JP6493576B2 - 量子干渉装置、原子発振器、および電子機器 - Google Patents

量子干渉装置、原子発振器、および電子機器 Download PDF

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本発明は、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる2種類の光による量子干渉効果(CPT:Coherent Population Trapping)を利用した方式とに大別されるが、量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている。
量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中の金属原子に周波数の異なる2種の共鳴光を含むレーザー光を照射する半導体レーザーと、ガスセルを透過したレーザー光を検出する光検出器と、を備えている。そして、このような原子発振器では、2種類の共鳴光の周波数差が特定の値のときに2種類の共鳴光の双方がガスセル内の金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透明化(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)現象を生じるが、そのEIT現象に伴って発生する急峻な信号であるEIT信号(原子共鳴信号)を光検出器で検出する。
ここで、特許文献1には、原子発振器の各機能ブロックの電気的な接続が記載されている。
しかしながら、特許文献1には、ガスセルと、各機能ブロックとの位置関係は、記載されておらず、その位置関係によっては、EIT信号のSN比が低下し、原子発振器の発振周波数の精度が低下するという問題がある。
特開2005−303641号公報
本発明の目的は、EIT信号のSN比を向上させることができる量子干渉装置および原子発振器を提供すること、また、かかる量子干渉装置を備える信頼性に優れた電子機器および移動体を提供することにある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態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]
本発明の量子干渉装置は、金属原子が封入されているガスセルと、
光を前記ガスセルに向けて出射する光出射部と、
前記ガスセルを透過した前記光を受光して受光信号を出力する受光部と、
前記受光信号が入力される入力部と、
前記入力部から出力される前記受光信号を処理する受光回路と、
前記光出射部と並んでいて、高周波電流を生成する高周波電流生成部と、
前記高周波電流生成部から出力された前記高周波電流を前記光出射部に出力する第1の出力部と、
を備え、
前記入力部と前記第1の出力部との間に、前記ガスセルが配置されていることを特徴とする。
これにより、入力部と受光部との間の配線の長さを短くすることができ、受光信号へのノイズの混入を低減することができ、また、第1の出力部と光出射部との間の配線の長さを短くすることができ、高周波電流の減衰を低減することができ、これによって、EIT信号のSN比を向上させることができ、EIT信号を確実に検出することができる。これにより、高精度な量子干渉装置を提供することができる。
[適用例2]
本発明の量子干渉装置では、前記光出射部と並んでいて、前記光出射部に供給するバイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
前記バイアス電流生成部から出力された前記バイアス電流を前記光出射部に出力する第2の出力部と、
を備え、
前記入力部と前記第2の出力部との間に、前記ガスセルが配置されている請求項1に記載の量子干渉装置。
これにより、第2の出力部と光出射部との間の配線の長さを短くすることができ、バイアス電流へのノイズの混入を低減することができ、これによって、EIT信号のSN比を向上させることができる。
[適用例3]
本発明の量子干渉装置では、前記高周波電流生成部は、前記ガスセルと前記光出射部とを結ぶ直線からずれていることが好ましい。
これにより、高周波電流生成部が前記直線上に配置される場合に比べて、前記直線の方向の寸法を小さくすることができ、小型化を図ることができる。
[適用例4]
本発明の量子干渉装置では、前記高周波電流生成部と前記ガスセルとが並んでいることが好ましい。
これにより、小型化を図ることができる。
[適用例5]
本発明の量子干渉装置では、前記第1の出力部は、前記ガスセルと前記光出射部との並びの方向に並んでおり、前記高周波電流生成部よりも前記光出射部側に配置されていることが好ましい。
これにより、小型化を図ることができる。
[適用例6]
本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、入力部と受光部との間の配線の長さを短くすることができ、受光信号へのノイズの混入を低減することができ、また、第1の出力部と光出射部との間の配線の長さを短くすることができ、高周波電流の減衰を低減することができ、これによって、EIT信号のSN比を向上させることができ、EIT信号を確実に検出することができる。これにより、高精度な量子干渉装置を提供することができる。
[適用例7]
本発明の電子機器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
[適用例8]
本発明の移動体は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
本発明の実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す模式図である。 アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。 光出射部から出射される2つの光の周波数差と、受光部および受光回路で検出される光の強度との関係を示すグラフである。 図1に示す原子発振器の断面図である。 図1に示す原子発振器が備える光出射部およびガスセルを説明するための模式図である。 図1に示す原子発振器が備える第1基板、第2基板および第3基板を示す斜視図である。 図1に示す原子発振器が備える第1ユニットと、第2ユニットと、第1基板と、その第1基板に設けられた各部とを示す平面図(ブロック図を含む)である。 GPS衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合のシステム構成概要図である。 本発明の移動体の一例を示す図である。
以下、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.原子発振器(量子干渉装置)
まず、本発明の原子発振器(本発明の量子干渉装置を備える原子発振器)について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
<実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す模式図である。また、図2は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図3は、光出射部から出射される2つの光の周波数差と、受光部および受光回路で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図1に示す原子発振器1は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
この原子発振器1は、図1、図4に示すように、光出射側のユニットである第1ユニット2と、光検出側のユニットである第2ユニット3と、ユニット2、3間に設けられた光学部品41、42、43と、ペルチェ素子46と、温度センサー47と、第1ユニット2、第2ユニット3およびペルチェ素子46を制御する制御部6と、第1基板81と、第2基板82と、第3基板83と、支持板(接続部材)7と、これらを収納する外パッケージ5とを備える。
ここで、第1ユニット2は、光出射部21と、ペルチェ素子24と、温度センサー25と、これらを収納する第1パッケージ22とを備える。
また、第2ユニット3は、ガスセル31と、受光部38と、ヒーター(加熱部)33と、温度センサー34と、コイル35と、これらを収納する第2パッケージ(筺体)36とを備える。なお、ペルチェ素子46および温度センサー47は、例えば、第2パッケージ36の所定部位に設けられている。
まず、原子発振器1の原理を簡単に説明する。
図1に示すように、原子発振器1では、光出射部21がガスセル31に向けて励起光LLを出射し、ガスセル31を透過した励起光LLを受光部38および受光回路68で検出する。
ガスセル31内には、ガス状のアルカリ金属(金属原子)が封入されており、アルカリ金属は、図2に示すように、3準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる2つの基底状態(基底状態1、2)と、励起状態との3つの状態をとり得る。ここで、基底状態1は、基底状態2よりも低いエネルギー状態である。
光出射部21から出射された励起光LLは、周波数の異なる2種の共鳴光1、2を含んでおり、この2種の共鳴光1、2を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光1の周波数ω1と共鳴光2の周波数ω2との差(ω1−ω2)に応じて、共鳴光1、2のアルカリ金属における光吸収率(光透過率)が変化する。
そして、共鳴光1の周波数ω1と共鳴光2の周波数ω2との差(ω1−ω2)が基底状態1と基底状態2とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態1、2から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光1、2は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をCPT現象または電磁誘起透明化現象(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)と呼ぶ。
例えば、光出射部21が共鳴光1の周波数ω1を固定し、共鳴光2の周波数ω2を変化させていくと、共鳴光1の周波数ω1と共鳴光2の周波数ω2との差(ω1−ω2)が基底状態1と基底状態2とのエネルギー差に相当する周波数ω0に一致したとき、受光部38および受光回路68の検出強度は、図3に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をEIT信号(原子共鳴信号)として検出する。このEIT信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなEIT信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
以下、本実施形態の原子発振器1の具体的な構成について説明する。
図4は、図1に示す原子発振器の断面図、図5は、図1に示す原子発振器が備える光出射部およびガスセルを説明するための模式図、図6は、図1に示す原子発振器が備える第1基板、第2基板および第3基板を示す斜視図、図7は、図1に示す原子発振器が備える第1ユニットと、第2ユニットと、第1基板と、その第1基板に設けられた各部とを示す平面図(ブロック図を含む)である。なお、図4の断面は、図6および図7中のA−A線での断面である。また、以下では、説明の便宜上、図4〜図6中の上側を「上」、下側を「下」という。また、図7では、説明の便宜上、互いに直交する2つの軸として、X軸およびY軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」とする。また、以下では、説明の便宜上、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」といい、また、+Y方向側(図7の上側)を「上」、−Y方向側(図7の下側)を「下」という。なお、X軸方向は、励起光LLの軸aに平行な方向であり、Y軸方向は、励起光LLの軸aに直交する方向またはその軸aに直交する方向と平行な方向である。また、図7には、配線の一部のみが矢印で図示されている。
原子発振器1は、図1および図4に示すように、制御部6が分散して実装された第1基板81、第2基板82および第3基板83と、第1ユニット2および第2ユニット3を同一面側で支持する支持板7とを備える。
第1ユニット2、第2ユニット3、ペルチェ素子46および温度センサー47は、第1基板81、第2基板82および第3基板83の配線(図示せず)、フレキシブルなコネクター(図示せず)、第1基板81、第2基板82、第3基板83に設けられたコネクター(図示せず)等を介して制御部6に電気的に接続されている。そして、第1ユニット2、第2ユニット3およびペルチェ素子46は、制御部6により駆動制御される。
以下、原子発振器1の各部を順次詳細に説明する。
(第1ユニット)
前述したように、第1ユニット2は、光出射部21と、ペルチェ素子24と、温度センサー25と、これらを収納する第1パッケージ22とを備える。
[光出射部]
光出射部21は、ガスセル31中のアルカリ金属原子を励起する励起光LLを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部21は、前述したような周波数の異なる2種の光(共鳴光1および共鳴光2)を含む光を励起光LLとして出射するものである。
共鳴光1の周波数ω1は、ガスセル31中のアルカリ金属を前述した基底状態1から励起状態に励起(共鳴)し得るものである。
また、共鳴光2の周波数ω2は、ガスセル31中のアルカリ金属を前述した基底状態2から励起状態に励起(共鳴)し得るものである。
この光出射部21としては、前述したような励起光LLを出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)等の半導体レーザー等を用いることができる。
[ペルチェ素子]
ペルチェ素子(温度調節素子)24は、光出射部21を加熱、冷却する機能を有する。これにより、光出射部21は、所定温度に温度調節される。なお、光出射部21の温度を調節する温度調節素子としては、ペルチェ素子24に限らず、例えば、発熱抵抗体(ヒーター)等が挙げられる。
このようなペルチェ素子24は、後述する制御部6の光出射部温度制御部64に電気的に接続され、通電制御される。
[温度センサー]
温度センサー25は、光出射部21の温度を検出するものである。そして、この温度センサー25の検出結果に基づいて、前述したペルチェ素子24の駆動が制御される。これにより、光出射部21を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー25の設置位置は、特に限定されず、例えば、光出射部21の外表面上等が挙げられる。
温度センサー25としては、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー25は、後述する制御部6の光出射部温度制御部64に電気的に接続されている。
[第1パッケージ]
第1パッケージ22は、前述した光出射部21、ペルチェ素子24および温度センサー25を収納する。
この第1パッケージ22は、外形形状がブロック状をなす筐体を有し、箱状をなしている。この第1パッケージ22は、外パッケージ5のベースプレート51(図4参照)に固定(接続)された支持板7に搭載されている。
また、第1パッケージ22は、光出射部21、ペルチェ素子24および温度センサー25を内部で直接的または間接的に支持する。
また、第1パッケージ22からは、例えば、複数のリード(図示せず)が突出しており、これらは、配線を介して光出射部21、ペルチェ素子24および温度センサー25に電気的に接続されている。そして、前記各リードは、図示しないコネクター等で第1基板81、第2基板82および第3基板83の所定の基板と電気的に接続されている。このコネクターとしては、例えば、フレキシブル基板や、ソケット状をなすもの等を用いることとができる。
また、第1パッケージ22の第2ユニット3側の壁部には、窓部23が設けられている。この窓部23は、ガスセル31と光出射部21との間の光軸(励起光LLの軸a)上に設けられている。そして、窓部23は、前述した励起光LLに対して透過性を有する。
本実施形態では、窓部23は、レンズである。これにより、励起光LLを無駄なくガスセル31へ照射することができる。また、窓部23は、励起光LLを平行光とする機能を有する。すなわち、窓部23はコリメートレンズであり、内部空間Sにおける励起光LLは平行光である。これにより、内部空間Sに存在するアルカリ金属の原子のうち、光出射部21から出射した励起光LLにより共鳴するアルカリ金属の原子の数を多くすることができる。その結果、EIT信号の強度を高めることができる。
なお、窓部23は、励起光LLに対する透過性を有するものであれば、レンズに限定されず、例えば、レンズ以外の光学部品であってもよいし、単なる光透過性の板状部材であってもよい。この場合、前述したような機能を有するレンズは、例えば、後述する光学部品41、42、43と同様、第1パッケージ22および第2パッケージ36との間に設けられていてもよい。
このような第1パッケージ22の窓部23以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。
ここで、第1パッケージ22の窓部23以外の部分が励起光に対して透過性を有する材料で構成されている場合、第1パッケージ22の窓部23以外の部分と窓部23と一体的に形成することができる。また、第1パッケージ22の窓部23以外の部分が励起光に対して透過性を有しない材料で構成されている場合、第1パッケージ22の窓部23以外の部分と窓部23とを別体で形成し、これらを公知の接合方法により接合すればよい。
また、第1パッケージ22内が気密空間であることが好ましい。これにより、第1パッケージ22内を減圧状態または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器1の特性を向上させることができる。
このような第1パッケージ22によれば、光出射部21から第1パッケージ22外への励起光の出射を許容しつつ、光出射部21、ペルチェ素子24および温度センサー25を第1パッケージ22内に収納することができる。
(第2ユニット)
前述したように、第2ユニット3は、ガスセル31と、受光部38と、ヒーター33と、温度センサー34と、コイル35と、これらを収納する第2パッケージ36とを備える。
[ガスセル]
ガスセル31内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル31内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
例えば、ガスセル31は、図5に示すように、柱状の貫通孔311aを有する本体部311と、その貫通孔311aの両開口を封鎖する1対の窓部312、313とを有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間Sが形成されている。
本体部311を構成する材料としては、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や窓部312、313との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。
このような本体部311には、窓部312、313が気密的に接合されている。これにより、ガスセル31の内部空間Sを気密空間とすることができる。
本体部311と窓部312、313との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
また、窓部312、313を構成する材料としては、前述したような励起光LLに対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、シリコン材料、ガラス材料、水晶等が挙げられる。
このような各窓部312、313は、前述した光出射部21からの励起光LLに対する透過性を有している。そして、一方の窓部312は、ガスセル31内へ入射する励起光LLが透過するものであり、他方の窓部313は、ガスセル31内から出射した励起光LLが透過するものである。
このようなガスセル31は、ヒーター33により加熱され、所定温度に温度調節される。
[受光部、受光回路]
受光部38および受光回路68は、ガスセル31内を透過した励起光LL(共鳴光1、2)の強度を検出する機能を有する。この場合、受光部38は、ガスセル31内を透過した励起光LLを受光する機能、すなわち光電変換する機能を有する。また、受光回路68は、受光部38の受光信号、すなわち受光部38から出力された電流を電圧に変換し、その電圧を増幅する機能を有する。すなわち、受光回路68は、電流を電圧に変換する電流電圧変換回路(IV変換回路)を有している。
なお、受光部38としては、上述したような励起光LL受光し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器(受光素子)を用いることができる。
ここで、図7に示すように、第1基板81には、コネクター195が設置されており、このコネクター195と受光部38とは、フレキシブルなコネクター(図示せず)で電気的に接続されている。また、コネクター195と受光回路68とは、第1基板81の配線93で電気的に接続されている。前記コネクター195は、受光部38の受光信号が入力される入力部であり、このコネクター195から入力される前記受光信号は、後述するように受光回路68で処理される。
[ヒーター]
ヒーター33は、前述したガスセル31(より具体的にはガスセル31中のアルカリ金属)を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル31中のアルカリ金属を所望濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター33は、電力の供給により駆動される、すなわち、通電により発熱するものであり、例えば、ガスセル31の外表面上に設けられた発熱抵抗体で構成されている。このような発熱抵抗体は、例えば、プラズマCVD、熱CVDのような化学蒸着法(CVD)、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成される。
ここで、かかる発熱抵抗体は、ガスセル31の励起光LLの入射部または出射部に設けられる場合、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、In33、SnO2、Sb含有SnO2、Al含有ZnO等の酸化物等の透明電極材料で構成される。
なお、ヒーター33は、ガスセル31を加熱することができるものであれば、特に限定されず、ガスセル31に対して非接触であってもよい。また、ヒーター33に代えて、または、ヒーター33と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル31を加熱してもよい。
このようなヒーター33は、後述する制御部6のセル温度制御部62に電気的に接続され、通電制御される。
[温度センサー]
温度センサー34は、ヒーター33またはガスセル31の温度を検出するものである。そして、この温度センサー34の検出結果に基づいて、前述したヒーター33の発熱量が制御される。これにより、ガスセル31内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー34の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター33上であってもよいし、ガスセル31の外表面上であってもよい。
温度センサー34としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー34は、後述する制御部6のセル温度制御部62に電気的に接続されている。
[コイル]
コイル35は、通電により、内部空間Sに励起光LLの軸aに沿った方向(平行な方向)の磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、内部空間Sに存在するアルカリ金属の原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させ、EIT信号の線幅を小さくすることができる。その結果、原子発振器1の発振周波数の精度を高めることができる。
なお、コイル35が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
このコイル35の設置位置は、特に限定されず、図示しないが、例えば、ソレノイド型を構成するようにガスセル31の外周に沿って巻回して設けられていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように1対のコイルをガスセル31を介して対向させてもよい。
このコイル35は、図示しない配線を介して、後述する制御部6の磁場制御部63に電気的に接続されている。これにより、コイル35に通電を行うことができる。
[第2パッケージ]
第2パッケージ36は、前述したガスセル31、受光部38、ヒーター33、温度センサー34およびコイル35を収納する。
第2パッケージ36は、外形形状がブロック状をなす筐体を有し、箱状をなしている。この第2パッケージ36は、外パッケージ5のベースプレート51(図4参照)に固定(接続)された支持板7に搭載されている。
また、第2パッケージ36は、ガスセル31、受光部38、ヒーター33、温度センサー34およびコイル35を内部で直接的または間接的に支持する。
また、第2パッケージ36からは、例えば、複数のリード(図示せず)が突出しており、これらは、配線を介してガスセル31、受光部38、ヒーター33、温度センサー34およびコイル35に電気的に接続されている。そして、前記各リードは、図示しないコネクター等で第1基板81、第2基板82および第3基板83の所定の基板と電気的に接続されている。このコネクターとしては、例えば、フレキシブル基板や、ソケット状をなすもの等を用いることとができる。
また、第2パッケージ36の第1ユニット2側の壁部には、窓部37が設けられている。この窓部37は、ガスセル31と光出射部21との間の光軸(軸a)上に設けられている。そして、窓部37は、前述した励起光に対して透過性を有する。
なお、窓部37は、励起光に対する透過性を有するものであれば、光透過性を有するものに限定されず、例えば、レンズ、偏光板、λ/4波長板等の光学部品であってもよい。
このような第2パッケージ36の窓部37以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。
(ペルチェ素子および温度センサー)
[ペルチェ素子]
ペルチェ素子(温度調節素子)46は、第2パッケージ36を加熱、冷却する機能を有する。これにより、第2パッケージ36は、所定温度に温度調節される。なお、第2パッケージ36の温度を調節する温度調節素子としては、ペルチェ素子46に限らず、例えば、発熱抵抗体(ヒーター)等が挙げられる。
このようなペルチェ素子46は、後述する制御部6のパッケージ温度制御部65に電気的に接続され、通電制御される。
[温度センサー]
温度センサー47は、第2パッケージ36内の温度を検出するものである。そして、この温度センサー47の検出結果に基づいて、前述したペルチェ素子46の駆動が制御される。これにより、第2パッケージ36を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー47の設置位置は、特に限定されず、例えば、第2パッケージ36の外表面上等が挙げられる。
温度センサー47としては、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー47は、後述する制御部6のパッケージ温度制御部65に電気的に接続されている。
(光学部品)
前述したような第1パッケージ22と第2パッケージ36との間には、複数の光学部品41、42、43が配置されている。この複数の光学部品41、42、43は、それぞれ、前述した第1パッケージ22内の光出射部21と、前述した第2パッケージ36内のガスセル31との間の光軸(軸a)上に設けられている。
また、本実施形態では、第1パッケージ22側から第2パッケージ36側へ、光学部品41、光学部品42、光学部品43の順に配置されている。なお、光学部品41、42、43は、それぞれ、外パッケージ5のベースプレート51(図4参照)に設置されている。なお、光学部品41、42、43を保持する方法としては、例えば、ベースプレート51に3つの凹部を設け、各凹部内に光学部品41、42、43をそれぞれ挿入させる方法等が挙げられる。
光学部品41は、λ/4波長板である。これにより、例えば、光出射部21からの励起光が直線偏光である場合、その励起光を円偏光(右円偏光または左円偏光)に変換することができる。
前述したようにコイル35の磁場によりガスセル31内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に少なくなるため、所望のEIT現象を発現する原子数が減少し、所望のEIT信号が小さくなり、その結果、原子発振器1の発振特性の低下をもたらす。
これに対し、前述したようにコイル35の磁場によりガスセル31内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のEIT現象を発現する原子数が増大し、所望のEIT信号が大きくなり、その結果、原子発振器1の発振特性を向上させることができる。
本実施形態では、光学部品41は、円板状をなしている。そのため、後述するようなベースプレート51に形成された図示しない貫通孔に係合した状態で光軸(軸a)に平行な軸線周りに光学部品41を回転させることができる。なお、光学部品41の平面視形状は、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形をなしていてもよい。
このような光学部品41に対して第2ユニット3側には、光学部品42、43が配置されている。
光学部品42、43は、それぞれ、減光フィルター(NDフィルター)である。これにより、ガスセル31に入射する励起光LLの強度を調整(減少)させることができる。そのため、光出射部21の出力が大きい場合でも、ガスセル31に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品41により円偏光に変換された励起光の強度を光学部品42、43により調整する。
本実施形態では、光学部品42、43は、それぞれ、板状をなしている。また、光学部品42、43の平面視形状は、それぞれ、円形をなしている。そのため、後述するようなベースプレート51に形成された図示しない貫通孔に係合した状態で光軸(軸a)に平行な軸線周りに光学部品42、43をそれぞれ回転させることができる。
なお、光学部品42、43の平面視形状は、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形をなしていてもよい。
また、光学部品42および光学部品43は、互いに減光率が等しくてもよいし異なっていてもよい。
また、光学部品42、43は、それぞれ、上側と下側とで連続的または段階的に減光率の異なる部分を有していてもよい。この場合、光学部品42、43を外パッケージ5に対して上下方向での位置を調整することにより、励起光の減光率を調整することができる。
また、光学部品42、43は、それぞれ、周方向で連続的または断続的に減光率が異なる部分を有していてもよい。この場合、光学部品42、43を回転させることにより、励起光の減光率を調整することができる。なお、この場合、光学部品42、43の回転中心が軸aに対してずれていればよい。
なお、この光学部品42、43のうちのいずれか一方の光学部品を省略してもよい。また、光出射部21の出力が適度である場合、光学部品42、43の双方を省略することができる。
また、光学部品41、42、43は、前述した種類、配置順、数等に限定されない。例えば、光学部品41、42、43は、それぞれ、λ/4波長板または減光フィルターに限定されず、レンズ、偏光板等であってもよい。
(外パッケージ)
図4に示すように、外パッケージ5は、支持板7および光学部品41〜43を支持するベースプレート(基板)51と、ベースプレート51に対して、第1ユニット2、第2ユニット3、第1基板81、第2基板82、第3基板83、支持板7および光学部品41〜43等の各収納物を覆うように設けられたカバー部材52とを有している。また、ベースプレート51とカバー部材52とは、例えば、図示しない接着剤等により固定されている。
第1基板81、第2基板82および第3基板83は、互いに離間して、その厚さ方向(図4中の上下方向)に並んだ状態で、複数の導電性ピン18でベースプレート51から離間して保持されている。
各導電性ピン18は、ベースプレート51を貫通しての外パッケージ5の外側に突出しており、この突出した部分で外部と、第1基板81、第2基板82および第3基板83とを直接または間接的に電気的に接続している。
外パッケージの構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。
(支持板)
図4に示すように、支持板7は、第1ユニット2を支持する第1板状部71と、第2ユニット3を支持する第2板状部72と、第1板状部71と第2板状部72とを連結する一対の連結部73とを有している。第2板状部72は、第1板状部71よりも上側、すなわち第2ユニット3側に位置している。なお、支持板7に貫通孔74が形成されていることで、連結部73が1対形成される。この支持板7は、第1ユニット2と第2ユニット3とを同一面側(上面側)で支持し、かつ、下面側でベースプレート51上に載置(接続)される部材である。
第1板状部71は、上面で第1ユニット2を支持し、その下面がベースプレート51に固定されている。また、第2板状部72は、上面で第2ユニット3を支持している。第2板状部72の下面は、ベースプレート51から離間している。また、貫通孔74の位置に各光学部品41、42、43が配置される。
この支持板7により、第2ユニット3がベースプレート51から離間しているので、ベースプレート51から第2ユニット3への直接的な熱伝達を防止することができる。よって、原子発振器1は信頼性に優れたものとなる。
また、各連結部73は、互いに離間して一対設けられている。これにより、例えば、連結部73が一枚の板片で構成されている場合に比べて、連結部73の断面積を小さくすることができる。これによって、断面積が小さい分、第1板状部71から第2板状部72への熱伝導量を低減することができる。よって、原子発振器1はより信頼性に優れたものとなる。
支持板7の構成材料としては特に限定されず、例えば、セラミックス材料、金属、樹脂等を用いることができるが、これらの中では、金属であるのが好ましい。
(制御部)
図1に示す制御部6は、ヒーター33、コイル35、光出射部21、ペルチェ素子24および46をそれぞれ制御する機能を有する。
本実施形態では、制御部6は、第1基板81、第2基板82および第3基板83に搭載された複数のIC(Integrated Circuit)チップ等で構成されている。
このような制御部6は、図1および図7に示すように、光出射部21の共鳴光1、2の周波数を制御する励起光制御部(光出射部制御部)61と、ガスセル31中のアルカリ金属の温度(ガスセル31の温度)を制御するセル温度制御部62と、ガスセル31に印加する磁場を制御する磁場制御部63と、光出射部21の温度を制御する光出射部温度制御部64と、第2パッケージ36の温度を制御するパッケージ温度制御部65と、掃引回路69と、光出射部21に供給するバイアス電流を生成して光出射部21に出力するバイアス電流生成部56とを有する。
励起光制御部61は、受光部38から出力される受光信号を処理する受光回路68と、水晶発振器(発振回路)13と、水晶発振器の出力端子に電気的に接続された逓倍器611と、逓倍器611に電気的に接続された増幅器・減衰器612とを有する。逓倍器611としては、例えば、PLL(Phase Locked Loop)シンセサイザー回路等を用いることができる。なお、逓倍器611と増幅器・減衰器612とで、光出射部21に供給する高周波電流を生成して光出射部21に出力する高周波電流生成部610が構成される。また、本明細書では、高周波とは、10MHz以上の周波数をいうものとする。
また、バイアス電流生成部56は、電圧を直流電流に変換する機能を有する。すなわち、バイアス電流生成部56は、電圧を直流電流に変換する電圧電流変換回路(VI変換回路)を有している。
ここで、第1基板81には、コネクター194が設置されており、このコネクター194と光出射部21とは、フレキシブルなコネクター(図示せず)で電気的に接続されている。また、コネクター194と高周波電流生成部610とは、第1基板81の配線91で電気的に接続されている。また、コネクター194とバイアス電流生成部56とは、第1基板81の配線92で電気的に接続されている。
前記コネクター194は、高周波電流生成部610で生成された高周波数電流が出力される第1の出力部であるとともに、バイアス電流生成部で生成されたバイアス電流が出力される第2の出力部でもある。このコネクター194から出力されるバイアス電流および高周波数電流は、別々に、または、合成されて、光出射部21に送出される。
また、制御部6は、前記水晶発振器13および前記受光回路68を有し、EIT信号を制御するアナログ回路67と、アナログ回路67および励起光制御部61を制御するデジタル回路66とを備える。なお、アナログ回路67の構成要素と、励起光制御部61の構成要素とは、多くの部分(一部)が重複している。
セル温度制御部62は、温度センサー34の検出結果に基づいて、ヒーター(加熱部)33の駆動を制御する、すなわち、ヒーター33への通電を制御する。これにより、ガスセル31を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御部63は、コイル35が発生する磁場が一定となるように、コイル35への通電を制御する。
また、光出射部温度制御部64は、温度センサー25の検出結果に基づいて、ペルチェ素子24の駆動を制御する、すなわち、ペルチェ素子24への通電を制御する。これにより、光出射部21を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、パッケージ温度制御部65は、温度センサー47の検出結果に基づいて、ペルチェ素子46の駆動を制御する、すなわち、ペルチェ素子46への通電を制御する。これにより、第2パッケージ36を所望の温度範囲内に維持することができる。
ここで、励起光制御部61とアナログ回路67とは、多くの部分が重複しており、ほぼ同じ制御を行うので、以下では、代表的に励起光制御部61の制御を説明する。
励起光制御部61は、前述した受光部38および受光回路68の検出結果に基づいて、光出射部21の駆動(EIT信号)を制御する、すなわち、光出射部21から出射される共鳴光1、2の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部61は、前述した受光部38および受光回路68の検出結果に基づいて、前述した周波数差(ω1−ω2)がアルカリ金属固有の周波数ω0となるように、光出射部21から出射される共鳴光1、2の周波数を制御する。
また、励起光制御部61は、水晶発振器13の発振周波数(共振周波数)を受光部38および受光回路68の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器1の出力信号として出力する。水晶発振器13としては、例えば、電圧制御型水晶発振器等を用いることができる。
ここで、前記水晶発振器13の発振周波数の調整について、具体例として、アルカリ金属固有の周波数ω0が9.2GHzであり、水晶発振器13の発振周波数を10kHzに保持し、その10kHzの信号を原子発振器1の出力信号として出力する場合を例に挙げて説明する。
まず、水晶発振器13から出力された信号(周波数:10kHz)は、逓倍器611で4.6×105倍(周波数:4.6GHz)に逓倍され、増幅器・減衰器612で増幅および減衰され、増幅器・減衰器612から高周波電流として出力される。
一方、バイアス電流生成部56では、電圧が直流電流に変換され、バイアス電流として出力される。
前記高周波電流と前記バイアス電流は、合成され、周波数変調された後、光出射部21に供給される。光出射部21は、その周波数変調された信号で駆動され、前述した励起光LLを出射し、ガスセル31内を透過した励起光LLは、受光部38で受光される、すなわち光電変換される。受光部38から出力された電流は、受光回路68で電圧に変換され、増幅される。すなわち、受光部38および受光回路68において、励起光LLの強度が検出され、励起光制御部61は、この検出結果(EIT信号)に基づいて処理を行う。励起光制御部61の受光回路68では、EIT信号の強度と、予め設定された閾値とを比較し、EIT信号の強度が閾値以上であれば、EIT信号の強度が閾値以上であることを示す信号をデジタル回路66に送信する。なお、受光回路68は、EIT信号の強度が閾値以上であるときは、常に、EIT信号の強度が閾値以上であることを示す信号をデジタル回路66に送信する。そして、デジタル回路66は、前記EIT信号の強度が閾値以上であることを示す信号を受信しているときは、水晶発振器13が10kHzで発振しているものと判定し、掃引回路69を切り離し、水晶発振器13の発振周波数を原子共鳴周波数にロック(固定)する。
しかし、水晶発振器13の水晶が経時的に劣化すること等の理由で、水晶発振器13の発振周波数は、長期間の間には経時的に変化してしまう。したがって、原子共鳴周波数へロックさせるためには、水晶発振器13の発振周波数を掃引回路69により掃引し、EIT信号の出る周波数を見つける必要がある。
水晶発振器13の発振周波数の調整の際は、励起光制御部61は、掃引回路69により水晶発振器13の発振周波数を10kHz付近で変更しつつ、前記のようにして、EIT信号の強度と閾値とを比較し、そのEIT信号の強度が閾値以上になると、EIT信号の強度が閾値以上であることを示す信号をデジタル回路66に送信する。そして、デジタル回路66は、前記EIT信号の強度が閾値以上であることを示す信号を受信すると、水晶発振器13が10kHzで発振しているものと判定し、掃引回路69を切り離して水晶発振器13の発振周波数をロックする。これにより、水晶発振器13が10kHzで発振する状態が保持される。
(電源端子、電源回路、昇圧回路)
図1および図7に示すように、原子発振器1は、第1基板81に設けられ、電源16に電気的に接続された電源端子15を有しており、電源16から電源端子15には、電源電圧が印加されている。電源16から出力される電源電圧は、電源端子15から所定の各部に印加される。なお、電源16は、原子発振器1に内蔵または着脱自在でもよく、また、原子発振器1の外部の電源であってもよい。
また、原子発振器1は、第1基板81に設けられ、電源端子15に電気的に接続された電源回路17を有している。電源回路17では、電源電圧が、所定の種々の大きさに変換され、その各電圧は、所定の各部に印加される。
また、電源端子15および電源回路17は、それぞれ、第1基板81に設けられたコネクター191に電気的に接続されている。前記電源電圧および電源回路17で変換された電圧は、それぞれ、コネクター191および後述するコネクター192(図4参照)を介して第2基板82に設けられた各部に印加され、また、コネクター191、192および後述するコネクター193(図4参照)を介して第3基板83に設けられた各部に印加される。
ここで、コネクター191は、電源端子15の近傍に設けられていることが好ましい。また、電源回路17は、電源端子15の近傍に設けられていることが好ましい。また、電源回路17は、コネクター191の近傍に設けられていることが好ましい。これにより、電源端子15に供給される電流を短い配線で、電源端子15から、第2基板82に設けられた各部、第3基板83に設けられた各部に供給することができる。これによって、電力の損失を低減することができる。
なお、電源端子15と電源回路17との間、電源端子15とコネクター191との間は、それぞれ、例えば、ヒューズ等が設けられていてもよい。
また、原子発振器1は、第3基板83に設けられ、ヒーター33に印加される電圧を昇圧する昇圧回路14を有している。昇圧回路14は、電源端子15とヒーター33との間の電源ラインの途中に位置しており、その昇圧回路14の入力端子は、電源端子15に電気的に接続され、昇圧回路14の出力端子は、ヒーター33に電気的に接続されている。これにより、電源電圧は、昇圧回路14で昇圧されてヒーター33に印加される。これによって、ヒーター33に供給する電力を一定に保持しつつ、ヒーター33を流れる電流を小さくすることができる。これにより、ヒーター33へ通電した際にヒーター33を流れる電流により発生する磁場を小さくでき、その磁場がガスセル31内に悪影響を及ぼすことを防止または抑制することができる。
昇圧回路14としては、電圧を昇圧できるものであれば、特に限定されないが、例えば、スイッチングレギュレーター等のスイッチング機能を有するものが好ましい。スイッチング機能を有する昇圧回路を用いることにより、高効率かつ低コストとすることができる。
また、昇圧回路14としてスイッチング機能を有する昇圧回路を用いる場合、スイッチング周波数は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、10kHz以上、10MHz以下であることが好ましく、100kHz以上、3MHz以下であることがより好ましい。ここで、ヒーター33への通電により発生する磁場は、昇圧回路14のスイッチング周波数に依存する成分を有する。一方、光出射部21は、低周波数(例えば、100Hz程度)で周波数変調された信号で駆動され、励起光LLを出射するので、原子共鳴は、その周波数変調の周波数付近の周波数成分を有する磁場の影響を受け易い。このため、スイッチング周波数は、前記周波数変調の周波数から離間させることが好ましい。したがって、スイッチング周波数が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、そのヒーター33への通電により発生する磁場が原子共鳴へ悪影響を及ぼすこととなる。また、スイッチング周波数が出力周波数に近くなると、例えばノイズが発生するなどして、原子共鳴へ悪影響を及ぼすこととなる。
また、昇圧回路14の電圧の増幅率は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、2倍以上、5倍以下であることが好ましく、3倍以上、4.5倍以下であることがより好ましい。なお、前記電圧の増幅率とは、増幅後の電圧を増幅前の電圧で除した値である。電圧の増幅率が前記下限値よりも小さいと、他の条件によっては、ヒーター33への通電により発生する磁場が大きくなり過ぎることがある。また、電圧の増幅率が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、高耐圧の部材が必要になり、装置の大型化、高コスト化を招くことや、ノイズが大きくなることがある。

また、ヒーター33に供給する電流は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、1.5A以下であることが好ましく、300mA以下であることがより好ましく、1mA以上、300mA以下であることがさらに好ましい。また、ヒーター33に印加する電圧は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、6V以上、15V以下であることが好ましく、8V以上、14V以下であることがより好ましい。
また、昇圧回路14の出力端子は、光出射部21、受光部38、励起光制御部61およびセル温度制御部62、光出射部温度制御部64、パッケージ温度制御部65等の他の部位には電気的に接続されていない。すなわち、この昇圧回路14は、ヒーター33専用のものである。これにより、昇圧回路14の各パラメーターをヒーター33に対して最適になるように自在に設定することができる。
昇圧回路14を設ける効果は、以下の通りである。
まず、電源電圧を小さくすることで消費電力を低減することができる。そして、昇圧回路14でヒーター33に印加される電圧を昇圧することにより、ヒーター33に供給する電力を一定に保持しつつ、ヒーター33を流れる電流を減少させることができ、これにより、ヒーター33への通電によりそのヒーター33で発生する磁場を小さくことができる。これによって、ヒーター33で発生する磁場がガスセル31内に悪影響を及ぼすことを防止または抑制することができ、ガスセル31の内部空間Sに発生させる磁場を安定させることができ、原子発振器1の発振周波数の精度を向上させることができる。また、磁気シールドを簡素化することが可能になる。
(第1基板、第2基板、第3基板)
以下、図1、図4、図6、図7に基づいて、第1基板81、第2基板82、第3基板83について説明する。
第1基板81、第2基板82および第3基板83は、図示しない配線を有し、かかる配線を介して、第1基板81、第2基板82および第3基板83に分散して搭載された制御部6等の各電子部品と、例えば、各コネクター(図示せず)とを電気的に接続する機能を有する。なお、前記各コネクターは、第1ユニット2および第2ユニット3等と、第1基板81、第2基板82および第3基板83とを電気的に接続する部材である。
第1基板81、第2基板82および第3基板83としては、各種プリント配線基板を用いることができるが、リジット部を有する基板、例えば、リジット基板、リジットフレキシブル基板等を用いるのが好ましい。
このような第1基板81、第2基板82および第3基板83の一方の面(図4中上側の面)には、制御部6が分散して設置されている。
すなわち、第1基板81には、電源回路17と、高周波電流生成部610を有する励起光制御部61と、受光回路68を有するアナログ回路67と、バイアス電流生成部56とが設置されている。また、第1基板81には、電源16に電気的に接続された電源端子15と、電源端子15に電気的に接続された電源回路17と、コネクター194および195とが設置されている。
また、第2基板82には、光出射部温度制御部64と、セル温度制御部62と、デジタル回路66とが設置されている。
また、第3基板83には、昇圧回路14と、パッケージ温度制御部65とが設置されている。また、第3基板83には、昇圧回路14が設置されている。
ここで、第1基板81、第2基板82および第3基板83に設けられた各回路(各部)に流れる電流の相対的な大きさを「大」、「中」、「小」の3段階に大別すると、第1基板81の各回路に流れる電流は、「小」、第2基板82の各回路に流れる電流は、「中」、第3基板83の各回路に流れる電流は、「大」である。このように、電流の大きさ(または周波数の大きさ)毎に基板を分けることにより、各回路間の相互の干渉を低減することができる。これにより、例えば、微小なEIT信号を確実に検出することができ、高精度な原子発振器1を提供することができる。
また、図4および図6に示すように、第1基板81、第2基板82および第3基板83の形状は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態は、長方形(矩形)である。
また、第1基板81、第2基板82および第3基板83の寸法は、それぞれ、特に限定されないが、本実施形態は、第1基板81が最も大きく、第2基板82と第3基板83は、同じ大きさである。
また、第1基板81のうち、第2基板82および第3基板83が位置していない部位には、開口811が形成されている。この開口811内には、第1ユニット2および第2ユニット3が配置される。
また、第1基板81、第2基板82および第3基板83は、所定の間隙を隔てて、その厚さ方向に沿って並設されている。この場合、第1基板81と、第2基板82と、第3基板83とは、図中下側から上側に向って、この順序で配置されており、第1基板81と第2基板82とは互いに離間し、第2基板82と第3基板83とは互いに離間している。すなわち、第1基板81と、第2基板82と、第3基板83とは、その厚さ方向から見たとき、すなわち平面視で、少なくとも一部が重なっている。図示の構成では、第2基板82は、平面視で、全体が第1基板81に重なり、第3基板83は、平面視で、全体が第1基板81に重なり、第2基板82と第3基板83とは、平面視で、互いに全体が重なっている。これにより、原子発振器1の小型化を図ることができる。
また、第1基板81には、第1基板81の配線に電気的に接続されたコネクター(第1接続端子)191が設置され、第2基板82には、第2基板82の配線に電気的に接続されたコネクター(第2接続端子)192が設置され、第3基板83には、第3基板83の配線に電気的に接続されたコネクター(第3接続端子)193が設置されている。コネクター191とコネクター192とは、着脱自在に接続されるものであり、互いが接続された状態では、コネクター191とコネクター192とは、電気的にも接続される。同様に、コネクター192とコネクター193とは、着脱自在に接続されるものであり、互いが接続された状態では、コネクター192とコネクター193とは、電気的にも接続される。これにより、コネクター191とコネクター192とが接続され、コネクター192とコネクター193とが接続された状態では、第1基板81と、第2基板82と、第3基板83とが、互いに電気的に接続される。
このようなコネクター191と、コネクター192と、コネクター193とは、第1基板81、第2基板82および第3基板83の厚さ方向から見たとき、すなわち平面視で、重なっている。これにより、電源端子15に供給される電流を、コネクター191、192、193を介し、短い配線で、電源端子15から、第2基板82に設けられた各部、第3基板83に設けられた各部に供給することができる。これによって、電力の損失を低減することができる。
なお、第1基板81と第2基板82と第3基板83の順序は、前記の順序に限定されず、この他、図4および図6中下側から上側に向って、第1基板81、第3基板83、第2基板82の順序、第3基板83、第1基板81、第2基板82の順序、第3基板83、第2基板82、第1基板81の順序、第2基板82、第1基板81、第3基板83の順序、第2基板82、第3基板83、第1基板81の順序が挙げられる。
また、第1基板81、第2基板82、第3基板83には、前記以外の電子部品が搭載されていてもよい。
(第1基板に設置された各部の位置関係)
図7に示すように、まず、光出射部21と、ガスセル31と、受光部38とは、X軸方向に並んでおり、光出射部21は、ガスセル31のX軸方向+側に配置され、受光部38は、ガスセル31のX軸方向−側に配置されている。
そして、受光回路68およびコネクター195は、受光部38のX軸方向−側に配置されている。また、受光回路68およびコネクター195は、光出射部21、ガスセル31および受光部38とX軸方向に並んでおり、X軸方向−側に向って、受光回路68、コネクター195の順序で配置されている。また、コネクター195は、受光部38および受光回路68の近傍であって、第2ユニット3のY軸方向の範囲内に配置されている。
また、バイアス電流生成部56およびコネクター194は、光出射部21のX軸方向+側に配置されている。また、バイアス電流生成部56およびコネクター194は、光出射部21、ガスセル31および受光部38とX軸方向(ガスセル31と光出射部21との並びの方向)に並んでおり、X軸方向+側に向って、コネクター194、バイアス電流生成部56の順序で配置されている。これにより、コネクター195とコネクター194との間に、光出射部21、ガスセル31、受光部38および受光回路68が配置される。
また、高周波電流生成部610は、ガスセル31、光出射部21およびコネクター194とY軸方向に並んでおり、ガスセル31、光出射部21およびコネクター194のY軸方向−側に配置されている。すなわち、高周波電流生成部610は、ガスセル31の中心と光出射部21の中心とを結ぶ直線95からずれている。これにより、高周波電流生成部610が直線95上に配置される場合に比べて、直線95の方向(X軸方向)の寸法を小さくすることができ、小型化を図ることができる。
また、コネクター194は、光出射部21、バイアス電流生成部56および高周波電流生成部610の近傍であって、第2ユニット3のY軸方向の範囲内に配置されている。
また、コネクター194は、高周波電流生成部610よりも光出射部21側に配置されている。
なお、第1基板81の寸法は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、第1基板81の一辺の長さは、100mm以下であることが好ましく、5mm以上、70mm以下であることがより好ましい。これにより、小型の原子発振器1を提供することができる。
また、コネクター194と高周波電流生成部610の出力端子との間の配線91の長さL1は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、5mm以下であることが好ましく、0.5mm以上、3mm以下であることがより好ましい。L1が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、高周波電流の減衰量が大きくなるおそれがある。
また、コネクター194とバイアス電流生成部56の出力端子との間の配線92の長さL2は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、5mm以下であることが好ましく、0.5mm以上、3mm以下であることがより好ましい。L2が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、バイアス電流へのノイズの混入量が大きくなるおそれがある。
また、コネクター195と受光回路68の入力端子との間の配線93の長さL3は、特に限定されず、諸条件により適宜設定されるものであるが、5mm以下であることが好ましく、0.5mm以上、3mm以下であることがより好ましい。L3が前記上限値よりも大きいと、他の条件によっては、受光信号へのノイズの混入量が大きくなるおそれがある。
以上説明したように、原子発振器1によれば、前記の配置、寸法を採用することにより、コネクター195と受光部38との間の配線の長さを短くすることができ、ひいては、受光回路68と受光部38との間の配線の長さを短くすることができ、これにより、受光信号へのノイズの混入を低減することができる。また、コネクター194と光出射部21との間の配線の長さを短くすることができ、ひいては、高周波電流生成部610と光出射部21との間の配線の長さを短くすることができ、これにより、高周波電流の減衰を低減することができ、また、ひいては、バイアス電流生成部56と光出射部21との間の配線の長さを短くすることができ、これにより、バイアス電流へのノイズの混入を低減することができる。これによって、EIT信号のSN比を向上させることができ、EIT信号を確実に検出することができる。これにより、高精度な原子発振器1を提供することができる。
また、前記の配置、寸法を採用することにより、原子発振器1の小型化を図ることができる。
2.電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図8は、GPS衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合のシステム構成概要図である。
図8に示す測位システム100は、GPS衛星200と、基地局装置300と、GPS受信装置400とで構成されている。
GPS衛星200は、測位情報(GPS信号)を送信する。
基地局装置300は、例えば電子基準点(GPS連続観測局)に設置されたアンテナ301を介してGPS衛星200からの測位情報を高精度に受信する受信装置302と、この受信装置302で受信した測位情報をアンテナ303を介して送信する送信装置304とを備える。
ここで、受信装置302は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器1を備える電子装置である。このような受信装置302は、優れた信頼性を有する。また、受信装置302で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置304により送信される。
GPS受信装置400は、GPS衛星200からの測位情報をアンテナ401を介して受信する衛星受信部402と、基地局装置300からの測位情報をアンテナ403を介して受信する基地局受信部404とを備える。
3.移動体
図9は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体1500は、車体1501と、4つの車輪1502とを有しており、車体1501に設けられた図示しない動力源(エンジン)によって車輪1502を回転させるように構成されている。このような移動体1500には、原子発振器1が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の原子発振器(本発明の量子干渉装置)を備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、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)、パーソナルコンピューター(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)、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、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、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)、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
以上、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
また、本発明は、原子発振器(量子干渉装置)の構造は、前述した実施形態の構成に限定されない。
例えば、前述した実施形態では、光出射部と受光部との間にガスセルが配置されている構造を例に説明したが、これに限定されず、例えば、光出射部および受光部をガスセルに対して同じ側に配置し、ガスセルの光出射部および受光部とは反対側の面、または、ガスセルの光出射部および受光部とは反対側に設けられたミラーで反射した光を受光部で検出してもよい。
また、前述した実施形態では、配線を有する基板として、第1基板、第2基板、第3基板の3つを有しているが、これに限定されず、前記基板の数は、1つでもよく、また、2つでもよく、また、4つ以上でもよい。
また、前述した実施形態では、第1ユニットおよび第2ユニットが外パッケージのベースプレート上に設置されている構造を例に説明したが、これに限定されず、例えば、第1ユニットおよび第2ユニットは、第1基板上に設置されていてもよい。
また、前述した実施形態では、波長の異なる2種類の光による量子干渉効果を利用した方式の原子発振器を例に説明したが、これに限定されず、例えば、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式の原子発振器であってもよい。
1‥‥原子発振器 2‥‥第1ユニット 3‥‥第2ユニット 5‥‥外パッケージ 6‥‥制御部 7‥‥支持板 13‥‥水晶発振器 14‥‥昇圧回路 15‥‥電源端子 16‥‥電源 17‥‥電源回路 18‥‥導電性ピン 191‥‥コネクター 192‥‥コネクター 193‥‥コネクター 194‥‥コネクター 195‥‥コネクター 21‥‥光出射部 22‥‥第1パッケージ 23‥‥窓部 24‥‥ペルチェ素子 25‥‥温度センサー 31‥‥ガスセル 33‥‥ヒーター 34‥‥温度センサー 35‥‥コイル 36‥‥第2パッケージ 37‥‥窓部 38‥‥受光部 41‥‥光学部品 42‥‥光学部品 43‥‥光学部品 46‥‥ペルチェ素子 47‥‥温度センサー 51‥‥ベースプレート 52‥‥カバー部材 56‥‥バイアス電流生成部 61‥‥励起光制御部 610‥‥高周波電流生成部 611‥‥逓倍器 612‥‥増幅器・減衰器 62‥‥セル温度制御部 63‥‥磁場制御部 64‥‥光出射部温度制御部 65‥‥パッケージ温度制御部 66‥‥デジタル回路 67‥‥アナログ回路 68‥‥受光回路 69‥‥掃引回路 71‥‥第1板状部 72‥‥第2板状部 73‥‥連結部 74‥‥貫通孔 81‥‥第1基板 811‥‥開口 82‥‥第2基板 83‥‥第3基板 91‥‥配線 92‥‥配線 93‥‥配線 95‥‥直線 100‥‥測位システム 200‥‥GPS衛星 300‥‥基地局装置 301‥‥アンテナ 302‥‥受信装置 303‥‥アンテナ 304‥‥送信装置 311‥‥本体部 311a‥‥貫通孔 312‥‥窓部 313‥‥窓部 400‥‥GPS受信装置 401‥‥アンテナ 402‥‥衛星受信部 403‥‥アンテナ 404‥‥基地局受信部 1500‥‥移動体 1501‥‥車体 1502‥‥車輪 a‥‥軸 LL‥‥励起光 S‥‥内部空間

Claims (7)

  1. アルカリ金属原子が封入されているガスセルと、
    光を前記ガスセルに向けて出射する光出射部と、
    前記ガスセルを透過した前記光を受光して受光信号を出力する受光部と、
    前記受光信号が入力される入力部と、
    前記入力部から出力される前記受光信号を処理する受光回路と、
    周波電流を生成する高周波電流生成部と、
    前記高周波電流生成部から出力された前記高周波電流を前記光出射部に出力する出力部と、
    前記入力部と、前記受光回路と、前記高周波電流生成部と、前記出力部と、が配置されており、前記入力部と前記出力部との間に開口を有する基板と、
    を含み、
    前記開口内に、前記光出射部および前記ガスセルが配置されている、量子干渉装置。
  2. 前記光出射部および前記ガスセルが配置されている、前記開口内に配置された支持板と、
    前記基板および前記支持板が配置されているベースプレートと、
    を含み、
    前記支持板の前記ガスセルが配置されている部分は、前記ベースプレートから離間している、
    請求項1に記載の量子干渉装置。
  3. 前記基板は、導電性ピンによって前記ベースプレートから離間して保持されている、
    請求項2に記載の量子干渉装置。
  4. 記光出射部に供給するバイアス電流を生成するバイアス電流生成部を含み、
    前記出力部は、前記高周波電流と前記バイアス電流とを合成して出力する、
    請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の量子干渉装置。
  5. 前記出力部と前記高周波電流生成部との距離は、前記出力部と前記光出射部との距離よりも大きい、
    請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の量子干渉装置。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
  7. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
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