１を出射する第１光源部１２と、アルカリ金属原子が封入されたガスセル２と、ガスセル２を透過した第１共鳴光Ｌ１の強度を検出する第１光検出部１４と、第１光源部１２が故障しているか否かを判定する判定部４０と、判定部４０によって、第１光源部１２が故障していると判定された場合に、異なる２つの波長を有する第２共鳴光Ｌ２を、ガスセル２に照射する第２光源部２２と、ガスセル２を透過した第２共鳴光Ｌ２の強度を検出する第２光検出部２４と、を含み、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長と、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長とは、等しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器に関する。

近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案され、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長（周波数）を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。

原子発振器は、高精度な発振器として、通信基地局などで広く用いられている。このような通信基地局などでは、高い信頼性が要求されるため、予備の原子発振器を複数備え、故障した場合には、すぐに代替機に切り換えるシステムが組まれている。

しかしながら、上記のような代替機に切り換えるシステムでは、原子発振器を構成する部材の一部が故障したとしても、原子発振器全体を交換する必要があり、交換コストがかかるという問題がある。

例えば、特許文献１に開示された原子発振器用の光学モジュールでは、ガスセルとヒーターとを一体に構成したガスセルコンポーネントを挿抜可能とするホルダーを備えることにより、ガスセルの交換を可能にして、交換コストを低減している。

特開２００９−２３１６８８号公報

しかしながら、特許文献１の原子発振器用の光学モジュールでは、光源が故障した場合には、対応できないという問題がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、交換コストの低減が可能な原子発振器用の光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記原子発振器用の光学モジュールを有する原子発振器を提供することにある。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
異なる２つの波長を有する第１共鳴光を出射する第１光源部と、
アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第１共鳴光の強度を検出する第１光検出部と、
前記第１光源部が故障しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって、前記第１光源部が故障していると判定された場合に、異なる２つの波長を有する第２共鳴光を、前記ガスセルに照射する第２光源部と、
前記ガスセルを透過した前記第２共鳴光の強度を検出する第２光検出部と、
を含み、
前記ガスセルにおける前記第１共鳴光の光路長と、前記ガスセルにおける前記第２共鳴光の光路長とは、等しい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、第１光源部が故障していると判定された場合に、第２光源部がガスセルに共鳴光を照射することができる。したがって、第１光源部が故障しても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、交換コストを低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルの形状は、多面体であってもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、第１光源部が故障しても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、交換コストを低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルは、
第１面と、
前記第１面に対向する第２面と、
第３面と
前記第３面に対向する第４面と、
を有し、
前記第１面と前記第２面との間の距離と、前記第３面と前記第４面との間の距離とは、等しく、
前記第１共鳴光は、前記第１面に入射し、
前記第１光検出部は、前記第２面から射出された前記第１共鳴光を検出し、
前記第２共鳴光は、前記第３面に入射し、
前記第２光検出部は、前記第４面から射出された前記第２共鳴光を検出してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、ガスセルにおける第１共鳴光の光路長と、ガスセルにおける第２共鳴光の光路長とを、容易に等しくすることができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１共鳴光は、前記第１面に対して垂直に入射し、
前記第２共鳴光は、前記第３面に対して垂直に入射してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、例えば、ガスセルに反射防止膜を設ける場合に、反射防止膜の設計が容易になる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルの形状は、直方体であり、
前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射し、
前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、アルカリ金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルの形状は、円柱であってもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、例えば、ガスセルの形状が直方体の場合と比べて、第１光源部、第１光検出部、第２光源部、および第２光検出部の配置の自由度が高い。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１共鳴光は、前記ガスセルの側面に入射し、
前記第２共鳴光は、前記ガスセルの側面に入射してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、ガスセルにおける第１共鳴光の光路長と、ガスセルにおける第２共鳴光の光路長とを、容易に等しくすることができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心軸と直交するように前記ガスセルに入射し、
前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心軸と直交するように前記ガスセルに入射してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、アルカリ金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルの形状は、球体であってもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、例えば、ガスセルの形状が直方体の場合と比べて、第１光源部、第１光検出部、第２光源部、および第２光検出部の配置の自由度が高い。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射し、
前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、アルカリ金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記判定部は、前記第１光検出部で検出された前記第１共鳴光の強度に基づいて、判定を行ってもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、故障を判定するための付加構成を設けずに、簡易な構成により故障を判定することができる。

本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含む。

このような原子発振器によれば、本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含むため、交換コストを低減することができる。

第１実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。 図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を示す図、図２（Ｂ）は光源部で発生する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。 第１実施形態に係る原子発振器の処理のフローチャートの一例を示す図。 第１実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。 第１実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す斜視図。 第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す斜視図。 第３実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
まず、第１実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器１００の機能ブロック図である。

原子発振器１００は、量子干渉効果（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。原子発振器１００は、光学モジュール１と、制御部１０１と、を含んで構成されている。

光学モジュール１は、第１の光学系１０と、第２の光学系２０と、第３の光学系３０と、判定部４０と、駆動信号切替部５０と、光検出切替部５２と、を含んで構成されている。

光学モジュール１では、判定部４０によって第１の光学系１０の第１光源部１２が故障していると判定された場合、第２の光学系２０の第２光源部２２が第２共鳴光Ｌ２をガスセル２に照射して、ガスセル２を透過した第２共鳴光Ｌ２を第２光検出部２４が検出する。また、判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合、第３の光学系３０の第３光源部３２が第３共鳴光Ｌ３をガスセル２に照射して、ガスセル２を透過した第３共鳴光Ｌ３を第３光検出部３４が検出する。なお、図１は、第１の光学系１０を用いている状態（第１光源部１２が第１共鳴光Ｌ１を出射している状態）を示している。

第１の光学系１０は、第１光源部１２と、ガスセル２と、第１光検出部１４と、を含んで構成されている。

第１光源部１２は、異なる２つの波長を有する第１共鳴光Ｌ１を出射する。第１光源部１２において発生する第１共鳴光Ｌ１は、中心周波数ｆ_０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ_０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２と、を含む（図２参照）。

ガスセル２は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。ガスセル２は、第１の光学系１０、第２の光学系２０、および第３の光学系３０に共通の部材である。

第１光検出部１４は、ガスセル２を透過した第１共鳴光Ｌ１の強度を検出する。

第２の光学系２０は、第２光源部２２と、ガスセル２と、第２光検出部２４と、を含んで構成されている。

第２光源部２２は、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定された場合に、異なる２つの波長を有する第２共鳴光Ｌ２を、ガスセル２に照射する。第２光源部２２において発生する第２共鳴光Ｌ２は、第１共鳴光Ｌ１と同様に、周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１と、周波数ｆ_１＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。ここで、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長と、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長とは、等しい。なお、ガスセル２における光路長とは、各共鳴光がガスセル２内を進む光軸上の距離である。

第２光検出部２４は、ガスセル２を透過した第２共鳴光Ｌ２の強度を検出する。

第３の光学系３０は、第３光源部３２と、ガスセル２と、第３光検出部３４と、を含んで構成されている。

第３光源部３２は、判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合に、異なる２つの波長を有する第３共鳴光Ｌ３を、ガスセル２に照射する。第３光源部３２において発生する第３共鳴光Ｌ３は、第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２と同様に、周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１と、周波数ｆ_１＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。ここで、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長、およびガスセル２における第３共鳴光Ｌ３の光路長は、等しい。

第３光検出部３４は、ガスセル２を透過した第３共鳴光Ｌ３の強度を検出する。

判定部４０は、第１光検出部１４で検出された第１共鳴光Ｌ１の強度に基づいて、第１光源部１２が故障しているか否かの判定を行う。また、判定部４０は、第２光検出部２４で検出された第２共鳴光Ｌ２の強度に基づいて、第２光源部２２が故障しているか否かの判定を行う。

例えば、判定部４０は、第１共鳴光Ｌ１の強度が所定の閾値よりも小さい場合、第１光源部１２が故障したと判定する。また、判定部４０は、第１共鳴光Ｌ１の強度が所定の閾値以上の場合、第１光源部１２が故障していないと判定する。判定部４０は、第１光源部１２が故障していないと判定した場合、引き続き、第１光検出部１４で検出された第１共鳴光Ｌ１の強度に基づいて判定を行う。

また、例えば、判定部４０は、第２共鳴光Ｌ２の強度が所定の閾値よりも小さい場合、第２光源部２２が故障したと判定する。また、判定部４０は、第２共鳴光Ｌ２の強度が所定の閾値以上の場合、第２光源部２２が故障していないと判定する。判定部４０は、第２光源部２２が故障していないと判定した場合、引き続き、第２光検出部２４で検出された第２共鳴光Ｌ２の強度に基づいて判定を行う。

なお、上述の通り、光源部が故障しているか否かの判定とは、光源部が所定の強度以上の共鳴光を出射しているか否かの判定である。換言すれば、所定の強度以上の共鳴光を出射できなくなった光源部は、故障と判定される。上述の例では、ガスセル２を透過した各共鳴光の強度を各検出部で検出して判定を行なっているが、各検出部と別に設けた光検出器によってガスセル２に入射する前の各共鳴光を検出して判定しても良い。また、光源部の異常を検知できれば、共鳴光の強度を検出する以外の方法を用いて故障の判定を行なっても良い。例えば、各光源部にかかる電流値や電圧値の異常を検知することで、故障を判定することができる。

駆動信号切替部５０は、判定部４０の判定結果に基づいて、光源部１２，２２，３２と制御部１０１を選択的に接続する。具体的には、駆動信号切替部５０は、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定されるまで、図１に示すように、第１光源部１２と制御部１０１とを接続する。これにより、制御部１０１の出力信号（駆動信号）は、第１光源部１２に入力される。その後、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定された場合、駆動信号切替部５０は、第１光源部１２から第２光源部２２に接続を切り換えて、第２光源部２２と制御部１０１とを接続する。これにより、駆動信号は、第２光源部２２に入力される。その後、判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合、駆動信号切替部５０は、第２光源部２２から第３光源部３２に接続を切り換えて、第３光源部３２と制御部１０１とを接続する。これにより、駆動信号は、第３光源部３２に入力される。

光検出切替部５２は、判定部４０の判定結果に基づいて、光検出部１４，２４，３４と制御部１０１とを選択的に接続する。具体的には、光検出切替部５２は、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定されるまで、図１に示すように、第１光検出部１４と制御部１０１とを接続する。これにより、第１光検出部１４の出力信号が、制御部１０１に入力される。その後、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定された場合、光検出切替部５２は、第１光検出部１４から第２光検出部２４に接続を切り換えて、第２光検出部２４と制御部１０１とを接続する。これにより、第２光検出部２４の出力信号が、制御部１０１に入力される。その後、判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合、光検出切替部５２は、第２光検出部２４から第３光検出部３４に接続を切り換えて、第３光検出部３４と制御部１０１とを接続する。これにより、第３光検出部３４の出力信号が、制御部１０１に入力される。

制御部１０１は、光検出部１４，２４，３４の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル２に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。制御部１０１は、光検出部１４，２４，３４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、光源部１２，２２，３２に入力される。具体的には、以下の通りである。

光検出切替部５２によって第１光検出部１４と制御部１０１とが接続されると、制御部１０１は、第１光検出部１４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第１光源部１２に入力される。第１光源部１２は、駆動信号に基づいて所定の周波数ｆ_０を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。

また、光検出切替部５２によって第２光検出部２４と制御部１０１とが接続されると、制御部１０１は、第２光検出部２４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第２光源部２２に入力される。第２光源部２２は、駆動信号に基づいて所定の周波数ｆ_０を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。

また、光検出切替部５２によって第３光検出部３４と制御部１０１とが接続されると、制御部１０１は、第３光検出部３４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第３光源部３２に入力される。第３光源部３２は、駆動信号に基づいて所定の周波数ｆ_０を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。

図２（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。

光源部１２，２２，３２において発生する共鳴光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、図２（Ｂ）に示す、中心周波数ｆ_０（＝ｖ／λ_０：ｖは光の速度、λ_０はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ_０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ_０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ_１は、ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ_２は、ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍである。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ_１と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ_２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１と周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２によってＥＩＴ現象を起こす。

ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位ＧＬ１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ_１）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位ＧＬ２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ_２）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ_１−ｆ_２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ_１−ｆ_２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。

図３は、本実施形態に係る原子発振器１００の処理のフローチャートの一例を示す図である。

駆動信号切替部５０は、第１光源部１２と制御部１０１とを接続する（Ｓ１００）。これにより、駆動信号が第１光源部１２に供給される。第１光源部１２は、この駆動信号を受けて第１共鳴光Ｌ１を出射する。第１共鳴光Ｌ１は、ガスセル２を透過して、第１光検出部１４に入射する。第１光検出部１４は、第１共鳴光Ｌ１の強度を検出する。

光検出切替部５２は、第１光検出部１４と制御部１０１とを接続する（Ｓ１０２）。制御部１０１は、第１光検出部１４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を生成する。この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第１光源部１２に入力される。

なお、光検出切替部５２が、第１光検出部１４と制御部１０１とを接続した後に、駆動信号切替部５０が、第１光源部１２と制御部１０１とを接続してもよい。

判定部４０は、第１共鳴光Ｌ１の強度に基づいて、第１光源部１２が故障しているか否かの判定を行う（Ｓ１０４）。判定部４０は、第１光源部１２が故障していると判定するまで（Ｓ１０６でＹｅｓになるまで）、ステップＳ１０４の判定処理を繰り返し行う。

そして、判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定された場合（Ｓ１０６でＹｅｓ）、駆動信号切替部５０は、第１光源部１２から第２光源部２２に接続を切り換えて、第２光源部２２と制御部１０１とを接続する（Ｓ１０８）。これにより、駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第２光源部２２に入力される。

第２光源部２２は、駆動信号を受けて第２共鳴光Ｌ２を出射する。第２共鳴光Ｌ２は、ガスセル２を透過して、第２光検出部２４に入射する。第２光検出部２４は、第２共鳴光Ｌ２を検出する。

判定部４０によって第１光源部１２が故障していると判定された場合（Ｓ１０６でＹｅｓ）、光検出切替部５２は、第１光検出部１４から第２光検出部２４に接続を切り換えて、第２光検出部２４と制御部１０１とを接続する（Ｓ１１０）。制御部１０１は、第２光検出部２４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を生成する。この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第２光源部２２に入力される。

判定部４０は、第２共鳴光Ｌ２の強度に基づいて、第２光源部２２が故障しているか否かの判定を行う（Ｓ１１２）。判定部４０は、第２光源部２２が故障していると判定するまで（Ｓ１１４でＹｅｓになるまで）、ステップＳ１１２の判定処理を繰り返し行う。

そして、判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合（Ｓ１１４でＹｅｓ）、駆動信号切替部５０は、第２光源部２２から第３光源部３２に接続を切り換えて、第３光源部３２と制御部１０１とを接続する（Ｓ１１６）。

第３光源部３２は、駆動信号を受けて第３共鳴光Ｌ３を出射する。第３共鳴光Ｌ３は、ガスセル２を透過して、第３光検出部３４に入射する。第３光検出部３４は、第３共鳴光Ｌ３を検出する。

判定部４０によって第２光源部２２が故障していると判定された場合（Ｓ１１４でＹｅｓ）、光検出切替部５２は、第２光検出部２４から第３光検出部３４に接続を切り換えて、第３光検出部３４と制御部１０１とを接続する（Ｓ１１８）。制御部１０１は、第３光検出部３４の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を生成する。この駆動信号は、駆動信号切替部５０を介して、第３光源部３２に入力される。

例えば、制御部１０１に処理を終了させるための信号が入力されることで、原子発振器１００は処理を終了する。

以下、第１実施形態に係る原子発振器のより具体的な構成について説明する。

図４は、第１実施形態に係る原子発振器１００の構成を示す図である。なお、図４では、第１の光学系１０を用いている状態を示している。

原子発振器１００は、図４に示すように、第１半導体レーザー１１２と、ガスセル２と、第１光検出器１１４と、第２半導体レーザー１２２と、第２光検出器１２４と、第３半導体レーザー１３２と、第３光検出器１３４と、判定回路１４０と、駆動信号切替回路１５０と、光検出切替回路１５２と、第１検波回路１６０と、第１低周波発振器１６２と、電流駆動回路１６４と、第２検波回路１７０と、第２低周波発振器１７２と、検波用変調回路１７４と、変調周波数発生回路１７６と、を含んで構成されている。

半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、例えば、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。面発光型半導体レーザーにおいて発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。なお、半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、端面発光型レーザーであってもよい。

第１半導体レーザー１１２は、第１共鳴光Ｌ１を出射することができる。第１半導体レーザー１１２が出射するレーザー光は、電流駆動回路１６４が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が制御され、変調周波数発生回路１７６の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１６４による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、第１半導体レーザー１１２が出射するレーザー光に変調をかけることができる。これにより、第１半導体レーザー１１２は、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２を含む第１共鳴光Ｌ１を出射することができる。

第２半導体レーザー１２２は、第２共鳴光Ｌ２を出射することができる。上述した第１半導体レーザー１１２の場合と同様に、電流駆動回路１６４による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、第２半導体レーザー１２２が出射するレーザー光に変調をかけることができる。これにより、第２半導体レーザー１２２は、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２を含む第２共鳴光Ｌ２を出射することができる。

第３半導体レーザー１３２は、第３共鳴光Ｌ３を出射することができる。上述した半導体レーザー１１２，１２２の場合と同様に、電流駆動回路１６４による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、第３半導体レーザー１３２が出射するレーザー光に変調をかけることができる。これにより、第３半導体レーザー１３２は、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２を含む第３共鳴光Ｌ３を出射することができる。

ガスセル２は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。このガスセル２に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。

第１光検出器１１４、第２光検出器１２４、第３光検出器１３４は、例えば、フォトダイオードである。

第１光検出器１１４は、ガスセル２を透過した第１共鳴光Ｌ１を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。

第２光検出器１２４は、ガスセル２を透過した第２共鳴光Ｌ２を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。

第３光検出器１３４は、ガスセル２を透過した第３共鳴光Ｌ３を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。

光検出切替回路１５２は、判定回路１４０の判定結果に基づいて、光検出器１１４，１２４，１３４と検波回路１６０，１７０との接続を切り換える。具体的には、光検出切替回路１５２は、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定されるまで、第１光検出器１１４と検波回路１６０，１７０とを接続している。これにより、第１光検出器１１４の出力信号は、検波回路１６０，１７０に入力される。その後、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定された場合、光検出切替回路１５２は、接続を切り換えて、第２光検出器１２４と検波回路１６０，１７０とを接続する。これにより、第２光検出器１２４の出力信号が、検波回路１６０，１７０に入力される。その後、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定された場合、光検出切替回路１５２は、接続を切り換えて、第３光検出器１３４と検波回路１６０，１７０とを接続する。これにより、第３光検出器１３４の出力信号が、検波回路１６０，１７０に入力される。

第１検波回路１６０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第１低周波発振器１６２の発振信号を用いて、光検出切替回路１５２を介して入力された光検出器１１４，１２４，１３４（図示の例では第１光検出器１１４）の出力信号を同期検波する。

電流駆動回路１６４は、第１検波回路１６０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して、レーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）を制御する。なお、第１検波回路１６０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１６４により発生する駆動電流には第１低周波発振器１６２の発振信号（第１検波回路１６０に供給される発振信号と同じ）が重畳される。

駆動信号切替回路１５０は、判定回路１４０の判定結果に基づいて、半導体レーザー１１２，１２２，１３２と、電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４との接続を切り換える。具体的には、駆動信号切替回路１５０は、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定されるまで、第１半導体レーザー１１２と電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４とを接続している。これにより、電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４の出力信号は、第１半導体レーザー１１２に入力される。その後、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定された場合、駆動信号切替回路１５０は、接続を切り換えて、第２半導体レーザー１２２と、電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４とを接続する。これにより、電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４の出力信号が、第２半導体レーザー１２２に入力される。その後、判定回路１４０によって第２半導体レーザー１２２が故障していると判定された場合、駆動信号切替回路１５０は、接続を切り換えて、第３半導体レーザー１３２と電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４とを接続する。これにより、電流駆動回路１６４および検波用変調回路１７４の出力信号は、第３半導体レーザー１３２に入力される。

図４の例では、第１半導体レーザー１１２、ガスセル２、第１光検出器１１４、光検出切替回路１５２、第１検波回路１６０、電流駆動回路１６４、駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が微調整されて安定する。また、判定回路１４０によって第１半導体レーザー１１２が故障していると判定された場合、第２半導体レーザー１２２、ガスセル２、第２光検出器１２４、光検出切替回路１５２、第１検波回路１６０、電流駆動回路１６４、駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が微調整されて安定する。また、判定回路１４０によって第２半導体レーザー１２２が故障していると判定された場合、第３半導体レーザー１３２、ガスセル２、第３光検出器１３４、光検出切替回路１５２、第１検波回路１６０、電流駆動回路１６４、駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が微調整されて安定する。

第２検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第２低周波発振器１７２の発振信号を用いて光検出切替回路１５２を介して入力された光検出器１１４，１２４，１３４（図示の例では第１光検出器１１４）の出力信号を同期検波する。

変調周波数発生回路１７６は、第２検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた変調周波数ｆ_ｍを有する変調信号を発生させる。

この変調信号は、検波用変調回路１７４によって、第２低周波発振器１７２の発振信号（第２検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、検波用変調回路１７４に接続された半導体レーザー１１２，１２２，１３２に供給される。これにより、変調周波数ｆ_ｍをわずかにスイープさせながら第２検波回路１７０による同期検波が行われ、第２検波回路１７０に接続された光検出器１１４，１２４，１３４の出力信号が最大になるように変調周波数ｆ_ｍが微調整される。

図４の例において、第１半導体レーザー１１２が発生させる共鳴光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数差がガスセル２に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて第１光検出器１１４の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、第１半導体レーザー１１２、ガスセル２、第１光検出器１１４、光検出切替回路１５２、第２検波回路１７０、変調周波数発生回路１７６、検波用変調回路１７４、および駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数は極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１００の出力信号（クロック出力）とすることができる。

また、第２の光学系２０を用いた場合には、第２半導体レーザー１２２、ガスセル２、第２光検出器１２４、光検出切替回路１５２、第２検波回路１７０、変調周波数発生回路１７６、検波用変調回路１７４、および駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。

また、第３の光学系３０を用いた場合には、第３半導体レーザー１３２、ガスセル２、第３光検出器１３４、光検出切替回路１５２、第２検波回路１７０、変調周波数発生回路１７６、検波用変調回路１７４、および駆動信号切替回路１５０を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。

判定回路１４０は、変調周波数発生回路１７６の出力信号（変調周波数ｆ_ｍ）に基づいて、半導体レーザー１１２，１２２が故障しているか否かの判定を行う。図示の例では、判定回路１４０は、変調周波数発生回路１７６が発生させる変調周波数ｆ_ｍが、所定の範囲からはずれた場合に、第１半導体レーザー１１２が故障していると判定する。所定の範囲は、例えば、上述したフィードバック制御が良好に行われている場合において、変調周波数ｆ_ｍが変動する範囲である。すなわち、変調周波数ｆ_ｍが所定の範囲からはずれた場合とは、上述したフィードバック制御が破綻した場合ともいえる。第１半導体レーザー１１２が故障して、第１共鳴光Ｌ１の強度が低下した場合、もしくは第１共鳴光Ｌ１が出射されない場合、上述したフィードバック制御では制御することができずに、変調周波数ｆ_ｍが所定の範囲からはずれてしまう。そのため、判定回路１４０は、変調周波数発生回路１７６の出力信号（変調周波数ｆ_ｍ）から、第１半導体レーザー１１２が故障しているか否かの判定ができる。なお、判定回路１４０は、第２半導体レーザー１２２が故障しているか否かを判定する場合についても、第１半導体レーザー１１２の場合と同様の処理を行う。

判定回路１４０は、半導体レーザー１１２，１２２が故障していると判定した場合、判定信号を出力する。この判定信号は、駆動信号切替回路１５０および光検出切替回路１５２に入力される。

なお、半導体レーザーが故障しているか否かの判定方法は、上述した例に限定されない。

半導体レーザー１１２，１２２，１３２、光検出器１１４，１２４，１３４、駆動信号切替回路１５０、光検出切替回路１５２、判定回路１４０は、それぞれ図１に示す光源部１２，２２，３２、光検出部１４，２４，３４、駆動信号切替部５０、光検出切替部５２、判定部４０に対応する。また、第１検波回路１６０、第１低周波発振器１６２、電流駆動回路１６４、第２検波回路１７０、第２低周波発振器１７２、検波用変調回路１７４、変調周波数発生回路１７６で構成される回路は、図１に示す制御部１０１に対応する。

図５は、光学モジュール１を模式的に示す斜視図である。なお、図５では、便宜上、判定回路１４０と、駆動信号切替回路１５０と、光検出切替回路１５２の図示を省略している。

第１の光学系１０を構成する第１半導体レーザー１１２、コリメートレンズ１１３、ガスセル２、第１光検出器１１４は、第１軸Ａ１軸上に配置されている。第２の光学系２０を構成する第２半導体レーザー１２２、コリメートレンズ１２３、ガスセル２、第２光検出器１２４は、第２軸Ａ２軸上に配置されている。第３の光学系３０を構成する第３半導体レーザー１３２、コリメートレンズ１３３、ガスセル２、第３光検出器１３４は、第３軸Ａ３軸上に配置されている。

第１軸Ａ１は、ガスセル２の第１側面２ａの中心、ガスセル２の中心（立方体の中心）、および第２側面２ｂの中心を通る軸である。第２軸Ａ２は、ガスセル２の第３側面２ｃの中心、ガスセル２の中心、およびガスセル２の第４側面２ｄの中心を通る軸である。第３軸Ａ３は、ガスセル２の下面２ｅの中心、ガスセル２の中心、および上面２ｆの中心を通る軸である。第１軸Ａ１、第２軸Ａ２、第３軸Ａ３は、互いにガスセル２の中心（立方体の中心）で直交している。第１軸Ａ１、第２軸Ａ２、第３軸Ａ３は、それぞれ第１共鳴光Ｌ１の光軸、第２共鳴光Ｌ２の光軸、第３共鳴光Ｌ３の光軸に一致する軸である。

ガスセル２の形状は、多面体である。ガスセル２の形状は、図示の例では、直方体（立方体）である。ガスセル２の形状は、六角柱や八角柱等の角柱や、正多面体であってもよい。ガスセル２は、第１側面２ａと、第１側面２ａに対向する第２側面２ｂと、第１側面２ａと第２側面２ｂとを接続する第３側面２ｃと、第３側面２ｃと対向する第４側面２ｄと、下面２ｅと、下面２ｅと対向する上面２ｆと、を有する。ガスセル２では、第１側面２ａと第２側面２ｂとの間の距離と、第３側面２ｃと第４側面２ｄとの間の距離と、下面２ｅと上面２ｆとの間の距離とは、等しい。

第１半導体レーザー１１２は、例えば、第１共鳴光Ｌ１がガスセル２の中心（立方体の中心）を通るように出射する。第１半導体レーザー１１２は、第１共鳴光Ｌ１を、第１側面２ａに対して垂直に入射させる。第１半導体レーザー１１２から出射された第１共鳴光Ｌ１は、第１側面２ａに対して垂直に入射し、ガスセル２の中心を通り、第２側面２ｂから射出される。第１光検出器１１４は、第２側面２ｂから射出された第１共鳴光Ｌ１を検出する。

第２半導体レーザー１２２は、例えば、第２共鳴光Ｌ２がガスセル２の中心を通るように出射する。第２半導体レーザー１２２は、第２共鳴光Ｌ２を、第３側面２ｃに対して垂直に入射させる。第２半導体レーザー１２２から出射された第２共鳴光Ｌ２は、第３側面２ｃに対して垂直に入射し、ガスセル２の中心を通り、第４側面２ｄから射出される。第２光検出器１２４は、第４側面２ｄから射出された第２共鳴光Ｌ２を検出する。

第３半導体レーザー１３２は、例えば、第３共鳴光Ｌ３がガスセル２の中心を通るように出射する。第３半導体レーザー１３２は、第３共鳴光Ｌ３を、下面２ｅに対して垂直に入射させる。第３半導体レーザー１３２から出射された第３共鳴光Ｌ３は、下面２ｅに対して垂直に入射し、ガスセル２の中心を通り、上面２ｆから射出される。第３光検出器１３４は、上面２ｆから射出された第３共鳴光Ｌ３を検出する。

第１の光学系１０は、第１半導体レーザー１１２とガスセル２との間に、第１共鳴光Ｌ１を平行光に変換するためのコリメートレンズ１１３を有していてもよい。また、第２の光学系２０は、第２半導体レーザー１２２とガスセル２との間に、第２共鳴光Ｌ２を平行光に変換するためのコリメートレンズ１２３を有していてもよい。また、第３の光学系３０は、第３半導体レーザー１３２とガスセル２との間に、第３共鳴光Ｌ３を平行光に変換するためのコリメートレンズ１３３を有していてもよい。

第２の光学系２０における各部材（第２半導体レーザー１２２、コリメートレンズ１２３、ガスセル２、第２光検出器１２４）間の距離は、例えば、第１の光学系１０における対応する各部材（第１半導体レーザー１１２、コリメートレンズ１１３、ガスセル２、第１光検出器１１４）間の距離と等しい。また、第３の光学系３０における各部材（第３半導体レーザー１３２、コリメートレンズ１３３、ガスセル２、第３光検出器１３４）間の距離は、例えば、第１の光学系１０における対応する各部材間の距離と等しい。

各半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、例えば、同様の性能を持っており、各半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、それぞれ、同じビーム径、同じビーム強度を持った共鳴光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を出射することができる。

第１共鳴光Ｌ１、第２共鳴光Ｌ２、および第３共鳴光Ｌ３は、上述のように、立方体のガスセル２の各面２ａ，２ｃ，２ｅに対して垂直に入射するため、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長、およびガスセル２における第３共鳴光Ｌ３の光路長は、等しい。また、第１共鳴光Ｌ１の光軸、第２共鳴光Ｌ２の光軸、および第３共鳴光Ｌ３の光軸は、図示の例では、ガスセル２の中心（立方体の中心）で直交している。

本実施形態に係る光学モジュール１および原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。

光学モジュール１によれば、判定部４０によって、第１光源部１２が故障していると判定された場合に、第２光源部２２がガスセル２に共鳴光Ｌ２を照射することができる。これにより、第１光源部１２が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。さらに、光学モジュール１によれば、判定部４０によって、第２光源部２２が故障していると判定された場合に、第３光源部３２がガスセル２に共鳴光Ｌ３を照射することができる。これにより、第２光源部２２が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。

さらに、光学モジュール１によれば、第２の光学系２０および第３の光学系３０について、予め、共鳴光Ｌ２，Ｌ３のビーム径や光路長等の調整を行うことができる。したがって、第１の光学系１０から第２の光学系２０に切り換えたとしても、第１の光学系１０を用いた場合と同等の発振特性を得ることができる。また、第２の光学系２０から第３の光学系３０に切り換えた場合についても同様に、第１の光学系１０および第２の光学系２０と同等の発振特性を得ることができる。したがって、例えば、第１光源部１２および第２光源部２２が故障したとしても、発振特性の変化がなく、瞬時に復旧可能なシステムを組むことができる。

さらに、光学モジュール１によれば、光学系の切り替えが電気的に行われるため、例えば、機械的に光学系の切り替えを行う場合と比べて、光学系に軸のずれが生じにくい。

光学モジュール１では、ガスセル２は、多面体であり、第１光源部１２は、第１共鳴光Ｌ１を、第１側面２ａに入射させ、第１光検出部１４は、第２側面２ｂから射出された第１共鳴光Ｌ１を検出し、第２光源部２２は、第２共鳴光Ｌ２を、第３側面２ｃに入射させ、第２光検出部２４は、第４側面２ｄから射出された第２共鳴光Ｌ２を検出している。これにより、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長と、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長とを、容易に等しくすることができる。したがって、１つのガスセル２に対して、同等の発振特性を得ることが可能な２つの光学系１０，２０を容易に得ることができる。さらに、光学モジュール１によれば、第３光源部３２は、第３共鳴光Ｌ３を、下面２ｅに入射させ、第３光検出部３４は、上面２ｆから射出された第３共鳴光Ｌ３を検出している。したがって、１つのガスセル２に対して、同等の発振特性を得ることが可能な３つの光学系１０，２０，３０を容易に得ることができる。

光学モジュール１によれば、第１光源部１２は、第１共鳴光Ｌ１を、第１側面２ａに対して垂直に入射させ、第２光源部２２は、第２共鳴光Ｌ２を、第３側面２ｃに対して垂直に入射させる。これにより、例えば、ガスセル２の第１側面２ａおよび第３側面２ｃに反射防止膜（図示せず）を設けた場合に、反射防止膜の設計が容易になる。例えば、共鳴光を、ガスセルの面に対して斜めに入射させた場合、反射防止膜の設計は、難しくなってしまう。

光学モジュール１によれば、ガスセル２が直方体であり、第１光源部１２は、第１共鳴光Ｌ１がガスセル２の中心を通るように出射し、第２光源部２２は、第２共鳴光Ｌ２がガスセル２の中心を通るように出射し、第３光源部３２は、第３共鳴光Ｌ３がガスセル２の中心を通るように出射する。これにより、金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。ガスセル内の金属原子がガスセルの壁面に衝突することにより、ガスセルの壁面近傍とガスセルの中心とは、原子密度が異なってしまう。そのため、共鳴光がガスセルの中心を通らずにガスセルの壁面近傍を通った場合と、共鳴光がガスセルの中心を通った場合とでは、例えば、吸収特性に違いが生じてしまう。本実施形態によれば、各共鳴光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３がガスセル２の中心を通るため、各共鳴光がガスセルの中心を通らない場合と比べて、このような影響を低減することができる。

光学モジュール１では、判定部４０は、光検出部１４，２４で検出された共鳴光Ｌ１，Ｌ２の強度に基づいて、光源部１２，２２が故障しているか否かの判定を行う。これにより、光源部が故障しているか否かを判定するために必要な情報を、新たな部材を追加することなく得ることができるため、容易に光源部が故障しているか否かを判定することができる。

原子発振器１００は、上述した光学モジュール１を含むため、交換コストを低減することができる。さらに、信頼性を高めることができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュール２０１を模式的に示す斜視図である。以下、第２実施形態に係る光学モジュール２０１において、第１実施形態に係る光学モジュール１の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した図５に示す光学モジュール１では、ガスセル２の形状は、多面体（立方体）であった。これに対して、本実施形態に係る光学モジュール２０１では、図６に示すように、ガスセル２の形状は、円柱である。

ガスセル２は、図６に示すように、上面２０２ａと、下面２０２ｂと、側面２０２ｃと、を有している。

第１の光学系１０が配置される第１軸Ａ１、第２の光学系２０が配置される第２軸Ａ２、および第３の光学系３０が配置される第３軸Ａ３は、ガスセル２の中心軸（円柱の中心軸）Ｃに対して直交している。図示の例では、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２、第３軸Ａ３は、ガスセル２の中心（円柱の中心）で交わっている。第１軸Ａ１と第２軸Ａ２とがなす角度は、例えば、６０°である。また、第２軸Ａ２と第３軸Ａ３とがなす角度は、例えば、６０°である。

第１半導体レーザー１１２は、例えば、ガスセル２の中心軸Ｃと直交するように第１共鳴光Ｌ１を出射する。第１半導体レーザー１１２は、第１共鳴光Ｌ１を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させる。第１半導体レーザー１１２から出射された第１共鳴光Ｌ１は、側面２０２ｃに入射し、ガスセル２の中心軸Ｃに対して直交し、側面２０２ｃの入射位置とは反対側の位置から射出される。第１光検出器１１４は、側面２０２ｃから射出された第１共鳴光Ｌ１を検出する。

第２半導体レーザー１２２は、例えば、ガスセル２の中心軸Ｃと直交するように第２共鳴光Ｌ２を出射する。第２半導体レーザー１２２は、第２共鳴光Ｌ２を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させる。第２半導体レーザー１２２から出射された第２共鳴光Ｌ２は、側面２０２ｃに入射し、ガスセル２の中心軸Ｃに対して直交し、側面２０２ｃの入射位置とは反対側の位置から射出される。第２光検出器１２４は、側面２０２ｃから射出された第２共鳴光Ｌ２を検出する。

第３半導体レーザー１３２は、例えば、ガスセル２の中心軸Ｃと直交するように第３共鳴光Ｌ３を出射する。第３半導体レーザー１３２は、第３共鳴光Ｌ３を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させる。第３半導体レーザー１３２から出射された第３共鳴光Ｌ３は、側面２０２ｃに入射し、ガスセル２の中心軸Ｃに対して直交し、側面２０２ｃの入射位置とは反対側の位置から射出される。第３光検出器１３４は、側面２０２ｃから射出された第３共鳴光Ｌ３を検出する。

第１共鳴光Ｌ１、第２共鳴光Ｌ２、および第３共鳴光Ｌ３は、上述のように、ガスセル２の中心軸Ｃに対して直交するため、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長、およびガスセル２における第３共鳴光Ｌ３の光路長は、等しい。

なお、本実施形態に係る原子発振器のその他の構成は、上述した原子発振器１００と同様であり、その説明を省略する。

本実施形態に係る光学モジュール２０１は、例えば、以下の特徴を有する。

光学モジュール２０１によれば、ガスセル２の形状は、円柱である。そのため、例えば、ガスセルの形状が直方体の場合と比べて、光学系１０，２０，３０の配置の自由度が高い。

光学モジュール２０１によれば、ガスセル２の形状は、円柱であり、第１半導体レーザー１１２は、第１共鳴光Ｌ１を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させ、第２半導体レーザー１２２は、第２共鳴光Ｌ２を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させることができる。これにより、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長と、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長とを、容易に等しくすることができる。したがって、１つのガスセル２に対して、同等の発振特性を得ることが可能な２つの光学系１０，２０を容易に得ることができる。同様に、光学モジュール２０１によれば、第３半導体レーザー１３２は、第３共鳴光Ｌ３を、ガスセル２の側面２０２ｃに入射させることができる。これにより、１つのガスセル２に対して、同等の発振特性を得ることが可能な３つの光学系１０，２０，３０を容易に得ることができる。

光学モジュール２０１によれば、半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、ガスセル２の中心軸（円柱の中心軸Ｃ）と直交するように共鳴光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を出射する。これにより、金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。

なお、ここでは、ガスセル２の形状が、上面２０２ａおよび下面２０２ｂの形状が円である円柱である場合について説明したが、図示はしないが、ガスセル２の形状は、上面２０２ａおよび下面２０２ｂの形状が楕円である楕円柱であってもよい。

また、ここでは、光学モジュール２０１が３つの光学系１０，２０，３０を有する場合について説明したが、図示はしないが、光学モジュールは、３つ以上の光学系を有していてもよい。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図７は、第３実施形態に係る原子発振器の光学モジュール３０１を模式的に示す斜視図である。以下、第３実施形態に係る光学モジュール３０１において、第１実施形態に係る光学モジュール１の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した図５に示す光学モジュール１では、ガスセル２の形状は、多面体（立方体）であった。これに対して、本実施形態に係る光学モジュール３０１では、図７に示すように、ガスセル２の形状は、球体である。

ガスセル２は、図７に示すように、球面３０２ａと、を有している。

第１の光学系１０が配置される第１軸Ａ１、第２の光学系２０が配置される第２軸Ａ２、および第３の光学系３０が配置される第３軸Ａ３は、ガスセル２の中心（球体の中心）を通る。図示の例では、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２、第３軸Ａ３は、互いにガスセル２の中心で直交している。

第１半導体レーザー１１２は、例えば、ガスセル２の中心（球体の中心）を通るように第１共鳴光Ｌ１を出射する。第１半導体レーザー１１２は、第１共鳴光Ｌ１を、ガスセル２の球面３０２ａに入射させる。第１半導体レーザー１１２から出射された第１共鳴光Ｌ１は、球面３０２ａに入射し、ガスセル２の中心（球体の中心）を通り、球面３０２ａの入射位置とは反対側の位置から射出される。第１光検出器１１４は、球面３０２ａから射出された第１共鳴光Ｌ１を検出する。

第２半導体レーザー１２２は、例えば、ガスセル２の中心を通るように第２共鳴光Ｌ２を出射する。第２半導体レーザー１２２は、第２共鳴光Ｌ２を、ガスセル２の球面３０２ａに入射させる。第２半導体レーザー１２２から出射された第２共鳴光Ｌ２は、球面３０２ａに入射し、ガスセル２の中心を通り、球面３０２ａの入射位置とは反対側の位置から射出される。第２光検出器１２４は、球面３０２ａから射出された第２共鳴光Ｌ２を検出する。

第３半導体レーザー１３２は、例えば、ガスセル２の中心を通るように第３共鳴光Ｌ３を出射する。第３半導体レーザー１３２は、第３共鳴光Ｌ３を、ガスセル２の球面３０２ａに入射させる。第３半導体レーザー１３２から出射された第３共鳴光Ｌ３は、球面３０２ａに入射し、ガスセル２の中心を通り、球面３０２ａの入射位置とは反対側の位置から射出される。第３光検出器１３４は、球面３０２ａから射出された第３共鳴光Ｌ３を検出する。

第１共鳴光Ｌ１、第２共鳴光Ｌ２、および第３共鳴光Ｌ３は、上述のように、ガスセル２の中心を通るため、ガスセル２における第１共鳴光Ｌ１の光路長、ガスセル２における第２共鳴光Ｌ２の光路長、およびガスセル２における第３共鳴光Ｌ３の光路長は、等しい。

なお、本実施形態に係る原子発振器のその他の構成は、上述した原子発振器１００と同様であり、その説明を省略する。

本実施形態に係る光学モジュール３０１は、例えば、以下の特徴を有する。

光学モジュール３０１によれば、ガスセル２の形状は、球体である。そのため、例えば、ガスセルの形状が直方体の場合と比べて、光学系１０，２０，３０の配置の自由度が高い。

光学モジュール３０１によれば、ガスセル２の形状は、球体であり、半導体レーザー１１２，１２２，１３２は、共鳴光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３がガスセル２の中心を通るように出射する。これにより、金属原子がガスセル壁面に衝突することにより生じる影響を低減することができる。

なお、ここでは、光学モジュール３０１が３つの光学系１０，２０，３０を有する場合について説明したが、図示はしないが、光学モジュールは、３つ以上の光学系を有していてもよい。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

Ａ１ 第１軸、Ａ２ 第２軸、Ａ３ 第３軸、Ｌ１ 第１共鳴光、Ｌ２ 第２共鳴光、
Ｌ３ 第３共鳴光、Ｗ１ 第１側帯波、Ｗ２ 第２側帯波、Ｆ 基本波、
１ 光学モジュール、２ ガスセル、２ａ 第１側面、２ｂ 第２側面、
２ｃ 第３側面、２ｄ 第４側面、２ｅ 下面、２ｆ 上面、１０ 第１の光学系、
１２ 第１光源部、１４ 第１光検出部、２０ 第２の光学系、２２ 第２光源部、
２４ 第２光検出部、３０ 第３の光学系、３２ 第３光源部、３４ 第３光検出部、
４０ 判定部、５０ 駆動信号切替部、５２ 光検出切替部、１０１ 制御部、
１００ 原子発振器、１０１ 制御部、１１２ 第１半導体レーザー、
１１３ コリメートレンズ、１１４ 第１光検出器、１２２ 第２半導体レーザー、
１２３ コリメートレンズ、１２４ 第２光検出器、１３２ 第３半導体レーザー、
１３３ コリメートレンズ、１３４ 第３光検出器、１４０ 判定回路、
１５０ 駆動信号切替回路、１５２ 光検出切替回路、１６０ 第１検波回路、
１６２ 第１低周波発振器、１６４ 電流駆動回路、１７０ 第２検波回路、
１７２ 第２低周波発振器、１７４ 検波用変調回路、１７６ 変調周波数発生回路、
２０１ 光学モジュール、２０２ａ 上面、２０２ｂ 下面、２０２ｃ 側面、
３０１ 光学モジュール、３０２ａ 球面

Claims (12)

1. 量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
   異なる２つの波長を有する第１共鳴光を出射する第１光源部と、
   アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、
   前記ガスセルを透過した前記第１共鳴光の強度を検出する第１光検出部と、
   前記第１光源部が故障しているか否かを判定する判定部と、
   前記判定部によって、前記第１光源部が故障していると判定された場合に、異なる２つの波長を有する第２共鳴光を、前記ガスセルに照射する第２光源部と、
   前記ガスセルを透過した前記第２共鳴光の強度を検出する第２光検出部と、
   を含み、
   前記ガスセルにおける前記第１共鳴光の光路長と、前記ガスセルにおける前記第２共鳴光の光路長とは、等しい、ことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。
2. 前記ガスセルの形状は、多面体である、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
3. 前記ガスセルは、
   第１面と、
   前記第１面に対向する第２面と、
   第３面と
   前記第３面に対向する第４面と、
   を有し、
   前記第１面と前記第２面との間の距離と、前記第３面と前記第４面との間の距離とは、等しく、
   前記第１共鳴光は、前記第１面に入射し、
   前記第１光検出部は、前記第２面から射出された前記第１共鳴光を検出し、
   前記第２共鳴光は、前記第３面に入射し、
   前記第２光検出部は、前記第４面から射出された前記第２共鳴光を検出する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
4. 前記第１共鳴光は、前記第１面に対して垂直に入射し、
   前記第２共鳴光は、前記第３面に対して垂直に入射する、ことを特徴とする請求項３に記載の原子発振器用の光学モジュール。
5. 前記ガスセルの形状は、直方体であり、
   前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射し、
   前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射する、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
6. 前記ガスセルの形状は、円柱である、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
7. 前記第１共鳴光は、前記ガスセルの側面に入射し、
   前記第２共鳴光は、前記ガスセルの側面に入射する、ことを特徴とする請求項６に記載の原子発振器用の光学モジュール。
8. 前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心軸と直交するように前記ガスセルに入射し、
   前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心軸と直交するように前記ガスセルに入射する、ことを特徴とする請求項７に記載の原子発振器用の光学モジュール。
9. 前記ガスセルの形状は、球体である、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
10. 前記第１共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射し、
    前記第２共鳴光は、前記ガスセルの中心を通るように前記ガスセルに入射する、ことを特徴とする請求項９に記載の原子発振器用の光学モジュール。
11. 前記判定部は、前記第１光検出部で検出された前記第１共鳴光の強度に基づいて、判定を行う、ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュールを含む、ことを特徴とする原子発振器。

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