WO2022009701A1 - 原子周波数取得装置及び原子時計 - Google Patents

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WO2022009701A1
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atomic
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circuit board
laser light
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仁 西野
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株式会社多摩川ホールディングス
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers

Definitions

  • the present invention relates to an atomic frequency acquisition device and an atomic clock using the device.
  • Atomic clocks that oscillate based on the energy transition of alkali metal atoms such as rubidium (Rb) and cesium (Cs) are known as oscillators that have stable oscillation characteristics over a long period of time.
  • alkali metal atoms such as rubidium (Rb) and cesium (Cs)
  • CPT Common Population Trapping
  • a gas cell containing an alkali metal atom in a gaseous state, a light source for resonating the alkali metal atom in the gas cell, and light passing through the gas cell are detected.
  • the light source, the gas cell, and the photodetector are linearly arranged on the arrangement substrate. Therefore, an arrangement member for arranging and arranging these on the arrangement substrate is required, which causes a problem that the manufacturing process is complicated and it is difficult to reduce the size.
  • the present invention has been made based on such a problem, and provides an atomic frequency acquisition device capable of improving mass productivity and miniaturization, and an atomic clock using the same. It is in.
  • the atomic frequency acquisition device of the present invention has a circuit board, a laser light source arranged on the circuit board, and a gas cell arranged on the circuit board and filled with atomic gas, and the gas cell is irradiated with light from the laser light source.
  • the atomic clock of the present invention is provided with the atomic frequency acquisition device of the present invention.
  • a laser light source, a gas cell unit, and a light detector are arranged on a circuit board, and the traveling direction of the light emitted from the laser light source is changed by the first reflecting member and the second reflecting member. Therefore, the laser light source, the gas cell unit, and the light detector can be directly arranged on the circuit board. Therefore, the disposing member for these alignments becomes unnecessary, the manufacturing process can be simplified, mass productivity can be improved, and the size can be reduced.
  • first reflective member and the second reflective member are arranged on the cover member and arranged on the circuit board, the positioning of the first reflective member and the second reflective member can be facilitated, and mass production is possible. The sex can be improved.
  • the gas cell, the magnetic field generating means, and the heating means are sealed by a sealing member and housed in the package member, the gas cell, the magnetic field generating means, and the heating means can be packaged and handled, and the manufacturing process can be performed. Can be simplified and mass productivity can be improved.
  • FIG. 1 It represents the configuration of the atomic frequency acquisition device according to the embodiment of the present invention.
  • the configuration of the gas cell unit of the atomic frequency acquisition device shown in FIG. 1 is shown in an enlarged manner. It represents the ultrafine structure energy level of an atom in CPT resonance. It shows a modification of the atomic frequency acquisition apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows the configuration of the atomic frequency acquisition device 1 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged representation of a part of FIG.
  • the atomic frequency acquisition device 1 is used, for example, as a time standard frequency generation system for a CPT type atomic clock.
  • the atomic frequency acquisition device 1 includes a circuit board 10, a laser light source 20, a gas cell unit 30 having a gas cell 31 filled with atomic gas, and a photodetector 40.
  • the circuit board 10 has conductor wiring formed on or inside a substrate made of an insulating material.
  • the laser light source 20, the gas cell unit 30, and the photodetector 40 are respectively arranged on the circuit board 10, and the laser light source 20 and the photodetector 40 are controlled by a wiring 11 formed on the circuit board 10 (not shown). It is connected to the circuit.
  • the laser light source 20 is for irradiating the gas cell 31 with laser light.
  • the laser light source 20 has, for example, a semiconductor laser 21, and further, a temperature controller 22 such as a Pertier element that adjusts the temperature of the semiconductor laser 21, and a thermistor or the like that controls the drive of the temperature controller 22. It is preferable to have the sensor 23.
  • the semiconductor laser 21 for example, a surface emitting laser (SEL) is preferable, and a vertical cavity surface emitting laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL) is preferably mentioned.
  • the laser light source 21 is preferably disposed, for example, with the light emitting surface facing upward with respect to the circuit board 10 so as to emit light in the direction perpendicular to the circuit board 10.
  • the gas cell unit 30 has, for example, a gas cell 31 irradiated with light from a laser light source 20, a magnetic field generating means 32 for applying a magnetic field to the gas cell 31, and a heating means 33 for heating the gas cell 31.
  • the gas cell 31, the magnetic field generating means 32, and the heating means 33 are arranged, for example, on the gas cell arranging substrate 34, sealed by the sealing member 35, and housed inside the package member 36.
  • the gas cell 31 is filled with an atomic gas containing an alkali metal atom such as Rb or Cs.
  • the alkali metal atomic gas is conceptually shown by a small circle.
  • the gas cell 31 has, for example, a hollow side surface member 31a formed so as to surround the side portion and open at both ends, and a pair of transparent members 31b arranged at both ends of the side surface member 31a. , Atomic gas is enclosed in the internal space surrounded by these. It is preferable that the inside of the gas cell 31 is filled with a buffer gas together with an alkali metal atom.
  • the buffer gas is preferably an inert gas.
  • the inert gas is a rare gas element such as argon (Ar) or neon (Ne), or nitrogen (N 2 ).
  • the side surface member 31a of the gas cell 31 is made of, for example, a semiconductor or a metal, and more preferably made of silicon (Si). This is because it can be used in the MEMS (Micro Electro Electro Mechanical Systems) processing process, and the alkali metal element does not react with silicon.
  • the transparent member 31b is, for example, made of glass, and more preferably made of borosilicate glass.
  • the magnetic field generating means 32 is composed of, for example, a coil and is arranged so as to surround the side portion of the gas cell 31.
  • the heating means 33 is composed of, for example, a heater wire, and is arranged so as to surround the side portion of the gas cell 31.
  • the gas cell arrangement substrate 34 is made of a transparent material such as glass, and is located on one end side of the gas cell 31.
  • the gas cell 31, the magnetic field generating means 32, and the heating means 33 are joined by, for example, a joining layer 34a in which a gold (Au) layer, a tin (Sn) layer, and an Au layer are laminated in this order.
  • a temperature sensor 34b such as a thermistor that controls the drive of the heating means 33 is disposed on the gas cell-arranged substrate 34, and the heating means 33 and the heating means 33 are provided by wiring (not shown) formed on the gas cell-arranged substrate 34. It is electrically connected.
  • the sealing member 35 is, for example, made of a light-transmitting resin, and more preferably made of a transparent synthetic polymer material such as an epoxy resin or an acrylic resin.
  • the package member 36 includes, for example, a hollow ceramic member 36a arranged so as to surround the side portion of the gas cell 31 and having both ends open, an end member 36b arranged on both end sides of the ceramic member 36a, and a ceramic. It is preferable to have a connecting member 36c for connecting the member 36a and the end member 36b. It is preferable that the package member 36 is hermetically sealed and the inside is evacuated.
  • the ceramic member 36a is preferably made of a ceramic material such as aluminum oxide or silicon nitride. This is because the distribution of the magnetic field and the uniformity of temperature can be improved by surrounding the gas cell 31, the magnetic field generating means 32, and the heating means 33 with the ceramic member 36a.
  • a gas cell-arranged substrate 34 is bonded to the ceramic member 36a by, for example, a bonding layer 36d in which an Au layer, a Sn layer, and an Au layer are laminated in this order, whereby the gas cell-arranged substrate 34 is attached to the package member 36. It is supported.
  • the end member 36b is made of a transparent member such as glass.
  • a getter 36e is arranged on one end member 36b.
  • the getter 36e is for remaining in the region sealed by the package member 36 or for adsorbing the gas generated in the region to create a higher vacuum.
  • the connecting member 36c is made of, for example, silicon.
  • the connecting member 36c and the end member 36b are joined by, for example, gold joining or gold tin joining.
  • the connecting member 36c and the ceramic member 36a are joined by, for example, a joining layer 36d in which an Au layer, a Sn layer, and an Au layer are laminated in this order.
  • the gas cell unit 20 is arranged so that, for example, the side surface member 31a of the gas cell 31 lies sideways with respect to the circuit board 10.
  • the transparent member 31b of the gas cell 31 is arranged so as to face the transparent member 31b, that is, the direction in which light passes is laterally oriented with respect to the circuit board 10, specifically parallel to the circuit board 10.
  • the height of the atomic frequency acquisition device 1 can be lowered and the size can be reduced.
  • the gas cell-arranged substrate 34 and the ceramic member 36a are formed with wiring 37 for electrically connecting the magnetic field generating means 32 and the heating means 33 to the wiring 11 of the circuit board 10.
  • the photodetector 40 detects the light emitted from the laser light source 20 and passed through the gas cell 31, and is composed of, for example, a photodiode.
  • the photodetector 40 is preferably arranged with the light receiving surface facing upward with respect to the circuit board 10 so as to receive light in the direction perpendicular to the circuit board 10.
  • the atomic frequency acquisition device 1 also reflects the light emitted from the laser light source 20, the first reflecting member 51 that changes the traveling direction of the light so as to pass through the gas cell 31, and the light that has passed through the gas cell 31. It also includes a second reflective member 52 that changes the traveling direction of the light so that it faces the light detector 40. As a result, the light emitted from the laser light source 20 is reflected by the first reflecting member 51, passes through the gas cell 31, is reflected by the second reflecting member 52, and is received by the photodetector 40. ..
  • the first reflective member 51 and the second reflective member 52 have, for example, a configuration in which the reflective films 51b and 52b are formed on the surfaces of the glass substrates 51a and 52a.
  • the atomic frequency acquisition device 1 is further disposed on the circuit board 10 and includes a laser light source 20, a gas cell unit 30, and a cover member 60 that covers the photodetector 40.
  • the cover member 60 includes, for example, a laser light source storage space 61 for accommodating a laser light source 20, a gas cell unit storage space 62 for accommodating a gas cell unit 30, a light detector storage space 63 for accommodating a light detector 40, and a first reflection member.
  • a first reflection member arrangement space portion 64 in which the 51 is arranged and a second reflection member arrangement space portion 65 in which the second reflection member 52 is arranged are formed.
  • the first reflection member 51 is arranged in the first reflection member arrangement space portion 64
  • the second reflection member 52 is arranged in the second reflection member arrangement space portion 65
  • the cover member 60 is provided on the circuit board.
  • the cover member 60 is formed with an optical path space 66 corresponding to an optical path until the light emitted from the laser light source 20 is received by the photodetector 40, for example.
  • the cover member 60 can be made of, for example, glass, silicon, aluminum, stainless steel, or a composite member formed by joining them.
  • the atomic frequency acquisition device 1 may also include a lens 71 and a wave plate 72 between the laser light source 20 and the gas cell unit 30, if necessary.
  • the cover member 60 is provided with, for example, a lens arrangement space portion 67 in which the lens 71 is arranged and a wave plate arrangement space portion 68 in which the wave plate 72 is arranged.
  • This atomic frequency acquisition device 1 operates as follows, for example.
  • the light emitted from the laser light source 20 goes upward from the circuit board 10, is reflected by the first reflecting member 51, changes the traveling direction in a direction parallel to the circuit board 10, and passes through the gas cell 31. It is reflected by the second reflecting member 52, changes its traveling direction toward the circuit board 10, and is received by the light detector 40. As a result, the alkali metal atom in the gas cell 31 is excited.
  • This atomic frequency acquisition device 1 utilizes the CPT resonance of the alkali metal atom enclosed in the gas cell 31, and the ultrafine structure energy level of the atom in the CPT resonance is, for example, 3 as shown in FIG. It is a level system.
  • 3> level is 6S 1/2 F4 and
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 21 is made to substantially match the transition wavelength 894.35 nm of the D1 line in Cs, and the drive current of the semiconductor laser 21 has a frequency equal to the energy corresponding to the difference between
  • a signal of ⁇ block ) or half the frequency ( ⁇ block / 2) is superimposed, the transition of
  • the ⁇ clock is 9.192 GHz and the ⁇ clock / 2 is 4.596 GHz.
  • the transmitted light intensity by the photodetector 40 becomes the peak of the maximum intensity, and by controlling the frequency of the superimposed signal so that this peak becomes the maximum, it becomes a stable frequency standard.
  • the atomic frequency acquisition device 1 can be manufactured, for example, as follows. First, for example, a laser light source 20, a gas cell unit 30, and a photodetector 40 are arranged on a circuit board 10 on which a necessary circuit is formed. Next, for example, the first reflection member 51 and the second reflection member 52 are respectively arranged in the first reflection member arrangement space portion 64 and the second reflection member arrangement space portion 65 of the cover member 60, and if necessary, The lens 71 is arranged in the lens arrangement space 67, and the wave plate 72 is arranged in the wave plate arrangement space 68. Subsequently, the cover member 60 is arranged on the circuit board 10. As a result, the atomic frequency acquisition device 1 is obtained.
  • the laser light source 20, the gas cell unit 30, and the light detector 40 are arranged on the circuit board 10, and the traveling direction of the light emitted from the laser light source 20 is first reflected. Since the member 51 and the second reflecting member 52 are changed, the laser light source 20, the gas cell unit 30, and the light detector 40 can be directly arranged on the circuit board 10. Therefore, the disposing member for these alignments becomes unnecessary, the manufacturing process can be simplified, mass productivity can be improved, and the size can be reduced.
  • the first reflection member 51 and the second reflection member 52 and if necessary, the lens 71 and the wave plate 72 are arranged on the cover member 60 and arranged on the circuit board 10, the first reflection member 51 and the second reflection member 52 are arranged. Positioning of the reflective member 51, the second reflective member 52, the lens 71, and the wave plate 72 can be facilitated, and the cover member 60 on which these optical components are arranged is attached to the gas cell unit 30 arranged on the circuit board 10. By pressing and arranging, mass productivity can be improved without requiring a high degree of alignment.
  • the gas cell 31, the magnetic field generating means 32, and the heating means 33 are sealed by the sealing member 35 and housed in the package member 36, the gas cell 31, the magnetic field generating means 32, and the heating means 33 are packaged. It can be handled and the manufacturing process can be simplified and mass productivity can be improved.
  • each component is an example and may be different.
  • the lens 71 may be configured by a hemispherical lens.
  • the circuit board 10 may be formed with, for example, a reading circuit element, a signal amplification circuit element, a temperature control circuit element of the gas cell 31, or a magnetic field control circuit element.
  • a part or all of a detection circuit for operating an atomic clock, a PLL (Phase Locked Loop), an oscillator, a modulation circuit, or the like may be formed on the circuit board 10.
  • Atomic frequency acquisition device 10 ... Circuit board, 11 ... Wiring, 20 ... Laser light source, 21 ... Semiconductor laser, 22 ... Temperature controller, 23 ... Temperature sensor, 30 ... Gas cell unit, 31 ... Gas cell, 31a ... Side member , 31b ... transparent member, 32 ... light source generating means, 33 ... heating means, 34 ... gas cell arrangement substrate, 34a ... bonding layer, 34b ... temperature sensor, 35 ... sealing member, 36 ... package member, 36a ... ceramic member, 36b ... end member, 36c ... connecting member, 36d ... bonding layer, 36e ... getter, 37 ... wiring, 40 ... optical detector, 51 ... first reflective member, 51a ...

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Abstract

【課題】量産性を向上させることができ、かつ、小型化することができる原子周波数取得装置、及び、それを用いた原子時計を提供する。 【解決手段】回路基板１０に、レーザー光源２０と、原子ガスを封入したガスセル３１を有するガスセルユニット３０と、光検出器４０とが配設されている。レーザー光源２０から照射された光は第１反射部材５１で反射され、ガスセルを通過するように光の進行方向が変更されてガスセル３１を通過し、第２反射部材５２で反射されて、光検出器４０に向かうように光の進行方向を変更される。

Description

原子周波数取得装置及び原子時計
　本発明は、原子周波数取得装置及びそれを用いた原子時計に関する
　長期的に安定な発振特性が得られている発振器として、ルビジウム（Ｒｂ）やセシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子時計（原子発振器）が知られている。中でも、ＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｐｐｉｎｇ）共鳴効果を利用した方式の原子時計では、小型化が期待できるため、近年、移動通信機器等に搭載することが期待される。
　一般に、ＣＰＴ共鳴のような量子干渉効果を利用した原子時計では、気体状態のアルカリ金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属原子を共鳴させるための光源と、ガスセルを通過した光を検出する光検出器とを備えている（例えば、特許文献１参照）。このように、従来の原子時計では、配置基板の上に、光源と、ガスセルと、光検出器とを直線状に配置している。そのため、配置基板の上にこれらを位置合わせして配設する配設部材が必要であり、製造工程が煩雑であると共に、小型化することが難しいという問題があった。
特願２０１７－２１９４００号公報
　本発明は、このような問題に基づきなされたものであり、量産性を向上させることができ、かつ、小型化することができる原子周波数取得装置、及び、それを用いた原子時計を提供することにある。
　本発明の原子周波数取得装置は、回路基板と、回路基板に配設されたレーザー光源と、回路基板に配設され、原子ガスを封入したガスセルを有し、ガスセルにレーザー光源からの光が照射されるガスセルユニットと、回路基板に配設され、レーザー光源から照射されガスセルを通過した光を検出する光検出器と、レーザー光源から照射された光を反射し、ガスセルを通過するように光の進行方向を変更する第１反射部材と、ガスセルを通過した光を反射し、光検出器に向かうように光の進行方向を変更する第２反射部材とを備えたものである。
　本発明の原子時計は、本発明の原子周波数取得装置を備えたものである。
　本発明によれば、レーザー光源、ガスセルユニット、及び、光検出器を回路基板に配設し、レーザー光源から照射された光の進行方向を第１反射部材、及び、第２反射部材で変更するようにしたので、レーザー光源、ガスセルユニット、及び、光検出器を回路基板に直接配設することができる。よって、これらの位置合わせのための配設部材が不要となり、製造工程を簡素化することができ、量産性を向上させることができると共に、小型化することができる。
　また、第１反射部材及び第２反射部材をカバー部材に配設して回路基板に配設するようにすれば、第１反射部材及び第２反射部材の位置決めを容易にすることができ、量産性を向上させることができる。
　ガスセル、磁界発生手段、及び、加熱手段を封止部材により封止し、パッケージ部材に収納するようにすれば、ガスセル、磁界発生手段、及び、加熱手段をパッケージ化して取り扱うことができ、製造工程を簡素化して量産性を向上させることができる。
本発明の一実施の形態に係る原子周波数取得装置の構成を表すものである。 図１に示した原子周波数取得装置のガスセルユニットの構成を拡大して表すものである。 ＣＰＴ共鳴における原子の超微細構造エネルギー準位を表すものである。 図１示した原子周波数取得装置の変形例を表すものである。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の一実施の形態に係る原子周波数取得装置１の構成を表すものである。図２は、図１の一部を拡大して表すものである。原子周波数取得装置１は、例えば、ＣＰＴ方式の原子時計の時間標準周波数発生システムとして用いられるものである。原子周波数取得装置１は、回路基板１０と、レーザー光源２０と、原子ガスを封入したガスセル３１を有するガスセルユニット３０と、光検出器４０とを備えている。回路基板１０は、絶縁材料よりなる基板の上又は内部に導体の配線が形成されたものである。レーザー光源２０、ガスセルユニット３０、及び、光検出器４０は、それぞれ回路基板１０に配設されており、レーザー光源２０及び光検出器４０は、回路基板１０に形成された配線１１により図示しない制御回路に接続されている。
　レーザー光源２０は、ガスセル３１にレーザー光を照射するためのものである。レーザー光源２０は、例えば、半導体レーザー２１を有しており、更に、半導体レーザー２１の温度を調整するペルティエ素子等の温調器２２、及び、温調器２２の駆動を制御するサーミスタ等の温度センサー２３を有していることが好ましい。
　半導体レーザー２１としては、例えば、面発光レーザー（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ；ＳＥＬ）が好ましく、垂直共振器面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ；ＶＣＳＥＬ）が好ましく挙げられる。半導体レーザー２１は、例えば、バイアス電流に高周波を入力して変調させることでサイドバンドを発生させ、これにより１つの半導体レーザー２１から波長の異なる二つの光を出射し、この二つの光をガスセル３１に通過させることで、量子干渉効果を生じさせるようになっている。レーザー光源２１は、例えば、回路基板１０に対して垂直方向に光を出射するように、光の出射面を回路基板１０に対して上向きとして配設されることが好ましい。
　ガスセルユニット３０は、例えば、レーザー光源２０からの光が照射されるガスセル３１と、ガスセル３１に磁界を印加する磁界発生手段３２と、ガスセル３１を加熱する加熱手段３３を有している。これらガスセル３１、磁界発生手段３２、及び、加熱手段３３は、例えば、ガスセル配設基板３４にそれぞれ配設され、封止部材３５により封止されて、パッケージ部材３６の内部に収納されている。
　ガスセル３１は、内部に、ＲｂやＣｓ等のアルカリ金属原子を含む原子ガスを封入したものである。なお、図面では、アルカリ金属原子ガスを小丸で概念的に示している。ガスセル３１は、例えば、側部を囲むように形成され両端が開口された中空状の側面部材３１ａと、この側面部材３１ａの両端にそれぞれ配設された一対の透明部材３１ｂとを有しており、これらに囲まれた内部空間に原子ガスが封入されている。ガスセル３１の内部には、アルカリ金属原子と共に、緩衝ガスが封入されていることが好ましい。緩衝ガスとしては、不活性ガスが好ましく挙げられる。不活性ガスは、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）等の希ガス類元素、又は、窒素（Ｎ２）である。ガスセル３１の側面部材３１ａは、例えば、半導体又は金属により構成され、中でも、シリコン（Ｓｉ）により構成することが好ましい。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）加工プロセスに対応することができ、また、アルカリ金属元素がシリコンと反応をしないためである。透明部材３１ｂは、例えば、ガラスにより構成され、中でも、ホウケイ酸ガラスにより構成されることが好ましい。
　磁界発生手段３２は、例えば、コイルにより構成され、ガスセル３１の側部周囲を囲むように配設されている。加熱手段３３は、例えば、ヒーター線により構成され、ガスセル３１の側部周囲を囲むように配設されている。ガスセル配設基板３４は、例えば、ガラス等の透明材料により構成され、ガスセル３１の一方の端部側に位置している。ガスセル３１、磁界発生手段３２、及び、加熱手段３３は、例えば、金（Ａｕ）層、スズ（Ｓｎ）層、及び、Ａｕ層を順に積層した接合層３４ａにより接合されている。ガスセル配設基板３４には、例えば、加熱手段３３の駆動を制御するサーミスタ等の温度センサー３４ｂが配設されており、ガスセル配設基板３４の上に形成された図示しない配線により加熱手段３３と電気的に接続されている。封止部材３５は、例えば、光透過性を有する樹脂により構成され、具体的には、エポキシ樹脂又はアクリル樹脂等の透明合成高分子材料により構成することが好ましい。
　パッケージ部材３６は、例えば、ガスセル３１の側部周囲を囲むように配設され両端が開口された中空状のセラミック部材３６ａと、セラミック部材３６ａの両端側に配設された端部材３６ｂと、セラミック部材３６ａと端部材３６ｂとを接続する接続部材３６ｃとを有していることが好ましい。パッケージ部材３６は密閉されており、内部は真空とされていることが好ましい。セラミック部材３６ａは、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素等のセラミック材料により構成されることが好ましい。セラミック部材３６ａでガスセル３１、磁界発生手段３２、及び、加熱手段３３を囲むことにより、磁場の分布及び温度の均一性を向上させることができるからである。セラミック部材３６ａには、例えば、Ａｕ層、Ｓｎ層、及び、Ａｕ層を順に積層した接合層３６ｄによりガスセル配設基板３４が接合されており、これにより、ガスセル配設基板３４はパッケージ部材３６に支持されている。
　端部材３６ｂは、例えば、ガラス等の透明部材により構成されている。一方の端部材３６ｂには、例えば、ゲッター３６ｅが配設されている。ゲッター３６ｅは、パッケージ部材３６で封止されている領域に残るもしくは、領域内で発生した気体を吸着し、より高真空にするためのものである。それにより、加熱手段３３からの熱を真空遮断することができ、低消費電力化が達成できる。接続部材３６ｃは、例えば、シリコンにより構成されている。接続部材３６ｃと端部材３６ｂとは、例えば、金接合や金スズ接合により接合されている。接続部材３６ｃとセラミック部材３６ａとは、例えば、Ａｕ層、Ｓｎ層、及び、Ａｕ層を順に積層した接合層３６ｄにより接合されている。
　ガスセルユニット２０は、例えば、ガスセル３１の側面部材３１ａが回路基板１０に対して横となるように配設されている。具体的には、例えば、ガスセル３１の透明部材３１ｂの対向方向、すなわち、光の通過する方向が回路基板１０に対して横向き、具体的には平行となるように配設されることが好ましい。Ｓ／Ｎ比を高くするためにガスセル３１の光路長を長くする場合、ガスセル３１の側面部材３１ａを回路基板１０に対して縦にすると、原子周波数取得装置１の高さが高くなってしまうのに対して、ガスセル３１の側面部材３１ａを回路基板１０に対して横にすれば、原子周波数取得装置１の高さを低くすることができ、小型化することができるからである。なお、例えば、ガスセル配設基板３４及びセラミック部材３６ａには、磁界発生手段３２及び加熱手段３３を回路基板１０の配線１１に対して電気的に接続するための配線３７が形成されている。
　光検出器４０は、レーザー光源２０から照射され、ガスセル３１を通過した光を検出するものであり、例えば、フォトダイオードにより構成されている。光検出器４０は、回路基板１０に対して垂直方向の光を受光するように、光の受光面を回路基板１０に対して上向きとして配設されることが好ましい。
　原子周波数取得装置１は、また、レーザー光源２０から照射された光を反射し、ガスセル３１を通過するように光の進行方向を変更する第１反射部材５１と、ガスセル３１を通過した光を反射し、光検出器４０に向かうように光の進行方向を変更する第２反射部材５２とを備えている。これにより、レーザー光源２０から照射された光は第１反射部材５１により反射されてガスセル３１を通過し、第２反射部材５２により反射されて光検出器４０により受光されるように構成されている。第１反射部材５１及び第２反射部材５２は、例えば、ガラス基板５１ａ，５２ａの表面に反射膜５１ｂ，５２ｂが形成された構成を有している。
　原子周波数取得装置１は、更に、回路基板１０に配設され、レーザー光源２０、ガスセルユニット３０、及び、光検出器４０を覆うカバー部材６０を備えていることが好ましい。カバー部材６０には、例えば、レーザー光源２０を収納するレーザー光源収納空間６１、ガスセルユニット３０を収納するガスセルユニット収納空間６２、光検出器４０を収納する光検出器収納空間６３、第１反射部材５１が配設される第１反射部材配設空間部６４、及び、第２反射部材５２が配設される第２反射部材配設空間部６５が形成されている。これにより、第１反射部材配設空間部６４に第１反射部材５１を配設し、第２反射部材配設空間部６５に第２反射部材５２を配設して、カバー部材６０を回路基板１０に配設することにより、第１反射部材５１及び第２反射部材５２の位置決めを容易にすることができるようになっている。また、カバー部材６０には、例えば、レーザー光源２０から出射された光が光検出器４０に受光されるまでの光路に対応して光路空間６６が形成されていることが好ましい。カバー部材６０は、例えば、ガラス、シリコン、アルミニウム、ステンレス等もしくは、それらを接合した複合部材により構成することができる。
　原子周波数取得装置１は、また、必要に応じて、レーザー光源２０とガスセルユニット３０との間に、レンズ７１及び波長板７２を備えていてもよい。この場合、カバー部材６０には、例えば、レンズ７１を配設するレンズ配設空間部６７、及び、波長板７２を配設する波長板配設空間部６８が設けられることが好ましい。
　この原子周波数取得装置１は、例えば、次のように動作する。レーザー光源２０から出射された光は、例えば、回路基板１０から上に向かい、第１反射部材５１で反射され、進行方向を回路基板１０に対して平行方向に変え、ガスセル３１を通過して、第２反射部材５２で反射され、進行方向を回路基板１０に向かう方向に変え、光検出器４０に受光される。これにより、ガスセル３１内のアルカリ金属原子が励起される。
　この原子周波数取得装置１は、ガスセル３１に封入したアルカリ金属原子のＣＰＴ共鳴を利用するものであり、ＣＰＴ共鳴における原子の超微細構造エネルギー準位は、例えば、図３に示したように、３準位系である。例えば、Ｃｓ原子のＤ１線の遷移（６Ｓ１/２→６Ｐ１/２）の場合、｜１＞準位は６Ｓ１/２Ｆ４であり、｜２＞準位は６Ｓ１/２Ｆ３であり、｜３＞準位は６Ｐ１/２である。半導体レーザー２１の発振波長をＣｓにおけるＤ１ラインの遷移波長８９４．３５ｎｍとほぼ一致させ、半導体レーザー２１の駆動電流に｜１＞準位と｜２＞準位の差に相当するエネルギーと等しい周波数（νｃｌｏｃｋ）か、その半分の周波数（νｃｌｏｃｋ／２）の信号を重畳させると、｜１＞準位→｜３＞準位と｜２＞準位→｜３＞準位の遷移が起こらなくなり暗共鳴（Ｄａｒｋ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）状態になる。ＣｓにおけるＤ１ラインの遷移の場合、νｃｌｏｃｋは９．１９２ＧＨｚであり、νｃｌｏｃｋ／２は４．５９６ＧＨｚである。このとき、光検出器４０による透過光強度は最大強度のピークとなり、このピークが最大となるように重畳信号の周波数を制御することで、安定な周波数標準器となる。
　この原子周波数取得装置１は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、例えば、必要な回路を形成した回路基板１０の上に、レーザー光源２０、ガスセルユニット３０、及び、光検出器４０を配設する。次いで、例えば、カバー部材６０の第１反射部材配設空間部６４及び第２反射部材配設空間部６５に第１反射部材５１及び第２反射部材５２をそれぞれ配設し、必要に応じて、レンズ配設空間部６７にレンズ７１を配設し、波長板配設空間部６８に波長板７２を配設する。続いて、カバー部材６０を回路基板１０に配設する。これにより、原子周波数取得装置１が得られる。
　このように、本実施の形態によれば、レーザー光源２０、ガスセルユニット３０、及び、光検出器４０を回路基板１０に配設し、レーザー光源２０から照射された光の進行方向を第１反射部材５１、及び、第２反射部材５２で変更するようにしたので、レーザー光源２０、ガスセルユニット３０、及び、光検出器４０を回路基板１０に直接配設することができる。よって、これらの位置合わせのための配設部材が不要となり、製造工程を簡素化することができ、量産性を向上させることができると共に、小型化することができる。
　また、第１反射部材５１及び第２反射部材５２、並びに、必要に応じて、レンズ７１及び波長板７２をカバー部材６０に配設して回路基板１０に配設するようにすれば、第１反射部材５１、第２反射部材５２、レンズ７１及び波長板７２の位置決めを容易にすることができ、これら光学部品が配設されたカバー部材６０を回路基板１０に配設されたガスセルユニット３０に押し付けて配設することで、高度なアライメントを必要とせず、量産性を向上させることができる。
　ガスセル３１、磁界発生手段３２、及び、加熱手段３３を封止部材３５により封止し、パッケージ部材３６に収納するようにすれば、ガスセル３１、磁界発生手段３２、及び、加熱手段３３をパッケージ化して取り扱うことができ、製造工程を簡素化して量産性を向上させることができる。
　以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、各構成要素について具体的に説明したが、全ての構成要素を備えなくてもよく、また、他の構成要素を備えていてもよい。
　また、各構成要素の具体的な構成は一例を示したものであり、異なっていてもよい。例えば、図４に示したように、レンズ７１は、半球状レンズにより構成してもよい。更に、回路基板１０には、例えば、読み取り回路素子、信号増幅回路素子、ガスセル３１の温度制御回路素子、又は、磁場制御回路素子が形成されていてもよい。加えて、回路基板１０には、原子時計の動作のための検波回路、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）、発振器、又は、変調回路等の一部または全部が形成されていてもよい。
　１…原子周波数取得装置、１０…回路基板、１１…配線、２０…レーザー光源、２１…半導体レーザー、２２…温調器、２３…温度センサー、３０…ガスセルユニット、３１…ガスセル、３１ａ…側面部材、３１ｂ…透明部材、３２…磁界発生手段、３３…加熱手段、３４…ガスセル配設基板、３４ａ…接合層、３４ｂ…温度センサー、３５…封止部材、３６…パッケージ部材、３６ａ…セラミック部材、３６ｂ…端部材、３６ｃ…接続部材、３６ｄ…接合層、３６ｅ…ゲッター、３７…配線、４０…光検出器、５１…第１反射部材、５１ａ…ガラス基板、５１ｂ…反射膜、５２…第２反射部材、５２ａ…ガラス基板、５２ｂ…反射膜、６０…カバー部材、６１…レーザー光源収納空間、６２…ガスセルユニット収納空間、６３…光検出器収納空間、６４…第１反射部材配設空間部、６５…第２反射部材配設空間部、６６…光路空間、６７…レンズ配設空間部、６８…波長板配設空間部、７１…レンズ、７２…波長板

Claims (4)

  1. 　回路基板と、
    　前記回路基板に配設されたレーザー光源と、
    　前記回路基板に配設され、原子ガスを封入したガスセルを有し、前記ガスセルに前記レーザー光源からの光が照射されるガスセルユニットと、
    　前記回路基板に配設され、前記レーザー光源から照射され前記ガスセルを通過した光を検出する光検出器と、
    　前記レーザー光源から照射された光を反射し、前記ガスセルを通過するように光の進行方向を変更する第１反射部材と、
    　前記ガスセルを通過した光を反射し、前記光検出器に向かうように光の進行方向を変更する第２反射部材と
    　を備えたことを特徴とする原子周波数取得装置。
  2. 　前記回路基板に配設され、前記レーザー光源を収納するレーザー光源収納空間、前記ガスセルユニットを収納するガスセルユニット収納空間、前記光検出器を収納する光検出器収納空間、前記第１反射部材が配設される第１反射部材配設空間部、及び、前記第２反射部材が配設される第２反射部材配設空間部が形成されたカバー部材を備えたことを特徴とする請求項１記載の原子周波数取得装置。
  3. 　前記カスセルユニットは、
    　前記ガスセルと、
    　前記ガスセルに磁界を印加する磁界発生手段と、
    　前記ガスセルを加熱する加熱手段と、
    　前記ガスセル、前記磁界発生手段、及び、前記加熱手段を配設するガスセル配設基板と、
    　前記ガスセル、前記磁界発生手段、及び、前記加熱手段を封止する封止部材と、
    　前記ガスセル配設基板に配設され、前記封止部材により封止された前記ガスセル、前記磁界発生手段、及び、前記加熱手段を内部に収納するパッケージ部材と
    　を有することを特徴とする請求項１記載の原子周波数取得装置。
  4. 　請求項１記載の原子周波数取得装置を備えたことを特徴とする原子時計。
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