JP5988023B2 - 原子発振器の制御方法及び原子発振器 - Google Patents

原子発振器の制御方法及び原子発振器 Download PDF

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本発明は、原子発振器の制御方法及び原子発振器に関する。
図１９に示すように、アルカリ金属原子は、タームシンボル2Ｓ1/2で表される基底準位と、タームシンボル2Ｐ1/2、2Ｐ3/2で表される２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、2Ｓ1/2、2Ｐ1/2、2Ｐ3/2の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した超微細構造を有している。具体的には、2Ｓ1/2はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの基底準位を持ち、2Ｐ1/2はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの励起準位を持ち、2Ｐ3/2はＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２の４つの励起準位を持っている。ここで、Ｉは核スピン量子数である。
2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、2Ｐ3/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ＋３／２の励起準位に遷移することはできない。2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、2Ｐ3/2のＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ−３／２の励起準位に遷移することはできない。これらは、電気双極子遷移を仮定した場合の遷移選択則による。逆に、2Ｐ3/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して2Ｓ1/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の基底準位（元の基底準位又は他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。ここで、2Ｓ1/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と2Ｐ3/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位からなる３準位（２つの基底準位と１つの励起準位からなる）は、Ｄ２線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であることからΛ型３準位と呼ばれる。これに対して、2Ｐ3/2のＩ−３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、2Ｐ3/2のＩ＋３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、2Ｓ1/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と2Ｐ3/2のＩ−３／２又はＩ＋３／２の励起準位からなる３準位は、Ｄ２線の吸収・放出によるΛ型の遷移が不可能であることからΛ型３準位を形成しない。
ところで、気体状のアルカリ金属原子に、Λ型３準位を形成する第１の基底準位（2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位）と励起準位（例えば、2Ｐ3/2のＩ＋１／２の励起準位）とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光１とする）と、第２の基底準位（2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位）と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光２とする）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、即ち量子コヒーレンス状態（暗状態）になり、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）が起こることが知られている。このＥＩＴ現象を起こす共鳴光対（共鳴光１と共鳴光２）の周波数差はアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と正確に一致する。例えば、セシウム原子は、２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のＤ１線又はＤ２線のレーザー光を同時に照射すると、ＥＩＴ現象が起こる。
従って、図２０に示すように、周波数がｆ1の光と周波数がｆ2の光を気体状のアルカリ金属原子に同時に照射したとき、この２種類の光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かでアルカリ金属原子を透過する光の強度が急峻に変化する。この急峻に変化する透過光の強度を示す信号はＥＩＴ信号と呼ばれ、共鳴光対の周波数差ｆ1−ｆ2がΔＥ12に相当する周波数ｆ12と正確に一致するときにＥＩＴ信号のレベルがピーク値を示す。そこで、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子に照射する２種類の光の周波数差ｆ1−ｆ2がΔＥ12に相当する周波数ｆ12と正確に一致するように制御することで、高精度な発振器を実現することができる。このような原子発振器に関する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
図２１は、従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。従来のＥＩＴ方式による原子発振器は、駆動回路においてバイアス電流に周波数がｆmの変調信号を重畳し、半導体レーザーに供給することにより、半導体レーザーに変調がかかり、バイアス電流に応じた中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0は光の波長）の光とともに、周波数がｆ0＋ｆmの光と周波数がｆ0−ｆmの光が発生する。これらの光はガスセルに同時に照射され、光検出器によりガスセルを透過した光の強度を検出する。ガスセルは気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されており、同時に照射された周波数がｆ0＋ｆmとｆ0−ｆmの２種類の光が共鳴光対となれば、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こし、ガスセルを透過する光の強度が大きくなる。そこで、この原子発振器は、低周波発振器が発生する数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低周波信号を用いて検波を行うことで、光検出器が検出する光の強度が最大になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を介して周波数がｆmの変調信号を生成する。このような構成によれば、半導体レーザーが出射する、周波数がｆ0＋ｆmの光と周波数がｆ0−ｆmの光の周波数差２ｆmがΔＥ12に相当する周波数と正確に一致するように、すなわち、変調信号の周波数ｆmがΔＥ12に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。従って、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振動作が極めて安定に継続し、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。
なお、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させるためには、２光波の周波数差２ｆmがΔＥ12に相当する周波数と正確に一致するだけでなく、中心周波数ｆ0をＤ１線あるいはＤ２線の波長帯に合わせる必要があるが、半導体レーザーの特性ばらつきにより、所望の中心周波数ｆ0を発生させるバイアス電流は半導体レーザー毎に異なる。そこで、原子発振器の起動時に、フィードバック制御を行わずにＰＬＬが出力する変調信号の周波数をΔＥ12に相当する周波数の１／２の周波数付近に固定した状態で、スイープ回路が動作してバイアス電流をスイープする。スイープ中には、図２２に示すような３光波が周波数ｆ0，ｆ1，ｆ2を徐々に変化させながらアルカリ金属原子に照射される。スイープ中は図２１中の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を安定化させるためのフィードバック制御がかかっていないので、周波数がｆ1とｆ2の２光波の周波数差はΔＥ12に相当する周波数と正確に一致せず、半導体レーザーの中心周波数ｆ0が所望の周波数と一致した時、アルカリ金属原子はＥＩＴ現象を起こさずに２光波をともに吸収する。そのため、光検出器が検出する光の強度が最小になる。図２３は、スイープにより得られる、バイアス電流と光検出器の検出電圧（光の強度）との関係を示すグラフの一例である。バイアス電流がＩ1の時は、周波数ｆ1の光がアルカリ金属原子に吸収されるため、光検出器の検出電圧が低くなっている。また、バイアス電流がＩ2とＩ4の時は、周波数ｆ0の光がアルカリ金属原子に吸収されるため、光検出器の検出電圧が低くなっている。また、バイアス電流がＩ5の時は、周波数ｆ2の光がアルカリ金属原子に吸収されるため、光検出器の検出電圧が低くなっている。これらに対して、バイアス電流がＩ3の時は、周波数がｆ1とｆ2の２光波がアルカリ金属原子に吸収されるため、光検出器の検出電圧が最も低くなっている。従って、スイープした範囲で光検出器の検出電圧が最小になる時のバイアス電流の設定値を検出し、この設定値に固定した後フィードバック制御を開始することで、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させることができる。
ところで、ＥＩＴ現象を利用した原子発振器では、半導体レーザーを光源とするが、長期間の使用により、半導体レーザーはある確率で故障する。特に、面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）には、何らはっきりとした兆候がないまま突然故障する故障モードがあり、スクリーニングとしてバーイン等の加速試験が実施されるが、当該故障モードが発生する製品を１００％除去できる保障はない。
この問題に対して、特許文献２では、ＥＩＴ現象を利用した原子発振器ではないが、複数のレーザーを備え、使用中のレーザーが故障した場合に、予備のレーザーに切り替えて使用する原子発振器が提案されている。
米国特許第６３２０４７２号明細書 特開平４−７３９７９号公報
しかしながら、特許文献２に記載の原子発振器では、光スイッチ等を用いてレーザーの切り替えを行うため、全体として大掛かりな構成となり、小型化が難しい。また、レーザーの切り替えに時間を要するため、電圧制御発振器の周波数を保持する工夫がなされているものの、この間は電圧制御発振器の周波数精度しか確保できず、長期間にわたって高い周波数安定度が求められる場合には使用が難しい。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、発光素子が故障した場合でも高い周波数安定度を維持することが可能な原子発振器の制御方法及び原子発振器を提供することができる。
［適用例１］
本適用例に係る原子発振器の制御方法は、複数の発光素子と、前記複数の発光素子から選択された発光素子が発生させる共鳴光対が照射される原子と、前記原子を透過した光を検出する光検出部とを含み、前記原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器の制御方法であって、前記原子発振器の起動時に、前記複数の発光素子から発光させる発光素子を選択し、当該選択された発光素子にバイアス電流を設定するバイアス初期設定ステップと、前記光検出部の出力信号に基づいて、前記原子を透過した光の強度を監視し、発光素子の選択を変更すべきか否かを判定する光強度監視ステップと、前記光強度監視ステップの判定結果に応じて、未だ選択されていない他の発光素子を選択するとともに、前記複数の発光素子の各々の識別情報とバイアス電流の設定値との対応関係を特定可能なテーブル情報に基づいて当該他の発光素子にバイアス電流を設定するバイアス設定変更ステップと、を含む。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、原子を透過した光の強度に応じて、現在選択されている発光素子の代わりに、未だ選択されていない他の発光素子が新たに選択され、当該他の発光素子にバイアス電流が設定される。従って、現在選択されている発光素子が故障して原子を透過した光の強度が低下したような場合でも原子発振器の発振動作を継続させることができる。また、新たに選択された他の発光素子に対して、テーブル情報であらかじめ定義されたバイアス電流を設定するので、スイープを行ってバイアス電流を設定する場合と比較して、原子発振器が安定発振するまでの時間を短くすることができる。従って、長期にわたって高い周波数安定度を維持することが可能な原子発振器を提供することができる。
［適用例２］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、前記バイアス設定変更ステップにおいて、前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、発光素子の選択変更に伴うバイアス電流の変化量を小さくすることができるので、発光素子の選択変更後、原子発振器が安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。
［適用例３］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、前記バイアス初期設定ステップにおいて、前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が最も小さい発光素子を選択し、前記バイアス設定変更ステップにおいて、前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に小さい発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、発光素子の選択を変更する場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い他の発光素子を選択することになるので、発光素子の選択変更後、原子発振器が安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。また、バイアス電流の設定値が小さい発光素子ほど優先して使用されるので、原子発振器の消費電力を小さくすることができる。
［適用例４］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、前記バイアス初期設定ステップにおいて、前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が最も大きい発光素子を選択し、前記バイアス設定変更ステップにおいて、前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に大きい発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、発光素子の選択を変更する場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い他の発光素子を選択することになるので、発光素子の選択変更後、原子発振器が安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。
［適用例５］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、前記バイアス初期設定ステップにおいて、前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子を選択し、前記バイアス設定変更ステップにおいて、前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、現在選択されている発光素子のバイアス電流の設定値との差が最も小さいバイアス電流の設定値の発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、発光素子の選択を変更する場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い他の発光素子を選択することになるので、発光素子の選択変更後、安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。また、最初にバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子が選択され、最初に発光素子の選択を変更する際に、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に小さい発光素子、及び、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に大きい発光素子のうち、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に近い方の発光素子が選択される。従って、最初に発光素子の選択を変更する際に、バイアス電流の変化量がより小さくなる確率が高くなり、発光素子の選択変更後、原子発振器が安定発振を開始するまでの時間をより短くできる可能性がある。
［適用例６］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、選択されている発光素子のバイアス電流を検出するバイアス検出ステップをさらに含み、前記バイアス設定変更ステップにおいて、前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、前記バイアス検出ステップで検出されたバイアス電流との差が最も小さいバイアス電流の設定値の発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、発光素子の選択を変更する場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子のバイアス電流の検出値に最も近い他の発光素子が選択されるので、経時変化により、現在選択されている発光素子のバイアス電流が変わった場合でも、発光素子の選択変更に伴うバイアス電流の変化量を小さくすることができる。従って、発光素子の選択変更後、原子発振器が安定発振を開始するまでの時間を確実に短くすることができる。
［適用例７］
上記適用例に係る原子発振器の制御方法は、前記バイアス初期設定ステップにおいて、前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子を選択するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器の制御方法によれば、最初にバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子が選択されるので、発光素子の選択を変更する際に、経時変化により発光素子のバイアス電流が増加している場合も減少している場合も、現在選択されている発光素子のバイアス電流の検出値との差が小さいバイアス電流の設定値の発光素子が選択される確率を高めることができる。
［適用例８］
本適用例に係る原子発振器は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、複数の発光素子と、前記複数の発光素子から選択された発光素子が発生させる共鳴光対が照射される原子と、起動時に、前記複数の発光素子から発光させる発光素子を選択し、当該選択された発光素子にバイアス電流を設定するバイアス設定部と、前記原子を透過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の出力信号に基づいて、前記原子を透過した光の強度を監視し、発光素子の選択を変更すべきか否かを判定する光強度監視部と、を含み、前記バイアス設定部は、前記光強度監視部の判定結果に応じて、未だ選択されていない他の発光素子を選択するとともに、前記複数の発光素子の各々の識別情報とバイアス電流の設定値との対応関係を特定可能なテーブル情報に基づいて当該他の発光素子にバイアス電流を設定する。
第１実施形態の原子発振器の機能ブロック図。 第１実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図。 第１実施形態の原子発振器の構造例を示す図。 半導体レーザーの上面図。 第１実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 半導体レーザーの出射光の周波数スペクトラムの一例を示す概略図。 第１実施形態におけるバイアス設定テーブルの一例を示す図。 第１実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図。 第２実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図。 第２実施形態におけるバイアス設定テーブルの一例を示す図。 第３実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図。 第３実施形態におけるバイアス設定テーブルの一例を示す図。 第４実施形態の原子発振器の機能ブロック図。 第４実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図。 第４実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 第４実施形態におけるバイアス設定テーブルの一例を示す図。 第４実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図。 変形例１の原子発振器における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。 アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。 ＥＩＴ信号の一例を示す概略図。 従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。 スイープ時の半導体レーザーの出射光の周波数スペクトラムの一例を示す概略図。 バイアス電流と光検出器の検出電圧との関係を示すグラフの一例。
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の形態は、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．第１実施形態
１−１．機能構成
図１は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の原子発振器１は、光発生部１０、原子２０、光検出部３０、発振制御部４０、光強度監視部５０、バイアス設定部６０、駆動部７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
光発生部１０は、複数の発光素子１２を含み、複数の発光素子１２から選択された発光素子１２は、駆動部７０が出力する駆動信号に応じた周波数差の第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させ、原子２０の集団に照射する。光発生部１０は、例えば、アレイ化された複数の発光素子１２を有する１つの半導体レーザーで実現してもよいし、１つの発光素子１２を有する半導体レーザーを複数設けて実現してもよい。半導体レーザーとしては、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどを用いることができる。特に、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、チップの上面に発光部を形成するので複数の発光素子のアレイ化が容易であり、小型化に特に有利である。
原子２０は、Λ型３準位を有する原子であり、例えば、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等のアルカリ金属原子である。
光検出部３０は、選択されている発光素子１２から照射されて原子２０を透過した光を検出する。
発振制御部４０は、光検出部３０の検出信号に基づいて、選択されている発光素子１２が発生する光の中心周波数を微調整するとともに、第１の光と第２の光が共鳴光対（原子２０に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対）となるように制御し、制御信号を駆動部７０に出力する。
駆動部７０は、発振制御部４０が出力する制御信号に応じた駆動電流を生成し、選択されている発光素子１２を駆動する。
光強度監視部５０は、光検出部３０の出力信号に基づいて、原子２０を透過した光の強度を監視し、発光素子１２の選択を変更すべきか否かを判定する。
バイアス設定部６０は、複数の発光素子１２から発光させる発光素子１２を選択し、駆動部７０を介して、当該選択された発光素子にバイアス電流を設定する処理（発生する光の中心周波数を設定する処理）を行う。
テーブル情報６２は、複数の発光素子１２の各々の識別情報とバイアス電流の設定値との対応関係を特定可能なテーブル情報であり、例えば、複数の発光素子１２の各々の識別番号と駆動部７０の駆動電圧（発光素子１２にバイアス電流を供給するための駆動電圧）の設定値との対応関係が定義されたテーブル情報であってもよい。
図２は、第１実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図である。図２に示すように、本実施形態では、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１０のＹ）、まず、バイアス設定部６０が、複数の発光素子１２からバイアス電流の設定値が最も小さい発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ２０，バイアス初期設定ステップ）。
次に、光監視部５０が、光検出部３０の出力信号に基づいて、原子２０を透過した光の強度を監視し、発光素子１２の選択を変更すべきか否かを判定する（Ｓ３０，光強度監視ステップ）。
発光素子の選択を変更しない場合は（Ｓ４０のＮ）、改めてステップＳ３０の処理を行い、発光素子の選択を変更する場合は（Ｓ４０のＹ）、バイアス設定部６０が、テーブル情報６２を利用して、現在選択されている発光素子１２のバイアス電流の次に小さいバイアス電流の発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ５０，バイアス設定変更ステップ）。
ステップＳ３０以降の処理は、原子発振器１の電源がオフするまで繰り返し行われる。
次に、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例についてより詳細に説明する。
１−２．具体的構成例
図３は、第１実施形態の原子発振器の構造例を示す図であり、原子発振器を垂直方向に切断した断面図である。また、図４は、半導体レーザーの上面図であり、図５は、第１実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図である。なお、図３において、制御部は図示を省略している。また、図５において、コリメートレンズ１０２とペルチェ素子１０４は図示を省略している。
図３に示すように、第１実施形態の原子発振器１は、半導体レーザー１１０の上面側にコリメートレンズ１０２、ガスセル１２０、光検出器１３０が、所定の間隔を設けてこの順に配置され、筐体１００に収容されている。筐体１００の内部にペルチェ素子１０４が設けられており、筐体１００の内部温度が一定に保持されている。
半導体レーザー１１０は、複数の発光素子（レーザーダイオード）１１２を有し、選択された１つの発光素子が周波数の異なる複数の光を発生させる。本実施形態では、半導体レーザー１１０は、アレイ化された複数の発光素子１１２を有する垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であり、図４に示すように、チップの上面に複数の発光素子１１２の発光部１１２ａと電極１１２ｂが一列に形成されている。各発光素子１１２は、電極１１２ｂに駆動電流が供給されることで発光部１１２ａが発光するようになっている。なお、図４の例は、半導体レーザー１１０は、４個の発光素子１１２を有しているが、２個、３個、又は５個以上の発光素子１１２を有するようにしてもよい。
半導体レーザー１１０は、複数の発光素子１１２から選択された１つの発光素子１１２の発光部のみが発光するように設定されており、この光はコリメートレンズ１０２で平行光にされてガスセル１２０に入射する。
ガスセル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものであり、ガスセル１２０を透過した光は、光検出器１３０に入射する。
光検出器１３０は、入射した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。この光検出器１３０の出力信号が制御部に入力され、制御部の出力信号が半導体レーザー１１０に入力される。
図５に示すように、第１実施形態の原子発振器１の制御部２００は、検波回路２１０、変調回路２２０、低周波発振器２３０、検波回路２４０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０、変調回路２６０、低周波発振器２７０、周波数変換回路２８０、光強度監視回路２９０、バイアス設定部３００、メモリー３１０、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）３２０、駆動回路３３０を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器１は、適宜、図５の構成要素（各部）の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
光検出器１３０の出力信号は検波回路２１０、検波回路２４０、光強度監視回路２９０に入力される。検波回路２１０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２３０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。変調回路２２０は、検波回路２１０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２３０の発振信号（検波回路２１０に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として検波回路２１０の出力信号を変調して駆動回路３３０に出力する。変調回路２２０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。
検波回路２４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２７０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路２４０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
変調回路２６０は、検波回路２４０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２７０の発振信号（検波回路２４０に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０の出力信号を変調する。変調回路２６０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ）回路、振幅変調（ＡＭ）回路等により実現することができる。
周波数変換回路２８０は、一定の周波数変換率で変調回路２６０の出力信号を周波数変換して駆動回路３３０に出力する。
駆動回路３３０は、２つのＮＭＯＳトランジスター３３２，３３４、コイル３３６、コンデンサー３３８を含んで構成されている。
ＮＭＯＳトランジスター３３２のゲートには、変調回路２２０の出力信号が入力され、ＮＭＯＳトランジスター３３４のゲートには、ＤＡＣ３２０の出力信号が入力される。ＤＡＣ３２０は、選択されている発光素子１１２のバイアス電流を設定するものであり、ＮＭＯＳトランジスター３３４を介して発光素子１１２にＤＡＣ３２０の出力電圧に応じたバイアス電流が流れる。このバイアス電流は、ＭＯＳトランジスター３３２を介して流れる電流が重畳されて微調整される。すなわち、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路２１０、変調回路２２０、駆動回路３３０を通るフィードバックループ（第１のフィードバックループ）により、選択されている発光素子１１２が発生させる光の中心波長λ0（中心周波数ｆ0）が微調整される。
具体的には、アルカリ金属原子の2Ｐ3/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ1（周波数ｆ1）、アルカリ金属原子の2Ｐ3/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ2（周波数ｆ2）に対して、中心波長λ0が（λ1＋λ2）／２とほぼ一致する（中心周波数ｆ0が（ｆ1＋ｆ2）／２とほぼ一致する）ように制御される。あるいは、アルカリ金属原子の2Ｐ1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ1（周波数ｆ1）、アルカリ金属原子の2Ｐ1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ2（周波数ｆ2）に対して、中心波長λ0が（λ1＋λ2）／２とほぼ一致する（中心周波数ｆ0が（ｆ1＋ｆ2）／２とほぼ一致する）ように制御されるようにしてもよい。
駆動回路３３０は、さらに、コイル３３６とコンデンサー３３８により、バイアス電流に、周波数変換回路２８０の出力周波数成分（変調周波数ｆm）の電流（変調電流）が重畳され、選択されている発光素子１１２に供給する。この変調電流により、選択されている発光素子１１２に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ0の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がｆmだけずれた周波数ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ0−ｆmの光を発生させる。そして、本実施形態では、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路２４０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０、変調回路２６０、周波数変換回路２８０、駆動回路３３０を通るフィードバックループ（第２のフィードバックループ）により、周波数ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ0−ｆmの光がガスセル１２０に封入されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように、すなわち、この２種類の光の周波数差２ｆmがΔＥ12に相当する周波数ｆ12と正確に一致するように、周波数変換回路２８０の出力周波数ｆmがｆ12／２と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ12に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２８０の出力信号の周波数が４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。
バイアス設定部３００は、スイッチ制御部３０２と、バイアス選択部３０４を含んで構成されており、不揮発性のメモリー３１０（ＥＥＰＲＯＭ等）に記憶されているバイアス設定テーブル３１２を参照し、発光させる発光素子１１２を選択する処理と選択した発光素子１１２のバイアス電流（２光波吸収が起こる駆動電流又はその付近の駆動電流）を設定する処理を行う。本実施形態では、バイアス設定テーブル３１２には、発光素子１１２の識別番号とバイアス電流の設定値（ＤＡＣ３２０の入力コード）との対応関係が定義されており、さらに、各発光素子１１２の選択順位の情報も含まれている。このバイアス設定テーブル３１２は、例えば、原子発振器１の最終検査工程等において、発光素子１１２毎に最適なバイアス電流の設定値を検査して作成される。
スイッチ制御部３０２は、原子発振器１の起動時に、バイアス設定テーブル３１２を参照して選択順位がもっとも小さい（１番目の）発光素子１１２を選択し、選択した発光素子１１２にバイアス電流が供給されるように、半導体レーザー１１０に設けられたスイッチ回路１１４を制御する。バイアス選択部３０４は、原子発振器１の起動時に、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ制御部３０２が選択した発光素子１１２に対応付けられたバイアス電流の設定値をＤＡＣ３２０に設定する。これにより、原子発振器１の起動時に、あらかじめ決められた発光素子１１２が選択されて、バイアス設定テーブル３１２で定義された設定値に応じたバイアス電流が供給されるようになる。
そして、上述した２つのフィードバックループ（第１のフィードバックループと第２のフィードバックループ）により、選択されている発光素子１１２は、図６に示すように、中心周波数ｆ0の光と、その両側に周波数がｆm（＝ｆ12／２）ずつ異なる複数の光を安定して発生させる。図６において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。そして、周波数ｆ1＝ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ2＝ｆ0−ｆmの光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対となり、光検出器１３０の出力信号が、極めて急峻なＥＩＴ信号のピーク付近になるようにロックする。これにより、原子発振器１は、安定発振を維持し、極めて高い周波数安定度を実現することができる。
ところが、選択されている発光素子１１２が故障すると、発光素子１１２の発光レベルが低下してＥＩＴ信号のピークが低くなり、あるいは発光素子１１２の発光が停止してＥＩＴ信号が消滅し、原子発振器１は、安定発振を維持することができなくなる。そこで、本実施形態の原子発振器１では、起動後、安定発振するようになると、光強度監視回路２９０が動作を開始し、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルを監視し、所定の閾値よりも高いか低いかを判定する。選択されている発光素子１１２が正常であれば、ガスセル１２０を透過して光検出器１３０で検出される光の強度はほとんど変化しない。この場合、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルは閾値よりも高く、光強度監視回路２９０はハイレベルの信号を出力する。一方、選択されている発光素子１１２が故障すると、光検出器１３０で検出される光の強度が低下し、あるいはほぼ０になる。この場合、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが閾値よりも低くなり、光強度監視回路２９０はローレベルの信号を出力する。この閾値は、原子発振器１が要求される周波数安定度を維持するために、最低限必要な、光検出器１３０の出力信号の電圧レベル以上の電圧値に設定される。
バイアス設定部３００は、光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルであれば、発光素子１１２の選択を変更しない。一方、光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化すれば、バイアス設定部３００のスイッチ制御部３０２は、バイアス設定テーブル３１２を参照して選択順位が次に小さい（２番目の）発光素子１１２を選択し、選択した発光素子１１２にバイアス電流が供給されるように、半導体レーザー１１０に設けられたスイッチ回路１１４を制御する。また、バイアス選択部３０４は、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ制御部３０２が選択した発光素子１１２に対応付けられたバイアス電流の設定値をＤＡＣ３２０に設定する。これにより、新たな発光素子１１２が選択されて、バイアス設定テーブル３１２で定義された設定値に応じたバイアス電流が供給されるようになり、上述した２つのフィードバックループ（第１のフィードバックループと第２のフィードバックループ）により、光検出器１３０の出力信号が、再びＥＩＴ信号のピーク付近になるように瞬時にロックする。従って、選択されている発光素子１１２が故障した場合でも、原子発振器１は極めて高い周波数安定度を維持することができる。
なお、図５の半導体レーザー１１０、発光素子１１２、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、駆動回路３３０は、それぞれ図１の光発生部１０、発光素子１２、原子２０、光検出部３０、駆動部７０に相当する。また、図５の検波回路２１０、変調回路２２０、低周波発振器２３０、検波回路２４０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０、変調回路２６０、低周波発振器２７０、周波数変換回路２８０からなる構成は、図１の発振制御部４０に相当する。また、図５の光強度監視回路２９０、バイアス設定部３００、バイアス設定テーブル３１２は、それぞれ図１の光強度監視部５０、バイアス設定部６０、テーブル情報６２に相当する。
図７（Ａ）は、第１実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２の一例を示す図である。図７（Ａ）の例は、半導体レーザー１１０に４つの発光素子１１２が設けられている場合の例である。
図７（Ａ）の例のバイアス設定テーブル３１２では、発光素子１１２の識別番号（発光素子ＩＤ）とＥＩＴ信号を発生させるためのバイアス設定値の対応関係が定義されており、バイアス設定値によるバイアス電流の設定値が小さい順に並べられている。バイアス設定値は、発光素子１１２に所望のバイアス電流（２光波吸収が起こる駆動電流又はその付近の駆動電流）を供給するためにＤＡＣ３２０に設定する入力コードであり、本実施形態では、駆動回路３３０が図５に示したように構成されているため、バイアス設定値（ＤＡＣ３２０の入力コード）が大きいほどバイアス電流の設定値も大きくなる。図７（Ａ）の例では、ＩＤが３→２→４→１の順に並べられており、ＩＤが３の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ３により設定されるバイアス電流Ｉb3が最も小さく、ＩＤが２の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ２により設定されるバイアス電流Ｉb2が２番目に小さい。さらに、ＩＤが４の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ４により設定されるバイアス電流Ｉb4が３番目に小さく、ＩＤが１の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ１により設定されるバイアス電流Ｉb1が最も大きい。
また、図７（Ａ）の例のバイアス設定テーブル３１２では、各ＩＤに、選択中（１）か未選択（０）かを示す選択フラグが対応付けられており、原子発振器１の出荷時には、ＩＤが３の発光素子１１２が選択中、その他の発光素子１１２は未選択になっている。
このバイアス設定テーブル３１２は、先頭から順にメモリー３１０のあらかじめ決められたアドレスに記憶されており、バイアス設定部３００は、起動時に、当該アドレスを参照し、バイアス設定テーブル３１２から選択フラグが１に設定されているＩＤ＝３、バイアス設定値＝Ｄ３を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが３の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ３を設定する。
ＩＤが３の発光素子１１２に故障等が発生して光強度監視回路２９０の出力レベルがハイレベルからローレベルに変化した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝３の次に並べられているＩＤ＝２、バイアス設定値＝Ｄ２を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが２の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ２を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝３の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝２の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
同様に、ＩＤが２の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝２の次に並べられているＩＤ＝４、バイアス設定値＝Ｄ４を読み出し、ＩＤが４の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ４を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝２の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝４の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
さらに、ＩＤが４の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝４の次に並べられているＩＤ＝１、バイアス設定値＝Ｄ１を読み出し、ＩＤが１の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ１を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝４の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝１の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
なお、図７（Ｂ）に示すように、第１実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２は、ＩＤが小さい発光素子１１２から順に並べられ、ＩＤと選択順位（図７（Ａ）のＩＤの並び順と同じ）の対応関係が定義されていてもよい。図７（Ｂ）のバイアス設定テーブル３１２は、先頭から順にメモリー３１０のあらかじめ決められたアドレスに記憶された場合等、ＩＤとアドレスの対応関係があらかじめ固定されていればアドレスによってＩＤが特定されるので、発光素子ＩＤの項目は無くてもよい。このように、バイアス設定テーブル３１２は、発光素子１１２の識別情報を明示的に含まずに、発光素子１１２の識別情報とバイアス電流の設定値の情報との対応関係を定義するものであってもよい。
図８は、本実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図である。図８に示すように、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１１０のＹ）、まず、バイアス設定部３００が、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ回路１１４を制御して選択フラグが１に設定されている発光素子１１２を選択し、バイアス電流を設定する。当該ステップＳ１２０は、図２のバイアス初期設定ステップ（Ｓ２０）に対応する。
次に、バイアス設定部６０が、発振周波数がロックしたか否かを判定する。バイアス設定部６０は、例えば、光検出器１３０の検出強度が所定の閾値よりも大きくなった場合に発振周波数がロックしたと判定する。より具体的には、バイアス設定部６０は、光強度監視回路２９０の出力信号がローレベルからハイレベルに変化した場合に発振周波数がロックしたと判定してもよいし、直接、光検出器１３０の出力信号を監視し、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが所定の閾値よりも高くなった場合に発振周波数がロックしたと判定してもよい。あるいは、バイアス設定部６０が判定する代わりに、光検出器１３０の出力信号を監視し、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが所定の閾値よりも高くなったか否かを判定するロック判定回路を別途設けてもよい。
発振周波数がロックしていない場合（Ｓ１４０のＮ）、ステップＳ１３０の処理を繰り返し行う。
一方、発振周波数がロックした場合（Ｓ１４０のＹ）、次に、光強度監視回路２９０が、光検出器１３０の出力信号を監視し、閾値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１５０）。具体的には、光検出器１３０の出力信号が閾値よりも低くなった場合、光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。なお、ノイズの影響等を考慮して、光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する閾値が、ローレベルからハイレベルに変化する閾値よりも低くなるようにヒステリシスを持たせてもよい。当該ステップＳ１５０は、図２の光強度監視ステップ（Ｓ３０）に対応する。
光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが閾値よりも高ければ（光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルであれば）（Ｓ１６０のＮ）、ステップＳ１３０の処理を繰り返し行う。
一方、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが閾値よりも低くなった場合（光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化した場合）（Ｓ１６０のＹ）、バイアス設定部６０が、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ回路１１４を制御して選択順位が次に小さい発光素子１１２を選択し、バイアス電流を設定する（Ｓ１７０）。当該ステップＳ１７０は、図２のバイアス設定変更ステップ（Ｓ５０）に対応する。
以上に説明した第１実施形態の原子発振器では、バイアス設定テーブル３１２において、バイアス電流の設定値が小さい順に選択順位が決められており、原子発振器１の最初の起動時に、バイアス電流の設定値が最も小さい発光素子１１２が選択される。そして、現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２が故障し、ガスセル１２０を透過して検出器１３０で検出される光の強度が低下したような場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２の次に小さい他の発光素子１１２が選択され、バイアス設定テーブル３１２で定義されているバイアス電流が設定される。従って、第１実施形態の原子発振器によれば、新たに選択された他の発光素子１１２に対して、スイープを行ってバイアス電流を設定する場合と比較して、安定発振するまでの時間が短くなり、長期にわたって高い周波数安定度を維持することができる。
また、第１実施形態の原子発振器によれば、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２に最も近い他の発光素子１１２を選択することになるので、発光素子１１２の選択変更に伴うバイアス電流の変化量が小さくなり、発光素子１１２の選択変更後、安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。
さらに、第１実施形態の原子発振器によれば、バイアス電流の設定値が小さい発光素子１１２ほど優先して使用されるので、消費電力を小さくすることができる。
２．第２実施形態
２−１．機能構成
第２実施形態の原子発振器の機能ブロック図は第１実施形態（図１）と同様であるため、その図示を省略する。ただし、第２実施形態の原子発振器１は、第１実施形態の原子発振器１に対して、バイアス設定部６０の機能が異なる。第２実施形態の原子発振器のその他の機能構成は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
図９は、第２実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図である。図９に示すように、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１０のＹ）、まず、バイアス設定部６０が、複数の発光素子１２からバイアス電流の設定値が最も大きい発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ２０，バイアス初期設定ステップ）
次に、光監視部５０が、光検出部３０の出力信号に基づいて、原子２０を透過した光の強度を監視し、発光素子１２の選択を変更すべきか否かを判定する（Ｓ３０，光強度監視ステップ）。
発光素子の選択を変更しない場合は（Ｓ４０のＮ）、改めてステップＳ３０の処理を行い、発光素子の選択を変更する場合は（Ｓ４０のＹ）、バイアス設定部６０が、テーブル情報６２を利用して、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１２の次に大きい発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ５０，バイアス設定変更ステップ）。
ステップＳ３０以降の処理は、原子発振器１の電源がオフするまで繰り返し行われる。
次に、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例についてより詳細に説明する。
２−２．具体的構成例
第２実施形態の原子発振器の構造例の図は、第１実施形態（図３及び図４）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
また、第２実施形態の原子発振器の具体的な構成例の図は、第１実施形態（図５）と同様であるため、その図示を省略する。ただし、第２実施形態の原子発振器１では、第１実施形態の原子発振器に対して、バイアス設定テーブル３１２の構成が異なる。第２実施形態の原子発振器におけるその他の各構成要素の機能は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
図１０（Ａ）は、第２実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２の一例を示す図である。図１０（Ａ）の例は、半導体レーザー１１０に４つの発光素子１１２が設けられている場合の例である。
図１０（Ａ）の例のバイアス設定テーブル３１２では、図７（Ａ）と同様に、発光素子１１２の識別番号（発光素子ＩＤ）とバイアス設定値の対応関係が定義されているが、バイアス設定値によるバイアス電流の設定値が大きい順に並べられている。図１０（Ａ）の例では、ＩＤが１→４→２→３の順（図７（Ａ）と逆順）に並べられており、ＩＤが１の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ１により設定されるバイアス電流Ｉb1が最も大きく、ＩＤが４の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ４により設定されるバイアス電流Ｉb4が２番目に大きい。さらに、ＩＤが２の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ２により設定されるバイアス電流Ｉb2が３番目に大きく、ＩＤが３の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ３により設定されるバイアス電流Ｉb3が最も小さい。
また、図１０（Ａ）の例のバイアス設定テーブル３１２では、原子発振器１の出荷時には、ＩＤが１の発光素子１１２が選択中（選択フラグ＝１）、その他の発光素子１１２は未選択（選択フラグ＝０）になっている。
このバイアス設定テーブル３１２は、先頭から順にメモリー３１０のあらかじめ決められたアドレスに記憶されており、バイアス設定部３００は、起動時に、当該アドレスを参照し、バイアス設定テーブル３１２から選択フラグが１に設定されているＩＤ＝１、バイアス設定値＝Ｄ１を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが１の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ１を設定する。
ＩＤが１の発光素子１１２に故障等が発生して光強度監視回路２９０の出力レベルがハイレベルからローレベルに変化した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝１の次に並べられているＩＤ＝４、バイアス設定値＝Ｄ４を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが４の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ４を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝１の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝４の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
同様に、ＩＤが４の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝４の次に並べられているＩＤ＝２、バイアス設定値＝Ｄ２を読み出し、ＩＤが２の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ２を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝４の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝２の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
さらに、ＩＤが２の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝２の次に並べられているＩＤ＝３、バイアス設定値＝Ｄ３を読み出し、ＩＤが３の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ３を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝２の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝３の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
なお、図１０（Ｂ）に示すように、第２実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２は、図７（Ｂ）と同様に、ＩＤが小さい発光素子１１２から順に並べられ、ＩＤと選択順位（図１０（Ａ）のＩＤの並び順と同じ）の対応関係が定義されていてもよい。
第２実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図は、第１実施形態（図８）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
以上に説明した第２実施形態の原子発振器では、バイアス設定テーブル３１２において、バイアス電流の設定値が大きい順に選択順位が決められており、原子発振器１の最初の起動時に、バイアス電流の設定値が最も大きい発光素子１１２が選択される。そして、現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２が故障し、ガスセル１２０を透過して検出器１３０で検出される光の強度が低下したような場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２の次に大きい他の発光素子１１２が選択され、バイアス設定テーブル３１２で定義されているバイアス電流が設定される。従って、第２実施形態の原子発振器によれば、新たに選択された他の発光素子１１２に対して、スイープを行ってバイアス電流を設定する場合と比較して、安定発振するまでの時間が短くなり、長期にわたって高い周波数安定度を維持することができる。
また、第２実施形態の原子発振器によれば、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２に最も近い他の発光素子１１２を選択することになるので、発光素子１１２の選択変更に伴うバイアス電流の変化量が小さくなり、発光素子１１２の選択変更後、安定発振を開始するまでの時間を短くすることができる。
３．第３実施形態
３−１．機能構成
第３実施形態の原子発振器の機能ブロック図は第１実施形態（図１）と同様であるため、その図示を省略する。ただし、第３実施形態の原子発振器１は、第１実施形態の原子発振器１に対して、バイアス設定部６０の機能が異なる。第３実施形態の原子発振器のその他の機能構成は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
図１１は、第３実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図である。図１１に示すように、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１０のＹ）、まず、バイアス設定部６０が、複数の発光素子１２からバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ２０，バイアス初期設定ステップ）
次に、光監視部５０が、光検出部３０の出力信号に基づいて、原子２０を透過した光の強度を監視し、発光素子１２の選択を変更すべきか否かを判定する（Ｓ３０，光強度監視ステップ）。
発光素子の選択を変更しない場合は（Ｓ４０のＮ）、改めてステップＳ３０の処理を行い、発光素子の選択を変更する場合は（Ｓ４０のＹ）、バイアス設定部６０が、テーブル情報６２を利用して、未だ選択されていない他の発光素子１２の中から、現在選択されている発光素子１２のバイアス電流の設定値との差が最も小さいバイアス電流の設定値の発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ５０，バイアス設定変更ステップ）。
ステップＳ３０以降の処理は、原子発振器１の電源がオフするまで繰り返し行われる。
次に、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例についてより詳細に説明する。
３−２．具体的構成例
第３実施形態の原子発振器の構造例の図は、第１実施形態（図３及び図４）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
また、第３実施形態の原子発振器の具体的な構成例の図は、第１実施形態（図５）と同様であるため、その図示を省略する。ただし、第３実施形態の原子発振器１では、第１実施形態の原子発振器に対して、バイアス設定テーブル３１２の構成が異なる。第３実施形態の原子発振器におけるその他の各構成要素の機能は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
図１２（Ａ）は、第３実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２の一例を示す図である。図１２（Ａ）の例は、半導体レーザー１１０に４つの発光素子１１２が設けられている場合の例である。
図１２（Ａ）の例のバイアス設定テーブル３１２では、図７（Ａ）と同様に、発光素子１１２の識別番号（発光素子ＩＤ）とバイアス設定値の対応関係が定義されているが、バイアス設定値によるバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２から、選択順位が１つ前の発光素子１１２のバイアス電流の設定値との差が最も小さいバイアス電流の発光素子１１２を優先して並べられている。図１２（Ａ）の例では、ＩＤが２→４→３→１の順に並べられており、ＩＤが２の発光素子１１２に対応付けられたバイアス設定値Ｄ２により設定されるバイアス電流Ｉb2が平均値に最も近い。ここで、平均値とは、半導体レーザー１１０に含まれるすべての発光素子１１２のバイアス電流の設定値の平均値、すなわちＩＤが１〜４の各発光素子１１２にそれぞれ対応付けられたバイアス設定値Ｄ１〜Ｄ４による各バイアス電流の設定値Ｉb1，Ｉb2，Ｉb3，Ｉb4の平均値Ｉb＝（Ｉb1＋Ｉb2＋Ｉb3＋Ｉb4）／４である。つまり、Ｉb1，Ｉb2，Ｉb3，Ｉb4のうち、Ｉb2が平均値Ｉbに最も近い。また、Ｉb4とＩb2との差（＝｜Ｉb4−Ｉb2｜）は、Ｉb3とＩb2との差（＝｜Ｉb3−Ｉb2｜）及びＩb1とＩb2との差（＝｜Ｉb1−Ｉb2｜）よりも小さい。さらに、Ｉb3とＩb4との差（＝｜Ｉb3−Ｉb4｜）は、Ｉb1とＩb4との差（＝｜Ｉb1−Ｉb4｜）よりも小さい。
また、バイアス設定テーブル３１２では、原子発振器１の出荷時には、ＩＤが２の発光素子１１２が選択中（選択フラグ＝１）、その他の発光素子１１２は未選択（選択フラグ＝０）になっている。
このバイアス設定テーブル３１２は、先頭から順にメモリー３１０のあらかじめ決められたアドレスに記憶されており、バイアス設定部３００は、起動時に、当該アドレスを参照し、バイアス設定テーブル３１２から選択フラグが１に設定されているＩＤ＝２、バイアス設定値＝Ｄ２を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが２の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ２を設定する。
ＩＤが２の発光素子１１２に故障等が発生して光強度監視回路２９０の出力レベルがハイレベルからローレベルに変化した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝２の次に並べられているＩＤ＝４、バイアス設定値＝Ｄ４を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが４の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ４を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝２の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝４の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
同様に、ＩＤが４の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝４の次に並べられているＩＤ＝３、バイアス設定値＝Ｄ３を読み出し、ＩＤが３の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ３を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝４の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝３の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
さらに、ＩＤが３の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝３の次に並べられているＩＤ＝１、バイアス設定値＝Ｄ１を読み出し、ＩＤが１の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ１を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝３の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝１の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。
なお、図１２（Ｂ）に示すように、第３実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２は、ＩＤが小さい発光素子１１２から順に並べられ、ＩＤと選択順位（図１２（Ａ）のＩＤの並び順と同じ）の対応関係が定義されていてもよい。
第３実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図は、第１実施形態（図８）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
以上に説明した第３実施形態の原子発振器では、バイアス設定テーブル３１２において、バイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２を先頭に、バイアス電流の設定値が１つ前の発光素子１１２に最も近い発光素子１１２を優先して選択順位が決められており、原子発振器１の最初の起動時に、バイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２が選択される。そして、現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２が故障し、ガスセル１２０を透過して検出器１３０で検出される光の強度が低下したような場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２に最も近い他の発光素子１１２が選択され、バイアス設定テーブル３１２で定義されているバイアス電流が設定される。従って、第１実施形態の原子発振器によれば、新たに選択された他の発光素子１１２に対して、スイープを行ってバイアス電流を設定する場合と比較して、安定発振するまでの時間が短くなり、長期にわたって高い周波数安定度を維持することができる。
また、第３実施形態の原子発振器では、最初にバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２が選択されるので、最初に発光素子１１２の選択を変更する際に、バイアス電流の設定値が現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２の次に小さい発光素子１１２、及び、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２の次に大きい発光素子１１２のうち、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２に近い方の発光素子１１２が選択される。従って、第３実施形態の原子発振器によれば、最初に発光素子１１２の選択を変更する際に、バイアス電流の変化量がより小さくなる確率が高くなり、発光素子１１２の選択変更後、安定発振を開始するまでの時間をより短くできる可能性がある。
４．第４実施形態
４−１．機能構成
図１３は、第４実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。第４実施形態の原子発振器１は、第１実施形態（図１）に対して、バイアス検出部４０が追加されており、バイアス設定部６０の機能が異なる。第４実施形態の原子発振器のその他の機能構成は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
図１４は、第４実施形態の原子発振器の制御方法の一例を示すフローチャート図である。図１４に示すように、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１０のＹ）、まず、バイアス設定部６０が、複数の発光素子１２からバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ２０，バイアス初期設定ステップ）
次に、光監視部５０が、光検出部３０の出力信号に基づいて、原子２０を透過した光の強度を監視し、発光素子１２の選択を変更すべきか否かを判定する（Ｓ３０，光強度監視ステップ）。
発光素子の選択を変更しない場合は（Ｓ４０のＮ）、選択されている発光素子１２のバイアス電流を検出し（Ｓ６０，バイアス検出ステップ）、改めてステップＳ３０の処理を行う。
一方、発光素子の選択を変更する場合は（Ｓ４０のＹ）、バイアス設定部６０が、テーブル情報６２を利用して、未だ選択されていない他の発光素子１２の中から、ステップＳ６０で検出されたバイアス電流との差が最も小さいバイアス電流の設定値の発光素子１２を選択し、当該選択された発光素子１２にバイアス電流を設定する（Ｓ５０，バイアス設定変更ステップ）。
ステップＳ３０以降の処理は、原子発振器１の電源がオフするまで繰り返し行われる。
次に、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例についてより詳細に説明する。
４−２．具体的構成例
図１５は、第４実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図である。第４実施形態の原子発振器１は、第１実施形態（図５）に対して、バイアス電流検出回路３４０が追加されており、バイアス設定部３００の機能が異なる。
バイアス電流検出回路３４０は、選択されている発光素子１１２のバイアス電流を所定の周期で検出する。具体的には、バイアス電流検出回路３４０は、駆動回路３３０に含まれるＮＭＯＳトランジスター３３２のドレイン端子とＮＭＯＳトランジスター３３４のドレイン端子との接続ノードを流れる電流を所定の周期で検出し、当該電流値（バイアス電流の検出値）をメモリー３１０に記憶する。あるいは、バイアス電流検出回路３４０は、検出した電流を流すためのＤＡＣ３２０の入力設定値を算出し、当該入力設定値をメモリー３１０に記憶してもよい。なお、バイアス電流検出回路３４０は、選択されている発光素子１１２（ダイオード）のアノード電圧を検出し、検出した電圧値をメモリー３１０に記憶してもよいし、検出した電圧値から発光素子１１２のバイアス電流を計算し、計算したバイアス電流値をメモリー３１０に記憶してもよいし、計算したバイアス電流を流すためのＤＡＣ３２０の入力設定値を計算し、当該入力設定値をメモリー３１０に記憶してもよい。
バイアス設定部３００のスイッチ制御部３０２は、原子発振器１の起動時に、バイアス設定テーブル３１２を参照してあらかじめ決められた発光素子１１２を選択し、選択した発光素子１１２にバイアス電流が供給されるように、半導体レーザー１１０に設けられたスイッチ回路１１４を制御する。バイアス選択部３０４は、原子発振器１の起動時に、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ制御部３０２が選択した発光素子１１２に対応付けられたバイアス電流の設定値をＤＡＣ３２０に設定する。
その後、原子発振器１の発振周波数がロックした後、選択されている発光素子１１２が故障する等して光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化すると、バイアス設定部３００のスイッチ制御部３０２は、バイアス設定テーブル３１２を参照し、メモリー３１０に記憶されているバイアス電流の検出値（バイアス電流検出回路３４０が最後に検出したバイアス電流値）に最も近いバイアス電流の発光素子１１２を選択し、選択した発光素子１１２にバイアス電流が供給されるように、半導体レーザー１１０に設けられたスイッチ回路１１４を制御する。また、バイアス選択部３０４は、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ制御部３０２が選択した発光素子１１２に対応付けられたバイアス電流の設定値をＤＡＣ３２０に設定する。
第４実施形態の原子発振器におけるその他の各構成要素の機能は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
なお、図１５の半導体レーザー１１０、発光素子１１２、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、駆動回路３３０は、それぞれ図１３の光発生部１０、発光素子１２、原子２０、光検出部３０、駆動部７０に相当する。また、図１５の検波回路２１０、変調回路２２０、低周波発振器２３０、検波回路２４０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０、変調回路２６０、低周波発振器２７０、周波数変換回路２８０からなる構成は、図１３の発振制御部４０に相当する。また、図１５の光強度監視回路２９０、バイアス設定部３００、バイアス設定テーブル３１２、バイアス電流検出回路３４０は、それぞれ図１３の光強度監視部５０、バイアス設定部６０、テーブル情報６２、バイアス検出部８０に相当する。
図１６は、第４実施形態におけるバイアス設定テーブル３１２の一例を示す図である。図１６の例は、半導体レーザー１１０に４つの発光素子１１２が設けられている場合の例である。
図１６の例のバイアス設定テーブル３１２では、発光素子１１２の識別番号（発光素子ＩＤ）、バイアス電流の設定値（バイアス設定値）及び選択順位の対応関係が定義されており、ＩＤが小さい発光素子１１２から順に並べられている。
また、バイアス設定テーブル３１２では、原子発振器１の出荷時には、ＩＤが２の発光素子１１２が選択中（選択フラグ＝１）、その他の発光素子１１２は未選択（選択フラグ＝０）になっている。このＩＤが２の発光素子１１２のバイアス電流Ｉb2は、平均値Ｉb＝（Ｉb1＋Ｉb2＋Ｉb3＋Ｉb4）／４に最も近い。
さらに、バイアス設定テーブル３１２では、各ＩＤに、使用済み（１）か使用済みでない（使用中あるいは未選択）（０）かを示す使用済みフラグが対応付けられており、原子発振器１の出荷時には、すべての発光素子１１２の使用済みフラグは０になっている。
このバイアス設定テーブル３１２は、先頭から順にメモリー３１０のあらかじめ決められたアドレスに記憶されており、バイアス設定部３００は、起動時に、当該アドレスを参照し、バイアス設定テーブル３１２から選択フラグが１に設定されているＩＤ＝２、バイアス設定値＝Ｄ２を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが２の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ２を設定する。すなわち、本実施形態では、バイアス電流が平均値に最も近い発光素子１１２が選択される。
ＩＤが２の発光素子１１２に故障等が発生して光強度監視回路２９０の出力レベルがハイレベルからローレベルに変化した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２を参照し、選択フラグと使用済みフラグがともに０に設定されているＩＤ＝１，３，４の発光素子１１２のうち、メモリー３１０に記憶されている、ＩＤが２の発光素子１１２のバイアス電流の検出値（バイアス電流検出回路３４０が最後に検出したバイアス電流値）Ｉb2’に最も近いバイアス電流の発光素子１１２を選択する。バイアス設定部３００は、例えば、先頭のＩＤから順に選択フラグと使用済みフラグがともに０に設定されている発光素子１１２のバイアス電流の設定値と検出値Ｉb2’との差を計算し、その差が最も小さい発光素子１１２を選択する。例えば、ＩＤが４の発光素子１１２のバイアス電流の設定値が検出値Ｉb2’に最も近い場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝４、バイアス設定値＝Ｄ４を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが４の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ４を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝２の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝４の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。さらに、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝２の使用済みフラグを０から１に書き換える。
同様に、ＩＤが４の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２を参照し、選択フラグと使用済みフラグがともに０に設定されているＩＤ＝１，３の発光素子１１２のうち、ＩＤが４の発光素子１１２のバイアス電流の検出値Ｉb4’に最も近いバイアス電流の発光素子１１２を選択する。例えば、ＩＤが３の発光素子１１２のバイアス電流の設定値が検出値Ｉb4’に最も近い場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２からＩＤ＝３、バイアス設定値＝Ｄ３を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが３の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ３を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝４の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝３の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。さらに、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝４の使用済みフラグを０から１に書き換える。
さらに、ＩＤが３の発光素子１１２に故障等が発生した場合、バイアス設定部３００は、バイアス設定テーブル３１２から、唯一選択フラグと使用済みフラグがともに０に設定されているＩＤ＝１、バイアス設定値＝Ｄ１を読み出し、スイッチ回路１１４を制御してＩＤが１の発光素子１１２を選択するとともにＤＡＣ３２０にバイアス設定値Ｄ１を設定する。そして、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝３の選択フラグを１から０に、ＩＤ＝１の選択フラグを０から１にそれぞれ書き換える。さらに、バイアス設定部３００は、ＩＤ＝３の使用済みフラグを０から１に書き換える。
図１７は、本実施形態の原子発振器の制御方法の具体例を示すフローチャート図である。
図１７に示すように、原子発振器１の電源がオンして起動すると（Ｓ１１０のＹ）、まず、バイアス設定部６０が、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ回路１１４を制御して選択フラグが１に設定されている発光素子１１２を選択し、バイアス電流を設定する。当該ステップＳ１２０は、図１４のバイアス初期設定ステップ（Ｓ２０）に対応する。
次に、バイアス設定部６０が、発振周波数がロックしたか否かを判定する。バイアス設定部６０は、例えば、光検出器１３０の検出強度が所定の閾値よりも大きくなった場合に発振周波数がロックしたと判定する。
発振周波数がロックしていない場合（Ｓ１４０のＮ）、ステップＳ１３０の処理を繰り返し行う。
一方、発振周波数がロックした場合（Ｓ１４０のＹ）、次に、光強度監視回路２９０が、光検出器１３０の出力信号を監視し、閾値よりも高いか否かを判定する（Ｓ１５０）。具体的には、光検出器１３０の出力信号が閾値よりも低くなった場合、光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化する。当該ステップＳ１５０は、図１４の光強度監視ステップ（Ｓ３０）に対応する。
光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが閾値よりも高ければ（光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルであれば）（Ｓ１６０のＮ）、検出周期が経過している場合（Ｓ１８０のＹ）はバイアス電流検出回路３４０がバイアス電流を検出してメモリー３１０に記憶し（Ｓ１９０）、検出周期が経過している場合（Ｓ１８０のＮ）はステップＳ１５０の処理を再び行う。ステップＳ１９０は、図１４のバイアス検出ステップ（Ｓ６０）に対応する。
一方、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが閾値よりも低くなった場合（光強度監視回路２９０の出力信号がハイレベルからローレベルに変化した場合）（Ｓ１６０のＹ）、バイアス設定部６０が、バイアス設定テーブル３１２を参照し、スイッチ回路１１４を制御して、ステップＳ１９０で記憶したバイアス電流の検出値に最も近い発光素子１１２を選択し、バイアス電流を設定する（Ｓ１７０）。当該ステップＳ１７０は、図１４のバイアス設定変更ステップ（Ｓ５０）に対応する。
以上に説明した第４実施形態の原子発振器では、バイアス設定テーブル３１２において、バイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２の選択フラグが１に設定されており、原子発振器１の最初の起動時に、バイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２が選択される。そして、現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２が故障し、ガスセル１２０を透過して検出器１３０で検出される光の強度が低下したような場合、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子１１２のバイアス電流（実際の検出値）に最も近い他の発光素子１１２が選択され、バイアス設定テーブル３１２で定義されているバイアス電流が設定される。従って、第４実施形態の原子発振器によれば、経時変化により、現在選択されている発光素子１１２のバイアス電流が変わった場合でも、発光素子１１２の選択変更に伴うバイアス電流の変化量を小さくすることができるので、安定発振するまでの時間が短くなり、長期にわたって高い周波数安定度を維持することができる。
また、第４実施形態の原子発振器では、最初にバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子１１２が選択されるので、発光素子１１２の選択を変更する際に、経時変化により発光素子１１２のバイアス電流が増加している場合も減少している場合も、現在選択されている（選択フラグ＝１の）発光素子１１２のバイアス電流の検出値との差が小さいバイアス電流の設定値の発光素子１１２が選択される確率を高めることができる。
５．変形例
本発明は本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。
５−１．変形例１
例えば、本実施形態の原子発振器１において、半導体レーザー１１０の中心波長λ0（中心周波数ｆ0）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の2Ｐ1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ2（周波数ｆ2）にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路２８０が変調回路２６０の出力信号をΔＥ12に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。あるいは、本実施形態の原子発振器１において、半導体レーザー１１０の中心波長λ0（中心周波数ｆ0）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の2Ｐ1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と2Ｓ1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ1（周波数ｆ1）にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路２８０が変調回路２６０の出力信号をΔＥ12に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。
図１８（Ａ）は、前者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図であり、図１８（Ｂ）は、後者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図１８（Ａ）の場合は、ｆ1とｆ0の差ｆ1−ｆ0がΔＥ12に相当する周波数にほぼ等しいので、周波数ｆ1の光と中心周波数ｆ0の光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。一方、図１８（Ｂ）の場合は、ｆ0とｆ2の差ｆ0−ｆ2がΔＥ12に相当する周波数にほぼ等しいので、中心周波数ｆ0の光と周波数ｆ2の光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。
５−２．変形例２
また、例えば、本実施形態の原子発振器１を電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）を用いた構成に変形してもよい。すなわち、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２８０の出力信号（変調信号）による変調がかけられず、設定されたバイアス電流に応じた単一周波数ｆ0の光を発生させる。この周波数ｆ0の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）に入射し、周波数変換回路２８０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図６と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。そして、この電気光学変調器（ＥＯＭ）が発生させる光がガスセル１２０に照射される。この原子発振器では、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）による構成が図１又は図１３の光発生部１０に相当する。
なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。
なお、本実施形態又は変形例の原子発振器の構成は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる様々な量子干渉装置に応用することができる。
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、ガスセル１２０の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２５０の発振周波数が変化するため、ガスセル１２０の近傍に磁気測定対象物を配置することで磁気センサー（量子干渉装置の一例）を実現することができる。
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、極めて安定した金属原子の量子干渉状態（量子コヒーレンス状態）を作り出すことができるので、ガスセル１２０に入射する共鳴光対を取り出すことで、量子コンピュータ等に用いる光源（量子干渉装置の一例）を実現することもできる。
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を適宜組み合わせることも可能である。
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、１０ 光発生部、２０ 原子、３０ 光検出部、４０ 発振制御部、５０ 光強度監視部、６０ バイアス設定部、７０ 駆動部、８０ バイアス検出部、１００ 筐体、１０２ コリメートレンズ、１０４ ペルチェ素子、１１０ 半導体レーザー、１１２ 発光素子、１１２ａ 発光部、１１２ｂ 電極、１１４ スイッチ回路、１２０ ガスセル、１３０ 光検出器、２００ 制御部、２１０ 検波回路、２２０ 変調回路、２３０ 低周波発振器、２４０ 検波回路、２５０ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、２６０ 変調回路、２７０ 低周波発振器、２８０ 周波数変換回路、２９０ 光強度監視回路、３００ バイアス設定部、３０２ スイッチ制御部、３０４ バイアス選択部、３１０ メモリー、３１２ バイアス設定テーブル、３２０ Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）、３３０ 駆動回路、３３２ ＮＭＯＳトランジスター、３３４ ＮＭＯＳトランジスター、３３６ コイル、３３８ コンデンサー、３４０ バイアス電流検出回路

Claims (5)

  1. 複数の発光素子と、金属原子と、前記金属原子を透過した光を検出する光検出部とを有する原子発振器の制御方法であって、
    前記原子発振器の起動時に、前記複数の発光素子から発光素子を選択し、前記選択された発光素子にバイアス電流を設定するバイアス初期設定ステップと、
    前記光検出部の出力信号に基づいて、前記選択された発光素子を変更すべきか否かを判定する光強度監視ステップと、
    前記光強度監視ステップの判定結果に応じて、未だ選択されていない他の発光素子を選択するとともに、前記複数の発光素子の各々の識別情報とバイアス電流の設定値との対応関係を特定可能なテーブル情報に基づいて前記他の発光素子にバイアス電流を設定するバイアス設定変更ステップと、
    を含み、
    前記バイアス設定変更ステップにおいて、
    前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い発光素子を選択することを特徴とする原子発振器の制御方法。
  2. 前記バイアス初期設定ステップにおいて、
    前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が最も小さい発光素子を選択し、
    前記バイアス設定変更ステップにおいて、
    前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に小さい発光素子を選択する請求項１に記載の原子発振器の制御方法。
  3. 前記バイアス初期設定ステップにおいて、
    前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が最も大きい発光素子を選択し、
    前記バイアス設定変更ステップにおいて、
    前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子の次に大きい発光素子を選択する請求項１に記載の原子発振器の
    制御方法。
  4. 前記バイアス初期設定ステップにおいて、
    前記複数の発光素子からバイアス電流の設定値が平均値に最も近い発光素子を選択し、
    前記バイアス設定変更ステップにおいて、
    前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、現在選択されている発光素子のバイアス電流の設定値との差が最も小さいバイアス電流の設定値の発光素子を選択する請求項１に記載の原子発振器の制御方法。
  5. 複数の発光素子と、
    前記複数の発光素子から選択された発光素子が発生させる共鳴光対が照射される金属原子と、
    起動時に、前記複数の発光素子から発光させる発光素子を選択し、前記選択された発光素子にバイアス電流を設定するバイアス設定部と、
    前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、
    前記光検出部の出力信号に基づいて、発光素子の選択を変更すべきか否かを判定する光強度監視部と、を備え、
    前記バイアス設定部は、
    前記光強度監視部の判定結果に応じて、未だ選択されていない他の発光素子を選択するとともに、前記複数の発光素子の各々の識別情報とバイアス電流の設定値との対応関係を特定可能なテーブル情報に基づいて、前記他の発光素子にバイアス電流を設定可能であり、
    前記バイアス設定部は、
    前記テーブル情報を利用して、前記他の発光素子として、バイアス電流の設定値が現在選択されている発光素子に最も近い発光素子を選択することを特徴とする原子発振器。
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