JP6094750B2 - 量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法に関する。

アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、図１３に示すように、６Ｓ_1/2の基底準位と、６Ｐ_1/2、６Ｐ_3/2の２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、６Ｓ_1/2、６Ｐ_1/2、６Ｐ_3/2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、６Ｓ_1/2はＦ＝３，４の２つの基底準位を持ち、６Ｐ_1/2はＦ’＝３，４の２つの励起準位を持ち、６Ｐ_3/2はＦ’＝２，３，４，５の４つの励起準位を持っている。

例えば、６Ｓ_1/2のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_3/2のＦ’＝２，３，４のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ’＝５の励起準位に遷移することはできない。６Ｓ_1/2のＦ＝４の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_3/2のＦ’＝３，４，５のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ’＝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、６Ｐ_3/2のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して６Ｓ_1/2のＦ＝３又はＦ＝４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、６Ｓ_1/2のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_3/2のＦ’＝３，４のいずれか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。同様に、６Ｓ_1/2のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_1/2のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位からなる３準位は、Ｄ１線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であるからΛ型３準位を形成する。

これに対して、６Ｐ_3/2のＦ’＝２の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_1/2のＦ＝３の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、６Ｐ_3/2のＦ’＝５の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_1/2のＦ＝４の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、６Ｓ_1/2のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_3/2のＦ’＝２又はＦ’＝５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。なお、セシウム原子以外のアルカリ金属原子も、同様に、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有することが知られている。

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（セシウム原子の場合、６Ｓ_1/2のＦ＝３の基底準位）と励起準位（セシウム原子の場合、例えば６Ｐ_3/2のＦ’＝４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（セシウム原子の場合、６Ｓ_1/2のＦ＝４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１４に示すように、周波数がω₁の光と周波数がω₂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光波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（共鳴信号）と呼ばれ、共鳴光対の周波数差ω₁−ω₂がΔＥ₁₂に相当する周波数ω₁₂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、気体状のアルカリ金属原子を封入した原子セル（ガスセル）に２光波を照射し、光検出器によりＥＩＴ信号のピークトップを検出するように、すなわち、２光波の周波数差ω₁−ω₂がΔＥ₁₂に相当する周波数ω₁₂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。

米国特許第６３２０４７２号明細書

ところで、ＥＩＴ現象により光の吸収が停止しないように、ω₁₂からわずかにずれた一定周波数差の２光波（Ｄ１線、Ｄ２線のいずれでもよい）を、その中心波長を掃引してセシウム原子に照射し、アルカリ金属原子を透過する光の透過率を観測すると、図１５に示すように、透過率が低くなる２つの吸収帯が観測できる。図１５において、横時軸は２光波の中心波長を表し、縦軸は透過率を表している。例えば、２光波がＤ２線であれば、６Ｓ_1/2のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子が波長の小さい（周波数の大きい）方のＤ２線を吸収して６Ｐ_3/2のＦ’＝４の励起準位に遷移すると同時に、６Ｓ_1/2のＦ＝４の基底準位にあるセシウム原子が波長の大きい（周波数の小さい）方のＤ２線を吸収して６Ｐ_3/2のＦ’＝４の励起準位に遷移する際に第１の吸収帯が見られる。これに対して、６Ｓ_1/2のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子が波長の小さい（周波数の大きい）方のＤ２線を吸収して６Ｐ_3/2のＦ’＝３の励起準位に遷移すると同時に、６Ｓ_1/2のＦ＝４の基底準位にあるセシウム原子が波長の大きい（周波数の小さい）方のＤ２線を吸収して６Ｐ_3/2のＦ’＝３の励起準位に遷移する際に第２の吸収帯が見られる。図１５では、第１の吸収帯は左側の吸収帯であり、２光波の中心波長がλａの時が第１の吸収帯の底となり、第２の吸収帯は右側の吸収帯であり、２光波の中心波長がλｂの時が第２の吸収帯の底となる。

６Ｐ_3/2のＦ’＝３とＦ’＝４のエネルギー差は６Ｐ_1/2のＦ＝３とＦ＝４のエネルギー差に比べて１桁くらい小さいため、ガスセルに封入される緩衝ガスによる効果（吸収帯の裾野を大きくする効果）を含めると、実際には、図１６に示すように、２つの吸収帯は重なって観測される。遷移強度の違いにより吸収の強さも異なり、第２の吸収帯は第１の吸収帯に埋もれてしまい分かりにくく、従来、第１の吸収帯の底でＥＩＴ信号を観測していた。この場合、第１の吸収帯のみで考えると左右対称なＥＩＴ信号が得られ、第２の吸収帯のみで考えると非対称なＥＩＴ信号が得られることになる。結局、この２つのＥＩＴ信号の重ね合わせにより、実際には、第１の吸収帯の底で観測すると非対称なＥＩＴ信号が得られることになる。同様に第２の吸収帯の底で観測しても非対称なＥＩＴ信号となる。

レーザー光源やガスセルの経年劣化、環境変化等によってアルカリ金属原子に照射される光の強度が変動した場合、左右対称なＥＩＴ信号であればピーク位置は変動しない。しかしながら、図１７に示すように、非対称なＥＩＴ信号では、ピーク位置が変動する可能
性がある。ＥＩＴ信号のピーク位置が変動すると共鳴する光の周波数も変動するため、原子発振器の周波数も変動する。これにより、従来の原子発振器では、高い長期安定度を実現することが難しいという問題があった。

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、従来よりも長期安定度を向上させることが可能な量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法を提供することができる。

本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む光を照射する光源と、前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、前記金属原子の、第１の基底準位と第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１、前記第１の基底準位よりも高い第２の基底準位と前記第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２、前記第１の基底準位と前記第１の励起準位よりも高い第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ３、前記第２の基底準位と前記第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ４とした時、前記共鳴光対の前記中心波長は、（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい。

「共鳴光対の中心波長」とは、共鳴光対の中間の波長であり、一方の共鳴光対の波長をλ_A、他方の共鳴光対の波長をλ_Bとした時の（λ_A＋λ_B）／２に相当する波長である。例えば、半導体レーザーを光源として使用し、半導体レーザーの出射光に含まれる１次のサイドバンドの２つの光を共鳴光対として使用する場合、共鳴光対の中心波長は、半導体レーザーの出射光の中心波長と一致する。

本適用例に係る量子干渉装置では、金属原子は、共鳴光対の中心波長が（λ３＋λ４）／２及び（λ１＋λ２）／２の時（正確にはこれらの波長からわずかにずれた時）にそれぞれ共鳴光対を吸収する吸収帯の底となる。従って、共鳴光対の中心波長を（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さくすることで、電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象により光検出部の出力に現れるＥＩＴ信号は、それぞれの吸収帯のみを考慮すると互いに反対向きの非対称な形状になるが、これらが重なり合うことで実際にはより対称な形状に近づく。ＥＩＴ信号がより対称に近づくことで、時間の経過とともに共鳴光対の強度が低下しても、ＥＩＴ信号のピーク位置の変動がより小さくなるので、原子発振器の周波数の変動が小さくなり、長期安定度を向上させることができる。

［適用例２］
本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む光を照射する光源と、前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、周波数の異なる２光波を前記金属原子に照射した時に、前記２光波が前記金属原子を透過する透過率が極小値となる２つの中心波長の間に、前記共鳴光対の前記中心波長がある。

本適用例に係る量子干渉装置では、金属原子は、共鳴光対の中心波長がλａ及びλｂの時（正確にはこれらの波長からわずかにずれた時）にそれぞれ共鳴光対を吸収する吸収帯の底となる場合、共鳴光対の中心波長をλａとλｂとの間の波長とすることで、電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象により光検出部の出力に現れるＥＩＴ信号は、それぞれの吸収帯のみ
を考慮すると互いに反対向きの非対称な形状になるが、これらが重なり合うことで実際にはより対称な形状に近づく。ＥＩＴ信号がより対称に近づくことで、時間の経過とともに共鳴光対の強度が低下しても、ＥＩＴ信号のピーク位置の変動がより小さくなるので原子発振器の周波数の変動が小さくなり、長期安定度を向上させることができる。

［適用例３］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光検出部の出力信号と周波数とをプロットしたグラフにおいて、極大値の時の前記周波数を中心としてグラフの形状が線対称になる周波数帯を有するようにしてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、ＥＩＴ信号がそのピークを中心として線対称となる周波数帯を有するので、時間の経過とともに共鳴光対の強度が低下してもＥＩＴ信号のピーク位置が変動しにくいため、原子発振器の高い長期安定度を実現することができる。

［適用例４］
本適用例に係る原子発振器は、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。

［適用例５］
本適用例に係る磁気センサーは、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。

［適用例６］
本適用例に係る量子干渉装置の製造方法は、金属原子と、２光波を含む光を発生させて前記金属原子に照射する光源と、前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、を含む物理パッケージを準備する物理パッケージ準備工程と、前記金属原子の、第１の基底準位と第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１、前記第１の基底準位よりも高い第２の基底準位と前記第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２、前記第１の基底準位と前記第１の励起準位よりも高い第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ３、前記第２の基底準位と前記第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ４とした時、前記２光波の中心波長を、（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい波長に設定する中心波長設定工程と、を含む。

［適用例７］
上記適用例に係る量子干渉装置の製造方法において、前記中心波長設定工程では、前記２光波の周波数差を、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる周波数を中心に掃引させた状態で、前記２光波の中心波長を（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい所与の範囲で掃引しながら前記光検出部の出力信号を取得し、前記２光波の中心波長を、前記光検出部の出力信号が、極大値の時の周波数を中心として線対称に近づけるように設定するようにしてもよい。

［適用例８］
上記適用例に係る量子干渉装置の製造方法において、前記中心波長設定工程では、取得した前記光検出部の出力信号の周波数スペクトルを観測し、前記２光波の周波数差を掃引した掃引周波数の２次成分のスペクトルと１次成分のスペクトルとの差が最も大きくなる時の値を、前記２光波の中心波長としてもよい。

本実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 図２（Ａ）はゼーマン分裂したエネルギー準位を示す図であり、図２（Ｂ）は分裂したＥＩＴ信号の一例を示す図。 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。 検波回路による検波原理の説明図。 検波回路による検波原理の説明図。 光の透過率（ＥＩＴ信号強度）とロック周波数との関係についての説明図。 光の透過率（ＥＩＴ信号強度）とロック周波数との関係についての説明図。 従来の中心波長の設定とＥＩＴ信号の対称性との関係についての説明図。 本実施形態の中心波長の設定とＥＩＴ信号の対称性との関係についての説明図。 本実施形態の原子発振器の製造方法の一例を示すフローチャート図。 本実施形態の磁気センサーの構成例を示す図。 変形例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。 セシウム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。 吸収帯の説明図。 緩衝ガスによる効果を含めた吸収帯の説明図。 ＥＩＴ信号のピークシフトの説明図。

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．原子発振器
［原子発振器の構成］
図１は、本実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の原子発振器１は、半導体レーザー１０、減光フィルター（ＮＤフィルター）１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、磁場発生部１５、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、低周波発振器１９、周波数変換回路２０、検波回路２１、変調回路２２、低周波発振器２３、駆動回路２４、磁場設定回路２５、バイアス設定回路２６、メモリー２７及び周波数変換回路２８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１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

半導体レーザー１０（光源の一例）は、例えば、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や端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）などであり、半導体レーザー１０が発生させた光は、減光フィルター１１に入射する。

減光フィルター１１は、半導体レーザー１０の出射光の一部のみを透過させ、減光フィルター１１を透過した光は１／４波長板１２に入射する。

１／４波長板１２は、入射した光をσ＋円偏光にして透過させ、１／４波長板１２を透過した光はガスセル１３に入射する。

ガスセル１３は、ガラス等の透明部材でできた容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）とともにネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）等のバッファーガスが封入されたものである。ガスセル１３に入射した光の一部はガスセル１３を透過し、光検出器１４に入射する。

光検出器１４（光検出部の一例）は、ガスセル１３を透過した光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出部１４は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）を用いて実現することができる。光検出器１４の出力信号は検波回路１６と検波回路２１に入力される。

磁場発生部１５は、ガスセル１３の内部に定常磁場（一様な磁場）を発生させるものである。磁場発生部１５は、例えば、コイルで実現することができ、コイルの位置、形状（例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等）、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。

この定常磁場がガスセル１３にかかると、アルカリ金属原子の各エネルギー準位が２Ｆ＋１個に分裂（ゼーマン分裂）する。例えば、セシウム原子の場合、図２（Ａ）に示すように、６Ｓ_1/2，Ｆ＝３の基底準位や６Ｐ_3/2，Ｆ’＝３の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応する７つの準位に分裂し、６Ｓ_1/2，Ｆ’＝４の基底準位や６Ｐ_3/2，Ｆ＝４の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３，±４に対応する９つの準位に分裂する。セシウム原子にσ＋円偏光が入射すると、ΔｍＦ＝＋１の選択則に従って励起するため、例えば、６Ｓ_1/2，Ｆ＝３，４の基底準位と６Ｐ_3/2，Ｆ’＝４の励起準位の間で、７つのΛ型３準位が形成される。従って、この状態では、２光波の周波数差をスイープすると、図４（Ｂ）に示すように７つのＥＩＴ信号が観測される。特に、６Ｓ_1/2，Ｆ＝３，４のｍＦ＝０の基底準位と６Ｐ_3/2，Ｆ’＝４のｍＦ＝＋１の励起準位の間で形成されるΛ型３準位に対応するＥＩＴ信号の強度が最も高いので、このＥＩＴ信号を発生させるように、共鳴光対の周波数差を制御するのが有効である。

半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４及び磁場発生部１５は、１つの筐体に収容されており、物理パッケージ１００を構成している。

検波回路１６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１９の発振信号を用いて光検出器１４の出力信号を検波する。そして、検波回路１６の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。

変調回路１８は、検波回路１６による検波を可能とするために、低周波発振器１９の発振信号（検波回路１６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）１７の出力信号を変調する。変調回路１８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。

周波数変換回路２０は、一定の周波数変換率で変調回路１８の出力信号を周波数変換して駆動回路２４に出力する。周波数変換回路２０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。

検波回路２１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２３の発振信号を用いて光検出器１４の出力信号を検波する。

変調回路２２は、検波回路２１による検波を可能とするために、低周波発振器２３の発振信号（検波回路２１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２１の出力信号を変調して駆動回路２４に出力する。変調回路２２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。

磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて磁場発生部１５が発生させる磁場の強度を設定する処理を行う。例えば、磁場発生部１５をコイルで実現し、磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて当該コイルに流す電流量を設定するようにしてもよい。

バイアス設定回路２６（中心波長設定部の一例）は、駆動回路２４を介して、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて半導体レーザー１０にバイアス電流を設定する処理（半導体レーザー１０が発生させる光の中心波長を設定する処理）を行う。

メモリー２７は、不揮発性のメモリーであり、磁場発生部１５が発生させる磁場の強度の設定情報や半導体レーザー１０のバイアス電流の設定情報が記憶されている。メモリー２７は、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon）メモリー等のフラッシュメモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等で実現することができる。

駆動回路２４は、半導体レーザー１０のバイアス電流を設定するとともに、変調回路２２の出力信号に応じて当該バイアス電流を微調整して半導体レーザー１０に供給する。すなわち、半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、検波回路２１、変調回路２２、駆動回路２４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、半導体レーザー１０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。

駆動回路２４は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路２０の出力周波数成分（変調周波数ｆ_m）の電流（変調電流）を重畳して半導体レーザー１０に供給する。この変調電流により、半導体レーザー１０に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ₀（中心波長λ₀）の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がｆ_mだけずれた周波数ｆ₀±ｆ_m、ｆ₀±２ｆ_m、・・・の光を発生させる。そして、半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、周波数変換回路２０、駆動回路２４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＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光がガスセル１３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微調整される。

例えば、第２のフィードバックループにより、磁気量子数ｍＦ＝０の基底準位を有するアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすように、変調周波数ｆ_mがフィードバック制御される。具体的には、第２のフィードバックループにより、１次のサイドバンドである周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光の周波数差（＝２ｆ_m）が、アルカリ金属原子の磁気量子数ｍｆ＝０の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ₁₂に相当する周波数ω₁₂と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ω₁₂が９．１９２６３１７７０ＧＨｚ＋ΔＨｚ（Δは磁界強度の２次関数で表される周波数）なので、変調周波数ｆ_mは４．５９６３１５８８５ＧＨｚ＋Δ／２Ｈｚと正確に一致する。図３に、半導体レーザー１０の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す。図３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。

このように、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用することで、第２のフィードバックループに含まれる、周波数変換回路２０の出力信号や電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の出力信号は、それぞれ所定の周波数で安定する。

周波数変換回路２８は、一定の周波数変換率で電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の
出力信号を周波数変換し、所望の周波数（例えば、１０．００・・・ＭＨｚ）のクロック信号を生成する。このクロック信号が外部出力される。周波数変換回路２０は、例えば、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により実現することができる。

図１において、物理パッケージ１００を除く構成要素（回路）は、例えば、１チップの集積回路（ＩＣ）で実現することができる。

なお、図１では、半導体レーザー１０、減光フィルター（ＮＤフィルター）１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、磁場発生部１５、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、低周波発振器１９、周波数変換回路２０、検波回路２１、変調回路２２、低周波発振器２３、駆動回路２４、磁場設定回路２５、バイアス設定回路２６及びメモリー２７により、量子干渉装置２００が構成されている。ただし、本実施形態の量子干渉装置２００は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

［検波原理］
次に、検波回路１６による検波原理について説明する。前述のように、本実施形態では、変調回路１８が、低周波発振器１９が発生させる数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の正弦波を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振信号を周波数変調し、周波数変換回路２０に入力している。これにより、半導体レーザー１０が発生させる２光波の周波数差を正弦波の振幅によって決まる数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の範囲で掃引し、検波回路１６により光検出器１４の出力信号をこの正弦波で同期検波することで、光検出器１４の出力に現れるＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして検出している。ＥＩＴ信号が左右対称（極大値の時の周波数を中心として線対称）の場合、図４（Ａ）に示すように、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の正弦波（掃引信号）のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップと一致している状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆ_s（周期が１／２ｆ_s）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆ_sの周波数成分はほとんど検波されない。一方、図４（Ｂ）に示すように、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、周波数が２ｆ_s（周期が１／２ｆ_s）で１／ｆ_s周期毎に振幅が変化する。つまり、光検出器１４の出力信号には、直流成分と２ｆ_sの周波数成分以外に、ｆ_sの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆ_sの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図４（Ａ）の場合の電圧値（基準電圧値）よりも高い電圧値となる。この検波回路１６の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７に入力されるので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は高い方向（２光波の周波数差がω₁₂に近づく方向）に変化する。一方、図示を省略するが、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも高い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、図４（Ｂ）の信号に対して位相が１８０度異なる信号となる。従って、検波回路１６の出力信号の電圧値は負（基準電圧値よりも低い電圧値）となり、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は低い方向（２光波の周波数差がω₁₂に近づく方向）に変化する。

このような検波原理により、ＥＩＴ信号が左右対称の場合には、ＥＩＴ信号のピークトップにロックがかかる。一方、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合は、図５（Ａ）に示すように、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の正弦波（掃引信号）のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップと一致している状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と２ｆ_sの周波数成分以外に、ｆ_sの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆ_sの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図５（Ｂ）の
場合の電圧値（基準電圧値）よりも低い電圧値となる。また、図５（Ｂ）に示すように、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向に所定量だけずれた状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆ_s（周期が１／２ｆ_s）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆ_s（周期が１／ｆ_s）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆ_sの周波数成分はほとんど検波されず、この状態で安定する。すなわち、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合には、ＥＩＴ信号のピークトップからずれた位置にロックがかかる。

［周波数の長期安定度の向上］
検波回路１６がＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして周波数をロックする性質を持つため、ＥＩＴ信号が非対称にゆがんでいた場合、光源や外環境の変化によってＥＩＴ信号の強度が下がったときにロックする周波数もずれてしまう可能性がある。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、ＥＩＴ信号（光検出器１４の出力信号））とロック周波数（共鳴光対の周波数差）とをプロットしたグラフの一例である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、縦軸はガスセル１３を透過する光の透過率（検出器１４の出力信号強度）であり、横軸は周波数（共鳴光対の周波数差）である。例えば、図６（Ａ）に示すように、ＥＩＴ信号が左側（低周波側）に傾いていた場合、ＥＩＴ信号の強度が下がるにつれて、ロック周波数がｆ₁→ｆ₂→ｆ₃のように下がっていく。逆に、図６（Ｂ）に示すように、ＥＩＴ信号が右側（高周波側）に傾いていた場合、ＥＩＴ信号の強度が下がるにつれて、ロック周波数がｆ₁→ｆ₂→ｆ₃のように上がっていく。従って、ＥＩＴ信号が非対称であれば、時間の経過とともに周波数が変動し、高い長期安定度を実現することが難しい。

これに対して、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、図７に示すように、ＥＩＴ信号の強度が下がっても、ロック周波数は初期の周波数ｆ₁のまま変動しない。従って、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、長い時間が経過してもロック周波数が変動せず、高い長期安定度を実現することができる。

前述したように、周波数差がω₁₂（２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ₁₂に相当する周波数）から所定量だけわずかにずれた周波数の異なる２光波を、その中心波長を所定の範囲で掃引しながらアルカリ金属原子に照射した時、透過率を観測すると２つの吸収帯が見られる。従来の原子発振器では、図８（Ａ）に示すように、共鳴光対の中心波長λ₀を、重なり合う２つの吸収帯のうちの吸収の大きい第１の吸収帯の底に合わせていた。この場合、図８（Ｂ）に示すように、第１の吸収帯のみを考慮した時のＥＩＴ信号は左右対称であり、また、図８（Ｃ）に示すように、吸収の小さい第２の吸収帯のみを考慮した時のＥＩＴ信号は左右非対称である。従って、図８（Ｄ）に示すように、実際に観測されるＥＩＴ信号は、これら２つのＥＩＴ信号を重ね合わせたものになるので、左右非対称になってしまう。

そこで、本実施形態の原子発振器１では、図９（Ａ）に示すように、共鳴光対の中心波長λ₀が、第１の吸収帯の底（第１の極小値）に対応する波長λａと第２の吸収帯の底（第２の極小値）に対応する波長λｂとの間の所望の波長（周波数）に設定される。具体的には、バイアス設定回路２６が、メモリー２７に記憶されているバイアス電流の設定情報に従い、半導体レーザー１０が発生させる光の中心波長λ₀をλａとλｂとの間の所望の波長に設定する。この場合、図９（Ｂ）に示すように、第１の吸収帯のみを考慮した時のＥＩＴ信号は右側に傾いて左右非対称であり、また、図９（Ｃ）に示すように、第２の吸収帯のみを考慮した時のＥＩＴ信号は左側に傾いて左右非対称である。従って、図９（Ｄ）に示すように、実際に観測されるＥＩＴ信号は、これら２つのＥＩＴ信号を重ね合わせたものになるので、従来よりも左右対称になり、ほぼ左右対称にすることも可能である。ＥＩＴ信号が左右対称に近づくことにより、時間の経過によるロック周波数の変動を低減
させることができるので、原子発振器の長期安定度を従来よりも向上させることができる。

なお、アルカリ金属原子のＦ＝３の基底準位（第１の基底準位）とＦ’＝３の励起準位（第１の励起準位）とのエネルギー差に相当する波長をλ１、Ｆ＝４の基底準位（第２の基底準位）とＦ’＝３の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２、Ｆ＝３の基底準位（第１の基底準位）とＦ’＝４の励起準位（第２の励起準位）とのエネルギー差に相当する波長をλ３、Ｆ＝４の基底準位とＦ’＝４の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ４とした時、λａ＝（λ３＋λ４）／２、λｂ＝（λ１＋λ２）／２である。

［原子発振器の製造方法］
図１０は、本実施形態の原子発振器１の製造方法の一例を示すフローチャート図である。

まず、図１に示した物理パッケージ１００を準備する（Ｓ１０）。例えば、既存の物理パッケージ１００を用意してもよいし、半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４及び磁場発生部１５を用意して物理パッケージ１００を組み立ててもよい。

次に、半導体レーザー１０の変調周波数ｆ_mをω₁₂／２を中心として低周波数で掃引させた状態（ＥＩＴ信号のピークトップを中心に掃引させた状態）で、中心波長λ₀がλａとλｂとの間の所定範囲で掃引されるように、半導体レーザー１０のバイアス電流を掃引する（Ｓ２０）。変調周波数ｆ_mを掃引する低周波数は、図１の低周波発振器１９の周波数と一致させればよい。変調周波数ｆ_mをω₁₂／２を中心として低周波数で掃引させる信号は、例えば、シグナルジェネレーターで発生させることができる。

次に、光検出器１４の出力信号の周波数スペクトルを観測し、ステップＳ２０で変調周波数ｆ_mを掃引した掃引周波数の２次成分のスペクトルと１次成分のスペクトルとの差が最も大きくなる時のバイアス電流値を取得する（Ｓ３０）。前述した検波原理により、ＥＩＴ信号のピークトップで掃引した場合、ＥＩＴ信号が対称であれば、図４（Ａ）に示したように、光検出器１４の出力信号に掃引信号の１次成分はほとんど含まれない。一方、ＥＩＴ信号が非対称であれば、図５（Ａ）に示したように、光検出器１４の出力信号に掃引信号の１次成分が含まれる。ＥＩＴ信号が対称に近いほど、この１次成分は小さくなる。従って、２次成分のスペクトルと１次成分のスペクトルとの差が最も大きくなる時が、ＥＩＴ信号が最も対象に近いと言える。光検出器１４の出力信号の周波数スペクトルの観測には、例えば、スペクトルアナライザーを用いることができる。変調周波数ｆ_mを掃引した掃引周波数が例えば１００Ｈｚであれば、光検出器１４の出力信号に含まれる１００Ｈｚ成分のスペクトルと２００Ｈｚ成分のスペクトルとの差のグラフを作成し、この差が最も大きい時のバイアス電流値を取得する。

次に、ステップＳ３０で取得したバイアス電流値を、図１のメモリー２７に書き込む（Ｓ４０）。これにより、中心波長λ０が第１の吸収帯の底に対応する波長λａと第２の吸収帯の底に対応する波長λｂとの間で、ＥＩＴ信号の対称性が最もよくなる波長に固定される。

最後に、物理パッケージ１００と回路（ＩＣ）を接続し、原子発振器１を組み立てる（Ｓ５０）。

以上に説明したように、本実施形態の原子発振器によれば、従来よりもＥＩＴ信号の対称性が良いので、長期安定度を向上させることができる。

２．磁気センサー
図１に示したガスセル１３の周辺の磁場の強度が変化すると、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子の基底準位と励起準位におけるゼーマン分裂準位が変化する。このゼーマン分裂準位の変化に応じて、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対の周波数差ω₁₂も変化する。そして、このω₁₂は、磁場の強度Ｂの２乗に比例することが知られている。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数はω₁₂に比例するので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数から磁場強度を算出することができる。従って、ガスセル１３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を実現することができる。

図１１は、本実施形態の磁気センサーの構成例を示す図である。図１１において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付している。図１１に示すように、本実施形態の磁気センサー２は、図１に示した原子発振器１の周波数変換回路２８が磁場強度情報生成回路２９に置き換わっており、その他の構成は図１に示した原子発振器１と同様である。

磁場強度情報生成回路２９は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数を測定し、測定結果に基づいて外部磁場の強度を示す磁場強度情報を生成する。ガスセル１３には磁場発生部１５により定常磁場がかけられているので、例えば、外部磁場が０（定常磁場のみ）の時の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数の情報をメモリー２７にあらかじめ記憶させておき、磁場強度情報生成回路２９は、測定した周波数をメモリー２７に記憶されている発振周波数と比較して外部磁場の強度を算出するようにしてもよい。あるいは、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数と外部磁場の強度との対応テーブルをメモリー２７に記憶させておき、磁場強度情報生成回路２９は、この対応テーブルを参照し、測定した周波数に対応する外部磁場の強度を、補完計算等により求めてもよい。

図１１に示す磁気センサー２のその他の構成は、図１に示した原子発振器１と同様であるので、その説明を省略する。

３．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。

［変形例１］
本実施形態の原子発振器や磁気センサーでは、第１のフィードバックループにより、半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光（周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光）が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、すなわち変調周波数ｆ_mがω₁₂／２に一致するように制御がかかるが、これに限られない。例えば、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示すように、一方の１次サイドバンドの光（周波数ｆ₀＋ｆ_mの光又は周波数ｆ₀−ｆ_mの光）と中心波長λ₀（周波数ｆ₀）の光が共鳴光対となるように、すなわち、変調周波数ｆ_mがω₁₂に一致するように制御してもよい。この場合、バイアス設定回路２６は、共鳴光対の中間の波長がλａとλｂの間の波長になるように半導体レーザー１０のバイアス電流を設定すればよい。

［変形例２］
本実施形態の原子発振器や磁気センサーを、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１０は、周波数変換回路２０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波長λ₀（周波数ｆ₀）の光を発生させる。この波長λ₀の光は、電気光学変
調器（ＥＯＭ）に入射し、周波数変換回路２０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３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１３に照射される。この原子発振器や磁気センサーでは、半導体レーザー１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）により光源が構成される。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。

［変形例３］
本実施形態の原子発振器や磁気センサーでは、１つの半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光を共鳴光対として使用しているが、２つの半導体レーザーに、それぞれ単一波長の光を発生させ、これらを共鳴光対として使用してもよい。この場合も、共鳴光対の中間の波長がλａとλｂの間の波長になるように２つの半導体レーザーのバイアス電流をそれぞれ設定すればよい。

なお、本実施形態の量子干渉装置は、原子発振器や磁気センサー以外にも応用することができる。例えば、本実施形態の量子干渉装置の構成により、極めて安定したアルカリ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１３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、量子メモリー、量子暗号システム等の量子情報機器に用いる光源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、２ 磁気センサー、１０ 半導体レーザー、１１ 減光フィルター、１２ １／４波長板、１３ ガスセル、１４ 光検出器、１５ 磁場発生部、１６ 検波回路、１７ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１８ 変調回路、１９ 低周波発振器、２０ 周波数変換回路、２１ 検波回路、２２ 変調回路、２３ 低周波発振器、２４ 駆動回路、２５ 磁場設定回路、２６ バイアス設定回路、２７ メモリー、２８ 周波数変換回路、２９ 磁場強度情報生成回路、１００ 物理パッケージ、２００ 量子干渉装置

Claims (8)

1. 金属原子と、
   前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む光を照射する光源と、
   前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、
   前記金属原子の、第１の基底準位と第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１、前記第１の基底準位よりも高い第２の基底準位と前記第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２、前記第１の基底準位と前記第１の励起準位よりも高い第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ３、前記第２の基底準位と前記第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ４とした時、前記共鳴光対の中心波長は、（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい、量子干渉装置。
2. 金属原子と、
   前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む光を照射する光源と、
   前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、を有し、
   周波数の異なる２光波を前記金属原子に照射した時に、前記２光波が前記金属原子を透過する透過率が極小値となる２つの中心波長の間に、前記共鳴光対の前記中心波長がある、量子干渉装置。
3. 前記光検出部の出力信号と周波数とをプロットしたグラフにおいて、極大値の時の前記周波数を中心としてグラフの形状が線対称になる周波数帯を有する、請求項１又は２に記載の量子干渉装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置を含む原子発振器。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置を含む磁気センサー。
6. 金属原子と、２光波を含む光を発生させて前記金属原子に照射する光源と、前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、を含む物理パッケージを準備する物理パッケージ準備工程と、
   前記金属原子の、第１の基底準位と第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１、前記第１の基底準位よりも高い第２の基底準位と前記第１の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２、前記第１の基底準位と前記第１の励起準位よりも高い第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ３、前記第２の基底準位と前記第２の励起準位とのエネルギー差に相当する波長をλ４とした時、前記２光波の中心波長を、（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい波長に設定する中心波長設定工程と、
   を含む、量子干渉装置の製造方法。
7. 前記中心波長設定工程では、
   前記２光波の周波数差を、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる周波数を中心に掃引させた状態で、前記２光波の中心波長を（λ３＋λ４）／２よりも大きく、かつ、（λ１＋λ２）／２よりも小さい所与の範囲で掃引しながら前記光検出部の出力信号を取得し、前記２光波の中心波長を、前記光検出部の出力信号が、極大値の時の周波数を中心として線対称に近づけるように設定する、請求項６に記載の量子干渉装置の製造方法。
8. 前記中心波長設定工程では、
   取得した前記光検出部の出力信号の周波数スペクトルを観測し、前記２光波の周波数差を掃引した掃引周波数の２次成分のスペクトルと１次成分のスペクトルとの差が最も大きくなる時の値を、前記２光波の中心波長とする、請求項７に記載の量子干渉装置の製造方
   法。

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