JP2018023095A - Atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子発振器に関する。 The present invention relates to an atomic oscillator.
原子の遷移エネルギーを基準周波数として用いる原子発振器は、最も高精度な発振器の1つとして、通信基地局などで広く用いられている。原子発振器にはいくつかの方式があるが、ルビジウム(Rb)ランプを用いたマイクロ波二重共鳴方式が最も一般的に用いられている。 An atomic oscillator using atomic transition energy as a reference frequency is widely used in communication base stations and the like as one of the most accurate oscillators. There are several types of atomic oscillators, but the microwave double resonance method using a rubidium (Rb) lamp is most commonly used.
近年、量子干渉効果の1つであるCPT(Coherent Population Trapping)と呼ばれる現象を用いた原子発振器が提案され、従来に比べ原子発振器の小型化、低消費電力化が期待されている。CPT方式の場合、光源にはレーザーなどのコヒーレントな光源を用い、高周波信号を重畳することで、その側波帯をCPT現象の発現に用いる。CPT方式の原子発振器は、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 a phenomenon called CPT (Coherent Population Trapping), which is one of the quantum interference effects, has been proposed, and the atomic oscillator is expected to be smaller and consume less power than conventional ones. In the case of the CPT method, a coherent light source such as a laser is used as a light source, and a high frequency signal is superimposed to use the sideband for the CPT phenomenon. The CPT type atomic oscillator 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.
このような原子発振器として、特許文献1には、励起用レーザー光をパルス化してガスセルに照射することによりラムゼー共鳴を生じさせ、共鳴線幅の狭帯域化やライトシフトを低減させることが可能な原子発振器が開示されている。特許文献1の原子発振器では、レーザー光をパルス化するために、音響光学素子(AOM、Acousto−Optic Modulator)や液晶素子を用いている。 As such an atomic oscillator, Patent Document 1 discloses that Ramsey resonance can be generated by pulsing excitation laser light and irradiating the gas cell, thereby reducing the bandwidth of the resonance line and reducing the light shift. An atomic oscillator is disclosed. The atomic oscillator of Patent Document 1 uses an acousto-optic element (AOM, Acoustic-Optic Modulator) or a liquid crystal element in order to pulse laser light.
しかしながら、原子発振器において、励起用レーザー光をパルス化するために音響光学素子や液晶素子を用いた場合、装置が大型になってしまったり、装置の部品点数が多くなり装置が複雑化してしまうという問題がある。 However, in an atomic oscillator, when an acousto-optic element or a liquid crystal element is used to pulse the excitation laser beam, the apparatus becomes large, the number of parts of the apparatus increases, and the apparatus becomes complicated. There's a problem.
本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、小型、かつ、簡易な構成とすることができる原子発振器を提供することにある。 One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide an atomic oscillator that can be small and have a simple configuration.
本発明に係る原子発振器は、
光源と、
前記光源から射出された光をパルス化するフィルター素子と、
アルカリ金属原子が封入されており、前記フィルター素子でパルス化され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光量を検出する光検出部と、
前記フィルター素子に電流を供給する電源と、を含み、
前記フィルター素子は、
前記電源に電気的に接続された第1電極および第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極に挟まれたフィルター部と、を有し、
前記フィルター部は、半導体材料で構成されていてもよい。
The atomic oscillator according to the present invention is
A light source;
A filter element for pulsing the light emitted from the light source;
A gas cell in which alkali metal atoms are enclosed and irradiated with light pulsed by the filter element;
A light detection unit for detecting the amount of light transmitted through the gas cell;
A power supply for supplying current to the filter element,
The filter element is
A first electrode and a second electrode electrically connected to the power source;
A filter portion sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The filter portion may be made of a semiconductor material.
このような原子発振器では、半導体材料からなるフィルター部のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源から射出された光をパルス化することができる。したがって、例えば音響光学素子や液晶素子を用いて光をパルス化する場合と比べて、小型、かつ、簡易な構成で光をパルス化できる。よって、このような原子発振器では、小型、かつ、簡易な構成の原子発振器を実現できる。 In such an atomic oscillator, the light emitted from the light source can be pulsed by utilizing the fact that the band gap of the filter portion made of a semiconductor material changes with temperature. Therefore, for example, light can be pulsed with a small and simple configuration as compared with the case where light is pulsed using an acousto-optic element or a liquid crystal element. Therefore, with such an atomic oscillator, a small and simple atomic oscillator can be realized.
本発明に係る原子発振器において、
前記電源を制御する電源制御部を含み、
前記電源制御部は、
前記フィルター部の温度が第1温度となるように前記電源を制御する処理と、
前記フィルター部の温度が第1温度よりも高い第2温度となるように前記電源を制御する処理と、を繰り返し行ってもよい。
In the atomic oscillator according to the present invention,
A power supply control unit for controlling the power supply,
The power control unit
A process of controlling the power supply so that the temperature of the filter unit becomes the first temperature;
You may repeatedly perform the process which controls the said power supply so that the temperature of the said filter part may become 2nd temperature higher than 1st temperature.
このような原子発振器では、フィルター素子において、光源から射出された光がフィルター部で吸収される状態と、光がフィルター部を透過する状態と、を繰り返し生じさせることができ、その結果、光源から射出された光をパルス化することができる。 In such an atomic oscillator, in the filter element, a state where the light emitted from the light source is absorbed by the filter unit and a state where the light passes through the filter unit can be repeatedly generated. The emitted light can be pulsed.
本発明に係る原子発振器において、
前記第1電極および前記第2電極は、前記光源から射出される光を透過してもよい。
In the atomic oscillator according to the present invention,
The first electrode and the second electrode may transmit light emitted from the light source.
このような原子発振器では、第1電極および第2電極が光源から射出される光を透過するため、第1電極および第2電極をフィルター部の互いに反対方向を向く2つの面の全面に形成することができる。したがって、フィルター部に均一に電流を印加することができ、フィルター部を均一に加熱することができる。 In such an atomic oscillator, since the first electrode and the second electrode transmit light emitted from the light source, the first electrode and the second electrode are formed on the entire surface of the two surfaces of the filter portion facing in opposite directions. be able to. Therefore, a current can be uniformly applied to the filter part, and the filter part can be heated uniformly.
本発明に係る原子発振器において、
前記フィルター部は、n型の第1半導体層と、p型の第2半導体層と、を有していてもよい。
In the atomic oscillator according to the present invention,
The filter unit may include an n-type first semiconductor layer and a p-type second semiconductor layer.
このような原子発振器では、フィルター部がn型の第1半導体層とp型の第2半導体層とを有しているため、pn接合を形成することができる。したがって、フィルター部に電流を印加することでフィルター部を加熱することができる。よって、フィルター部を加熱するためのヒーター等が不要であり、フィルター素子を小型、かつ、簡易な構成で実現できる。 In such an atomic oscillator, since the filter portion includes the n-type first semiconductor layer and the p-type second semiconductor layer, a pn junction can be formed. Therefore, the filter unit can be heated by applying a current to the filter unit. Therefore, a heater or the like for heating the filter portion is unnecessary, and the filter element can be realized with a small and simple configuration.
本発明に係る原子発振器において、
前記フィルター素子の前記光の入射面、または前記光の射出面は、前記光の光軸を法線とする面に対して傾斜していてもよい。
In the atomic oscillator according to the present invention,
The light incident surface or the light emission surface of the filter element may be inclined with respect to a surface having the optical axis of the light as a normal line.
このような原子発振器では、フィルター素子の光の入射面、または光の射出面が光の光軸を法線とする面に対して傾斜していることから、フィルター素子によって反射された戻り光が光軸と異なる方向に向かう。これにより、戻り光が光源に戻ることがなくなり、戻り光の影響による光源の出力変動を抑制することができ、原子発振器の精度低下を抑制することができる。 In such an atomic oscillator, the light incident surface or the light exit surface of the filter element is inclined with respect to a plane whose normal is the optical axis of the light, so that the return light reflected by the filter element is Heading in a direction different from the optical axis. Thereby, the return light does not return to the light source, the output fluctuation of the light source due to the influence of the return light can be suppressed, and the deterioration of the accuracy of the atomic oscillator can be suppressed.
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.
(第1実施形態)
1. 原子発振器
1.1. 構成
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。
(First embodiment)
1. Atomic oscillator 1.1. Configuration First, an atomic oscillator according to a first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram of an
原子発振器100は、図1に示すように、光源10と、フィルター素子12と、λ/4板14と、ガスセル16と、光検出部18と、電源としての電源部20と、電源制御部21と、中心波長可変部22と、高周波発生部24と、吸収検出部30と、サンプリング部26と、EIT検出部28と、制御部40と、を含む。制御部40は、中心波長制御部42と、高周波制御部44と、を有している。原子発振器100は、2つの異なる周波数成分を有する共鳴光対(第1光および第2光)によってアルカリ金属原子にEIT現象を発生させる。
As shown in FIG. 1, the
光源10は、光Lを発生させる。光源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。
The
図2は、共鳴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(第1光)W1および第2側帯波(第2光)W2の関係を示す図である。光源10から射出される光L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 showing a frequency spectrum of resonant light. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the Λ-type three-level model of alkali metal atoms, the first sideband (first light) W1, and the second sideband (second light) W2. The light L 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 It matches 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.
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3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f1)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f2)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に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差f1−f2が基底準位GL1と基底準位GL2のエネルギー差ΔE12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とを同時に照射すると、2つの基底準位の重ね合わせ状態、すなわ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と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。 Here, the EIT phenomenon will be described. It is known that the interaction between alkali metal atoms and light can be explained by a Λ-type three-level model. As shown in FIG. 3, the alkali metal atom has two ground levels, a first sideband wave W1 having a wavelength (frequency f 1 ) corresponding to the energy difference between the ground level GL1 and the excitation level, Alternatively, when the second sideband wave W2 having a wavelength (frequency f 2 ) corresponding to the energy difference between the ground level GL2 and the excitation level is individually irradiated to the alkali metal atom, light absorption occurs. However, as shown in FIG. 2, the first sideband whose frequency difference f 1 −f 2 exactly coincides with the frequency corresponding to the energy difference ΔE 12 between the ground level GL 1 and the ground level GL 2 in this alkali metal atom. When W1 and the second sideband wave W2 are irradiated at the same time, a superposition state of two ground levels, that is, a quantum interference state occurs, and excitation to the excitation level stops and the first sideband wave W1 and the second sideband wave A transparency phenomenon (EIT phenomenon) occurs in which W2 transmits alkali metal atoms. Using this EIT phenomenon, the frequency difference f 1 -f 2 between the first sideband W1 and the second sideband W2 is shifted from the frequency corresponding to the energy difference ΔE 12 between the base level GL1 and the base level GL2. By detecting and controlling steep changes in light absorption behavior over time, a highly accurate oscillator can be produced.
フィルター素子12は、光源10から射出された光Lをパルス化する。図4は、フィルター素子12によってパルス化された光(パルス光)の一例を示す図である。ここで、光をパルス化するとは、光(連続光)をパルス光とすることをいい、パルス光とは、短い時間だけ継続する光をいう。フィルター素子12は、光源10から射出された光Lを時間tだけ透過し、Tの時間だけ光を吸収し、再びを時間tだけ透過することを繰り返して光Lをパルス化する(パルス光とする)。これにより、図4に示すように、パルス幅が時間tであり、パルス間隔が時間Tであるパルス光が得られる。フィルター素子12の構成については、後述する。なお、ここでは、図4に示すように、パルス光が矩形波である例を示したが、パルス光は矩形波に限定されない。
The
λ/4板14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14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14は、フィルター素子12を通過した光(直線偏光)を円偏光に変換する。すなわち、光源10から射出された光Lは、λ/4板14によって円偏光に変換されてガスセル16に照射される。
The λ / 4
ガスセル内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、円偏光の励起光を用いることにより、所望のEIT現象を発現する原子数が増大し、所望のEIT信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器の発振特性を向上させることができる。 In the state where the alkali metal atom in the gas cell is Zeeman split, when the circularly polarized excitation light is irradiated to the alkali metal atom, the interaction between the excitation light and the alkali metal atom causes the alkali metal atom to have multiple levels of Zeeman splitting. Of these, the number of alkali metal atoms at a desired energy level can be made relatively larger than the number of alkali metal atoms at other energy levels. Therefore, by using circularly polarized excitation light, the number of atoms that express the desired EIT phenomenon increases and the intensity of the desired EIT signal increases, and as a result, the oscillation characteristics of the atomic oscillator can be improved.
ガスセル16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)を封入したものである。セシウム原子は、例えば、80℃程度に加熱されて気体状となる。原子発振器100は、ガスセル16内に一方向の均一な磁場を生じさせる磁場発生部(図示せず)を備えている。磁場発生部は、例えば、ガスセル16を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、またはガスセル16を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。
The
ガスセル16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(第1光および第2光)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と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。
When the
本実施形態では、ガスセル16には、パルス化された光(パルス光)が照射されるため、ラムゼー共鳴が生じ、共鳴線幅の狭帯域化およびライトシフトの低減が可能となる。
In the present embodiment, the
ここで、ラムゼー共鳴について説明する。順位の縮退を解くために、定常磁場を印加して、原子の状態をある順位に揃える。この状態で原子に電磁波を時間aだけ照射し、時間Aだけ待って、再び電磁波を時間aだけ照射する。このように2回に分けて原子と電磁波とを相互作用させると、原子が他の状態に遷移する確率は、実際に相互作用する時間aだけでなく2回の相互作用の間の時間Aにも依存し、量子遷移の起こり方が周波数変化に敏感になる。これをラムゼー共鳴という。この現象を利用することにより、高い精度で遷移の中心周波数を測定することができる。観測される共鳴線幅は、時間Aに比例して狭くなる。 Here, Ramsey resonance will be described. In order to solve the degeneracy of the order, a stationary magnetic field is applied to align the atomic states in a certain order. In this state, the atom is irradiated with an electromagnetic wave for a time a, waits for a time A, and is again irradiated with an electromagnetic wave for a time a. When the atom and electromagnetic wave interact in two steps in this way, the probability that the atom transitions to another state is not only the time a actually interacting but also the time A between the two interactions. Depends on the frequency, and how the quantum transition occurs becomes sensitive to frequency changes. This is called Ramsey resonance. By utilizing this phenomenon, the center frequency of the transition can be measured with high accuracy. The observed resonance line width narrows in proportion to time A.
本実施形態では、フィルター素子12によって光Lをガスセル16に時間tだけ照射し、時間Tだけ待って、再び光Lをガスセル16に時間tだけ照射することを繰り返し行う(図4参照)。これにより、ラムゼー共鳴を生じさせることができる。
In the present embodiment, the
時間Tは、ラムゼー共鳴を生じさせることができれば特に限定されない。フィルター素子12から射出されるパルス化された光L(パルス光)の繰り返し周波数は、例えば、1Hz以上10Hz以下程度である。ここで、パルス光の繰り返し周波数が1Hzとは、光のON/OFFを1秒間に1回行うことをいい、パルス光の繰り返し周波数が10Hzとは、光のON/OFFを1秒間に10回行うことをいう。パルス光のデューティ比は、例えば、50%である。パルス光の繰り返し周波数(すなわち時間Tおよび時間t)は、要求される原子発振器の性能(周波数安定度等)に応じて適宜設定される。
The time T is not particularly limited as long as the Ramsey resonance can be generated. The repetition frequency of the pulsed light L (pulse light) emitted from the
光検出部18は、ガスセル16を透過した(ガスセル16に封入されたアルカリ金属原子を透過した)光の光量を(強度を)検出する。光検出部18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18は、例えば、フォトダイオードを含んで構成されている。
The
電源としての電源部20は、フィルター素子12に電流を供給する。電源部20は、例えば直流電源(DC電源)である。電源部20は、電源制御部21によって制御される。電源制御部21は、例えば、専用回路によって実現して電源部20の制御を行うように構成されていてもよい。
A
中心波長可変部22は、中心波長制御部42からの信号に基づいて、光源10から射出される光Lの中心波長を変化させる。これにより、光Lに含まれる共鳴光対(第1光および第2光)の中心波長を変化させることができる。
The center wavelength
高周波発生部24は、高周波制御部44からの信号に基づいて、光源10に高周波信号を供給して共鳴光対を生成する。高周波発生部24は、専用回路によって実現されていてもよい。
The
サンプリング部26は、電源制御部21の出力信号に同期して、光検出部18の検出信号をサンプリングする。サンプリング部26は、ガスセル16に光Lが照射されている間の光検出部18の検出信号を取得する。図4に示す例では、サンプリング部26は、パルス光の立ち上がり直後から時間t0(t0<t)経過したタイミングで、光検出部18の検出信号を取得する。サンプリング部26は、専用回路によって実現されていてもよい。
The
EIT検出部28は、サンプリング部26が取得した光検出部18の検出信号を同期検波して、EIT現象を検出する。EIT検出部28は、専用回路によって実現されていてもよい。
The
吸収検出部30は、例えば、光Lの中心波長を変えたときの光検出部18が出力した検出信号の信号強度の最小値(吸収の底)を検出する。吸収検出部30は、専用回路によって実現されていてもよい。
For example, the
中心波長制御部42は、吸収検出部30からの信号に基づいて、中心波長可変部22を制御することにより、光源10から射出される光Lの波長(中心波長)を変化させる。
The center
高周波制御部44は、EIT検出部28からの信号に基づいて、高周波発生部24に、高周波信号を発生する信号を入力する。
The high
なお、制御部40は、専用回路によって実現して上記の制御を行うように構成されていてもよい。また、制御部40は、例えばCPU(Central Processing Unit)がROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等の記憶装置に記憶された制御プログラムを実行することによってコンピューターとして機能し、上記の制御を行うように構成されていてもよい。
Note that the
次に、原子発振器100の動作について説明する。まず、停止状態の原子発振器100を起動する際の初期動作について説明する。
Next, the operation of the
高周波制御部44は、高周波発生部24に信号を入力し、高周波発生部24から光源10に高周波信号を入力する。このとき、高周波信号の周波数を、EIT現象が発生しないように僅かにずらしておく。例えばガスセル16のアルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合、4.596・・・GHzの値からずらす。
The high
次に、中心波長制御部42は、中心波長可変部22を制御して、光Lの中心波長をスイープさせる。このとき、高周波信号の周波数は、EIT現象が発生しないように設定されているので、EIT現象は発生しない。吸収検出部30は、光Lの中心波長をスイープしたときに、光検出部18において出力される検出信号の強度の最小値(吸収の底)を検出する。吸収検出部30は、例えば、光Lの中心波長に対する、検出信号の強度変化が一定となったところを、吸収の底とする。
Next, the center
吸収検出部30が吸収の底を検出すると、中心波長制御部42は、中心波長可変部22を制御して、中心波長を固定する(ロックする)。すなわち、中心波長制御部42は、光Lの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
When the
次に、高周波制御部44は、高周波発生部24を制御して、高周波信号の周波数をEIT現象が発生する周波数に合わせる。その後、ループ動作に移行して、EIT検出部28によりサンプリング部26でサンプリングされたEIT信号を検出する。
Next, the
次に、原子発振器100のループ動作について説明する。
Next, the loop operation of the
EIT検出部28は、光検出部18が出力した検出信号を同期検波し、高周波制御部44は、EIT検出部28から入力される信号に基づいて、高周波発生部24が発生する高周波信号の周波数を、ガスセル16のアルカリ金属原子のΔE12の半分に相当する周波数となるように制御する。
The
吸収検出部30は、光検出部18が出力した検出信号を同期検波し、中心波長制御部42は、吸収検出部30から入力される信号に基づいて、光Lの中心波長が、光検出部18において出力される検出信号の強度の最小値(吸収の底)に相当する波長となるように、中心波長可変部22を制御する。
The
なお、原子発振器100では、光源10の温度(駆動温度)が一定となるように制御されていてもよい。
In the
1.2. フィルター素子
次に、本実施形態に係る原子発振器100のフィルター素子12について、図面を参照しながら説明する。図5は、フィルター素子12を模式的に示す図である。
1.2. Filter Element Next, the
フィルター素子12は、図5に示すように、フィルター部2と、フィルター部2を挟む第1電極4aおよび第2電極4bと、を有している。
As shown in FIG. 5, the
フィルター部2は、半導体材料で構成されている。図5に示す例では、フィルター部2は、第1半導体層2aと、第2半導体層2bと、を有している。第1半導体層2aはn型の不純物(例えばシリコン)がドープされたn型半導体層であり、第2半導体層2bはp型の不純物(例えば炭素)がドープされたp型半導体層である。第1半導体層2aおよび第2半導体層2bは、イオン注入により形成されてもよい。第1半導体層2aと第2半導体層2bとは接しており、pn接合を形成している。
The
第1電極4aおよび第2電極4bは、フィルター部2に電流を印加するための電極である。第1電極4aおよび第2電極4bは、電源部20に電気的に接続されており、電源部20から第1電極4aおよび第2電極4bに電流が供給される。
The
第1電極4aは、フィルター部2の第1面3a(第1半導体層2aの第2半導体層2bと接している面とは反対側の面)に設けられている。第2電極4bは、フィルター部2の第1面3aとは反対方向を向く第2面3b(第2半導体層2bの第1半導体層2aと接している面とは反対側の面)に設けられている。第1電極4aは第1面3aの全面に設けられており、第2電極4bは第2面3bの全面に設けられている。
The
第1電極4aおよび第2電極4bは、光源10から射出された光Lを透過する。すなわち、第1電極4aおよび第2電極4bは、光Lに対して透明な材質で構成されている。第1電極4aおよび第2電極4bの材質は、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)である。
The
フィルター素子12では、半導体材料からなるフィルター部2のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源10から射出された光Lをパルス化する。
In the
次に、電源制御部21による電源部20の制御について説明する。
Next, control of the
図6は、フィルター部2の温度が第1温度である状態を示す図であり、図7は、フィルター部2の温度が第1温度よりも高い第2温度である状態を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the temperature of the
光源10から射出された光Lは、第1電極4aに入射し、第1電極4aを透過してフィルター部2に入射する。
The light L emitted from the
電源制御部21は、フィルター部2が第1温度となるように電源部20を制御する。これにより、電源部20から所定の電流が第1電極4aおよび第2電極4bに供給され、フィルター部2が第1温度となる。第1温度は、フィルター部2を構成する半導体層2a,2bのバンドギャップが光Lのエネルギーよりも大きくなる温度である。フィルター部2を第1温度とすることで、半導体層2a,2bのバンドギャップが光Lのエネルギーよりも大きくなり、その結果、光Lは半導体層2a,2bで吸収されずに半導体層2a,2bを通過する。フィルター部2を通過した光Lは、第2電極4bを透過して射出される(図6参照)。
The power
次に、電源制御部21は、フィルター部2の温度が第2温度となるように電源部20を制御する。これにより、電源部20から所定の電流が第1電極4aおよび第2電極4bに供給され、フィルター部2が第2温度となる。第2温度は、フィルター部2を構成する半導体層2a,2bのバンドギャップが光Lのエネルギーよりも小さくなる温度である。フィルター部2を第2温度とすることで、半導体層2a,2bのバンドギャップが光Lのエネルギーよりも小さくなり、その結果、光Lは半導体層2a,2bで吸収される。すなわち、光Lは半導体層2a,2bを通過しない(図7参照)。
Next, the power
電源制御部21は、上記の処理を所定の周期で繰り返し行い、光Lをパルス化する(図4参照)。当該所定の周期は、要求される原子発振器の性能に応じて設定されるパルス光の繰り返し周波数(時間Tおよび時間t)に応じた周期である。
The power
例えば、光源10から射出される光Lの波長を895nmとすると、この光Lのエネルギーは、1.385475eVとなる。第1半導体層2aおよび第2半導体層2bをAl0.075Ga0.425As0.5とすると、第1半導体層2aおよび第2半導体層2bの301℃でのバンドギャップは1.385653113eVとなり、第1半導体層2aおよび第2半導体層2bの302℃でのバンドギャップは1.385149727eVとなる。
For example, if the wavelength of the light L emitted from the
したがって、半導体層2a,2bを301℃(第1温度)とすると、895nmの波長の光Lは半導体層2a,2bで吸収されずに半導体層2a,2bを通過する。また、半導体層2a,2bを302℃(第2温度)とすると、895nmの波長の光Lは半導体層2a,2bで吸収され半導体層2a,2bを通過できない。 Therefore, when the semiconductor layers 2a and 2b are set to 301 ° C. (first temperature), light L having a wavelength of 895 nm passes through the semiconductor layers 2a and 2b without being absorbed by the semiconductor layers 2a and 2b. Further, when the semiconductor layers 2a and 2b are set to 302 ° C. (second temperature), the light L having a wavelength of 895 nm is absorbed by the semiconductor layers 2a and 2b and cannot pass through the semiconductor layers 2a and 2b.
なお、上記では、第1半導体層2aおよび第2半導体層2bの材質が、AlGaAsである例について説明したが、第1半導体層2aおよび第2半導体層2bの材質は特に限定されない。
In the above description, the example in which the material of the
また、上記では、フィルター部2が第1半導体層2aおよび第2半導体層2bを有している例について説明したが、フィルター部2の構成はこれに限定されない。例えば、フィルター部2は1つの半導体層で構成されていてもよいし、3以上の半導体層で構成されていてもよい。例えば、フィルター部2はn型の半導体層とp型の半導体層とでi型の半導体層を挟んだpinダイオードであってもよい。
In the above description, the example in which the
また、図示はしないが、原子発振器100は、フィルター部2を冷却するための冷却素子を備えていてもよい。冷却素子でフィルター部2を冷却することにより、フィルター部2を第2温度から第1温度にするための時間を短縮することができる。
Although not shown, the
原子発振器100は、例えば、以下の特徴を有する。
The
原子発振器100では、光源10から射出された光Lをパルス化するフィルター素子12が、第1電極4aおよび第2電極4bに挟まれたフィルター部2を有し、フィルター部2は、半導体材料で構成されている。そのため、フィルター素子12では、半導体材料からなるフィルター部2のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源10から射出された光Lをパルス化することができる。したがって、原子発振器100では、例えば音響光学素子や液晶素子を用いて光Lをパルス化する場合と比べて、小型、かつ、簡易な構成で光Lをパルス化できる。よって、本実施形態によれば、小型、かつ、簡易な構成の原子発振器100を実現できる。
In the
原子発振器100では、電源制御部21は、フィルター部2の温度が第1温度となるように電源部20を制御する処理と、フィルター部2の温度が第1温度よりも高い第2温度となるように電源部20を制御する処理と、を繰り返し行う。これにより、フィルター素子12では、光源10から射出された光Lがフィルター部2で吸収される状態と、光Lがフィルター部2を透過する状態と、を繰り返すことができ、光源10から射出された光Lをパルス化することができる。
In the
さらに、フィルター素子12は、フィルター部2に電流を印加することで動作させることができるため、機械的に動作する部分がなく、振動等が発生しない。また、フィルター素子12は、半導体のバンドギャップの変化を利用して光のオン・オフを行っているため、オンの状態では光のロスが少なく、オフの状態では光の漏れがなく光をほぼ完全に遮断することが可能である。
Furthermore, since the
原子発振器100では、第1電極4aおよび第2電極4bは、光源10から射出される光を透過するため、第1電極4aおよび第2電極4bを、フィルター部2の互いに反対方向を向く2つの面3a,3bの全面に形成することができる。したがって、フィルター部2に均一に電流および電圧を印加することができ、フィルター部2を均一に加熱することができる。
In the
原子発振器100では、フィルター部2は、n型の第1半導体層2aとp型の第2半導体層2bとを有しているため、pn接合を形成することができる。そのため、フィルター部2に電流を印加することで、フィルター部2を加熱することができ、フィルター部2を加熱するためのヒーター等が不要である。したがって、フィルター素子12を小型、かつ、簡易な構成で実現できる。
In the
図8は、上述した第1実施形態におけるフィルター素子12の変形例を模式的に示す図である。図8に示すようにフィルター素子12は、フィルター部2の温度を測定する温度センサー6を含んで構成されていてもよい。図8に示す例では、電源制御部21(図1参照)は、温度センサー6の測定結果に基づいて、電源部20を制御する。具体的には、電源制御部21は、温度センサー6の測定結果に基づきフィルター部2の温度が第1温度となったと判定した場合には、フィルター部2の温度が第2温度となるように電源部20を制御する。そして、温度センサー6の測定結果に基づきフィルター部2の温度が第2温度となったと判定した場合には、フィルター部2の温度が第1温度となるように電源部20を制御する処理を行う。電源制御部21がこの2つの処理を繰り返すことで、図8に示すフィルター素子12を用いた原子発振器100においても、上記の図5に示すフィルター素子12を用いた場合と同様の作用効果を奏することができる。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a modification of the
(第2実施形態)
2. 原子発振器
2.1. 構成
次に、第2実施形態に係る原子発振器について、図9および図10を参照しながら説明する。図9は、第2実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図である。図10は、フィルター素子の反射光の状態を示す図である。なお、図9に示す第2実施形態に係る原子発振器100Aは、前述した第1実施形態に係る原子発振器100と、フィルター素子12Aの配置構成が異なっている。以下、第2実施形態の説明では、フィルター素子12Aの配置構成を中心に説明し、第1実施形態と同様な構成については同符号を付してその説明を省略することがある。
(Second Embodiment)
2. Atomic oscillator 2.1. Configuration Next, an atomic oscillator according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9 is a functional block diagram of the atomic oscillator according to the second embodiment. FIG. 10 is a diagram illustrating a state of reflected light of the filter element. The
原子発振器100Aは、図9に示すように、光源10と、フィルター素子12Aと、λ/4板14と、ガスセル16と、光検出部18と、電源部20と、電源制御部21と、中心波長可変部22と、高周波発生部24と、吸収検出部30と、サンプリング部26と、EIT検出部28と、制御部40と、を含む。制御部40は、中心波長制御部42と、高周波制御部44と、を有している。原子発振器100Aは、第1実施形態と同様に、2つの異なる周波数成分を有する共鳴光対(第1光および第2光)によってアルカリ金属原子にEIT現象を発生させる。
As shown in FIG. 9, the
原子発振器100Aにおいて、フィルター素子12Aは、第1実施形態において図5を参照して説明したフィルター素子12と同様な構成を有し、図5に示したようなフィルター部2と、フィルター部2を挟む第1電極4aおよび第2電極4bと、を有している。また、フィルター素子12Aは、光Lの入射側に位置する面である入射面12fと、フィルター素子12Aによってパルス化された光(パルス光)の射出側に位置する面である射出面12bと、を備えている。本構成では、入射面12fおよび射出面12bは、略平行に構成されている。
In the
そして、原子発振器100Aでは、フィルター素子12Aは、入射面12f、または射出面12bが、光Lの光軸を法線とする面である仮想面Qに対して傾斜するように配置されている。図9に示す例では、フィルター素子12Aの光Lの入射面12fは、仮想面Qに対して傾斜角θを有して傾斜している。換言すれば、フィルター素子12Aは、入射面12f、または射出面12bが、仮想面Qに対して、0°<θ<90°の傾きを有して配置されている。なお、光Lの入射面12fに対して略平行な光Lの射出面12bにおいても、仮想面Qに対して同様な傾斜角θを有している。
In the
フィルター素子12Aは、図5に示す第1実施形態と同様に、フィルター部2と、フィルター部2を挟む第1電極4aおよび第2電極4bと、を有している。フィルター素子12Aでは、半導体材料からなるフィルター部2のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源10から射出された光Lをパルス化する。そして、フィルター素子12Aは、図10に示すように、パルス化したパルス光Laを射出面12bから光源10と反対側に射出する。
12 A of filter elements have the
第2実施形態に係る原子発振器100Aによれば、仮想面Qに対して傾斜角θで傾斜する構成でフィルター素子12Aが配置されることにより、図10に示すように、フィルター素子12Aの入射面12fによって反射された戻り光Lbは、光源10から射出された光Lの光軸と異なる軸方向に向かう。具体的に、戻り光Lbは、光Lの光軸と角度θの関係となる入射面12fの法線P方向に対して角度θを有する軸方向に反射される。即ち、入射光(光L)の光軸に対して2θの角度で戻り光Lbが反射される。このように戻り光Lbが入射光(光L)の光軸に対して異なる方向に向かうため、戻り光Lbが光源10に戻ることがなくなり、戻り光Lbの影響による光源10の出力変動を抑制することができる。これにより、戻り光Lbに起因する精度低下を抑制可能な原子発振器100Aを提供することができる。
According to the
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention.
また、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態および各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。 Further, the above-described embodiments and modifications are examples, and the present invention is not limited to these. For example, each embodiment and each modification can be appropriately combined.
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、方法および結果が同一の構成、あるいは目的およ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.
2…フィルター部、2a…第1半導体層、2b…第2半導体層、3a…第1面、3b…第2面、4a…第1電極、4b…第2電極、6…温度センサー、10…光源、12,12A…フィルター素子、14…λ/4板、16…ガスセル、18…光検出部、20…電源部、21…電源制御部、22…中心波長可変部、24…高周波発生部、26…サンプリング部、28…EIT検出部、30…吸収検出部、40…制御部、42…中心波長制御部、44…高周波制御部、100,100A…原子発振器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光源から射出された光をパルス化するフィルター素子と、
アルカリ金属原子が封入されており、前記フィルター素子でパルス化され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光量を検出する光検出部と、
前記フィルター素子に電流を供給する電源と、を含み、
前記フィルター素子は、
前記電源に電気的に接続された第1電極および第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極に挟まれたフィルター部と、を有し、
前記フィルター部は、半導体材料で構成されている、ことを特徴とする原子発振器。 A light source;
A filter element for pulsing the light emitted from the light source;
A gas cell in which alkali metal atoms are enclosed and irradiated with light pulsed by the filter element;
A light detection unit for detecting the amount of light transmitted through the gas cell;
A power supply for supplying current to the filter element,
The filter element is
A first electrode and a second electrode electrically connected to the power source;
A filter portion sandwiched between the first electrode and the second electrode,
The atomic oscillator is characterized in that the filter portion is made of a semiconductor material.
前記電源制御部は、
前記フィルター部の温度が第1温度となるように前記電源を制御する処理と、
前記フィルター部の温度が第1温度よりも高い第2温度となるように前記電源を制御する処理と、を繰り返し行う、ことを特徴とする請求項1に記載の原子発振器。 A power supply control unit for controlling the power supply,
The power control unit
A process of controlling the power supply so that the temperature of the filter unit becomes the first temperature;
2. The atomic oscillator according to claim 1, wherein the process of controlling the power supply is repeatedly performed so that the temperature of the filter unit becomes a second temperature higher than the first temperature.
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JP2021150886A (en) * | 2020-03-23 | 2021-09-27 | セイコーエプソン株式会社 | Resonance generation method and atomic oscillator |
-
2017
- 2017-06-15 JP JP2017117476A patent/JP2018023095A/en active Pending
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