(57)【要約】      （修正有）【課題】高い周波数安定性を有する原子発振器、および、かかる原子発振器を備える周波数信号生成システムを提供する。【解決手段】温度調節素子１０６と、温度調節素子に配置されている発光素子１０２と、発光素子からの光の一部を反射させる光学素子と、温度調節素子に配置され、光学素子で反射した光を受光する第１受光素子１０４と、第１端子１１１と、第２端子１１２と、温度調節素子に配置されている第１中継部材１５０と、温度調節素子に配置されている第２中継部材１６０と、第１端子と第１中継部材とを接続している第１配線１３２ａと、第１中継部材と前記発光素子とを接続している第２配線１３２ｂと、第２端子と第２中継部材とを接続している第３配線１３４ａと、第２中継部材と第１受光素子とを接続している第４配線１３４ｂと、原子セルと、前記原子セルを透過した光を受光する第２受光素子と、を有することを特徴とする原子発振器。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度調節素子と、
前記温度調節素子に配置されている発光素子と、
前記発光素子からの光の一部を反射させる光学素子と、
前記温度調節素子に配置され、前記光学素子で反射した光を受光する第１受光素子と、
第１端子と、
第２端子と、
前記温度調節素子に配置されている第１中継部材と、
前記温度調節素子に配置されている第２中継部材と、
前記第１端子と前記第１中継部材とを電気的に接続している第１配線と、
前記第１中継部材と前記発光素子とを電気的に接続している第２配線と、
前記第２端子と前記第２中継部材とを電気的に接続している第３配線と、
前記第２中継部材と前記第１受光素子とを電気的に接続している第４配線と、
アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子からの光が入射する原子セルと、
前記原子セルを透過した光を受光する第２受光素子と、
を有する、原子発振器。
【請求項２】
前記温度調節素子は、温度調節される温度調節面を有し、
前記発光素子および前記第１受光素子は、前記温度調節面に配置されている請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第１中継部材および前記第２中継部材は、前記温度調節面に配置されている請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記温度調節面は、四角形であり、
前記第１中継部材および前記第２中継部材は、前記温度調節面の４つの角のうちの２つに配置されている請求項３に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記温度調節面上に設けられ、基準電位が与えられているグランド電極と、
第３端子と、
前記第３端子と前記グランド電極とを電気的に接続する第５配線と、
前記グランド電極と前記発光素子とを電気的に接続する第６配線と、
前記グランド電極と前記第１受光素子とを電気的に接続する第７配線と、
をさらに有する請求項２ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第１受光素子は、フォトダイオードである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記第１受光素子は、カソードが前記温度調節素子に向いて配置され、
前記温度調節素子と前記第１受光素子との間に配置されているサブマウントをさらに有する請求項５に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記第１受光素子は、ジャンクションダウンで配置されている請求項５または６に記載の原子発振器。
【請求項９】
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、
温度調節素子と、
前記温度調節素子に配置されている発光素子と、
前記発光素子からの光の一部を反射させる光学素子と、
前記温度調節素子に配置され、前記光学素子で反射した光を受光する第１受光素子と、
第１端子と、
第２端子と、
前記温度調節素子に配置されている第１中継部材と、
前記温度調節素子に配置されている第２中継部材と、
前記第１端子と前記第１中継部材とを電気的に接続している第１配線と、
前記第１中継部材と前記発光素子とを電気的に接続している第２配線と、
前記第２端子と前記第２中継部材とを電気的に接続している第３配線と、
前記第２中継部材と前記第１受光素子とを電気的に接続している第４配線と、
アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子からの光が入射する原子セルと、
前記原子セルを透過した光を受光する第２受光素子と、
を有する、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ものである。
【背景技術】
【０００２】
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、原子発振器の作動原理は、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を利用した方式とに大別される。
【０００３】
量子干渉効果を利用した原子発振器は、電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ現象、ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）を利用して、周波数信号を生成する。
【０００４】
原子発振器用の発光素子としては、半導体レーザーが用いられる。、半導体レーザーは、発光波長の温度依存性を有している。このため、特許文献１に記載の発光素子モジュールは、ペルチェ素子と、ペルチェ素子上に搭載されている発光素子と、これらを収容するパッケージと、を備えている。さらに、特許文献１に記載の発光素子モジュールでは、ペルチェ素子上に絶縁部材が配置されており、発光素子の電極とパッケージの端子とを電気的に接続する配線の途中がその絶縁部材上のパッドに接続されている。これにより、かかる配線をも温度調節し、発光素子を高精度に温度調節することができる。その結果、出射される光の周波数変動を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６２０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、原子発振器では、ガスセル中のアルカリ金属原子に照射される光の光量が変化すると、アルカリ金属の各準位間のエネルギー差が変化するシュタルクシフトと呼ばれる現象の影響により、取り出される周波数の安定度が低下する場合がある。原子発振器から出力される周波数を安定させるためには、発光素子から出射される光の光量の変動を低減する必要がある。
【０００７】
そこで、発光素子の出射する光の光量を受光素子で検出し、検出結果に基づいて発光素子の光出力を制御するＡＰＣ（Auto Power Control）を用いることが検討されている。ＡＰＣを利用することにより、受光素子で検出した光量を発光素子に印加するバイアス電流に反映させ、発光素子から出射される光の光量を目的とする値に制御することができる。
【０００８】
しかしながら、ＡＰＣを実現するために用いられる受光素子においても、感度や暗電流の温度依存性が存在する。このため、受光素子の温度が変化すると、感度や暗電流が変化し、光量の検出精度が低下する。バイアス電流による制御の精度は、光量の検出精度に依存するので、光量の検出精度が低下すると、目的とする光量に制御する精度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の適用例に係る原子発振器は、温度調節素子と、前記温度調節素子に配置されている発光素子と、前記発光素子からの光の一部を反射させる光学素子と、前記温度調節素子に配置され、前記光学素子で反射した光を受光する第１受光素子と、第１端子と、
第２端子と、前記温度調節素子に配置されている第１中継部材と、前記温度調節素子に配置されている第２中継部材と、前記第１端子と前記第１中継部材とを電気的に接続している第１配線と、前記第１中継部材と前記発光素子とを電気的に接続している第２配線と、前記第２端子と前記第２中継部材とを電気的に接続している第３配線と、前記第２中継部材と前記第１受光素子とを電気的に接続している第４配線と、アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子からの光が入射する原子セルと、前記原子セルを透過した光を受光する第２受光素子と、を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図である。
【図２】第１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である。
【図３】第１実施形態に係る原子発振器において、半導体レーザーから出射される２つの光の周波数差と、第２受光素子で検出される検出強度と、の関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す発光素子モジュールを模式的に示す斜視図である。
【図５】図４に示す発光素子モジュールを模式的に示す平面図である。
【図６】図５のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図７】図５のＹ１−Ｙ１線断面図である。
【図８】図５のＹ２−Ｙ２線断面図である。
【図９】図５のＹ３−Ｙ３線断面図である。
【図１０】第２実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールの部分断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールを模式的に示す平面図である。
【図１２】図１１のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図１３】図１１のＹ４−Ｙ４断面図である。
【図１４】第４実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールの部分断面図である。
【図１５】実施形態に係る周波数信号生成システムの一例として、クロック伝送システムを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
１．  原子発振器
＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る原子発振器について説明する。
【００１３】
図１は、第１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、第１実施形態に係る原子発振器１００の原子セル３０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、第１実施形態に係る原子発振器１００において、半導体レーザー１０２から出射される２つの光の周波数差と、第２受光素子４０で検出される検出強度と、の関係を示すグラフである。
【００１４】
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。
【００１５】
原子発振器１００は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、光学部品２０、２２、２４、２６と、原子セル３０と、第２受光素子４０と、ヒーター５０と、温度センサー６０と、コイル７０と、制御回路８０と、を含む。
【００１６】
まず、原子発振器１００の原理について説明する。
図１に示すように、原子発振器１００では、発光素子モジュール１０から原子セル３０に向けて励起光Ｌを出射し、原子セル３０を透過した励起光Ｌを第２受光素子４０で検出する。
【００１７】
原子セル３０内には、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封入されている。
【００１８】
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つの基底状態である第１基底状態１および第２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基底状態１は、第２基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００１９】
このような気体のアルカリ金属原子に対して、励起光Ｌを照射する。励起光Ｌは、互いに周波数の異なる第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２を含んでいる。励起光Ｌが照射された気体のアルカリ金属原子では、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２のアルカリ金属原子における光吸収率、つまり光透過率が変化する。そして、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１基底状態１と第２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、第１基底状態１および第２基底状態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共鳴光Ｌ１および第２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（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ現象）と呼ぶ。
【００２０】
ここで、例えば、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１基底状態１と第２基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、第２受光素子４０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。
【００２１】
次に、原子発振器１００の各部について説明する。
原子発振器１００は、前述したように、発光素子モジュール１０と、光学部品２０、２２、２４、２６と、原子セル３０と、第２受光素子４０と、ヒーター５０と、温度センサー６０と、コイル７０と、制御回路８０と、を含む。
【００２２】
このうち、発光素子モジュール１０は、半導体レーザー１０２と、第１受光素子１０４と、温度調節素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んでいる。なお、発光素子モジュール１０については後述する。
【００２３】
［光学部品］
光学部品２０、２２、２４、２６は、発光素子モジュール１０と原子セル３０との間における励起光Ｌの光路上に設けられている。図１に示す例では、発光素子モジュール１０側から原子セル３０側に向かって、光学部品２０、光学部品２２、光学部品２４および光学部品２６がこの順で配置されている。
【００２４】
光学部品２０は、レンズである。光学部品２０は、励起光Ｌを無駄なく原子セル３０へ照射させることができる。また、光学部品２０は、励起光Ｌを平行光とする機能を有する。そのため、励起光Ｌが原子セル３０の内壁で反射することを抑制することができる。これにより、原子セル３０内での励起光Ｌの共鳴を好適に生じさせ、原子発振器１００の発振特性を高めることができる。
【００２５】
光学部品２２は、偏光板である。光学部品２２は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌの偏光を所定方向に調整することができる。
【００２６】
光学部品２４は、減光フィルター、すなわちＮＤフィルター（Neutral Density Filter）である。光学部品２４は、原子セル３０に入射する励起光Ｌの強度を調整することができる。そのため、発光素子モジュール１０の光出力が大きい場合でも、原子セル３０に入射する励起光Ｌを所望の光量とすることができる。
【００２７】
光学部品２６は、λ／４波長板である。光学部品２６は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌを直線偏光から円偏光、具体的には右円偏光または左円偏光、に変換することができる。励起光Ｌを円偏光とすることにより、原子セル３０内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数を増大させることができる。この結果、所望のＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、原子発振器１００の発振特性を高めることができる。
【００２８】
［原子セル］
原子セル３０には、気体のアルカリ金属原子が収容されている。原子セル３０には、発光素子モジュール１０の半導体レーザー１０２から出射された励起光Ｌが、光学部品２０、２２、２４、２６を介して照射される。なお、原子セル３０内に収容されているアルカリ金属原子は、一部が気体状で存在し、残部が余剰分として液体状または固体状で存在していてもよい。また、原子セル３０には、必要に応じて、アルゴンやネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとして、気体のアルカリ金属原子とともに収容されていてもよい。
【００２９】
原子セル３０は、図示しないが、柱状の貫通孔を有する本体部と、その貫通孔の両開口を気密に封止する１対の窓部と、を有する。これにより、アルカリ金属原子が収容される内部空間が形成されている。本体部を構成する材料は、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等を用いることができるが、加工性や窓部との接合の観点から、ガラス材料またはシリコン材料を用いることが好ましい。窓部は、励起光Ｌを透過する材料で形成されている。窓部を構成する材料としては、例えば、石英ガラスやホウケイ酸ガラス等を用いることができる。
【００３０】
［第２受光素子］
第２受光素子４０は、原子セル３０を透過した励起光Ｌの強度、具体的には第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２の強度を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。第２受光素子４０としては、例えば、太陽電池、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。
【００３１】
［ヒーター］
ヒーター５０は、原子セル３０、より具体的には原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子を加熱する。これにより、原子セル３０内のアルカリ金属原子を適切な濃度の気体に維持することができる。ヒーター５０は、直流の通電により発熱するものであり、例えば、発熱抵抗体を含んで構成されている。
【００３２】
ヒーター５０は、原子セル３０を加熱することができれば、原子セル３０に接触していてもよいし、非接触でもよい。また、ヒーター５０に代えて、または、ヒーター５０と併用して、ペルチェ素子を用いて原子セル３０を加熱してもよい。
【００３３】
［温度センサー］
温度センサー６０は、ヒーター５０または原子セル３０の温度を検出する。温度センサー６０の検出結果に基づいて、ヒーター５０の発熱量が制御される。これにより、原子セル３０内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。温度センサー６０の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター５０上であってもよいし、原子セル３０の外表面上であってもよい。温度センサー６０としては、例えば、サーミスター、熱電対等、公知の温度センサーを用いることができる。
【００３４】
［コイル］
コイル７０は、原子セル３０内のアルカリ金属原子の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる。コイル７０は、ゼーマン分裂により、アルカリ金属原子の縮退している異なる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１００の発振周波数の精度を高めることができる。
【００３５】
コイル７０は、例えば、原子セル３０を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル３０を覆うように配置されたソレノイドコイルである。コイル７０により、原子セル３０内に一方向に均一な磁場を生じさせることができる。なお、コイル７０が発生させる磁場は、例えば定磁場、すなわち直流磁場とされるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
【００３６】
［制御回路］
制御回路８０は、発光素子モジュール１０、ヒーター５０、およびコイル７０の各作動を制御する。制御回路８０は、温度センサー１０８の出力に基づいて温度調節素子１０６を制御することにより、半導体レーザー１０２の発振波長、すなわち励起光Ｌの中心波長を制御する波長制御回路８０４と、第１受光素子１０４の検出信号に基づいて半導体レーザー１０２の光出力を制御する光出力制御回路８０６と、半導体レーザー１０２に入力される高周波信号を制御する高周波制御回路８０８と、を有している。さらに、制御回路８０は、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の温度を制御する温度制御回路８１０と、コイル７０が発生させる磁場を制御する磁場制御回路８１２と、を有している。
【００３７】
このうち、波長制御回路８０４、光出力制御回路８０６および高周波制御回路８０８については後述する。
【００３８】
温度制御回路８１０は、温度センサー６０の検出結果に基づいて、ヒーター５０への通電を制御する。これにより、原子セル３０を所望の温度範囲内、例えば７０℃程度に維持することができる。
【００３９】
磁場制御回路８１２は、コイル７０が発生する磁場が一定となるように、コイル７０への通電を制御する。
【００４０】
制御回路８０は、例えば、図示しない基板に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）チップに搭載されている。
【００４１】
なお、制御回路８０として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサーを用いてもよい。すなわち、プロセッサーで図示しない記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、発光素子モジュール１０、ヒーター５０およびコイル７０の各作動を制御するようにしてもよい。なお、制御回路８０は、単一のＩＣまたはＣＰＵであってもよいし、複数のデジタル回路またはアナログ回路の組み合わせであってもよい。
【００４２】
［発光素子モジュール］
発光素子モジュール１０は、原子セル３０に向けて励起光Ｌを出射する。具体的には、発光素子モジュール１０は、励起光Ｌとして、上述したような周波数の異なる第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２を含む光を出射し、原子セル３０に入射させる。
【００４３】
第１共鳴光Ｌ１は、原子セル３０内のアルカリ金属原子のエネルギー状態を上述した第１基底状態１から励起状態へと遷移させる。一方、第２共鳴光Ｌ２は、原子セル３０内のアルカリ金属原子のエネルギー状態を上述した第２基底状態２から励起状態へと遷移させる。
【００４４】
図１に示す発光素子モジュール１０は、半導体レーザー１０２と、第１受光素子１０４と、温度調節素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んでいる。以下、発光素子モジュール１０について説明する。
【００４５】
図４は、図１に示す発光素子モジュール１０を模式的に示す斜視図である。図５は、図４に示す発光素子モジュール１０を模式的に示す平面図である。図６は、図５のＸ１−Ｘ１線断面図である。なお、図４および図５では、リッド１０１ｂを透視して図示している。また、以下の説明では、説明の便宜上、発光素子モジュール１０において相対的に光学素子１１９側を「上」、相対的にベース１０１ａ側を「下」として説明する。
【００４６】
発光素子モジュール１０は、パッケージ１０１を含んで構成されている。このパッケージ１０１には、前述した半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４、温度調節素子１０６および温度センサー１０８が収容されている。
【００４７】
パッケージ１０１は、凹部３を有するベース１０１ａと、凹部３の開口を塞ぐリッド１０１ｂと、を有している。リッド１０１ｂにより塞がれた凹部３は、図４および図５に示すように、半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４、温度調節素子１０６、および温度センサー１０８を収容する収容空間として機能する。収容空間は、真空状態、すなわち大気圧よりも低圧の状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０１の外部の温度変化がパッケージ１０１内の半導体レーザー１０２や第１受光素子１０４、温度センサー１０８等に与える影響を低減でき、半導体レーザー１０２や第１受光素子１０４、温度センサー１０８等の温度変動を低減できる。なお、収容空間は真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが収容空間に充填されていてもよい。
【００４８】
また、温度調節素子１０６は、後述するように、温度調節される温度調節面１０６ａを有している。そして、温度調節面１０６ａには、その面上のほぼ全体を覆うように、グランド電極１０６ｂが設けられている。グランド電極１０６ｂには、基準電位、例えば接地電位が与えられている。
【００４９】
前述した半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４および温度センサー１０８は、この温度調節面１０６ａ上、すなわちグランド電極１０６ｂ上に配置されている。
【００５０】
ベース１０１ａの構成材料は、絶縁性を有し、かつ、収容空間を気密空間とするのに適した材料であるのが好ましい。具体的に、ベース１０１ａの構成材料としては、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等が挙げられる。なお、ベース１０１ａの構成材料としてリッド１０１ｂと同様の金属材料を用いることもできる。
【００５１】
ベース１０１ａは、凹部３の底面よりも上側に形成されている段差部４を有している。段差部４には、半導体レーザー１０２と電気的に接続されている接続端子１１１（第１端子）と、第１受光素子１０４と電気的に接続されている接続端子１１２（第２端子）と、グランド電極１０６ｂと電気的に接続されている接続端子１１３（第３端子）と、温度センサー１０８と電気的に接続されている接続端子１１４と、温度調節素子１０６と電気的に接続されている２つの接続端子１１５、１１６と、が設けられている。これらの接続端子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６は、それぞれ図示しない貫通電極を介して、ベース１０１ａの下面に設けられた、図示しない外部実装端子と電気的に接続されている。
【００５２】
接続端子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、外部実装端子および貫通電極の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、金、金合金、白金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、クロム、クロム合金、ニッケル、銅、モリブデン、ニオブ、タングステン、鉄、チタン、コバルト、亜鉛、ジルコニウム等の金属材料が挙げられる。
【００５３】
ベース１０１ａの上端面には、枠状のメタライズ層１２０が設けられている。メタライズ層１２０は、ベース１０１ａの上端面を改質し、ろう材との密着性を高める。これにより、ろう材によるベース１０１ａとリッド１０１ｂとの接合強度を高めることができる。
【００５４】
メタライズ層１２０の構成材料は、ろう材との密着性を高め得る材料であれば、特に限定されないが、例えば、上述した接続端子１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６等の構成材料を含む金属材料である。
【００５５】
リッド１０１ｂは、板状の本体部１１７と、本体部１１７に設けられている筒状の突出部１１８と、突出部１１８の内側に設けられている開口部１１８ａを塞ぐ窓部１１９（光学素子）と、を備えている。
【００５６】
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。また、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の構成材料としては、例えばコバール等の金属材料が挙げられる。また、窓部１１９の構成材料としては、例えばガラス材料が挙げられる。半導体レーザー１０２から出射した励起光Ｌは、開口部１１７ａ、１１８ａを通過し、窓部１１９を透過して、パッケージ１０１の外部に出射される。
【００５７】
一方、窓部１１９は、ハーフミラーの機能を有する光学素子である。具体的には、例えば窓部１１９に励起光Ｌが入射し、一部が反射するときの反射面１１９ａに図示しない反射膜が設けられている。反射膜の透過率を適宜設定することにより、反射率を調整し、励起光Ｌの一部、例えば光量の１〜３０％程度を反射させるとともに、他部を透過させることができる。したがって、このようなハーフミラーの機能を有する窓部１１９により、励起光Ｌの一部を分岐することができる。分岐された励起光Ｌの一部は、分岐光ＬＬとして、第１受光素子１０４に入射する。
【００５８】
また、図６に示す窓部１１９の反射面１１９ａは、励起光Ｌの光軸Ａに対して傾斜している。すなわち、反射面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１１９の反射面１１９ａが光軸Ａと直交する場合に比べて、励起光Ｌが反射面１１９ａで反射し、半導体レーザー１０２に戻る光が発生するのを抑制することができる。なお、反射面１１９ａは、図６のように光学素子１１９の励起光Ｌが入射する面に設けられていてもよいし、励起光Ｌが入射する面とは反対の面に設けられていてもよい。また、反射面１１９ａは、光学素子１１９の励起光Ｌが入射する面および出射する面の両方に設けられていてもよい。
【００５９】
さらに、ハーフミラーの機能を有する窓部１１９は、例えばビームスプリッター等で代替されてもよい。
【００６０】
ベース１０１ａの凹部３の底面には、温度調節素子１０６が配置されている。温度調節素子１０６は、例えば、接着剤によりベース１０１ａに固定されている。
【００６１】
本実施形態では、温度調節素子１０６がペルチェ素子である。温度調節素子１０６の１対の面のうち、下面はベース１０１ａに固定され、上面は温度調節される温度調節面１０６ａである。この温度調節面１０６ａ上には、前述したように、グランド電極１０６ｂを介して、半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４および温度センサー１０８が配置されている。なお、本明細書において「面上に配置される」とは、その面上に直接位置している状態、または、何らかの介在物を介して間接的に面上に位置している状態のいずれかを指す。
【００６２】
温度調節素子１０６は、一方が発熱面、他方が吸熱面となる１対の面を有している。温度調節素子１０６は、供給される電流の向きを制御することにより、温度調節面１０６ａを、発熱面とすることもできるし、吸熱面とすることもできる。そのため、環境温度の範囲が広くても、半導体レーザー１０２等を所望の温度に制御することができる。温度調節面１０６ａの温度は、半導体レーザー１０２の特性に応じて決められるものである。なお、環境温度とは、ある部品がさらされる温度、すなわち、ある部品の周囲の温度を意味する。ここでは、半導体レーザー１０２の温度に影響を与え得る、半導体レーザー１０２の周囲の温度である。
【００６３】
温度調節素子１０６は、１対の端子１０５ａ、１０５ｂを有している。端子１０５ａは、配線１３０ａを介して接続端子１１５と電気的に接続され、端子１０５ｂは、配線１３０ｂを介して接続端子１１６と電気的に接続されている。これにより、１対の端子１０５ａ、１０５ｂに電流を供給して、温度調節素子１０６を駆動することができる。配線１３０ａ、１３０ｂは、例えばワイヤー配線、すなわちボンディングワイヤーである。
【００６４】
温度調節素子１０６の温度調節面１０６ａには、例えば、アルミニウム、金、銀等の熱伝導性に優れる金属で構成されたグランド電極１０６ｂが配置されている。前述したように、グランド電極１０６ｂ上には、半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４および温度センサー１０８が配置されている。また、グランド電極１０６ｂ上には、第１中継部材１５０、第２中継部材１６０、および第３中継部材１７０が配置されている。これにより、半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４、温度センサー１０８、第１中継部材１５０、第２中継部材１６０、および第３中継部材１７０を、温度調節素子１０６により温度調節することができる。なお、グランド電極１０６ｂは、必要に応じて設けられればよく、省略されてもよい。その場合、上記素子や部材は、温度調節面１０６ａに直接配置されていてもよい。
【００６５】
半導体レーザー１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。半導体レーザー１０２は、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して用いることにより、励起光Ｌとして、上述したような周波数の異なる２種の光、すなわち第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２を出射する。
【００６６】
半導体レーザー１０２は、図示しない１対の端子を有している。１対の端子のうちの一方の端子は駆動信号用の端子であり、他方の端子は基準電位用の端子である。駆動信号用の端子は、配線１３２ｂ、第１中継部材１５０、および配線１３２ａを介して接続端子１１１（第１端子）と電気的に接続されている。具体的には、接続端子１１１と第１中継部材１５０とが配線１３２ａ（第１配線）を介して電気的に接続されている。また、第１中継部材１５０と半導体レーザー１０２の駆動信号用の端子とが配線１３２ｂ（第２配線）を介して電気的に接続されている。一方、基準電位用の端子は、複数の配線１３２ｃ（第６配線）を介してグランド電極１０６ｂと電気的に接続されている。これらの配線１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃは、例えばワイヤー配線、すなわちボンディングワイヤーである。半導体レーザー１０２と接続端子１１１およびグランド電極１０６ｂとの電気的接続により、半導体レーザー１０２に電流を供給して半導体レーザー１０２を駆動することができる。
【００６７】
図７は、図５のＹ１−Ｙ１線断面図である。
第１中継部材１５０は、絶縁性を有する絶縁層１５２と、絶縁層１５２の上面に設けられた導電性を有する導電層１５４と、を備えている。
【００６８】
絶縁層１５２の構成材料としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、単結晶アルミナのようなセラミックス材料が挙げられる。また、導電層１５４の構成材料としては、前述した接続端子１１１等の構成材料が挙げられる。
【００６９】
第１中継部材１５０の導電層１５４は、前述した配線１３２ａおよび配線１３２ｂの双方と電気的に接続されている。したがって、導電層１５４は、半導体レーザー１０２に電流を供給する配線１３２ａと配線１３２ｂとを途中で中継している。ここで、絶縁層１５２は、配線１３２ａ、１３２ｂよりも熱伝導率が十分に大きい部材であることが好ましい。しかも、絶縁層１５２は、温度調節面１０６ａ上に配置され、温度調節面１０６ａと熱的に接続されている。このため、導電層１５４は、絶縁層１５２を介して温度調節面１０６ａにより温度調節されている。その結果、配線１３２ａ、１３２ｂは、その温度変動が低減されることになり、それに伴って配線１３２ｂを介する半導体レーザー１０２の温度変動を抑制することができる。具体的には、例えば接続端子１１１側の温度が変動し、その温度変動が配線１３２ａを介して第１中継部材１５０に伝達された場合でも、第１中継部材１５０によって、配線１３２ｂ以降の熱伝達を緩和することができる。
【００７０】
また、絶縁層１５２の構成材料として、上述したようなセラミックス材料を用いることにより、絶縁層１５２の熱伝導性を高めることができる。これにより、温度調節面１０６ａの温度変化に対する第１中継部材１５０の追従性が向上し、第１中継部材１５０の温度がより安定するため、半導体レーザー１０２の温度変動をより高精度に抑制することができる。
【００７１】
なお、導電層１５４は、絶縁層１５２の上面全体に設けられていてもよいが、一部に設けられていてもよい。
【００７２】
第１中継部材１５０と温度調節面１０６ａとの間は、例えば接着剤による接着、はんだやろう材のような接合金属による接合等により接続される。
【００７３】
図８は、図５のＹ２−Ｙ２線断面図である。
第１受光素子１０４は、グランド電極１０６ｂ上に設けられたサブマウント１０４ａを介して温度調節面１０６ａ上に配置されている。第１受光素子１０４は、半導体レーザー１０２から出射した励起光Ｌの一部を分岐した分岐光ＬＬを受光し、光強度に応じた検出信号を出力する。
【００７４】
第１受光素子１０４としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスター等が挙げられる。このうち、第１受光素子１０４は、フォトダイオードであるのが好ましい。フォトダイオードは、感度の温度特性が比較的良好で、応答速度が速いことから、第１受光素子１０４として好ましく用いられる。
【００７５】
図８に示す第１受光素子１０４は、ｎ型半導体基板１０４２ｎの上面側にｐ型領域１０４４ｐを形成してなるｐｎ接合を有し、上面が受光面であるフォトダイオードである。図８に示す第１受光素子１０４は、ｎ型半導体基板１０４２ｎと、ｐ型領域１０４４ｐと、ｎ型半導体基板１０４２ｎの下面に設けられた陰極１０４６（カソード）と、ｐ型領域１０４４ｐの上面に設けられた陽極１０４８（アノード）と、を備えている。
【００７６】
図８に示すサブマウント１０４ａは、絶縁性を有する絶縁層１０４２ａと、絶縁層１０４２ａの上面に設けられた導電性を有する導電層１０４４ａと、を備えている。
【００７７】
絶縁層１０４２ａの構成材料としては、例えば、前述した絶縁層１５２の構成材料が挙げられる。また、導電層１０４４ａの構成材料としても、例えば、前述した導電層１５４の構成材料が挙げられる。
【００７８】
サブマウント１０４ａは、絶縁性を有しているため、グランド電極１０６ｂと第１受光素子１０４とを絶縁する。また、第１受光素子１０４の下面に設けられた陰極１０４６は、サブマウント１０４ａの導電層１０４４ａと接している。これにより、陰極１０４６は、導電層１０４４ａと電気的に接続されている。そして、導電層１０４４ａは、配線１３４ｂ、第２中継部材１６０、および配線１３４ａを介して接続端子１１２（第２端子）と電気的に接続されている。具体的には、接続端子１１２と第２中継部材１６０とが配線１３４ａ（第３配線）を介して電気的に接続されている。また、第２中継部材１６０とサブマウント１０４ａの導電層１０４４ａとが配線１３４ｂ（第４配線）を介して電気的に接続されている。これにより、接続端子１１２と第１受光素子１０４の陰極１０４６との間は、配線１３４ａ、第２中継部材１６０、配線１３４ｂ、および導電層１０４４ａを介して電気的に接続されている。
【００７９】
一方、陽極１０４８は、配線１３４ｃ（第７配線）を介してグランド電極１０６ｂと電気的に接続されている。これらの配線１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃは、例えばワイヤー配線、すなわちボンディングワイヤーである。
【００８０】
以上のように、第１受光素子１０４は、陰極１０４６が温度調節素子１０６に向いて配置されている。そして、本実施形態に係る原子発振器１００は、温度調節素子１０６と第１受光素子１０４との間に配置されているサブマウント１０４ａをさらに有している。これにより、図８に示す、受光面とは反対側に陰極１０４６が位置しているような第１受光素子１０４を用いた場合でも、サブマウント１０４ａを介して陰極１０４６との電気的接続を図ることができる。
【００８１】
第２中継部材１６０は、絶縁性を有する絶縁層１６２と、絶縁層１６２の上面に設けられた導電性を有する導電層１６４と、を備えている。
【００８２】
絶縁層１６２の構成材料としては、例えば、前述した絶縁層１５２の構成材料が挙げられる。また、導電層１６４の構成材料としても、例えば、前述した導電層１５４の構成材料が挙げられる。
【００８３】
導電層１６４は、前述した配線１３４ａおよび配線１３４ｂの双方と電気的に接続されている。したがって、導電層１６４は、第１受光素子１０４から出力される検出信号を伝送する配線１３４ｂと配線１３４ａとを途中で中継している。ここで、絶縁層１６２は、配線１３４ａ、１３４ｂよりも熱伝導率が十分に大きい部材であることが好ましい。しかも、絶縁層１６２は、温度調節面１０６ａ上に配置され、温度調節面１０６ａと熱的に接続されている。このため、導電層１６４は、絶縁層１６２を介して温度調節面１０６ａにより温度調節されている。その結果、配線１３４ａ、１３４ｂは、その温度変動が低減されることになり、それに伴って配線１３４ｂを介する第１受光素子１０４の温度変動を抑制することができる。具体的には、例えば接続端子１１２側の温度が変動し、その温度変動が配線１３４ａを介して第２中継部材１６０に伝達された場合でも、第２中継部材１６０によって、配線１３４ｂ以降の熱伝達を緩和することができる。
【００８４】
また、絶縁層１６２の構成材料として、前述の絶縁層１５２の構成材料として挙げたセラミックス材料を用いることにより、絶縁層１６２の熱伝導性を高めることができる。これにより、温度調節面１０６ａの温度変化に対する第２中継部材１６０の追従性が向上し、第２中継部材１６０の温度がより安定するため、第１受光素子１０４の温度変動をより高精度に抑制することができる。
【００８５】
なお、導電層１６４は、絶縁層１６２の上面全体に設けられていてもよいが、一部に設けられていてもよい。
【００８６】
第２中継部材１６０と温度調節面１０６ａとの間は、例えば接着剤による接着、はんだやろう材のような接合金属による接合等により接続される。
【００８７】
温度センサー１０８は、温度調節面１０６ａの温度を検出する。温度センサー１０８としては、例えば、サーミスター、熱電対等が挙げられる。
【００８８】
温度センサー１０８は、図示しない１対の端子を有している。１対の端子のうちの一方の端子は検出信号用の端子であり、他方の端子は基準電位用の端子である。検出信号用の端子は、配線１３６ｂ、第３中継部材１７０、および配線１３６ａを介して接続端子１１４と電気的に接続されている。一方、基準電位用の端子は、図示しない配線を介してグランド電極１０６ｂと電気的に接続されている。これらの配線１３６ａ、１３６ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００８９】
図９は、図５のＹ３−Ｙ３線断面図である。
第３中継部材１７０は、絶縁性を有する絶縁層１７２と、絶縁層１７２の上面に設けられた導電性を有する導電層１７４と、を備えている。
【００９０】
絶縁層１７２の構成材料としては、例えば、前述した絶縁層１５２の構成材料が挙げられる。また、導電層１７４の構成材料としても、例えば、前述した導電層１５４の構成材料が挙げられる。
【００９１】
導電層１７４は、前述した配線１３６ａおよび配線１３６ｂの双方と電気的に接続されている。したがって、導電層１７４は、温度センサー１０８から出力される検出信号を伝送する配線１３６ｂと配線１３６ａとを途中で中継している。ここで、絶縁層１７２は、配線１３６ａ、１３６ｂよりも熱伝導率が十分に大きい部材であることが好ましい。しかも、絶縁層１７２は、温度調節面１０６ａ上に配置され、温度調節面１０６ａと熱的に接続されている。このため、導電層１７４は、絶縁層１７２を介して温度調節面１０６ａにより温度調節されている。その結果、配線１３６ａ、１３６ｂは、その温度変動が低減されることになり、それに伴って配線１３６ｂを介する温度センサー１０８の温度変動を抑制することができる。具体的には、接続端子１１４側の温度が変動し、その温度変動が配線１３６ａを介して第３中継部材１７０に伝達された場合でも、第３中継部材１７０によって、配線１３６ｂ以降の熱伝達を緩和することができる。
【００９２】
また、絶縁層１７２の構成材料として、前述の絶縁層１５２の構成材料として挙げたセラミックス材料を用いることにより、絶縁層１７２の熱伝導性を高めることができる。これにより、温度調節面１０６ａの温度変化に対する第３中継部材１７０の追従性が向上し、第３中継部材１７０の温度がより安定するため、温度センサー１０８の温度変動をより高精度に抑制することができる。
【００９３】
なお、導電層１７４は、絶縁層１７２の上面全体に設けられていてもよいが、一部に設けられていてもよい。
【００９４】
第３中継部材１７０と温度調節面１０６ａとの間は、例えば接着剤による接着、はんだやろう材のような接合金属による接合等により接続される。
なお、第３中継部材１７０は、必要に応じて設けられればよく、省略されてもよい。
【００９５】
また、図５に示すように、接続端子１１３とグランド電極１０６ｂとの間は、複数の配線１３８を介して電気的に接続されている。
【００９６】
次に、制御回路８０について説明する。
まず、発光素子モジュール１０の制御を行う波長制御回路８０４、光出力制御回路８０６、および高周波制御回路８０８について説明する。
【００９７】
波長制御回路８０４は、第２受光素子４０が出力した検出信号の信号強度および温度センサー１０８の検出結果に基づいて、温度調節素子１０６に供給する電流を制御し、半導体レーザー１０２の発振波長、すなわち励起光Ｌの中心波長を制御する。これにより、半導体レーザー１０２が発生させる励起光Ｌの中心波長を所望の波長で安定させることができる。
【００９８】
具体的には、半導体レーザー１０２の発振波長は、半導体レーザー１０２の温度を調節することによって制御される。そこで、波長制御回路８０４は、第２受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に加え、温度センサー１０８の検出結果に基づいて、温度調節素子１０６への通電を制御する。これにより、温度調節面１０６ａの温度が所望の温度になるように、温度調節素子１０６の出力を制御する。
【００９９】
そして、波長制御回路８０４は、第２受光素子４０が出力した検出信号を同期検波し、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長となるように温度調節素子１０６を制御する。
【０１００】
光出力制御回路８０６は、第１受光素子１０４が出力した検出信号の信号強度に基づいて、半導体レーザー１０２に供給する電流を制御し、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。第１受光素子１０４が出力する検出信号の信号強度は、半導体レーザー１０２から出射され、原子セル３０を介さない状態での光の強度に基づいているので、光出力を比較的忠実に反映している。
【０１０１】
そこで、光出力制御回路８０６は、第１受光素子１０４の検出信号の信号強度が所定値になるように、半導体レーザー１０２に供給するバイアスを制御し、これにより光出力を制御する。これにより、半導体レーザー１０２の光量を目的の値に制御することができる。以下、かかるフィードバック制御を「ＡＰＣ」という。
【０１０２】
また、光出力制御回路８０６は、さらに、第２受光素子４０が出力した検出信号の信号強度にも基づいて、半導体レーザー１０２に供給するバイアスを制御するようになっていてもよい。これにより、より精度よく、半導体レーザー１０２の光出力を制御することができる。
【０１０３】
なお、光出力制御回路８０６による半導体レーザー１０２の光出力制御の結果、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長からずれるおそれがある。その場合であっても、上記の波長制御回路８０４による制御が行われることにより、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長に合わせることができる。
【０１０４】
高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２に高周波信号を供給する制御を行う。高周波制御回路８０８は、第２受光素子４０が出力した検出信号を同期検波してＥＩＴ信号を検出し、高周波信号の周波数を、アルカリ金属原子の第１基底状態１と第２基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数の半分に相当する周波数となるように制御する。
【０１０５】
ここで、本実施形態では、前述したように、発光素子モジュール１０に第１受光素子１０４が内蔵されている。すなわち、本実施形態では、半導体レーザー１０２から出射した励起光Ｌを、原子セル３０に入射する前に分岐し、第１受光素子１０４で受光している。このため、第１受光素子１０４では、原子セル３０における吸収、散乱等の影響を受けることなく、励起光Ｌの光量をモニターすることができる。その結果、より正確に光量を検出することができ、ＡＰＣの精度を高めることができる。
【０１０６】
また、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４は、それぞれ温度調節面１０６ａ上に配置されている。これにより、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４の温度変動が抑制されている。
【０１０７】
さらに、本実施形態に係る原子発振器１００は、前述したように、温度調節面１０６ａ上に配置されている第１中継部材１５０および第２中継部材１６０を備えている。
【０１０８】
そして、第１中継部材１５０は、接続端子１１１と半導体レーザー１０２との間を電気的に接続している配線１３２ａ、１３２ｂを途中で中継している。このため、配線１３２ａ、１３２ｂの温度変動が低減され、それに伴って半導体レーザー１０２の温度変動も低減することができる。その結果、前述した波長制御回路８０４では、半導体レーザー１０２の発振波長、すなわち励起光Ｌの中心波長を安定して制御することができる。
【０１０９】
同様に、第２中継部材１６０は、接続端子１１２と第１受光素子１０４との間を電気的に接続している配線１３４ａ、１３４ｂを途中で中継している。このため、配線１３４ａ、１３４ｂの温度変動が低減され、それに伴って第１受光素子１０４の温度変動も低減することができる。その結果、第１受光素子１０４における光量の検出精度を高めることができ、ＡＰＣの精度を高めることができる。
【０１１０】
以上のように、本実施形態に係る原子発振器１００は、発光素子モジュール１０と、アルカリ金属原子が収容され、半導体レーザー１０２（発光素子）からの光が入射する原子セル３０と、原子セル３０を透過した光を受光する第２受光素子４０と、を有している。このうち、発光素子モジュール１０は、温度調節される温度調節素子１０６と、温度調節素子１０６の温度調節面１０６ａ上に配置されている半導体レーザー１０２（発光素子）と、半導体レーザー１０２からの励起光Ｌの一部を分岐光ＬＬとして反射させる窓部１１９（光学素子）と、温度調節面１０６ａ上に配置され、窓部１１９で反射してなる分岐光ＬＬを受光する第１受光素子１０４と、接続端子１１１（第１端子）と、接続端子１１２（第２端子）と、温度調節面１０６ａ上に配置されている第１中継部材１５０と、温度調節面１０６ａ上に配置されている第２中継部材１６０と、接続端子１１１と第１中継部材１５０とを電気的に接続している配線１３２ａ（第１配線）と、第１中継部材１５０と半導体レーザー１０２とを電気的に接続している配線１３２ｂ（第２配線）と、接続端子１１２と第２中継部材１６０とを電気的に接続している配線１３４ａ（第３配線）と、第２中継部材１６０と第１受光素子１０４とを電気的に接続している配線１３４ｂ（第４配線）と、を有している。
【０１１１】
このような構成によれば、ＡＰＣの精度を高めることができ、半導体レーザー１０２の光量を目的とする値により精度よく制御することができる。その結果、シュタルクシフトによる出力周波数の安定度の低下が抑制され、高い周波数安定性を有する原子発振器１００を実現することができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、前述したように、波長制御回路８０４において、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度によって変動させ、制御している。このような制御方法によれば、半導体レーザーの特性上、半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で変動させる場合と比べて、半導体レーザー１０２の光出力の変動を極めて小さく抑えることができる。具体的には、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度で変動させた場合、半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で変動させた場合と比べて、半導体レーザー１０２の光出力の変動を約１／３０に抑えることができる。そのため、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度で制御することにより、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することによる半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減できる。
【０１１３】
したがって、本実施形態のように、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度によって変動させて制御し、半導体レーザー１０２の光量をＡＰＣで制御することにより、高い周波数安定性を有する原子発振器１００を実現することができる。
【０１１４】
なお、前述したように、半導体レーザー１０２の発振波長は、半導体レーザー１０２の駆動電流でも変動させることができる。このため、波長制御回路８０４は、必要に応じて、半導体レーザー１０２の温度だけでなく、半導体レーザー１０２の駆動電流によって発振波長を制御する機能を有していてもよい。
【０１１５】
また、半導体レーザー１０２の光出力は、半導体レーザー１０２の温度でも変動させることができる。このため、光出力制御回路８０６は、必要に応じて、半導体レーザー１０２の駆動電流だけでなく、半導体レーザー１０２の温度によって光量を制御する機能を有していてもよい。
【０１１６】
なお、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４は、互いに異なる温度調節素子に配置されていてもよいが、本実施形態では、温度調節素子１０６が１つの温度調節される温度調節面１０６ａを有しており、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４の双方がこの温度調節面１０６ａに配置されている。これにより、半導体レーザー１０２の温度と第１受光素子１０４の温度とを互いに精度よく揃えることができる。その結果、ＡＰＣの精度をより高めることができる。
【０１１７】
一方、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４が同一の温度調節面１０６ａ上に配置されている場合、前述した波長制御回路８０４により温度調節素子１０６の出力が制御されると、温度調節面１０６ａの温度が変動し、それに伴って半導体レーザー１０２の温度が変動する。その際、第１受光素子１０４の温度も同様に変動する。そうすると、第１受光素子１０４の感度や暗電流も変化するため、例えば第１受光素子１０４が受光している分岐光ＬＬの光量が一定であるにもかかわらず、変動していると誤検出する懸念がある。
【０１１８】
そこで、光出力制御回路８０６は、波長制御回路８０４から温度調節素子１０６に供給される電流に基づき、第１受光素子１０４の温度変化を推定する機能を有するのが好ましい。具体的には、事前に計測した結果に基づき、温度調節素子１０６に供給される電流と第１受光素子１０４の温度との関係を取得しておく。そして、第１受光素子１０４の感度、暗電流等の受光特性の温度依存性に基づき、温度変化後の第１受光素子１０４から出力される検出信号の信号強度のオフセット量を推定する機能を有しているのが好ましい。この機能を有する光出力制御回路８０６は、温度変化後の第１受光素子１０４から出力される検出信号に対し、この推定したオフセット量による補正をかけることにより、本来の光強度を求めることができる。そして、求めた光強度に基づいてフィードバック制御を行うことにより、ＡＰＣの精度の低下を抑制することができる。
【０１１９】
なお、前述したように、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４が同一の温度調節面１０６ａ上に配置されていることにより、半導体レーザー１０２の温度と、第１受光素子１０４の温度とを、ほぼ同時に調節することができる。このため、上記オフセット量の推定をほぼリアルタイムに行うことができる。その結果、上記補正も逐次行うことができ、ＡＰＣの精度の低下をより確実に抑制することができる。
【０１２０】
また、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０は、半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４とは異なる温度調節素子に配置されていてもよいが、本実施形態では、前述した温度調節面１０６ａ上に配置されている。すなわち、半導体レーザー１０２、第１受光素子１０４、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０は、同一の温度調節面１０６ａ上に配置されている。これにより、第１中継部材１５０の温度を半導体レーザー１０２の温度に近づけることができ、かつ、第２中継部材１６０の温度を第１受光素子１０４の温度に近づけることができる。その結果、配線１３２ｂを介して半導体レーザー１０２の温度が変動したり、配線１３４ｂを介して第１受光素子１０４の温度が変動したりするのを抑制することができる。
【０１２１】
また、本実施形態に係る原子発振器１００は、温度調節面１０６ａ上に設けられ、基準電位が与えられているグランド電極１０６ｂと、接続端子１１３（第３端子）と、接続端子１１３とグランド電極１０６ｂとを電気的に接続する配線１３８（第５配線）と、グランド電極１０６ｂと半導体レーザー１０２（発光素子）とを電気的に接続する配線１３２ｃ（第６配線）と、グランド電極１０６ｂと第１受光素子１０４とを電気的に接続する配線１３４ｃ（第７配線）と、を有している。
【０１２２】
これにより、グランド電極１０６ｂも温度調節面１０６ａにより温度調節される。このため、グランド電極１０６ｂの上面は、基準電位を与える面であるとともに、温度調節可能な面となる。したがって、グランド電極１０６ｂの上面に接続された配線１３２ｃおよび配線１３４ｃの温度変動が低減され、それに伴って、配線１３２ｃを介する半導体レーザー１０２の温度変動、および、配線１３４ｃを介する第１受光素子１０４の温度変動をそれぞれ緩和することができる。
【０１２３】
なお、温度調節面１０６ａの形状は、特に限定されず、円形や異形状等であってもよいが、本実施形態では四角形をなしている。そして、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０は、温度調節面１０６ａの４つの角のうちの２つに配置されている。このような配置を採用することにより、温度調節面１０６ａの他の部分に第１中継部材１５０および第２中継部材１６０を配置する場合と比較して、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０と半導体レーザー１０２および第１受光素子１０４の距離を大きくしやすい。したがって、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０が外部の温度変動の影響を受けたとしても、半導体レーザー１０２や第１受光素子１０４の温度変動が大きくなるといった悪影響が発生しにくくなる。また、第１中継部材１５０および第２中継部材１６０を角に設けたことにより、発光素子モジュール１０が必要以上に大型化するのを防止することができる。
【０１２４】
さらに、本実施形態では、第３中継部材１７０も温度調節面１０６ａ上に配置されている。これにより、第３中継部材１７０の温度を温度センサー１０８の温度に近づけることができる。その結果、配線１３６ｂを介して温度センサー１０８の温度が変動するのを抑制することができる。その結果、ＡＰＣの精度をより高めることができる。
【０１２５】
なお、本実施形態では、第１中継部材１５０、第２中継部材１６０、および第３中継部材１７０が互いに個別の部材になっているが、これらのうちの少なくとも２つが一体になっていてもよい。これにより、部品点数を削減することができるので、発光素子モジュール１０の組立工数を削減することができる。このように一体化された部材としては、例えば、１つの絶縁層と、その絶縁層上に設けられ、複数の領域に分けるようにパターニングされた導電層と、を備える部材が挙げられる。複数の領域とは、図５に示す第１中継部材１５０、第２中継部材１６０、および第３中継部材１７０がそれぞれ設けられている領域が挙げられる。このようにすれば、領域間を絶縁しつつ、各部材の一体化を図ることができる。
【０１２６】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る原子発振器について説明する。
【０１２７】
図１０は、第２実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールの部分断面図である。
【０１２８】
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図１０において前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第２実施形態は、第１受光素子の構成が異なる以外、第１実施形態と同様である。
【０１２９】
図１０に示す第１受光素子１０４Ａは、ｐ型半導体基板１０４２ｐの下面側にｎ型領域１０４４ｎを形成してなるｐｎ接合を有し、上面が受光面であるフォトダイオードである。図１０に示す第１受光素子１０４Ａは、ｐ型半導体基板１０４２ｐと、ｎ型領域１０４４ｎと、ｎ型領域１０４４ｎの下面に設けられた陰極１０４６（カソード）と、ｐ型半導体基板１０４２ｐの上面に設けられた陽極１０４８（アノード）と、を備えている。
このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３０】
また、図１０に示す第１受光素子１０４Ａは、ジャンクションダウンで配置されている。ジャンクションダウンとは、ｐｎ接合、すなわちｐ型半導体基板１０４２ｐとｎ型領域１０４４ｎとの接触界面が、第１受光素子１０４Ａの載置面側に位置する配置形態のことをいう。ジャンクションダウンを採用することにより、ｐｎ接合と温度調節面１０６ａとの物理的距離を短くすることができる。これにより、検出信号の信号強度を左右するｐｎ接合の温度をより精度よく制御することができるので、第１受光素子１０４Ａにおける光量の検出精度をより高めることができ、ＡＰＣの精度をさらに高めることができる。
【０１３１】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る原子発振器について説明する。
【０１３２】
図１１は、第３実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールを模式的に示す平面図である。図１２は、図１１のＸ２−Ｘ２線断面図である。図１３は、図１１のＹ４−Ｙ４断面図である。なお、図１１では、リッド１０１ｂを透視して図示している。また、以下の説明では、説明の便宜上、図１２の上方を「上」、下方を「下」として説明する。
【０１３３】
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図１１において前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第３実施形態は、第１受光素子の構成が異なる以外、第１実施形態と同様である。
【０１３４】
図１１および図１２に示す発光素子モジュール１０Ｂでは、前記実施形態が備えるサブマウント１０４ａが省略されている。そして、図１２に示すように、第１受光素子１０４Ｂは、温度調節面１０６ａ上のグランド電極１０６ｂの上面に直接配置されている。
【０１３５】
図１３に示す第１受光素子１０４Ｂは、ｐ型半導体基板１０４２ｐの上面側にｎ型領域１０４４ｎを形成してなるｐｎ接合を有し、上面が受光面であるフォトダイオードである。図１３に示す第１受光素子１０４Ｂは、ｐ型半導体基板１０４２ｐと、ｎ型領域１０４４ｎと、ｐ型半導体基板１０４２ｐの下面に設けられた陽極１０４８（アノード）と、ｎ型領域１０４４ｎの上面に設けられた陰極１０４６（カソード）と、を備えている。
【０１３６】
陽極１０４８は、グランド電極１０６ｂと接している。これにより、陽極１０４８には基準電位が与えられている。一方、陰極１０４６は、配線１３４ｂ（第４配線）を介して第２中継部材１６０と電気的に接続されている。
このような第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３７】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係る原子発振器について説明する。
【０１３８】
図１４は、第４実施形態に係る原子発振器が備える発光素子モジュールの部分断面図である。
【０１３９】
以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では、前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。また、図１４において前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第４実施形態は、第１受光素子の構成が異なる以外、第３実施形態と同様である。
【０１４０】
図１４に示す第１受光素子１０４Ｃは、ｎ型半導体基板１０４２ｎの下面側にｐ型領域１０４４ｐを形成してなるｐｎ接合を有し、上面が受光面であるフォトダイオードである。図１４に示す第１受光素子１０４Ｃは、ｎ型半導体基板１０４２ｎと、ｐ型領域１０４４ｐと、ｐ型領域１０４４ｐの下面に設けられた陽極１０４８（アノード）と、ｎ型半導体基板１０４２ｎの上面に設けられた陰極１０４６（カソード）と、を備えている。
このような第４実施形態においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４１】
また、図１４に示す第１受光素子１０４Ｃは、ジャンクションダウンで配置されている。これにより、前述したように、ＡＰＣの精度をさらに高めることができる。
【０１４２】
２．  周波数信号生成システム
次に、実施形態に係る周波数信号生成システムについて説明する。
【０１４３】
図１５は、実施形態に係る周波数信号生成システムの一例として、クロック伝送システム２０００を説明するための図である。
【０１４４】
図１５に示すクロック伝送システム２０００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、Ｎｏｒｍａｌ系（Ｎ系）およびＥｍｅｒｇｅｎｃｙ系（Ｅ系）の冗長構成を有するシステムである。
【０１４５】
クロック伝送システム２０００は、上位のＮ系であるＡ局のＣＳＭ（Clock Supply Module）であるクロック供給装置２００１およびＳＤＨ装置２００２と、上位のＥ系であるＢ局のクロック供給装置２００３およびＳＤＨ装置２００４と、下位のＣ局のクロック供給装置２００５およびＳＤＨ装置２００６、２００７とを備える。なお、ＳＤＨは、Synchronous Digital Hierarchyである。
【０１４６】
クロック供給装置２００１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２００１は、原子発振器１００からの周波数信号が入力される端子２００１Ｔを有する。クロック供給装置２００１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２００８、２００９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。
【０１４７】
ＳＤＨ装置２００２は、クロック供給装置２００１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２００５に伝送する。
【０１４８】
クロック供給装置２００３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２００３は、原子発振器１００からの周波数信号が入力される端子２００３Ｔを有する。このクロック供給装置２００３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２００８、２００９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。
【０１４９】
ＳＤＨ装置２００４は、クロック供給装置２００３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２００５に伝送する。クロック供給装置２００５は、クロック供給装置２００１，２００３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。
【０１５０】
ここで、クロック供給装置２００５は、通常、クロック供給装置２００１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２００５は、クロック供給装置２００３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２００６は、クロック供給装置２００５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２００７は、クロック供給装置２００５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。
【０１５１】
クロック伝送システム２０００は、優れた周波数安定性を有する原子発振器１００を含むため、優れた信頼性を有することができる。
【０１５２】
なお、本発明の原子発振器を含む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を備えるシステムであればよい。また、周波数信号生成システムは、原子発振器からの周波数信号が入力される端子および原子発振器を制御する制御部を備えていてもよい。
【０１５３】
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のような液体吐出装置、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 N avigation 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、移動体等であってもよい。
【０１５４】
このうち、上記の医療機器としては、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、心磁計等が挙げられる。また、上記の計器類としては、例えば、自動車、航空機、船舶等の計器類が挙げられる。さらに、上記の移動体としては、例えば、自動車、航空機、船舶等が挙げられる。
【０１５５】
以上、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、前記実施形態の各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成に置換することができる。また、前記実施形態には、他の任意の構成物が付加されていてもよい。さらに、前記実施形態を適宜組み合わせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１５６】
１…第１基底状態、２…第２基底状態、３…凹部、４…段差部、１０…発光素子モジュール、１０Ｂ…発光素子モジュール、２０…光学部品、２２…光学部品、２４…光学部品、２６…光学部品、３０…原子セル、４０…第２受光素子、５０…ヒーター、６０…温度センサー、７０…コイル、８０…制御回路、１００…原子発振器、１０１…パッケージ、１０１ａ…ベース、１０１ｂ…リッド、１０２…半導体レーザー、１０４…第１受光素子、１０４Ａ…第１受光素子、１０４Ｂ…第１受光素子、１０４Ｃ…第１受光素子、１０４ａ…サブマウント、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６…温度調節素子、１０６ａ…温度調節面、１０６ｂ…グランド電極、１０８…温度センサー、１１１…接続端子、１１２…接続端子、１１３…接続端子、１１４…接続端子、１１５…接続端子、１１６…接続端子、１１７…本体部、１１７ａ…開口部、１１８…突出部、１１８ａ…開口部、１１９…窓部、１１９ａ…反射面、１２０…メタライズ層、１３０ａ…配線、１３０ｂ…配線、１３２ａ…配線、１３２ｂ…配線、１３２ｃ…配線、１３４ａ…配線、１３４ｂ…配線、１３４ｃ…配線、１３６ａ…配線、１３６ｂ…配線、１３８…配線、１５０…第１中継部材、１５２…絶縁層、１５４…導電層、１６０…第２中継部材、１６２…絶縁層、１６４…導電層、１７０…第３中継部材、１７２…絶縁層、１７４…導電層、８０４…波長制御回路、８０６…光出力制御回路、８０８…高周波制御回路、８１０…温度制御回路、８１２…磁場制御回路、１０４２ａ…絶縁層、１０４２ｎ…ｎ型半導体基板、１０４２ｐ…ｐ型半導体基板、１０４４ａ…導電層、１０４４ｎ…ｎ型領域、１０４４ｐ…ｐ型領域、１０４６…陰極、１０４８…陽極、２０００…クロック伝送システム、２００１…クロック供給装置、２００１Ｔ…端子、２００２…ＳＤＨ装置、２００３…クロック供給装置、２００３Ｔ…端子、２００４…ＳＤＨ装置、２００５…クロック供給装置、２００６…ＳＤＨ装置、２００７…ＳＤＨ装置、２００８…マスタークロック、２００９…マスタークロック、Ａ…光軸、Ｌ…励起光、Ｌ１…第１共鳴光、Ｌ２…第２共鳴光、ＬＬ…分岐光、ω０…周波数、ω１…周波数、ω２…周波数
【図１】
2020161573.tif 000003
【図２】
2020161573.tif 000004
【図３】
2020161573.tif 000005
【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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