JP5640490B2

JP5640490B2 - 原子発振器

Info

Publication number: JP5640490B2
Application number: JP2010140230A
Authority: JP
Inventors: 義之牧; 啓之吉田; 田中　良明; 良明田中
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2030-06-21
Also published as: JP2012004469A; CN102291135A; US20110309887A1

Description

本発明は、原子発振器の光源を制御する方法に関し、さらに詳しくは、原子発振器の吸
収ゲイン可変による吸収捕捉を安定化する原子発振器の光源を制御する方法に関するもの
である。

電磁誘起透過方式（ＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）方式、ＣＰ
Ｔ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、
アルカリ金属原子に波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の吸収
が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。従って、ＥＩＴ現象を安定的に
得ることが重要である。
アルカリ金属原子と２つの共鳴光との相互作用機構は、図７（Ａ）に示すように、Ａ型
３準位系モデルで説明できることが知られている。アルカリ金属原子は２つの基底準位を
有し、第１基底準位３３と励起準位３０とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ_ｌ）
を有する第１共鳴光３１、あるいは第２基底準位３４と励起準位３０とのエネルギー差に
相当する波長（周波数ｆ_２）を有する第２共鳴光３２を、それぞれ単独でアルカリ金属原
子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。ところが、図７（Ｂ）に示す
ように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ_ｌ−ｆ_２が第１基底準位３３と第２基底準
位３４のエネルギー差△Ｅ_１２に相当する周波数と正確に一致する第１共鳴光３１と第２
共鳴光３２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態に
なり、励起準位３０への励起が停止して第１共鳴光３１と第２共鳴光３２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共鳴
光３１と第２共鳴光３２との周波数差ｆ_ｌ−ｆ_２が第１基底準位３３と第２基底準位３４
のエネルギー差△Ｅ_１２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。

従来のＣＰＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆｏ（＝ｖ
／λｏ：ｖは光の速度、λｏはレーザー光の中心波長）の駆動電流を、第１基底準位３３
と第２基底準位３４のエネルギー差△Ｅ_１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ
１で変調することにより、半導体レーザーに周波数ｆｌ＝ｆｏ＋ｆｍｌの第１共鳴光３１
と周波数ｆ_２＝ｆｏ−ｆｍ_ｌの第２共鳴光３２を発生させ（図７（Ｂ））、原子セルに含
まれる気体状のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる。この原子発振器は、原子セ
ルを透過した光の検出量が最大になるように電圧制御水品発振器（ＶＣＸＯ）の発振周波
数を制御し、その発振周波数をＰＬＬにより逓倍率Ｎ／Ｒ（Ｎ、Ｒはともに正の整数）で
逓倍して△Ｅ_１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍｌの信号を生成する。この
ような構成によれば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）は極めて安定に発振動作を継続す
るので、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。
従来技術として特許文献１には、半導体レーザーへのバイアス電流に低周波信号で変調
をかけて、吸収を安定化する回路構成について開示されている（図８参照）。それによる
と、半導体レーザー光の中心波長（キャリア周波数）を安定化させるために、ロックイン
アンプ（同期検波回路）を用い、このロックインアンプの出力信号をアナログ的にフィー
ドバックさせることにより、半導体レーザー光の中心波長を制御している。即ちロックイ
ンアンプが狭帯域のフィルタとして機能し、フィードバック制御に必要な所望の成分のみ
を検出するので高精度の周波数制御が可能となる。

米国特許第６３２０４７２号

しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、図７（Ｂ）に示すように、電流駆動
回路により発生した周波数ｆｏ（＝ｖ／λｏ：ｖは光の速度、λｏはレーザー光の中心波
長）の駆動電流を、第１基底準位３３と第２基底準位３４のエネルギー差△Ｅ_１２に相当
する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ１で変調することにより、半導体レーザーに周波数
ｆｌ＝ｆｏ＋ｆｍｌの第１共鳴光３１と周波数ｆ_２＝ｆｏ−ｆｍ_ｌの第２共鳴光３２を発
生させ、原子セルに含まれる気体状のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる。また
、ＥＩＴ現象はセルに含まれるアルカリ金属原子の数が多いほど寄与する確率が高くなり
、光検出器で吸収される光のレベルが大きくなるが、近年の小型化、低消費化の要求によ
りＥＩＴ現象に寄与する確率が低くなり、光のレベルが低下してＳ／Ｎを悪化させるとい
った問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、アルカリ金属原子に同位体が存在
することを利用して、アルカリ金属原子と該アルカリ金属原子の同位体とを混合した気体
に１つの中心周波数に対して２つの異なる周波数成分を有する第１の共鳴光対と第２の共
鳴光対を含む複数の光を照射することにより、光検出器で吸収される光のレベルを高めて
Ｓ／Ｎを改善した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］アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現
象を利用する原子発振器であって、前記アルカリ金属原子と該アルカリ金属原子の同位体
とを混合した気体と、可干渉性（コヒーレント性）を有し、１つの中心周波数に対して２
つの異なる周波数成分を有する第１の共鳴光対と第２の共鳴光対を含む複数の光を前記気
体に照射する光源と、前記気体を透過した光の強度に応じた検出信号を生成する光検出部
と、前記検出信号の強度に基づいて、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を生起さ
せるように前記第１の共鳴光対の周波数を制御すると共に、前記アルカリ金属原子の同位
体に電磁誘起透過現象を生起させるように、前記第２の共鳴光対の周波数を制御する周波
数制御部と、を備えたことを特徴とする。

少なくとも４つ（２つの共鳴光対）の共鳴光を発生させるためには、コヒーレント光源
から出射される共鳴光に変調を与えて、サイドバンドを発生させ、その周波数スペクトラ
ムを利用することが考えられる。また、共鳴光を変調する周波数は、遷移周波数によって
変調する必要がある。そこで本発明では、アルカリ金属原子と、そのアルカリ金属原子の
同位体とを混合した気体を用意し、周波数制御部は２つの共鳴光対を制御する。これによ
り、コヒーレント光源から出射した共鳴光から、遷移周波数を維持した４つの周波数スペ
クトラムを有する共鳴光を生成することができる。

［適用例２］前記アルカリ金属原子が質量数８５のルビジウムであり、前記アルカリ金
属原子の同位体が質量数８７のルビジウムであることを特徴とする。

ルビジウムの同位体は２４種類が知られている。天然に存在するルビジウムは、天然存
在比が７２．２％の安定同位体８５Ｒｂと、２７．８％の放射性同位体８７Ｒｂの２種類
である。即ち、８５Ｒｂと８７Ｒｂは、中心波長がＤ１線で７９５ｎｍ、Ｄ２線で７８０
ｎｍとそれぞれ共通であるが、それぞれの遷移周波数が８５Ｒｂで６．８ＧＨｚ、８７Ｒ
ｂで３．０ＧＨｚの２種類となる。これにより、１本のレーザー光でサイドバンドを２種
類発生させることができ、ＥＩＴ現象に寄与する原子の確率を高めることができる。

［適用例３］前記周波数制御部は、電圧制御水晶発振器の出力信号を所定の周波数によ
り位相変調する位相変調部と、該位相変調部により位相変調された信号を前記アルカリ金
属原子の遷移周波数に逓倍する第１の周波数逓倍部と、前記位相変調部により位相変調さ
れた信号を前記アルカリ金属原子の同位体の遷移周波数に逓倍する第２の周波数逓倍部と
、前記第１の周波数逓倍部により逓倍された周波数と前記第２の周波数逓倍部により逓倍
された周波数とを混合する周波数混合器と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る原子発振器のもう一つの特徴は、周波数制御部の構成にある。即ち、２種
類の遷移周波数を制御するために、位相変調部により変調された信号を、第１の共鳴光対
の遷移周波数に逓倍する第１の周波数逓倍部と、第２の共鳴光対の遷移周波数に逓倍する
第２の周波数逓倍部とを備えることである。そして、これらの逓倍周波数を混合する周波
数混合器が必要となる。これにより、アルカリ金属原子と、その同位体の遷移周波数を１
本に合成して光源を励起することができる。

［適用例４］前記第１の周波数逓倍部及び前記第２の周波数逓倍部に夫々前記位相変調
部を備え、何れか一方の前記位相変調部に位相をシフトする移相器を備えたことを特徴と
する。

位相変調部を共通に使用して２つの周波数逓倍部を駆動することができるが、部品のバ
ラツキ等により互いの位相がずれてしまう可能性もある。そこで、この現象が発生したと
きに、位相をシフトして位相合わせを行なう必要がある。そこで本発明では、何れか一方
の位相変調部に位相をシフトする移相器を備えた。これにより、同期検波を正確に、且つ
迅速に行なうことができる。

［適用例５］前記第１の周波数逓倍部及び前記第２の周波数逓倍部に夫々前記位相変調
部を備え、何れか一方の前記位相変調部に信号の振幅を調整する振幅調整器を備えたこと
を特徴とする。

２つの周波数逓倍部の出力レベルは、検波後の誤差電圧の傾きに影響する。従って理想
的には２つの周波数逓倍部の出力レベルが同じであることが好ましい。そこで本発明では
、何れか一方の位相変調部に振幅を調整する振幅調整器を備えた。これにより、同期検波
を正確に、且つ迅速に行なうことができる。

［適用例６］前記光源から出射された前記第１の共鳴光対と第２の共鳴光対を含む複数
の光を変調する電気光学変調器（ＥＯＭ）を備えたことを特徴とする。

光を変調するためには、電気光学変調素子が必要となる。しかし、周波数スペクトラム
の数を増やすと、それだけ電気光学変調素子の数を増やさなければならず、コスト的に高
くなり、且つ部品点数が増加するといった問題がある。そこで本発明では、電気光学変調
素子を変調する信号を周波数混合器で混合しておき、その変調信号により１つの電気光学
変調素子を変調する。これにより、電気光学変調素子の数を最小限にして、部品点数を削
減することができる。

ＥＩＴ現象の基本的な動作を説明する図である。本発明の基本原理を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。アルカリ金属原子と２つの共鳴光との相互作用機構を説明する図である。特許文献１に開示されている原子発振器の回路構成を示す図である。

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ＥＩＴ現象の基本的な動作を説明する図である。まず装置の電源をＯＮすると図
３の光検出部（ＰＤ）３の出力が最大となるように中心波長設定部１８が光源（ＬＤ）１
の中心波長を設定する（図１（ａ）参照）。ＥＩＴ信号４８を拡大すると図１（ｂ）のよ
うな信号がえられている。即ち、波形４０はアンロック状態の場合、位相変調の中心がＥ
ＩＴ信号４８のピークからずれている状態であり、増幅器（ＡＭＰ）４の出力が１１１Ｈ
ｚ周期で脈動する（波形４０）。アンロック（非同期）状態では、ＰＬＬ８、９（第１、
第２の周波数逓倍部）の出力周波数が共鳴周波数の１／２にロックされていないため、Ａ
ＭＰ４の出力において低周波発振器１７の成分（１１１Ｈｚ）のみ発生する。そこで、Ａ
ＭＰ４の出力において低周波発振器１７（１１１Ｈｚ）の２倍の成分（２２２Ｈｚ）が最
大になるようにフィードバック制御され、図１（ｂ）の波形４１のように、光源部１１の
出力信号の周波数が共鳴周波数の１／２に正確にロックされる。即ち、位相変調の中心が
ＥＩＴ信号４８のピークに一致する。このとき、同期制御出力信号は図１（ｃ）のような
同期制御電圧４２が発生している。この同期制御電圧４２が０Ｖとなるように、電圧制御
水晶発振器６へフィードバック制御がかかり、ＰＬＬ８、９（第１、第２の周波数逓倍部
）の出力周波数は正確に共鳴周波数の１／２にロックされる。図１（ｄ）は、周波数の安
定度を説明するための図であり、安定度δ（τ）＝１／（Ｑ・Ｓ／Ｎ・√τ）と表される
。即ち、半値幅が同じ波形４３と４４では、波形４３の方が波形４４に比べてＳが２倍と
なり、その結果、安定度τが２倍となる。

図２は本発明の基本原理を説明する図である。図２（ａ）は本発明のＰＤの出力信号と
光源に入力されるマイクロ波周波数の関係を示す図である。本発明は、アルカリ金属原子
に同位体が存在することを利用して、アルカリ金属原子と該アルカリ金属原子の同位体と
を混合した気体に１つの中心周波数に対して２つの異なる周波数成分を有する第１の共鳴
光対と第２の共鳴光対を含む複数の光を照射することにより、光検出部（ＰＤ）３で吸収
される光のレベルを高めてＳ／Ｎを改善した原子発振器である。
例えば、ルビジウムの場合、アルカリ金属原子が質量数８５のルビジウム（８５Ｒｂ）
であり、アルカリ金属原子の同位体が質量数８７のルビジウム（８７Ｒｂ）である。ルビ
ジウムの同位体は２４種類が知られている。天然に存在するルビジウムは、天然存在比が
７２．２％の安定同位体８５Ｒｂと、２７．８％の放射性同位体８７Ｒｂの２種類である
。このときの中心周波数における光検出部（ＰＤ）３の出力信号レベルの関係は、８７Ｒ
ｂのＥＩＴスペクトル４７が最も低く、８５ＲｂのＥＩＴスペクトル４６がそれよりも高
くなっている。そして両者を合成することにより、ＥＩＴスペクトル４５を更に大きくす
ることができる。また、図２（ｂ）及び（ｃ）から明らかな通り、８５Ｒｂと８７Ｒｂは
、中心波長がＤ１線で７９５ｎｍ、Ｄ２線で７８０ｎｍとそれぞれ共通であるが、それぞ
れの遷移周波数が８５Ｒｂで約６．８ＧＨｚ、８７Ｒｂで約３．０ＧＨｚの２種類となる
。これにより、１本のレーザー光でサイドバンドを２種類発生させることができ、ＥＩＴ
現象に寄与する原子の確率を高めることができる。

図３は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。この
原子発振器５０は大きく分けると、アルカリ金属原子と該アルカリ金属原子の同位体とを
混合した気体を封入したセル２と、可干渉性（コヒーレント性）を有し、１つの中心周波
数に対して２つの異なる周波数成分を有する第１の共鳴光対と第２の共鳴光対を含む複数
の光を気体に照射する光源（ＬＤ）１と、気体を透過した光の強度に応じた検出信号を生
成する光検出部（ＰＤ）３と、検出信号の強度に基づいて、アルカリ金属原子に電磁誘起
透過現象（以下、ＥＩＴ現象と呼ぶ）を生起させるように第１の共鳴光対の周波数を制御
すると共に、アルカリ金属原子の同位体にＥＩＴ現象を生起させるように、第２の共鳴光
対の周波数を制御する周波数制御部１２と、を備えて構成されている。

また、周波数制御部１２は、電圧制御水晶発振器６の出力信号を所定の周波数により位
相変調する位相変調部７と、位相変調部７により位相変調された信号をアルカリ金属原子
の遷移周波数に逓倍する第１の周波数逓倍部８と、位相変調部７により位相変調された信
号をアルカリ金属原子の同位体の遷移周波数に逓倍する第２の周波数逓倍部９と、第１の
周波数逓倍部８により逓倍された周波数と第２の周波数逓倍部９により逓倍された周波数
とを混合する周波数混合器１０と、を備えている。また、同期制御部５は、所定の周波数
を発振する低周波発振器１７と、位相回路１６と、光検出部（ＰＤ）３の信号と位相回路
１６の信号を乗算する乗算器１５と、乗算器１５の出力から直流成分を取り出すフィルタ
１４とを備えている。
即ち、少なくとも４つ（２つの共鳴光対）の共鳴光を発生させるためには、光源１から
出射される共鳴光に変調を与えて、サイドバンドを発生させ、その周波数スペクトラムを
利用することが考えられる。また、共鳴光を変調する周波数は、遷移周波数によって変調
する必要がある。そこで本実施形態では、アルカリ金属原子と、そのアルカリ金属原子の
同位体とを混合した気体をセル２に封入し、周波数制御部１２は２つの共鳴光対を制御す
る。これにより、光源１から出射した共鳴光から、遷移周波数を維持した４つの周波数ス
ペクトラムを有する共鳴光を生成することができる。

図４は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。同じ
構成要素には図３と同じ参照番号を付し説明を省略する。この原子発振器５１が図３の原
子発振器５０と異なる点は、第１の周波数逓倍部８及び第２の周波数逓倍部９に夫々位相
変調部７ａ、７ｂを備え、何れか一方（図４では７ｂ）の位相変調部に位相をシフトする
移相器１３を備えた。即ち、位相変調部７を共通に使用して２つの周波数逓倍部８、９を
駆動することができるが、部品のバラツキ等により互いの位相がずれてしまう可能性もあ
る。そこで、この現象が発生したときに、位相をシフトして位相合わせを行なう必要があ
る。そこで本実施形態では、位相変調部７ｂに位相をシフトする移相器１３を備えた。こ
れにより、同期検波を正確に、且つ迅速に行なうことができる。

図５は本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。同じ
構成要素には図３と同じ参照番号を付し説明を省略する。この原子発振器５２が図３の原
子発振器５０と異なる点は、第１の周波数逓倍部８及び第２の周波数逓倍部９に夫々位相
変調部７ａ、７ｂを備え、何れか一方（図５では７ｂ）の位相変調部７ｂに変調信号の振
幅を調整する振幅調整器１９を備えた。即ち、２つの周波数逓倍部８、９の出力における
位相変調度は、検波後の誤差電圧の傾きに影響する（図１（ｃ）参照）。従って理想的に
は２つの周波数逓倍部８、９の位相変調度が同じであることが好ましい。そこで本実施形
態では、位相変調部７ｂに変調信号の振幅を調整する振幅調整器１９を備えた。これによ
り、同期検波を正確に、且つ迅速に行なうことができる。

図６は本発明の第４の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。同じ
構成要素には図３と同じ参照番号を付し説明を省略する。この原子発振器５３が図３の原
子発振器５０と異なる点は、光源１から出射された第１の共鳴光対と第２の共鳴光対を含
む複数の光を変調する電気光学変調器（ＥＯＭ）２０を備えた。即ち、光を変調するため
には、電気光学変調素子２０が必要となる。しかし、周波数スペクトラムの数を増やすと
、それだけ電気光学変調素子２０の数を増やさなければならず、コスト的に高くなり、且
つ部品点数が増加するといった問題がある。そこで本実施形態では、第１の周波数逓倍部
８の出力信号と第２の周波数逓倍部９の出力信号を周波数混合器１０で混合しておき、そ
の出力信号により１つの電気光学変調素子２０を変調する。これにより、電気光学変調素
子２０の数を最小限にして、部品点数を削減することができる。

１光源（ＬＤ）、２セル、３光検出部（ＰＤ）、４増幅器（ＡＭＰ）、５同期
制御部、６電圧制御水晶発振器、７位相変調部、８第１の周波数逓倍部、９第２
の周波数逓倍部、１０周波数混合器、１１光源部、１２周波数制御部、１３移相
器、１４フィルタ、１５乗算器、１６移相器、１７低周波発振器、１８中心波
長設定部、１９振幅調整器、２０電気光学変調器（ＥＯＭ）、５０〜５３原子発振
器

Claims

第１の金属原子と、
前記第１の金属原子の同位体であり、前記第１の金属原子と混合して配置されている第２の金属原子と、
前記第１の金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる第１の共鳴光対と、前記第２の金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる第２の共鳴光対とを含む光を照射する光源と、
前記前記第１の金属原子および前記第２の金属原子を透過した光を検出する光検出部
と、
前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の金属原子が電磁誘起透過現象を発生したときの光の強度および前記第２の金属原子が電磁誘起透過現象を発生したときの光の強度よりも、光の強度が大きくなるように第１の共鳴光対の周波数と第２の共鳴光対の周波数とを制御する周波数制御部と、を備えていることを特徴とする原子発振器。
前記第１の金属原子が質量数８５のルビジウムであり、前記第２の金属原子が質量数８
７のルビジウムであることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
前記周波数制御部は、
電圧制御水晶発振器の出力信号を所定の周波数により位相変調する位相変調部と、
前記位相変調部により位相変調された信号を前記第１の金属原子の遷移周波数に逓倍す
る第１の周波数逓倍部と、
前記位相変調部により位相変調された信号を前記第２の金属原子の遷移周波数に逓倍す
る第２の周波数逓倍部と、
前記第１の周波数逓倍部により逓倍された周波数と前記第２の周波数逓倍部により逓倍
された周波数とを混合する周波数混合器と、
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器。
前記第１の周波数逓倍部及び前記第２の周波数逓倍部に夫々前記位相変調部を備え、何
れか一方の前記位相変調部に位相をシフトする移相器を備えていることを特徴とする請求
項３に記載の原子発振器。
前記第１の周波数逓倍部及び前記第２の周波数逓倍部に夫々前記位相変調部を備え、何
れか一方の前記位相変調部に信号の振幅を調整する振幅調整器を備えていることを特徴と
する請求項３に記載の原子発振器。
前記２つの共鳴光対を含む光を変調する電気光学変調器を備えていることを特徴とする
請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器。