JP6743410B2 - 量子干渉装置、原子発振器および電子機器 - Google Patents

Description

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。

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（例えば、特許文献１参照）。

量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、気体状のアルカリ金属を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属を共鳴させる共鳴光を出射する光源と、ガスセルを透過した共鳴光を検出する光検出器（受光部）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アルカリ金属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信号を光検出器で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として用いる。

特開２０１３−１２５９０７号公報

しかしながら、特許文献１の原子発振器では、アルカリ金属を共鳴させるための光源として単一モードの光を出射する面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が用いられていた。そのため、複数のモードの光を出射するマルチモード面発光レーザーに比べ、構造上、駆動電圧が高く、静電気破壊耐性が低く、寿命が短いという問題があった。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る量子干渉装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源にマイクロ波を重畳し側波帯を発生させる手段と、アルカリ金属ガスを封入した原子セルと、前記原子セルを透過した光を検出する受光部と、を備え、前記コヒーレント光源は、０次モードおよび複数の高次モードの光を出射する面発光レーザーであり、前記コヒーレント光源と前記原子セルとの間に、前記高次モードの光をカットするモードフィルターを配置していることを特徴とする。

本適用例によれば、コヒーレント光源と原子セルとの間に高次モードをカットするモードフィルターが配置されているため、複数の光を出射する面発光レーザーから出射された０次モードを含む高次モードの光において、０次モードのモード径に比べ、大きいモード径を有する高次モードの光をモードフィルターによりカット又は減衰することができる。そのため、アルカリ金属の共鳴に起因しない不要な高次モードが受光部に入射することで生じるＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。従って、複数の光を出射する面発光レーザー（マルチモード面発光レーザー）を使用することができ、駆動電圧が低く、静電気破壊耐性が高く、寿命が長い量子干渉装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の量子干渉装置において、前記モードフィルターは、前記コヒーレント光源の光軸上にピンホールを有する光遮蔽板であることが好ましい。

本適用例によれば、モードフィルターがコヒーレント光源の光軸上にピンホールを有する光遮蔽板であるため、マルチモード面発光レーザーから出射された０次モードを含む高次モードの光において、モード径の小さい０次モードだけがモードフィルターのピンホールを通過し、アルカリ金属の共鳴に寄与する。また、０次モードに比べモード径の大きい１次モード以上の高次モードの光は、モードフィルターのピンホール周辺に形成された光遮蔽領域により、カット又は減衰することができる。そのため、不要な高次モードの光が受光部に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の量子干渉装置において、前記光遮蔽板には、光遮蔽領域に金属が形成されていることが好ましい。

本適用例によれば、モードフィルターの光遮蔽領域に金属が形成されているため、０次モードに比べモード径の大きい１次モード以上の高次モードの光を反射することができるため、不要な高次モードの光が受光部に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

［適用例４］上記適用例に記載の量子干渉装置において、前記光遮蔽板には、光遮蔽領域に光吸収部材が形成されていることが好ましい。

本適用例によれば、モードフィルターの光遮蔽領域に光吸収部材が形成されているため、０次モードに比べモード径の大きい１次モード以上の高次モードの光を光吸収部材に吸収させることができるため、不要な高次モードの光が受光部に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

［適用例５］上記適用例に記載の量子干渉装置において、前記コヒーレント光源と前記原子セルとの間に配置されていて、前記コヒーレント光源から出射された光を円偏光するλ／４波長板を備えていることが好ましい。

本適用例によれば、λ／４波長板をコヒーレント光源と原子セルとの間に配置することにより、コヒーレント光源から出射された光を直線偏光から円偏光に変換することができるため、ＥＩＴ信号の強度を向上することができる。

［適用例６］上記適用例に記載の量子干渉装置において、前記コヒーレント光源と前記原子セルとの間に配置されていて、前記コヒーレント光源から出射された光の強度を調整する減光フィルターを備えていることが好ましい。

本適用例によれば、減光フィルターをコヒーレント光源と原子セルとの間に配置することにより、コヒーレント光源から出射された光の強度を調整することができるため、ＥＩＴ信号の強度を調整することができる。

［適用例７］本適用例に係る原子発振器は、上記適用例に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、寿命が長く、信頼性に優れた量子干渉装置を備える原子発振器を提
供することができる。

［適用例８］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、寿命が長く、信頼性に優れた量子干渉装置を備える電子機器を提供することができる。

［適用例９］本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、寿命が長く、信頼性に優れた量子干渉装置を備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図。 アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図。 光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフ。 モードフィルターの平面図。 図４中のＡ−Ａ線における断面図。 ガウシアンビームのビーム径Ｗと放射角θとの関係を説明する図。 ガウシアンビームのビーム径Ｗ（ｚ）と出射部からの距離ｚとの関係を示すグラフ。 モードフィルターを通過する０次モードのガウシアンビームを説明する図。 モードフィルターを通過する１次モードのガウシアンビームを説明する図。 図１に示す原子発振器が備える光源制御部を説明するための概略図。 本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）に用いられるモードフィルターの平面図。 図１１中のＢ−Ｂ線における断面図。 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概略構成を示す図。 本発明の移動体の一例を示す図。

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を参照して詳細に説明する。

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、例えば、磁気センサー、量子メモリー等のデバイスにも適用可能である。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。図２は、アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図である。図３は、光源部から出射される２つの光の周波数差と受光部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に示すように、原子セル２（ガスセル）と、コヒーレント光源としての光源部３と、モードフィルター３１と、光学部品３２，３３と、光検出手段としての受光部４と、ヒーター５と、温度センサー６と、磁場発生部７と、制御部８と、を備えている。

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、光源部３が原子セル２に向けて光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した光ＬＬを受光部４が検出する。

原子セル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。アルカリ金属は、図２に示すように、２つの基底準位（第１基底準位および第２基底準位）と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。ここで、第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー状態である。

光源部３は、原子セル２内のアルカリ金属を共鳴させる光ＬＬを出射する。光源部３から出射される光ＬＬには、側波帯（サイドバンド）を発生させる手段としてマイクロ波が重畳されることで、周波数の異なる２種の第１共鳴光および第２共鳴光が含まれる。これら第１共鳴光および第２共鳴光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、第１共鳴光の周波数ω₁と第２共鳴光の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）に応じて、第１共鳴光および第２共鳴光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、第１共鳴光の周波数ω₁と第２共鳴光の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数に一致したとき、第１基底準位および第２基底準位から励起準位への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光および第２共鳴光は、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、光源部３が第１共鳴光の周波数ω₁を固定し、第２共鳴光の周波数ω₂を変化させていくと、第１共鳴光の周波数ω₁と第２共鳴光の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数ω₀に一致したとき、受光部４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信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。

以下、原子発振器１の各部を簡単に説明する。
［原子セル］
原子セル２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、原子セル２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。

［光源部］
コヒーレント光源としての光源部３は、原子セル２内のアルカリ金属を共鳴させる共鳴光対を構成する前述した第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬを出射する機能を有する。

また、光源部３が出射する光ＬＬは、マイクロ波が重畳されることにより生じる第１共鳴光と第２共鳴光とを含んでいる。なお、第１共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属を前述した第１基底準位から励起準位へ励起する光（ｐｒｏｂｅ光）である。一方、第２共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属を前述した第２基底準位から励起準位へ励起する光（ｃｏｕｐｌｉｎｇ光）である。

光源部３は、０次モードおよび複数の高次モードの光を出射する面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）（以後、マルチモード面発光レーザーという）である。マルチモード面発光レーザーは、単一モードの光を出射するシングルモード面発光レーザーに比べ、構造上、駆動電圧が低く、静電気破壊耐性が高く、寿命が長いという特長を有している。しかし、アルカリ金属の共鳴に起因しない不要なモードの光も出射し、原子セル２を透過して受光部４に入射してしまうため、ノイズ成分となり周波数安定度の指標となるＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比を低下させてしまうという問題がある。この問題を回避するために本実施形態では、モードフィルター３１を光源部３と原子セル２との間に配置している。

［モードフィルター］
モードフィルター３１は、光源部３から出射された光ＬＬの高次モードをカットする機能を有する。
図４は、モードフィルターの平面図であり、図５は、図４中のＡ−Ａ線における断面図である。
モードフィルター３１は、光遮蔽板であり、光源部３と原子セル２との間に配置されている。モードフィルター３１は、図４および図５に示すように、ガラスなどの透明部材４２と光遮蔽材となるアルミニウムや銅などの金属４３とで構成され、中央部に金属４３の開口部４０であるピンホールを有している。つまり、開口部４０を除く光遮蔽領域４１に光遮蔽材となる金属４３が形成されている。モードフィルター３１の開口部４０は、光源部３から出射される光ＬＬの光軸上となるように配置され、開口部４０に入射した光ＬＬが通過する。なお、開口部４０の形状は円形が好ましい。

ここで、マルチモード面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である光源部３から出射された光ＬＬの不要な高次モードをカット又は減衰する方法について、図６〜図９を参照して説明する。
図６は、ガウシアンビームのビーム径Ｗと放射角θとの関係を説明する図である。図７は、０次モードのガウシアンビームのビーム径（半径）Ｗ（ｚ）と出射部からの距離ｚとの関係を示すグラフである。図８は、モードフィルターを通過する０次モードのガウシアンビームを説明する図である。図９は、モードフィルターを通過する１次モードのガウシアンビームを説明する図である。

マルチモード面発光レーザーから出射される基本モードは、０次モードのガウシアンビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ）として扱うことができる。なお、ガウシアンビームとは、横モードの電場および強度（放射照度）分布が近似的にガウス分布とみなせる電磁波をいう。
マルチモード面発光レーザーの出射部から出射されたガウシアンビームのビーム径Ｗは、図６に示すように、出射部から離れるにつれて、ビーム径Ｗは大きくなる傾向を示す。これは、次式で計算することができる。なお、ビーム径Ｗとは、ビームの半径をいう。

ここで、Ｗ（ｚ）は出射部からの距離ｚにおけるビーム径であり、λは波長であり、ｚは出射部からの距離であり、Ｗ₀は出射部（ｚ＝０）におけるビーム径である。

上式より出射部からの距離ｚに対するガウシアンビームのビーム径Ｗ（ｚ）を計算したのが図７である。出射部からの距離ｚが大きくなるとガウシアンビームのビーム径Ｗ（ｚ）も大きくなる。つまり、出射部におけるビーム径Ｗ₀を約３μｍとすると出射部からの距離ｚが１ｍｍの時にビーム径Ｗ（ｚ）は約９０μｍとなる。なお、マルチモード面発光レーザーから出射される０次モード以外の１次モード、２次モードなどの複数の高次モードについても同様に、出射部からの距離ｚが大きくなるとビーム径Ｗ（ｚ）は大きくなる。

また、マルチモード面発光レーザーから出射される０次モードと１次モード、２次モードなどの複数の高次モードの光ＬＬは、その電場および強度（放射照度）分布が高次モードとなるにつれ、２次元的に広がりビーム径Ｗ（ｚ）が大きくなる。

そこで、本実施形態では、マルチモード面発光レーザーから出射されるガウシアンビームのビーム径Ｗが出射部から離れるに従い大きくなり、高次モードになると大きくなることから、ピンホールの開口部４０を有するモードフィルター３１を光源部３と原子セル２との間に配置し、ビーム径Ｗの小さい０次モードのみを通過させ、不要な高次モードをカットする方法に思い至った。

マルチモード面発光レーザーから出射された光ＬＬである０次モードのガウシアンビームは、図８に示すように、モードフィルター３１付近ではビーム径Ｗがモードフィルター３１の開口部４０の開口径より小さいため、モードフィルター３１の開口部４０を通過することができる。これに対して、１次モードのガウシアンビームは、図９に示すように、出射部付近ではビーム径Ｗがモードフィルター３１の開口部４０の開口径より大きいため、ほとんどモードフィルター３１の開口部４０を通過することができない。

例え、モードフィルター３１の開口部４０を通過したとしても、１次モードのガウシアンビームは、電場および強度（放射照度）分布が低下し、原子セル２を透過して受光部４へ入射されたとしても、ノイズ成分となり周波数安定度の指標となるＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比を低下させてしまうのを低減することができる。また、１次モードのガウシアンビームのビーム径Ｗより、更に大きいビーム径Ｗを有する高次モードのガウシアンビームは、モードフィルター３１により、その電場および強度（放射照度）分布を十分低下させることができ、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比低下を十分低減することができる。

従って、モードフィルター３１の開口部４０の開口径寸法と、光源部３の出射部からモードフィルター３１までの距離ｚを最適化すれば、ＥＩＴ信号の発生に起因する０次モードのガウシアンビームのみを通過させ、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下の要因となる１次モード以上の高次モードのガウシアンビームの受光部４への入射を十分低減することができる。

［光学部品］
光学部品３２は、λ／４波長板であり、光源部３と原子セル２との間に配置されている。これにより、光源部３から出射されモードフィルター３１を通過した光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。光ＬＬを直線偏光から円偏光に変換することで、ＥＩＴ信号の強度を向上することができる。なお、「円偏光」とは、光波の電場成分または磁場成分の、どちらか一方の振動に着目するとき、その振動方向が光の進行方向に対して垂直な面内で光波の周波数で回転し、振幅がその向きによらず一定である光であり、言い換えれば電場（または磁場）の振動が伝播に伴って円を描く光である。

光学部品３３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）であり、光源部３と原子セル２との間に配置されている。これにより、原子セル２に入射する光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源部３の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する光ＬＬを所望の光量とすることができる。なお、光学部品３３の配置位置は、光源部３とモードフィルター３１との間や光学部品３２と原子セル２との間でも構わない。

［受光部］
光検出手段としての受光部４は、原子セル２内を透過した光ＬＬ（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対）の強度を検出する機能を有する。

この受光部４としては、上述したような光ＬＬの強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、受光した光の強度に応じた信号を出力する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。

［ヒーター］
ヒーター５（加熱部）は、前述した原子セル２（より具体的には原子セル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、原子セル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。

このヒーター５は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。

また、発熱抵抗体を原子セル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体から原子セル２へ伝熱すればよい。

なお、ヒーター５は、原子セル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター５に代えて、または、ヒーター５と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル２を温度調節してもよい。

［温度センサー］
温度センサー６は、ヒーター５または原子セル２の温度を検出する機能を有する。この温度センサー６は、例えば、ヒーター５または原子セル２に接触して配置される。

温度センサー６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。

［磁場発生部］
磁場発生部７は、原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内のアルカリ金属原子の縮退している異なる複数の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。

この磁場発生部７は、例えば、ソレノイド型を構成するように原子セル２の外周に沿って巻回して設けられたコイルで構成されていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。

また、磁場発生部７が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。

［制御部］
制御部８は、光源部３、ヒーター５、および磁場発生部７をそれぞれ制御する機能を有し、光源部３から出射する光ＬＬに側波帯を発生させる手段としマイクロ波を重畳する機能も有している。

この制御部８は、光源部３を制御する光源制御部８２と、原子セル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７からの磁場を制御する磁場制御部８３とを有する。

光源制御部８２は、前述した受光部４の検出結果に基づいて、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する機能を有する。より具体的には、光源制御部８２は、前述した周波数差（ω₁−ω₂）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω₀となるように、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する。

次に、制御部８内の光源制御部８２について、図１０を参照して詳細に説明する。
図１０は、図１に示す原子発振器が備える光源制御部を説明するための概略図である。
光源制御部８２は、周波数制御部８２１と、電圧制御型水晶発振器８２２（ＶＣＸＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）と、位相同期回路８２３（ＰＬＬ：ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）と、を有している。

周波数制御部８２１は、受光部４の受光強度に基づいて原子セル２内のＥＩＴ状態を検出し、その検出結果に応じた制御電圧を出力する。これにより、周波数制御部８２１は、受光部４でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器８２２を制御する。

電圧制御型水晶発振器８２２は、周波数制御部８２１により所望の発振周波数となるように制御され、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度の周波数で発振する。また、電圧制御型水晶発振器８２２の出力信号は、位相同期回路８２３に入力されるとともに、原子発振器１の出力信号として出力される。

位相同期回路８２３は、電圧制御型水晶発振器８２２からの出力信号を周波数逓倍する。これにより、位相同期回路８２３は、前述したアルカリ金属の２つの異なる２つの基底準位のエネルギー差ΔＥに相当する周波数の１／２の周波数で発振する。このように逓倍された信号（高周波信号）は、直流バイアス電流が重畳された上で駆動信号として光源部３に入力される。ここで、直流バイアス電流の電流値は、図示しないバイアス制御部により所定値に制御される。これにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を所望に制御することができる。

なお、光源部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。そのため、光源部３の温度を調整することにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を制御することもできる。

温度制御部８１は、温度センサー６の検出結果に基づいて、ヒーター５への通電を制御する。これにより、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル２は、ヒーター５により、例えば、７０℃程度に温度調節される。

磁場制御部８３は、磁場発生部７が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部７への通電を制御する。

このような制御部８は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。

なお、上記の構成は量子干渉装置として適用が可能であり、少なくとも、気体状のアルカリ金属と、アルカリ金属の２つの基底状態間のエネルギー差ΔＥに相当する周波数差を保持した異なる周波数の共鳴光対を発生させるための光源部３と、共鳴光を検出する受光部４と、アルカリ金属を封入する原子セル２と、を備え、アルカリ金属と共鳴光対を相互作用させて電磁誘起透過現象を発生させる部分を備えている部分を量子干渉装置という。

以上説明したように、原子発振器１では、コヒーレント光源である光源部３と原子セル２との間に高次モードをカットするモードフィルター３１が配置されているため、マルチモード面発光レーザーから出射された０次モードを含む高次モードの光ＬＬにおいて、０次モードのモード径Ｗに比べ、大きいモード径Ｗを有する高次モードの光をモードフィルター３１によりカット又は減衰することができる。そのため、アルカリ金属の共鳴に起因しない不要な高次モードの光が受光部４に入射することで生じるＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。従って、マルチモード面発光レーザー（０次モードおよび複数の高次モードの光を出射する面発光レーザー）を使用することができ、駆動電圧が低く、静電気破壊耐性が高く、寿命が長い量子干渉装置を提供することができる。

また、モードフィルター３１が光源部３の光軸上にピンホールである開口部４０を有する光遮蔽板であるため、光源部３から出射された０次モードを含む高次モードの光ＬＬにおいて、モード径Ｗの小さい０次モードだけがモードフィルター３１の開口部４０を通過し、アルカリ金属の共鳴に寄与する。また、０次モードに比べモード径の大きい１次モード以上の高次モードの光ＬＬは、モードフィルター３１の開口部４０周辺に形成された光遮蔽領域４１により、カット又は減衰することができる。そのため、不要な高次モードの光が受光部４に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

また、モードフィルター３１の光遮蔽領域４１に金属４３が形成されているため、０次モードに比べモード径Ｗの大きい１次モード以上の高次モードの光ＬＬを反射することができるため、不要な高次モードの光が受光部４に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

また、λ／４波長板（光学部品３２）を光源部３と原子セル２との間に配置することにより、光源部３から出射された光ＬＬを直線偏光から円偏光に変換することができるため、ＥＩＴ信号の強度を向上することができる。

また、減光フィルター（光学部品３３）を光源部３と原子セル２との間に配置することにより、光源部３から出射された光ＬＬの強度を調整することができるため、ＥＩＴ信号の強度を調整することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。以下に、第２実施形態について述べる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について、図１１および図１２を参照して説明する。

図１１は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）に用いられるモードフィルターの平面図である。図１２は、図１１中のＢ−Ｂ線における断面図である。

本実施形態は、モードフィルター３１Ａの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１１および図１２において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

モードフィルター３１Ａは、図１１および図１２に示すように、ガラスなどの透明部材４２と光遮蔽材となる光吸収部材４４とで構成され、中央部に光吸収部材４４の開口部４０であるピンホールを有している。つまり、開口部４０を除く光遮蔽領域４１に光吸収部材４４が形成されている。

なお、光吸収部材４４の材料としては、シアニン色素、フタロシアニン色素、およびアゾ化合物などの色素を含むポリカーボネート、エポキシ樹脂、および塩化ビニルなどの樹脂材料が好ましい。

このような構成とすることで、モードフィルター３１Ａの光遮蔽領域４１に光吸収部材４４が形成されているため、光源部３から出射された０次モードを含む高次モードの光ＬＬにおいて、０次モードに比べモード径Ｗの大きい１次モード以上の高次モードの光ＬＬを光吸収部材４４に吸収させることができるため、不要な高次モードの光が受光部４に入射することを低減でき、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比の低下を低減することができる。

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。

以下、本発明の電子機器について説明する。
図１３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概略構成を示す図である。

図１３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。

なお、本発明の電子機器は、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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。

３．移動体
図１４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、移動体としての自動車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。このような自動車１５００には、原子発振器１が内蔵されている。

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、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の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。

１…原子発振器、２…原子セル、３…光源部、４…受光部、５…ヒーター、６…温度センサー、７…磁場発生部、８…制御部、３１，３１Ａ…モードフィルター、３２，３３…光学部品、４０…開口部、４１…光遮蔽領域、４２…透明部材、４３…金属、４４…光吸収部材、８１…温度制御部、８２…光源制御部、８３…磁場制御部、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、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、８２１…周波数制御部、８２２…電圧制御型水晶発振器、８２３…位相同期回路、１５００…自動車、１５０１…車体、１５０２…車輪、ＬＬ…光、Ｗ…ビーム径、ｚ…距離、ΔＥ…エネルギー差、ω₀…周波数、ω₁…周波数、ω₂…周波数。

Claims (6)

1. ０次モードおよび１次モード以上の複数の高次モードの光を出射する面発光レーザーと、
   前記面発光レーザーを駆動するバイアス電流にマイクロ波を重畳し側波帯を発生させる手段と、
   アルカリ金属ガスを封入した原子セルと、
   前記原子セルを透過した光を検出する受光部と、
   前記面発光レーザーと前記原子セルとの間に配置された前記１次モード以上の複数の高次モードの光をカットするモードフィルターと、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記モードフィルターは、前記面発光レーザーの光軸上にピンホールを有する光遮蔽板であることを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記光遮蔽板には、光遮蔽領域に金属が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の量子干渉装置。
4. 前記光遮蔽板には、光遮蔽領域に光吸収部材が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の量子干渉装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする原子発振器。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする電子機器。

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