(57)【要約】【課題】発光素子および受光素子を含む半導体素子群をガスセルより低い温度に維持する温度管理を行える量子光学装置を提供する。【解決手段】昇温手段３０によって高温に管理されるガスセル２０は、発光素子５１が固定される第１テザー１２ａと第１断熱体４１を介して、受光素子５２が固定される第２テザー１２ｂと第２断熱体４２を介して、それぞれ離隔配置する。第１，第２断熱体４１，４２を介して生じる温度勾配によって、発光素子５１および受光素子５２の昇温化を防ぎ、低い温度制御系での温度管理を実施できる量子光学装置１Ａとなる。【選択図】図１
2020113616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属元素の吸収波長帯で複数周波数の励起光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの励起光を透明な窓部より受ける位置に配置され、ウェハープロセスにより作成された微細な内空部にアルカリ金属元素とバッファガスが封入された小型のガス充填容器と、
前記ガス充填容器に封入されているガス成分が気体状態を保持するよう、ガス充填容器を高温に加熱する昇温手段と、
前記ガス充填容器を通過した光を受信する位置に配置され、受信光の光強度を検出する受光素子と、
前記受光素子で検出される光強度を最大化させるＣＰＴ共鳴を発生させるように、発光素子から出力させる励起光の周波数差を、アルカリ金属元素における基底順位間の周波数差に一致させるＣＰＴ共鳴捕捉を行う機能を担う１つ以上の半導体素子と、
少なくとも、前記発光素子とガス充填容器の間、および前記受光素子とガス充填容器の間に介在させる断熱手段と、
を備えることを特徴とする量子光学装置。
【請求項２】
前記断熱手段は、熱伝導率の低い断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の量子光学装置。
【請求項３】
前記断熱手段は、熱伝導路の断面積を小さくすると共に、熱伝導路の距離を長くしたことを特徴とする請求項１に記載の量子光学装置。
【請求項４】
前期ガス充填器の昇温手段からの輻射が前記発光素子、受光素子、半導体素子に作用することを抑制する遮熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の量子光学装置。
【請求項５】
前記発光素子、受光素子、半導体素子の少なくとも一つは、独自の温度制御系で温度管理を実施することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の量子光学装置。
【請求項６】
前記発光素子、受光素子、半導体素子の少なくとも一つの素子には、該素子の温度を検出する素子温度検出手段を設け、
前記素子温度検出手段による検知温度を取得し、当該素子の安定動作可能な温度範囲を基準として定めた上限基準温度を、前記検知温度が超えた場合、前記昇温手段を停止させる温度管理手段を備えることと特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の量子光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザと原子との相互作用を利用して安定した標準周波数信号を取得する原子時計等に用いることが可能な量子光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子時計のような量子光学装置では、レーザと原子との相互作用を利用して、ガス状のアルカリ金属元素、希ガスまたは不活性ガスより、安定した標準周波数信号を取得する。量子光学装置では、ガスを封入・密閉したガス充填容器（ガスセル）が必要不可欠であり、例えばガラス管を利用したガスセルが一般に用いられている。また、標準周波数信号となる原子の吸収線は磁場や角加速度に感度を持つことが知られており、この性質を運動量の高感度検知に利用することで、原子コンパスや原子ジャイロを構成することも出来る。近年は、量子光学装置に対する小型化への強い要望から、陽極接合やプラズマエッチングなどのウェハープロセスを使用した小型のガスセルの開発も多数、報告されている。
【０００３】
上述したような量子光学装置の一例として、ＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）方式の量子光学装置１００の概略構成を図１０に示す。電流ドライバ１０１より供給される定電流は、バイアス・ティ１０２を介して、マイクロ波発信器１０３よりの高周波変調信号と共に発光素子４へ供給される。発光素子１０４に定電流を印加することで、発光素子１０４は一定振動数ν0にて発光する。この印加される電流にマイクロ波発振器１０３から振動数νmodなる高周波変調信号を重畳すると、発光素子１０４からはν0−νmod、ν0mod、ν0＋νmodの振動数を有する光が生成され、ガスセル５に入力され、光路ＯＰを経た出力光を受光素子１０６で受信する。なお、実際にはνmodの高次項も生成されるが、その影響は無視できる程度であるから、以下では、強勢に生成される三つの振動数にのみに着目する。
【０００４】
ガスセル５には、ガス状のアルカリ金属元素が緩衝ガスとなる不活性な希ガス類とともに充填されており、光と原子との相互干渉によってＣＰＴ現象が生ずる。ＣＰＴ現象は、図１１に示すように、相互に禁制帯にある二つの基底準位（＜１｜と＜２｜）と一つの励起準位（＜３｜）とからなる３準位系で観測される共鳴現象である。この３準位系を呈するガスセル１０５に＜３｜と＜１｜とのエネルギー差に相当する第１励起光ＥｘＬ１を導入すると、誘導吸収と誘導放出に伴う吸発光現象が観測される。同様に、＜３｜と＜２｜とのエネルギー差に相当する第２励起光ＥｘＬ２をガスセル１０５に導入すると、誘導吸収と誘導放出に伴う吸発光現象が観測される。ここで、第１励起光ＥｘＬ１と第２励起光ＥｘＬ２が同時にガスセル１０５へ導入されると、各々のエネルギー準位間の誘導吸収と誘導放出とが相殺され、励起光との相互作用が起こらない暗共鳴が観測される。これをＣＰＴ現象、またはＣＰＴ共鳴と呼ぶのである。
【０００５】
したがって、図１１のようなエネルギー準位を有するガスセル１０５に入力する複数の振動数のうち、二つが第１励起光ＥｘＬ１および第２励起光ＥｘＬ２に合致したとき、ＣＰＴ現象が発現するのである。このことから、発光素子１０５の定常状態での出力振動数ν0を適切に選定することで、外部入力となるマイクロ波発振器１０３の出力振動数νmodを用いてＣＰＴ現象の発現を制御できることがわかる。
【０００６】
ＣＰＴ現象の発現は、ガスセル１０５を透過する光量を最大化し、受光素子１０６の出力を最大化する。また、ガスセル１０５に封入されているガス成分が気体状態を保持するように、ヒータ等の昇温手段１０７によって高温に温度管理されると共に、支持手段１０８によって定位置に支持される。支持手段１０７の一例を図１２に示す。主フレーム１０８１によって第１テザー１０８２ａと第２テザー１０８２ｂを支持し、第１，第２テザー１０８２ａ，１０８２ｂによってガスセル１０５、発光素子１０４、受光素子１０６を定位置に固定するのである。
【０００７】
支持手段１０８によって、発光素子１０４の発光部から受光素子１０６の受光部に向けて、光路ＯＰを経てガスセル１０５内をレーザ光が通過する配置を安定的に保持する。そして、受光素子１０５の出力を、判別器１０９とループフィルタ１１０とを用いて常に出力ピークを捕捉するようにマイクロ波発振器１０３の出力振動数をフィードバック制御する。すなわち、マイクロ波発振器１０３の出力となる高周波変調信号が所望の出力振動数となるよう、ガスセル１０５内原子のエネルギー準位によって安定化されるのである。このように、ＣＰＴ共鳴の捕捉を行う機能手段は、半導体製造プロセスにより微細化した１つ以上の半導体素子で構成できる。なお、全ての機能をパッケージングして１つの半導体素子で構成することも可能である。上述した量子光学部やＣＰＴ共鳴捕捉機能は、減圧された密閉容器１１１内に収納される。
【０００８】
量子光学装置１００の量子光学部は、磁気シールドなどによってガスセル１０５が遮蔽されており、また、装置全体に加速度運動が加えられていないことを前提として、標準周波数信号を得られる装置である。しかしながら、磁気や慣性運動が加わった場合は、エネルギー準位も鋭敏に反応し、出力周波数はそれに応じて変動する。そこで、図１３に示す量子光学装置１００′のように、外部磁気を作用させた出力信号Ｓを取り出すことで、原子コンパスとして利用することができる。また、図１４に示す量子光学装置１００″のように、加速度運動が加えられた標準周波数信号と基準クロック源１１２からの基準クロックとを比較器１１３で比較し、差分波長の出力信号Ｓを取り出すことで、原子ジャイロとして利用することができる。
【０００９】
量子光学部におけるガスセル１０５は、封入されたアルカリ金属元素を気体状に保持するため、６０〜９０℃程度に温度管理される必要がある。これは、分子運動論的に、原子の運動量を上げ、光と相互干渉する原子の数を増大させるためである。そこで、熱伝導部材を原子セル（ガスセル）に対して光源側（発光素子）と光検出部側（受光素子）とに跨って設け、ガスセルと発光部と受光部の温度管理を一体に行う量子光学部が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１７−１８３８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に記載の量子光学部では、発光素子や受光素子、ＣＰＴ共鳴捕捉を行う機能を担う半導体素子もガスセルにマウント実装されているため、ガスセルの温度管理と半導体素子群の温度管理を個別に行うことができない。発光素子、受光素子等の半導体素子は、それぞれ出力に温度特性を持ち、半導体の特性に適した温度に恒温管理されることが望ましい。また、温度の可制御性の観点から室温以上に保持されることが望ましく、素子の寿命やノイズの観点から、これらの半導体素子群に汎用部品を用いる場合、恒温管理の上限は４０〜６０℃程度とすることが好ましい。このように、ガスセルと半導体素子群とでは恒温管理する温度帯が異なるが、特許文献１に記載の量子光学部ではガスセルの温度帯で一括管理されており、装置の寿命や特性の観点から、量子光学装置の小型化や実用化の障害となっている。特に、ウェハープロセスにより作成された微細な内空部にガスが封入された小型のガスセルと、そのサイズに対応した微小な受発光素子や半導体素子を用いる場合、高温に管理されるガスセルから受発光素子や半導体素子への熱伝導は大きな問題となる。
【００１２】
ガスセルと半導体素子群との管理温度のミスマッチは、発光素子および受光素子の劣化を生じやすく、装置寿命の短命化が問題となる。もちろん、発光素子と受光素子をガスセルの保温温度帯で高温動作するように設計することも可能であるが、この場合、コストの増大を免れない。また、原子時計のような量子光学装置では、その他周辺回路用の半導体素子も高密度に実装されなければならない。これらの半導体素子群も、発光素子や受光素子にスタック実装されることが望ましく、この場合、半導体素子群がガスセルの温度帯で高温管理されると、量子光学装置としての短命化や性能低下が更に顕在化する。
【００１３】
そこで、本発明は、発光素子および受光素子を含む半導体素子群をガスセルより低い温度に維持する温度管理を行える量子光学装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するために、アルカリ金属元素の吸収波長帯で複数周波数の励起光を出射する発光素子と、前記発光素子からの励起光を透明な窓部より受ける位置に配置され、ウェハープロセスにより作成された微細な内空部にアルカリ金属元素とバッファガスが封入された小型のガス充填容器と、前記ガス充填容器に封入されているガス成分が気体状態を保持するよう、ガス充填容器を高温に加熱する昇温手段と、前記ガス充填容器を通過した光を受信する位置に配置され、受信光の光強度を検出する受光素子と、前記受光素子で検出される光強度を最大化させるＣＰＴ共鳴を発生させるように、発光素子から出力させる励起光の周波数差を、アルカリ金属元素における基底順位間の周波数差に一致させるＣＰＴ共鳴捕捉を行う機能を担う１つ以上の半導体素子と、少なくとも、前記発光素子とガス充填容器の間、および前記受光素子とガス充填容器の間に介在させる断熱手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記構成において、前記断熱手段は、熱伝導率の低い断熱材であっても良い。
【００１６】
また、前記構成において、前記断熱手段は、熱伝導路の断面積を小さくすると共に、熱伝導路の距離を長くしても良い。
【００１７】
また、前記構成において、前期ガス充填器の昇温手段からの輻射が前記発光素子、受光素子、半導体素子に作用することを抑制する遮熱手段を設けても良い。
【００１８】
また、前記構成において、前記発光素子、受光素子、半導体素子の少なくとも一つは、独自の温度制御系で温度管理を実施しても良い。
【００１９】
また、前記構成において、前記発光素子、受光素子、半導体素子の少なくとも一つの素子には、該素子の温度を検出する素子温度検出手段を設け、前記素子温度検出手段による検知温度を取得し、当該素子の安定動作可能な温度範囲を基準として定めた上限基準温度を、前記検知温度が超えた場合、前記昇温手段を停止させる温度管理手段を備えていても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る量子光学装置によれば、断熱手段を介して生じる温度勾配によって、少なくとも発光素子および受光素子がガス充填容器より低温で温度保持されるので、発光素子および受光素子をガスセルより低い温度に維持する温度管理を行うことができる。これにより、量子光学装置としての長寿命化と性能低下の抑制を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る量子光学装置の概略構成図である。
【図２】第１改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図２（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ線の矢視断面図である。
【図３】第２改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図３（Ａ）のＩＩＩＣ−ＩＩＩＣ線の矢視断面図である。
【図４】第３改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図４（Ａ）のＩＶＣ−ＩＶＣ線の矢視断面図である。
【図５】（Ａ）は第１改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略断面図である。（Ｂ）は第２改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略断面図である。（Ｃ）は第３改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略エ段面図である。
【図６】（Ａ）はフレーム構造の断熱手段を示す外観図である。（Ｂ）はスパイラル構造の断熱手段を示す外観図である。
【図７】第２実施形態に係る量子光学装置の概略構成図である。
【図８】第３実施形態に係る量子光学装置の概略構成図である。
【図９】第４実施形態に係る量子光学装置の概略構成図である。
【図１０】原子時計に適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。
【図１１】ＣＰＴ現象の原理説明図である。
【図１２】従来の量子光学装置の概略構成図である。
【図１３】原子コンパスに適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。
【図１４】原子ジャイロに適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付図面に基づき、様々な実施形態の量子光学装置について詳述する。
【００２３】
図１に示す第１実施形態に係る量子光学装置１Ａは、減圧された密閉容器２内に量子光学部３Ａを備える構造である。量子光学部３Ａの支持手段１０Ａは、アルカリ金属元素が封入されたガス充填容器であるガスセル２０を所定位置に保持する。ガスセル２０の周囲には、封入されたガスを気体状に保持（例えば、６０〜９０℃の高温を保持）するための加熱ヒータ等で構成できる昇温手段３０を配置してある。ガスセル２０は、支持手段１０Ａに直接支持されるのではなく、断熱手段４０Ａを介して支持される。断熱手段４０Ａの一方には発光素子５１を配置し、他方には受光素子５２を配置し、発光素子５１からの照射光がガスセル２０を経て受光素子５２の受光部へ至る光路ＯＰが形成される。
【００２４】
半導体素子構造の発光素子５１と受光素子５２は、ガスセル２０とは異なる独自の温度制御系で温度管理を行うものとする。そのために、温度管理手段６０を設けて、発光素子５１と受光素子５２の温度管理制御を実施する。発光素子５１には、ガスセル２０に設けた昇温手段３０よりも低い温度（例えば、４０〜６０℃）に加熱するための素子用加熱手段６１を設け、受光素子５２も同様に、ガスセル２０に設けた昇温手段３０よりも低い温度に加熱するための素子用加熱手段６２を設ける。温度管理に必要な発光素子５１の温度は、第１素子温度検出手段６３によって検出し、受光素子５２の温度は、第２素子温度検出手段６４によって検出し、これらの検出情報が温度管理手段６０に入力される。
【００２５】
温度管理手段６０は、発光素子５１と受光素子５２の近傍、或いは同じ基板上に設けた半導体素子等で構成できる。また、図１では図示を省略したが、発光素子５１と受光素子５２の近傍、或いは同一基板上には、ＣＰＴ現象を用いた標準周波数信号等を取得するために必要な機能を実現するための半導体素子も設けてある。以下では、発光素子５１と受光素子５２と、他の半導体素子を一括して半導体素子群とよぶ場合がある。
【００２６】
ガスセル２０の昇温手段３０は、温度管理手段６０とは別途設けた制御機能により温度管理しても良いし、温度管理手段６０によって昇温手段３０の制御を行うようにしても良い。ガスセル２０は、ベース体２１の二面（図１においては、上面と下面）を貫通するガス封入空部２２を設け、透光性の第１面板２３ａと第２面板２３ｂにて封止した構造である。例えば、ガスセル２０の第１面板２３ａが発光素子５１に対向する配置とすることで、こちらを入射面とし、第２面板２３ｂが受光素子５２に対向する配置とすることで、こちらを出射面とする。昇温手段３０は、ガスセル２０のガス封入空部２２内に封入されたガスを気体状に保持するために加熱するものであるが、第１面板２３ａの入射窓部と第２面板２３ｂの出射窓部が昇温手段３０によって塞がれることがないような配慮が必要である。あるいは、レーザ光の波長に対して透明な透明導電膜（ＩＴＯ膜）で構成したヒータを配置して、光路ＯＰを妨げることがないようにしても良い。
【００２７】
上述したガスセル２０のベース体２１は、既存のガラス管を所要長さに切って、その単一ガラス管の内空をガス封入空部２２に利用することもできるが、そのような作成法ではガスセル２０の小型化に限界がある。シリコン等の基材をウェハープロセスによる微細加工してベース体２１を作成すれば、ガスセル２０本体を数ミリ以下の小型に形成できる。ウェハープロセスを使えると言うことは、半導体チップのように、小型のガスセル２０を大量に生産できることを意味する。しかも、半導体生産技術を活用できれば、露光装置を利用したパターン転写によって、ガスセル２０を更に微細化する道も開ける。加えて、平滑なウェハーでガスセル２０のベース体２０を作るなら、ウェハーレベルパッケージングと呼ばれる手法を用いて、ウェハーレベルで組立を行い、最期にダイシングを行って個片化するという技術も適用可能である。
【００２８】
また、小型のガスセル２０は、上述した構造に限定されるものではない。例えば、図２に示す第１改変例のガスセル２０Ａは、所要形状（たとえは、略四角形）で平板な一対のベース体２４，２４によって、透光性の光透過体２５の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。光透過体２５はガラス等の透光性材料で形成した略四角枠状で、対向する一対の透光壁部２５ａ，２５ｂと、これら透光壁部２５ａ，２５ｂの端部を繋ぐ一対の連結壁部２５ｃ，２５ｄを備える。図２に示すガスセル２０Ａにおいては、透光壁部２５ａが出射側、透光壁部２５ｂが入射側となるので、透光壁部２５ａ，２５ｂにおける外面と内面は、光路ＯＰに直交する平面としておく必要がある。一方、連結壁部２５ｃ，２５ｄにおける外面と内面には、そのような精度が要求されないので、外面と内面が平行になっていなくても構わない（例えば、図２（Ｃ）を参照）。なお、光透過体２５における四側壁が全て透光壁部として機能する構造とすれば、四側壁の何れでも入射面あるいは出射面として使えるので、ガスセル２０Ａを配置するときの向きが限定されず、自由度の高いものとなる。
【００２９】
図３に示す第２改変例のガスセル２０Ｂは、所要形状（たとえは、略四角形）で平板な一対のベース体２４と、透光性の面板２６とで、透光性の光透過体２５の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。このように、シリコン等の構造材料からウェハープロセスによって作成するベース体２４を片側にだけ用い、このベース体２４に対して光透過体２５と面板２６を組み付けることでも、ガス充填容器としてのガスセル２０Ｂを作製できる。
【００３０】
図４に示す第３改変例のガスセル２０Ｃは、透光性の面板２６，２６により、ベース体２７の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。ベース体２７の内空部は、エッチング等の半導体加工プロセスにより形成すると、内空縁部２７ａが均一にならい場合がある（図４（Ｃ）を参照）。しかしながら、ベース体２７における内空縁部２７ａが、一方の面板２６の入射窓部から他方の面板２６の出射窓部に至る光路ＯＰを妨げなければ、多少歪な形状のガス封入空部２２となっても構わない。
【００３１】
図５（Ａ）に示すのは、第１改変例のガスセル２０Ａに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ａ′である。ガスセル２０Ａ′においては、各ベース体２４′，２４′の内面側に凹部２４ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。図５（Ｂ）に示すのは、第２改変例のガスセル２０Ｂに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ｂ′である。ガスセル２０Ｂ′においては、ベース体２４′の内面側に凹部２４ａを設けると共に、面板２６′の内面側にも凹部２６ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。図５（Ｃ）に示すのは、第３改変例のガスセル２０Ｃに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ｃ′である。ガスセル２０Ｃ′においては、各面板２６′，２６′の内面側に凹部２６ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。
【００３２】
次に、量子光学部３Ａの具体的な構造を説明する。支持手段１０Ａは、密閉容器２の適所（例えば、底部）に固定された主フレーム１１によって第１テザー１２ａと第２テザー１２ｂを保持する構造である。主フレーム１１は、例えば、四側壁のように配置すると、それぞれの主フレーム１１から延出する第１，第２テザー１２ａ，１２ｂの突出端が内向きに近接する状態となり、第１，第２テザー１２ａ，１２ｂの各突出端側にて断熱手段４０Ａを安定に支持できる。例えば、第１テザー１２ａとガスセル２０との間には第１断熱体４１を、第２テザー１２ｂとガスセル２０との間には第２断熱体４２を夫々設ける。
【００３３】
第１、第２断熱体４１，４２は、熱伝導率が低い発泡材等の断熱材料を、例えば円筒状に形成したものである。第１断熱体４１の一方側が固定される第１テザー１２ａの反断熱体側（図１においては、上面側）には発光素子５１を設け、第２断熱体４２の一方側が固定される第２テザー１２ｂの反断熱体側（図１においては、下面側）に受光素子５２を設ける。かく構成すれば、昇温手段３０からの熱、および高温で温度管理されたガスセル２０からの熱は、第１，第２断熱体４１，４２を介して生じる温度勾配によって第１，第２テザー１２ａ，１２ｂに伝達され難く、発光素子５１および受光素子５２の昇温化を防げる。したがって、半導体素子群に該当する発光素子５１と受光素子１２は、ガスセル２０の温度管理とは異なる独自の温度制御系で温度管理を実施できる。
【００３４】
なお、発光素子５１と受光素子５２の両方を温度管理する制御に限らず、発光素子５１か受光素子５２の何れか一方のみを温度管理手段６０によって温度管理しても良いし、その他の半導体素子に対する温度管理を行うようにしても良い。また、温度管理手段６０は、発光素子５１と受光素子５２の温度管理を行うために、ガスセル２０の昇温手段３０の動作に介入する制御を行うようにしても良い。例えば、第１，第２素子温度検出手段６１，６２による検知温度が、当該素子の安定動作可能な温度範囲を基準として定めた上限基準温度を超えた場合、温度管理手段６０が昇温手段３０を停止させる。かくすれば、発光素子５１、受光素子５２、あるはその他の半導体素子が危険温度に上昇して、異常動作をしたり破損したりすることを未然に防げる。
【００３５】
上述した断熱手段４０Ａは、熱伝導率の低い断熱材よりなる第１，第２断熱体４１，４２で構成したが、これに限定されるものではない。図６（Ａ）に示す断熱手段４０Ａ′は、薄い円環状の第１リング４３ａと第２リング４３ｂを薄板状のスペーサ４４によって適宜距離離隔させて配置した構造である。この断熱手段４０Ａ′を用いれば、ガスセル２０と半導体素子群との間に介在させる熱伝導路の断面積が小さく、その伝導距離も長くなるので、断熱材ほど熱伝導率が低くない素材であっても、適宜な温度勾配により、半導体素子群の昇温化を抑制できる。図６（Ｂ）に示す断熱手段４０Ａ″は、熱伝導路となる比較的小径の線状体４５をコイル形状（スパイラル構造）にしたものである。この断熱手段４０Ａ″を用いた場合でも、ガスセル２０と半導体素子群との間に介在させる熱伝導路の断面積が小さく、その伝導距離も長くなるので、断熱材ほど熱伝導率が低くない素材であっても、適宜な温度勾配により、半導体素子群の昇温化を抑制できる。
【００３６】
上述した第１実施形態の量子光学装置１Ａにおける量子光学部３Ａでは、ガスセル２０を定位置に保つ断熱手段４０Ａ，４０Ａ′，４０Ａ″が、半導体素子群を支持するテザーと接触する構造としたが、断熱手段の構造はこれに限定されるものではない。図７に示す第２実施形態に係る量子光学装置１Ｂの量子光学部３Ｂでは、断熱手段４０Ｂが支持手段１０Ｂの主フレーム１１に直接保持される構造とした。図７において、図１の量子光学装置１Ａと同一構成には、同一符号を付して説明を省略する。また、前述した温度管理手段６０によるガスセル２０と半導体素子群の温度管理機能を量子光学装置１Ｂに設けても良い。
【００３７】
断熱手段４０Ｂは、主フレーム１１の適所（図７においては上側）に第１断熱用テザー４３ａを設け、第１断熱用テザー４３ａから適宜離隔させた主フレーム１１の適所（図７においては下側）に第２断熱用テザー４３ｂを設けた構造である。そして、ガスセル２０の第１面板２３ａ側を第１断熱用テザー４３ａに固定し、ガスセル２０の第２面板２３ｂ側を第２断熱用テザー４３ｂに固定する。かく構成すれば、昇温手段３０およびガスセル２０からの熱は、第１，第２断熱用テザー４３ａ，４３ｂより主フレーム１１を介して第１，第２テザー１２ａ，１２ｂへ伝導しなければ、発光素子５１および受光素子５２の昇温化させることはない。すなわち、第１，第２断熱用テザー４３ａ，４３ｂで構成した断熱手段４０Ｂを設けた場合も、温度勾配によって第１，第２テザー１２ａ，１２ｂに伝達され難く、発光素子５１および受光素子５２の昇温化を防げる。したがって、半導体素子群に該当する発光素子５１と受光素子１２は、ガスセル２０の温度管理とは異なる独自の温度制御系で温度管理を実施できる。
【００３８】
上述した第１，第２実施形態の量子光学装置１Ａ，１Ｂでは、高温で温度管理されているガスセル２０からの輻射に対する遮断機能を備えていない。すなわち、ガスセル２０の第１面板２３ａに対向するように配置された発光素子５１は、第１面板２３ａからの輻射によって直接加熱されることとなる。同様に、ガスセル２０の第２面板２３ｂに対向するように配置された受光素子５２は、第２面板２３ｂからの輻射によって直接加熱されることとなる。そこで、図８に示す第３実施形態に係る量子光学装置１Ｃの量子光学部３Ｃでは、遮熱手段として機能する第１光路変更テーパ面７１と第２光路変更テーパ面７２を設ける構造とした。図８において、図１の量子光学装置１Ａと同一構成には、同一符号を付して説明を省略する。また、前述した温度管理手段６０によるガスセル２０と半導体素子群の温度管理機能を量子光学装置１Ｃに設けても良い。
【００３９】
量子光学部３Ｃの支持手段１０Ｃは、半導体素子群（発光素子５１、受光素子５２、他の半導体素子５３）を設けるベース部１３１から第２テザー１２ｂの配設位置まで適宜離隔させる離隔部１３２を生じる。離隔部１３２から第１テザー１２ａの配設位置までガスセル配置空部を狭めるように迫り出す斜壁部１３３を形成する。斜壁部１３３の相対向する２面は、第１光路変更テーパ面７１と第２光路変更テーパ面７２となり、第１，第２テザー１２ａ，１２ｂに固定されたガスセル２０の第１面板２３ａと第２面板２３ｂに臨む。すなわち、ガスセル２０の第１面板２３ａと第２面板２３ｂは、何れも、主フレーム１３における斜壁部１３３の内面に臨むこととなり、発光素子５１および受光素子５２はガスセル２０の第１面板２３ａと第２面板２３ｂから遮熱を受けることはない。
【００４０】
また、ベース部１３１に設けられた発光素子５１から出射された光が進む第１光路ＯＰ１に対して、第１光路変更テーパ面７１は約４５゜の入射角に配置され、第１光路変更テーパ面７１で反射した光は、第１光路ＯＰ１と直交する第２光路ＯＰ２を通る。第２光路ＯＰ２はガスセル２０の第１面板２３ａにほぼ垂直に入射し、第２面板２３ｂにほぼ垂直に出射する光路である。第２光路変更テーパ面７２は第２光路ＯＰ２に対して約４５°の入射角に配置され、第２光路変更テーパ面４２で反射した光は、第２光路ＯＰ２と直交してベース部１３１に向かう第３光路ＯＰ３を通り、受光素子５２の受光部へ入射する。
【００４１】
すなわち、第１，第２高度変更テーパ面７１，７２は、ガスセル５からの輻射によって発光素子５１や受光素子５２が昇温することを抑止する遮熱手段として機能すると共に、発光素子５１→ガスセル２０→受光素子５２の光路を妨げることもない。
【００４２】
なお、高温に保持されているガスセル２０は、第１面板２３ａの入射面および第２面板２３ｂの出射面からのみ輻射熱が放出されるわけではなく、側面からも輻射が生じている。しかし、ベース部１３１に設けられた半導体素子群が、ガスセル５の側面等から受ける輻射熱は比較的小さく、独自の温度制御系による温度管理が妨げられるほどではないが、より高い遮熱機能を持たせるようにしても良い。そこで、図９に示す第４実施形態に係る量子光学装置１Ｄの量子光学部３Ｄでは、第２の遮熱手段として機能する遮熱体７３を設ける構造とした。図９において、図８の量子光学装置１Ｃと同一構成には、同一符号を付して説明を省略する。また、前述した温度管理手段６０によるガスセル２０と半導体素子群の温度管理機能を量子光学装置１Ｃに設けても良い。
【００４３】
量子光学部３Ｄの遮熱体７３は、ガスセル２０が固定される第２テザー１２ｂと、ベース部１３１に配置される半導体素子群との間を空間的に仕切るように配置する板状体である。遮熱体７３には、少なくとも、第１光路ＯＰ１を阻害しないための第１通孔７３ａと第３光路ＯＰ３を阻害しないための第２通孔７３ｂを設けておく。遮熱体７３としては、白色のセラミック材のように電磁波を反射することで自らが加熱されない素材を用いることができる。或いは、アルミニウム箔のように電磁波吸収率の高い素材を断熱性板材の第２テザー１２ｂ配置側に貼設することで遮熱体７３としても良い。この場合、ガスセル２０からの輻射でアルミニウム箔自身が加熱されるため、その熱を周辺に逃がす手段を設けておくことが望ましい。
【００４４】
以上、本発明に係る量子光学装置を実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての量子光学装置を権利範囲として包摂するものである。
【符号の説明】
【００４５】
１Ａ    量子光学装置（第１実施形態）
２      密閉容器
１０Ａ    支持手段
２０      ガスセル
３０      ヒータ
４０Ａ    断熱手段
５１      発光素子
５２      受光素子
【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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