JP6467970B2 - Atomic oscillator, control method therefor, and control program therefor - Google Patents

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

本発明は、原子発振器、その制御方法、及びその制御プログラムに関する。   The present invention relates to an atomic oscillator, a control method thereof, and a control program thereof.

セシウム、ルビジウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器として、量子干渉効果を利用したCPT(Coherent Population Trapping)方式(電磁誘起透過(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)方式とも呼ぶ)のものが知られている。CPT方式においては、アルカリ金属原子による光吸収現象と透明化現象とが利用される。光吸収現象は、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルに、アルカリ金属原子の基底準位と励起準位との差に相当する波長の光を照射すると、アルカリ金属原子のエネルギー準位が基底準位から励起準位に遷移し、光が吸収される現象である。透明化現象は、光に周波数変調(FM:Frequency Modulation)を施したときに生じる2つのサイドバンドの周波数差がアルカリ金属原子の2つの基底準位のエネルギー差(固有振動数)に一致するときに生じるCPT共鳴によって、励起状態のアルカリ金属原子によって吸収されていた光が透過する現象である。CPT共鳴が維持されるように光の周波数を制御することにより、極めて安定した周波数信号を生成することが可能となる。   As an atomic oscillator using an alkali metal such as cesium or rubidium, a CPT (Coherent Population Trapping) method (also referred to as an electromagnetically induced transmission (EIT) method) using a quantum interference effect is known. In the CPT method, a light absorption phenomenon and a transparency phenomenon due to alkali metal atoms are used. The light absorption phenomenon occurs when a gas cell containing gaseous alkali metal atoms is irradiated with light having a wavelength corresponding to the difference between the ground level and the excited level of the alkali metal atom, and the energy level of the alkali metal atom is reduced. This is a phenomenon in which light is absorbed by transition from the ground level to the excited level. The transparency phenomenon occurs when the frequency difference between the two sidebands that occurs when frequency modulation (FM) is applied to the light matches the energy difference (natural frequency) of the two ground levels of the alkali metal atom. This is a phenomenon in which light absorbed by an alkali metal atom in an excited state is transmitted by the CPT resonance generated in FIG. By controlling the frequency of light so that CPT resonance is maintained, it is possible to generate a very stable frequency signal.

ガスセルを透過した光を検出する方法として、ガスセルを透過した光に光電変換処理を施して直流電圧値を取得し、光源から出力される光の波長を掃引することにより、直流電圧値が最小となる点、すなわちガスセルでの光吸収が最大となる波長を特定する方法がある(特許文献1)。また、光源から出力される光を低い周波数で変調し、ロックインアンプ等で同期検波を行う方法がある(特許文献2)。   As a method for detecting the light transmitted through the gas cell, the light transmitted through the gas cell is subjected to photoelectric conversion processing to obtain a DC voltage value, and the wavelength of the light output from the light source is swept to minimize the DC voltage value. In other words, there is a method for specifying a wavelength that maximizes light absorption in the gas cell (Patent Document 1). Further, there is a method of modulating light output from a light source at a low frequency and performing synchronous detection with a lock-in amplifier or the like (Patent Document 2).

アルカリ金属原子の励起準位は、厳密には複数存在する。励起準位は、スピン起動相互作用により分裂し(微細構造(Fine Structure))、更に電子の軌道運動、電子のスピンによる磁場、核磁気モーメントの方向等によって分裂する(超微細構造(Hyperfine Structure))。そのため、アルカリ金属原子のエネルギー準位がある励起準位を維持しているときに、温度変化等の外乱によって、例えばアルカリ金属原子に照射されている光の波長が変動すると、エネルギー準位が現在の励起準位から隣接する励起準位に転位してしまう場合がある。このような励起準位の転位は、CPT共鳴を実現するための周波数に影響を与えるため、原子発振器の性能を低下させる原因となる。   Strictly speaking, there are a plurality of excited levels of alkali metal atoms. The excited level is split by spin-initiated interaction (Fine Structure), and further split by the orbital motion of the electron, the magnetic field by the spin of the electron, the direction of the nuclear magnetic moment, etc. (Hyperfine Structure) ). For this reason, when the energy level of the alkali metal atom is maintained at a certain excitation level and the wavelength of the light irradiated to the alkali metal atom fluctuates due to a disturbance such as a temperature change, the energy level is May be dislocated from the excited level to the adjacent excited level. Such a dislocation of the excited level affects the frequency for realizing the CPT resonance, and thus causes a decrease in the performance of the atomic oscillator.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アルカリ金属原子の励起準位の転位による性能低下を防止することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at preventing the performance fall by the rearrangement of the excitation level of an alkali metal atom.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の原子発振器は、光を出力する発光部と、前記光が照射されるガス状のアルカリ金属原子を封入する封入部と、前記封入部を透過した前記光の光量に応じて変化する検出信号を生成する検出部と、前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子が前記光を吸収する励起準位を維持するように、前記光の波長を制御する波長制御信号を生成する波長制御部と、前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子がCPT共鳴を維持するように、前記光の周波数を制御する周波数制御信号を生成する周波数制御部と、予め設定された目標励起準位に対応する目標波長制御信号を記憶する記憶部と、現在の前記励起準位に対応する前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位であるか否かを判定する判定部と、現在の前記励起準位が前記目標励起準位でない場合に、前記比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位となるように前記波長制御信号を補正する補正部とを備え、前記補正部は、現在の前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との差に基づく値を前記波長制御信号に加算して、前記波長制御信号を補正することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an atomic oscillator of the present invention includes a light emitting unit that outputs light, a sealing unit that encloses gaseous alkali metal atoms irradiated with the light, and the sealing A detection unit that generates a detection signal that changes in accordance with the amount of the light that has passed through the unit, and the light based on the detection signal so that the alkali metal atom maintains an excitation level at which the light is absorbed. A wavelength control unit that generates a wavelength control signal that controls the wavelength of the light, and a frequency that generates a frequency control signal that controls the frequency of the light based on the detection signal so that the alkali metal atom maintains CPT resonance. A comparison result between the control unit, a storage unit storing a target wavelength control signal corresponding to a preset target excitation level, and the wavelength control signal corresponding to the current excitation level and the target wavelength control signal; Base A determination unit for determining whether the current excitation level is the target excitation level, and when the current excitation level is not the target excitation level, based on the comparison result, and a correcting unit for correcting the pre-Symbol wavelength control signal to the excitation level of the said target excitation level, the correction unit, the difference between the current of the wavelength control signal target wavelength control signal the basis value is added to the wavelength control signal, characterized that you correct the wavelength control signal.

本発明によれば、アルカリ金属原子の励起準位の転位による性能低下を防止することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to prevent performance degradation due to dislocation of excited levels of alkali metal atoms.

図1は、第1の実施の形態にかかる原子発振器の機能的な構成を例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of the atomic oscillator according to the first embodiment. 図2は、CPT方式におけるアルカリ金属原子のエネルギー準位の遷移を例示する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating energy level transitions of alkali metal atoms in the CPT method. 図3は、セシウム原子の微細構造及び超微細構造により分裂したエネルギー準位を例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating energy levels split by the fine structure and hyperfine structure of the cesium atom. 図4は、第1の実施の形態にかかる原子発振器のハードウェア構成を例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a hardware configuration of the atomic oscillator according to the first embodiment. 図5は、レーザダイオードから出力される光の波長と光検出器から出力される電圧との大局的な関係を例示する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a global relationship between the wavelength of light output from the laser diode and the voltage output from the photodetector. 図6は、レーザダイオードから出力される光の波長と波長制御回路の同期検波回路から出力される電圧との大局的な関係を例示する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating the global relationship between the wavelength of light output from the laser diode and the voltage output from the synchronous detection circuit of the wavelength control circuit. 図7は、レーザダイオードから出力される光の波長と光検出器から出力される電圧との局所的な関係を例示する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a local relationship between the wavelength of light output from the laser diode and the voltage output from the photodetector. 図8は、レーザダイオードから出力される光の波長と波長制御回路の同期検波回路から出力される電圧との局所的な関係を例示する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a local relationship between the wavelength of light output from the laser diode and the voltage output from the synchronous detection circuit of the wavelength control circuit. 図9は、レーザダイオードの駆動電流と光検出器から出力される電圧との関係を例示する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the laser diode drive current and the voltage output from the photodetector. 図10は、レーザダイオードの駆動電流と周波数制御回路の同期検波回路から出力される電圧との関係を例示する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the drive current of the laser diode and the voltage output from the synchronous detection circuit of the frequency control circuit. 図11は、レーザダイオードの駆動電流、レーザダイオードから出力される光の光量、及び当該光の波長の時間に対する変化を例示する図である。FIG. 11 is a diagram exemplifying a change in the drive current of the laser diode, the amount of light output from the laser diode, and the wavelength of the light with respect to time. 図12は、図9及び図10に示す領域I及びIXにおいて光検出器から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。FIG. 12 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector in the regions I and IX shown in FIGS. 9 and 10. 図13は、図9及び図10に示す領域II及びVIにおいて光検出器から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector in the regions II and VI shown in FIGS. 9 and 10. 図14は、図9及び図10に示す領域IV及びVIIIにおいて光検出器から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。FIG. 14 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector in the regions IV and VIII shown in FIGS. 9 and 10. 図15は、図9及び図10に示す領域III、V、及びVIIにおいて光検出器から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。FIG. 15 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector in the regions III, V, and VII shown in FIGS. 9 and 10. 図16は、レーザダイオードの駆動電流と周波数制御回路の同期検波回路から出力される電圧との関係を示すグラフにおいて、メモリに記憶すべき情報を例示する図である。FIG. 16 is a diagram illustrating information to be stored in the memory in a graph showing the relationship between the drive current of the laser diode and the voltage output from the synchronous detection circuit of the frequency control circuit. 図17は、励起準位判定処理を例示するフローチャートである。FIG. 17 is a flowchart illustrating an excitation level determination process. 図18は、周波数変調された駆動電流が入力されたレーザダイオードから出力される光の波長を例示する図である。FIG. 18 is a diagram illustrating the wavelength of light output from a laser diode to which a frequency-modulated drive current is input. 図19は、CPT共鳴時における、高周波信号の周波数と光検出器から出力される電圧との関係を例示する図である。FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the frequency of the high-frequency signal and the voltage output from the photodetector during CPT resonance. 図20は、CPT共鳴時における、高周波信号の周波数と周波数制御部の同期検波回路から出力される電圧との関係を例示する図である。FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the frequency of the high-frequency signal and the voltage output from the synchronous detection circuit of the frequency control unit during CPT resonance. 図21は、第1の実施の形態にかかる原子発振器の第1の動作例を示すフローチャートである。FIG. 21 is a flowchart illustrating a first operation example of the atomic oscillator according to the first embodiment. 図22は、第1の実施の形態にかかる原子発振器の第2の動作例を示すフローチャートである。FIG. 22 is a flowchart illustrating a second operation example of the atomic oscillator according to the first embodiment. 図23は、第2の実施の形態にかかる原子発振器111の構成を例示する図である。FIG. 23 is a diagram illustrating the configuration of the atomic oscillator 111 according to the second embodiment.

以下に添付図面を参照して、原子発振器の実施の形態を説明する。   Embodiments of an atomic oscillator will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態にかかる原子発振器1の機能的な構成を例示する図である。原子発振器1は、CPT方式により安定した標準周波数信号を生成する装置である。原子発振器1は、発光部11、封入部12、検出部13、波長制御部14、周波数制御部15、記憶部16、判定部17、及び補正部18を含む。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of an atomic oscillator 1 according to the first embodiment. The atomic oscillator 1 is a device that generates a stable standard frequency signal by the CPT method. The atomic oscillator 1 includes a light emitting unit 11, an enclosure unit 12, a detection unit 13, a wavelength control unit 14, a frequency control unit 15, a storage unit 16, a determination unit 17, and a correction unit 18.

発光部11は、封入部12に照射する光(電磁波)を出力する。発光部11は、例えば光源としてのレーザダイオード等の半導体発光素子を用いて構成される。発光部11が出力する光の波長及び周波数は、波長制御部14が生成する波長制御信号及び周波数制御部15が生成する周波数制御信号により制御される。発光部11から出力される光の波長及び周波数は温度による影響を受けやすいため、発光部11の温度は一定に保たれるように制御される。   The light emitting unit 11 outputs light (electromagnetic wave) irradiated to the enclosing unit 12. The light emitting unit 11 is configured using a semiconductor light emitting element such as a laser diode as a light source, for example. The wavelength and frequency of light output from the light emitting unit 11 are controlled by a wavelength control signal generated by the wavelength control unit 14 and a frequency control signal generated by the frequency control unit 15. Since the wavelength and frequency of light output from the light emitting unit 11 are easily affected by temperature, the temperature of the light emitting unit 11 is controlled to be kept constant.

封入部12は、ガス状のアルカリ金属原子及びバッファガスを封入する。封入部12は、例えばガスセルと称されるユニットからなり、透過性の材料からなる窓を介して、発光部11から出力された光が封入部12の内部を透過して外部に出力されるようになされている。好適なアルカリ金属原子としては、セシウム、ルビジウム等が挙げられる。封入部12の温度は、アルカリ金属原子が安定したガス状態を維持するように所定の高温状態に保たれている。また、封入部12内に侵入した光は封入部12の温度に影響を受けやすいため、封入部12の温度は一定に保たれるように制御される。   The enclosure 12 encloses gaseous alkali metal atoms and buffer gas. The enclosing unit 12 is composed of a unit called a gas cell, for example, and the light output from the light emitting unit 11 is transmitted through the inside of the enclosing unit 12 and output to the outside through a window made of a transmissive material. Has been made. Suitable alkali metal atoms include cesium, rubidium and the like. The temperature of the enclosure part 12 is maintained at a predetermined high temperature so that the alkali metal atoms maintain a stable gas state. In addition, since the light that has entered the enclosure 12 is easily affected by the temperature of the enclosure 12, the temperature of the enclosure 12 is controlled to be kept constant.

検出部13は、発光部11から出力され封入部12を透過した光の光量に応じて変化する検出信号を生成する。検出部13は、例えば光電変換素子、論理回路、プログラムにより制御されるプロセッサ等を用いて構成することができる。検出信号は、例えば検出部13に入力された光を電流に変換し、当該電流を電圧に変換することにより得られる電圧であってもよい。この場合、検出信号としての電圧の変化に基づいて、封入部12における光の光吸収現象(アルカリ金属原子の励起準位への遷移)及び透明化現象(CPT共鳴)を検出することができる。   The detection unit 13 generates a detection signal that changes in accordance with the amount of light output from the light emitting unit 11 and transmitted through the enclosing unit 12. The detection unit 13 can be configured using, for example, a photoelectric conversion element, a logic circuit, a processor controlled by a program, and the like. The detection signal may be, for example, a voltage obtained by converting light input to the detection unit 13 into a current and converting the current into a voltage. In this case, the light absorption phenomenon (transition to the excitation level of alkali metal atoms) and the transparency phenomenon (CPT resonance) in the encapsulating part 12 can be detected based on the change in voltage as the detection signal.

波長制御部14は、上記検出信号に基づいて、発光部11が出力する光の波長を制御する波長制御信号を生成する。波長制御部14は、封入部12内のアルカリ金属原子が励起準位を維持するように波長制御信号を生成する。波長制御信号は、例えば発光部11が出力する光の波長を変化させる駆動電流を含んでもよい。波長制御部14は、例えば電流生成回路、その他の論理回路、プログラムにより制御されるプロセッサ等を用いて構成することができる。波長制御部14は、例えば光量が所定値以下であることを示す検出信号が維持されるように波長制御信号を生成すればよい。   The wavelength control unit 14 generates a wavelength control signal for controlling the wavelength of light output from the light emitting unit 11 based on the detection signal. The wavelength control unit 14 generates a wavelength control signal so that the alkali metal atoms in the enclosing unit 12 maintain the excitation level. The wavelength control signal may include, for example, a drive current that changes the wavelength of light output from the light emitting unit 11. The wavelength control unit 14 can be configured using, for example, a current generation circuit, other logic circuits, a processor controlled by a program, and the like. For example, the wavelength control unit 14 may generate the wavelength control signal so that a detection signal indicating that the light amount is equal to or less than a predetermined value is maintained.

周波数制御部15は、上記検出信号に基づいて、発光部11が出力する光の周波数を制御する周波数制御信号を生成する。周波数制御部15は、封入部12内のアルカリ金属原子がCPT共鳴を維持するように周波数制御信号を生成する。周波数制御信号は、例えば上記波長制御信号としての駆動電流に重畳される高周波信号等であってもよい。周波数制御部15は、例えば発振回路、PLL(Phase Locked Loop)、その他の論理回路、プログラムにより制御されるプロセッサ等を用いて構成することができる。周波数制御部15は、例えば、アルカリ金属原子が励起準位が維持されている際に、光量が所定値以上であることを示す検出信号が維持されるように周波数制御信号を生成すればよい。   The frequency control unit 15 generates a frequency control signal for controlling the frequency of light output from the light emitting unit 11 based on the detection signal. The frequency control unit 15 generates a frequency control signal so that the alkali metal atoms in the enclosing unit 12 maintain CPT resonance. The frequency control signal may be, for example, a high-frequency signal superimposed on the drive current as the wavelength control signal. The frequency control unit 15 can be configured using, for example, an oscillation circuit, a PLL (Phase Locked Loop), other logic circuits, a processor controlled by a program, and the like. For example, the frequency control unit 15 may generate the frequency control signal so that the detection signal indicating that the light amount is equal to or greater than a predetermined value is maintained when the excitation level of the alkali metal atom is maintained.

記憶部16は、アルカリ金属原子の励起準位に対応する波長制御信号を記憶する。記憶部16は、例えば半導体メモリ等を用いて構成することができ、内蔵型に限られるものではなく、外付型であってもよい。記憶部16は、予め設定された目標励起準位に対応する目標波長制御信号を記憶する。目標励起準位とは、アルカリ金属原子の微細構造又は超微細構造に基づく複数の励起準位のうちから選択される1つ又は複数の励起準位である。目標励起準位は、例えば、過去に達成された励起準位、予め設定された励起準位等であってもよい。目標波長制御信号とは、目標励起準位を維持する際に生成される波長制御信号である。具体的には、原子発振器1の運用時において、過去にアルカリ金属原子が励起準位になったときに生成された波長制御信号(駆動電流)の値を記憶部16に記憶してもよい。また、デフォルト値として予め設定された波長制御信号が記憶部16に記録されていてもよい。   The storage unit 16 stores a wavelength control signal corresponding to the excitation level of the alkali metal atom. The storage unit 16 can be configured using, for example, a semiconductor memory, and is not limited to a built-in type, but may be an external type. The storage unit 16 stores a target wavelength control signal corresponding to a preset target excitation level. The target excitation level is one or a plurality of excitation levels selected from a plurality of excitation levels based on the fine structure or hyperfine structure of an alkali metal atom. The target excitation level may be, for example, an excitation level achieved in the past, a preset excitation level, or the like. A target wavelength control signal is a wavelength control signal generated when maintaining a target excitation level. Specifically, during operation of the atomic oscillator 1, the value of the wavelength control signal (driving current) generated when the alkali metal atom has reached the excitation level in the past may be stored in the storage unit 16. Further, a wavelength control signal set in advance as a default value may be recorded in the storage unit 16.

判定部17は、現在の励起準位に対応する波長制御信号と記憶部16に記憶されている上記目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の励起準位が上記目標励起準位であるか否かを判定する。判定部17は、例えばプログラムにより制御されるプロセッサ、比較回路等を用いて構成することができる。判定部17は、例えば現在の波長制御信号が示す値と記憶部16に記憶されている目標波長制御信号が示す値との差(駆動電流値の差)が所定値より大きい場合に、現在の励起準位は目標励起準位ではないと判定してもよい。   The determination unit 17 determines that the current excitation level is the target excitation level based on the comparison result between the wavelength control signal corresponding to the current excitation level and the target wavelength control signal stored in the storage unit 16. It is determined whether or not there is. The determination unit 17 can be configured using, for example, a processor controlled by a program, a comparison circuit, and the like. For example, when the difference (drive current value difference) between the value indicated by the current wavelength control signal and the value indicated by the target wavelength control signal stored in the storage unit 16 is greater than a predetermined value, the determination unit 17 It may be determined that the excitation level is not the target excitation level.

補正部18は、判定部17により現在の励起準位が目標励起準位でないと判定された場合に、現在の励起準位が目標励起準位となるように現在の波長制御信号を補正する。補正部18は、例えば増幅回路、その他の論理回路、プログラムにより制御されるプロセッサ等を用いて構成することができる。補正部18は、例えば判定部17による比較処理により検出された現在の波長制御信号と目標波長制御信号との差(駆動電流値の差)に基づいて、現在の波長制御信号が目標波長制御信号と一致するように、又は当該差が所定値以下となるように、現在の波長制御信号を補正してもよい。   The correction unit 18 corrects the current wavelength control signal so that the current excitation level becomes the target excitation level when the determination unit 17 determines that the current excitation level is not the target excitation level. The correction unit 18 can be configured using, for example, an amplifier circuit, other logic circuits, a processor controlled by a program, and the like. For example, the correction unit 18 determines that the current wavelength control signal is a target wavelength control signal based on a difference (a difference in drive current value) between the current wavelength control signal and the target wavelength control signal detected by the comparison process by the determination unit 17. Or the current wavelength control signal may be corrected so that the difference is equal to or smaller than a predetermined value.

図2は、CPT方式におけるアルカリ金属原子のエネルギー準位の遷移を例示する図である。第1の基底準位(エネルギー準位)101と励起準位(励起状態のエネルギー準位)103とのエネルギー差に相当する波長を有する第1の光をアルカリ金属原子に照射すると、アルカリ金属原子のエネルギー準位が第1の基底準位101から励起準位103に遷移し、第1の光が吸収される。これと同様に、第2の基底準位(エネルギー準位)102と励起準位103とのエネルギー差に相当する波長を有する第2の光をアルカリ金属原子に照射すると、アルカリ金属原子のエネルギー準位が第2の基底準位102から励起準位103に遷移し、第2の光が吸収される。   FIG. 2 is a diagram illustrating energy level transitions of alkali metal atoms in the CPT method. When an alkali metal atom is irradiated with first light having a wavelength corresponding to the energy difference between the first ground level (energy level) 101 and the excited level (energy level in the excited state) 103, an alkali metal atom Transition from the first ground level 101 to the excited level 103, and the first light is absorbed. Similarly, when an alkali metal atom is irradiated with a second light having a wavelength corresponding to the energy difference between the second ground level (energy level) 102 and the excitation level 103, the energy level of the alkali metal atom. The level shifts from the second ground level 102 to the excited level 103, and the second light is absorbed.

第1の光と第2の光を同時に照射し、それらの周波数差が正確に第1の基底準位101と第2の基底準位102のエネルギー差ΔEに一致すると、2つの基底準位101,102を重ね合わせた状態、即ち量子干渉状態が生じ、封入部12を透過する光の光量(透過光量)が上昇する透明化現象(CPT共鳴)が生じる。第1の光と第2の光との波長差がΔEからずれると、CPT共鳴は消滅し、透過光量が急激に低下する。従って、透過光量の変化を監視し、CPT共鳴が維持されるように周波数制御信号を生成することにより、高精度な標準周波数信号を生成することができる。   When the first light and the second light are irradiated at the same time and their frequency difference exactly matches the energy difference ΔE between the first ground level 101 and the second ground level 102, the two ground levels 101 , 102 are superimposed, that is, a quantum interference state occurs, and a transparency phenomenon (CPT resonance) occurs in which the amount of light transmitted through the encapsulating portion 12 (transmitted light amount) increases. When the wavelength difference between the first light and the second light deviates from ΔE, the CPT resonance disappears and the amount of transmitted light rapidly decreases. Therefore, it is possible to generate a highly accurate standard frequency signal by monitoring a change in the amount of transmitted light and generating a frequency control signal so that CPT resonance is maintained.

ここで、励起準位103は、厳密には、アルカリ金属原子のスピン起動相互作用により分裂し(微細構造)、更に電子の軌道運動、電子のスピンによる磁場、核磁気モーメントの方向等によって分裂する(超微細構造)。分裂の仕方は原子の種類によって異なる。図3は、セシウム原子の微細構造及び超微細構造により分裂したエネルギー準位を例示する図である。励起準位6Pは、微細構造において2つの励起準位6P1/2,6P2/3に分裂している。基底準位6S1/2にあるセシウム原子は、D1線で示すエネルギー差に相当する波長の光が照射されたときに励起準位6P1/2に遷移し、D2線で示すエネルギー差に相当する波長の光が照射されたときに励起準位6P2/3に遷移する。励起準位6P1/2は、超微細構造において更に2つの励起準位F’=3,F’=4に分裂している。励起準位6P2/3は、超微細構造において更に4つの励起準位F’’=2,F’’=3,F’’=4,F’’=5に分裂している。基底準位6Sは、超微細構造において2つの励起準位F=3,F=4に分裂している。   Here, strictly speaking, the excitation level 103 is split by the spin-initiated interaction of the alkali metal atom (fine structure), and further split by the orbital motion of the electron, the magnetic field due to the spin of the electron, the direction of the nuclear magnetic moment, and the like. (Ultra fine structure). The way of splitting depends on the type of atom. FIG. 3 is a diagram illustrating energy levels split by the fine structure and hyperfine structure of the cesium atom. The excitation level 6P is split into two excitation levels 6P1 / 2 and 6P2 / 3 in the fine structure. The cesium atom at the ground level 6S1 / 2 transitions to the excitation level 6P1 / 2 when irradiated with light having a wavelength corresponding to the energy difference indicated by the D1 line, and a wavelength corresponding to the energy difference indicated by the D2 line. Transition to the excitation level 6P2 / 3. The excitation level 6P1 / 2 is further divided into two excitation levels F ′ = 3 and F ′ = 4 in the hyperfine structure. The excitation level 6P2 / 3 is further divided into four excitation levels F ″ = 2, F ″ = 3, F ″ = 4, and F ″ = 5 in the hyperfine structure. The ground level 6S is split into two excited levels F = 3 and F = 4 in the hyperfine structure.

このように、複数の励起準位が存在するため、ある目標励起準位(例えば6P1/2のF’=4)が維持されているときに、例えば温度変化等の外乱によって発光部11から出力される光の波長が変化すると、エネルギー準位が他の励起準位(例えば6P2/3のF’=3)に不意に転位してしまう可能性がある。   As described above, since a plurality of excitation levels exist, when a certain target excitation level (for example, F ′ = 4 of 6P1 / 2) is maintained, output from the light emitting unit 11 due to a disturbance such as a temperature change, for example. If the wavelength of the emitted light changes, the energy level may be unexpectedly transferred to another excitation level (for example, F ′ = 3 of 6P2 / 3).

上記図1に示す原子発振器1によれば、記憶部16に記憶された目標励起準位に対応する目標波長制御信号、例えば励起準位6P1/2のF’=4を維持するために生成された波長制御信号(駆動電流)と、現在の励起準位に対応する波長制御信号とが比較される。この比較結果に基づいて現在の励起準位が目標励起準位でないと判定された場合には、現在の励起準位が目標励起準位になるように、現在の波長制御信号(駆動電流)が補正される。これにより、外乱等により励起準位が転位した場合でも、現在の励起準位を目標励起準位に修正することが可能となる。これにより、CPT共鳴現象を利用した周波数制御を高精度で行うことが可能となる。   According to the atomic oscillator 1 shown in FIG. 1, the target wavelength control signal corresponding to the target excitation level stored in the storage unit 16, for example, F ′ = 4 of the excitation level 6P1 / 2 is generated to be maintained. The obtained wavelength control signal (drive current) is compared with the wavelength control signal corresponding to the current excitation level. If it is determined that the current excitation level is not the target excitation level based on the comparison result, the current wavelength control signal (drive current) is set so that the current excitation level becomes the target excitation level. It is corrected. Thereby, even when the excitation level is shifted due to disturbance or the like, the current excitation level can be corrected to the target excitation level. This makes it possible to perform frequency control using the CPT resonance phenomenon with high accuracy.

図4は、第1の実施の形態にかかる原子発振器1のハードウェア構成を例示する図である。本例の原子発振器1は、原子共鳴部20、温度制御部30、波長制御部40(波長制御部14)、周波数制御部50(周波数制御部15)、バイアスT61、CPU65、及びメモリ66(記憶部13)を含む。CPU65は、後述するように、他のハードウェアと協働することにより波長制御部14、周波数制御部15、判定部17、及び補正部18の一部を構成する。   FIG. 4 is a diagram illustrating a hardware configuration of the atomic oscillator 1 according to the first embodiment. The atomic oscillator 1 of this example includes an atomic resonance unit 20, a temperature control unit 30, a wavelength control unit 40 (wavelength control unit 14), a frequency control unit 50 (frequency control unit 15), a bias T61, a CPU 65, and a memory 66 (memory). Part 13). As will be described later, the CPU 65 forms part of the wavelength control unit 14, the frequency control unit 15, the determination unit 17, and the correction unit 18 by cooperating with other hardware.

原子共鳴部20は、レーザダイオード21(発光部11)、ガスセル22(封入部12)、及び光検出器23(検出部13)を含む。レーザダイオード21は、後述するバイアスT61から出力される周波数変調された駆動電流に応じて波長及び周波数が制御される光を出力する。ガスセル22は、内部にガス状のセシウム等のアルカリ金属原子及びバッファガスを封入している。光検出器23は、ガスセル22を透過した光を電流に変換し、当該電流を電圧に変換する半導体デバイスである。レーザダイオード21には、温度センサ25及びヒータ26が設置されている。ガスセル22には、温度センサ27及びヒータ28が設置されている。   The atomic resonance unit 20 includes a laser diode 21 (light emitting unit 11), a gas cell 22 (encapsulation unit 12), and a photodetector 23 (detection unit 13). The laser diode 21 outputs light whose wavelength and frequency are controlled according to a frequency-modulated drive current output from a bias T61, which will be described later. The gas cell 22 encloses an alkali metal atom such as gaseous cesium and a buffer gas inside. The photodetector 23 is a semiconductor device that converts light transmitted through the gas cell 22 into current and converts the current into voltage. The laser diode 21 is provided with a temperature sensor 25 and a heater 26. A temperature sensor 27 and a heater 28 are installed in the gas cell 22.

温度制御部30は、第1の温度制御回路31及び第2の温度制御回路32を含む。第1の温度制御回路31は、レーザダイオード21の温度センサ25の検出信号に応じてレーザダイオード21の温度が所定の温度範囲内となるようにヒータ26を制御する。第2の温度制御回路32は、ガスセル22の温度センサ27の検出信号に応じてガスセル22の温度が所定の温度範囲内となるようにヒータ28を制御する。第1の温度制御回路31及び第2の温度制御回路32は、CPU65からの制御信号に応じて制御される。   The temperature control unit 30 includes a first temperature control circuit 31 and a second temperature control circuit 32. The first temperature control circuit 31 controls the heater 26 so that the temperature of the laser diode 21 falls within a predetermined temperature range according to the detection signal of the temperature sensor 25 of the laser diode 21. The second temperature control circuit 32 controls the heater 28 so that the temperature of the gas cell 22 falls within a predetermined temperature range according to the detection signal of the temperature sensor 27 of the gas cell 22. The first temperature control circuit 31 and the second temperature control circuit 32 are controlled according to a control signal from the CPU 65.

波長制御部40は、第1の同期検波回路41、第1の低周波発振器42、第1の制御回路43、及び電流駆動回路44を含む。第1の同期検波回路41は、光検出器23の出力の交流成分と第1の低周波発振器42から出力される周波数Fm1の低周波信号とを乗算して得られた信号をローパスフィルタにより処理することにより直流電圧を生成する。第1の制御回路43は、第1の同期検波回路41により生成された直流電圧を入力し、電流駆動回路44が生成する電流を制御する電圧を出力する。第1の制御回路43は、CPU65からの制御信号に応じて、ガスセル22内のアルカリ金属原子が励起準位を維持するように制御される。電流駆動回路44は、第1の制御回路43から出力された電圧に応じて変化する電流を生成する。   The wavelength control unit 40 includes a first synchronous detection circuit 41, a first low frequency oscillator 42, a first control circuit 43, and a current drive circuit 44. The first synchronous detection circuit 41 processes a signal obtained by multiplying the AC component of the output of the photodetector 23 by the low-frequency signal of the frequency Fm1 output from the first low-frequency oscillator 42 with a low-pass filter. By doing so, a DC voltage is generated. The first control circuit 43 receives the DC voltage generated by the first synchronous detection circuit 41 and outputs a voltage for controlling the current generated by the current drive circuit 44. The first control circuit 43 is controlled in accordance with a control signal from the CPU 65 so that the alkali metal atoms in the gas cell 22 maintain the excitation level. The current driving circuit 44 generates a current that changes according to the voltage output from the first control circuit 43.

周波数制御部50は、第2の同期検波回路51、第2の低周波発振器52、第2の制御回路53、電圧制御水晶発振器54、及びPLL55を含む。第2の同期検波回路51は、光検出器23の出力の交流成分と第2の低周波発振器52から出力される周波数Fm2の低周波信号とを乗算して得られた信号をローパスフィルタにより処理することにより直流電圧を生成する。第2の制御回路53は、第2の同期検波回路51により生成された直流電圧を入力し、電圧制御水晶発振器54が生成する信号の周波数を制御する電圧を出力する。第2の制御回路53は、CPU65からの制御信号に応じて、ガスセル22内のアルカリ金属原子のCPT共鳴が維持されるように制御される。電圧制御水晶発振器54は、第2の制御回路53から出力される電圧により周波数が制御される標準周波数信号を出力する。PLL55は、電圧制御水晶発振器54から出力される標準周波数信号を逓倍し、周波数Frfの高周波信号を生成する。   The frequency control unit 50 includes a second synchronous detection circuit 51, a second low frequency oscillator 52, a second control circuit 53, a voltage control crystal oscillator 54, and a PLL 55. The second synchronous detection circuit 51 processes a signal obtained by multiplying the AC component of the output of the photodetector 23 by the low frequency signal of the frequency Fm2 output from the second low frequency oscillator 52 by a low pass filter. By doing so, a DC voltage is generated. The second control circuit 53 receives the DC voltage generated by the second synchronous detection circuit 51 and outputs a voltage for controlling the frequency of the signal generated by the voltage control crystal oscillator 54. The second control circuit 53 is controlled according to a control signal from the CPU 65 so that the CPT resonance of the alkali metal atoms in the gas cell 22 is maintained. The voltage controlled crystal oscillator 54 outputs a standard frequency signal whose frequency is controlled by the voltage output from the second control circuit 53. The PLL 55 multiplies the standard frequency signal output from the voltage controlled crystal oscillator 54 to generate a high frequency signal having the frequency Frf.

バイアスT61は、電流駆動回路44から出力された駆動電流にPLL55から出力された高周波信号による周波数変調を施す。周波数変調された駆動電流は、レーザダイオード21に出力される。   The bias T61 performs frequency modulation on the drive current output from the current drive circuit 44 by the high-frequency signal output from the PLL 55. The frequency-modulated drive current is output to the laser diode 21.

CPU65は、第1の温度制御回路31、第2の温度制御回路32、第1の制御回路43、及び第2の制御回路53に制御信号を出力する。CPU65は、メモリ66に目標波長制御信号を記憶する処理を行う。目標波長制御信号とは、例えば過去に検出された励起準位に対応する電流駆動回路44の出力電流値である。また、デフォルト値として予め設定された電流値がメモリ66に記憶されていてもよい。   The CPU 65 outputs control signals to the first temperature control circuit 31, the second temperature control circuit 32, the first control circuit 43, and the second control circuit 53. The CPU 65 performs processing for storing the target wavelength control signal in the memory 66. The target wavelength control signal is, for example, an output current value of the current driving circuit 44 corresponding to the excitation level detected in the past. In addition, a current value set in advance as a default value may be stored in the memory 66.

CPU65は、現在の励起準位が目標励起準位であるか否かを判定する励起準位判定処理を行う。第1の制御回路43は、起動後に電流駆動回路44から出力される電流を一定方向、例えば小電流側から大電流側へ一度大局的に変化させる。電流駆動回路44から出力される電流が小電流側から大電流側へ変化するとき、レーザダイオード21から出力される光の波長は小波長側から大波長側へ変化する。CPU65は、このときに第1の同期検波回路41から出力される電圧の変化を検出する。   The CPU 65 performs an excitation level determination process for determining whether or not the current excitation level is a target excitation level. The first control circuit 43 changes the current output from the current drive circuit 44 after startup once in a general direction, for example, once from a small current side to a large current side. When the current output from the current drive circuit 44 changes from the small current side to the large current side, the wavelength of the light output from the laser diode 21 changes from the small wavelength side to the large wavelength side. The CPU 65 detects a change in the voltage output from the first synchronous detection circuit 41 at this time.

図5は、レーザダイオード21から出力される光の波長と光検出器23から出力される電圧(検出信号)との大局的な関係を例示する図である。図6は、レーザダイオード21から出力される光の波長と第1の同期検波回路41から出力される電圧との大局的な関係を例示する図である。図6に示される電圧は、直流電圧であり、図5に示される電圧の微分値となっている。   FIG. 5 is a diagram illustrating a global relationship between the wavelength of light output from the laser diode 21 and the voltage (detection signal) output from the photodetector 23. FIG. 6 is a diagram illustrating the global relationship between the wavelength of light output from the laser diode 21 and the voltage output from the first synchronous detection circuit 41. The voltage shown in FIG. 6 is a direct current voltage and is a differential value of the voltage shown in FIG.

図5に示されるように、本例における光検出器23からの出力電圧は、波長A付近において大きく低下している。この電圧の低下は、光がガスセル22内のアルカリ金属原子によって吸収されたこと、すなわちアルカリ金属原子のエネルギー準位が励起準位に遷移したことを示している。このとき、図6に示されるように、第1の同期検波回路41から出力される直流電圧は、波長Aにおいて0となっている。   As shown in FIG. 5, the output voltage from the photodetector 23 in this example greatly decreases in the vicinity of the wavelength A. This decrease in voltage indicates that light has been absorbed by the alkali metal atoms in the gas cell 22, that is, the energy level of the alkali metal atoms has transitioned to the excited level. At this time, the DC voltage output from the first synchronous detection circuit 41 is 0 at the wavelength A, as shown in FIG.

次いで、第1の制御回路43は、光の吸収が検出された波長A付近において電流駆動回路44から出力される電流の値を局所的に変化させ、CPU65は、このときの第1の同期検波回路41から出力される電圧の変化を検出する。   Next, the first control circuit 43 locally changes the value of the current output from the current drive circuit 44 in the vicinity of the wavelength A where the absorption of light is detected, and the CPU 65 performs the first synchronous detection at this time. A change in the voltage output from the circuit 41 is detected.

図7は、レーザダイオード21から出力される光の波長と光検出器23から出力される電圧との局所的な関係を例示する図である。図8は、レーザダイオード21から出力される光の波長と第1の同期検波回路41から出力される電圧との局所的な関係を例示する図である。図8に示される第1の同期検波回路41からの出力電圧は、図7に示される光検出器23からの出力電圧の微分値となっている。   FIG. 7 is a diagram illustrating a local relationship between the wavelength of light output from the laser diode 21 and the voltage output from the photodetector 23. FIG. 8 is a diagram illustrating a local relationship between the wavelength of light output from the laser diode 21 and the voltage output from the first synchronous detection circuit 41. The output voltage from the first synchronous detection circuit 41 shown in FIG. 8 is a differential value of the output voltage from the photodetector 23 shown in FIG.

図7に示されるように、上記波長A付近を詳細に調査すると、2つの波長A1,A2において光の吸収が生じていることが検出される。このとき、図8に示されるように、第1の同期検波回路41からの出力電圧は、波長A1,A2の2点において0となる。図3に示す例に当てはめてみると、アルカリ金属原子のエネルギー準位は、波長A1のときに例えば励起準位F’=4となり、波長A2のときに励起準位F’=3となる。   As shown in FIG. 7, when the vicinity of the wavelength A is examined in detail, it is detected that light absorption occurs at the two wavelengths A1 and A2. At this time, as shown in FIG. 8, the output voltage from the first synchronous detection circuit 41 becomes 0 at two points of wavelengths A1 and A2. When applied to the example shown in FIG. 3, the energy level of the alkali metal atom is, for example, the excitation level F ′ = 4 at the wavelength A1, and the excitation level F ′ = 3 at the wavelength A2.

図9は、レーザダイオード21の駆動電流と光検出器23から出力される電圧との関係を例示する図である。図10は、レーザダイオード21の駆動電流と第1の同期検波回路41から出力される電圧との関係を例示する図である。図10に示される出力電圧は、図9に示される出力電圧の微分値となっている。   FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the drive current of the laser diode 21 and the voltage output from the photodetector 23. FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the drive current of the laser diode 21 and the voltage output from the first synchronous detection circuit 41. The output voltage shown in FIG. 10 is a differential value of the output voltage shown in FIG.

レーザダイオード21から出力される光の光量は、駆動電流(電流駆動回路44から出力される直流電流)の値に比例するため、駆動電流が大きくなると光検出器23からの出力電圧も大きくなる。そのため、図9において、光吸収が生じていない2つの領域I及びIXを比較すると、領域Iの電圧よりも領域IXの電圧の方が大きくなっている。領域II〜VIIIでは、光の吸収を示す電圧の低下がみられる。領域III及びVIIでは、出力電圧が最小となっており、アルカリ金属原子のエネルギー準位が励起準位となっていることが示されている。領域III及びVIIでは、図10に示されるように、第1の同期検波回路41からの出力電圧が0になっている。   Since the amount of light output from the laser diode 21 is proportional to the value of the drive current (DC current output from the current drive circuit 44), the output voltage from the photodetector 23 increases as the drive current increases. Therefore, in FIG. 9, when comparing the two regions I and IX in which no light absorption occurs, the voltage of the region IX is larger than the voltage of the region I. In the regions II to VIII, a decrease in voltage indicating light absorption is observed. In regions III and VII, the output voltage is minimum, indicating that the energy level of the alkali metal atom is the excitation level. In regions III and VII, as shown in FIG. 10, the output voltage from the first synchronous detection circuit 41 is zero.

図3に示す例に当てはめてみると、領域IIIは励起準位F’=4に対応し、領域VIIは励起準位F’=3に対応する。本例では、領域IIIにおける駆動電流の値はIF'4であり、領域VIIにおける駆動電流の値はIF'3である。従って、励起準位F’=3と駆動電流IF'3とが対応し、励起準位F’=4と駆動電流IF'4とが対応していることを特定することができる。このように特定された駆動電流IF'3及びIF'4の一方が、CPU65によって目標波長制御信号としてメモリ66に記憶される。   When applied to the example shown in FIG. 3, the region III corresponds to the excitation level F ′ = 4, and the region VII corresponds to the excitation level F ′ = 3. In this example, the value of the drive current in region III is IF′4, and the value of the drive current in region VII is IF′3. Therefore, it can be specified that the excitation level F '= 3 corresponds to the drive current IF'3, and that the excitation level F' = 4 corresponds to the drive current IF'4. One of the drive currents IF′3 and IF′4 specified in this way is stored in the memory 66 by the CPU 65 as a target wavelength control signal.

電流駆動回路44から出力される駆動電流は、第1の低周波発振器42から出力される低周波信号(周波数Fm1=数Hz〜数10kHz)が重畳されており、周期的に変化する。そのため、レーザダイオード21から出力される光の光量、及び光検出器23から出力される電圧は、当該駆動電流の変化に応じて変化する。図11は、レーザダイオード21の駆動電流、レーザダイオード21から出力される光の光量、及び当該光の波長の時間に対する変化を例示する図である。   The drive current output from the current drive circuit 44 is superimposed with the low-frequency signal (frequency Fm1 = several Hz to several tens kHz) output from the first low-frequency oscillator 42, and changes periodically. Therefore, the amount of light output from the laser diode 21 and the voltage output from the photodetector 23 change in accordance with the change in the drive current. FIG. 11 is a diagram illustrating changes in drive current of the laser diode 21, the amount of light output from the laser diode 21, and the wavelength of the light with respect to time.

図12は、図9及び図10に示す領域I及びIXにおいて光検出器23から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。領域I及びIXのように、ガスセル22内での光吸収がない場合には、光検出器23から出力される電圧は、図11に示すレーザダイオード21の駆動電流等と同一の周波数及び位相で変化する。   FIG. 12 is a diagram illustrating a change with time of the voltage output from the photodetector 23 in the regions I and IX shown in FIGS. 9 and 10. When there is no light absorption in the gas cell 22 as in the regions I and IX, the voltage output from the photodetector 23 has the same frequency and phase as the drive current of the laser diode 21 shown in FIG. Change.

しかし、領域II〜VIIIのように、ガスセル22内での光吸収がある場合には、光検出器23の出力は図12と異なる変化を示す。図13は、図9及び図10に示す領域II及びVIにおいて光検出器23から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。領域II及びVIでは、駆動電流が大きくなる程、光検出器23の出力電圧が領域I及びIXにおける変化率よりも大きな変化率で小さくなる。このような領域II及びVIでは、図13に示されるように、図12の場合との対比において出力電圧の位相が180°反転し、振幅が大きくなる。   However, when there is light absorption in the gas cell 22 as in the regions II to VIII, the output of the photodetector 23 shows a change different from that in FIG. FIG. 13 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector 23 in the regions II and VI shown in FIGS. 9 and 10. In regions II and VI, as the drive current increases, the output voltage of the photodetector 23 decreases at a rate of change greater than the rate of change in regions I and IX. In such regions II and VI, as shown in FIG. 13, the phase of the output voltage is inverted by 180 ° in comparison with the case of FIG. 12, and the amplitude is increased.

図14は、図9及び図10に示す領域IV及びVIIIにおいて光検出器23から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。領域IV及びVIIIでは、駆動電流が大きくなる程、光検出器23の出力電圧が領域I及びIXにおける変化率よりも大きな変化率で大きくなる。このような領域IV及びVIIIでは、図14に示すように、図12の場合との対比において出力電圧の位相が同一であり、振幅が大きくなる。   FIG. 14 is a diagram illustrating the change with time of the voltage output from the photodetector 23 in the regions IV and VIII shown in FIGS. 9 and 10. In regions IV and VIII, as the drive current increases, the output voltage of the photodetector 23 increases at a rate of change greater than the rate of change in regions I and IX. In such regions IV and VIII, as shown in FIG. 14, the phase of the output voltage is the same and the amplitude is large in comparison with the case of FIG.

図15は、図9及び図10に示す領域III、V、及びVIIにおいて光検出器23から出力される電圧の時間に対する変化を例示する図である。領域III及びVIIでは、アルカリ金属原子の励起準位への遷移による光吸収現象がピークとなる。ピークを挟んで駆動電流を変化させても光検出器23の出力電圧は変わらないので、その変化は0となる。一方、光吸収現象の2つのピークの間の谷にあたる領域Vでは、谷を挟んで駆動電流を変化させても光検出器23の出力電圧は変わらないので、その変化は0となる。   FIG. 15 is a diagram illustrating a change with time of the voltage output from the photodetector 23 in the regions III, V, and VII shown in FIGS. 9 and 10. In regions III and VII, the light absorption phenomenon due to the transition of the alkali metal atom to the excited level peaks. Even if the drive current is changed across the peak, the output voltage of the photodetector 23 does not change, so the change is zero. On the other hand, in the region V corresponding to the valley between the two peaks of the light absorption phenomenon, even if the drive current is changed across the valley, the output voltage of the photodetector 23 does not change, so the change is zero.

上述したように、図9又は図10に示されるような対応関係を用いて特定される駆動電流IF'3又はIF'4は、目標波長制御信号としてメモリ66に記憶されるが、メモリ66に記憶すべき情報は、これらに限られるものではない。図16は、レーザダイオード21の駆動電流と第1の同期検波回路41から出力される電圧との関係を示すグラフにおいて、メモリ66に記憶すべき情報を例示する図である。上記駆動電流IF'3又はIF'4の他、領域III及びVIIの間で出力電圧の極性がプラスからマイナスに変わる際のゼロクロス点に対応する駆動電流IZX、第1の同期検波回路41の出力電圧のピーク点に対応する駆動電流IP1,IP2、第1の同期検波回路41の出力電圧のボトム点に対応する駆動電流IB1,IB2、ピーク点に対応する第1の同期検波回路41の出力電圧XP1,XP2、ボトム点に対応する第1の同期検波回路41の出力電圧XB1,XB2、ゼロクロス点に対応する第1の同期検波回路41の出力電圧の許容誤差範囲ΔXzero、ピーク点に対応する第1の同期検波回路41の出力電圧の許容誤差範囲ΔXP1,ΔXP2、ボトム点に対応する第1の同期検波回路41の出力電圧の許容誤差範囲ΔXB1,ΔXB2等をメモリ66に記憶してもよい。   As described above, the drive current IF′3 or IF′4 specified using the correspondence relationship as shown in FIG. 9 or 10 is stored in the memory 66 as the target wavelength control signal. The information to be stored is not limited to these. FIG. 16 is a diagram illustrating information to be stored in the memory 66 in a graph showing the relationship between the drive current of the laser diode 21 and the voltage output from the first synchronous detection circuit 41. In addition to the driving current IF′3 or IF′4, the driving current IZX corresponding to the zero cross point when the polarity of the output voltage changes from positive to negative between the regions III and VII, the output of the first synchronous detection circuit 41 Drive currents IP1 and IP2 corresponding to the peak point of the voltage, drive currents IB1 and IB2 corresponding to the bottom point of the output voltage of the first synchronous detection circuit 41, and output voltage of the first synchronous detection circuit 41 corresponding to the peak point XP1, XP2, the output voltage XB1, XB2 of the first synchronous detection circuit 41 corresponding to the bottom point, the allowable error range ΔXzero of the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 corresponding to the zero cross point, and the first corresponding to the peak point. The allowable error ranges ΔXP1 and ΔXP2 of the output voltage of the first synchronous detection circuit 41, the allowable error ranges ΔXB1 and ΔXB2 of the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 corresponding to the bottom point, and the like may be stored in the memory 66.

第1の制御回路43は、CPU65からの制御信号に応じて、第1の同期検波回路41の出力電圧が0(又は所定の誤差範囲内)を維持するように電流駆動回路44の出力電流を制御する。第1の同期検波回路41の出力電圧が0を維持しているとき、アルカリ金属原子のエネルギー準位は励起準位になっていると判定できる。しかし、第1の同期検波回路41の出力電圧が0であるという現象からのみでは、現在維持されている励起準位が目標励起準位であるか否かを判定することはできない。   In response to a control signal from the CPU 65, the first control circuit 43 changes the output current of the current drive circuit 44 so that the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 is maintained at 0 (or within a predetermined error range). Control. When the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 is maintained at 0, it can be determined that the energy level of the alkali metal atom is the excitation level. However, only from the phenomenon that the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 is 0, it cannot be determined whether or not the currently maintained excitation level is the target excitation level.

そこで、CPU65は、現在の励起準位を維持するために電流駆動回路44から出力されている駆動電流と、メモリ66に記憶されている目標波長制御信号としての駆動電流(目標駆動電流)とを比較することにより、現在の励起準位が目標励起準位であるか否かを判定する励起準位判定処理を行う。CPU65は、現在の駆動電流が目標駆動電流と一致しない(又は所定の誤差範囲内にない)場合には、現在の励起準位は目標励起準位でないと判定し、現在の駆動電流を目標駆動電流に一致させるように第1の制御回路43を制御する。例えば、現在の駆動電流がIF'3であり、メモリ66に記憶されている目標駆動電流がIF'4である場合、第1の制御回路43は現在の駆動電流がIF'4に補正されるように電流駆動回路44を制御する。このような補正処理は、例えば現在の駆動電流と目標駆動電流との差を算出することにより実行できる。これにより、現在の励起準位F’=3が目標励起準位F’=4に修正される。   Therefore, the CPU 65 uses the drive current output from the current drive circuit 44 to maintain the current excitation level and the drive current (target drive current) as the target wavelength control signal stored in the memory 66. By comparing, an excitation level determination process for determining whether or not the current excitation level is the target excitation level is performed. When the current drive current does not match the target drive current (or is not within a predetermined error range), the CPU 65 determines that the current excitation level is not the target excitation level, and uses the current drive current as the target drive. The first control circuit 43 is controlled to match the current. For example, when the current drive current is IF′3 and the target drive current stored in the memory 66 is IF′4, the first control circuit 43 corrects the current drive current to IF′4. Thus, the current driving circuit 44 is controlled. Such a correction process can be executed, for example, by calculating a difference between the current drive current and the target drive current. As a result, the current excitation level F ′ = 3 is corrected to the target excitation level F ′ = 4.

図17は、励起準位判定処理を例示するフローチャートである。先ず、電流駆動回路44の現在の出力電流を、これにメモリ66に記憶されている値を加算等することにより変更し(S11)、このときの第1の同期検波回路41の出力電圧を取得する(S12)。これらの処理ステップS11,ステップS12を、変更する出力電流の数と同じ回数だけ繰り返す。   FIG. 17 is a flowchart illustrating an excitation level determination process. First, the current output current of the current drive circuit 44 is changed by adding a value stored in the memory 66 to the current output current (S11), and the output voltage of the first synchronous detection circuit 41 at this time is acquired. (S12). These processing steps S11 and S12 are repeated as many times as the number of output currents to be changed.

その後、電流駆動回路44の出力電流を変更前の値に戻し(S13)、ステップS12で取得した同期検波回路41の出力電圧と、メモリ66に予め保持された値とを比較する(S14)。ステップS14において、全ての比較結果が一致である(全ての比較結果が図16の出力電圧の許容誤差範囲内に収まっている)場合、戻り値(ret)をOKとし(S15)、比較結果が不一致である(少なくとも1つの比較結果が図16の出力電圧の許容誤差範囲内に収まっていない)場合、戻り値をNGとする(S16)。   Thereafter, the output current of the current drive circuit 44 is returned to the value before the change (S13), and the output voltage of the synchronous detection circuit 41 acquired in step S12 is compared with the value held in advance in the memory 66 (S14). In step S14, if all the comparison results are coincident (all the comparison results are within the allowable error range of the output voltage in FIG. 16), the return value (ret) is OK (S15), and the comparison result is If they do not match (at least one comparison result does not fall within the allowable error range of the output voltage in FIG. 16), the return value is NG (S16).

周波数制御部50(図4参照)は、光検出器23の出力電圧に基づいて、ガスセル22内のアルカリ金属原子のCPT共鳴が維持されるように、PLL55から出力される高周波信号Frfを制御する。   The frequency control unit 50 (see FIG. 4) controls the high-frequency signal Frf output from the PLL 55 based on the output voltage of the photodetector 23 so that the CPT resonance of the alkali metal atoms in the gas cell 22 is maintained. .

電流駆動回路44から出力される駆動電流は、バイアスT61において周波数Frfの高周波信号により周波数変調された後、レーザダイオード21に入力される。図18は、周波数変調された駆動電流が入力されたレーザダイオード21から出力される光の波長を例示する図である。駆動電流が周波数Frfの高周波信号により周波数変調されることにより、レーザダイオード21から出力される光の波長71の両サイドには、周波数差Frfのサイドバンド72A,72Bが生成される。両サイドバンド72A,72Bの周波数差2Frfがアルカリ金属原子の2つの基底準位のエネルギー差ΔEと一致するとき、CPT共鳴が生じる。従って、周波数FrfがΔEの半分の値となるように電圧制御水晶発振器54及びPLL55を制御することにより、CPT共鳴を維持することができる。CPT共鳴は、図9に示す領域III及びVII、すなわちアルカリ金属原子のエネルギー準位が励起準位になっているときに生じる。なお、アルカリ金属原子がセシウムの場合には、周波数Frfは4.5963GHzとなる。   The drive current output from the current drive circuit 44 is frequency-modulated by a high-frequency signal having the frequency Frf at the bias T61 and then input to the laser diode 21. FIG. 18 is a diagram illustrating the wavelength of light output from the laser diode 21 to which the frequency-modulated drive current is input. When the drive current is frequency-modulated by a high-frequency signal having the frequency Frf, side bands 72A and 72B having a frequency difference Frf are generated on both sides of the wavelength 71 of the light output from the laser diode 21. When the frequency difference 2Frf between the side bands 72A and 72B coincides with the energy difference ΔE between the two ground levels of the alkali metal atom, CPT resonance occurs. Therefore, the CPT resonance can be maintained by controlling the voltage controlled crystal oscillator 54 and the PLL 55 so that the frequency Frf becomes a half value of ΔE. CPT resonance occurs in regions III and VII shown in FIG. 9, that is, when the energy level of the alkali metal atom is at the excitation level. When the alkali metal atom is cesium, the frequency Frf is 4.5963 GHz.

図19は、CPT共鳴時における、高周波信号の周波数Frfと光検出器23から出力される電圧との関係を例示する図である。図20は、CPT共鳴時における、高周波信号の周波数Frfと周波数制御部50の第2の同期検波回路51から出力される電圧との関係を例示する図である。本例は、アルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合を示している。   FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the frequency Frf of the high-frequency signal and the voltage output from the photodetector 23 during CPT resonance. FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the frequency Frf of the high-frequency signal and the voltage output from the second synchronous detection circuit 51 of the frequency control unit 50 during CPT resonance. In this example, cesium is used as the alkali metal atom.

PLL55から出力される高周波信号は、第2の低周波発振器52から出力される低周波信号(周波数Fm2=数Hz<Fm2<数10kHz、ただしFm2はFm1から少なくとも一桁以上離れていることが好ましい)により周波数変調が予め施されている。そのため、当該高周波信号はFm2の低周波信号と同一の位相で変化し、レーザダイオード21から出力される光のサイドバンドの周波数差もFm2の低周波信号と同一の位相で変化する。   The high-frequency signal output from the PLL 55 is a low-frequency signal output from the second low-frequency oscillator 52 (frequency Fm2 = several Hz <Fm2 <several 10 kHz, where Fm2 is preferably at least one digit away from Fm1. ) Is frequency-modulated in advance. Therefore, the high-frequency signal changes with the same phase as the low-frequency signal of Fm2, and the frequency difference between the sidebands of the light output from the laser diode 21 also changes with the same phase as the low-frequency signal of Fm2.

図19に示すように、PLL55から出力される高周波信号の周波数FrfがΔE(図2参照)の半分の値である4.5963GHzであるとき(領域XII)、CPT共鳴により、光検出器23の出力電圧(ガスセル22を透過する光の光量)が最大となる。また、図20に示す第2の同期検波回路51の出力電圧は、上述したように図19に示す光検出器23の出力電圧の微分値となるため、領域XIIにおいて、極性がプラスからマイナスに変わるゼロクロス点となる。   As shown in FIG. 19, when the frequency Frf of the high-frequency signal output from the PLL 55 is 4.5963 GHz which is a half value of ΔE (see FIG. 2) (region XII), the CPT resonance causes the photodetector 23 to The output voltage (the amount of light transmitted through the gas cell 22) is maximized. Further, since the output voltage of the second synchronous detection circuit 51 shown in FIG. 20 is a differential value of the output voltage of the photodetector 23 shown in FIG. 19 as described above, the polarity changes from positive to negative in the region XII. It becomes a zero-cross point that changes.

CPT共鳴が生じない周波数Frfの領域X及びXIVでは、周波数Frfの変化にかかわらず光検出器23及び第2の同期検波回路51の出力電圧は一定である。CPT共鳴が生じる周波数Frfの領域XI〜XIIIでは、周波数Frfの変化に応じて光検出器23及び第2の同期検波回路51の出力電圧が変化する。   In the regions X and XIV of the frequency Frf where no CPT resonance occurs, the output voltages of the photodetector 23 and the second synchronous detection circuit 51 are constant regardless of the change of the frequency Frf. In the regions XI to XIII of the frequency Frf where the CPT resonance occurs, the output voltages of the photodetector 23 and the second synchronous detection circuit 51 change according to the change of the frequency Frf.

第2の制御回路53は、CPU65からの制御信号に応じて、第2の同期検波回路51の出力電圧が領域XIIで示すゼロクロス点を維持するように、電圧制御水晶発振器54が出力する標準周波数信号を制御する。   In response to a control signal from the CPU 65, the second control circuit 53 outputs a standard frequency output from the voltage controlled crystal oscillator 54 so that the output voltage of the second synchronous detection circuit 51 maintains the zero cross point indicated by the region XII. Control the signal.

温度制御部30(図4参照)は、レーザダイオード21及びガスセル22の温度がそれぞれ所定範囲内を維持するように厳密な温度制御を行う。温度の変動は、光の波長及び周波数に影響を与えるため、レーザダイオード21及びガスセル22の温度を厳密に制御することにより、外乱を防止し、上記波長制御及び周波数制御を高精度で行えるようになる。   The temperature control unit 30 (see FIG. 4) performs strict temperature control so that the temperatures of the laser diode 21 and the gas cell 22 are maintained within predetermined ranges. Since fluctuations in temperature affect the wavelength and frequency of light, the temperature of the laser diode 21 and the gas cell 22 are strictly controlled to prevent disturbance and to perform the wavelength control and frequency control with high accuracy. Become.

図21は、第1の実施の形態にかかる原子発振器1の第1の動作例を示すフローチャートである。先ず、波長制御を一時停止し(S101)、その後、温度制御及び周波数制御を一時停止する(S102)。その後、上記励起準位判定処理を行い(S103)、温度制御を再開する(S104)。   FIG. 21 is a flowchart illustrating a first operation example of the atomic oscillator 1 according to the first embodiment. First, wavelength control is temporarily stopped (S101), and then temperature control and frequency control are temporarily stopped (S102). Thereafter, the excitation level determination process is performed (S103), and the temperature control is resumed (S104).

その後、励起準位判定処理からの戻り値(ret)がOKであるか否かを判定し(S105)、戻り値がOKである場合(Yes)、周波数制御を再開し(S106)、波長制御を再開する(S107)。一方、ステップS105において、戻り値がNGである場合(No)、CPT共鳴による光透過現象のピークを検知しなおすために周波数制御を初期化し(S108)、励起準位への遷移による光吸収現象のピークを検知しなおすために波長制御を初期化する(S109)。   Thereafter, it is determined whether or not the return value (ret) from the excitation level determination process is OK (S105). If the return value is OK (Yes), the frequency control is resumed (S106), and the wavelength control is performed. Is resumed (S107). On the other hand, if the return value is NG in step S105 (No), frequency control is initialized in order to redetect the peak of the light transmission phenomenon due to CPT resonance (S108), and the light absorption phenomenon due to the transition to the excitation level. The wavelength control is initialized in order to re-detect the peak (S109).

図22は、第1の実施の形態にかかる原子発振器1の第2の動作例を示すフローチャートである。先ず、波長制御を一時停止し(S201)、その後、温度制御及び周波数制御を一時停止する(S202)。その後、上記励起準位判定処理を行う(S203)。   FIG. 22 is a flowchart illustrating a second operation example of the atomic oscillator 1 according to the first embodiment. First, wavelength control is temporarily stopped (S201), and then temperature control and frequency control are temporarily stopped (S202). Thereafter, the excitation level determination process is performed (S203).

その後、励起準位判定処理からの戻り値(ret)がOKであるか否かを判定し(S204)、戻り値がOKである場合(Yes)、温度制御を再開し(S205)、周波数制御を再開し(S206)、波長制御を再開する(S207)。一方、ステップS204において、戻り値がNGである場合(No)、励起準位判定処理において電流駆動回路44の出力電流に加える差分を、隣接する励起準位での値に(現在の駆動電流がIF'3であればIF'4に、IF'4であればIF'3に)変更し(S211)、再び励起準位判定処理を行う(S212)。   Thereafter, it is determined whether or not the return value (ret) from the excitation level determination process is OK (S204). If the return value is OK (Yes), the temperature control is restarted (S205), and the frequency control is performed. (S206) and wavelength control is resumed (S207). On the other hand, if the return value is NG in step S204 (No), the difference added to the output current of the current drive circuit 44 in the excitation level determination process is set to the value at the adjacent excitation level (the current drive current is If IF′3, change to IF′4, IF′4 to IF′3) (S211), and perform excitation level determination processing again (S212).

その後、再び励起準位判定処理からの戻り値がOKであるか否かを判定し(S213)、戻り値がOKである場合(Yes)、電流駆動回路204から出力される駆動電流にステップS211で変更した隣接する励起準位(現在の駆動電流がIF'3であればIF'4、IF'4であればIF'3)との差分を加え(S214)、現在の励起準位を目標励起準位に戻した後、温度制御を再開する(S205)。一方、ステップS213において、戻り値がNGである場合(No)、温度制御を再開した後(S215)、CPT共鳴による光透過現象のピークを検知しなおすために周波数制御を初期化し(S216)、励起準位への遷移による光吸収現象のピークを検知しなおすために波長制御を初期化する(S217)。   Thereafter, it is determined again whether or not the return value from the excitation level determination process is OK (S213). If the return value is OK (Yes), the drive current output from the current drive circuit 204 is changed to step S211. Add the difference from the adjacent excitation level (IF'4 if the current drive current is IF'3, IF'3 if the current drive current is IF'3) (S214), and target the current excitation level After returning to the excitation level, the temperature control is resumed (S205). On the other hand, when the return value is NG in Step S213 (No), after restarting the temperature control (S215), the frequency control is initialized to redetect the peak of the light transmission phenomenon due to CPT resonance (S216), Wavelength control is initialized to redetect the peak of the light absorption phenomenon due to the transition to the excitation level (S217).

CPU65を制御するプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。また、プログラムをインターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供又は配布するように構成してもよい。また、プログラムをROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。   A program for controlling the CPU 65 is a file in an installable or executable format and is recorded on a computer-readable recording medium such as a CD-ROM, a flexible disk (FD), a CD-R, or a DVD (Digital Versatile Disk). To be provided. Further, the program may be provided by being stored on a computer connected to a network such as the Internet and downloaded via the network. The program may be provided or distributed via a network such as the Internet. Further, the program may be provided by being preinstalled in a ROM or the like.

上記本実施の形態によれば、現在の励起準位に対応する波長制御信号と、メモリ66に記憶された目標励起準位に対応する目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の励起準位が目標励起準位であるか否かが判定される。そして、現在の励起準位が目標励起準位でないと判定された場合には、現在の励起準位が目標励起準位になるように、現在の波長制御信号が補正される。これにより、温度変化等の外乱により不意に励起準位の転位が生じた場合でも、現在の励起準位を目標励起準位に修正することが可能となる。これにより、CPT共鳴現象を利用した周波数制御を高精度で行うことが可能となる。   According to the present embodiment, the current excitation level is based on the comparison result between the wavelength control signal corresponding to the current excitation level and the target wavelength control signal corresponding to the target excitation level stored in the memory 66. It is determined whether or not the level is a target excitation level. When it is determined that the current excitation level is not the target excitation level, the current wavelength control signal is corrected so that the current excitation level becomes the target excitation level. As a result, even when an excitation level dislocation occurs unexpectedly due to a disturbance such as a temperature change, the current excitation level can be corrected to the target excitation level. This makes it possible to perform frequency control using the CPT resonance phenomenon with high accuracy.

また、レーザダイオード21及びガスセル22の温度を一定に保つ温度制御部30を備えることにより、温度変化による外乱(光の波長及び周波数の変動等)が抑制されるので、より高精度な制御を実現することが可能となる。   In addition, by providing the temperature control unit 30 that keeps the temperature of the laser diode 21 and the gas cell 22 constant, disturbances due to temperature changes (such as fluctuations in the wavelength and frequency of light) are suppressed, thus realizing more accurate control. It becomes possible to do.

(第2の実施の形態)
上記第1の実施の形態においては、第1の同期検波回路41を用いてアルカリ金属原子の励起状態による光の吸収を検出し、第2の同期検波回路51を用いてCPT共鳴による光の透過を検出している。しかし、第1の同期検波回路41を用いずに光検出器23からの出力電圧に基づいて光の吸収を検出してもよいし、第2の同期検波回路51を用いずに光検出器23からの出力電圧に基づいて光の透過を検出してもよい。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the first synchronous detection circuit 41 is used to detect light absorption due to the excited state of alkali metal atoms, and the second synchronous detection circuit 51 is used to transmit light by CPT resonance. Is detected. However, light absorption may be detected based on the output voltage from the photodetector 23 without using the first synchronous detection circuit 41, or the photodetector 23 without using the second synchronous detection circuit 51. The transmission of light may be detected based on the output voltage from.

図23は、第2の実施の形態にかかる原子発振器111の構成を例示する図である。第1の実施の形態に係る原子発振器1と同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。   FIG. 23 is a diagram illustrating the configuration of the atomic oscillator 111 according to the second embodiment. Parts that exhibit the same or similar functions and effects as those of the atomic oscillator 1 according to the first embodiment may be denoted by the same reference numerals and description thereof may be omitted.

本実施の形態にかかる温度制御部120は、第1のA/D変換器121、第1のD/A変換器122、第2のA/D変換器123、及びD/A変換器124を含む。   The temperature control unit 120 according to the present embodiment includes a first A / D converter 121, a first D / A converter 122, a second A / D converter 123, and a D / A converter 124. Including.

第1のA/D変換器121は、レーザダイオード21の温度センサ25の検出信号のA/D変換信号をCPU65に出力する。第2のA/D変換器123は、ガスセル22の温度センサ27の検出信号のA/D変換信号をCPU65に出力する。CPU65は、第1のA/D変換器121から出力されたA/D変換信号に基づいて、レーザダイオード21の温度を所定の温度に保つようにヒータ26を制御するための制御信号を生成し、第1のD/A変換器122に出力する。CPU65は、第2のA/D変換器123から出力されたA/D変換信号に基づいて、ガスセル22の温度を所定の温度に保つようにヒータ28を制御するための制御信号を生成し、第2のD/A変換器124に出力する。第1のD/A変換器122は、CPU65から出力された制御信号のD/A変換信号をレーザダイオード21のヒータ26に出力する。第2のD/A変換器124は、CPU65から出力された制御信号のD/A変換信号をガスセル22のヒータ28に出力する。レーザダイオード21のヒータ26は、第1のD/A変換器122から出力されたD/A変換信号に応じて温度を変化させる。ガスセル22のヒータ28は、第2のD/A変換器124から出力されたD/A変換信号に応じて温度を変化させる。   The first A / D converter 121 outputs an A / D conversion signal as a detection signal of the temperature sensor 25 of the laser diode 21 to the CPU 65. The second A / D converter 123 outputs an A / D conversion signal as a detection signal of the temperature sensor 27 of the gas cell 22 to the CPU 65. The CPU 65 generates a control signal for controlling the heater 26 so as to keep the temperature of the laser diode 21 at a predetermined temperature based on the A / D conversion signal output from the first A / D converter 121. To the first D / A converter 122. The CPU 65 generates a control signal for controlling the heater 28 so as to keep the temperature of the gas cell 22 at a predetermined temperature based on the A / D conversion signal output from the second A / D converter 123. Output to the second D / A converter 124. The first D / A converter 122 outputs the D / A conversion signal of the control signal output from the CPU 65 to the heater 26 of the laser diode 21. The second D / A converter 124 outputs a D / A conversion signal of the control signal output from the CPU 65 to the heater 28 of the gas cell 22. The heater 26 of the laser diode 21 changes the temperature according to the D / A conversion signal output from the first D / A converter 122. The heater 28 of the gas cell 22 changes the temperature according to the D / A conversion signal output from the second D / A converter 124.

本実施の形態にかかる波長制御部130は、第3のA/D変換器131、第3のD/A変換器132、第1の周波数逓倍器133、第1の低周波発振器42、及び電流駆動回路44を含む。   The wavelength control unit 130 according to the present embodiment includes a third A / D converter 131, a third D / A converter 132, a first frequency multiplier 133, a first low frequency oscillator 42, and a current. A drive circuit 44 is included.

本実施の形態においては、第1の実施の形態における第1の同期検波回路41の機能は、CPU65、第3のA/D変換器131、及び第1の周波数逓倍器133によって実現される。また、第1の実施の形態における第1の制御回路43の機能は、CPU65及び第3のD/A変換器132によって実現される。   In the present embodiment, the function of the first synchronous detection circuit 41 in the first embodiment is realized by the CPU 65, the third A / D converter 131, and the first frequency multiplier 133. The function of the first control circuit 43 in the first embodiment is realized by the CPU 65 and the third D / A converter 132.

光検出器23の出力電圧は、第3のA/D変換器131において、第1の低周波発振器42の周波数Fm1に同期し、第1の周波数逓倍器133によってn(n=2,3,4,・・・(ただし偶数が好ましい))倍にした周波数の信号をトリガ信号として、A/D変換される。このA/D変換信号は、CPU65に出力され、CPU65のソフトウェア演算により同期検波される。CPU65は、この同期検波された信号に基づいて、第1の実施の形態における第1の制御回路43の動作に相当する演算を行い、第3のD/A変換器132を介して電流駆動回路63の出力電流を、光吸収が生じるように波長となるように制御する。なお、励起準位判定処理において電流駆動回路44の出力電流に加える差分は、メモリ66内のCPU65を制御するためのプログラムの記憶領域とは別の領域に記憶されている。   The output voltage of the photodetector 23 is synchronized with the frequency Fm1 of the first low-frequency oscillator 42 in the third A / D converter 131, and n (n = 2, 3, 3) by the first frequency multiplier 133. 4, ... (however, even number is preferable)) A / D conversion is performed using a signal having a frequency doubled as a trigger signal. This A / D conversion signal is output to the CPU 65 and is synchronously detected by software calculation of the CPU 65. The CPU 65 performs an operation corresponding to the operation of the first control circuit 43 in the first embodiment on the basis of the signal subjected to the synchronous detection, and a current driving circuit via the third D / A converter 132. The output current of 63 is controlled to have a wavelength so that light absorption occurs. Note that the difference added to the output current of the current drive circuit 44 in the excitation level determination process is stored in an area different from the storage area of the program for controlling the CPU 65 in the memory 66.

本実施の形態にかかる周波数制御部140は、第4のA/D変換器141、第4のD/A変換器142、第2の周波数逓倍器143、第2の低周波発振器52、電圧制御水晶発振器54、及びPLL55を含む。   The frequency control unit 140 according to the present embodiment includes a fourth A / D converter 141, a fourth D / A converter 142, a second frequency multiplier 143, a second low frequency oscillator 52, and voltage control. A crystal oscillator 54 and a PLL 55 are included.

本実施の形態においては、第1の実施の形態における第2の同期検波回路51の機能は、CPU65、第4のA/D変換器141、及び第2の周波数逓倍器143によって実現される。また、第1の実施の形態における第2の制御回路53の機能は、CPU65及び第4のD/A変換器142によって実現される。   In the present embodiment, the function of the second synchronous detection circuit 51 in the first embodiment is realized by the CPU 65, the fourth A / D converter 141, and the second frequency multiplier 143. The function of the second control circuit 53 in the first embodiment is realized by the CPU 65 and the fourth D / A converter 142.

光検出器23の出力電圧は、第4のA/D変換器141において、第2の低周波発振器52の周波数Fm2に同期し、第2の周波数逓倍器143によってn(n=2,3,4,・・・(ただし偶数が好ましい))倍にした周波数の信号をトリガ信号として、A/D変換される。このA/D変換信号は、CPU65に出力され、CPU65のソフトウェア演算により同期検波される。CPU65は、この同期検波された信号に基づいて、第1の実施の形態における第2の制御回路53の動作に相当する演算を行い、第4のD/A変換器142を介して電圧制御水晶発振器54から出力される標準周波数信号の周波数を、CPT共鳴が生じるように制御する。   The output voltage of the photodetector 23 is synchronized with the frequency Fm2 of the second low-frequency oscillator 52 in the fourth A / D converter 141, and n (n = 2, 3, 3) by the second frequency multiplier 143. 4, ... (however, even number is preferable)) A / D conversion is performed using a signal having a frequency doubled as a trigger signal. This A / D conversion signal is output to the CPU 65 and is synchronously detected by software calculation of the CPU 65. The CPU 65 performs an operation corresponding to the operation of the second control circuit 53 in the first embodiment on the basis of the signal subjected to the synchronous detection, and the voltage control crystal via the fourth D / A converter 142. The frequency of the standard frequency signal output from the oscillator 54 is controlled so that CPT resonance occurs.

上記のようなハードウェア構成によっても、上記第1の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。   Even with the hardware configuration as described above, it is possible to obtain the same functions and effects as those of the first embodiment.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、第2の実施の形態において制御要素毎にA/D変換器を備える構成を示したが、A/D変換器の前後にマルチプレクサを設置し、複数の制御要素に対してマルチプレクサを切り替えることによりA/D変換を行う構成であってもよい。また、CPU65の代わりにMCU(Micro Control Unit)を用い、メモリ66、温度制御部30,120、波長制御部40,130、及び周波数制御部50,140の構成要素の一部をMCU内に統合してもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the second embodiment, the configuration including an A / D converter for each control element has been shown. However, a multiplexer is installed before and after the A / D converter, and the multiplexer is switched for a plurality of control elements. May be configured to perform A / D conversion. In addition, an MCU (Micro Control Unit) is used instead of the CPU 65, and some of the components of the memory 66, the temperature control units 30, 120, the wavelength control units 40, 130, and the frequency control units 50, 140 are integrated in the MCU. May be.

1,111 原子発振器
11 発光部
12 封入部
13 検出部
14 波長制御部
15 周波数制御部
16 記憶部
17 判定部
18 補正部
20 原子共鳴部
21 レーザダイオード
22 ガスセル
23 光検出器
25,27 温度センサ
26,28 ヒータ
30,120 温度制御部
31 第1の温度制御回路
32 第2の温度制御回路
40,130 波長制御部
41 第1の同期検波回路
42 第1の低周波発振器
43 第1の制御回路
44 電流駆動回路
50,140 周波数制御部
51 第2の同期検波回路
52 第2の低周波発振器
53 第2の制御回路
54 電圧制御水晶発振器
55 PLL
61 バイアスT
65 CPU
66 メモリ
121 第1のA/D変換器
122 第1のD/A変換器
123 第2のA/D変換器
124 第2のD/A変換器
131 第3のA/D変換器
132 第3のD/A変換器
133 第1の周波数逓倍器
141 第4のA/D変換器
142 第4のD/A変換器
143 第2の周波数逓倍器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,111 Atomic oscillator 11 Light emission part 12 Inclusion part 13 Detection part 14 Wavelength control part 15 Frequency control part 16 Storage part 17 Determination part 18 Correction part 20 Atomic resonance part 21 Laser diode 22 Gas cell 23 Photo detector 25, 27 Temperature sensor 26 , 28 Heater 30, 120 Temperature control unit 31 First temperature control circuit 32 Second temperature control circuit 40, 130 Wavelength control unit 41 First synchronous detection circuit 42 First low frequency oscillator 43 First control circuit 44 Current drive circuit 50, 140 Frequency control unit 51 Second synchronous detection circuit 52 Second low frequency oscillator 53 Second control circuit 54 Voltage controlled crystal oscillator 55 PLL
61 Bias T
65 CPU
66 Memory 121 First A / D Converter 122 First D / A Converter 123 Second A / D Converter 124 Second D / A Converter 131 Third A / D Converter 132 Third D / A converter 133 First frequency multiplier 141 Fourth A / D converter 142 Fourth D / A converter 143 Second frequency multiplier

特開2010−161608号公報JP 2010-161608 A 米国特許第6320472号明細書US Pat. No. 6,320,472

Claims (5)

光を出力する発光部と、
前記光が照射されるガス状のアルカリ金属原子を封入する封入部と、
前記封入部を透過した前記光の光量に応じて変化する検出信号を生成する検出部と、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子が励起準位を維持するように前記光の波長を制御する波長制御信号を生成する波長制御部と、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子がCPT共鳴を維持するように前記光の周波数を制御する周波数制御信号を生成する周波数制御部と、
予め設定された目標励起準位に対応する目標波長制御信号を記憶する記憶部と、
現在の前記励起準位に対応する前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位であるか否かを判定する判定部と、
現在の前記励起準位が前記目標励起準位でない場合に、前記比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位となるように前記波長制御信号を補正する補正部と
を備え
前記補正部は、現在の前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との差に基づく値を前記波長制御信号に加算して、前記波長制御信号を補正することを特徴とする原子発振器。
A light emitting unit for outputting light;
An encapsulating part enclosing a gaseous alkali metal atom irradiated with the light;
A detection unit that generates a detection signal that changes according to the amount of the light that has passed through the enclosure;
Based on the detection signal, a wavelength control unit that generates a wavelength control signal that controls the wavelength of the light so that the alkali metal atom maintains an excitation level;
Based on the detection signal, a frequency control unit that generates a frequency control signal for controlling the frequency of the light so that the alkali metal atom maintains CPT resonance;
A storage unit for storing a target wavelength control signal corresponding to a preset target excitation level;
Based on the comparison result of the wavelength control signal corresponding to the current of the excitation level and the target wavelength control signal, a determination section for determining whether or not the current of the excitation level which is the target excitation level ,
A correction unit for correcting the wavelength control signal so that the current excitation level becomes the target excitation level based on the comparison result when the current excitation level is not the target excitation level; Prepared ,
Wherein the correction unit includes a value based on a difference between current of the wavelength control signal and the target wavelength control signal by adding to said wavelength control signal, you and corrects the wavelength control signal atom oscillator.
前記波長制御信号は、前記発光部に入力される駆動電流を含み、
前記補正部は、現在の前記励起準位に対応する前記駆動電流の値と前記目標波長制御信号に対応する前記駆動電流の値との差分に基づいて現在の前記駆動電流を補正する
請求項に記載の原子発振器。
The wavelength control signal includes a drive current input to the light emitting unit,
The correction unit may claim to correct the current of the driving current based on the difference between the value of the driving current corresponding to the value of the driving current corresponding to the current of the excitation level and the target wavelength control signal 1 An atomic oscillator described in 1.
前記発光部の温度を第1の所定温度範囲内に維持する第1の温度制御部と、
前記封入部の温度を第2の所定温度範囲内に維持する第2の温度制御部と
を更に備える請求項1又は2に記載の原子発振器。
A first temperature control unit for maintaining the temperature of the light emitting unit within a first predetermined temperature range;
Temperature second further comprising a second temperature controller to maintain a predetermined temperature range according to claim 1 or 2 atomic oscillator according to the encapsulation.
発光部から出力され、ガス状のアルカリ金属原子を封入する封入部を透過した光の光量に応じて変化する検出信号を生成するステップと、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子が励起準位を維持するように前記光の波長を制御する波長制御信号を生成するステップと、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子がCPT共鳴を維持するように前記光の周波数を制御する周波数制御信号を生成するステップと、
現在の前記励起準位に対応する前記波長制御信号と予め設定された目標励起準位に対応する目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位であるか否かを判定するステップと、
現在の前記励起準位が前記目標励起準位でない場合に、前記比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位となるように前記波長制御信号を補正するステップと
現在の前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との差に基づく値を前記波長制御信号に加算して、前記波長制御信号を補正するステップと
を備える原子発振器の制御方法。
Generating a detection signal that is output from the light emitting unit and changes according to the amount of light that has passed through the enclosing unit that encloses the gaseous alkali metal atoms;
Based on the detection signal, generating a wavelength control signal for controlling the wavelength of the light so that the alkali metal atom maintains an excitation level;
Generating a frequency control signal for controlling the frequency of the light based on the detection signal so that the alkali metal atom maintains CPT resonance;
Based on a comparison result between the wavelength control signal corresponding to the current excitation level and a target wavelength control signal corresponding to a preset target excitation level, the current excitation level is the target excitation level. Determining whether there is,
If the current of the excitation level is not the target excitation level, a step of based on said comparison result, to correct the previous SL wavelength control signal so that the current of the excitation level becomes the target excitation level,
A method for controlling an atomic oscillator , comprising: adding a value based on a difference between the current wavelength control signal and the target wavelength control signal to the wavelength control signal to correct the wavelength control signal .
コンピュータに、
発光部から出力され、ガス状のアルカリ金属原子を封入する封入部を透過した光の光量に応じて変化する検出信号を生成する処理と、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子が励起準位を維持するように前記光の波長を制御する波長制御信号を生成する処理と、
前記検出信号に基づいて、前記アルカリ金属原子がCPT共鳴による光透過状態を維持するように前記光の周波数を制御する周波数制御信号を生成する処理と、
現在の前記励起準位に対応する前記波長制御信号と予め設定された目標励起準位に対応する目標波長制御信号との比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位であるか否かを判定する処理と、
現在の前記励起準位が前記目標励起準位でない場合に、前記比較結果に基づいて、現在の前記励起準位が前記目標励起準位となるように前記波長制御信号を補正する処理と
現在の前記波長制御信号と前記目標波長制御信号との差に基づく値を前記波長制御信号に加算して、前記波長制御信号を補正する処理と
を実行させる原子発振器の制御プログラム。
On the computer,
A process of generating a detection signal that is output from the light emitting unit and changes according to the amount of light that has passed through the enclosing unit that encloses the gaseous alkali metal atoms, and
Based on the detection signal, a process of generating a wavelength control signal for controlling the wavelength of the light so that the alkali metal atom maintains an excitation level;
Based on the detection signal, a process of generating a frequency control signal for controlling the frequency of the light so that the alkali metal atom maintains a light transmission state by CPT resonance;
Based on a comparison result between the wavelength control signal corresponding to the current excitation level and a target wavelength control signal corresponding to a preset target excitation level, the current excitation level is the target excitation level. A process for determining whether or not there is,
If the current of the excitation level is not the target excitation level, the processing based on the comparison result, the current of the excitation level to correct the previous SL wavelength control signal so that the target excitation level,
A control program for an atomic oscillator that executes a process of adding a value based on a difference between the current wavelength control signal and the target wavelength control signal to the wavelength control signal to correct the wavelength control signal .
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