(57)【要約】【課題】レーザーの不要スペクトルによるノイズが小さく、安定度の高い量子干渉装置を提供すること。【解決手段】周波数特性の良い多モード発振レーザーを使用し、メインバンドを除去するとともに、光検出部やガラスセルの表面に多層膜での１ｎｍ程度のバンドパスフィルターを構成することで、多モード発振モード特有の不要な発振モードを除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子と、
電磁誘起透過現象を発生させるために、周波数の異なる２つの光を前記金属原子に照射する多モード発振レーザーと
前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、
前記多モード発振レーザーと前記光検出部との間に多層膜の光バンドパスフィルターと、を備えていることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記多モード発振レーザーが、面発光型のマルチモードレーザーであることを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記多層膜の光バンドパスフィルターが、前記光検出部の入力部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記バンドパスフィルターが、前記金属原子を封入している容器の光透過面に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子干渉装置。
【請求項５】
前記バンドパスフィルターが、第１の膜と、屈折率が前記第１の膜の１．２７倍以上である第２の膜とが交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の量子干渉装置。
【請求項６】
前記第１の膜がＳｉＯ2であり、前記第２の膜がＴｉＯ2であることを特徴とする請求項５に記載の量子干渉装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子干渉装置および原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過方式（ＥＩＴ方式、ＣＰＴ方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する波長を有する第１共鳴光、あるいは第２基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する波長を有する第２共鳴光を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、良く知られているように光吸収が起きる。ところが、このアルカリ金属原子に第１共鳴光と第２共鳴光を同時に照射し、同時に照射される第１共鳴光と第２共鳴光の周波数差が正確に第１基底準位と第２基底準位のエネルギー差（ΔＥ１２）に一致すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止し透明化（ＥＩＴ）現象が起きる。この現象を利用し、第１共鳴光と第２共鳴光との波長差がΔＥ１２からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【０００３】
ところで、原子発振器の特性を向上させるためには、ＥＩＴのスペクトルのＳＮ比を向上させる必要がある。ＳＮの信号（Ｓｉｇｎａｌ）強度を向上させるためには、アルカリ金属の原子数を増やすなどの手段があり、アルカリ金属を封入させるガラスセルのサイズを大きくする手段が一般的である。一方、ＳＮのノイズ（Ｎｏｉｓｅ）成分を低減化させるためには、ＥＩＴ現象を引き起こす以外の不要な光を検出させないことが必要である。不要な光はＥＩＴ信号に寄与することなく、ノイズのみに寄与してしまう。ＥＩＴ方式を使った原子発振器の小型化には、図１０に示すように、共鳴光を一本のシングルモードのレーザーにΔＥ１２の半分に相当する周波数で変調をかけた際に生じるサイドバンドが用いられる。この方式では、共鳴に関わらないメインバンドの波長成分が残り、メインバンドのスペクトルはＥＩＴ信号に寄与しないため、ノイズが増えＳＮ劣化が生じる。メインバンドを無くすためには、メインバンドのみを消す帯域の急峻である光バンドパスフィルターが必要だが、そのような特性を持つ小型の光フィルターは入手が困難である。
このように、特許文献１のような原子発振器では、ＳＮのノイズ成分改善ができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ノイズ増大を引き起こすＥＩＴ信号に寄与しない不要な光を可能な限り小さくすることによりＳＮ比を改善し、高い安定度を有する原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、電磁誘起透過現象を発生させるために、周波数の異なる２つの光を前記金属原子に照射する多モード発振レーザーと前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、前記多モード発振レーザーと前記光検出部との間に多層膜の光バンドパスフィルターと、を備えていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、設定されるマイクロ波パワーレベルを抑えることができ、かつ不要モードのレーザー光が取り除かれ、低消費・小型と安定度向上が両立することができる。
【０００８】
［適用例２］本適用例に係る量子干渉装置は、前記多モード発振レーザーが、面発光型のマルチモードレーザーであることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、装置の小型化や実装の簡素化が実現できる。
【０００９】
［適用例３］本適用例に係る量子干渉装置は、前記多層膜の光バンドパスフィルターが、前記光検出部の入力部に配置されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、光検出部の入力に蒸着技術により光バンドパスフィルターが形成でき、小型化、コストの低減化が実現できる。
【００１０】
［適用例４］本適用例に係る量子干渉装置では、前記バンドパスフィルターが、前記金属原子を封入している容器の光透過面に配置されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、ガラスセルの表面に蒸着技術により光バンドパスフィルターが形成でき、小型化、コストの低減化が実現できる。
【００１１】
［適用例５］本適用例に係る量子干渉装置は、前記バンドパスフィルターが、第１の膜と、屈折率が前記第１の膜の１．２７倍以上である第２の膜とが交互に積層されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、蒸着技術を用いてバンドパスフィルターが形成でき量産性を高めることができ、バンドパスフィルター特性を向上させることが可能である。
【００１２】
［適用例６］本適用例に係る量子干渉装置は、前記第１の膜がＳｉＯ2であり、前記第２の膜がＴｉＯ2であることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、汎用的な材料を用いることでバンドパスフィルターが形成でき材料コストの低減化につながる。
【００１３】
［適用例７］本適用例に係る原子発振器は、前記量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、不要なレーザーモードを抑圧できＳＮが高まることよって安定度の特性が向上することができる原子発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子発振器のブロック図である。
【図２】図１に示す原子発振器でのレーザースペクトルを説明する図である。
【図３】図１に示す原子発振器での本発明を実施後のレーザースペクトルを説明する図である。
【図４】図１に示す原子発振器での光検出部に蒸着された多層膜光バンドパスフィルターの光透過特性を示す図である。
【図５】図１に示す原子発振器の光検出部の受光面に積層した多層膜光バンドパスフィルターの構造を示す図である。
【図６】図１に示す原子発振器のガラスセルの光透過面に積層した多層膜光バンドパスフィルターの構造を示す図である。
【図７】図１に示す原子発振器で使用する多モード発振レーザー単体の特性を示す図である。
【図８】図１に示す原子発振器でのＥＩＴ方式の原理を説明する図である。
【図９】図１に示す原子発振器での光検出部で得られるＥＩＴ信号の図である。
【図１０】従来のＥＩＴ信号を得るためのマイクロ波変調をかけた場合のレーザースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、本発明の量子干渉装置を備える原子発振器に適用した例を、図面を参照して説明する。本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用が可能である。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る原子発振器の構成図である。
まず、実施形態１に係る原子発振器１００の概略構成について説明する。
【００１７】
原子発振器１００は、レーザー部１０、ガラスセル部２０、光検出部３０、受信増幅器部４０、制御回路部５０、水晶発振器部６０、マイクロ波部７０、波長制御部８０、光バンドパスフィルター９０に大別される。
【００１８】
まず、原子発振器１００の原理を簡単に説明する。
原子発振器１００では、ガラスセル部２０内に、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。
アルカリ金属は、図８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（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
【００１９】
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態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、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。
【００２０】
光出射部２２は、ガラスセル部２０に向けて、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射する。
例えば、レーザー部１０が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態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、光検出部３０の検出強度は、図９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信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属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、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、原子発振器を構成することができる。この原子発振器は、長期的に安定したクロック信号を提供することができる。
【００２１】
以下、原子発振器１００の各部を順次詳細に説明する。
［ガラスセル部］
ガラスセル部２０内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。
【００２２】
［レーザー部］
レーザー部１０は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有する。
より具体的には、レーザー部１０は、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。
共鳴光１の周波数ω１は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
このレーザー部１０としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
【００２３】
［光検出部］
光検出部３０は、ガラスセル部２０内を透過した励起光（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部３０としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
【００２４】
［マイクロ波部］
マイクロ波部７０は、基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０の半分に相当する周波数を発生させる。セシウムの場合は、おおよそ４．５９６ＧＨｚとなり、レーザー部を変調させることで、図８のようなサイドバンドが発生する。これにより、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２の２本のレーザーを用意することなく、１本のレーザーで対応することができる。共鳴を起こさせるのは図８のサイドバンド成分のみとなり、図８のメインバンドは、共鳴に寄与することなく、ノイズ減となってしまう。
【００２５】
［水晶発振器部］
通常、TCXOやVCXO、OCXOなどの電圧可変機能のついた発振器が使用される。本発振器が、基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０の半分に相当の周波数を発生させる源信となる。
【００２６】
［受信増幅器部］
ＥＩＴ信号を光検出部３０で受け、その出力の電流信号を増幅電圧変換する。
【００２７】
［周波数制御］
プリアンプ部のＥＩＴ信号は、図９のピークの形状をもつ。周波数制御部では、そのピークのピークトップを捉えるよう、水晶発振器部６０の電圧制御部を制御することにより、水晶発振器部６０の出力を安定化させる。
【００２８】
［波長制御部］
レーザーの波長が常にアルカリ金属の吸収のボトムになるよう制御させる。それによりレーザー波長が常に一定になることを担保させる機能である。
【００２９】
上記の構成は量子干渉装置として適用が可能であり、少なくとも、気体状のアルカリ金属原子と、該アルカリ金属原子の２つの基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した異なる周波数の共鳴光対を発生させるための光源と前記共鳴光を検出する光検出部と前記アルカリ金属を封入するガラスセルを備え、前記アルカリ金属原子と前記共鳴光対を相互作用させて電磁誘起透過現象を発生させる部分を備えている部分を量子干渉装置という。
【００３０】
図２は、本発明でのレーザーのスペクトルを説明したものである。通常、量子干渉装置などの原子発振器では、不要なレーザーモードがないシングルモードを利用する。マイクロ波を変調かけることにより図１０のようなレーザースペクトルが得られる。サイドバンドが共鳴に寄与するレーザーであり、メインバンドのスペクトルは共鳴に寄与しない。そのため、ノイズとなって安定度の劣化を生じさせる。
【００３１】
本発明では、レーザー部１０に通常用いられるシングルモードレーザーではなく、周波数応答速度の速いマルチモードレーザーを用いる。通常、原子発振器の小型・低消費電力化を実現するためにレーザーには面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）が使用される。ＶＣＳＥＬの場合、シングルモードでは周波数応答帯域として１ＧＨｚ程度である一方、マルチモードでは、１０ＧＨｚ以上の実績がある。これにより、シングルモードで発生していたメインバンドスペクトル成分を、図２が示す通り大きく減衰させることができる。ガラスセル部２０には、セシウムやルビジウムなどのアルカリ金属が封止されている。ガラスセル内のアルカリ金属とレーザーでの共鳴を起こさせＥＩＴスペクトルを得る。そのスペクトルの強度を光検出部３０で受信し電流変換させ、受信増幅器部４０で電圧増幅された後、制御回路部５０で水晶発振器部６０の電圧制御端子を周波数が安定となる方向に制御される。マルチモードであるために、レーザーのスペクトルは図２のような１ｎｍ間隔にマルチモード特有の不要モードが発生し、安定度の劣化（ＳＮのＮｏｉｓｅ成分増加）を引き起こす。
【００３２】
それを防止するために、光検出部３０の入力部にはＳｉＯ2とＴｉＯ2膜が交互に５０層程度で構成された多層膜が蒸着されており図４のような光バンドパス特性を有する。バンドパスの帯域として１ｎｍ程度であり、マルチモードの不要モード分を十分に除去できる。光バンドパスフィルター９０の構成としては、図５のような光検出部３０の受光面の上に、ＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜を交互に配置した５０層程度の薄膜状の構成を有す。そのときの光バンドパス特性は、図４のような特性となる。一般にフィルターなどの光学多層膜においては、高屈折率材料からなる膜と低屈折率材料からなる膜を交互に積層して構成されている。上記の要求特性を満足する高屈折率材料としては、酸化物として最も屈折率の高いＴｉＯ2が用いられる場合が多い。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2が用いられるのが一般的である。ＴｉＯ2の屈折率は２．５２、ＳｉＯ2の屈折率は１．４５であり、ＴｉＯ2の屈折率はＳｉＯ2の１．７３倍である。
【００３３】
上記の光バンドパスフィルター９０において、ＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に積層した光学積層膜を使用することで、光散乱が小さく、透過損失が少ない光学多層膜及びその製造方法が可能であり、素子上への作成が実施しやすい。また、積層する膜の層数は、要求される光学特性により適宜選択されるものであるが、例えば、３０〜５０層の範囲とするとのが一般的である。上記高屈折率の薄膜層形成材料としては、ＺｎＳ、ＣｅＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2等がありそれぞれ屈折率は、２．２、２．２、２．０８、２．２となる。上記低屈折率の薄膜層形成材料としては、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＬｉＦ、ＮａＦ等があげられ、それぞれ屈折率は、１．４５、１．３８、１．４３、１．４６、１．３９、１．６３となる。例えば、Ｔａ2Ｏ5とＮａＦの組み合わせにおける屈折率の比は、１．２７となる。
【００３４】
マルチモードレーザーとは、図７に示すように、レーザーが多モード発振状態のもので、縦モード（波長方向）に複数のスペクトルが立っている状態を示す。
レーザーの周波数応答速度を上げるためには、ＶＣＳＥＬの周波数応答速度を上げるためには、素子抵抗と寄生容量を低減する必要があり、ＶＣＳＥＬの構造上、電流狭窄径を広げる必要がある。結果として、レーザー発振モードの増大につながり、多モード発振を引き起こす。縦モードの間隔として、図７のようにおおよそ１ｎｍ程度である。
【００３５】
以上述べたように、本実施形態に係わる原子発振器１００によれば、少ないマイクロ波パワーの設定においてもレーザーのメインバンドを低減させることができる。同時に、レーザーのマルチモード化に伴う不要モード（１ｎｍ間隔）も光バンドパスフィルター９０にて、除去できる。従来技術のレーザーのスペクトルは図１０のように、共鳴を起こさせないメインバンド成分が大きく、ノイズ増大につながる。一方、本発明のレーザースペクトルは、図３のような結果となり、共鳴を起こさないメインバンド成分が抑えられ、ノイズ成分を改善することができる。
結果、ＳＮの向上が図れ、結果原子発振器１００の安定度の特性が向上する。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【００３７】
（変形例１）
次に、本発明の量子干渉装置の変形例１について説明する。本発明の変形例１にかかる量子干渉装置は、多層膜光バンドパスフィルター９０の構成が異なる以外は、前述した実施形態１と同様である。図６は、変形例１として光学薄膜フィルター（バンドパスフィルター９０）を光検出部３０の受光面ではなく、ガラスセル部２０の表面に蒸着した例である。光バンドパス特性は、実施形態１と同様に図４のような振る舞いを示す。
【００３８】
以上述べたように、本変形例１に係る原子発振器１００によれば、実施形態１と同様な効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…レーザー部（ＶＣＳＥＬ）、２０…ガラスセル部、３０…光検出部、４０…受信増幅器部、５０…周波数制御回路、６０…水晶発振器、７０…マイクロ波部、８０…波長制御回路、９０…光バンドパスフィルター。
【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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