JP5045478B2 - 原子発振器 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、ＣＰＴ方式の原子発振器におけるＥＩＴ信号の検出精度を高める回路技術に関するものである。

ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を利用する際に、原子をガス状態に保つ必要があるため、原子を気密封入したガスセルを高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することにより、原子共鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。

図６（ａ）はコヒーレント光源の変調方式を説明する模式図である。この変調方式は直接変調方式と呼ばれ、ＤＣ電源５１（直流電流）を変調周波数ω_m５２により変調してレーザダイオード（ＬＤ）５３に供給して発光させる。その結果、ＬＤ５３を直接変調して作られる光５４の周波数成分は、図６（ｂ）のようにＥＩＴ現象が起きているときには、キャリア周波数ω_oと、エネルギ準位に共鳴する周波数の１／２だけキャリア周波数ω_oより離調したカップリング光周波数ω_c、プローブ光周波数ω_pとなる。共鳴ガスセル５８を通過したこれらの光は、フォトダイオード（ＰＤ）５５の受光電流として直流成分を検出していた（図７参照）。図８は従来の原子発振器の概略構成を示す図である。従来は上記で説明したように、ＰＤ５５の受光電流として直流成分を検出して、その電流値をＩ／Ｖ変換器５７により電圧に変換して周波数制御手段５９に入力していた。しかし、直流成分の変化量は非常に微弱なため、従来から信号のＳ／Ｎ比を高める方策が採られていた。
このＣＰＴ方式における原子発振器の従来技術として特許文献１には、小さなガスセルを使用して精度を高めた原子発振器について開示されている。
特開２００４−９６４１０公報

しかし、特許文献１に開示されている従来の光学系の光強度検出では、ガスセルを小さくしたとき、ＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくしてＱ値を高めるために、コヒーレント光源の光強度を小さくする必要があった。しかし、光強度を小さくするとＥＩＴ信号のレベルも相対的に小さくなるため、Ｓ／Ｎ比が劣化するといった問題がある。
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、光検出器で検出した信号に含まれる差周波ビート成分を検出可能な回路構成とすることにより、光強度を小さくしてＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくしてＱ値を高めると共に、Ｓ／Ｎ比を高めて高精度で低消費電力の原子発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、前記各共鳴光を出射するコヒーレント光源と、該コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に前記各共鳴光を通過させるガスセルと、該ガスセルを通過した光を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された受光電流に含まれる差周波ビート成分を検出するビート成分検出手段と、該ビート成分検出手段により検出された差周波ビート成分の振幅レベルを検波する検波手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の原子発振器は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型３準位系）において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。そして、本発明の原子発振器は、光検出手段により検出された電流に含まれる差周波ビート成分を検出して、この差周波ビート成分の振幅レベルを検波することによりＥＩＴ信号を得る。これにより、光強度を小さくしてＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくしてＱ値を高めると共に、Ｓ／Ｎ比を高めて、発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。

［適用例２］
前記ビート成分検出手段は、前記コヒーレント光源を変調する周波数帯域内で動作可能なＩ／Ｖ変換器及び増幅器により構成されていることを特徴とする。

光検出手段は一般的に光の強度により受光電流値が変化するフォトダイオードが多く使用される。また、この受光電流中の変調マイクロ波周波数成分を検出するためには、マイクロ波で動作することが要求される。そこで本発明では、マイクロ波周波数成分の電流を検出し電圧に変換するＩ／Ｖ変換器と増幅器により構成する。これにより、簡単な回路構成で光検出手段により検出された差周波ビート成分を検出することができる。

［適用例３］
前記コヒーレント光源は、ＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくするために、該コヒーレント光源の発光パワーを極力小さくしたことを特徴とする。

本発明は、ＥＩＴ信号として光検出手段により検出された差周波ビート成分を検出する。差周波ビート成分は、従来の直流成分の変化量に対して大きく変化するためＳ／Ｎ比が大きくなる。これにより、ＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくしてＱ値を高めると共に、発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。

［適用例４］
前記コヒーレント光源を変調する変調方式は、該コヒーレント光源に供給する電流を直接変調する直接変調方式であることを特徴とする。

直接変調方式は、レーザダイオードを発光させるために供給する直流電流を変調周波数（ω_m）により直接変調する方式である。従って、発光するレーザ光のスペクトラム成分として、キャリア光（ω_o）と共に、変調周波数ω_mだけキャリア周波数ω_oより離調したカップリング光（ω_c）とプローブ光（ω_p）のスペクトルが出射される。本発明では、フォトダイオードにより、ω_oとω_c及びω_oとω_pの差周波ビート成分を検出する。そしてキャリア光の光電界振幅Ｅｏ、カップリング光の光電界振幅Ｅｃ、プローブ光の光電界振幅Ｅｐとすると、この時の受光電流の直流成分はＥｃ²＋Ｅｐ²に比例し、差周波ビート成分はＥｏＥｃ＋ＥｏＥｐに比例する。これにより、キャリア光のＥｏがＥｃ、Ｅｐより大きい時には差周波ビート成分の方が大きくなる。

［適用例５］
前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする。

普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。

［適用例６］
前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする。

セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子はマイクロ波遷移周波数が６．８ＧＨｚとセシウム原子の９．２ＧＨｚに比べ低いため使いやすい。よって、原子発振器の要求性能と利便性を考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る原子発振器の要部構成図である。同じ構成要素には図８と同じ参照番号を付して説明する。この原子発振器１００は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器１００であって、各共鳴光を出射するＬＤ（コヒーレント光源）５３と、ＬＤ５３の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に各共鳴光を通過させる共鳴ガスセル５８と、共鳴ガスセル５８を通過した光１を検出するＰＤ（光検出手段）５５と、ＰＤ５５により検出された電流に含まれる差周波ビート成分を検出するビート成分検出手段２と、ビート成分検出手段２により検出された差周波ビート成分の振幅レベルを検波する検波手段３と、検波手段３の検波電圧に基づいて水晶発振器６０の制御電圧を生成する周波数制御手段５９と、周波数制御手段５９から生成された制御電圧に基づいて規定の周波数を発振する水晶発振器６０と、水晶発振器６０の発振周波数を基に合成・逓倍して生成した変調周波数ω_mによりＬＤ（コヒーレント光源）５３の駆動電流を変調する変調手段６１と、を備えて構成されている。尚、本発明の主旨は、原子発振器の光検出方法にあるので、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。

即ち、本実施形態の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している系において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、原子は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。更に図２を参照して詳細に説明する。図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。原子発振器に用いられるルビジウムやセシウムの基底準位は、核スピンＩと電子の全角運動量Ｊとの相互作用による超微細構造により２種類の基底準位に分かれている。これらの基底準位の原子は光を吸収して、よりエネルギの高い準位へ励起する。また、図２の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を２光子共鳴と言う。図２において、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）は準位のエネルギが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）と波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）の周波数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致すると、図２の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位２１への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）のどちらかまたは両方の波長を変化させたときに、ガスセル３での光吸収（つまり励起準位２１への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。尚、この光吸収が停止する状態でガスセル６を通過する透過光をＥＩＴ信号と呼ぶ。

即ち、普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。
そして、本発明の原子発振器１００は、ＰＤ５５により検出された電流に含まれる差周波ビート成分をビート成分検出手段２により検出して、この差周波ビート成分の振幅レベルを検波手段３により検波することによりＥＩＴ信号を得る。これにより、光強度を小さくしてＥＩＴスペクトルの半値全幅を小さくしてＱ値を高めると共に、Ｓ／Ｎ比を高めて、高精度化と低消費電力化を実現することができる。

図３は本発明のビート成分検出手段の回路構成の一例を示す図である。このビート成分検出手段２は、ＬＤ５３を変調する周波数帯域内で動作可能なＩ／Ｖ変換器４及び増幅器５により構成されている。即ち、光検出手段は一般的に光の強度により受光電流値が変化するフォトダイオードが多く使用される。また、この受光電流中の変調マイクロ波周波数成分を検出するためには、マイクロ波で動作することが要求される。そこで本実施形態では、マイクロ波周波数成分の電流を検出し電圧に変換するＩ／Ｖ変換器４と増幅器５により構成する。これにより、簡単な回路構成でＰＤ５５により検出された差周波ビート成分を検出することができる。

図４は本発明の原子発振器の光検出方法を説明する図である。比較のために、従来の直流成分による特性を図４（ａ）、（ｂ）に示す。直接変調方式は、図６で説明したとおり、レーザダイオード５３を発光させるＤＣ電源５１（直流電流）を変調周波数（ω_m）により直接変調する方式である。従って、発光するレーザ光のスペクトラム成分として、図６（ｂ）に示すように、キャリア光（ω_o）と共に、変調周波数ω_mだけキャリア周波数ω_oより離調したカップリング光（ω_c）とプローブ光（ω_p）のスペクトルが生成される。本発明では、ω_oとω_c及びω_oとω_pの差周波ビート成分を検出する。この時キャリア光の光電界振幅Ｅｏ、カップリング光の光電界振幅Ｅｃ、プローブ光の光電界振幅Ｅｐとすると、フォトダイオード５５により検出された受光電流の直流成分は図４（ａ）に示すように、Ｅｃ²＋Ｅｐ²に比例し、差周波ビート成分は図４（ｃ）に示すように、ＥｏＥｃ＋ＥｏＥｐに比例する。これにより、レーザダイオード５３から出射される光強度が小さく、かつキャリア光Ｅｏに比べてカップリング光Ｅｃとプローブ光Ｅｐが小さい時、直流成分は共鳴した場合の受光電流値（Ｅｃ²＋Ｅｐ²）（図４（ａ））と、共鳴しない場合の受光電流値（図４（ｂ））のレベル差が小さいが、差周波ビート成分は共鳴した場合の受光電流値（ＥｏＥｃ＋ＥｏＥｐ）（図４（ｃ））と、共鳴しない場合の受光電流値（図４（ｄ））のレベル差が大きくなる。即ち、ＥＩＴ信号としてＰＤ５５により生成された差周波ビート成分を検出すれば、Ｓ／Ｎを高くすることができる。差周波ビート成分は、従来の直流成分の変化量に対して大きく変化するためＳ／Ｎ比が大きくなるので光強度を小さくすることができ、そのため光強度を小さくしてＥＩＴ信号の半値全幅を小さくしてＱ値を高めることが可能となる。これにより、ＥＩＴ信号の半値全幅を小さくしてＱ値を高めると共に、Ｓ／Ｎの向上により発振周波数の高精度化と消費電力の低減ができる。

図５は実際にＰＤから出力される電流の様子を表す図である。縦軸にＰＤ電流、横軸に時間を表す。この図から明らかなように、変調手段５６により変調周波数ω_mで変調すると、ＰＤ電流の上部にω_oとω_c及びω_oとω_pの差周波ビート成分１１である変調周波数ω_mの成分が現れる。この差周波ビート成分１１は従来の回路構成（図８）では直流成分のみ検出していたために増幅器５７の周波数帯域が狭く検出されない成分である。従って、増幅器５７からは直流成分１０のみが現れていた。そこで本発明では、図３のようにマイクロ波帯の周波数帯域を有するＩ／Ｖ変換器４と増幅器５によりこの差周波ビート成分１１を検出することができる。そして、ビート成分検出手段２はこの差周波ビート成分１１のみを検出し、その振幅レベルを検波手段３により検波することにより、ＥＩＴ信号を検出することができる。

本発明の実施形態に係る原子発振器の要部構成図である。 ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図である。 本発明のビート成分検出手段の回路構成の一例を示す図である。 本発明の原子発振器の光検出方法を説明する図である。 ＰＤで検出された受光電流の様子を表す図である。 コヒーレント光源の変調方式を説明する模式図である。 従来の光学系の構成を示す模式図である。 従来の原子発振器の構成を示す図である。

符号の説明

１ 透過光、２ ビート成分検出手段、３ 検波手段、４ Ｉ／Ｖ変換器、５ 増幅器、５３ ＬＤ、５５ ＰＤ、５６、５７ 増幅器、５８ 共鳴ガスセル、５９ 周波数制御手段、６０水晶発振器、６１ 変調手段、１００ 原子発振器

Claims (3)

1. 共鳴光による量子干渉効果を利用した原子発振器であって、
   供給される発振信号により駆動電流を変調する変調手段と、
   前記変調手段から変調されている駆動電流が供給され、周波数がω ₀ であるキャリア光、前記ω ₀ に対して周波数がω _m 異なるカップリング光及びプローブ光とを含む前記共鳴光を出射する光源と、
   アルカリ金属原子が封入されており前記共鳴光が入射し且つ通過するガスセルと、
   前記ガスセルを通過した前記共鳴光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段の検出した信号に含まれる周波数がω _m の信号を検出するビート成分検出手段と、
   前記ビート成分検出手段が検出した前記周波数がω _m の信号の振幅レベルを検波して検波電圧を出力する検波手段と、
   前記検波電圧に基づいて発振周波数が制御された前記発振信号を出力する発振器と、を備えたことを特徴とする原子発振器。
2. 前記変調手段は、前記発振器の出力信号を合成、逓倍して得られた信号により前記駆動電流を変調することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記周波数がω _m の信号がマイクロ波であり、前記ビート成分検出手段は、前記マイクロ波の電流を電圧に変換する手段と、前記電圧を増幅する増幅器と、により構成されていることを特徴とする請求項１、または２のいずれか一項に記載の原子発振器。

Images