JP2015089055A - 光学モジュールおよび原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】面発光レーザーから射出される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一定にすることができる光学モジュールを提供する。
【解決手段】光学モジュール１００は、光を射出する面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０から射出された光が照射され、かつ、当該照射された光の偏光状態を解消する偏光解消素子２０と、偏光解消素子２０を透過した光が照射される偏光素子３０と、偏光素子３０を透過した光が照射され、かつ、偏光素子３０の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられるλ／４板４０と、アルカリ金属ガスが封入され、かつ、λ／４板４０を透過した光が照射されるガスセル５０と、ガスセル５０を透過した光の強度を検出する光検出部６０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。

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ｍ_F＝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。

特開２０１３−９８６０６号公報

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。

しかしながら、面発光レーザーでは、外的要因（温度、応力、素子構造の経年変化等）により、射出される偏光光の偏光方向が変化すること、すなわち、偏光スイッチが起きることが知られている。原子発振器に用いられるシングルモードＶＣＳＥＬでは、通常、直交する２つの方向の偏光が許容されている。そのため、このようなＶＣＳＥＬでは、偏光スイッチによって、２つの方向のうちの一方から他方に偏光方向が変わる、すなわち偏光方向が９０度回転してしまうため、射出される偏光光の偏光方向を１つの方向に定めることができない。

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（ＶＣＳＥＬ）を適用すると、偏光スイッチにより面発光レーザーから射出される偏光光の偏光方向が変化してしまい、λ／４板に入射する偏光光の偏光方向が変化してしまうという問題がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、面発光レーザーから射出される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一定にす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。

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された光が照射され、かつ、当該照射された光の偏光状態を解消する偏光解消素子と、
前記偏光解消素子を透過した光が照射される偏光素子と、
前記偏光素子を透過した光が照射され、かつ、前記偏光素子の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられる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光検出部と、
を含む。

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される偏光光の偏光方向が変化しても、偏光素子によってλ／４板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。したがって、ガスセルに照射される円偏光の回転方向を一定にすることができる。これにより、例えば原子発振器の周波数安定性を高めることができる。

さらに、このような光学モジュールでは、偏光解消素子が面発光レーザーから射出された光の偏光状態を解消して偏光素子に入射させることにより、面発光レーザーから射出される偏光光の偏光方向が変化しても、偏光素子を透過する光の光量の変動を小さくすることができる。これにより、ガスセルに照射される光の光量の変動を小さくすることができ、原子発振器の周波数安定性を高めることができる。

本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記偏光解消素子は、前記偏光解消素子に照射された光を、前記偏光解消素子を通過する場所によって異なる偏光状態にしてもよい。

このような光学モジュールによれば、偏光解消素子は偏光素子を透過する光の光量の時間的な変化を小さくして、照射された光の偏光状態を解消することができる。

本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記偏光解消素子は、前記偏光解消素子に照射された光を、前記偏光解消素子を通過する時間によって異なる偏光状態にしてもよい。

このような光学モジュールによれば、偏光解消素子は照射された光の偏光状態を解消することができる。

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から射出される光の偏光方向は、第１の方向から前記第１の方向と直交する第２の方向に変化させてもよい。

このような光学モジュールによれば、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が第１の方向から第２の方向に変化しても、ガスセルに照射される円偏光の回転方向、および光量を一定にすることができる。

本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る光学モジュールを含む。

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、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が変化しても、ガスセルに照射される円偏光の回転方向を一定にすることができる。これにより、例えば周波数安定性を高めることができる。

本実施形態に係る光学モジュールを含む原子発振器を示すブロック図。 本実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示す図。 本実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示す図。 共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。 アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波および第２側帯波の関係を示す図。 参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図。 参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図。

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．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。

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。

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、偏光解消素子２０と、偏光素子３０と、λ／４板４０と、ガスセル５０と、光検出部６０と、を含んで構成されている。

図２および図３は、光学モジュール１００の構成を模式的に示す図である。図２は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＹ方向の場合を示し、図３は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＸ方向の場合を示している。図２および図３では、便宜上、光検出部６０の図示を省略している。

なお、図２および図３には、面発光レーザー１０の光軸と一致する軸として、Ｚ軸を図示している。ここで、面発光レーザー１０の光軸とは、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。また、図２および図３には、Ｚ軸に直交し、かつ、互いに直交する軸としてＸ軸およびＹ軸を図示している。

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、例えば、シングルモード（単一モード）のＶＣＳＥＬ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ｂ／ａ≦０．１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、偏光光を実線の白抜き矢印で示し、無偏光の光を点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。

面発光レーザー１０では、直交する２つの方向の偏光が許容される。そのため、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、この２つの方向のいずれかの方向である。ここで、偏光光の偏光方向とは、直線偏光において、電場の振動方向をいう。また、偏光光の偏光方向とは、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光において、楕円偏光の長軸の方向をいう。図２および図３の例では、面発光レーザー１０では、Ｘ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）の偏光が許容されており、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、Ｘ方向またはＹ方向である。

例えば、面発光レーザー１０が半導体基板として（１００）ＧａＡｓ基板を用いている場合、［０１１］軸方向（例えばＸ方向）、または［０−１１］軸方向（例えばＹ方向）に偏光が許容される。そのため、このような面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、［０１１］軸方向、または［０−１１］軸方向である。

面発光レーザー１０では、外的要因（温度、応力、素子構造の経年変化等）により、射出される偏光光の偏光方向が変化する偏光スイッチが起こる。面発光レーザー１０では、偏光スイッチにより偏光が許容される２つの方向のうちの一方（第１の方向）から他方（第２の方向）に偏光方向が変わる。例えば、面発光レーザー１０において、射出される偏光光の偏光方向がＹ方向のとき（図２参照）に、偏光スイッチがおきると、射出される偏光光の偏光方向はＸ方向に変わる（図３参照）。また、面発光レーザー１０において、射出される偏光光の偏光方向がＸ方向のとき（図３参照）に、偏光スイッチがおきると、射出される偏光光の偏光方向はＹ方向に変わる（図２参照）。

例えば、面発光レーザー１０が半導体基板として（１００）ＧａＡｓ基板を用いている場合、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が［０１１］軸方向のときに、偏光スイッチが起きると、射出される偏光光の偏光方向は［０−１１］軸方向に変わる。また、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が［０−１１］軸方向のときに、偏光スイッチが起きると、射出される偏光光の偏光方向は［０１１］軸方向に変わる。

図４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５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４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＋ｆ_mであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ₂は、ｆ₂＝ｆ₀−ｆ_mである。

図５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。

偏光解消素子２０には、面発光レーザー１０から射出された光が入射する。偏光解消素子２０は、面発光レーザー１０から照射された光（偏光光）の偏光状態を解消する。ここで、光（偏光光）の偏光状態を解消するとは、偏光光の偏光度を小さくすることをいう。偏光度とは、偏光の度合いを表す量である。例えば、光に含まれる偏光の強度をＩ_P、無偏光（自然光）の強度をＩ_uとしたとき、偏光度Ｖは、Ｖ＝Ｉ_P／（Ｉ_P＋Ｉ_u）で与えられる。ここで、無偏光（自然光）とは、光の電場の振動方向が不規則に変化しているが、ある時間の平均をとったときに方向分布が一様な光をいう。無偏光は、例えば、ランダムに偏光している光（ランダム偏光）ともいえる。

偏光解消素子２０は、例えば、入射した偏光光の偏光状態を解消して偏光度を０．３以下にすることが好ましい。より好ましくは、偏光解消素子２０は、入射した偏光光を無偏光（偏光度Ｖ＝０）にする。

図２の例では、偏光解消素子２０は、Ｙ方向に偏光した偏光光の偏光を解消して、例えば、無偏光の光とする。図３の例では、偏光解消素子２０は、Ｘ方向に偏光した偏光光の偏光を解消して、例えば、無偏光の光とする。

このように、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が９０度回転しても（すなわち、偏光方向がＹ方向からＸ方向に変わっても）、偏光解消素子２０によって偏光状態が解消されて無偏光の光となる。このとき、偏光解消素子２０を透過した光（無偏光）の光量は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＹ方向の場合（図２の場合）も、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＸ方向の場合（図３の場合）も、同じとなる。

偏光解消素子２０は、例えば、偏光光を様々な偏光が混在した状態に変換することで、偏光光の偏光状態を解消する。具体的には、例えば、偏光解消素子２０は、面発光レーザー１０から照射された光（偏光光）を、当該偏光解消素子２０を通過する場所によって異なる偏光状態にする。言い換えると、偏光解消素子２０は、入射した偏光光に空間的に位相差を与えることによって様々な偏光状態の偏光が混在した状態の光をつくる。これにより、偏光光の偏光状態を解消することができる。このような偏光解消素子２０としては、例えば、光学軸を持った水晶等の光学結晶を楔形にした偏光解消板等を用いることができる。

また、例えば、偏光解消素子２０は、面発光レーザー１０から照射された光（偏光光）を、当該偏光解消素子２０を通過する時間によって異なる偏光状態にする。言い換えると、偏光解消素子２０は、入射した偏光光の偏光状態を時間的に変化させる。これにより、偏光光の偏光状態を解消することができる。このような偏光解消素子２０としては、例えば、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）結晶等の電気光学効果を示す結晶に交番電圧を印加することで、この結晶を通過する偏光光の偏光方向を時間的に変化させ、様々な偏光が混在した状態に変換する素子を用いることができる。

なお、ここでは、面発光レーザー１０と偏光素子３０との間に１つの偏光解消素子２０を配置する場合について説明したが、面発光レーザー１０と偏光素子３０との間に複数の偏光解消素子２０を配置してもよい。これにより、偏光光の偏光状態をより解消することができる。

偏光素子３０には、偏光解消素子２０を透過した光が入射する。すなわち、偏光素子３０には、偏光解消素子２０で偏光状態が解消された光（例えば無偏光の光）が入射する。偏光素子３０は、例えば入射した光から偏光透過軸３０ｔの方向に偏光した光だけを通過させる偏光板である。ここで、偏光透過軸３０ｔとは、光の電場の振動を通過させる軸で
ある。偏光素子３０は、偏光解消素子２０で偏光状態が解消された光、例えば無偏光の光を、偏光光に変換する。このとき、偏光素子３０を透過する偏光光の偏光方向は、偏光透過軸３０ｔの方向である。

図２および図３の例では、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔは、光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回りに４５度回転して（傾いて）設けられている。すなわち、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔは、光の進行方向に向かって、Ｘ軸に対して左回りに４５度回転して（傾いて）設けられている。なお、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔの方向は、後述するλ／４板４０の速軸４０ｆとなす角度が４５度になるように配置されていれば特に限定されない。

なお、偏光素子３０を透過した光の光量は、偏光素子３０に入射したときの光の光量と比べて、減少する（例えば約１／２になる）。しかしながら、偏光素子３０での光量の減少は、原子発振器１の動作に影響を与えない。

λ／４板４０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４０では、速軸４０ｆに対して４５度傾いた方向を偏光方向とする偏光光が入射すると、当該偏光光を円偏光に変換する。ここで、速軸（高速軸）４０ｆ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４０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。

λ／４板４０には、偏光素子３０を透過した光が照射される。すなわち、λ／４板４０には、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔの方向に偏光している光（偏光方向が偏光透過軸３０ｔの方向の偏光光）が照射される。

λ／４板４０は、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔに対して速軸４０ｆが４５度回転して設けられている。すなわち、λ／４板４０の速軸４０ｆは、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔに対して、光軸まわりに４５度傾いて設けられている。これにより、λ／４板４０に入射する偏光光の偏光方向は、λ／４板４０の速軸４０ｆに対して４５度傾いた角度になる。そのため、λ／４板４０に入射した偏光光（直線偏光）は、円偏光に変換される。

図２および図３の例では、λ／４板４０には、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回り（Ｘ軸に対して左回り）に４５度傾いた方向に偏光する偏光光が入射する。λ／４板４０の速軸４０ｆは、Ｘ軸に平行に設けられている。そのため、λ／４板４０の速軸４０ｆと入射する偏光光の偏光方向とが４５度の角度をなし、入射した偏光光はλ／４板４０で円偏光に変換される。より具体的には、λ／４板４０に入射した偏光光は、λ／４板４０で回転方向が右回りの円偏光、すなわち右円偏光に変換される。ここで、円偏光の回転方向とは、光の電場の振動ベクトルの先端が円運動する円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く円を光の進行方向からみたときの回転方向（右回り、左回り）をいう。したがって、右円偏光とは、光の電場の振動ベクトルの先端が円運動する円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く円が光の進行方向からみたときに右回りにまわる円偏光をいう。

なお、ここでは、λ／４板４０が入射した偏光光を右円偏光に変換する場合について説明したが、λ／４板４０が入射した偏光光を左円偏光に変換してもよい。すなわち、例えば、図２および図３の例において、λ／４板４０の速軸４０ｆをＹ軸に平行に設けてもよい。

ガスセル５０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５０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。

ガスセル５０には、λ／４板４０を透過した光（円偏光）が照射される。これにより、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。また、光学モジュール１００では、上述のように、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向および光量を一定にすることができる。

光検出部６０は、ガスセル５０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。光検出部６０は、アルカリ金属原子を透過した光の量に応じた検出信号を出力する。光検出部６０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。

中心波長制御部２は、光検出部６０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５０、光検出部６０、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。

高周波制御部４は、光検出部６０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５０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、光検出部６０が出力する検出結果に応じた変調周波数ｆ_m（図４参照）を有する変調信号を発生させる。

面発光レーザー１０、ガスセル５０、光検出部６０、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ｆ_m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。

２． 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〜図３を参照しながら説明する。

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、偏光解消素子２０に入射する。偏光解消素子２０は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光状態を解消して、例えば無偏光の光にする。光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が変化しても（例えば９０度回転しても）、偏光解消素子２０によって、偏光素子３０に入射する光を、例えば無偏光であり、かつ光量が一定の光とすることができる。

偏光解消素子２０を透過した光（無偏光）は、偏光素子３０に入射する。偏光素子３０は、入射した光（無偏光）を、偏光透過軸３０ｔの方向に偏光した偏光光に変換する。

偏光素子３０を透過した光（偏光光）は、λ／４板４０に入射する。λ／４板４０は、偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔに対して速軸４０ｆが４５度回転して設けられている。そのため、λ／４板４０を透過した偏光光（直線偏光）は、円偏光となる。光学モジュー
ル１００では、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、λ／４板４０に入射する偏光光の偏光方向、およびその光量を一定にすることができるため、ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向および光量を一定にすることができる。

λ／４板４０を透過した光（円偏光）は、ガスセル５０に入射する。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５０を透過した光の強度は光検出部６０で検出される。

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。

３． 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。

光学モジュール１００では、偏光解消素子２０が、面発光レーザー１０から射出された光が照射された光の偏光状態を解消し、偏光素子３０が偏光解消素子２０を透過した光を偏光光に変換して、λ／４板４０に入射させる。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が変化しても、λ／４板４０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。したがって、ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向を一定にすることができる。以下、この効果について説明する。

図６および図７は、参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図である。参考例に係る光学モジュールでは、偏光解消素子２０およびλ／４板４０を配置せずに、面発光レーザー１０から射出された光を直接λ／４板４０に入射する。図６は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＹ方向の場合を図示しており、図７は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＸ方向の場合を図示している。なお、図６および図７には、面発光レーザー１０の光軸と一致する軸として、Ｚ軸を図示している。また、Ｚ軸に直交し、かつ、互いに直交する軸としてＸ軸およびＹ軸を図示している。

図６に示すように、面発光レーザー１０から集出する偏光光の偏光方向がＹ方向の場合、λ／４板４０を透過した光は、円偏光の回転方向が右回りの右円偏光となる。また、図７に示すように、面発光レーザー１０から集出する偏光光の偏光方向がＸ方向の場合、λ／４板４０を透過した光は、円偏光の回転方向が左回りの左円偏光となる。

このように、参考例に係る光学モジュールでは、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転すると、ガスセル５０に入射する円偏光の回転方向が変わってしまう。ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向が変化すると（右回りから左回り、または左回りから右回りに変化すると）、例えば、この円偏光の回転方向の変化に伴うアルカリ金属原子のポピュレーションの変化により、瞬間的にＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比が変化して、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。

これに対して、光学モジュール１００によれば、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しても、ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向を一定にする
ことができる。したがって、光学モジュール１００によれば、上述した問題が生じないため、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。

さらに、光学モジュール１００では、偏光解消素子２０が面発光レーザー１０から射出された光の偏光状態を解消して偏光素子３０に入射させることにより、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が変化しても、偏光素子３０を透過する光の光量の変動を小さくすることができる。特に、偏光解消素子２０が面発光レーザー１０から射出された光の偏光状態を解消して無偏光の光に変換する場合には、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しても、偏光素子３０を透過する光の光量を一定にすることができる。これにより、λ／４板４０を透過してガスセル５０に照射される光の光量を一定にすることができる。

例えば、ガスセル５０に照射される光の光量が変化すると、ＡＣシュタルク効果により、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化して、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。

光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が変化しても、ガスセル５０に照射される光の光量の変動を小さくする（例えば光量を一定）にすることができるため、上述した問題が生じず、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。

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が射出する偏光光の偏光方向が変化しても、ガスセル５０に照射される円偏光の回転方向を一定にし、かつ、その光量の変動を小さく（例えば光量を一定に）することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。

光学モジュール１００では、偏光解消素子２０は、偏光解消素子２０に照射された光（偏光光）を、偏光解消素子２０を通過する場所によって異なる偏光状態にする。これにより、照射された偏光光の偏光状態を解消することができる。例えば、偏光解消素子２０を通過する時間によって異なる偏光状態にすることで偏光光の偏光状態を解消した場合、時間によって偏光素子３０を透過する光の光量が変化してしまい、ガスセル５０に照射される光の光量が変化してしまう。これに対して、偏光解消素子２０を通過する場所によって異なる偏光状態にして偏光光の偏光状態を解消する場合にはこのような問題が生じす、偏光素子３０を透過する光の光量の時間的な変化を小さくすることができる。

光学モジュール１００では、偏光解消素子２０は、偏光解消素子２０に照射された光を、偏光解消素子２０を通過する時間によって異なる偏光状態にする。これにより、照射された偏光光の偏光状態を解消することができる。

なお、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。

例えば、上述した実施形態では、λ／４板４０の速軸４０ｆが偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔに対して４５度回転して設けられる場合について説明したが、λ／４板４０の速軸４０ｆは偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔに対して４４度以上４６度以下の範囲で回転して設けられていてもよい。すなわち、λ／４板４０の速軸４０ｆと偏光素子３０の偏光透過軸３０ｔとがなす角度が４４度以上４６度以下の範囲であってもよい。このような場合においても、λ／４板４０を透過した光を、円偏光または実質的に円偏光とみなせる楕円偏光とすることができ、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。

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。

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、２０…偏光解消素子、３０…偏光素子、３０ｔ…偏光透過軸、４０…λ／４板、４０ｆ…速軸、５０…ガスセル、６０…光検出部、１００…光学モジュール

Claims (5)

1. 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された光が照射され、かつ、当該照射された光の偏光状態を解消する偏光解消素子と、
   前記偏光解消素子を透過した光が照射される偏光素子と、
   前記偏光素子を透過した光が照射され、かつ、前記偏光素子の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられる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光検出部と、
   を含む、ことを特徴とする光学モジュール。
2. 前記偏光解消素子は、前記偏光解消素子に照射された光を、前記偏光解消素子を通過する場所によって異なる偏光状態にする、ことを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
3. 前記偏光解消素子は、前記偏光解消素子に照射された光を、前記偏光解消素子を通過する時間によって異なる偏光状態にする、ことを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
4. 前記面発光レーザーから射出される光の偏光方向は、第１の方向から前記第１の方向と直交する第２の方向に変化する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載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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