JP2014179710A - 原子発振器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路を複雑化することなく電流電圧変換効率を高く設定できるようにする。
【解決手段】原子発振器１は光源２と、アルカリ金属原子を封入するガスセル３と、光源２から出力されガスセル３を透過した光を電流に変換すると共に当該電流を電圧に変換して出力する光検出部４と、光検出部４の出力の直流オフセット電圧を除去する又は一定に保つ直流オフセット電圧制御部５と、光検出部４が出力する電圧とアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために光源２が出力する光の波長を制御する波長制御部６と、光検出部４が出力する電圧とアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために光源２が出力する光の周波数を制御する周波数制御部７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ金属原子の光吸収特性を利用する原子発振器及びその制御方法に関する。

セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属原子の光吸収特性を利用して、安定した周波数信号を生成する原子発振器が用いられている。このような原子発振器に用いられる方法として、ＣＰＴ(Coherent Population Trapping)法（電磁誘起透過法)及び二重共鳴法が知られている。

これらの方法は、ガス状のアルカリ金属原子を封入するガスセルに固有の波長の光（電磁波）を入力すると、アルカリ金属原子のエネルギー準位が基底準位から励起準位に状態遷移し、光の吸収が生ずることを利用するものである。これらの方法によれば、ガスセルの透過光量の変化に応じて光源を制御することにより、周波数の安定性が極めて高い信号を生成することができる。

透過光量の変化の検出には、例えば特許文献１のように、干渉光又は共鳴光（励起光）を低い周波数で変調し、ロックインアンプ等で同期検波を行う方法がある。

しかし、従来の原子発振器では、光検出回路の出力電圧に対するガスセル中のアルカリ金属原子の光吸収による透過光量の変化分が小さいため、光検出器で使用するフォトダイオードの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路における変換効率を大きくできない問題がある。また、光源を上述の固有波長で発光させるために光量が大きくなる場合には、電流電圧変換回路の出力電圧が大きくなり過ぎないようにガスセルの手前に減光（ＮＤ:Neutral Density）フィルタを挿入する必要があるという問題がある。

これに対して、光検出器の出力電圧を相殺する従来技術として、差動増幅器を使用する特許文献２及び特許文献３が開示されている。これらの従来技術は、ガスセルを透過した光についての光検出回路の出力とガスセルを透過しない光についての光検出回路の出力を差動増幅するものである。そのため、光検出回路では電流電圧変換回路での変換効率を透過光量の変化分Ｖ２に対して最適化できず、フォトダイオードの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路の変換効率を大きくできないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路を複雑化することなく電流電圧変換効率を高く設定できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる原子発振器は、光源と、アルカリ金属原子を封入するガスセルと、光源から出力されガスセルを透過した光を電流に変換すると共に当該電流を電圧に変換して出力する光検出部と、光検出部の出力の直流オフセット電圧を除去する又は一定に保つ直流オフセット電圧制御部と、光検出部が出力する電圧とアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために光源が出力する光の波長を制御する波長制御部と、光検出部が出力する電圧とアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために光源が出力する光の周波数を制御する周波数制御部とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、直流オフセット電圧制御手段により光検出手段で発生する直流成分に由来する直流オフセット電圧が除去され又は一定に保たれるため、回路を複雑化することなく電流電圧変換効率を高く設定することが可能となる。

図１は、第１の実施の形態の原子発振器の基本的な構成を示す図である。 図２は、第１の実施の形態の原子発振器の具体的な構成を示す図である。 図３は、レーザダイオードの駆動電流とフォトダイオードの出力電流の直流成分との関係を示すグラフである。 図４は、レーザダイオードの駆動電流とフォトダイオードの出力電流の直流成分との関係であって特にＣＰＴ共鳴が起こる部分を示すグラフである。 図５は、時間とレーザダイオードの駆動電流との関係を示すグラフである。 図６−１は、図４中イ及びホにおける時間とフォトダイオードの駆動電流との関係を示すグラフである。 図６−２は、図４中ロにおける時間とフォトダイオードの駆動電流との関係を示すグラフである。 図６−３は、図４中ハにおける時間とフォトダイオードの駆動電流との関係を示すグラフである。 図６−４は、図４中ニにおける時間とフォトダイオードの駆動電流との関係を示すグラフである。 図７は、レーザダイオードの駆動電流と波長制御回路の同期検波回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 図８は、高周波信号によりＦＭ変調されたレーザダイオードの出力波長を示す図である。 図９は、図４中ハ近傍におけるＦＭ変調されたＰＬＬの発振周波数と光検出回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 図１０は、ＦＭ変調されたＰＬＬの発振周波数と周波数制御回路の同期検波回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 図１１は、第２の実施の形態の原子発振器の構成を示す図である。 図１２は、ＦＭ変調されたＰＬＬの発振周波数と光検出回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 図１３は、ＦＭ変調されたＰＬＬの発振周波数と周波数制御回路の同期検波回路の出力電圧との関係を示すグラフである。 図１４は、第３の実施の形態にかかる原子発振器の構成を示す図である。 図１５は、第１の実施の形態にかかる原子発振器の変形例を示す図である。 図１６は、ＣＰＴ方式におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態の変化を示す図である。 図１７は、二重共鳴法におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態の変化を示す図である。 図１８は、光源の駆動電流と光検出回路の出力との関係、及び光検出回路の出力電圧とアルカリ金属原子の光吸収による透過光量の変化分との関係を示す図である。

以下に添付図面を参照して、原子発振器の実施の形態を詳細に説明する。尚、異なる実施の形態において同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を適宜省略する。

（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態にかかる原子発振器１の基本的な構成を示している。原子発振器１は光源２、ガスセル３、光検出部４、直流オフセット制御部５、波長制御部６、及び周波数制御部７を有する。本例にかかる原子発振器１はＣＰＴ法を利用するものである。

光源２はガスセル３に照射する電磁波（光、マイクロ波等）を出力するものである。光源２が出力する電磁波の波長及び周波数は後述する波長制御部６及び周波数制御部７により制御される。

ガスセル３はアルカリ金属（セシウム、ルビジウム等）及びバッファガスを封入している。ガスセル３の内部では所定の高温が保たれることにより、アルカリ金属がガス化している。

光検出部４は光源２から出力されガスセル３を透過した光を電流に変換すると共に当該電流を電圧に変換して出力する機能を有する。

直流オフセット電圧制御部５は光検出部４の出力の直流オフセット電圧を除去する又は一定に保つ機能を有する。直流オフセット電圧とは、光検出部４による光電変換処理における直流成分に由来するオフセット電圧である。

波長制御部６は光検出部４が出力する電圧とガスセル３内のアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて、ガスセル３内を所定の光吸収状態に維持するために、光源２が出力する光の波長を制御する機能を有する。

周波数制御部７は光検出部４が出力する電圧とガスセル３内のアルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて、ガスセル３内を所定のＣＰＴ共鳴状態に維持するために、光源２が出力する光の周波数を制御する機能を有する。

上記構成により、光検出部４が出力する電圧の変化に応じてガスセル３内で所定のＣＰＴ共鳴状態が維持されるように、光源２が出力する光（電磁波）の波長及び周波数が制御される。このとき、周波数制御部７により生成される周波数に関する情報を利用することにより、極めて安定した標準周波数信号を生成することができる。

ここで、従来の原子発振器においては、図１８に示すように、光検出回路の出力電圧Ｖ１に対するガスセル中のアルカリ金属原子の光吸収による透過光量の変化分Ｖ２が小さいため、光検出器で使用するフォトダイオードの出力電流を電圧に変換する電流電圧変換回路における変換効率を大きくできない問題があった。また、光源を上述の固有波長で発光させるために光量が大きくなる場合には、電流電圧変換回路の出力電圧が大きくなり過ぎないようにガスセルの手前にＮＤフィルタを挿入する必要があるという問題があった。

これに対し、本実施の形態にかかる原子発振器１によれば、直流オフセット電圧制御部５により光検出部４で発生する直流成分に由来する直流オフセット電圧が除去されるため、作動増幅器、ＮＤフィルタ等を用いることなく、電流電圧変換効率を変化分Ｖ２に対して最適化して高く設定することができる。

以下、本実施の形態をより詳細に説明する。図２に示す原子発振器１０は、上記図１に示す原子発振器１の具体的な構成を例示するものである。

図１６はＣＰＴ法におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態の変化を示している。第１の基底準位１０１と励起準位１０３とのエネルギー差に相当する波長を有する第１の共鳴光又は第２の基底準位１０２と励起準位１０３とのエネルギー差に相当する波長を有する第２の共鳴光をそれぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光の吸収が生ずる。しかし、第１の共鳴光と第２の共鳴光を同時に照射し、それらの周波数差が正確に第１の基底準位１０１と第２の基底準位１０２のエネルギー差ΔＥに一致する場合には、２つの基底準位１０１，１０２の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位１０３への励起が停止し、入力した光の吸収率が低下する透明化現象（ＣＰＴ共鳴）が起きる。これにより、第１の共鳴光と第２の共鳴光との波長差がΔＥからずれた場合に光吸収挙動に急峻な変化が生ずる。この変化を検出し、ＣＰＴ共鳴が維持されるように周波数制御を実行することにより、高精度な標準周波数信号を生成することができる。

図２に示す原子発振器１０はレーザダイオード１１、ガスセル１２、及び光検出回路１３を有する。ガスセル１２は内部にガス状のアルカリ金属原子とバッファガスを封入している。レーザダイオード１１が出力した光はガスセル１２内を透過して光検出回路１３に入力する。光検出回路１３は受光素子であるフォトダイオード２１、フォトダイオード２１にバイアスを加える直流電圧源２２、オペアンプ２３、電流電圧変換抵抗２４等を有する。レーザダイオード１１、ガスセル１２、及び光検出回路１３により原子共鳴部１４が構成される。

直流オフセット電圧制御回路１５は光検出回路１３の出力の直流オフセット電圧を除去する。直流オフセット電圧制御回路１５は交流阻止回路３１、制御回路３２、及びオフセット補正電流源３３を有する。

波長制御回路１６は光検出回路１３の出力に応じてレーザダイオード１１の駆動電流を生成する。波長制御回路１６はガスセル１２内でアルカリ金属原子が光吸収を生ずるように駆動電流を制御する。波長制御回路１６は同期検波回路４１、制御回路４２、電流駆動回路４３、及び低周波発振器４４を有する。

周波数制御回路１７は光検出回路１３の出力に応じて上記駆動電流に重畳させる高周波信号ＦRFを生成する。周波数制御回路１７はガスセル１２内でＣＰＴ共鳴が生ずるように高周波信号ＦRFの周波数を制御する。周波数制御回路１７は同期検波回路５１、制御回路５２、電圧制御水晶発振器５３、低周波発振器５４、及びＰＬＬ(Phase Locked Loop)５５を有する。

バイアスＴ１８は波長制御回路１６が出力する駆動電流と周波数制御回路１７が出力する高周波信号を混合した（駆動電流に高周波信号ＦRFを重畳させた）信号をレーザダイオード１１に出力する。

電流駆動回路４３が出力する駆動電流は波長制御回路１６の低周波発振器４４が出力する発振周波数Ｆm1の信号により変調されており、ＰＬＬ５５が出力する高周波信号は、周波数制御回路１７の低周波発振器５４が出力する発振周波数Ｆm2の信号により変調されている。

レーザダイオード１１はバイアスＴ１８から入力した信号に応じた光量の光を出力する。ガスセル１２に入力した光はアルカリ金属原子による光吸収により光量を減少され、光検出回路１３のフォトダイオード２１に入力する。

光検出回路１３において、フォトダイオード２１のアノードはオペアンプ２３の反転入力端子に接続し、そのカソードは直流電圧源２２に接続している。直流電圧源２２はフォトダイオード２１が逆バイアスとなる電圧Ｖbias(Ｖbias＞０)を発生する。フォトダイオード２１に入力した光の光量に応じた光電流ｉはフォトダイオード２１のカソードからアノードへ流れる。

フォトダイオード２１の光電流ｉは、直流成分ｉDCと、低周波発振器４４の発振周波数Ｆm1及び低周波発振器５４の発振周波数Ｆm2による変調による交流成分ｉmodとを足し合わせたものになる。図３はレーザダイオード１１の駆動電流とフォトダイオード２１に流れる光電流ｉの直流成分ｉDCとの相関グラフは示している。図３中、Ａ部のｉDCとフォトダイオード２１の出力電流との相関が線形になっていないのは、ガスセル１２におけるアルカリ金属原子による光吸収による。

フォトダイオード２１の光電流ｉは、アノードからオペアンプ２３の反転入力端子に流れ込む。ここで、オペアンプ２３の反転入力端子に直流オフセット電圧制御回路１５のオフセット補正電流源３３が接続しているが、これについては後述する。

一方、オペアンプ２３の非反転入力端子はＧＮＤ（０Ｖ）に接続している。そのため、オペアンプ２３の出力端子から電流電圧変換抵抗２４を介して反転入力端子の電圧が０Ｖとなるようにフィードバックがかかる。フォトダイオード２１で発生した電流ｉDC＋ｉmodは、電流電圧変換抵抗Ｒを介してオペアンプ２３の出力端子に流れ、オペアンプ２３の出力端子に−Ｒ×(ｉDC+ｉmod)の電圧が発生する。この電圧が光検出回路１３の出力となり、直流オフセット電圧制御回路１５、波長制御回路１６、及び周波数制御回路１７にそれぞれ入力する。

光検出回路１３の出力は直流オフセット電圧制御回路１５の交流阻止回路３１に入力する。交流阻止回路３１は、低周波発振器４４の発振周波数Ｆm1又は低周波発振器５４の発振周波数Ｆm2のいずれか低い方の周波数よりも十分低い（フィルタの遮断域の減衰特性にもよるが少なくとも２桁以上低い）カットオフ周波数を持つローパスフィルタ又はサンプル・ホールド回路で構成され、光検出回路１３の出力のうちｉmodに由来する交流成分を除いた直流電圧−Ｒ×ｉDCを出力する。

交流阻止回路３１の出力は制御回路３２に入力する。制御回路３２は交流阻止回路３１の出力−Ｒ×ｉDCが０となるように、オフセット補正電流源３３の出力電流の設定を変更する。オフセット補正電流源３３は設定値に基づいた電流ｉoffsetを引き込む。電流ｉoffsetの大きさはオペアンプ２３の反転入力端子に流れ込むフォトダイオード２１の光電流ｉのうち直流成分ｉDCと同一になる。即ち、オペアンプ２３の反転入力端子に流れる電流は、ｉ−ｉoffset＝ｉDC＋ｉmod−ｉDC＝ｉmodとなるため、電流電圧変換抵抗Ｒを介してオペアンプ２３の出力端子に流れる電流はｉmodのみとなり、オペアンプ２３の出力端子の電圧は−Ｒ×ｉmodと交流成分のみとなる。これにより、光検出回路１３の出力を直流オフセット電圧制御回路１５、波長制御回路１６、及び周波数制御回路１７にそれぞれ直流結合で出力可能となる。これにより、結合コンデンサが不要となり、電流電圧変換抵抗Ｒを極力大きく設計することができ、直流オフセット電圧制御回路１５と波長制御回路１６と周波数制御回路１７との入力部のプリアンプが不要となる。

波長制御回路１６は、上述したように予め低周波発振器４４から出力される周波数Ｆm1(数Ｈｚ＜Ｆm1＜数１０ｋＨz)の低周波信号が重畳されたレーザダイオード１１の駆動電流を出力する。レーザダイオード１１が出力する光の波長は周波数Ｆm1の低周波信号によって周期的に変化する。ガスセル１２での光吸収率は、レーザダイオード１１が出力する光の波長が、アルカリ金属原子が光吸収を起こす波長に合致する場合に大きく変化する。周波数Ｆm1の低周波信号に同期したガスセル１２でのアルカリ金属原子の光吸収率の変化は、光検出回路１３の出力が入力する同期検波回路４１で検出される。

図４中、イとホのように、ガスセル１２内でアルカリ金属原子による光吸収が起こらず、レーザダイオード１１の駆動電流がＦm1によって図９のように変化する場合には、フォトダイオード２１の出力電流は、図６−１に示すように、図５と同一の位相で変化する。しかし、図４中、ロ、ハ、ニのように、ガスセル１２内でアルカリ金属原子による光吸収が起こる場合には、フォトダイオード２１の出力電流は、図６−２に示すように、図５とは異なる変化を示す。

図４中、ロのように、レーザダイオード１１の駆動電流が、光吸収率が最大となる値より小さい場合には、図６−２に示すように、フォトダイオード２１の出力電流の変化が大きくなるが、位相は変化せず、図６−１と同一となる。図４中、ニのように、レーザダイオード１１の駆動電流が、光吸収率が最大となる値より大きい場合には、図６−４に示すように、図４中、ロと同様にフォトダイオード２１の出力電流の変化は大きくなるが、位相の変化は図６−１とは１８０°反転した状態となる。図４中、ハのように、レーザダイオード１１の駆動電流が、光吸収率が最大となる値近傍では、図６−３に示すように、フォトダイオード２１の出力電流の変化は０となる。

フォトダイオード２１の出力電流の変化は、そのまま光検出回路１３の出力電圧の変化となって同期検波回路４１に入力する。同期検波回路４１は入力した光検出回路１３の出力電圧と低周波発振器４４から出力される周波数Ｆm1の低周波信号とを乗算し、これをローパスフィルタにかけて直流電圧として制御回路４２に出力する。

レーザダイオード１１の駆動電流を図４のように変化させると、同期検波回路４１の出力は図７のような微分波形となる。ガスセル１２での光吸収が最大となる駆動電流ハ（図４中ハに対応）のときにゼロクロス点となる。制御回路４２は同期検波回路４１の出力を基にガスセル１２での光吸収が最大（図４，７中ハ）となるように、電流駆動回路４３の出力電流を設定する。電流駆動回路４３は制御回路４２で設定された出力電流に低周波発振器４４から出力される周波数Ｆm1の低周波信号を重畳して出力する。

周波数制御回路１７は、上述したように波長制御回路１６が出力する駆動電流に重畳する高周波信号ＦRFを出力する。高周波信号ＦRFは電圧制御水晶発振器５３の出力をＰＬＬ５５で逓倍することにより生成され、低周波発振器５４が出力する周波数Ｆm2の低周波信号によりＦＭ変調され、ガスセル１２内のアルカリ金属原子にＣＰＴ共鳴を起こさせるように制御される。尚、周波数Ｆm2は、数Ｈｚ＜Ｆm2＜数１０ｋＨｚであり、Ｆm1と少なくとも一桁以上離れていることが望ましい。レーザダイオード１１が出力する光は高周波信号ＦRFによってＦＭ変調されるため、図８に示すように、レーザダイオード１１の出力波長の両サイドには周波数差ＦRFのサイドバンドが生成される。周波数差ＦRFはＣＰＴ共鳴を起こすために、図１６に示す第１の基底準位１０１と第２の基底準位１０２とのエネルギー差ΔＥの半分の周波数とされる。これにより、ガスセル１２内ではＣＰＴ共鳴による透明化現象により光吸収率の低下（透過率の向上）が発生する。周波数差ＦRFは周波数Ｆm2の低周波信号でＦＭ変調されているため、ＣＰＴ共鳴による光吸収率の低下（透過率の向上）は周波数Ｆm2の低周波信号に同期して図５のように変化する。

図９は、図４中ハ近傍における、レーザダイオード１１の駆動電流（周波数Ｆm2の低周波信号によりＦＭ変調されたＰＬＬ５５の発振周波数に置き換えたもの）と同期検波回路４１の出力電圧（光検出回路１３の出力電圧）との相関を示したグラフである。周波数Ｆm2の低周波信号に同期したアルカリ金属原子の光吸収率の変化は、光検出回路１３から出力して同期検波回路５１に入力する。同期検波回路５１は低周波発振器５４が出力する周波数Ｆm2の低周波信号で光検出回路１３の出力を乗算し、これをローパスフィルタにかけて直流電圧として制御回路５２に出力する。

図９に示すようにＰＬＬ５５の発振周波数を変化させると、同期検波回路５１の出力は図１０に示すような微分波形となり、ＣＰＴ共鳴による光吸収率の低下（透過率の向上）が最大となるＰＬＬ５５の発振周波数ｆBのときにゼロクロス点となる。制御回路５２は同期検波回路５１の出力を基にＣＰＴ共鳴による透明化現象で光吸収率の低下（透過率の向上）が最大（図９のＢ部、図１０のｆB）となるように、電圧制御水晶発振器５３の発振周波数を設定する。ＰＬＬ５５は電圧制御水晶発振器５３の出力を逓倍し、低周波発振器５４から出力される周波数Ｆm2の低周波信号によりＦＭ変調された高周波信号ＦRFを生成して出力する。

波長制御回路１６から出力されたレーザダイオード１１の駆動電流と周波数制御回路１７から出力された高周波信号ＦRFとがバイアスＴ１８で混合されてレーザダイオード１１に入力する。レーザダイオード１１は波長制御回路１６によってガスセル１２でのアルカリ金属原子の光吸収が最大となるように設定され、周波数制御回路１７によってＣＰＴ共鳴による透明化現象で光吸収率の低下（透過率の向上）が最大となるように設定された高周波信号ＦRFでＦＭ変調された電流に応じた光を出力する。この光がガスセル１２に入力されることによりガスセル１２内でのアルカリ金属原子のＣＰＴ共鳴が維持される。

上記構成により、高周波信号ＦRFがＣＰＴ共鳴を起こすための図１６に示す第１の基底準位１０１と第２の基底準位１０２とのエネルギー差ΔＥの半分の周波数に正確に保たれるため、高周波信号ＦRFの発振源である電圧制御水晶発振器５３の発振周波数も極めて安定する。例えば、電圧制御水晶発振器５３の発振周波数を１０ＭＨｚ程度とし、その出力を標準周波数信号として外部に出力することにより、周波数安定度が極めて高い発振器を提供することができる。

また、本実施の形態においては、直流オフセット電圧制御回路１５により光検出回路１３で発生する直流成分に由来する直流オフセット電圧が除去されるため、差動増幅器等を用いることなく、図１８に示す光検出回路１３の出力電圧Ｖ1に相当する出力電流を相殺することができる。これにより、後段の回路の出力電圧が大きくなり過ぎないようにガスセル１２に入力する光を減少させるためのＮＤフィルタ等を用いることなく、フォトダイオード２１の出力電流の電流電圧変換効率を透過光量の変化分Ｖ2に対して最適化して高く設定することができる。これにより、回路の複雑化等の問題を招くことなく、Ｓ／Ｎ比の向上等を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図１１は第２の実施の形態にかかる原子発振器６０の構成を示している。この原子発振器６０は二重共鳴法を利用するものである。

図１７は二重共鳴法におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態の変化を示している。熱平衡状態で第１の基底準位１０１と第２の基底準位の１０２の各準位（第１の基底準位１０１＜第２の基底準位１０２）にほぼ等分に分布しているガスセル中のアルカリ金属原子に、第１の基底準位１０１と励起準位１０３とのエネルギー差に相当する波長を有する励起光を照射すると、第１の基底準位１０１の原子は励起光を吸収して励起準位１０３へ励起され、その後自然放出により第１の基底準位１０１と第２の基底準位の１０２にほぼ等確率で落ちてくる。第１の基底準位１０１に落ちた原子は再び励起を受けるが、第２の基底準位１０２の原子は励起されない。そのため、このサイクルを繰返すことにより、第２の基底準位１０２準位にほとんどの原子が留まり、大きな分布差が生ずることとなる。このように２準位間に分布差を生じさせることを光ポンピングという。この状態でガスセルに第１の基底準位１０１と第２の基底準位１０２の準位差ΔＥに相当する周波数の光（マイクロ波）を入力すると、アルカリ金属原子が第２の基底準位１０２から第１の基底準位１０１に落ちる誘導放出が生じる。誘導放出により第１の基底準位１０１に落ちたアルカリ金属原子は再び共鳴光を吸収して励起準位１０３に励起する。これにより、ガスセルに入力するマイクロ波の周波数が誘導放出を生じさせる値からずれた場合に光吸収挙動に急峻な変化が生ずる。この変化を検出し、誘導放出が維持されるように周波数制御を実行することにより、高精度な標準周波数信号を生成することができる。

図１１に示す原子発振器６０はレーザダイオード１１、ガスセル１２、及びマイクロ波キャビティ６２を有する。マイクロ波キャビティ６２はガスセル１２を取り巻き、ガスセル１２内で二重共鳴（誘導放出）を発生させるためのマイクロ波を出力する。

光検出回路１３はガスセル１２を透過した光の光量に応じて電圧を出力するものであり、フォトダイオード２１、直流電圧源２２、オペアンプ２３、及び電流電圧変換抵抗２４を有する。レーザダイオード１１、ガスセル１２、マイクロ波キャビティ６２、及び光検出回路１３により原子共鳴部１４が構成される。

直流オフセット電圧制御回路１５は光検出回路１３の出力の直流オフセット電圧を除去するものであり、交流阻止回路３１、制御回路３２、及びオフセット補正電流源３３を有する。

波長制御回路１６は光検出回路１３の出力を基にレーザダイオード１１の駆動電流をガスセル１２中のアルカリ金属原子が光吸収をおこす波長となるように制御するものであり、同期検波回路４１、制御回路４２、電流駆動回路４３、及び低周波発振器４４を有する。

周波数制御回路１７は光検出回路１５の出力を基にガスセル１２内に二重共鳴を発生させる周波数のマイクロ波を出力するようにマイクロ波キャビティ６２を制御するものであり、同期検波回路５１、制御回路５２、電圧制御水晶発振器５３、低周波発振器５４、及びＰＬＬ５５を有する。

上記第１の実施の形態にかかる原子発振器１０においては、図１６に示すように、第１の共鳴光と第２の共鳴光を発生させて第１の基底準位１０１のアルカリ金属原子と第２の基底準位１０２のアルカリ金属原子を同時に励起準位１０３に遷移させるために、図２に示すように、周波数制御回路１７の出力を波長制御回路１６の出力に重畳した信号をレーザダイオード１１に出力する。これに対し、第２の実施の形態にかかる原子発振器６０においては、図１７に示すように、第２の基底準位１０２に光ポンピングされたアルカリ金属原子を、第１の基底準位１０１に遷移させるマイクロ波を発生させるために、周波数制御回路１７の出力をマイクロ波キャビティ６２に出力する。

また、第１の実施の形態にかかる原子発振器１０においては、図９に示すように、ＣＰＴ共鳴による透明化現象により発生する光吸収率の低下（透過率の向上）が最大となるように、周波数制御回路１７のＰＬＬ５５が電圧制御水晶発振器５３の出力を逓倍して出力する。これに対し、第２の実施の形態にかかる原子発振器６０においては、ガスセル１２内で二重共鳴によるマイクロ波遷移により発生する光吸収率の増加が最大となるように、周波数制御回路１７のＰＬＬ５５が電圧制御水晶発振器５３の出力を逓倍して出力する。

このとき、図１２に示すように、ＰＬＬ５５の発振周波数に対する光検出回路１３の出力電圧の変化は図９とは反対になる。そのため、図１３に示すように、同期検波回路５１の出力電圧の変化も図１０とは反対になる。制御回路５２は光吸収率の増加が最大（図１２のＣ部、図１３のｆc）となるように電圧制御水晶発振器５３の発振周波数を設定する。

このような形態によっても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図１４は第３の実施の形態にかかる原子発振器７０の構成を示している。

本実施の形態にかかる原子発振器７０は、上記第１の実施の形態と同様に、ＣＰＴ法を利用するものである。第１の実施の形態にかかる原子発振器１０においては、図２に示すように、直流オフセット電圧制御回路１５はオフセット補正電流源３３を有し、このオフセット補正電流源３３の出力がオペアンプ２３の反転入力端子に接続している。これに対し、第３の実施の形態にかかる原子発振器７０においては、図１４に示すように、直流オフセット電圧制御１５はオフセット補正電圧源７２を有し、このオフセット補正電圧源７２の出力がオペアンプ２３の非反転入力端子に接続している。

第３の実施の形態においては、フォトダイオード２１の光電流の直流成分ｉDCもオペアンプ２３の非反転入力端子から電流電圧変換抵抗２４を介してオペアンプ２３の出力端子に流れ、オペアンプ２３の出力端子には−Ｒ×ｉDCの直流オフセット電圧が発生するので、交流阻止回路３１で検出、制御回路３２で−Ｒ×ｉDCが０となるようにオフセット補正電圧源７２の出力ＶoffsetをＲ×ｉDCと設定する。

その結果、オペアンプ２３の出力電圧は、−Ｒ×ｉ＋Ｖoffset=−Ｒ×(ｉDC＋ｉmod)＋Ｒ×ｉDC＝−Ｒ×ｉDC−Ｒ×ｉmod＋Ｒ×ｉDC＝−Ｒ×ｉmodとなり、フォトダイオード２１に流れる光電流ｉのうち交流成分ｉmodのみに由来するものとなる。

このような形態によっても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明は上記実施の形態に限られるものではない。

例えば、直流オフセット電圧制御部５、波長制御部６、及び周波数制御７（図１参照）については、Ａ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換を行った後にＤＳＰ(Digital Signal Processor)、ハードウェアの演算回路、マイクロプロセッサとソフトウェア、これらの組み合わせ等によりデジタル演算し、その演算結果をＤ／ＡコンバータによりＤ／Ａ変換して出力するようにしてもよい。

また、光検出部４について、第１の実施の形態（図２参照）及び第２の実施の形態（図１１参照）においては、フォトダイオード２１のアノードがオペアンプ２３の反転入力端子に接続されているが、カソードをオペアンプ２３の反転入力端子に接続してもよい。この場合には、アノードに直流電圧源２２を接続し、フォトダイオード２１を逆バイアスとする電圧を発生させればよい。また、この場合には直流電圧源２２の出力電圧の極性は反対になる。また、電流ｉ，ｉoffsetの極性も反対になるため、光検出部４の出力の極性も反対になるが、これに応じた制御を直流オフセット電圧制御部５、波長制御部６、及び周波数制御部７でそれぞれ行えばよい。

また、第１の実施の形態（図２参照）及び第２の実施の形態（図１１参照）においては、オペアンプ２３の非反転入力端子はＧＮＤに接続しているが、上述したようにＡ／Ｄ変換後にデジタル演算により同期検波を行う場合であってプラス／マイナス両極性の電源を使用するのが困難な場合等には、図１５に示すように、出力電圧がＶrefとなる直流基準電圧源８２に接続するとよい。この場合、直流基準電圧源８２の出力を直流電圧オフセット回路１５の制御回路３２にも接続し、交流阻止回路３１の出力電圧がＶrefとなるように制御回路３２でオフセット補正電流源３３の出力電流を制御すればよい。図１４については、交流阻止回路３１で検出する直流オフセット電圧ＶがＶrefとなるように、制御回路３２でオフセット補正電圧源７２の出力を設定すれば同様の機能を実現できる。

また、以上においては、ＣＰＴ法及び二重共鳴法を利用するものについて説明したが、本発明はこれらに限定されるべきものではなく、これらと同様の作用効果を奏する他の光学的方法を利用する発振器にも適用可能なものである。

１，１０，６０，７０ 原子発振器
２ 光源
３，１２ ガスセル
４ 光検出部
５ 直流オフセット制御部
６ 波長制御部
７ 周波数制御部
１１ レーザダイオード
１３ 光検出回路
１４ 原子共鳴部
１５ 直流オフセット制御回路
１６ 波長制御回路
１７ 周波数制御回路
１８ バイアスＴ
２１ フォトダイオード
２２ 直流電圧源
２３ オペアンプ
２４ 電流電圧変換抵抗
３１ 交流阻止回路
３２ 制御回路
３３ オフセット補正電流源
４１ 同期検波回路
４２ 制御回路
４３ 電流駆動回路
４４ 低周波発振器
５１ 同期検波回路
５２ 制御回路
５３ 電圧制御水晶発振器
５４ 低周波発振器
５５ ＰＬＬ
６２ マイクロ波キャビティ
７２ オフセット補正電圧源
８２ 直流基準電圧源

米国特許第６３２０４７２号公報 特開平４−２６５０１７号公報 特開平５−３２７４９５号公報

Claims (9)

1. 光源と、
   アルカリ金属原子を封入するガスセルと、
   前記光源から出力され前記ガスセルを透過した光を電流に変換すると共に当該電流を電圧に変換して出力する光検出手段と、
   前記光検出手段の出力の直流オフセット電圧を除去する又は一定に保つ直流オフセット電圧制御手段と、
   前記光検出手段が出力する電圧と前記アルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために前記光源が出力する光の波長を制御する波長制御手段と、
   前記光検出手段が出力する電圧と前記アルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために前記光源が出力する光の周波数を制御する周波数制御手段と、
   を備える原子発振器。
2. 前記直流オフセット電圧制御手段は、
   前記光検出手段が出力する電圧から交流成分を除去した電圧を出力する交流阻止回路と、
   前記交流阻止回路が出力した電圧を除去する又は一定に保つための電流を設定する制御回路と、
   前記制御回路により設定された電流を前記光検出手段の光−電流変換回路に出力するオフセット補正電流源と、
   を備える請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記直流オフセット電圧制御手段は、
   前記光検出手段が出力する電圧から交流成分を除去した電圧を出力する交流阻止回路と、
   前記交流阻止回路が出力した電圧を除去する又は一定に保つための電圧を設定する制御回路と、
   前記制御回路により設定された電圧を前記光検出手段の電流−電圧変換回路に出力するオフセット補正電圧源と、
   を備える請求項１に記載の原子発振器。
4. 前記波長制御手段は、前記光検出手段が出力する電圧に基づいて前記ガスセル内で光吸収が生ずるように前記光源が出力する光の波長を制御し、
   前記周波数制御手段は、前記光検出手段が出力する電圧に基づいて前記ガスセル内でＣＰＴ共鳴が生ずるように前記光源が出力する光の周波数を制御する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子発振器。
5. 前記波長制御手段は、前記ガスセル内での光吸収が最大となるように前記光源の駆動電流を生成すると共に、当該駆動電流に第１の周波数信号を重畳し、
   前記周波数制御手段は、前記ガスセル内でのＣＰＴ共鳴による光吸収率の低下が最大となるように設定された第２の周波数信号を生成し、
   前記光源は、前記第１の周波数信号が重畳された前記駆動電流を前記第２の周波数信号により周波数変調した信号に応じた光を出力する、
   請求項４に記載の原子発振器。
6. 前記波長制御手段は、前記光検出手段が出力する電圧に基づいて光ポンピングが生ずるように前記光源が出力する光の波長を制御し、
   前記周波数制御手段は、前記光検出手段が出力する電圧に基づいて誘導放出が生ずるように前記光源が出力する電磁波の周波数を制御する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子発振器。
7. 前記光源は、前記光ポンピングを生じさせる光を出力するためのレーザダイオードと、前記誘導放出を生じさせる電磁波を出力するためのマイクロ波キャビティを備える、
   請求項６に記載の原子発振器。
8. 前記波長制御手段及び前記周波数制御手段は、前記光検出手段の出力を同期検波する同期検波回路を備える、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の原子発振器。
9. 光源と、アルカリ金属原子を封入するガスセルとを備える原子発振器の制御方法であって、
   前記光源から出力され前記ガスセルを透過した光を電流に変換すると共に当該電流を電圧に変換して出力する光検出工程と、
   前記光検出工程による出力の直流オフセット電圧を除去する又は一定に保つ直流オフセット電圧制御工程と、
   前記光検出工程により出力された電圧と前記アルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために前記光源が出力する光の波長を制御する波長制御工程と、
   前記光検出工程により出力された電圧と前記アルカリ金属原子の光吸収特性とに基づいて所定の光吸収状態を維持するために前記光源が出力する光の周波数を制御する周波数制御工程と、
   を含む原子発振器の制御方法。

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