(57)【要約】【課題】高い周波数安定性を有することができる原子発振器を提供する。【解決手段】発光素子と、前記発光素子の温度を制御する温度制御素子と、前記発光素子からの光が照射される、アルカリ金属原子が収容される原子セルと、前記原子セルを透過する光を検出する光検出素子と、発振信号を出力する発振器と、前記光検出素子の出力に基づく信号を前記発振器の前記発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する検波回路と、前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する温度制御回路と、前記発光素子を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路を含み、前記電流に前記発振器の前記発振信号に基づく変調電流を重畳して前記発光素子に出力する駆動回路と、を含む、原子発振器。【選択図】図１
2020025166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、
前記発光素子の温度を制御する温度制御素子と、
前記発光素子からの光が照射される、アルカリ金属原子が収容される原子セルと、
前記原子セルを透過する光を検出する光検出素子と、
発振信号を出力する発振器と、
前記光検出素子の出力に基づく信号を、前記発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する検波回路と、
前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する温度制御回路と、
前記発光素子を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路を含み、前記電流に前記発振信号に基づく変調電流を重畳して前記発光素子に出力する駆動回路と、
を含む、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記検波信号は、前記定電流回路に入力されない、原子発振器。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記温度制御回路は、前記発光素子の温度を、前記発光素子がＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御する、原子発振器。
【請求項４】
請求項３において、
前記発光素子の温度を検出する温度検出素子を含み、
前記温度制御回路は、前記温度検出素子の出力を用いて、前記発光素子の温度を、前記発光素子がＥＩＴ信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御する、原子発振器。
【請求項５】
請求項４において、
前記温度制御回路が前記温度検出素子の出力に基づいて前記温度制御素子を制御する速度は、前記温度制御回路が前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する速度よりも大きい、原子発振器。
【請求項６】
原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号が入力される端子と、
を含み、
前記原子発振器は、
発光素子と、
前記発光素子の温度を制御する温度制御素子と、
前記発光素子からの光が照射される、アルカリ金属原子が収容される原子セルと、
前記原子セルを透過する光を検出する光検出素子と、
発振信号を出力する発振器と、
前記光検出素子の出力に基づく信号を前記発振器の前記発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する検波回路と、
前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する温度制御回路と、
前記発光素子を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路を含み、前記電流に前記発振器の前記発振信号に基づく変調電流を重畳して前記発光素子に出力する駆動回路と、を含む、周波数信号生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および周波数信号生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象を利用した原子発振器が提案されている。ＣＰＴ現象を利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）を利用現象した発振器である。ＣＰＴ現象を利用した原子発振器では、光源から出射される光の波長を高精度に制御する必要がある。
【０００３】
光の波長を制御する方法として、例えば、発光波長が一定となるように、光源に供給するバイアス電流を変化させることが考えられる。しかし、バイアス電流の変化に伴って光源の光量も変化するため、ライトシフトを引き起こし周波数安定度が低下してしまう。
【０００４】
例えば特許文献１には、発振周波数のドリフトにより動作電流が設定した範囲の限界に達すると、発振周波数のドリフトを補償するように動作温度を変更し、設定した範囲の中央の動作電流で所定の発振周波数が得られるようにすることが記載されている。特許文献１に記載の技術を原子発振器に適用すると、動作電流を設定した範囲内に留めることができるので、ライトシフトを低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−７４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、動作電流が限界に達した場合に動作温度を変更し、動作電流を設定した範囲の中央の値とするので、動作電流の値が短時間で急激に変動したり、不連続になったりする可能性がある。そうすると、半導体レーザーの波長が急激に変動する可能性があり、特許文献１に記載の技術を原子発振器に適用すると、原子発振器の発振周波数が急激に変動して、周波数安定性を低下させる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る原子発振器の一態様は、発光素子と、前記発光素子の温度を制御する温度制御素子と、前記発光素子からの光が照射される、アルカリ金属原子が収容される原子セルと、前記原子セルを透過する光を検出する光検出素子と、発振信号を出力する発振器と、前記光検出素子の出力に基づく信号を前記発振器の前記発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する検波回路と、前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する温度制御回路と、前記発光素子を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路を含み、前記電流に前記発振器の前記発振信号に基づく変調電流を重畳して前記発光素子に出力する駆動回路と、を含む。
【０００８】
前記原子発振器の一態様において、前記検波信号は、前記定電流回路に入力されなくてもよい。
【０００９】
前記原子発振器の一態様において、前記温度制御回路は、前記発光素子の温度を、前記
発光素子がＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御してもよい。
【００１０】
前記原子発振器の一態様において、前記発光素子の温度を検出する温度検出素子を含み、前記温度制御回路は、前記温度検出素子の出力を用いて、前記発光素子の温度を、前記発光素子がＥＩＴ信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御してもよい。
【００１１】
前記原子発振器の一態様において、前記温度制御回路が前記温度検出素子の出力に基づいて前記温度制御素子を制御する速度は、前記温度制御回路が前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する速度よりも大きくてもよい。
【００１２】
本発明に係る周波数信号生成システムの一態様は、原子発振器と、前記原子発振器からの周波数信号が入力される端子と、を含み、前記原子発振器は、光を出射する発光素子と、前記発光素子の温度を制御する温度制御素子と、アルカリ金属原子が収容される原子セルと、前記原子セルを透過する光を検出する光検出素子と、発振信号を出力する発振器と、前記光検出素子の出力に基づく信号を前記発振器の前記発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する検波回路と、前記検波信号に基づいて前記温度制御素子を制御する温度制御回路と、前記発光素子を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路を含み、前記電流に前記発振器の前記発振信号に基づく変調電流を重畳して前記発光素子に出力する駆動回路と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】実施形態に係る原子発振器の原子セル内におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態を説明するための図。
【図３】実施形態に係る原子発振器において、発光素子から出射される２つの光の周波数差と、光検出素子で検出される光の強度と、の関係を示すグラフ。
【図４】実施形態に係る原子発振器の発光素子の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す図。
【図５】実施形態に係る原子発振器の動作を説明するためのフローチャート。
【図６】実施形態に係る原子発振器の発光素子の出射光の周波数を掃引した場合に、光検出素子において検出される光の強度を示す図。
【図７】実施形態に係る原子発振器において、位相検波の原理を説明するための図。
【図８】実施形態に係る原子発振器において、位相検波の原理を説明するための図。
【図９】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図１０】実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図１１】実施形態に係る原子発振器の光源ユニットを模式的に示す断面図。
【図１２】経過時間と発光素子に入力される電流との関係を説明するためのグラフ。
【図１３】経過時間と発光素子の温度との関係を説明するためのグラフ。
【図１４】経過時間と発光素子に入力される電流との関係を説明するためのグラフ。
【図１５】経過時間と発光素子の温度との関係を説明するためのグラフ。
【図１６】実施形態の変形例に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図１７】実施形態の変形例に係る原子発振器の光源ユニットを模式的に示す断面図。
【図１８】周波数特性分析器を用いてフィードバックループの利得を測定した結果を説明するためのグラフ。
【図１９】実施形態の変形例に係る原子発振器を模式的に示す平面図。
【図２０】実施形態の変形例に係る原子発振器を模式的に示す断面図。
【図２１】実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００１５】
１．  原子発振器
１．１．  原子発振器の構成
まず、本実施形態に係る原子発振器の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子発振器１００の機能ブロック図である。図２は、本実施形態に係る原子発振器１００の原子セル１２内におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態を説明するための図である。図３は、本実施形態に係る原子発振器１００において、発光素子１０から出射される２つの光の周波数差と、光検出素子１４で検出される光の強度と、の関係を示すグラフである。
【００１６】
原子発振器１００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。量子干渉効果を利用した原子発振器１００は、二重共鳴効果を利用した原子発振器に比べて、小型化を図ることができる。
【００１７】
まず、原子発振器１００の原理を説明する。
【００１８】
原子セル１２には、気体のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属原子が収容されている。
【００１９】
アルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態、すなわち第１の基底状態１および第２の基底状態２と、励起状態と、の３つの状態をとり得る。ここで、第１の基底状態１は、第２の基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２０】
互いに周波数の異なる第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を気体のアルカリ金属原子に照射すると、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２のアルカリ金属原子における光吸収率が変化する。そして、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態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、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属原子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ＥＩＴ現象と呼ぶ。
【００２１】
ここで、例えば、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させると、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω１２に一致したとき、光検出素子１４で検出される光の強度は、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信号と呼ぶ。ＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子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、ＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を実現することができる。
【００２２】
次に、原子発振器１００の構成について説明する。
【００２３】
原子発振器１００は、図１に示すように、例えば、発光素子１０と、原子セル１２と、
光検出素子１４と、電流電圧変換回路１６と、第１検波回路１８と、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）２０と、変調回路２２と、第１低周波発振器２４と、第１周波数変換回路２６と、利得制御回路２８と、第２検波回路３０と、温度制御回路３２と、第２低周波発振器３４と、温度制御素子３６と、駆動回路３８と、第２周波数変換回路４０と、を含む。
【００２４】
発光素子１０は、原子セル１２に向けて光を出射する。発光素子１０は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などである。発光素子１０から出射された光は、図１では図示せぬ減光フィルターや１／４波長板を介して、原子セル１２に入射する。
【００２５】
原子セル１２には、アルカリ金属原子が収容されている。原子セル１２には、発光素子１０からの光が照射される。原子セル１２には、必要に応じて、緩衝ガスがアルカリ金属原子とともに収容されていてもよい。緩衝ガスとしては、例えば、アルゴンやネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが挙げられる。原子セル１２に入射した光の一部は、原子セル１２を透過し、光検出素子１４に入射する。
【００２６】
光検出素子１４は、原子セル１２を透過する光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出素子１４は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）である。光検出素子１４の出力信号は、電流電圧変換回路１６に入力される。
【００２７】
電流電圧変換回路１６は、電流として入力された光検出素子１４の出力信号を、電圧に変換して出力する。電流電圧変換回路１６の出力信号は、第１検波回路１８と第２検波回路３０とに入力される。
【００２８】
第１検波回路１８は、例えば、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い第１周波数で発振する第１低周波発振器２４の第１発振信号を用いて電流電圧変換回路１６の出力信号を検波する。具体的には、第１低周波発振器２４は、１２８Ｈｚで発振する発振信号を出力する。そして、第１検波回路１８の出力信号の大きさに応じて、ＴＣＸＯ２０の発振周波数が微調整される。ＴＣＸＯ２０は、例えば、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ程度で発振する。なお、ＴＣＸＯ２０は一例であり、ＴＣＸＯに代えて各種の電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）を用いることができる。
【００２９】
変調回路２２は、第１検波回路１８による検波を可能とするために、第１検波回路１８に供給される上述の第１発振信号と同じ信号である第１低周波発振器２４の発振信号を変調信号としてＴＣＸＯ２０の出力信号を変調する。変調回路２２は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。
【００３０】
第１周波数変換回路２６は、変調回路２２の出力信号を、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数ω１２の１／２の周波数の信号に周波数変換して利得制御回路２８に出力する。第１周波数変換回路２６は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いて実現することができる。
【００３１】
利得制御回路２８は、第１周波数変換回路２６の出力信号を増幅する。利得制御回路２８は、例えば、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路を用いて実現することができる。
【００３２】
第２検波回路３０は、電流電圧変換回路１６の出力信号、すなわち光検出素子１４の出力に基づく信号を第２低周波発振器３４の第２発振信号を用いて検波し、検波信号を出力
する。第２低周波発振器３４は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い第２周波数で発振する。具体的には、第２低周波発振器３４は、１６Ｈｚで発振する発振信号を出力する。第１周波数と第２周波数とが異なることにより、光検出素子１４の出力に基づく信号に対し２通りの検波を行うことができるので、後述する第１フィードバックループおよび第２フィードバックループを構成することができる。
【００３３】
温度制御回路３２は、第２検波回路３０が出力する検波信号に基づいて温度制御素子３６を制御する。具体的には、温度制御回路３２は、第２検波回路３０が出力する検波信号に基づいて、温度制御素子３６に電圧を出力し、発光素子１０の温度を、発光素子１０がＥＩＴ信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御する。
【００３４】
温度制御素子３６は、温度制御回路３２の出力電圧に基づいて、発光素子１０の温度を制御する。これにより、原子発振器１００は、発光素子１０から出射される出射光の中心波長λ０、すなわち中心周波数ｆ０を制御することができる。温度制御素子３６は、例えば、ペルチェ素子である。
【００３５】
駆動回路３８は、定電流回路３９を含む。定電流回路３９は、発光素子１０を駆動する所定値のバイアス電流を生成する。駆動回路３８は、第２検波回路３０による検波を可能とするために、定電流回路３９が生成したバイアス電流に第２低周波発振器３４の発振信号に基づく変調電流を重畳して、発光素子１０に出力する。変調電流は、第２低周波発振器３４の発振信号であっても、第２低周波発振器３４から位相器等を経由して駆動回路３８に入力される信号であってもよい。第２検波回路３０が出力する検波信号は、定電流回路３９に入力されない。なお、「所定値」は、発光素子１０が半導体レーザーである場合、レーザー発振が起きる閾値以上、発光素子１０の使用最大電流値以下の範囲の値であればよい。
【００３６】
具体的には、駆動回路３８は、変調電流が重畳されたバイアス電流に、利得制御回路２８の出力信号を重畳した駆動電流を生成し、発光素子１０に出力する。これにより、発光素子１０は、中心周波数ｆ０の光とともに、周波数ｆ０±ｆｍの光、すなわち１次サイドバンド光を含む光を発生させる。図４は、発光素子１０の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す図である。図４において、横軸は、光の周波数であり、縦軸は、光の強度である。
【００３７】
原子発振器１００では、発光素子１０、原子セル１２、光検出素子１４、電流電圧変換回路１６、第２検波回路３０、温度制御回路３２、および温度制御素子３６を通る第１フィードバックループにより、発光素子１０の出射光の中心周波数ｆ０が所望の周波数で安定するように発光素子１０の温度が制御される。
【００３８】
さらに、原子発振器１００では、発光素子１０、原子セル１２、光検出素子１４、電流電圧変換回路１６、第１検波回路１８、ＴＣＸＯ２０、変調回路２２、第１周波数変換回路２６、利得制御回路２８、および駆動回路３８を通る第２フィードバックループにより、周波数ｆ０＋ｆｍの光と、周波数ｆ０−ｆｍの光とが、原子セル１２に収容されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように制御される。具体的には、第２フィードバックループにより、周波数ｆ０＋ｆｍの光と周波数ｆ０−ｆｍの光との周波数差が、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数ω１２と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。
【００３９】
このように、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用することで、第２フィードバックループに含まれる、第１周波数変換回路２６の出力信号やＴＣＸＯ２０の出力信号が一定の周波数で安定する。
【００４０】
第２周波数変換回路４０は、ＴＣＸＯ２０の出力信号を周波数変換し、所望の周波数、例えば１０．００ＭＨｚのクロック信号を生成する。このクロック信号が外部出力される。第２周波数変換回路４０は、例えば、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により実現することができる。
【００４１】
１．２．  原子発振器の動作
次に、原子発振器１００の動作について、図面を参照しながら説明する。図５は、原子発振器１００の動作を説明するためのフローチャートである。原子発振器１００は、図１では図示はしないが、原子セル１２を加熱するヒーターと、ヒーターを制御する温度制御部と、を含む。なお、ヒーターについては図１０において符号１３６を付して後述する。
【００４２】
図５に示すように、原子発振器１００に電源が投入されると、温度制御部は、ヒーターを制御して、原子セル１２を加熱する（ステップＳ１０）。
【００４３】
次に、温度制御部は、原子セル１２の近傍に配置された図示せぬ温度センサーの出力信号に基づいて、原子セル１２の温度が所定値に達したか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００４４】
原子セル１２の温度が所定値に達していない場合（ステップＳ１２のＮ）には、温度制御部は、原子セル１２の加熱を続ける。
【００４５】
一方、原子セル１２の温度が所定値に達した場合（ステップＳ１２のＹ）には、温度制御部は、原子セル１２の温度が所定値で維持されるように、ヒーターを制御する。その後、ステップＳ１４に移行する。
【００４６】
ステップＳ１４では、温度制御回路３２は、発光素子１０の温度を掃引し、発光素子１０の温度が、第３吸収帯に対応する温度範囲に含まれるいずれかの温度Ｔ０となるように、温度制御素子３６を制御する（ステップＳ１４）。第３吸収帯については、以下に説明する。
【００４７】
図６は、発光素子１０の出射光の周波数を掃引した場合に、光検出素子１４において検出される光の強度を示す図である。発光素子１０の温度を掃引することにより、出射光の周波数を掃引することができる。
【００４８】
原子発振器１００では、図４に示したように、発光素子１０は、中心周波数ｆ０の光と、周波数がｆ０±ｆｍの１次サイドバンド光の対と、を発生させ、この１次サイドバンド光の対が共鳴光対となる。そのため、発光素子１０の温度を掃引して発光素子１０の出射光の中心周波数ｆ０を掃引すると、図６に示すように、ｆ０＋ｆｍの光のみが吸収される第１吸収帯Ｂ１、ｆ０の光のみが吸収される第２吸収帯Ｂ２、ｆ０＋ｆｍの光とｆ０−ｆｍの光とが吸収される第３吸収帯Ｂ３、ｆ０の光のみが吸収される第４吸収帯Ｂ４、ｆ０−ｆｍの光のみが吸収される第５吸収帯Ｂ５の５つの吸収帯がこの順に観測される。このうち、例えば、第３吸収帯Ｂ３の極小点で、光の強度は、最小値となる。
【００４９】
ステップＳ１４では、発光素子１０の温度が、上記のような第３吸収帯Ｂ３のうちのいずれかの温度Ｔ０となるように、温度制御素子３６を制御する。ステップＳ１４において、発光素子１０の温度の掃引は、発光素子１０に出力されるバイアス電流を、予め設定した値に固定した状態で行われる。
【００５０】
次に、第２低周波発振器３４の発振信号によってバイアス電流を変調し、第２検波回路
３０で第２低周波発振器３４の発振信号を用いて光検出素子１４の出力信号を位相検波することにより、温度制御回路３２は、光検出素子１４が検出する光の強度が最小となるように、温度制御素子３６を制御する（ステップＳ１６）。
【００５１】
図７および図８を用いて位相検波の原理について説明する。図７および図８において、横軸は、発光素子１０の出射光の中心周波数ｆ０であり、縦軸は、光検出素子１４で検出される光の強度である。なお、便宜上、図７および図８では、図６に示した第３吸収帯Ｂ３の一部のみを図示している。
【００５２】
図７に示すように、中心周波数ｆ０が吸収帯の極小点よりも高い方にずれている場合、すなわち、温度Ｔ０が吸収帯の極小点よりも高い方にずれている場合、第２低周波発振器３４の発振信号である、周波数がｆｓの正弦波のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの各点は、光検出素子１４の出力では、それぞれ、ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’，ｅ’の各点として現れるため、光検出素子１４の出力信号にはｆｓの周波数成分が多く含まれる。そのため、第２検波回路３０において、光検出素子１４の出力信号を、この出力信号と位相を揃えた第２低周波発振器３４の発振信号である、周波数がｆｓの矩形波を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’〜ｅ’の信号の極性のみ反転した後、フィルターで積分することで負極性の直流信号を取り出すことができる。温度制御回路３２は、第２検波回路３０の出力電圧が負の場合、温度制御素子３６に印加する電圧を低くして発光素子１０の温度を下げる。これにより、中心周波数ｆ０が低下し、第３吸収帯Ｂ３の極小点に近づく。
【００５３】
図示はしないが、中心周波数ｆ０が吸収帯の極小点よりも低い方にずれている場合は、第２検波回路３０の出力電圧が正となり、温度制御回路３２は、温度制御素子３６に印加する電圧を高くして発光素子１０の温度を上げる。これにより、中心周波数ｆ０が増加し、吸収帯の極小点に近づく。
【００５４】
図８に示すように、中心周波数ｆ０が第３吸収帯Ｂ３の最小点に一致する時は、光検出素子１４の出力信号には２ｆｓの周波数成分が多く含まれ、ｃ’点を中心に信号の波形が左右対称に近くなる。そのため、第２検波回路３０において、光検出素子１４の出力信号を、この信号と位相を揃えた第２低周波発振器３４の発振信号である、周波数がｆｓの矩形波を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’〜ｅ’の信号の極性のみ反転した後、フィルターで積分するとほぼ０となる。第２検波回路３０の出力電圧が０の場合、温度制御回路３２は、温度制御素子３６に印加する電圧を変化させない。これにより、中心周波数ｆ０が変化せず、中心周波数ｆ０を吸収帯の極小点で安定させることができる。
【００５５】
以上のように、ステップＳ１６において、温度制御回路３２は、光検出素子１４が検出する光の強度が最小となるように、温度制御素子３６を制御する。
【００５６】
その後、原子発振器１００は、ループ動作に移行する（ステップＳ１８）。具体的には、上述したように、第１フィードバックループにより、発光素子１０が発生させる光の中心周波数ｆ０が所望の周波数で安定するように発光素子１０の温度が制御される。さらに、第２フィードバックループにより、周波数ｆ０＋ｆｍの光と、周波数ｆ０−ｆｍの光とが、原子セル１２に収容されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように制御される。第２フィードバックループの動作は公知であるので、詳細な説明を省略する。
【００５７】
１．３．  原子発振器の具体的な構成
次に、原子発振器１００の具体的な構成について説明する。図９および図１０は、原子
発振器１００を模式的に示す断面図である。なお、図９は、図１０のＩＸ−ＩＸ線断面図である。また、図９，１０では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
【００５８】
原子発振器１００は、図９および図１０に示すように、光源ユニット１１０と、光学系ユニット１２０と、原子セルユニット１３０と、支持部材１４０と、制御ユニット１５０と、外容器１６０と、を含む。
【００５９】
ここで、図９に示すように、Ｚ軸は、外容器１６０の基体１６２の内面１６２ａの垂線Ｐに沿う軸であり、＋Ｚ軸方向は、内面１６２ａから内面１６２ａ上に配置されている部品へ向かう方向である。Ｘ軸は、光源ユニット１１０から出射された光ＬＬに沿う軸であり、＋Ｘ軸方向は、光ＬＬの進む方向である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸であり、＋Ｙ軸方向は、＋Ｚ軸方向を上、＋Ｘ軸方向を右に向けた時に、手前から奥へ向かう方向である。
【００６０】
光源ユニット１１０は、支持部材１４０に配置されている。光源ユニット１１０は、光源容器１１１と、光源容器１１１が配置されている光源基板１１２と、を有している。ここで、図１１は、光源ユニット１１０を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図１１では、光源基板１１２の図示を省略している。また、図９および図１０では、光源容器１１１を簡略化して図示している。
【００６１】
光源ユニット１１０は、図１１に示すように、発光素子１０と、温度制御素子３６と、これらを収容している光源容器１１１と、を有している。発光素子１０および温度制御素子３６は、制御ユニット１５０と電気的に接続されている。
【００６２】
光源容器１１１は、ベース１１４と、ベース１１４に設けられている凹部の開口を塞ぐリッド１１５と、を有している。光源容器１１１の内部空間Ｓは、減圧状態であることが好ましい。これにより、光源容器１１１内に生じる対流を抑えることができ、光源容器１１１の外部の温度変化が光源容器１１１内の発光素子１０に与える影響を低減することができる。なお、光源容器１１１内は、減圧状態でなくてもよく、また、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
【００６３】
ベース１１４の材質は、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物系セラミックス、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物系セラミックス、炭化珪素等の炭化物系セラミックス等の各種セラミックスなどである。
【００６４】
ベース１１４の外表面には、実装電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃが設けられている。実装電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃは、図示せぬ配線によって、発光素子１０や温度制御素子３６などと電気的に接続されている。実装電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃの材質は、例えば、金、白金、アルミニウム、ニッケルなどである。
【００６５】
ベース１１４とリッド１１５との間には、枠状のシールリング１１６が設けられている。シールリング１１６の材質は、例えば、コバールなどである。シールリング１１６は、例えばろう付けによりベース１１４に接合されている。リッド１１５は、シールリング１１６を介して、シーム溶接等によりベース１１４に接合されている。
【００６６】
リッド１１５は、板状の本体部１１７と、本体部１１７に設けられる筒状の突出部１１８と、突出部１１８の内側に設けられる開口部１１８ａを塞ぐ窓部１１９と、を有している。
【００６７】
本体部１１７には、開口部１１８ａと連通する開口部１１７ａが設けられている。突出部１１８は、本体部１１７から突出して設けられている。本体部１１７および突出部１１８の材質は、例えば、コバールなどである。窓部１１９の材質は、例えば、ガラスなどである。発光素子１０から出射される光ＬＬは、開口部１１７ａ，１１８ａを通過し、窓部１１９を透過して、光源容器１１１の外部に出射される。
【００６８】
窓部１１９の入射面１１９ａは、光ＬＬの光軸Ａに対して、傾斜している。すなわち、入射面１１９ａは、光軸Ａと直交せず、かつ平行ではない。そのため、例えば窓部の入射面が光軸Ａと直交する場合に比べて、光ＬＬが窓部１１９で反射して発光素子１０に戻る光を少なくすることができる。
【００６９】
温度制御素子３６は、ベース１１４に配置されている。温度制御素子３６は、例えば、接着剤により、ベース１１４に固定されている。温度制御素子３６は、基板３６ａ，３６ｂを有するペルチェ素子である。図示の例では、発光素子１０は、基板３６ａに配置されている。
【００７０】
温度制御素子３６は、ペルチェ効果により、基板３６ａ，３６ｂのうち、一方の基板が発熱側、他方が吸熱側となる。温度制御素子３６は、供給される電流の向きにより、基板３６ａが発熱側となるとともに基板３６ｂが吸熱側となる状態と、基板３６ａが吸熱側となるとともに基板３６ｂが発熱側となる状態と、を切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、温度制御素子３６は、発光素子１０を所望の温度に温度調節することができる。また、温度制御素子３６は、発熱および吸熱を行うことができるので、例えばヒーターを用いる場合よりも容易に、温度によって発光素子１０の波長を制御することができる。
【００７１】
光学系ユニット１２０は、図９に示すように、支持部材１４０に配置されている。光学系ユニット１２０は、減光フィルター１２１と、レンズ１２２と、１／４波長板１２３と、これらを保持しているホルダー１２４と、を有している。ホルダー１２４は、例えば、支持部材１４０に固定されている。
【００７２】
ホルダー１２４には、貫通孔１２５が設けられている。貫通孔１２５は、光ＬＬの通過領域である。貫通孔１２５には、減光フィルター１２１、レンズ１２２、および１／４波長板１２３が光源ユニット１１０側からこの順で配置されている。
【００７３】
原子セルユニット１３０は、原子セル１２と、光検出素子１４と、第１保持部材１３３と、第２保持部材１３４と、第１原子セル容器１３５と、ヒーター１３６と、第２原子セル容器１３７と、を有している。
【００７４】
原子セル１２には、図１０に示すように、光ＬＬが通過する第１室１２ａと、第２室１２ｂと、第１室１２ａと第２室１２ｂとを連通する連通部１２ｃと、が設けられている。第１室１２ａには、気体のアルカリ金属原子が存在している。第２室１２ｂは、液体のアルカリ金属原子Ｍが存在している。そのため、第１室１２ａに存在する気体のアルカリ金属原子が原子セル１２の壁との反応等により減少した場合、液体のアルカリ金属原子Ｍが気化して、第１室１２ａに存在する気体のアルカリ金属原子の濃度を一定に保つことができる。原子セル１２の壁の材質は、例えば、ガラスである。なお、原子セル１２の形状は、特に限定されず、例えば、第２室１２ｂおよび連通部１２ｃが設けられていなくてもよい。
【００７５】
光検出素子１４は、第１室１２ａを通過した光を受光する。光検出素子１４は、第１室１２ａに対して発光素子１０とは反対側に配置されている。図示の例では、光検出素子１
４は、第１原子セル容器１３５に配置されている。光検出素子１４は、制御ユニット１５０と電気的に接続されている。
【００７６】
第１保持部材１３３および第２保持部材１３４は、原子セル１２を保持している。保持部材１３３，１３４は、原子セル１３１の外表面に配置されている。保持部材１３３，１３４の熱伝導率は、原子セル１２の壁の熱伝導率および第１原子セル容器１３５の熱伝導率よりも高い。保持部材１３３，１３４の材質は、例えば、アルミニウム、チタン、銅、真鍮などである。
【００７７】
第１保持部材１３３は、ヒーター１３６の熱を、第１室１２ａに収容された気体のアルカリ金属原子に伝える。第１保持部材１３３は、例えば、第１室１２ａを囲むように配置されている。第２保持部材１３４は、第１保持部材１３３と離れて配置されている。第２保持部材１３４は、例えば、液体のアルカリ金属原子Ｍを囲むように配置されている。第２保持部材１３４の温度は、第１保持部材１３３の温度よりも低い。保持部材１３３，１３４は、光ＬＬを通過させる構造を有している。
【００７８】
第１原子セル容器１３５は、原子セル１２、光検出素子１４、および保持部材１３３，１３４を収容している。第１原子セル容器１３５は、略直方体の外形形状を有している。第１原子セル容器１３５には、光ＬＬが通過する貫通孔１３５ａが設けられている。第１原子セル容器１３５の材質は、例えば、パーマロイ、ケイ素鉄などである。このような材料を用いることにより、第１原子セル容器１３５は、外部からの磁場を遮蔽することができる。これにより、外部からの磁場によって原子セル１２内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑え、原子発振器１００の発振特性の安定化を図ることができる。
【００７９】
ヒーター１３６は、例えば、第１原子セル容器１３５の外表面に配置されている。図示の例では、ヒーター１３６は、第１原子セル容器１３５の第１保持部材１３３と接する部分の外表面に配置されている。ヒーター１３６は、第１原子セル容器１３５および第１保持部材１３３を介して、第１室１２ａを加熱する。
【００８０】
第２原子セル容器１３７は、第１原子セル容器１３５およびヒーター１３６を収容している。第２原子セル容器１３７には、光ＬＬが通過する貫通孔１３７ａが設けられている。第２原子セル容器１３７の材質は、例えば、第１原子セル容器１３５と同じである。第２原子セル容器１３７は、外部からの磁場を遮蔽することができる。第１原子セル容器１３５および第２原子セル容器１３７は、例えば、互いに離れて配置されている。そのため、例えば第１原子セル容器１３５と第２原子セル容器１３７とが接触している場合に比べて、外部からの磁場を遮蔽する機能を高めることができる。
【００８１】
なお、図示はしないが、原子セルユニット１３０は、コイルを有している。コイルは、原子セル１２に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。アルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光した共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、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なる。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信号が大きくなる。その結果、原子発振器１００の発振特性を向上させることができる。
【００８２】
支持部材１４０は、図９に示すように、外容器１６０の基体１６２に片持ちで固定されている。図示の例では、支持部材１４０は、基体１６２の台座部１６３に固定されている。支持部材１４０の材質は、例えば、アルミニウム、銅である。支持部材１４０は、炭素繊維を用いたカーボンシートであってもよい。
【００８３】
支持部材１４０には、貫通孔１４２が設けられている。貫通孔１４２は、支持部材１４０をＺ軸方向に貫通している。Ｚ軸方向からみて、原子セルユニット１３０は、貫通孔１４２と重なる様に配置されている。原子セルユニット１３０は、支持部材１４０に支持されている。図示の例では、第１原子セル容器１３５は、スペーサー１４４を介して支持部材１４０に支持されている。スペーサー１４４の材質は、例えば、エンジニアリングプラスチック、液晶ポリマー（ＬＣＰ：Liquid Crystal Polymer）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂である。
【００８４】
制御ユニット１５０は、回路基板１５５を有している。回路基板１５５は、複数のリードピン１５９を介して、外容器１６０の基体１６２に固定されている。回路基板１５５は、図示しないＩＣ（Integrated Circuit）チップが配置されている。ＩＣチップは、例えば、図１に示す電流電圧変換回路１６、検波回路１８，３０、変調回路２２、周波数変換回路２６，４０、利得制御回路２８、温度制御回路３２、および駆動回路３８として機能する。ＩＣチップは、光源ユニット１１０および原子セルユニット１３０と電気的に接続されている。回路基板１５５には、支持部材１４０が挿通されている貫通孔１５６が設けられている。
【００８５】
外容器１６０は、光源ユニット１１０、光学系ユニット１２０、原子セルユニット１３０、支持部材１４０、および制御ユニット１５０を収容している。外容器１６０は、基体１６２と、基体１６２とは別体の蓋体１６４と、を有している。外容器１６０の材質は、例えば、第１原子セル容器１３５と同じである。そのため、外容器１６０は、外部からの磁気を遮蔽することができ、外部からの磁気によって原子セル１２内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑えることができる。外容器１６０の内部は、窒素雰囲気であってもよいし、真空であってもよい。
【００８６】
原子発振器１００は、例えば、以下の効果を有する。
【００８７】
原子発振器１００では、光検出素子１４の出力に基づく信号を第２低周波発振器３４の発振信号を用いて検波し、検波信号を出力する第２検波回路３０と、第２検波回路３０が出力する検波信号に基づいて温度制御素子３６を制御する温度制御回路３２と、発光素子１０を駆動する所定値の電流を生成する定電流回路３９を含み、定電流回路３９で生成された電流に、第２低周波発振器３４の発振信号に応じた変調電流を重畳して発光素子１０に出力する駆動回路３８と、を含む。
【００８８】
そのため、原子発振器１００では、図１２に示すように、例えば、発光素子１０に入力されるバイアス電流を一定とし、図１３に示すように、発光素子１０の温度によって、発光素子１０の出射光の中心周波数ｆ０、すなわち中心波長λ０を制御することができる。これにより、例えば、発光素子の温度を一定とし、図１４に示すように、中心周波数ｆ０を、発光素子に入力されるバイアス電流で制御する場合に比べて、発光素子１０の光量の変化量を小さくすることができる。そのため、ライトシフトを低減させることができる。発光素子１０のような半導体レーザーにおいて、温度によって中心波長λ０をΔλだけ変化させる場合は、バイアス電流によって中心波長λ０をΔλだけ変化させる場合に比べて、半導体レーザーの光量の変化量を１／２０程度に抑えることができる。なお、図１２および図１４は、経過時間と発光素子に入力される電流との関係を説明するためのグラフである。図１３は、経過時間と発光素子の温度との関係を説明するためのグラフである。
【００８９】
さらに、原子発振器１００では、温度制御回路３２は、第２検波回路３０が出力する検波信号に基づいて温度制御素子３６を制御しているので、動作電流の値が短時間で急激に変動したり、不連続になったりし難い。例えば、図１５に示すように、バイアス電流が所
定値に達した時刻Ｔｂに、発光素子の温度を変化させる場合に比べて、動作電流の値が短時間で急激に変動したり、不連続になったりし難い。なお、図１５は、経過時間と発光素子の温度との関係を説明するためのグラフである。
【００９０】
以上により、原子発振器１００は、高い周波数安定性を有することができる。
【００９１】
原子発振器１００では、第２検波回路３０が出力する検波信号は、定電流回路３９に入力されない。そのため、原子発振器１００では、定電流回路３９は、例えば、発光素子１０を駆動するための一定値の電流を生成することができ、ライトシフトを低減させることができる。
【００９２】
原子発振器１００では、温度制御回路３２は、発光素子１０の温度を、発光素子１０がＥＩＴ信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御する。そのため、原子発振器１００では、発光素子１０を駆動するバイアス電流によって発光素子１０の出射光の中心波長λ０を制御しなくてよい。
【００９３】
なお、原子発振器１００は、第１低周波発振器２４および第２低周波発振器３４を含んでいたが、低周波発振器は少なくとも１つあればよい。例えば、本発明に係る原子発振器は、第１検波回路および変調回路に第１発振信号を出力する低周波発振器と、第１発振信号を分周または逓倍して第２発振信号を出力する分周器と、を含み、第２発振信号が、第２検波回路および定電流回路に入力されてもよい。また、例えば、本発明に係る原子発振器は、第２検波回路および定電流回路に第１発振信号を出力する低周波発振器と、第１発振信号を分周または逓倍して第２発振信号を出力する分周器と、を含み、第２発振信号が、第１検波回路および変調回路に入力されてもよい。本発明に係る原子発振器は、第１の周波数の第１発振信号、および、第１の周波数の第２発振信号を出力する少なくとも１つの発振器を含んでいてもよい。
【００９４】
２．  原子発振器の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施形態の変形例に係る原子発振器２００の機能ブロック図である。図１７は、本実施形態の変形例に係る原子発振器２００の光源ユニット１１０を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図１７では、光源基板１１２の図示を省略している。
【００９５】
以下、本実施形態の変形例に係る原子発振器２００において、上述した本実施形態に係る原子発振器１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
【００９６】
原子発振器２００では、図１６および図１７に示すように、温度検出素子４２を含む点において、上述した原子発振器１００と異なる。
【００９７】
温度検出素子４２は、発光素子１０の温度を検出する。図１７に示す例では、温度検出素子４２は、温度制御素子３６の基板３６ａに設けられている。この場合、温度検出素子４２は、基板３６ａの温度を検出することにより、間接的に発光素子１０の温度を検出する。温度検出素子４２は、例えば、サーミスターなどである。
【００９８】
温度制御回路３２は、温度検出素子４２の出力を用いて、発光素子１０の温度を、発光素子１０がＥＩＴ信号の検出に用いる波長の光を出射する温度に制御する。
【００９９】
原子発振器２００では、発光素子１０、原子セル１２、光検出素子１４、電流電圧変換回路１６、第２検波回路３０、温度制御回路３２、および温度制御素子３６を通る第１フィードバックループ、および発光素子１０、温度検出素子４２、温度制御回路３２、およ
び温度制御素子３６を通る第３フィードバックループにより、発光素子１０の出射光の中心周波数ｆ０が所望の周波数で安定するように発光素子１０の温度が制御される。
【０１００】
温度制御回路３２が温度検出素子４２の出力に基づいて温度制御素子３６を制御する速度は、温度制御回路３２が第２検波回路３０が出力する検波信号に基づいて温度制御素子３６を制御する速度よりも大きい。すなわち、第３フィードバックループの速度は、第１フィードバックループの速度よりも大きい。したがって、図１８に示すように、横軸をフィードバックループを伝搬する信号の周波数とし、縦軸をループの利得とすると、第３フィードバックループの利得は、第１フィードバックループの利得よりも大きくなる。
【０１０１】
なお、図１８は、周波数特性分析器 （ＦＲＡ：Frequency Response Analyzer）を用いてフィードバックループの利得を測定した結果を説明するためのグラフである。ＦＲＡを用いることにより、第１フィードバックループの速度と第３フィードバックループの速度との大小関係を知ることができる。
【０１０２】
温度制御回路３２は、第２検波回路３０の検出信号に基づいて、発光素子１０の温度が所定の温度、例えば３５℃となるように、温度制御素子３６を制御する。原子発振器２００の動作中に、外乱により、発光素子１０の温度が３５℃からずれたとする。温度検出素子４２を有さなくても、第１フィードバックループによって発光素子１０の温度を３５℃に戻すことができるが、原子発振器２００では、温度検出素子４２を有することにより、第３フィードバックループによって、より速く発光素子１０の温度を３５℃に戻すことができる。したがって、原子発振器２００は、温度検出素子４２を有さない場合に比べて、より高い周波数安定性を有することができる。
【０１０３】
ここで、図１９は、原子発振器２００を模式的に示す平面図である。図２０は、原子発振器２００を模式的に示す図１９のＸＸ−ＸＸ線断面図である。なお、便宜上、図１９では、回路基板１５５，２５５，３５５、光源ユニット１１０、光学系ユニット１２０、原子セルユニット１３０、および支持部材１４０以外の部材の図示を省略している。また、図１９および図２０では、各部材を簡略化して図示している。
【０１０４】
原子発振器２００は、図１９および図２０に示すように、回路基板１５５の他に、回路基板２５５，３５５を有している。回路基板１５５，２５５，３５５は、積層されている。図示の例では、回路基板２５５は、回路基板１５５と回路基板３５５との間に配置されている。回路基板１５５，２５５，３５５の各々には、図示しないＩＣチップが配置されて、各ＩＣチップは、コネクター２０２によって互いに電気的に接続されている。コネクター２０２の材質は、例えば、金、アルミニウム、銅などである。
【０１０５】
回路基板１５５のＩＣチップは、例えば、第１検波回路１８、第２検波回路３０などのアナログ回路として機能する。回路基板２５５のＩＣチップは、例えば、温度制御回路３２として機能する。回路基板３５５のＩＣチップは、ロジック回路として機能する。このように、原子発振器２００では、アナログ回路と、アナログ回路よりも大きな電流が流れる温度制御回路３２と、を別々の基板に搭載しているため、アナログ回路と、温度制御回路と、の間の相互の干渉を低減することができる。言い換えると、電流の大きさが異なる第１フィードバックループは、回路基板１５５および回路基板３５５にまたがって構成されているため、アナログ回路と、温度制御回路と、の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信号をより確実に検出することができる。
【０１０６】
３．  周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のタイミングサーバーとしてのクロック伝送システムは、周波数信号生成システ
ムの一例である。図２１は、クロック伝送システム９００を示す概略構成図である。
【０１０７】
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム９００について説明する。
【０１０８】
クロック伝送システム９００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
【０１０９】
クロック伝送システム９００は、図２１に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置９０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置９０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置９０３およびＳＤＨ装置９０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置９０５およびＳＤＨ装置９０６，９０７と、を備える。クロック供給装置９０１は、原子発振器１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０１は、原子発振器１００からの周波数信号が入力される端子９１０を有する。クロック供給装置９０１内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１１０】
ＳＤＨ装置９０２は、クロック供給装置９０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０３は、原子発振器１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置９０３は、原子発振器１００からの周波数信号が入力される端子９１１を有する。クロック供給装置９０３内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック９０８，９０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
【０１１１】
ＳＤＨ装置９０４は、クロック供給装置９０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置９０５に伝送する。クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０１，９０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。
【０１１２】
クロック供給装置９０５は、通常、クロック供給装置９０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置９０５は、クロック供給装置９０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置９０６は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置９０７は、クロック供給装置９０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
【０１１３】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。周波数信号生成システムは、原子発振器を制御する制御部を含む。
【０１１４】
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、例えばインクジェットプリンターなどの
液体吐出装置、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、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（point of sales）端末、医療機器、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体であってもよい。
【０１１５】
上記医療機器としては、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、心磁計が挙げられる。上記計器類としては、例えば、自動車、航空機、船舶などの計器類が挙げられる。上記移動体としては、例えば、自動車、航空機、船舶などが挙げられる。
【０１１６】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
【０１１７】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１１８】
１０…発光素子、１２…原子セル、１２ａ…第１室、１２ｂ…第２室、１２ｃ…連通部、１４…光検出素子、１６…電流電圧変換回路、１８…第１検波回路、２０…ＴＣＸＯ、２２…変調回路、２４…第１低周波発振器、２６…第１周波数変換回路、２８…利得制御回路、３０…第２検波回路、３２…温度制御回路、３４…第２低周波発振器、３６…温度制御素子、３６ａ，３６ｂ…基板、３８…駆動回路、３９…定電流回路、４０…第２周波数変換回路、４２…温度検出素子、１００…原子発振器、１１０…光源ユニット、１１１…光源容器、１１２…光源基板、１１４…ベース、１１５…リッド、１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ…実装電極、１１６…シールリング、１１７…本体部、１１７ａ…開口部、１１８…突出部、１１８ａ…開口部、１１９…窓部  、１１９ａ…入射面、１２０…光学系ユニット、１２１…減光フィルター、１２２…レンズ、１２３…１／４波長板、１２４…ホルダー、１２５…貫通孔、１３３…第１保持部材、１３４…第２保持部材、１３５…第１原子セル容器、１３５ａ…貫通孔、１３６…ヒーター、１３７…第２原子セル容器、１３７ａ…貫通孔、１４０…支持部材、１４２…貫通孔、１４４…スペーサー、１５０…制御ユニット、１５５…回路基板、１５６…貫通孔、１５９…リードピン、１６０…外容器、１６２…基体、１６２ａ…内面、１６３…台座部、１６４…蓋体、２００…原子発振器、２０２…コネクター、２５５，３５５…回路基板、９００…クロック伝送システム、９０１…クロック供給装置、９０２…ＳＤＨ装置、９０３…クロック供給装置、９０４…ＳＤＨ装置、９０５…クロック供給装置、９０６，９０７…ＳＤＨ装置、９０８，９０９…マスタークロック、９１０，９１１…端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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