JP4292583B2 - 原子周波数取得装置および原子時計 - Google Patents
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Description
本発明は、原子周波数取得装置および原子時計に関する。
原子の固有振動数を基準として発振器の HYPERLINK "http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%A8%E6%B3%A2%E6%95%B0" \o "周波数" 周波数制御を行う原子時計が、従来の水晶振動子に代わって様々な場面で利用されるようになっている。中でもＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）方式の原子時計は小型化、省電力化に適しており、今後携帯電話などへの適用も見込まれている。原子時計は、基板上で、原子ガスを封入するガスセルと、レーザ発光部および受光部の位置合わせが正確に行われていないと精度が悪くなる。この位置合わせ作業の煩雑さが、原子時計を組み込んだ電子機器の量産性を低下させる原因の１つとなっている。
本発明の目的は、原子時計の小型化を図りつつ、量産性を向上させることである。
本発明の原子周波数取得装置は、内部に原子ガスを封入したセルと、前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、前記レーザ光源および前記受光部は、前記セルの内部に面した同一の面に貼付され、前記セルは、前記レーザ光源から発振されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、前記第１の反射面で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第２の反射部を備えたものである。
前記第１の反射部および前記第２の反射部は、前記セル内部に面して形成されている。
前記第１の反射部および前記第２の反射部は、前記セル内部に面して形成されている。
本発明の原子周波数取得装置は、前記セルの一部に開口部を有し、前記開口部を封止するように設置された封止部を備え、前記第１の反射部および前記第２の反射部は、前記セルの外側の、前記封止部の一面に形成されている。
また、本発明の原子周波数取得装置は、内部に原子ガスを封入したセルと、前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、前記レーザ光源は前記セルの内部に面した第１の面に貼付され、前記受光部は、前記第１の面に対向する第２の面に貼付されたものである。
本発明によれば、セルとレーザ光源と受光部が一体化されるので、装置の小型化が図れると共に、基板上にそれぞれの部品を別々に組み込まなくてよいため部品同士の位置合わせをする必要がなく、装置の量産性を向上させることができる。
また、レーザ光源がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、受光部がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
なお、前記セルの一部をセラミックパッケージで形成してもよい。
また、レーザ光源がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、受光部がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
なお、前記セルの一部をセラミックパッケージで形成してもよい。
また、本発明の原子周波数取得装置は、前記レーザ光源および前記受光部を覆う保護膜を備える。
これにより、前記レーザ光源および前記受光部がセル内のガスによって劣化するのを防止することができる。
保護膜は、例えばＳｉＮやＳｉＯ2、タンタルオキサイド、またビニル・ポリオレフィン系プラスチックやフッ素樹脂系プラスチック、エポキシアクリレート系樹脂、エポキシ樹脂などを材料として形成することができる。
これにより、前記レーザ光源および前記受光部がセル内のガスによって劣化するのを防止することができる。
保護膜は、例えばＳｉＮやＳｉＯ2、タンタルオキサイド、またビニル・ポリオレフィン系プラスチックやフッ素樹脂系プラスチック、エポキシアクリレート系樹脂、エポキシ樹脂などを材料として形成することができる。
前記レーザ光源および前記受光部は、エピタキシャルリフトオフ法により形成されたチップとすることができる。
本発明による原子周波数取得装置は、原子時計において時間標準周波数を取得するために用いることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。原子周波数取得装置１００は、ＣＰＴ方式の原子時計において時間標準周波数を取得するために用いられる。
図１，２に示すように、原子周波数取得装置１００は、一部に開口部を有するセラミックパッケージ２００とその開口部を封止するように設置された封止部１１０、レーザダイオード（レーザ光源）１２０およびフォトディテクタ（受光部）１３０を備えている。セラミックパッケージ２００と封止部１１０によって内部にキャビティ（空洞）１１１を有するセルが形成されている。キャビティ１１１には、セシウム原子ガスが封入されている。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。原子周波数取得装置１００は、ＣＰＴ方式の原子時計において時間標準周波数を取得するために用いられる。
図１，２に示すように、原子周波数取得装置１００は、一部に開口部を有するセラミックパッケージ２００とその開口部を封止するように設置された封止部１１０、レーザダイオード（レーザ光源）１２０およびフォトディテクタ（受光部）１３０を備えている。セラミックパッケージ２００と封止部１１０によって内部にキャビティ（空洞）１１１を有するセルが形成されている。キャビティ１１１には、セシウム原子ガスが封入されている。
セラミックパッケージ２００はセラミック材料で形成されており、封止部１１０はガラスで形成されている。封止部１１０の材料としては、ガラスの他にもレーザダイオード１２０から発振されるレーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を透過するものを用いることができる。
レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、セラミックパッケージ２００のキャビティ１１１に面した同一面上に設置されている。また、レーザダイオード１２０は配線１２１を介して、フォトディテクタ１３０は配線１３１を介して外部の基板（図示せず）等の駆動回路に接続される。
レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、エピタキシャルリフトオフ法（以下ＥＬＯ法と記す。）により形成されたチップである。ＥＬＯ法は、素子（レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０）を形成する際に、基板と素子との間にアルミニウム、ガリウム、ヒ素等で犠牲層を形成しておき、その犠牲層をエッチングすることで素子部分を基板から切り離す方法である。実施の形態１では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０をＥＬＯ法で製造し、両素子をＥＬＯチップとして得ることによりセル１１０に貼付する際に扱いやすくすることができる。
レーザダイオード１２０はここではＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直面発光レーザダイオード）である。
レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、エピタキシャルリフトオフ法（以下ＥＬＯ法と記す。）により形成されたチップである。ＥＬＯ法は、素子（レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０）を形成する際に、基板と素子との間にアルミニウム、ガリウム、ヒ素等で犠牲層を形成しておき、その犠牲層をエッチングすることで素子部分を基板から切り離す方法である。実施の形態１では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０をＥＬＯ法で製造し、両素子をＥＬＯチップとして得ることによりセル１１０に貼付する際に扱いやすくすることができる。
レーザダイオード１２０はここではＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直面発光レーザダイオード）である。
レーザダイオード１２０と配線１２１、およびフォトディテクタ１３０と配線１３１は、それぞれ保護膜１２２，１３２に覆われている。保護膜１２２，１３２は、ＳｉＮやＳｉＯ2、タンタルオキサイド等、またビニル・ポリオレフィン系プラスチックやフッ素樹脂系プラスチック、エポキシアクリレート系樹脂、エポキシ樹脂などを材料として形成することができる。
保護膜１２２，１３２を設けることにより、レーザダイオード１２０と配線１２１、およびフォトディテクタ１３０と配線１３１が、セル内のガスによって劣化するのを防止することができる。
封止部１１０は、レーザダイオード１２０から発振され、キャビティ１１１を通って入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１２（第１の反射部）と、反射面１１２で反射されたレーザ光が４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１３（第２の反射部）を有している。反射面１１２，１１３には金属膜（１１４，１１５）等が形成されており、レーザ光を反射する。
封止部１１０の上面には、ヒータ３００が設置されている。
ヒータ３００は、キャビティ１１１内の温度を一定（８０度〜１３０度）に保つための加熱ヒータであり、セルを加熱することにより、セシウム原子密度を増やし、レーザ光により励起される原子数を高めている。励起される原子数が増えることにより、感度が向上し原子周波数取得装置１００の精度があがる。
ヒータ３００は、キャビティ１１１内の温度を一定（８０度〜１３０度）に保つための加熱ヒータであり、セルを加熱することにより、セシウム原子密度を増やし、レーザ光により励起される原子数を高めている。励起される原子数が増えることにより、感度が向上し原子周波数取得装置１００の精度があがる。
次に、原子周波数取得装置１００の動作について説明する。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図２（ａ）に示すようにキャビティ１１１を通って封止部１１０へ透過し、反射面１１２で反射されて光路を９０度回転させ、反射面１１３で反射されて光路を再度９０度回転させた後、再びキャビティ１１１を通ってフォトディテクタ１３０に受光される。
レーザ光はキャビティ１１１内を通過する間にキャビティ１１１内のセシウム原子を励起する。励起されたセシウム原子ガスを通過するレーザ光の強度が最大になる時のレーザ光の上側と下側のサイドバンド周波数差が、セシウム原子の固有周波数と一致する。よって、フォトディテクタ１３０に受光されるレーザ光の強度が最大となるように外部回路でフィードバック制御することにより、レーザダイオード１２０の変調周波数が調整される。
フィードバック制御系は、原子周波数取得装置１００に接続された制御回路およびローカルオシレータを備えて構成され、フォトディテクタ１３０の出力が制御回路を経由してローカルオシレータに供給されてフィードバック制御を行い、ローカルオシレータの発振周波数を上述のセシウム原子の固有周波数を基準として安定化している。
上記のようにして調整された発振周波数がローカルオシレータから取得され、原子時計の標準信号として利用される。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図２（ａ）に示すようにキャビティ１１１を通って封止部１１０へ透過し、反射面１１２で反射されて光路を９０度回転させ、反射面１１３で反射されて光路を再度９０度回転させた後、再びキャビティ１１１を通ってフォトディテクタ１３０に受光される。
レーザ光はキャビティ１１１内を通過する間にキャビティ１１１内のセシウム原子を励起する。励起されたセシウム原子ガスを通過するレーザ光の強度が最大になる時のレーザ光の上側と下側のサイドバンド周波数差が、セシウム原子の固有周波数と一致する。よって、フォトディテクタ１３０に受光されるレーザ光の強度が最大となるように外部回路でフィードバック制御することにより、レーザダイオード１２０の変調周波数が調整される。
フィードバック制御系は、原子周波数取得装置１００に接続された制御回路およびローカルオシレータを備えて構成され、フォトディテクタ１３０の出力が制御回路を経由してローカルオシレータに供給されてフィードバック制御を行い、ローカルオシレータの発振周波数を上述のセシウム原子の固有周波数を基準として安定化している。
上記のようにして調整された発振周波数がローカルオシレータから取得され、原子時計の標準信号として利用される。
なお、封止部１１０の形状は図１，２に示すような形状に限らず、レーザダイオード１２０から発振されキャビティ１１１を通過したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射する第２の反射部を有するものであればよい。なお、第１の反射部および第２の反射部は、反射面が球面で形成しても良い。球面で形成することによって、広がったレーザ光を集光して、装置の精度を上げることが可能です。
また、図３は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の変形例の構造を示す斜視図、図４（ａ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図、図４（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。図１および図２と同一の符号は、対応する構成要素を表している。
図３，４に示す例では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、封止部１１０のキャビティ１１１に面した同一面上に設置されている。
図３，４に示す例では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、封止部１１０のキャビティ１１１に面した同一面上に設置されている。
また、セラミックパッケージ２００は、レーザダイオード１２０から発振されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１２と、反射面１１２で反射されたレーザ光が４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１３を有している。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図４（ａ）に示すようにキャビティ１１１内を直進し、反射面１１２で反射されて光路を９０度回転させ、反射面１１３で反射されて光路を再度９０度回転させた後、再びキャビティ１１１内を直進してフォトディテクタ１３０に受光される。
なお、セラミックパッケージ２００の形状は図４（ａ）のような形状に限らず、レーザダイオード１２０から発振されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射する第２の反射部を有するものであればよい。
実施の形態１によれば、セラミックパッケージ２００と封止部１１０によって形成されるセルとレーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０が一体化しているので、原子周波数取得装置１００の小型化が図れると共に、原子周波数取得装置１００の電子機器等への組み込み作業が簡素化され、量産性を向上させることができる。
また、レーザダイオード１２０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、フォトディテクタ１３０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
また、レーザダイオード１２０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、フォトディテクタ１３０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
なお、実施の形態１では、セルを封止部１１０とセラミックパッケージ２００から形成したが、封止部１１０を形成しているガラス材料のみでセルを形成してもよい。また、レーザ光がセル１１０の上面又は下面で複数回反射するように形成してもよい。
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図６（ａ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図、図６（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。図１および図２と同一の符号は、対応する構成要素を表している。実施の形態２では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、セラミックパッケージ２００のキャビティ１１１に面する対向面にそれぞれ設置されている。
図５は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図６（ａ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図、図６（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。図１および図２と同一の符号は、対応する構成要素を表している。実施の形態２では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、セラミックパッケージ２００のキャビティ１１１に面する対向面にそれぞれ設置されている。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図６（ａ）に示すようにキャビティ１１１内を直進してフォトディテクタ１３０に受光される。
実施の形態２も実施の形態１と同様に、セラミックパッケージ２００と封止部１１０によって形成されるセルと、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０が一体化して形成されるので、原子周波数取得装置１００の小型化が図れると共に、原子周波数取得装置１００の電子機器等への組み込み作業が簡素化され、量産性を向上させることができる。
また、レーザダイオード１２０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、フォトディテクタ１３０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
また、レーザダイオード１２０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルへの入射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。同様に、フォトディテクタ１３０がセル内に配置されるため、レーザ光がセルからの出射面で反射されることによるロスを防ぐことができる。このようにレーザ光の利用効率を高めることができる。
なお、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、互いに対向する面にそれぞれ取り付ければよいので、セルの形状に応じてキャビティ１１１内での光路が最長になるように取り付け面を選べばよい。
なお、実施の形態２では、セルを封止部１１０とセラミックパッケージ２００から形成したが、封止部１１０を形成しているガラス材料のみでセルを形成してもよい。
１００ 原子周波数取得装置、１１０ 封止部、１１１ キャビティ、１１２，１１３ 反射面、１１４，１１５ 金属膜、１２０ レーザダイオード、１２１，１３１ 配線、１２２，１３２ 保護膜、１３０ フォトディテクタ、２００ セラミックパッケージ、３００ ヒータ
Claims (9)
- 内部に原子ガスを封入したセルと、
前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、
前記レーザ光源および前記受光部は、前記セルの内部に面した同一の面に貼付され、
前記セルは、前記レーザ光源から発振されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、
前記第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第２の反射部を備えたことを特徴とする原子周波数取得装置。 - 前記第１の反射部および前記第２の反射部は、前記セル内部に面して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子周波数取得装置。
- 前記セルは一部に開口部を有し、
前記開口部を封止するように設置された封止部を備え、
前記第１の反射部および前記第２の反射部は、前記セルの外側の、前記封止部の一面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子周波数取得装置。 - 内部に原子ガスを封入したセルと、
前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、
前記レーザ光源は前記セルの内部に面した第１の面に貼付され、前記受光部は、前記第１の面に対向する第２の面に貼付されたことを特徴とする原子周波数取得装置。 - 前記レーザ光源および前記受光部を覆う保護膜を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
- 前記セルの一部がセラミックパッケージで形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
- 前記レーザ光源および前記受光部は、エピタキシャルリフトオフ法により形成されたチップとして実装されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
- 前記レーザ光源は、面発光レーザの光源であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
- 請求項１から請求項８のいずれかに記載の原子周波数取得装置を備えた原子時計。
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