JP6187758B2 - 原子発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器、電子機器及び移動体に関する。

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し、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ΔＥ_１２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ω_１の光と周波数がω_２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ω_１−ω_２がΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２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ω_１−ω_２がΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２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。

ＥＩＴ方式の原子発振器では、例えば、半導体レーザーが発する光の中心周波数ｆ_０（＝ｖ／λ_０：ｖは光の速度、λ_０は中心波長）（キャリア周波数）を決めるバイアス電流に周波数がｆ_ｍの変調信号を重畳して半導体レーザーに供給することにより、半導体レーザーは、中心周波数ｆ_０を変調周波数ｆ_ｍで変調した光を発生させる。半導体レーザーの出射光はガスセルに照射され、ガスセルを透過した光は光検出器により検出される。光検出器が検出した光の強度に応じて電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数が制御され、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を介して周波数がｆ_ｍの変調信号が生成される。そして、半導体レーザーが発する１次のサイドバンド光、すなわち、周波数がｆ_０＋ｆ_ｍの光と周波数がｆ_０−ｆ_ｍの光が共鳴光対となるように制御がかかる。この制御により、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の出力信号の周波数偏差は極めて小さくなり、周波数精度の高い発振器を実現することができる。

ＥＩＴ信号のＳ／Ｎが高いほど周波数精度（短期安定度）が向上するため、半導体レーザーの出射光の中心波長λ_０は、ガスセルでの光の吸収量が最大となるように最適な波長に調整されることが望ましい。そこで、例えば、特許文献２では、アルカリ金属原子を封入したセルを透過する透過光の強度が最小となる点に直流バイアス電流を追い込むことが可能な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２０１１−１０１２１１号公報

しかしながら、長時間（例えば１０年）が経過すると、半導体レーザーの経時劣化により、ガスセルでの光の吸収量が最大（吸収帯の最小点）となるときのバイアス電流値は初期設定値から大きくずれている場合がある。そして、実際には、この吸収帯には２つの吸収の底が存在するため、特許文献２に記載のような従来の原子発振器では、バイアス電流値の初期設定値からのずれの大きさや方向によっては、吸収量の小さい方の底に追い込まれる可能性がある。

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、吸収帯の最小点近傍で安定させることが可能な原子発振器、並びに、この原子発振器を用いた電子機器及び移動体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］
本適用例に係る原子発振器は、金属原子を封入しているセルと、前記セルに照射する光を発生させる光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出手段と、前記光検出手段が検出する光の強度に基づいて、前記光源に供給されるバイアス電流を制御するバイアス電流制御手段と、記憶手段と、前記バイアス電流を掃引し、前記光検出手段が検出する光の強度が減少から増加に移行するときの、前記バイアス電流の値と前記光の強度の値とを前記記憶手段に記憶させる掃引処理と、前記掃引処理の後に、前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値に基づいて前記バイアス電流を設定し、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶させた前記光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて再び前記掃引処理を行うか否かを判定する再掃引判定処理と、を行うバイアス電流設定手段と、を有する。

例えば、前記バイアス電流設定手段は、電源起動時に前記掃引処理を行うようにしてもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、掃引処理において、ガスセルによる光の吸収帯の最小点近傍の時のバイアス電流の値と光強度の値を記憶し、再掃引判定処理において、バイアス電流を掃引処理で記憶した値に設定し、バイアス電流が安定（ロック）した状態での光強度を掃引処理で記憶した値と比較し、必要に応じて掃引処理をやり直すことで、バイアス電流が自動的に設定され、吸収帯の最小点近傍で安定させることができる。従って、本適用例に係る原子発振器によれば、周波数安定度を向上させることができる。

なお、本適用例に係る原子発振器は、前記光検出手段が検出する光の強度に基づき、前記光源に、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発生させるように制御する周波数制御手段を含んでもよい。

［適用例２］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記再掃引判定処理において、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶させた前記光の強度の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び前記掃引処理を行うと判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、再掃引判定処理において、バイアス電流が安定（ロック）した状態での光強度が掃引処理で記憶した値から離れている場合には、吸収帯の最小点ではない極小点で安定した可能性を考慮し、掃引処理をやり直すことで、吸収帯の最小点近傍で安定させることができる。

［適用例３］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記再掃引判定処理において、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて再び前記掃引処理を行うか否かを判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、再掃引判定処理において、安定（ロック）した状態でのバイアス電流を掃引処理で記憶した値と比較し、必要に応じて掃引処理をやり直すことで、吸収帯の最小点近傍で安定させることができる。

［適用例４］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記再掃引判定処理において、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び前記掃引処理を行うと判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、再掃引判定処理において、安定（ロック）した状態でのバイアス電流が掃引処理で記憶した値から離れている場合には、吸収帯の最小点ではない極小点で安定した可能性を考慮し、掃引処理をやり直すことで、吸収帯の最小点近傍で安定させることができる。

［適用例５］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記掃引処理を行う毎に前記再掃引判定処理を行うようにしてもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、掃引処理を行うと必ず再掃引判定処理を行うため、再判定処理において掃引処理を行わないと判定するまでバイアス電流の自動設定が終了しないので、確実に吸収帯の最小点近傍で安定させることができる。

［適用例６］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記掃引処理の前に、前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値に基づいて前記バイアス電流を設定し、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶されている前記光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて前記掃引処理を行うか否かを判定する調整判定処理を行うようにしてもよい。

例えば、前記記憶手段は、不揮発性であり、前記バイアス電流設定手段は、電源起動時に前記調整判定処理を行うようにしてもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、掃引処理を行う前に、調整判定処理において、バイアス電流を記憶されている値に設定し、バイアス電流が安定（ロック）した状態での光強度を記憶されている値と比較し、必要な場合には掃引処理を行い、必要なければ掃引処理を行わないことで、無駄な掃引処理を省き、バイアス電流の設定時間や消費電力を削減することができる。

［適用例７］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記調整判定処理において、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶されている前記光の強度の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、前記掃引処理を行うと判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、調整判定処理において、光強度が記憶されている値から離れている場合には、吸収帯の最小点ではない極小点で安定した可能性を考慮し、掃引処理を行うことで、吸収帯の最小点近傍で安定させるためのバイアス電流値を得ることができる。

［適用例８］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記調整判定処
理において、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて前記掃引処理を行うか否かを判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、調整判定処理において、安定（ロック）した状態でのバイアス電流を記憶されている値と比較し、必要な場合には掃引処理を行い、必要なければ掃引処理を行わないことで、無駄な掃引処理を省き、バイアス電流の設定時間や消費電力を削減することができる。

［適用例９］
上記適用例に係る原子発振器において、前記バイアス電流設定手段は、前記調整判定処理において、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、前記掃引処理を行うと判定してもよい。

本適用例に係る原子発振器によれば、調整判定処理において、安定（ロック）した状態でのバイアス電流が記憶されている値から離れている場合には、吸収帯の最小点ではない極小点で安定した可能性を考慮し、掃引処理を行うことで、吸収帯の最小点近傍で安定させるためのバイアス電流値を得ることができる。

［適用例１０］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの原子発振器を備えている。

［適用例１１］
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの原子発振器を備えている。

これらの適用例によれば、周波数安定度の高い原子発振器を備えているので、信頼性の高い電子機器及び移動体を提供することができる。

本実施形態の原子発振器の構成例を示す図。 本実施形態の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。 バイアス電流とガスセルを透過する光の強度との関係を示す図。 位相検波の原理について説明するための図。 第１実施形態のバイアス電流の自動設定処理のフローチャート図。 掃引処理における光検出器の出力電圧の一例を示す図。 バイアス電流の自動設定処理における電流制御回路の出力電圧の一例を示す図。 第２実施形態のバイアス電流の自動設定処理のフローチャート図。 掃引処理における光検出器の出力電圧の一例を示す図。 バイアス電流の自動設定処理における電流制御回路の出力電圧の一例を示す図。 本実施形態の電子機器の機能ブロック図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。 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。

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
１−１．第１実施形態
［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、第１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、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、電流制御回路２２、低周波発振器２３、定電流回路２４、ＭＰＵ２５、駆動回路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。光検出器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。

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及び光検出器１４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、変調回路１８の出力信号を、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２の１／２の周波数の信号に周波数変換して駆動回路２７に出力する。周波数変換回路２０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked
Loop）回路を用いて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。

電流制御回路２２は、後述する設定電圧Ｖ_ｓｅｔを検波回路２１の出力信号のレベルに応じて微調整し、定電流回路２４の電流を設定するための電圧Ｖ_ｂｉａｓを生成する。

定電流回路２４は、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓに応じたバイアス電流を生成する。定電流回路２４は、検波回路２１による検波を可能とするために、バイアス電流に低周波発振器２３の発振信号に応じた変調電流を重畳し、駆動回路２７に出力する。

駆動回路２７は、定電流回路２４が出力するバイアス電流を周波数変換回路２０の出力信号（変調周波数ｆ_ｍ＝ω_１２／２の周波数変調信号）で周波数変調した駆動電流を生成し、半導体レーザー１０に供給する。この駆動電流により、半導体レーザー１０は、バイアス電流によって決まる中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）の光とともに、周波数ｆ_０±ｆ_ｍの光（１次サイドバンド光）を含む光を発生させる。図２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２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。

このように構成された原子発振器１では、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、電流制御回路２２、定電流回路２４及び駆動回路２７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周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が所望の周波数（波長）で安定するようにバイアス電流が制御される。

また、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及び駆動回路２７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ｆ_０＋ｆ_ｍの光と周波数ｆ_０−ｆ_ｍの光（１次サイドバンド光の対）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、周波数ｆ_０＋ｆ_ｍの光と周波数ｆ_０−ｆ_ｍの光の周波数差（＝２ｆ_ｍ）が、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。

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の出力信号が一定の周波数で安定する。

周波数変換回路２８は、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。

このような構成の原子発振器１は、発振周波数偏差が極めて小さく、高い短期安定度を実現することができる。

［位相検波］
本実施形態では、上述した第１のフィードバックループにおいて、検波回路２１が位相検波方式による検波を行い、半導体レーザー１０の出射光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が所望の周波数（波長）で安定するように制御される。図３及び図４を用いて、本実施形態における位相検波について詳細に説明する。

図３は、半導体レーザー１０に供給されるバイアス電流とガスセル１３を透過する光（光検出器１４で検出される光）の強度との関係（透過特性あるいは吸収特性）を示す図であり、図３では、光の強度が最小となる付近での特性が示されている。なお、実際には光検出器１４の出力にＥＩＴ信号が観測されるが、図３では省略している。

半導体レーザー１０が出射する１次サイドバンド光の対がともにガスセル１３で吸収され、透過光の強度が小さい帯域、すなわち大きな吸収帯が存在するが、図３に示すように、この吸収帯では、バイアス電流がＩ_Ｂ１とＩ_Ｂ２（＜Ｉ_Ｂ１）の時に２つのピーク（透過光の強度の極小点）が存在し、バイアス電流がＩ_Ｂ１の時（中心周波数ｆ_０が高い（中心波長λ_０が短い）方）に透過光の強度が最小となる。この吸収帯の最小点でＥＩＴ信号を発生させることでＥＩＴ信号のＳ／Ｎが高くなり、原子発振器１の周波数安定度が高くなるため、透過光の強度が最小となるようにバイアス電流を制御することが好ましい。本実施形態では、後述するバイアス電流の自動設定処理によりバイアス電流を吸収帯の最小点付近に設定し、さらに、低周波発振器２３の発振信号によってバイアス電流を変調し、検波回路２１で低周波発振器２３の発振信号を用いて光検出器１４の出力信号を位相検波することにより、光検出器１４が検出する光の強度（ガスセル１３の透過光の強度）が最小となるようにバイアス電流を制御する。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて位相検波の原理について説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）において、横軸は半導体レーザー１０の出射光の中心周波数ｆ_０であり、縦軸はガスセル１３を透過する光の強度である。

図４（Ａ）に示すように、中心周波数ｆ_０が吸収帯のピーク（極小点）よりも高い方にずれている場合、周波数がｆ_ｓ（周期が１／ｆ_ｓ）の正弦波（低周波発振器２３の発振信号）のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの各点は、光検出器１４の出力では、それぞれ、ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’，ｅ’の各点として現れるため、光検出器１４の出力信号にはｆ_ｓの周波数成分が多く含まれる。そのため、検波回路２１において、光検出器１４の出力信号を、この信号と位相を揃えた周波数がｆ_ｓ（周期が１／ｆ_ｓ）の矩形波（低周波発振器２３の発振信号）を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’〜ｅ’の信号の極性のみ反転した後、フィルターで積分することで負極性の直流信号を取り出すことができる。電流制御回路２２は、検波回路２１の出力電圧が負の場合、Ｖ_ｂｉａｓを低くして定電流回路２４が出力するバイアス電流を低下させる。これにより、中心周波数ｆ_０が低下し、吸収帯の極小点に近づく。図示を省略するが、中心周波数ｆ_０が吸収帯の極小点よりも低い方にずれている場合は、検波回路２１の出力電圧が正となり、電流制御回路２２は、Ｖ_ｂｉａｓを高くして定電流回路２４が出力するバイアス電流を増加させるので、やはり中心周波数ｆ_０が増加し、吸収帯の極小点に近づく。

図４（Ｂ）に示すように、中心周波数ｆ_０が吸収帯の最小点に一致する時は、光検出器１４の出力信号には２ｆ_ｓの周波数成分が多く含まれ、ｃ’点を中心に左右対称に近くなる。そのため、検波回路２１において、光検出器１４の出力信号を、この信号と位相を揃えた周波数がｆ_ｓ（周期が１／ｆ_ｓ）の矩形波（低周波発振器２３の発振信号）を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’〜ｅ’の信号の極性のみ反転した後、フィルターで積分するとほぼ０（ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧）となる。電流制御回路
２２は、検波回路２１の出力電圧が０の場合、Ｖ_ｂｉａｓを変えず定電流回路２４が出力するバイアス電流を維持させる。これにより、中心周波数ｆ_０が変化せず、吸収帯の極小点で安定する。

この位相検波によれば、バイアス電流の設定値吸収帯の極小点で安定することになるが、２つの極小点のどちらで安定するかは、バイアス電流の設定値に依存する。そこで、本実施形態では、位相検波により最小点で安定させるために、バイアス電流の自動設定処理によりバイアス電流を吸収帯の最小点付近に設定する。

なお、位相検波の感度を高めるために、変調幅（変調深さ）はピークの幅Ｗの半分程度にするのが好ましい。図３に示すように、このピークの幅Ｗは、透過光の強度が、極小点での強度Ａと極大点での強度Ｂの平均値（Ａ＋Ｂ）／２となる時のピークの幅として定義される。変調幅（変調深さ）は、低周波発振器２３の発振信号の振幅に比例する。

［バイアス電流の自動設定］
上述した位相検波の原理によれば、仮にバイアス電流がＩ_Ｂ２付近に設定されていた場合、吸収帯の最小点ではない方のピーク（極小点）で安定してしまい、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎが劣化する。そこで、本実施形態の原子発振器１は、必ず、吸収帯の最小点で安定する（ロックする）ように、半導体レーザー１０に供給するバイアス電流を自動設定する機能を有する。

このバイアス電流の自動設定機能を実現するために、本実施形態の原子発振器１では、ＭＰＵ２５は、半導体レーザー１０に供給するバイアス電流を掃引し、光検出器１４が検出する光の強度が減少から増加に移行するときの中で光の強度が最小となるときの、バイアス電流の値（具体的には、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓのＡ／Ｄ変換値）と光の強度の値（具体的には、光検出器１４の出力電圧のＡ／Ｄ変換値）とをメモリー２６に記憶させる掃引処理を行う。

本実施形態では、電流制御回路２２は、Ｖ_ｂｉａｓを第１電圧Ｖ_１（例えば０Ｖ）から第２電圧Ｖ_２（例えば２．７Ｖ）まで掃引した後、第２電圧Ｖ_２から第１電圧Ｖ_１まで逆方向に掃引する動作を繰り返すことが可能に構成されており、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２に掃引動作の開始又は停止を指示する。

また、ＭＰＵ２５は、掃引処理の後、メモリー２６に記憶させたバイアス電流の値に基づいて半導体レーザー１０のバイアス電流を設定し、第１のフィードバックループによりバイアス電流が制御されて安定（ロック）している状態で、光検出器１４が検出する光の強度と掃引処理でメモリー２６に記憶させた光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて再び掃引処理を行うか否かを判定する再掃引判定処理を行う。例えば、ＭＰＵ２５は、再掃引判定処理において、光検出器１４が検出する光の強度とメモリー２６に記憶させた光の強度の値との差又は比がメモリー２６に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び掃引処理を行うと判定するようにしてもよい。

また、ＭＰＵ２５は、再掃引判定処理において、第１のフィードバックループによりバイアス電流が制御されて安定（ロック）している状態で、当該バイアス電流と掃引処理でメモリー２６に記憶させたバイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて再び掃引処理を行うか否かを判定してもよい。例えば、ＭＰＵ２５は、再掃引判定処理において、半導体レーザー１０に供給するバイアス電流とメモリー２６に記憶させたバイアス電流の値との差又は比がメモリー２６に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び掃引処理を行うと判定するようにしてもよい。

ＭＰＵ２５は、掃引処理を行う毎に再掃引判定処理を行うようにし、再掃引判定処理において掃引処理を行わないと判定するまで掃引処理を繰り返すようにしてもよい。

図５は、ＭＰＵ２５によるバイアス電流の自動設定処理の詳細なフローチャートの一例を示す図である。図５のフローチャートでは、原子発振器１に電源が投入されると、ＭＰＵ２５は、まず、電流制御回路２２の掃引動作を開始させる（Ｓ１０）。電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓの初期値は第１電圧Ｖ_１であり、Ｖ_ｂｉａｓは第２電圧Ｖ_２まで徐々に上昇する。

次に、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓと光検出器の出力電圧Ｖ_ＰＤを取得し（Ｓ１２）、Ｖ_ＰＤを微分する（Ｓ１４）。具体的には、ＭＰＵ２５は、Ａ／Ｄ変換器を内蔵しており、所定のサンプリングレートでＶ_ｂｉａｓとＶ_ＰＤを取得し、これらをＡ／Ｄ変換したデジタルデータをメモリー２６に記憶し、Ｖ_ＰＤのデジタルデータの時間微分（実際には、１つ前にサンプリングしたデータとの差分）を計算する。

次に、ＭＰＵ２５は、ステップＳ１４で計算したＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化したか否かを判定する（Ｓ１６）。

Ｖ_ＰＤの微分値が負から正に変化しなかった場合（Ｓ１６のＮ）には、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達したか否かを判定する（Ｓ２４）。

一方、Ｖ_ＰＤの微分値が負から正に変化した場合（Ｓ１６のＹ）には、ＭＰＵ２５は、このＶ_ＰＤと最小値Ｖ_ｍｉｎとの大小を比較する（Ｓ１８）。ここで、最小値Ｖ_ｍｉｎの初期値はＶ_２に設定されており、最初にＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化したときは、必ずＶ_ＰＤ＜Ｖ_ｍｉｎとなる。

Ｖ_ＰＤ＜Ｖ_ｍｉｎの場合（Ｓ２０のＹ）には、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤをＶ_ｍｉｎ、ステップＳ１２でこのＶ_ＰＤと同時に取得したＶ_ｂｉａｓを設定値Ｖ_ｓｅｔとして、それぞれメモリー２６に記憶し（Ｓ２２）、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達したか否かを判定する（Ｓ２４）。また、Ｖ_ＰＤ≧Ｖ_ｍｉｎの場合（Ｓ２０のＮ）には、ＭＰＵ２５は、ステップＳ２２の処理を行わず、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達したか否かを判定する（Ｓ２４）。

ステップＳ２４において、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達していなければ（Ｓ２４のＮ）、ＭＰＵ２５は、ステップＳ１２以降の処理を再び行う。一方、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達していれば（Ｓ２４のＹ）、ＭＰＵ２５は、ステップＳ２６以降の処理を行う。

このように、ＭＰＵ２５は、ステップＳ１２〜Ｓ２４の処理を繰り返すことで、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_１からＶ_２まで掃引しながらＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化する極小点を探索し、その中の最小点におけるＶ_ＰＤ，Ｖ_ｂｉａｓをそれぞれＶ_ｍｉｎ，Ｖ_ｓｅｔとしてメモリー２６に記憶する。図６は、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_１からＶ_２まで掃引する間に取得されるＶ_ＰＤを図示したものである。本実施形態では、図２に示したように、半導体レーザー１０は中心周波数ｆ_０の光と周波数がｆ_０±ｆ_ｍの１次サイドバンド光の対を発生させ、この１次サイドバンド光の対が共鳴光対となるので、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_１からＶ_２まで掃引すると、ｆ_０＋ｆ_ｍの光のみが吸収される吸収帯Ｂ_１、ｆ_０の光のみが吸収される吸収帯Ｂ_２、ｆ_０＋ｆ_ｍの光とｆ_０−ｆ_ｍの光が吸収される吸収帯Ｂ_３、ｆ_０の光のみが吸収される吸収帯Ｂ_４、ｆ_０−ｆ_ｍの光のみが吸収される吸収帯Ｂ_５の５つの吸収帯がこの順に観測される。このうち３番目に現れる吸収帯Ｂ_３の極小点でのＶ_ＰＤが最も小さく、Ｖ_ｓｅｔはこの極小点よりも少し高い値になり、Ｖ_ｍｉｎは最小値よりも少し高い値になる。

ＭＰＵ２５は、ステップＳ１２〜Ｓ２４の処理を完了すると、次に、電流制御回路２２
の出力電圧値Ｖ_ｂｉａｓを取得し（Ｓ２６）、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下か否かを判定する（Ｓ２８）。ＭＰＵ２５は、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下でなければ（Ｓ２８のＮ）、ステップＳ２６の処理を再び行い、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下であれば（Ｓ２８のＹ）、ステップＳ３０以降の処理を行う。要するに、電流制御回路２２は、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達すると今度はＶ_ｂｉａｓをＶ_１まで徐々に低下させるように逆方向の掃引動作を始めるので、ＭＰＵ２５は、このステップＳ２６，Ｓ２８において、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔに近づくまで待機する。なお、ＭＰＵ２５がステップＳ２８で｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下か否かを判定するのは、ＭＰＵ２５が取得するＶ_ｂｉａｓの値がサンプリングタイミングによっては必ずしもＶ_ｓｅｔと一致するとは限らないからである。従って、この閾値は、サンプリングタイミングがもっとも大きくずれた時のＶ_ｂｉａｓの値を考慮し、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔに最も近付いたことを検出可能な値に設定される。

｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下になれば（Ｓ２８のＹ）、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の掃引動作を停止させる（Ｓ３０）。これにより、Ｖ_ｂｉａｓは掃引動作を停止した瞬間にはＶ_ｓｅｔ近傍の電圧に設定されるが、前述の位相検波により、吸収帯の極小点で安定（ロック）するように制御がかかるため、Ｖ_ｂｉａｓが変動する。

そこで、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓと光検出器１４の出力電圧Ｖ_ＰＤを取得しながら（Ｓ３２）、所定時間が経過するまで待機する（Ｓ３４のＮ）。要するに、ＭＰＵ２５は、位相検波により制御されるＶ_ｂｉａｓが安定するまで待機する。従って、ステップＳ３４の所定時間は、Ｖ_ｂｉａｓが安定するまでに要する時間以上に設定される。

所定時間が経過すると（Ｓ３４のＹ）、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内か否か及びＶ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内か否かを判定する（Ｓ３６，Ｓ３８）。この閾値（Ｘ，Ｙの値）は、例えば、メモリー２６に記憶されている。

Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内、且つ、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内の場合（Ｓ３６のＹ、且つ、Ｓ３８のＹ）には、ＭＰＵ２５は、バイアス電流の自動設定処理を終了する。要するに、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤとＶ_ｍｉｎとの差又は比が比較的小さく、且つ、Ｖ_ｂｉａｓとＶ_ｓｅｔとの差又は比が比較的小さい場合は、バイアス電流が吸収帯Ｂ_３の最小点で安定（ロック）することができたと判定し、バイアス電流の自動設定処理を終了する。周囲環境の変動やノイズの影響等を考慮して、ＭＰＵ２５は、例えば、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±４０％以内、且つ、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±４０％以内の場合に、バイアス電流の自動設定処理を終了する。

一方、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内でないか、あるいは、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内でない場合（Ｓ３６のＮ、又は、Ｓ３８のＮ）には、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の掃引動作を開始（再開）する（Ｓ４０）。これにより、電流制御回路２２はＶ_ｂｉａｓをＶ_１まで徐々に低下させる掃引動作を再開する。

次に、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧値Ｖ_ｂｉａｓを取得し（Ｓ４２）、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達したか否かを判定し（Ｓ４４）、Ｖ_１に達していなければ（Ｓ４４のＮ）、ステップＳ４２の処理を再び行い、Ｖ_１に達すると（Ｓ４４のＹ）、ステップＳ１２以降の処理を再び行う。要するに、ＭＰＵ２５は、このステップＳ４２，Ｓ４４においてＶ_ｂｉａｓがＶ_１に達するまで待機した後、ステップＳ１２以降の処理を再び行う。なお、ＭＰＵ２５は、ステップＳ１２の処理を再び行う前の任意のタイミングで、メモリー２６に記憶されているＶ_ｍｉｎをＶ_２に書き換える。

このように、ＭＰＵ２５が、掃引処理（ステップＳ１２〜Ｓ２４の処理）を行う毎に、再掃引判定処理（ステップＳ２６〜Ｓ３８の処理）を行うことで、中心周波数ｆ_０が吸収帯の最小点に一致するようにバイアス電流が自動設定される。

なお、電流制御回路２２がＭＰＵ２５からＶ_ｂｉａｓの設定値を受け付けてすぐに設定値に応じた電圧を出力可能に構成すれば、ステップＳ２６〜Ｓ３０の処理を、ＭＰＵ２５が電流制御回路２２に設定値Ｖ_ｓｅｔを供給する処理に代えてもよい。同様に、ステップＳ４０〜Ｓ４４の処理を、ＭＰＵ２５が電流制御回路２２に設定値Ｖ_１を供給する処理に代えてもよい。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に、バイアス電流の自動設定処理におけるＶ_ｂｉａｓの挙動の一例を示す。図７（Ａ）は、掃引処理が１回で終了した場合の例であり、図７（Ｂ）は、掃引処理が２回で終了した場合の例である。

以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器によれば、掃引処理において、ガスセル１３による光の吸収帯の最小点近傍でのＶ_ｂｉａｓとＶ_ＰＤをそれぞれＶ_ｓｅｔとＶ_ｍｉｎとしてメモリー２６に記憶し、再掃引判定処理において、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_ｓｅｔに設定して安定（ロック）した状態で、取得したＶ_ＰＤとＶ_ｍｉｎとの差（比）が所定範囲内、かつ、取得したＶ_ｂｉａｓとＶ_ｓｅｔとの差（比）が所定範囲内であれば掃引処理を再び行わないと判定し、それ以外の場合は掃引処理を再び行うと判定する。これにより、必要な限り掃引処理が繰り返され、吸収帯の最小点近傍で安定するようにバイアス電流が自動的に設定される。従って、第１実施形態の原子発振器によれば、Ｓ／Ｎの高いＥＩＴ信号が得られ、周波数安定度を向上させることができる。

なお、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）で実現してもよいし、複数のＩＣチップで実現してもよい。

また、図１では、半導体レーザー１０、ガスセル１３、光検出器１４が、それぞれ本発明における「光源」、「セル」、「光検出手段」に相当する。また、検波回路２１、電流制御回路２２、定電流回路２４及び駆動回路２７により構成される回路が、本発明における「バイアス電流制御手段」に相当する。また、ＭＰＵ２５が本発明における「バイアス電流設定手段」に相当する。また、メモリー２６が本発明における「記憶手段」に相当する。

１−２．第２実施形態
第２実施形態の原子発振器１は、ＭＰＵ２５は、バイアス電流の自動設定処理において、最初の掃引処理を行う前にバイアス電流の設定を変更する必要があるか否かを判定し、必要がある場合のみ掃引処理と再掃引判定処理を行う。この第２実施形態の原子発振器１の構成は、第１実施形態（図１）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。また、ＭＰＵ２５以外の各部の機能は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

本実施形態では、ＭＰＵ２５は、掃引処理の前に、半導体レーザー１０に供給するバイアス電流を設定し、第１のフィードバックループによりバイアス電流が制御されて安定（ロック）している状態で、光検出器１４が検出する光の強度とメモリー２６に記憶されている光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて掃引処理を行うか否かを判定する調整判定処理を行う。例えば、ＭＰＵ２５は、調整判定処理において、光検出器１４が検出する光の強度とメモリー２６に記憶されている光の強度の値との差又は比が閾値よりも大きい場合に、掃引処理を行うと判定するようにしてもよい。

また、ＭＰＵ２５は、調整判定処理において、第１のフィードバックループによりバイアス電流が制御されて安定（ロック）している状態で、当該バイアス電流とメモリー２６に記憶されているバイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて掃引処理を行うか否かを判定してもよい。例えば、ＭＰＵ２５は、調整判定処理において、半導体レーザー１０に供給するバイアス電流とメモリー２６に記憶されているバイアス電流の値との差又は比が閾値よりも大きい場合に、掃引処理を行うと判定するようにしてもよい。

また、メモリー２６をＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory）等の不揮発性のメモリーとし、ＭＰＵ２５は、電源起動時に、メモリー２６に記憶されている光の強度の値やバイアス電流の値を用いて調整判定処理を行うようにしてもよい。

図８は、ＭＰＵ２５によるバイアス電流の自動設定処理の詳細なフローチャートの一例を示す図である。図８のフローチャートでは、原子発振器１に電源が投入されると、ＭＰＵ２５は、まず、電流制御回路２２の掃引動作を開始させる（Ｓ５０）。電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓの初期値は第１電圧Ｖ_１（例えば、０Ｖ）であり、Ｖ_ｂｉａｓは第２電圧Ｖ_２（例えば、２．７Ｖ）まで徐々に上昇する。

ＭＰＵ２５は、次に、電流制御回路２２の出力電圧値Ｖ_ｂｉａｓを取得し（Ｓ５２）、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下か否かを判定する（Ｓ５４）。Ｖ_ｓｅｔは、前回の自動設定処理で得られたＶ_ｂｉａｓの設定値であり、不揮発性のメモリー２６に記憶されている。

ＭＰＵ２５は、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下でなければ（Ｓ５４のＮ）、ステップＳ５２の処理を再び行い、｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下であれば（Ｓ５４のＹ）、ステップＳ５６以降の処理を行う。要するに、電流制御回路２２は、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_１から徐々に上昇させるように掃引動作を始めるので、ＭＰＵ２５は、このステップＳ５２，Ｓ５４において、Ｖ_ｂｉａｓが初期設定値のＶ_ｓｅｔに近づくまで待機する。なお、ＭＰＵ２５がステップＳ５４で｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下か否かを判定するのは、ＭＰＵ２５が取得するＶ_ｂｉａｓの値がサンプリングタイミングによっては必ずしもＶ_ｓｅｔと一致するとは限らないからである。従って、この閾値は、サンプリングタイミングがもっとも大きくずれた時のＶ_ｂｉａｓの値を考慮し、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔに最も近付いたことを検出可能な値に設定される。

｜Ｖ_ｂｉａｓ−Ｖ_ｓｅｔ｜が閾値以下になれば（Ｓ５４のＹ）、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の掃引動作を停止させる（Ｓ５６）。これにより、Ｖ_ｂｉａｓは掃引動作を停止した瞬間にはＶ_ｓｅｔ近傍の電圧に設定されるが、前述の位相検波により、吸収帯の極小点で安定（ロック）するように制御がかかるため、Ｖ_ｂｉａｓが変動する。

そこで、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓと光検出器１４の出力電圧Ｖ_ＰＤを取得しながら（Ｓ５８）、所定時間が経過するまで待機する（Ｓ６０のＮ）。要するに、ＭＰＵ２５は、位相検波により制御されるＶ_ｂｉａｓが安定するまで待機する。従って、ステップＳ６０の所定時間は、Ｖ_ｂｉａｓが安定するまでに要する時間以上に設定される。

所定時間が経過すると（Ｓ６０のＹ）、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内か否か及びＶ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内か否かを判定する（Ｓ６２，Ｓ６４）。Ｖ_ｍｉｎは、前回の自動設定処理で得られたＶ_ＰＤの最小値であり、不揮発性のメモリー２６に記憶されている。また、閾値（Ｘ，Ｙの値）は、例えば、メモリー２６に記憶されている。

Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内、且つ、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内の場合（Ｓ６２のＹ、且つ、Ｓ６４のＹ）には、ＭＰＵ２５は、所定時間の経過後（Ｓ８６のＹ）、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓと光検出器１４の出力電圧Ｖ_ＰＤを取得し、それぞれＶ_ｓｅｔとＶ_ｍｉｎとしてメモリー２６に記憶し（Ｓ８８）、バイアス電流の自動設定処理を終了する。要するに、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤとＶ_ｍｉｎとの差又は比が比較的小さく、且つ、Ｖ_ｂｉａｓとＶ_ｓｅｔとの差又は比が比較的小さい場合は、バイアス電流が吸収帯Ｂ_３の最小点で安定（ロック）することができたと判定し、バイアス電流の自動設定処理を終了する。周囲環境の変動やノイズの影響等を考慮して、ＭＰＵ２５は、例えば、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±４０％以内、且つ、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±４０％以内の場合に、バイアス電流の自動設定処理を終了する。なお、吸収帯Ｂ_３の最小点で安定（ロック）した状態で、所定時間経過後（例えば数時間）のＶ_ｂｉａｓ，Ｖ_ＰＤはそれぞれＶ_ｓｅｔ，Ｖ_ｍｉｎと異なるため、より適切なデータをメモリー２６に記憶するためにステップＳ８６及びＳ８８の処理を行っているが、ステップＳ８６及びＳ８８の処理は無くてもよい。

一方、Ｖ_ＰＤがＶ_ｍｉｎの±Ｘ％以内でないか、あるいは、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_ｓｅｔの±Ｙ％以内でない場合（Ｓ６２のＮ、又は、Ｓ６４のＮ）には、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の掃引動作を開始（再開）する（Ｓ６６）。これにより、電流制御回路２２はＶ_ｂｉａｓをＶ_２まで徐々に上昇させる掃引動作を再開する。

次に、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧値Ｖ_ｂｉａｓを取得し（Ｓ６８）、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_２に達したか否かを判定し（Ｓ７０）、Ｖ_２に達していなければ（Ｓ７０のＮ）、ステップＳ６８の処理を再び行い、Ｖ_２に達すると（Ｓ７０のＹ）、ステップＳ７２以降の処理を行う。要するに、ＭＰＵ２５は、このステップＳ６８，Ｓ７０においてＶ_ｂｉａｓがＶ_２に達するまで待機した後、ステップＳ７２以降の処理を行う。なお、ＭＰＵ２５は、ステップＳ７０の処理を行う前の任意のタイミングで、メモリー２６に記憶されているＶ_ｍｉｎをＶ_２に書き換える。

次に、ＭＰＵ２５は、電流制御回路２２の出力電圧Ｖ_ｂｉａｓと光検出器の出力電圧Ｖ_ＰＤを取得し（Ｓ７２）、Ｖ_ＰＤを微分する（Ｓ７４）。

次に、ＭＰＵ２５は、ステップＳ７４で計算したＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化したか否かを判定する（Ｓ７６）。

Ｖ_ＰＤの微分値が負から正に変化しなかった場合（Ｓ７６のＮ）には、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達したか否かを判定する（Ｓ８４）。

一方、Ｖ_ＰＤの微分値が負から正に変化した場合（Ｓ７６のＹ）には、ＭＰＵ２５は、このＶ_ＰＤと最小値Ｖ_ｍｉｎとの大小を比較する（Ｓ７８）。ここで、最小値Ｖ_ｍｉｎはＶ_２に設定されており、最初にＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化したときは、必ずＶ_ＰＤ＜Ｖ_ｍｉｎとなる。

Ｖ_ＰＤ＜Ｖ_ｍｉｎの場合（Ｓ８０のＹ）には、ＭＰＵ２５は、Ｖ_ＰＤをＶ_ｍｉｎ、ステップＳ７２でこのＶ_ＰＤと同時に取得したＶ_ｂｉａｓを設定値Ｖ_ｓｅｔとして、それぞれメモリー２６に記憶し（Ｓ８２）、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達したか否かを判定する（Ｓ８４）。また、Ｖ_ＰＤ≧Ｖ_ｍｉｎの場合（Ｓ８０のＮ）には、ＭＰＵ２５は、ステップＳ８２の処理を行わず、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達したか否かを判定する（Ｓ８４）。なお、ステップＳ８６及びＳ８８の処理を行う場合、ステップＳ８２において、Ｖ_ｍｉｎ及びＶ_ｓｅｔを揮発性メモリーに記憶してもよい。

ステップＳ８４において、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達していなければ（Ｓ８４のＮ）、ＭＰＵ２５は、ステップＳ７２以降の処理を再び行う。一方、Ｖ_ｂｉａｓがＶ_１に達していれば（Ｓ８４のＹ）、ＭＰＵ２５は、ステップＳ５２以降の処理を行う。

このように、ＭＰＵ２５は、ステップＳ７２〜Ｓ８４の処理を繰り返すことで、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_２からＶ_１まで掃引しながらＶ_ＰＤの微分値が負から正に変化する極小点を探索し、その中の最小点におけるＶ_ＰＤ，Ｖ_ｂｉａｓをそれぞれＶ_ｍｉｎ，Ｖ_ｓｅｔとしてメモリー２６に記憶する。図９は、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_２からＶ_１まで掃引する間に取得されるＶ_ＰＤを図示したものである。本実施形態では、図２に示したように、半導体レーザー１０は中心周波数ｆ_０の光と周波数がｆ_０±ｆ_ｍの１次サイドバンド光の対を発生させ、この１次サイドバンド光の対が共鳴光対となるので、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_２からＶ_１まで掃引すると、ｆ_０−ｆ_ｍの光のみが吸収される吸収帯Ｂ_５、ｆ_０の光のみが吸収される吸収帯Ｂ_４、ｆ_０＋ｆ_ｍの光とｆ_０−ｆ_ｍの光が吸収される吸収帯Ｂ_３、ｆ_０の光のみが吸収される吸収帯Ｂ_２、ｆ_０＋ｆ_ｍの光のみが吸収される吸収帯Ｂ_１の５つの吸収帯がこの順に観測される。このうち３番目に現れる吸収帯Ｂ_３の極小点でのＶ_ＰＤが最も小さく、Ｖ_ｓｅｔはこの極小点よりも少し低い値になり、Ｖ_ｍｉｎは最小値よりも少し高い値になる。

ＭＰＵ２５は、ステップＳ７２〜Ｓ８４の処理を完了すると、ステップＳ５２〜Ｓ６４の処理を行い、ステップＳ６２，Ｓ６４の判定結果に応じて、ステップＳ８６，Ｓ８８の処理を行い、あるいは、ステップＳ６６以降の処理を再び行う。なお、ここでのステップＳ５２〜Ｓ６４の処理では、電源投入時にメモリー２６に記憶されていたＶ_ＰＤ及びＶ_ｓｅｔではなく、ステップＳ８２で記憶したＶ_ＰＤ及びＶ_ｓｅｔを用いる。また、２回目以降のステップＳ６２，Ｓ６４での判定における閾値（Ｘ，Ｙの値）は、１回目のステップＳ６２，Ｓ６４での判定における閾値と同じでもよいし、異なっていてもよい。

このように、ＭＰＵ２５が、電源投入後、まず調整判定処理（ステップＳ５０〜Ｓ６４の処理）を行い、バイアス電流の設定を変更する必要があれば、その後、掃引処理（ステップＳ７２〜Ｓ８４の処理）を行う毎に、再掃引判定処理（ステップＳ５２〜Ｓ６４の処理）を行うことで、中心周波数ｆ_０が吸収帯の最小点に一致するようにバイアス電流が自動設定される。

なお、電流制御回路２２がＭＰＵ２５からＶ_ｂｉａｓの設定値を受け付けてすぐに設定値に応じた電圧を出力可能に構成すれば、ステップＳ５０〜Ｓ５６の処理を、ＭＰＵ２５が電流制御回路２２に設定値Ｖ_ｓｅｔを供給する処理に代えてもよい。同様に、ステップＳ６６〜Ｓ７０の処理を、ＭＰＵ２５が電流制御回路２２に設定値Ｖ_２を供給する処理に代えてもよい。

図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に、バイアス電流の自動設定処理におけるＶ_ｂｉａｓの挙動の一例を示す。図１０（Ａ）は、調整判定処理を行って（掃引処理を行わずに）終了した場合の例であり、図１０（Ｂ）は、調整判定処理の後、掃引処理が１回で終了した場合の例である。

以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器によれば、調整判定処理において、Ｖ_ｂｉａｓをメモリー２６に記憶されている値Ｖ_ｓｅｔに設定して安定（ロック）した状態で、取得したＶ_ＰＤとメモリー２６に記憶されている値Ｖ_ｍｉｎとの差（比）が所定範囲内、かつ、取得したＶ_ｂｉａｓとメモリー２６に記憶されている値Ｖ_ｓｅｔとの差（比）が所定範囲内の場合は掃引処理を行わないと判定し、それ以外の場合は掃引処理を行うと判定する。これにより、無駄な掃引処理を省き、バイアス電流の設定時間や消費電力を削減することができる。

また、第２実施形態の原子発振器によれば、調整判定処理において掃引処理を行うと判定した場合、掃引処理において、ガスセル１３による光の吸収帯の最小点近傍でのＶ_ｂｉａｓとＶ_ＰＤをそれぞれＶ_ｓｅｔとＶ_ｍｉｎとしてメモリー２６に記憶し、再掃引判定処理において、Ｖ_ｂｉａｓをＶ_ｓｅｔに設定して安定（ロック）した状態で、取得したＶ_ＰＤとＶ_ｍｉｎとの差（比）が所定範囲内、かつ、取得したＶ_ｂｉａｓとＶ_ｓｅｔとの差（比）が所定範囲内であれば掃引処理を再び行わないと判定し、それ以外の場合は掃引処理を再び行うと判定する。これにより、必要な限り掃引処理が繰り返され、吸収帯の最小点近傍で安定するようにバイアス電流が自動的に設定される。従って、第２実施形態の原子発振器によれば、Ｓ／Ｎの高いＥＩＴ信号が得られ、周波数安定度を向上させることができる。

２．電子機器
図１１は、本実施形態の電子機器の機能ブロック図である。

本実施形態の電子機器３００は、原子発振器３１０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access
Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図１１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。

原子発振器３１０は、例えば、前述した実施形態の原子発振器１であり、長期安定度の高いクロック信号を出力する。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、原子発振器３１０が出力するクロック信号に同期して、各種の演算処理、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。

原子発振器３１０として本実施形態の原子発振器１を組み込むことにより、長期的に高い信頼性を維持することが可能な電子機器を実現することができる。

このような電子機器３００としては、例えば、標準時刻との同期を実現する時刻管理用のサーバー（タイムサーバー）、タイムスタンプの発行等を行う時刻管理装置（タイムスタンプサーバー）、基地局等の周波数基準装置等が挙げられる。電子機器３００としてはこの他にも種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

３．移動体
図１２は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１２に示す移動体４００は、原子発振器４１０、カーナビゲーション装置４２０、コントローラー４３０，４４０，４５０、バッテリー４６０、バックアップ用バッテリー４７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

原子発振器４１０は長期安定度の高いクロック信号を出力するものであり、この原子発振器４１０としては、上述の実施形態の原子発振器１を適用することができる。

カーナビゲーション装置４２０は、原子発振器４１０が出力するクロック信号に同期して、位置や時刻その他の各種の情報をディスプレイに表示する。

コントローラー４３０，４４０，４５０は、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行う。コントローラー４３０，４４０，４５０は、原子発振器４１０が出力するクロック信号に同期して各種の制御を行うようにしてもよい。

本実施形態の移動体４００は、原子発振器４１０を備えていることで、長期的に高い信頼性を維持することができる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

４．応用例
上述した本実施形態の原子発振器では、ガスセル１３に磁場がかかるとアルカリ金属原子のエネルギー準位がゼーマン分裂し、ＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対の周波数差ω_１２は磁場の強度に応じて変動する（その結果、発振周波数が変動する）。この特性を利用し、本実施形態の原子発振器を磁気センサーに応用することができる。

また、本実施形態の原子発振器は、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。

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。

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 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、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 電流制御回路、２３ 低周波発振器、２４ 定電流回路、２５ ＭＰＵ、２６ メモリー、２７ 駆動回路、２８ 周波数変換回路、１００ 物理パッケージ、３００ 電子機器、３１０ 原子発振器、３２０ ＣＰＵ、３３０ 操作部、３４０ ＲＯＭ、３５０ ＲＡＭ、３６０ 通信部、３７０ 表示部、４００ 移動体、４１０ 原子発振器、４２０ カーナビゲーション装置、４３０，４４０，４５０ コントローラー、４６０ バッテリー、４７０ バックアップ用バッテリー

Claims (11)

1. 金属原子を封入しているセルと、
   前記セルに照射する光を発生させる光源と、
   前記セルを透過した光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段が検出する光の強度に基づいて、前記光源に供給されるバイアス電流を制御するバイアス電流制御手段と、
   記憶手段と、
   前記バイアス電流を掃引し、前記光検出手段が検出する光の強度が減少から増加に移行するときの、前記バイアス電流の値と前記光の強度の値とを前記記憶手段に記憶させる掃引処理と、前記掃引処理の後に、前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値に基づいて前記バイアス電流を設定し、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶させた前記光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて再び前記掃引処理を行うか否かを判定する再掃引判定処理と、を行うバイアス電流設定手段と、
   を有する、原子発振器。
2. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記再掃引判定処理において、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶させた前記光の強度の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び前記掃引処理を行うと判定する、請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記再掃引判定処理において、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて再び前記掃引処理を行うか否かを判定する、請求項１又は２に記載の原子発振器。
4. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記再掃引判定処理において、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶させた前記バイアス電流の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、再び前記掃引処理を行うと判定する、請求項３に記載の原子発振器。
5. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記掃引処理を行う毎に前記再掃引判定処理を行う、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の原子発振器。
6. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記掃引処理の前に、前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値に基づいて前記バイアス電流を設定し、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶されている前記光の強度の値とを比較し、比較結果に応じて前記掃引処理を行うか否かを判定する調整判定処理を行う、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の原子発振器。
7. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記調整判定処理において、前記光検出手段が検出する光の強度と前記記憶手段に記憶されている前記光の強度の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、前記掃引処理を行うと判定する、請求項６に記載の原子発振器。
8. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記調整判定処理において、前記バイアス電流制御手段が前記バイアス電流を制御している状態で、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値とを比較し、比較結果に応じて前記掃引処理を行うか否かを判定する、請求項６又は７に記載の原子発振器。
9. 前記バイアス電流設定手段は、
   前記調整判定処理において、前記バイアス電流と前記記憶手段に記憶されている前記バイアス電流の値との差又は比が前記記憶手段に記憶されている閾値よりも大きい場合に、前記掃引処理を行うと判定する、請求項８に記載の原子発振器。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の原子発振器を備えている電子機器。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の原子発振器を備えている移動体。

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