(57)【要約】【課題】より安定に動作する原子時計用光源システムをより小型に簡素化する。【解決手段】複数の周波数で周波数安定化されたレーザ光を出射するレーザ部１０１および平面光波回路から構成されたレーザ光変調部１０２を備える。平面光波回路は、例えば、石英系の材料による光導波路から構成することができる。レーザ光変調部１０２は、レーザ部１０１より出射されたレーザ光の周波数を変調する第１変調部１０４、強度を変調する第２変調部１０５を備える。また、レーザ光変調部１０２は、第２変調部１０５の出力側に配置された合波部１０６を備える。合波部１０６は、光結合導波路から構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子時計に用いられるレーザ光を生成するための原子時計用光源システムであって、
前記レーザ光を出射するレーザ部と、
前記レーザ部から出射したレーザ光を変調するレーザ光変調部と
を備え、
前記レーザ光変調部は、平面光波回路から構成されることを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項２】
請求項１記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記レーザ光変調部は、前記レーザ部から出射したレーザ光の周波数を変調する第１変調部と強度を変調する第２変調部とを備えることを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項３】
請求項２記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記第１変調部は、周波数の変調に加えて出力するレーザ光のオンオフを行うことを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記第１変調部は、電気光学結晶から構成した光導波路から構成されている
ことを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記第２変調部は、マッハツェンダー干渉構造による光スイッチから構成されていることを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項６】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記第２変調部は、電気光学結晶から構成した光導波路を用いたマッハツェンダー干渉構造から構成されていることを特徴とする原子時計用光源システム。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項に記載の原子時計用光源システムにおいて、
前記レーザ光変調部は、前記第２変調部の出力側に配置された合波部を備えることを特徴とする原子時計用光源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子時計用光源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の時間標準は、セシウム１３３（133Ｃｓ）原子のマイクロ波遷移（９．２ＧＨｚ)を用いて定義されている。近年、光周波数（数１００ＴＨｚ）を用いることで、Ｃｓを用いた原子時計（Ｃｓ原子時計）の精度を凌駕する次世代の原子時計（光時計）の研究が、日本をはじめとするアジアや欧米などの研究機関で行われている。光時計は、主に光格子時計とイオン時計の方式が挙げられ、両者とも、すでにＣｓ原子時計を２桁上回る精度が報告されており、より高精度な時計の実現に向けて研究がされている（非特許文献１参照）。
【０００３】
このような高精度時計を光ファイバネットワークで結び（非特許文献２参照）、２台の時計の光周波数比較を行うことで、１ｃｍの高低差さえも精度よく検出することが可能となった（非特許文献３参照）。これを応用し、原子時計を可搬化・小型化することで、例えば高度マッピングを目的とした可搬型光格子時計の研究も進められている（非特許文献４参照）。このように光子時計の研究は、学術的側面だけではなく実用的側面においても注目されている。
【０００４】
さて、上記の光格子時計のシステムは、中性原子の冷却技術と分光技術を発展させたものである。通常、原子時計のシステムの光学系は、各部分の間に空間を備えて構築されているため、温湿度・気圧の変化、振動といった外界からの擾乱を受けやすい。
【０００５】
ここで、非特許文献１に開示された光格子時計の動作原理を簡単に説明する。まず、合波された数種類の波長のレーザを用い、ゼーマン冷却と磁気光学トラップにより原子を冷却・捕捉する。次に、上記のレーザ強度を徐々に弱めながら光格子ポテンシャルを形成するためのレーザを立ち上げることにより、原子を光格子ポテンシャルに再捕捉する。次いで、原子の時計遷移に共鳴する狭線幅の時計レーザパルスを光格子ポテンシャルに捕捉された原子に照射することで共鳴スペクトルを測定する。
【０００６】
時計レーザは、一般的に低膨張（ＵＬＥ）ガラスで作られた高フィネスの共振器により安定化されるが、ガラスが歪むことにより共振器長が変化し周波数ドリフトを生じる。このため、上述したように原子スペクトルの共鳴周波数に常に合うように時計レーザ周波数を調整することを繰り返して時計として動作させる。
【０００７】
次に、従来の原子時計システムについて、図４を参照して説明する。このシステムは、レーザ部４０１、レーザ光変調部４０２、原子冷却・分光測定を行う測定部４０３から構成される。レーザ部４０１は、通常近紫外領域から近赤外の波長のレーザを数個から１０個程度備えている。
【０００８】
レーザ部４０１において、レーザ光は、光コムなどを用いて周波数安定化されて出射される。レーザ部４０１より出射したレーザ光は、レーザ光変調部４０２で、強度や周波数を変調され、またパルス化される。レーザ光変調部４０２は、音響光学変調器（ＡＯＭ）４０４、メカニカルシャッター（ＭＳ）４０５、合波器４０６から構成されている。ＡＯＭ４０４は、強度の変調、周波数の変調のために用いられる。また、ＡＯＭ４０４は、印加されるラジオ波（ＲＦ）を電気的に遮断することで、数１０ｎｓオーダーで高速に光をオンオフすることができ、ＣＷ（Continuous Wave）光をパルス化することができる。
【０００９】
しかしながらＲＦが遮断されていても、わずかな回折が起こり不必要な漏れ光（迷光）を生じる。この迷光は、原子時計の精度を下げる要因となるため、ＡＯＭ４０４の後にＭＳ４０５を配置することによって迷光が原子に照射されることを防いでいる。
【００１０】
磁気光学トラップの際には数種類の波長を同じ光路上で同時に使用する必要があるため、ダイクロイックミラーやビームスプリッタなどを用いて構成した合波器４０６により波長多重を行う。変調され合波（波長多重）されたレーザは、最終的に、空間中あるいは光ファイバを通して真空チャンバなどの測定部４０３まで運ばれる。
【００１１】
上述したように、構成されている原子時計のシステムの精度を保つには、レーザ部４０１およびレーザ光変調部４０２におけるレーザーアライメントなどのメンテナンスを定期的に行う必要がある。また、上記で述べたような光時計ネットワークを構築するには、複数台の時計を各地点に運搬して配置しなければならない。しかしながら、運搬時には振動によりシステムが崩れる危険があり、また、配置する環境が必ずしも安定した温湿度の環境下であるとは限らないため、振動や外乱に強いシステムを考える必要がある。
【００１２】
加えて、原子時計のシステムは非常に複雑で大型になりがちのため、１台の装置を構築するだけでも多くの時間を要する。上記の理由から、小型で運搬しやすく、あらゆる環境においてもメンテナンスの必要がない堅牢な原子時計のシステムが望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】I. Ushijima et al., "Cryogenic optical lattice clocks", Nature Photonics, vol. 9, pp. 185-189, 2015.
【非特許文献２】F. Riehle, "Optical clock networks", Nature Photonics, vol. 11, pp. 25-31, 2017.
【非特許文献３】T. Takano et al., "Geopotential measurements with synchronously linked optical lattice clocks", Nature Photonics, vol. 10, pp. 662-666, 2016.
【非特許文献４】S. B. Koller et al., "Transportable Optical Lattice Clock with 7×10-17 Uncertainty", Physical Review Letters, vol. 118, no. 7, 073601, 2017.
【非特許文献５】A. Nakao et al., "Integrated waveguide-type red-green-blue beam combiners for compact projection-type displays", Optics Communications, vol. 330, pp. 45-48, 2014.
【非特許文献６】J. Sakamoto et al., "High-efficiency multiple-light-source red-green-blue power combiner with optical waveguide mode coupling technique", Proc. of SPIE, vol. 10126, 101260M, 2017.
【非特許文献７】K. Higuma et al., "X-cut lithium niobate optical singlesideband modulator", Electronics Letters, vol. 37, no. 8, pp. 515-516, 2001.
【非特許文献８】美野 真司 他、「ＰＬＣ−ＬＮハイブリッド集積技術を用いた高速多値光変調器」、１００Ｇｂｉｔ／ｓデジタルコヒーレント通信用光部品技術の研究開発、ＮＴＴ技術ジャーナル、５７−６１頁、２０１１年、３月。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述した原子時計を常に安定に動作させるためには、レーザ強度や周波数揺らぎを可能な限り軽減する必要がある。これら揺らぎの要因は、主に温度、湿度、気圧の変化や振動の影響によるものである。これら擾乱の影響は、図４を用いて説明した原子時計システムのレーザ部４０１から測定部４０３までの光路長の長さに比例すると考えられる。
【００１５】
従来の原子時計の光源は、一般に、空間内に配置され、主にミラー、レンズといった光学素子、およびポストスタンドなどといった各種部品が多く使われる。この結果、レーザ部４０１からレーザ光変調部４０２までのサイズは、少なくとも、上述した光学部品を固定する光学定盤数台のサイズとなる。これは、最終的にレーザ部４０１から測定部４０３までの総光路長が非常に長くなることを意味している。
【００１６】
このシステムを安定に動作させるためには、光学定盤全体を密閉して温調するか、あるいは光学系を小型化することで光路長を短くし、上記擾乱の影響を小さくする必要がある。しかしながら、局所的に温調をすることができるが、光学系のサイズが大きい場合、全体を均一に温調することは困難である。
【００１７】
また、前述したように、複数の原子時計を用いた原子時計ネットワークを構築するには、原子時計をより小型・簡素化することが重要となる。上述したような従来の原子時計の構成は、非常に複雑で、かつ装置全体も大きい。このため、原子時計を運搬するには大型の車を用いることになり、運搬中の振動により光学経路に位置ずれなどが発生する恐れがある。また、原子時計を１台ずつ構築するには多くの時間を要する上、装置全体の簡素化が必須である。
【００１８】
上述した問題を解消する技術として、例えば、光ファイバで結合された光学素子を用いることが挙げられる。可視域でのＡＯＭ、ＭＳ、光合波器は一般に市販されており、これらの素子を光ファイバで接続して使用することで、環境変化による擾乱の影響を軽減することができ、また、小型・簡素化の面でも利点がある。しかしながら、一般的に可視域の光ファイバは、通信波長帯に比べレーザパワーの伝播損失が大きいこと、また、コア径のサイズが小さいことから光ファイバ間の接続損失が大きいという問題がある。また、光ファイバ雑音と呼ばれる光ファイバ長の揺らぎによる周波数揺らぎや、光ファイバが振動することによる強度揺らぎの問題もある。
【００１９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より安定に動作する原子時計用光源システムをより小型に簡素化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る原子時計用光源システムは、原子時計に用いられるレーザ光を生成するための原子時計用光源システムであって、レーザ光を出射するレーザ部と、レーザ部から出射したレーザ光を変調するレーザ光変調部とを備え、レーザ光変調部は、平面光波回路から構成される。
【００２１】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、レーザ光変調部は、レーザ部から出射したレーザ光の周波数を変調する第１変調部と強度を変調する第２変調部とを備えることを特徴とする原子時計用光源システム。
【００２２】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、第１変調部は、周波数の変調に加えて出力するレーザ光のオンオフを行う。
【００２３】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、第１変調部は、電気光学結晶から構成した光導波路から構成されている。
【００２４】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、第２変調部は、マッハツェンダー干渉構造による光スイッチから構成されている。
【００２５】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、第２変調部は、電気光学結晶から構成した光導波路を用いたマッハツェンダー干渉構造から構成されている。
【００２６】
上記原子時計用光源システムの一構成例において、レーザ光変調部は、第２変調部の出力側に配置された合波部を備える。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光変調部を平面光波回路から構成したので、より安定に動作する原子時計用光源システムをより小型に簡素化することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における原子時計用光源システムの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における実施例１の原子時計用光源システムの構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における実施例２の原子時計用光源システムの構成を示す構成図である。
【図４】図４は、原子時計用光源システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態に係る原子時計用光源システムについて図１を参照して説明する。この原子時計用光源システムは、複数の周波数で周波数安定化されたレーザ光を出射するレーザ部１０１および平面光波回路から構成されたレーザ光変調部１０２を備える。平面光波回路は、例えば、石英系の材料による光導波路から構成することができる。
【００３０】
この原子時計用光源システムは、原子時計を安定化するためなど、原子時計に用いられるレーザ光を生成するために用いられる。例えば、この原子時計用光源システムは、光格子時計で用いられる原子をゼーマン冷却および磁気光学トラップにより冷却および捕捉するためのレーザ光、光格子ポテンシャルを形成するためのレーザ光、または、時計レーザを生成するために用いられる。測定部１０３は、原子の冷却、トラップ、共鳴スペクトルの測定（分光測定）を行う。
【００３１】
レーザ光変調部１０２は、レーザ部１０１より出射したレーザ光の周波数を変調する第１変調部１０４、強度を変調する第２変調部１０５を備える。
【００３２】
第１変調部１０４は、例えば、搬送波抑圧単側波帯（ＳＳＢ−ＳＣ）変調器から構成することができる。ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、電気光学結晶にＲＦ周波数を印加することで発生した搬送波と側帯波の位相を、印加されるＤＣ電圧で適切に調整することにより、搬送波と片側の側帯波を抑制し、もう一方の片側の側帯波のみを取り出して利用する周波数変調器である（非特許文献７参照）。
【００３３】
ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、前述した音響光学変調器（ＡＯＭ）と同様に、印加されるＲＦを遮断することで、高速スイッチすることが可能であり、ＣＷ光をパルス化することが可能である。なお、ＡＯＭは、回折角が変調周波数に依存し、周波数変調した際にレーザ光路のずれが生じるため、例えば回折光を光ファイバ結合している場合は結合損失が生じる。これに対し、ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、周波数変調をした際にも同じ光路上を通るため、光路ずれを生じないため、ＡＯＭのような結合損失が生じるなどの問題は生じない。
【００３４】
ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶などの電気光学結晶による光導波路を用いた平面光波回路から構成することができる。通信波長帯の平面光波回路中にＬＮ結晶と平面光波回路とを接続する技術が報告されている（非特許文献８参照）。
【００３５】
第２変調部１０５は、光スイッチから構成することができる。光スイッチは、マッハツェンダー干渉構造（マッハツェンダー型干渉計）から構成され、マッハツェンダー型干渉計の一方のアームにヒーターを配置し、温度制御により一方のアームの光路長を制御することで、数ｍｓの早さで強度変調することができる。また、１つの光スイッチで最大で３０ｄＢｍ、２の光スイッチを併用した場合最大６０ｄＢｍの十分な消光比が得られることからＭＳの代用としても利用できる。光スイッチは、通信波長帯の平面光波回路でよく用いられている技術であり、シングルモード条件を満たすようにコア径を設計することで可視域でも実現可能である。
【００３６】
また、第２変調部１０５は、ＬＮ変調器から構成することができる。ＬＮ変調器は、光スイッチとしたマッハツェンダー型干渉計のヒーターの代わりに、一方のアーム、または両アームに、ＬＮ結晶などの電気光学結晶から構成した光導波路を挿入したものである。電気光学結晶にＤＣ電圧を印加することで、高速に強度変調することができる。電気光学結晶の温度ドリフトなどに対して電圧補正を必要とするが、光スイッチに比べ高速に応答させられる点で利点がある。ＳＳＢ−ＳＣ変調器と同様に、ＬＮ結晶の可視光平面光波回路への応用技術が向上すれば十分実現が可能である。
【００３７】
また、レーザ光変調部１０２は、第２変調部１０５の出力側に配置された合波部１０６を備える。合波部１０６は、結合光導波路から構成され、異なる波長のレーザを光合波するために用いられ、カップリング効率は９０％以上とすることが可能である（非特許文献５，６参照）。
【００３８】
第１変調部１０４、第２変調部１０５、合波部１０６は、平面光波回路を構成する同一の基板上に形成され、光波回路を構成する光導波路により光学的に接続されている。また、第１変調部１０４を構成する変調器、第２変調部１０５を構成する光スイッチ，ＬＮ変調器は、光波回路を構成する光導波路の一部に形成されている。
【００３９】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００４０】
［実施例１］
はじめに、本発明を光格子時計に適用した場合を例にして、実施例１の原子時計用光源システムについて図２を参照して説明する。この原子時計用光源システムは、レーザ部１０１、平面光波回路から構成されたレーザ光変調部１０２、測定部１０３を備える。また、レーザ光変調部１０２は、第１変調部１０４、第２変調部１０５、合波部１０６を備える。
【００４１】
実施例１において、レーザ部１０１は、５つの第１レーザ１１１，第２レーザ１１２，第３レーザ１１３，第４レーザ１１４，第５レーザ１１５を備える。また、レーザ部１０１は、上記各レーザの発振周波数を安定化させる周波数安定化部１１６を備える。周波数安定化部１１６では、光周波数コムを発生させることで、各レーザの発振周波数を安定化させる。
【００４２】
第１変調部１０４は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器１４１、１４２を備える。第２変調部１０５は、２段のマッハツェンダー型干渉計から構成された光スイッチ１５１，１５２，１５３，１５４，１５５を備える。合波部１０６は、結合光導波路１６１，１６２を備える。
【００４３】
第１レーザ１１１からのレーザ光、第２レーザ１１２からのレーザ光は、第２変調部１０５で変調されて合波部１０６で結合（合波）される。第３レーザ１１３からのレーザ光は、第１変調部１０４および第２変調部１０５で変調され、合波部１０６で結合される。第４レーザ１１４からのレーザ光、第２変調部１０５で変調される。これらのレーザは、測定部１０３において、磁気光学トラップ用光源に用いられる。第５レーザ１１５からのレーザ光は、第１変調部１０４および第２変調部１０５で変調される。このレーザは、測定部１０３において、主に時計レーザ光源などに用いられる。
【００４４】
第１レーザ１１１のレーザ光、第２レーザ１１２のレーザ光は、光スイッチ１５１、光スイッチ１５２により強度変調された後、結合光導波路１６１に入射する。結合光導波路１６１では、光スイッチ１５１、光スイッチ１５２を通過した第１レーザ１１１のレーザ光と第２レーザ１１２のレーザ光とが結合される。
【００４５】
第３レーザ１１３は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器１４１で周波数が変調された後、光スイッチ１５３で強度が変調される。光スイッチ１５３を通過した第３レーザ１１３のレーザ光は、結合光導波路１６１で光合波された第１レーザ１１１および第２レーザ１１２と、結合光導波路１６２で光合波される。これら光合波された３つのレーザ光は、光ファイバ１０７ａにより測定部１０３まで運ばれる。
【００４６】
第４レーザ１１４のレーザ光は、光スイッチ１５４で強度変調され、光ファイバ１０７ｂにより測定部１０３まで運ばれる。第５レーザ１１５のレーザ光は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器１４２で周波数が変調された後、光スイッチ１５５で光強度が変調され、光ファイバ１０７ｃにより測定部１０３まで運ばれる。
【００４７】
［実施例２］
次に、実施例２の原子時計用光源システムについて図３を参照して説明する。実施の形態２においても、本発明を光格子時計に適用した場合を例にして説明する。この原子時計用光源システムは、レーザ部１０１、平面光波回路から構成されたレーザ光変調部１０２、測定部１０３を備える。また、レーザ光変調部１０２は、第１変調部１０４、第２変調部１０５ａ、合波部１０６を備える。第１変調部１０４、合波部１０６は、前述した実施例１と同様である。
【００４８】
実施例２において、第２変調部１０５ａは、ＬＮ変調器１５１ａ，１５２ａ，１５３ａ，１５４ａ，１５５ａを備える。
【００４９】
実施例２においても、第１レーザ１１１からのレーザ光、第２レーザ１１２からのレーザ光は、第２変調部１０５ａで変調されて合波部１０６で結合（合波）される。第３レーザ１１３からのレーザ光は、第１変調部１０４および第２変調部１０５ａで変調され、合波部１０６で結合される。第４レーザ１１４からのレーザ光、第２変調部１０５ａで変調される。合波部１０６で結合されたレーザ、および第２変調部１０５ａで変調されたレーザは、測定部１０３において、磁気光学トラップ用光源などに用いられる。第５レーザ１１５からのレーザ光は、第１変調部１０４および第２変調部１０５ａで変調される。この第２変調部１０５ａで変調されたレーザは、測定部１０３において、主に時計レーザ光源などに用いられる。
【００５０】
実施例２において、第１レーザ１１１のレーザ光、第２レーザ１１２のレーザ光は、ＬＮ変調器１５１ａ、ＬＮ変調器１５２ａにより強度変調された後、結合光導波路１６１に入射する。結合光導波路１６１では、ＬＮ変調器１５１ａ、ＬＮ変調器１５２ａを通過した第１レーザ１１１のレーザ光と第２レーザ１１２のレーザ光とが光合波される。
【００５１】
また、第３レーザ１１３は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器１４１で周波数が変調された後、ＬＮ変調器１５３ａで強度が変調される。ＬＮ変調器１５３ａを通過した第３レーザ１１３のレーザ光は、結合光導波路１６１で光合波された第１レーザ１１１および第２レーザ１１２と、結合光導波路１６２で光合波される。これら光合波された３つのレーザ光は、光ファイバ１０７ａにより測定部１０３まで運ばれる。
【００５２】
第４レーザ１１４のレーザ光は、ＬＮ変調器１５４ａで強度変調され、光ファイバ１０７ｂにより測定部１０３まで運ばれる。第５レーザ１１５のレーザ光は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器１４２で周波数が変調された後、ＬＮ変調器１５５ａで強度が変調され、光ファイバ１０７ｃにより測定部１０３まで運ばれる。
【００５３】
以上に説明したように、本発明によれば、レーザ光変調部を平面光波回路から構成したので、より安定に動作する原子時計用光源システムをより小型に簡素化することができるようになる。本発明は、可視光を対象とした平面光波回路を、近紫外領域から近赤外の波長のレーザを多く使用する原子時計用光源システムへ適用しているが、イオン時計などの原子時計をはじめ、分光実験全体に応用でき、波及効果が非常に高い。例えば、本発明は、 原子スピンを偏極させるためのレーザ光、時計遷移間の基底状態と励起状態の原子数を観測するためレーザ光などの光源システムに応用できる。また、本発明による光源は、安定で量産が容易である結果、光時計ネットワークのような複数台の装置を必要とする研究に関して実現可能性を高めることが容易である。
【００５４】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００５５】
１０１…レーザ部、１０２…レーザ光変調部、１０３…測定部、１０４…第１変調部、１０５…第２変調部、１０６…合波部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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