JP2015082511A - Optical module and atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学モジュールおよび原子発振器に関する。 The present invention relates to an optical module and an atomic oscillator.
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電磁誘起透過現象(EIT現象:Electromagnetically Induced Transparency)を利用した発振器である。 In recent years, an atomic oscillator using CPT (Coherent Population Trapping), which is one of the quantum interference effects, has been proposed, and downsizing and low power consumption of the apparatus are expected. An atomic oscillator using CPT uses an electromagnetically induced transmission phenomenon (EIT phenomenon: Electromagnetically Induced Transparency) in which absorption of coherent light stops when an alkali metal atom is irradiated with coherent light having two different wavelengths (frequencies). It is an oscillator.
例えば、特許文献1には、EIT現象の発現確率を高めるために、光源から射出された共鳴光をλ/4板によって円偏光に変換して、アルカリ金属原子が封入されたガスセルに照射する原子発振器が開示されている。ガスセルに円偏光の光を照射することにより、アルカリ金属原子と円偏光の光との間で相互作用を起こし、アルカリ金属原子が磁気量子数mF=0の基底準位に存在する確率を高めることができる。これにより、EIT現象の発現確率を高めることができる。 For example, in Patent Document 1, in order to increase the probability of occurrence of the EIT phenomenon, resonant light emitted from a light source is converted into circularly polarized light by a λ / 4 plate, and atoms irradiated to a gas cell in which alkali metal atoms are enclosed are disclosed. An oscillator is disclosed. By irradiating the gas cell with circularly polarized light, an interaction occurs between the alkali metal atom and the circularly polarized light, and the probability that the alkali metal atom exists at the ground level of the magnetic quantum number m F = 0 is increased. be able to. Thereby, the expression probability of the EIT phenomenon can be increased.
面発光レーザーで発生する光は、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。面発光レーザーは、一般的に、偏光した光(偏光光)を射出する。 The light generated by the surface emitting laser has coherence and is suitable for obtaining a quantum interference effect. A surface emitting laser generally emits polarized light (polarized light).
しかしながら、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向は、経時的に変化する。そのため、特許文献1の原子発振器の光源として面発光レーザーを適用すると、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向の変化によって、λ/4板に対する偏光光の偏光方向が変化し、λ/4板を通過した光の円偏光成分の割合が変化する(例えばλ/4板で円偏光に変換されずに楕円偏光に変換される)。したがって、特許文献1の原子発振器の光源として面発光レーザーを適用すると、ガスセルに照射される光の円偏光成分の割合が経時的に変化し、原子発振器の安定性が低下してしまうという問題がある。 However, the polarization direction of the polarized light emitted by the surface emitting laser changes with time. Therefore, when a surface emitting laser is applied as the light source of the atomic oscillator of Patent Document 1, the polarization direction of the polarized light with respect to the λ / 4 plate changes due to the change in the polarization direction of the polarized light emitted by the surface emitting laser, and λ / 4 The ratio of the circularly polarized component of the light that has passed through the plate changes (for example, it is converted into elliptically polarized light without being converted into circularly polarized light by the λ / 4 plate). Therefore, when the surface emitting laser is applied as the light source of the atomic oscillator of Patent Document 1, the ratio of the circularly polarized component of the light irradiated to the gas cell changes with time, and the stability of the atomic oscillator is lowered. is there.
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、面発光レーザーから射出される偏光光の偏光方向を制御して、原子発振器の安定性を高めることができる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、上記光学モジュールを含む原子発振器を提供することにある。 One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide an optical module capable of controlling the polarization direction of polarized light emitted from a surface emitting laser to increase the stability of an atomic oscillator. . Another object of some aspects of the present invention is to provide an atomic oscillator including the optical module.
本発明に係る光学モジュールは、
原子発振器の光学モジュールであって、
光を射出する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーから射出した光を、第1の方向に偏光する第1偏光光と前記第1の方向と直交する第2の方向に偏光する第2偏光光とに分離する偏光分離部と、
前記第1偏光光が入射するλ/4板と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記λ/4板を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した光の強度を検出する第1光検出部と、
前記第2偏光光の強度を検出する第2光検出部と、
前記面発光レーザーを光軸周りに回転させる駆動部と、
前記第2光検出部で検出した光量に応じて、前記駆動部を動作させる制御部と、
を含む。
The optical module according to the present invention is
An optical module of an atomic oscillator,
A surface emitting laser that emits light;
A polarization separation unit that separates light emitted from the surface emitting laser into first polarized light polarized in a first direction and second polarized light polarized in a second direction orthogonal to the first direction;
A λ / 4 plate on which the first polarized light is incident;
A gas cell filled with an alkali metal gas and irradiated with light transmitted through the λ / 4 plate;
A first light detector for detecting the intensity of light transmitted through the gas cell;
A second light detection unit for detecting the intensity of the second polarized light;
A drive unit for rotating the surface emitting laser around an optical axis;
A control unit that operates the driving unit in accordance with the amount of light detected by the second light detection unit;
including.
このような光学モジュールでは、面発光レーザーから射出した光を偏光分離部で分離して第1の方向に偏光する第1偏光光としてλ/4板に入射させるため、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、λ/4板に入射する偏光光の偏光方向をλ/4板に対して一定の方向にすることができる。これにより、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセルに照射される光の円偏光成分の割合が変化することを防ぐことができる。 In such an optical module, the light emitted from the surface-emitting laser is incident on the λ / 4 plate as the first polarized light that is separated in the polarization separation unit and polarized in the first direction. Even if the polarization direction changes, the polarization direction of the polarized light incident on the λ / 4 plate can be made constant with respect to the λ / 4 plate. Thereby, it is possible to prevent the ratio of the circularly polarized component of the light irradiated to the gas cell from changing due to the change in the polarization direction of the polarized light with time in the surface emitting laser.
さらに、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、制御部が駆動部を動作させて面発光レーザーを光軸まわりに回転させることにより、ガスセルに照射される光の光量を一定にすることができる。 Furthermore, even if the polarization direction of the polarized light in the surface emitting laser changes, the control unit operates the drive unit to rotate the surface emitting laser around the optical axis, so that the amount of light irradiated to the gas cell is kept constant. can do.
したがって、このような光学モジュールによれば、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセルに照射される光の円偏光成分の割合、およびその光量が変化することを防ぐことができるため、原子発振器の安定性を高めることができる。 Therefore, according to such an optical module, the ratio of the circularly polarized component of the light irradiated to the gas cell and the amount of light change due to the change in the polarization direction of the polarized light with time in the surface emitting laser. Therefore, the stability of the atomic oscillator can be improved.
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記制御部は、前記第2光検出部で検出される前記第2偏光光の光量が変化したときに、変化する前の前記第2偏光光の光量に戻すように前記駆動部を動作させてもよい。
In the optical module according to the present invention,
The control unit operates the driving unit to return the light amount of the second polarized light before the change when the light amount of the second polarized light detected by the second light detection unit is changed. Also good.
このような光学モジュールでは、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、第1偏光光の光量を一定にすることができるため、ガスセルに照射される光の光量を一定にすることができる。 In such an optical module, even if the polarization direction of the polarized light in the surface emitting laser changes, the amount of the first polarized light can be made constant, so that the amount of the light irradiated to the gas cell is made constant. Can do.
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記制御部は、前記第2光検出部で検出される前記第2偏光光の光量が所定の光量となるように前記駆動部を動作させてもよい。
In the optical module according to the present invention,
The control unit may operate the driving unit so that a light amount of the second polarized light detected by the second light detection unit becomes a predetermined light amount.
このような光学モジュールでは、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、第1偏光光の光量を一定にすることができるため、ガスセルに照射される光の光量を一定にすることができる。 In such an optical module, even if the polarization direction of the polarized light in the surface emitting laser changes, the amount of the first polarized light can be made constant, so that the amount of the light irradiated to the gas cell is made constant. Can do.
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記偏光分離部は、前記面発光レーザーから射出した光を、p偏光の光とs偏光の光とに分離する偏光ビームスプリッターであってもよい。
In the optical module according to the present invention,
The polarization separation unit may be a polarization beam splitter that separates light emitted from the surface emitting laser into p-polarized light and s-polarized light.
このような光学モジュールでは、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、λ/4板に入射する偏光光の偏光方向をλ/4板に対して一定の方向にすることができる。 In such an optical module, even if the polarization direction of the polarized light in the surface emitting laser changes, the polarization direction of the polarized light incident on the λ / 4 plate can be made constant with respect to the λ / 4 plate. .
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記面発光レーザーは、偏光光を射出してもよい。
In the optical module according to the present invention,
The surface emitting laser may emit polarized light.
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る光学モジュールを含む。
The atomic oscillator according to the present invention is
The optical module which concerns on this invention is included.
このような原子発振器では、本発明に係る光学モジュールを含むため、装置の安定性を高めることができる。 Since such an atomic oscillator includes the optical module according to the present invention, the stability of the apparatus can be improved.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.
1.光学モジュール
まず、本実施形態に係る光学モジュールについて、図面を参照しながら説明する。ここでは、本実施形態に係る光学モジュールを原子発振器に適用した例について説明する。図1は、本実施形態に係る光学モジュール100を含んで構成された原子発振器1を示すブロック図である。
1. Optical Module First, the optical module according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Here, an example in which the optical module according to the present embodiment is applied to an atomic oscillator will be described. FIG. 1 is a block diagram showing an atomic oscillator 1 including an
原子発振器1は、図1に示すように、光学モジュール100と、中心波長制御部2と、高周波制御部4と、を含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the atomic oscillator 1 includes an
光学モジュール100は、図1に示すように、面発光レーザー10と、偏光分離部20と、λ/4板30と、ガスセル40と、第1光検出部50と、第2光検出部60と、駆動部70と、制御部80と、を含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
面発光レーザー10は、例えば、共振器を半導体基板に対して垂直に作りこんだ垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。面発光レーザー10は、偏光光を射出する。ここで偏光光とは、直線偏光の場合と、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光の場合と、を含む。直線偏光とは、光の電場の振動方向が一平面内にある光をいう。また、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光とは、楕円偏光の長軸の長さが楕円偏光の短軸の長さに対して十分に長いものをいう。例えば、長軸の長さaと短軸の長さbの比がa/b≧10の関係を満たす楕円偏光である。ここで、楕円偏光の長軸とは、光の電場の振動ベクトルの先端が楕円運動する楕円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く楕円の長軸をいう。また、楕円偏光の短軸とは、当該楕円の短軸をいう。なお、図1では、偏光光(直線偏光の光)を実線の白抜き矢印で示し、電場の振動ベクトルの先端が円運動をする光(円偏光の光)を破線の白抜き矢印で示している。
The
面発光レーザー10では、経時的に偏光光の偏光方向(直線偏光における電場の振動方向)が変化する。すなわち、面発光レーザー10では、経時的に偏光面が回転する。ここで、偏光面とは、光の進行方向と電場の振動方向とを含む面である。なお、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光において、偏光光の偏光方向とは、楕円偏光の長軸の方向をいうことができる。
In the
面発光レーザー10から射出された光は、偏光分離部20に入射する。ここで、光学モジュール100では、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が変化しても、後述するように、制御部80が駆動部70を動作させて面発光レーザー10を光軸まわりに回転させることにより、偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向を一定の方向にすることができる。ここで、光軸とは、面発光レーザー10から射出された光の広がりの中心を通る軸である(図4および図5の光軸A参照)。
The light emitted from the
図2は、面発光レーザー10が射出する光の周波数スペクトラムを示す図である。図3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および第2側帯波W2の関係を示す図である。面発光レーザー10から射出される光は、図2に示す、中心周波数f0(=c/λ0:cは光の速さ、λ0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f0に対して上側サイドバンドに周波数f1を有する第1側帯波W1と、中心周波数f0に対して下側サイドバンドに周波数f2を有する第2側帯波W2と、を含む。第1側帯波W1の周波数f1は、f1=f0+fmであり、第2側帯波W2の周波数f2は、f2=f0−fmである。
FIG. 2 is a diagram illustrating a frequency spectrum of light emitted from the
図3に示すように、第1側帯波W1の周波数f1と第2側帯波W2の周波数f2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とのエネルギー差ΔE12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f1を有する第1側帯波W1と、周波数f2を有する第2側帯波W2と、によってEIT現象を起こす。 As shown in FIG. 3, the energy difference between the frequency f 1 of the first sideband wave W1 frequency difference between the frequency f 2 of the second sideband wave W2 is the ground level GL1 and ground level GL2 alkali metal atom ΔE This corresponds to the frequency corresponding to 12 . Therefore, the alkali metal atom is, causing the first sideband W1 having a frequency f 1, a second sideband wave W2 having a frequency f 2, the EIT phenomenon by.
偏光分離部20は、面発光レーザー10から射出した光を、第1の方向に偏光する第1偏光光L1と、第1の方向と直交する第2の方向に偏光する第2偏光光L2とに分離する。ここで、第1の方向に偏光する第1偏光光L1とは、電場の振動方向が第1の方向である直線偏光の光をいう。同様に、第2の方向に偏光する第2偏光光L2とは、電場の振動方向が第2の方向である直線偏光の光をいう。このように偏光分離部20は、入射した光の偏光成分を分離する。
The
偏光分離部20は、例えば、面発光レーザー10から射出した光を、p偏光の光とs偏光の光とに分離する偏光ビームスプリッターである。ここで、p偏光の光とは、偏光分離部20の偏向分離面22の入射面に対して、偏光方向が平行な光(電場の振動方向が平行な光)である。また、s偏光の光とは、偏光分離部20の偏向分離面22の入射面に対して、偏光方向が垂直な光(電場の振動方向が垂直な光)である。なお、偏向分離面22の入射面とは、偏向分離面22に入射する光の光軸と偏向分離面22にて反射する光の光軸とを含む平面であり、図1の紙面に平行な面である。偏光分離部20は、面発光レーザー10から射出された光のp偏光成分を透過させ、s偏光成分を反射させることで、p偏光の光とs偏光の光とに分離する。このとき、上記第1の方向は、偏向分離面22の入射面に対して平行な方向であり、上記第2の方向は、偏向分離面22の入射面に対して垂直な方向である。また、第1偏光光L1は、p偏光の光に対応し、第2偏光光L2は、s偏光の光に対応する。
The
偏光分離部20は、入射する偏光光の偏光方向に応じて、第1偏光光L1と第2偏光光L2の分離比が異なる特性を持つ。例えば、偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向が変化した場合には、第1偏光光L1の光量と第2偏光光L2の光量の比も変化する。光学モジュール100では、後述するように、面発光レーザー10から射出されて偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向を一定の方向にすることができるため、第1偏光光L1の光量と第2偏光光L2の光量の比も一定にすることができる。
The
光学モジュール100では、面発光レーザー10から射出された光は、偏光分離部20によって第1偏光光L1と第2偏光光L2とに分離されることにより、2つの経路(経路R1、経路R2)に分かれる。経路R1は、偏光分離部20で分離されてからλ/4板30、ガスセル40を通って第1光検出部50で検出されるまでの光の経路である。経路R1は、EIT現象を利用して原子発振器1を発振器として動作させるための光の経路である。経路R2は、偏光分離部20で分離されてから第2光検出部60で検出されるまでの光の経路である。経路R2は、第2偏光光L2の光量をモニターするための光の経路である。また、経路R2は、第2偏光光L2の光量を介して、間接的に第1偏向光L1の光量をモニターする経路であるともいえる。
In the
λ/4板30には、偏光分離部20で分離された第1偏光光L1が入射する。λ/4板30は、光の直交する直線偏光成分間に1/4波長の光路差(90°の位相差)を与える波長板である。λ/4板30は、第1偏光光L1(直線偏光)を円偏光に変換する。λ/4板30は、第1偏光光L1の偏光方向(直線偏光の振動方向)に対して、速軸が45°の角度となるように配置されている。これにより、第1偏光光L1を円偏光に変換することができる。ここで、速軸(高速軸)とは、λ/4板において小さい屈折率を持つ方向の軸をいい、λ/4板の遅軸(低速軸、大きい屈折率を持つ方向の軸)に対して直交する軸である。λ/4板30としては、例えば、水晶板や、雲母板等を用いることができる。
The first polarized light L1 separated by the
ガスセル40は、容器中に気体状のアルカリ金属原子(ナトリウム原子、ルビジウム原子、セシウム原子等)が封入されたものである。このガスセル40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。
The
ガスセル40には、λ/4板30を透過した光(円偏光)が照射される。光学モジュール100では、面発光レーザー10から射出された光を偏光分離部20を介してλ/4板30で円偏光に変換して、ガスセル40に照射する。これにより、EIT現象の発現確率を高めることができる。
The
第1光検出部50は、ガスセル40に封入されたアルカリ金属原子を透過した光の強度を検出する。第1光検出部50は、アルカリ金属原子を透過した光の強度に応じた検出信号を出力する。第1光検出部50としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
The first
第2光検出部60は、偏光分離部20で分離された第2偏光光L2の強度を検出する。第2光検出部60は、第2偏光光L2の強度に応じた検出信号を出力する。第2光検出部60としては、例えば、フォトダイオードを用いる。第2光検出部60の検出信号は、制御部80に出力される。
The second
駆動部70は、面発光レーザー10を光軸周りに回転させる。これにより、偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向を変えることができる。ここで、第1偏光光L1の光量および第2偏光光L2の光量は、偏光分離部20における偏光光L1,L2の分離比によって決まる。また、偏光光L1,L2の分離比は、偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向によって決まる。そのため、駆動部70が面発光レーザー10を回転させることにより偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向を変えることで、第2偏光光L2の光量(第1偏光光L1の光量)を変化させることができる。駆動部70は、制御部80によって、制御される。駆動部70の具体的な構成については後述する。
The
制御部80は、第2光検出部60で検出した光の光量に応じて、駆動部70を動作させる。具体的には、制御部80は、第2光検出部60で検出される第2偏光光L2の光量が変化したときに、変化する前の第2偏光光L2の光量に戻すように駆動部70を動作させる。これにより、第1偏光光L1の光量も変化する前の光量に戻すことができるため、ガスセル40に照射される光の量を一定にすることができる。
The
制御部80は、例えば、第2光検出部60で検出される第2偏光光L2の光量が所定の光量となるように駆動部70を動作させる。なお、所定の光量は、例えば、第2偏光光L2の光量が最小となるときの光量である。すなわち、第1偏光光L1の光量が最大となるときの第2偏光光L2の光量である。なお、所定の光量は、第2偏光光L2の光量が最小となるときの光量に限定されず、適宜設定することができる。
For example, the
具体的には、制御部80は、例えば、駆動部70を動作させて面発光レーザー10を光軸まわりに回転させて偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向を変化させながら第2偏光光L2の光量をモニターし、第2偏光光L2の光量が所定の光量となったところで駆動部70の動作を止める。これにより、第2偏光光L2の光量を所定の光量とすることができる。
Specifically, for example, the
中心波長制御部2は、第1光検出部50が出力する検出信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて面発光レーザー10に供給し、面発光レーザー10が射出する光の中心波長λ0を制御する。面発光レーザー10、ガスセル40、第1光検出部50、中心波長制御部2を通るフィードバックループにより、面発光レーザー10が射出する光の中心波長λ0が微調整されて安定する。
The center
高周波制御部4は、第1光検出部50が出力する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40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。高周波制御部4は、第1光検出部50が出力する検出結果に応じた変調周波数fm(図2参照)を有する変調信号を発生させる。
Based on the detection result output from the first
面発光レーザー10、ガスセル40、第1光検出部50、高周波制御部4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fm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1の出力信号(クロック出力)とすることができる。
Due to the feedback loop passing through the
2. 面発光レーザーおよび駆動部の構成
次に、面発光レーザー10および駆動部70の構成の一例について、図面を参照しながら説明する。図4は、面発光レーザー10および駆動部70を模式的に示す平面図である。図5は、面発光レーザー10および駆動部70を模式的に示す断面図であり、図4のV−V線断面図である。
2. Configuration of Surface Emitting Laser and Driving Unit Next, an example of the configuration of the
面発光レーザー10は、図4および図5に示すように、半導体積層体11と、電極12a,12bと、支持基板16と、を含んで構成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
半導体積層体11は、例えば、第1半導体多層膜ミラーと、第2半導体多層膜ミラーと、第1および第2半導体多層膜ミラーに挟まれた活性層と、を含んで構成されている。この第1および第2半導体多層膜ミラーと活性層により、垂直共振器が構成される。 The semiconductor stacked body 11 includes, for example, a first semiconductor multilayer film mirror, a second semiconductor multilayer film mirror, and an active layer sandwiched between the first and second semiconductor multilayer film mirrors. The first and second semiconductor multilayer mirrors and the active layer constitute a vertical resonator.
電極12a,12bは、半導体積層体11の表面に設けられている。電極12a,12bに駆動信号が供給されると、活性層において光が発生する。そして、面発光レーザー10は、射出面13から光を射出する。
The
支持基板16は、半導体積層体11を支持している。支持基板16には、電極12a,12bに駆動信号(中心波長制御部2の出力信号および高周波制御部4の出力信号)を供給するための端子14a,14bが設けられている。端子14aと電極12aとは配線ワイヤー15aによって接続されている。端子14bと電極12bとは配線ワイヤー15bによって接続されている。支持基板16の形状は、例えば、円盤状である。
The
面発光レーザー10は、図示の例では、ステム17に実装されている。
The
ステム17は、支持基板16を支持している。ステム17には、端子14aが挿入される溝18aと、端子14bが挿入される溝18bとが設けられている。溝18a,18bは、図4に示すように平面視において、射出面13から射出される光の光軸Aを中心とする同心円状に設けられている。溝18aの内面には外部電極19aが設けられ、溝18bの内面には外部電極19bが設けられている。中心波長制御部2および高周波制御部4で生成された駆動信号は、外部電極19a,19b、端子14a,14b、配線ワイヤー15a,15bを介して電極12a,12bに供給される。溝18a,18bに端子14a,14bが挿入されていることにより、面発光レーザー10が回転しても、電極12a,12bに駆動信号を供給することができる。
The
ステム17は、例えば、Cu、Al、Mo、W、Si、C、Be、Auや、これらの化合物(例えば、AlN、BeOなど)や合金(例えばCuMoなど)などからなる。また、これらの例示を組み合わせたもの、例えば銅(Cu)層とモリブデン(Mo)層の多層構造などから、ステム17を構成することもできる。
The
駆動部70は、モーター71を含んで構成されている。モーター71は、例えば、ステップモーター(ステッピングモーター)である。モーター71は、制御部80によって制御される。モーター71は、軸部材71aを回転させる。
The
軸部材71aは、ステム17を貫通する貫通孔を通って、支持基板16に接続されている。軸部材71aは、平面視で光軸Aと重なるように配置される。そのため、モーター71の動作により軸部材71aが回転することで、面発光レーザー10が光軸A周りに回転する。これにより、面発光レーザー10から射出される偏光光の偏光方向を変える(偏光面を回転させる)ことができる。
The
3. 光学モジュールの動作
次に、光学モジュール100の動作について、図1を参照しながら説明する。
3. Operation of Optical Module Next, the operation of the
面発光レーザー10は、偏光光を射出する。面発光レーザー10から射出された偏光光は、偏光分離部20に入射する。偏光分離部20に入射した光は、互いに偏光方向が垂直な方向である第1偏光光L1と第2偏光光L2とに分離される。このように、面発光レーザー10から射出された光は、偏光分離部20によって第1偏光光L1と第2偏光光L2とに分離されることにより、2つの経路(経路R1、経路R2)に分かれる。以下、各経路R1,R2ごとに説明する。
The
まず、経路R1について説明する。 First, the route R1 will be described.
偏光分離部20を透過した第1偏光光L1は、λ/4板30に入射する。第1偏光光L1は、λ/4板30で円偏光に変換され、ガスセル40に入射する。ここで、面発光レーザー10から射出される光は、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(第1側帯波W1、第2側帯波W2)を含んでおり、アルカリ金属原子がEIT現象を起こす。ガスセル40を透過した光の強度は第1光検出部50で検出される。
The first polarized light L1 transmitted through the
中心波長制御部2および高周波制御部4は、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を行う。原子発振器1では、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f1−f2が基底準位GL1と基底準位GL2とのエネルギー差ΔE12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。
The center
次に、経路R2について説明する。 Next, the route R2 will be described.
偏光分離部20で反射された第2偏光光L2は、第2光検出部60に入射する。第2光検出部60では、第2偏光光L2の強度が検出される。
The second polarized light L <b> 2 reflected by the
ここで、偏光分離部20は、入射する偏光光の偏光方向に応じて、第1偏光光L1と第2偏光光L2の分離比が異なる特性を持つ。そのため、例えば、面発光レーザー10から射出される偏光光の偏光方向が変化すると、偏光分離部20において第1偏光光L1と第2偏光光L2の分離比が変わる。これにより、ガスセル40に照射される光の量が変化してしまう。
Here, the
そのため、制御部80は、第2光検出部60で検出される第2偏光光L2の光量が変化したときに、変化する前の第2偏光光L2の光量に戻すように駆動部70を動作させる。これにより、第1偏光光L1の光量も変化する前の光量に戻すことができるため、ガスセル40に照射される光の量を一定にすることができる。
Therefore, when the light amount of the second polarized light L2 detected by the second
制御部80の処理の一例について具体的に説明する。
An example of the processing of the
制御部80は、第2光検出部60が出力する検出信号の強度が設定値から変化すると、駆動部70を動作させて面発光レーザー10を回転させる。ここで、設定値は、例えば、第2偏光光L2の光量が最小となるときの第2光検出部60の検出信号の強度である。面発光レーザー10を回転させることにより、偏光分離部20に入射する偏光光の偏光方向が変化する。これにより、偏光分離部20の偏光光L1,L2の分離比が変化し、第2偏光光L2の光量が変化する。
When the intensity of the detection signal output from the second
制御部80は、第2光検出部60が出力する検出信号の強度(第2偏光光L2の光量)をモニターしながら、当該検出信号の強度が設定値(最小値)になるまで駆動部70を動作させて面発光レーザー10を回転させる。そして、制御部80は、当該検出信号の強度が設定値(最小値)になると処理を終了する。
The
なお、制御部80は、第2光検出部60が出力する検出信号の強度をモニターしながら面発光レーザー10を回転させる際に、面発光レーザー10の回転(例えば右まわりの回転)に伴って当該検出信号の強度が大きくなる場合には、面発光レーザー10を逆回転(例えば左まわりの回転)させる処理を行ってもよい。
When the
4. 光学モジュールの特徴
本実施形態に係る光学モジュール100は、例えば、以下の特徴を有する。
4). Features of Optical Module The
光学モジュール100では、面発光レーザー10と、面発光レーザー10から射出した光を、第1の方向に偏光する第1偏光光L1と前記第1の方向と直交する第2の方向に偏光する第2偏光光L2とに分離する偏光分離部20と、第1偏光光L1が入射するλ/4板30と、アルカリ金属ガスが封入され、かつ、λ/4板30を透過した光が照射されるガスセル40と、ガスセル40を透過した光の強度を検出する第1光検出部50と、第2偏光光L2の強度を検出する第2光検出部60と、面発光レーザー10を光軸周りに回転させる駆動部70と、第2光検出部60で検出した光量に応じて、駆動部70を動作させる制御部80と、を含む。このように、光学モジュール100では、面発光レーザー10から射出した光を偏光分離部20で分離して第1の方向に偏光する第1偏光光L1として、λ/4板30に入射させる。したがって、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が変化してもλ/4板30に入射する偏光光の偏光方向をλ/4板30に対して一定の方向(λ/4板30の速軸に対して45°傾いた方向)にすることができる。これにより、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセル40に照射される光の円偏光成分の割合が変化することを防ぐことができる。
In the
さらに、光学モジュール100では、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が変化しても、制御部80が駆動部70を動作させて面発光レーザー10を光軸まわりに回転させることにより、ガスセル40に照射される光の光量を一定にすることができる。
Further, in the
このように、光学モジュール100によれば、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセル40に照射させる光の円偏光成分の割合、およびその光量が変化することを防ぐことができるため、原子発振器1の安定性を高めることができる。
As described above, according to the
光学モジュール100では、制御部80は、第2光検出部60で検出される第2偏光光L2の光量が変化したときに、変化する前の第2偏光光L2の光量に戻すように駆動部70を動作させる。これにより、第1偏光光L1の光量を一定にすることができるため、ガスセル40に照射される光の量を一定にすることができる。
In the
光学モジュール100では、制御部80は、第2光検出部60で検出される第2偏光光L2の光量が所定の光量となるように駆動部70を動作させる。これにより、第1偏光光L1の光量を一定にすることができるため、ガスセル40に照射される光の量を一定にすることができる。
In the
光学モジュール100では、偏光分離部20は、面発光レーザー10から射出した光を、p偏光の光とs偏光の光とに分離する偏光ビームスプリッターであるため、面発光レーザー10において偏光光の偏光方向が変化してもλ/4板30に入射する偏光光の偏光方向をλ/4板30に対して一定の方向にすることができる。
In the
上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。 The above-described embodiments are examples, and the present invention is not limited to these.
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。 The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
1…原子発振器、2…中心波長制御部、4…高周波制御部、10…面発光レーザー、11…半導体積層体、12a,12b…電極、13…射出面、14a,14b…端子、15a,15b…配線ワイヤー、16…支持基板、17…ステム、18a,18b…溝、19a,19b…外部電極、20…偏光分離部、30…λ/4板、40…ガスセル、50…第1光検出部、60…第2光検出部、70…駆動部、71…モーター、71a…軸部材、80…制御部、100…光学モジュール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Atomic oscillator, 2 ... Center wavelength control part, 4 ... High frequency control part, 10 ... Surface emitting laser, 11 ... Semiconductor laminated body, 12a, 12b ... Electrode, 13 ... Ejection surface, 14a, 14b ... Terminal, 15a, 15b DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Wiring wire, 16 ... Support substrate, 17 ... Stem, 18a, 18b ... Groove, 19a, 19b ... External electrode, 20 ... Polarization separation part, 30 ... λ / 4 plate, 40 ... Gas cell, 50 ... 1st light detection part , 60 ... second light detection unit, 70 ... drive unit, 71 ... motor, 71a ... shaft member, 80 ... control unit, 100 ... optical module
Claims (6)
光を射出する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーから射出した光を、第1の方向に偏光する第1偏光光と前記第1の方向と直交する第2の方向に偏光する第2偏光光とに分離する偏光分離部と、
前記第1偏光光が入射するλ/4板と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記λ/4板を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した光の強度を検出する第1光検出部と、
前記第2偏光光の強度を検出する第2光検出部と、
前記面発光レーザーを光軸周りに回転させる駆動部と、
前記第2光検出部で検出した光量に応じて、前記駆動部を動作させる制御部と、
を含むことを特徴とする光学モジュール。 An optical module of an atomic oscillator,
A surface emitting laser that emits light;
A polarization separation unit that separates light emitted from the surface emitting laser into first polarized light polarized in a first direction and second polarized light polarized in a second direction orthogonal to the first direction;
A λ / 4 plate on which the first polarized light is incident;
A gas cell filled with an alkali metal gas and irradiated with light transmitted through the λ / 4 plate;
A first light detector for detecting the intensity of light transmitted through the gas cell;
A second light detection unit for detecting the intensity of the second polarized light;
A drive unit for rotating the surface emitting laser around an optical axis;
A control unit that operates the driving unit in accordance with the amount of light detected by the second light detection unit;
An optical module comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013218098A JP2015082511A (en) | 2013-10-21 | 2013-10-21 | Optical module and atomic oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
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2013
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