(57)【要約】【課題】低コスト化を図りつつ、発振特性を向上させることができる原子発振器を提供すること、また、かかる原子発振器を備える電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】アルカリ金属が封入されている原子セルと、前記アルカリ金属に照射する光を出射する光源部と、前記原子セルを透過した前記光を受光し、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、前記光源部と前記原子セルとの間に配置されているレンズと、を備え、前記レンズは、前記光を前記原子セルに向けて発散または集束させて出射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】
アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属に照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を受光し、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、
前記光源部と前記原子セルとの間に配置されているレンズと、を備え、
前記レンズは、前記光を前記原子セルに向けて発散または集束させて出射することを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属に照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を受光し、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、
前記光源部と前記原子セルとの間に配置されているレンズと、を備え、
前記レンズの焦点は、前記光源部の前記光を出射する部分に対して光軸方向にずれていることを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
前記光源部と前記レンズとの間に配置されている減光フィルターを備える請求項１に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記減光フィルターは、前記光を吸収する物質を含有している請求項２に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記減光フィルター上に配置され、前記光の反射を低減する反射低減層を備える請求項２または３に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記レンズは、前記光を前記原子セルに向けて発散させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記光源部を収納しているパッケージを備え、
前記パッケージは、前記光が透過する窓部を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記窓部の前記光源部側の面上に配置され、前記光の反射を低減する反射低減層を備える請求項７に記載の原子発振器。
【請求項９】
前記窓部は、減光フィルターである請求項７または８に記載の原子発振器。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子発振器を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子発振器を備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高い長期周波数安定度を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような原子発振器として、特許文献１には、垂直共振器面発光レーザー（光源部）、１／４波長板、気相セル（原子セル）および検出器（受光部）を含む原子時計が開示されている。ここで、１／４波長板、気相セルおよび検出器は、それぞれ、垂直共振器面発光レーザーの放射面に対して傾斜して配置されている。これにより、垂直共振器面発光レーザーからの光が４分の１波プレート、気相セルおよび検出器で反射して垂直共振器面発光レーザーに戻ることを低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３７４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の原子時計は、１／４波長板、気相セルおよび検出器の前述したような傾斜した組み立てが難しく、その結果、高コスト化を招くという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、低コスト化を図りつつ、発振特性を向上させることができる原子発振器を提供すること、また、かかる原子発振器を備える電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の原子発振器は、アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属に照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を受光し、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、
前記光源部と前記原子セルとの間に配置されているレンズと、を備え、
前記レンズは、前記光を前記原子セルに向けて発散または集束させて出射することを特徴とする。
【０００８】
このような原子発振器によれば、光源部と原子セルとの間に配置されているレンズが光源部からの光を原子セルに向けて発散または集束させて出射するため、当該光が原子セル、受光部等で反射しても、その反射光を光源部（特に、光を出射する部分）とは異なる位置に集光させることができる。そのため、当該反射光が戻り光として光源部に入射する量を少なくし、戻り光による光源部の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、原子発振器の周波数特性を向上させることができる。また、原子セル、受光部およびレンズを特許文献１のように傾斜して配置する必要がないため、これらの組み立てが容易であり、その結果、原子発振器の低コスト化を図ることもできる。
【０００９】
本発明の原子発振器は、アルカリ金属が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属に照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した前記光を受光し、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、
前記光源部と前記原子セルとの間に配置されているレンズと、を備え、
前記レンズの焦点は、前記光源部の前記光を出射する部分に対して光軸方向にずれていることを特徴とする。
【００１０】
このような原子発振器によれば、光源部と原子セルとの間に配置されているレンズが光源部の光を出射する部分に対して光軸方向にずれた位置に焦点を有するため、当該光が原子セル、受光部等で反射しても、その反射光を光源部（特に、光を出射する部分）とは異なる位置に集光させることができる。そのため、当該反射光が戻り光として光源部に入射する量を少なくし、戻り光による光源部の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、原子発振器の周波数特性を向上させることができる。また、原子セル、受光部およびレンズを特許文献１のように傾斜して配置する必要がないため、これらの組み立てが容易であり、その結果、原子発振器の低コスト化を図ることもできる。
【００１１】
本発明の原子発振器では、前記光源部と前記レンズとの間に配置されている減光フィルターを備えることが好ましい。
これにより、アルカリ金属に照射される光の強度を容易に最適化することができる。また、戻り光も減光フィルターを通過することとなるため、光源部への戻り光の量をより低減することができる。
【００１２】
本発明の原子発振器では、前記減光フィルターは、前記光を吸収する物質を含有していることが好ましい。
これにより、光源部からの光が減光フィルターで反射して戻り光となるのを低減することができる。
【００１３】
本発明の原子発振器では、前記減光フィルター上に配置され、前記光の反射を低減する反射低減層を備えることが好ましい。
これにより、光源部からの光が減光フィルター表面で反射して戻り光となるのを低減することができる。
【００１４】
本発明の原子発振器では、前記レンズは、前記光を前記原子セルに向けて発散させることが好ましい。
これにより、レンズが光を原子セルに向けて集束させる場合に比べて、光源部への戻り光の量を容易に低減することができる。
【００１５】
本発明の原子発振器では、前記光源部を収納しているパッケージを備え、
前記パッケージは、前記光が透過する窓部を有することが好ましい。
これにより、光源部を原子セルとは独立して温度調節することができ、その結果、光源部の温度変動による出力変動を容易に低減することができる。
【００１６】
本発明の原子発振器では、前記窓部の前記光源部側の面上に配置され、前記光の反射を低減する反射低減層を備えることが好ましい。
これにより、光源部からの光が窓部で反射して戻り光となるのを低減することができる。ここで、光源部を収納しているパッケージの窓部は光源部に極めて近い位置にあるため、光源部からの光は当該窓部で反射すると戻り光として光源部に入射しやすい。そのため、当該窓部での反射光を低減することは、光源部への戻り光の量を低減する上で特に効果的である。
【００１７】
本発明の原子発振器では、前記窓部は、減光フィルターであることが好ましい。
これにより、光源部からの光が減光フィルターで反射して戻り光となるのを低減することができる。また、パッケージの外部に設ける減光フィルターを省略することができ、原子発振器の構成を簡素化することもできる。
【００１８】
本発明の電子機器は、本発明の原子発振器を備えることを特徴とする。
このような電子機器によれば、原子発振器の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【００１９】
本発明の移動体は、本発明の原子発振器を備えることを特徴とする。
このような移動体によれば、原子発振器の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
【図２】図１に示す原子発振器の断面図である。
【図３】図２に示す原子発振器が備える発光素子モジュールの断面図である。
【図４】集光レンズの焦点上に光源部を配置した場合の光路を説明するための模式図である。
【図５】図２に示す原子発振器（集光レンズの焦点からずれた位置に光源部を配置した場合）の光路を説明するための模式図である。
【図６】図４および図５に示す光軸からの距離（位置）と戻り光（集光レンズによる集光のみを考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。
【図７】減光フィルターの透過率２％の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。
【図８】減光フィルターの透過率１０％の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。
【図９】集光レンズの屈折率１．５１の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。
【図１０】図２に示す原子発振器の変形例を示す模式図である。
【図１１】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の移動体の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
１．原子発振器
まず、本発明の原子発振器について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る原子発振器を示す概略図である。
図１に示す原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。
【００２４】
この原子発振器１は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０と原子セルユニット２０との間に設けられている光学系ユニット３０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０の作動を制御する制御ユニット５０と、を備える。以下、まず、原子発振器１の概略について説明する。
【００２５】
発光素子モジュール１０は、ペルチェ素子２と、発光素子３（光源部）と、温度センサー４と、を備える。発光素子３は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。また、温度センサー４は、発光素子３の温度を検出する。また、ペルチェ素子２は、発光素子３の温度を調節（発光素子３を加温または冷却）する。
【００２６】
光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２（レンズ）と、１／４波長板３０３と、を備える。減光フィルター３０１は、前述した発光素子３からの光ＬＬの強度を減少させる。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を調整する（例えば光ＬＬを平行光に近づける）。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換する。
【００２７】
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２（受光部）と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、を備える。
【００２８】
原子セル２０１は、光透過性を有し、原子セル２０１内には、アルカリ金属が封入されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル２０１には、発光素子３からの光ＬＬが減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３を介して入射する。そして、受光素子２０２は、原子セル２０１を通過した光ＬＬを受光し、その受光強度に応じた信号を出力する。
【００２９】
ヒーター２０３は、原子セル２０１内のアルカリ金属を加熱し、そのアルカリ金属の少なくとも一部を所望濃度のガス状態とする。また、温度センサー２０４は、原子セル２０１の温度を検出する。コイル２０５は、原子セル２０１内のアルカリ金属に所定方向の磁場を印加し、その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。このようにアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、前述したような円偏光の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することができる。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（ＥＩＴ現象に伴って受光素子２０２の出力信号に現れる信号）が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を向上させることができる。
【００３０】
制御ユニット５０は、温度制御部５０１と、光源制御部５０２と、磁場制御部５０３と、温度制御部５０４と、を備える。温度制御部５０１は、温度センサー２０４の検出結果に基づいて、原子セル２０１内が所望の温度となるように、ヒーター２０３への通電を制御する。また、磁場制御部５０３は、コイル２０５が発生する磁場が一定となるように、コイル２０５への通電を制御する。また、温度制御部５０４は、温度センサー４の検出結果に基づいて、発光素子３の温度が所望の温度（温度領域内）となるように、ペルチェ素子２への通電を制御する。
【００３１】
光源制御部５０２は、受光素子２０２の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、発光素子３からの光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル２０１内のアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。また、光源制御部５０２は、前述した２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型水晶発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の出力信号を原子発振器１の出力信号（クロック信号）として出力する。
【００３２】
以上、原子発振器１の概略について説明した。以下、図２および図３に基づいて、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。
【００３３】
図２は、図１に示す原子発振器の断面図である。図３は、図２に示す原子発振器が備える発光素子モジュールの断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図２中の上側を「上」、下側を「下」ともいう。
【００３４】
図２に示すように、原子発振器１は、発光素子モジュール１０と、原子セルユニット２０と、発光素子モジュール１０を保持している光学系ユニット３０と、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０を一括して支持している支持部材４０と、発光素子モジュール１０および原子セルユニット２０に電気的に接続されている制御ユニット５０と、これらを収納しているパッケージ６０と、を備えている。
【００３５】
（発光素子モジュール）
発光素子モジュール１０は、図３に示すように、ペルチェ素子２と、発光素子３と、温度センサー４と、これらを収納しているパッケージ５と、を有している。
【００３６】
パッケージ５は、凹部５１１を有するベース５１と、凹部５１１の開口を塞ぐリッド５２とを有し、ベース５１とリッド５２との間に、ペルチェ素子２、発光素子３および温度センサー４を収納している気密空間である内部空間Ｓを形成している。このようなパッケージ５内は、減圧（真空）状態であることが好ましい。これにより、パッケージ５の外部の温度変化がパッケージ５内の発光素子３や温度センサー４等に与える影響を低減し、パッケージ５内の発光素子３や温度センサー４等の温度変動を低減することができる。なお、パッケージ５内は、減圧状態でなくともよく、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。
【００３７】
ベース５１の構成材料としては、特に限定されないが、絶縁性を有し、かつ、内部空間Ｓを気密空間とするのに適した材料、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、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を用いることができる。
【００３８】
また、ベース５１は、凹部５１１の底面よりも開口側であって、凹部５１１の底面の外周を囲むように形成されている段差部５１２を有している。この段差部５１２上には、図示しない複数の接続電極（内部電極）が設けられている。これらの接続電極は、ベース５１を貫通する図示しない貫通電極を介して、ベース５１の外表面（図中下側の面）に設けられた複数の外部実装電極６１に電気的に接続されている。
【００３９】
外部実装電極６１等の構成材料としては、特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、金合金、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銀（Ａｇ）、銀合金、クロム（Ｃｒ）、クロム合金、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属材料が挙げられる。
【００４０】
また、ベース５１のリッド５２側の端面には、枠状（環状）のシールリング５３が設けられている。このシールリング５３は、例えば、コバール等の金属材料で構成され、ろう付け等によりベース５１に対して接合されている。このようなシールリング５３を介してベース５１にシーム溶接等によりリッド５２が接合されている。
【００４１】
リッド５２は、板状をなす本体部５４と、本体部５４上に設けられている筒状の突出部５５と、突出部５５の内側に形成された孔５５１（開口）を塞いでいる窓部５６と、を有している。
【００４２】
本体部５４の構成材料としては、特に限定されないが、金属材料が好適に用いられ、その中でも、ベース５１の構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましい。したがって、例えば、ベース５１をセラミックス基板とした場合には、本体部５４の構成材料としてはコバール等の合金を用いることが好ましい。
【００４３】
突出部５５は、その内側に、前述した本体部５４の孔５４１に連通している孔５５１と、孔５５１に対して孔５４１とは反対側で孔５５１に連通している孔５５２と、を有している。これら孔５５１、５５２は、それぞれ、発光素子３からの光ＬＬの少なくとも一部を通過させる。ここで、孔５５２の幅（径）は、孔５５１の幅（径）よりも大きくなっており、これにより、孔５５１と孔５５２との間には、段差部５５３が形成されている。この段差部５５３は、前述した本体部５４の板面に対して平行となっている。なお、段差部５５３は、本体部５４の板面に対して傾斜していてもよい。
【００４４】
このような突出部５５の構成材料としては、本体部５４の構成材料と異なっていてもよいが、本体部５４の構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましく、本体部５４の構成材料と同じであることがより好ましい。また、突出部５５は、本体部５４とは別体で形成され、公知の接合方法により接合（固定）してもよいし、金型等を用いて本体部５４と一体で（一括して）形成してもよい。
【００４５】
このようなパッケージ５において、孔５５２の内部には、光ＬＬを透過する板状の部材で構成された窓部５６が設置されている。この窓部５６は、前述した段差部５５３上に公知の接合法により接合され、前述した突出部５５の孔５５１の孔５５２側の開口を塞いでいる。ここで、前述したように段差部５５３が本体部５４の板面５４０に対して平行となっているため、それに伴って、窓部５６の発光素子３側の面も、本体部５４の板面５４０に対して平行となっている。なお、窓部５６は、前述した段差部５５３と同様、本体部５４の板面に対して傾斜していてもよい。
【００４６】
窓部５６の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、各種ガラス材料等が挙げられる。なお、窓部５６は、レンズ、減光フィルター等の機能を有する光学部品であってもよい。
【００４７】
このようなリッド５２は、本体部５４および突出部５５が後述する光学系ユニット３０のホルダー３０４に係合して位置決めされる。より具体的には、本体部５４の板面がホルダー３０４の位置決め面３０６に当接することで、光ＬＬの出射方向におけるリッド５２の位置決めがなされる。また、突出部５５がホルダー３０４の貫通孔３０５内に挿入された状態で突出部５５の側面が貫通孔３０５の内壁面に当接することで、光ＬＬの出射方向におけるリッド５２の位置決めがなされる。また、このように本体部５４および突出部５５がホルダー３０４に接触することで、金属材料で構成されている放熱性のホルダー３０４からの放熱によりリッド５２の温度を低減することもできる。
【００４８】
このようなパッケージ５のベース５１の凹部５１１の底面には、ペルチェ素子２が配置されている。ペルチェ素子２は、ベース５１に対して例えば接着剤により固定されている。ペルチェ素子２は、１対の基板２１、２２と、これらの基板２１、２２間に設けられている接合体２３と、を有する。基板２１、２２は、それぞれ、金属材料、セラミックス材料等の熱伝導性に優れる材料で構成されている。また、基板２１、２２の表面には、それぞれ、必要に応じて、絶縁膜が設けられている。
【００４９】
このようなペルチェ素子２は、図示しない配線（ボンディングワイヤーを含む配線）を介して、パッケージ５に設けられた接続電極（図示せず）に電気的に接続されている。そして、ペルチェ素子２は、通電により接合体２３で生じるペルチェ効果により、基板２１、２２のうち、一方の基板が発熱側、他方が吸熱側となる。ここで、ペルチェ素子２は、供給される電流の向きにより、基板２１が発熱側となるとともに基板２２が吸熱側となる状態と、基板２１が吸熱側となるとともに基板２２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、発光素子３等を所望の温度（目標温度）に温度調節することができる。これにより、温度変化による悪影響（例えば光ＬＬの波長変動）をより低減することができる。ここで、発光素子３の目標温度は、発光素子３の特性に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、３０℃以上４０℃以下程度である。
【００５０】
発光素子３は、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である。半導体レーザーは、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して（変調を掛けて）用いることにより、波長の異なる２種の光を出射させることができる。本実施形態では、発光素子３から出射する光は、直線偏光している。この発光素子３は、図示しない配線（ボンディングワイヤーを含む配線）を介して、パッケージ５に設けられた接続電極（図示せず）に電気的に接続されている。
【００５１】
温度センサー４は、例えば、サーミスタ、熱電対等の温度検出素子である。この温度センサー４は、図示しない配線（ボンディングワイヤーを含む配線）を介して、パッケージ５に設けられた接続電極（図示せず）に電気的に接続されている。
【００５２】
（光学系ユニット）
図２に示すように、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１と、集光レンズ３０２と、１／４波長板３０３と、これらを保持しているホルダー３０４と、を有している。ここで、ホルダー３０４は、両端が開口した貫通孔３０５を有する。この貫通孔３０５は、光ＬＬの通過領域であり、貫通孔３０５内には、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３がこの順で配置されている。図３に示すように、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３は、それぞれ、図示しない接着剤等によりホルダー３０４に対して固定されている。このようなホルダー３０４は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。
【００５３】
前述したように、減光フィルター３０１は、前述した発光素子３からの光ＬＬの強度を減少させる機能を有する。減光フィルター３０１としては、特に限定されず、吸収型または反射型のいずれであってもよい。また、集光レンズ３０２は、光ＬＬの放射角度を調整する（例えば光ＬＬを平行光に近づける）機能を有する。これにより、原子セル２０１内において光ＬＬのパワー密度が進行方向で変化するのを低減し、ＥＩＴ信号の線幅の拡がりを抑制することができる。その結果、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を向上させることができる。また、１／４波長板３０３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換する機能を有する。これにより、コイル２０５からの磁界との相互作用により、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。
【００５４】
なお、光学系ユニット３０は、発光素子３からの光ＬＬの強度等によっては、減光フィルター３０１を省略することができる。また、光学系ユニット３０は、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３以外の光学素子を有していてもよい。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３の配置順は、図示の順に限定されず、任意である。また、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２および１／４波長板３０３のそれぞれの姿勢は、任意である。
【００５５】
（原子セルユニット）
原子セルユニット２０は、原子セル２０１と、受光素子２０２と、ヒーター２０３と、温度センサー２０４と、コイル２０５と、これらを収納しているパッケージ２０６と、を備える。
【００５６】
原子セル２０１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。また、原子セル２０１内には、必要に応じて、アルゴン、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アルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
【００５７】
原子セル２０１は、柱状の貫通孔を有する胴体部２０１１と、その胴体部２０１１の貫通孔の両開口を封鎖して気密封止された内部空間を形成している１対の窓部２０１２、２０１３と、を有する。ここで、一方の窓部２０１２には、原子セル２０１内へ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部２０１３には、原子セル２０１内から出射した光ＬＬが透過する。したがって、各窓部２０１２、２０１３の構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部２０１１の構成材料としては、特に限定されず、金属材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部２０１２、２０１３との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部２０１１と各窓部２０１２、２０１３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法、溶融接合法、オプティカル接合法等を用いることができる。
【００５８】
受光素子２０２は、原子セル２０１に対して発光素子モジュール１０とは反対側に配置されている。この受光素子２０２としては、原子セル２０１内を透過した光ＬＬ（共鳴光対）の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）が挙げられる。
【００５９】
ヒーター２０３は、図示しないが、例えば、前述した原子セル２０１上に配置されているか、または、金属等の熱伝導性部材を介して原子セル２０１に接続されている。このヒーター２０３としては、原子セル２０１（より具体的には原子セル２０１内のアルカリ金属）を加熱することができれば、特に限定されないが、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーター、ペルチェ素子等が挙げられる。
【００６０】
温度センサー２０４は、図示しないが、例えば、原子セル２０１またはヒーター２０３の近傍に配置されている。この温度センサー２０４としては、原子セル２０１またはヒーター２０３の温度を検出することができれば、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーが挙げられる。
【００６１】
コイル２０５は、図示しないが、例えば、原子セル２０１の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、または、原子セル２０１を介して対向するヘルムホルツ型の１対のコイルである。このコイル２０５は、原子セル２０１内に光ＬＬの光軸に沿った方向（平行な方向）の磁場を発生させる。これにより、原子セル２０１内の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ゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、コイル２０５が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
【００６２】
パッケージ２０６は、図示しないが、例えば、板状の基体と、この基体に接合されている蓋体と、を備え、これらの間に、前述した原子セル２０１、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５を収納している気密空間を形成している。ここで、基体は、原子セル２０１、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５を直接的または間接的に支持している。また、基体の外表面には、受光素子２０２、ヒーター２０３、温度センサー２０４およびコイル２０５に電気的に接続されている複数の端子が設けられている。一方、蓋体は、一端部が開口した有底筒状をなし、その開口が基体により塞がれている。また、蓋体の他端部（底部）には、光ＬＬに対する透過性を有する窓部２０７が設けられている。
【００６３】
このようなパッケージ２０６の基体および蓋体の窓部２０７以外の部分の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、セラミックス、金属等が挙げられる。また、窓部２０７の構成材料としては、例えば、ガラス材料等が挙げられる。また、基体と蓋体との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等が挙げられる。また、パッケージ２０６内は、大気圧よりも減圧されていることが好ましい。これにより、簡単かつ高精度に、原子セル２０１の温度を制御することができる。その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。なお、窓部２０７は、パッケージ２０６内を気密空間としない場合、省略してもよい。
【００６４】
（支持部材）
支持部材４０は、板状をなし、その一方の面上には、前述した原子セルユニット２０および光学系ユニット３０が載置されている。この支持部材４０は、光学系ユニット３０のホルダー３０４の下面の形状に沿った設置面４０１を有する。この設置面４０１には、段差部４０２が形成されている。この段差部４０２は、ホルダー３０４の下面の段差部と係合して、ホルダー３０４が原子セルユニット２０側（図２中右側）へ移動するのを規制する。同様に、支持部材４０は、原子セルユニット２０のパッケージ２０６の下面の形状に沿った設置面４０３を有する。この設置面４０３には、段差部４０４が形成されている。この段差部４０４は、パッケージ２０６の端面（図２中左側の端面）と係合して、パッケージ２０６が光学系ユニット３０側（図２中左側）へ移動するのを規制する。
【００６５】
このように、支持部材４０により原子セルユニット２０および光学系ユニット３０の相対的な位置関係を規定することができる。そして、発光素子モジュール１０がホルダー３０４に対して固定されているため、原子セルユニット２０および光学系ユニット３０に対する発光素子モジュール１０の相対的な位置関係も規定されることとなる。ここで、パッケージ２０６およびホルダー３０４は、それぞれ、図示しないネジ等の固定部材により、支持部材４０に対して固定されている。また、支持部材４０は、図示しないネジ等の固定部材により、パッケージ６０に対して固定されている。また、支持部材４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されており、放熱性を有する。これにより、発光素子モジュール１０の放熱を効率的に行うことができる。
【００６６】
（制御ユニット）
図３に示すように、制御ユニット５０は、回路基板５０５と、回路基板５０５上に設けられている２つのコネクター５０６ａ、５０６ｂと、発光素子モジュール１０に接続されているリジット配線基板５０７ａと、原子セルユニット２０に接続されているリジット配線基板５０７ｂと、コネクター５０６ａとリジット配線基板５０７ａとを接続しているフレキシブル配線基板５０８ａと、コネクター５０６ｂとリジット配線基板５０７ｂとを接続しているフレキシブル配線基板５０８ｂと、回路基板５０５を貫通している複数のリードピン５０９と、を有する。
【００６７】
ここで、回路基板５０５には、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ（図示せず）が設けられ、このＩＣチップが前述した温度制御部５０１、光源制御部５０２、磁場制御部５０３および温度制御部５０４として機能する。また、回路基板５０５は、前述した支持部材４０が挿通されている貫通孔５０５１を有する。また、回路基板５０５は、複数のリードピン５０９を介してパッケージ６０に対して支持されている。複数のリードピン５０９は、それぞれ、パッケージ６０の内外を貫通しており、回路基板５０５に電気的に接続されている。
【００６８】
なお、回路基板５０５と発光素子モジュール１０とを電気的に接続する構成、および、回路基板５０５と原子セルユニット２０とを電気的に接続する構成は、図示のコネクター５０６ａ、５０６ｂ、リジット配線基板５０７ａ、５０７ｂおよびフレキシブル配線基板５０８ａ、５０８ｂに限定されず、それぞれ、他の公知のコネクターおよび配線であってもよい。
【００６９】
パッケージ６０は、例えば、コバール等の金属材料で構成されており、磁気シールド性を有する。これにより、外部磁場が原子発振器１の特性に悪影響を与えるのを低減することができる。なお、パッケージ６０内は、減圧されていてもよいし、大気圧であってもよいが、気密空間であることが好ましい。
【００７０】
以上のような原子発振器１では、発光素子３から出射された光ＬＬが、窓部５６、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２、１／４波長板３０３および原子セル２０１をこの順で透過して、受光素子２０２で受光される。その際、窓部５６、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２、１／４波長板３０３、原子セル２０１および受光素子２０２のうちの少なくとも１つで光ＬＬの一部が反射して戻り光として発光素子３に高強度で入射すると、発光素子３の出力変動（波長変動、強度変動）をもたらすおそれがある。そこで、本発明の原子発振器１は、このような戻り光の強度を低減することができる構成を有する。以下、かかる構成について詳述する。
【００７１】
（光源部の光路）
図４は、集光レンズの焦点上に光源部を配置した場合の光路を説明するための模式図である。図５は、図２に示す原子発振器（集光レンズの焦点からずれた位置に光源部を配置した場合）の光路を説明するための模式図である。図６は、図４および図５に示す光軸からの距離（位置）と戻り光（集光レンズによる集光のみを考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。
【００７２】
前述したように、集光レンズ３０２は、光ＬＬを平行光に近づけることで、原子セル２０１内において光ＬＬのパワー密度が進行方向で変化するのを低減し、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を向上させるのに寄与する。
【００７３】
しかし、図４に示す原子発振器１Ｘ（比較例）のように、集光レンズ３０２から出射した光ＬＬが平行光となる場合（実線で示す光路）、すなわち、発光素子３の光出射部（光ＬＬが出射する部分）の位置Ｐが集光レンズ３０２の発光素子３側の焦点である焦点Ｆに一致する場合、光ＬＬが１／４波長板３０３、原子セル２０１の窓部２０１２、２０１３または受光素子２０２で反射すると、その反射光である戻り光ＬＬ１は、元の光路と同一の光路（実線で示す光路）で戻って、焦点Ｆで集光する。すなわち、この場合、戻り光ＬＬ１の集光点Ｐ１（ビームウエスト）は、焦点Ｆに一致する。そのため、図４に示す場合、戻り光ＬＬ１が発光素子３の光出射部に高強度で入射し、発光素子３の出力変動が生じるという問題がある。
【００７４】
そこで、図５に示すように、原子発振器１は、集光レンズ３０２から出射した光ＬＬが非平行となって原子セル２０１に入射するように構成されている。すなわち、原子発振器１は、発光素子３の光出射部（光ＬＬが出射する部分）の位置Ｐが集光レンズ３０２の発光素子３側の焦点である焦点Ｆに一致しないように構成されている。より具体的には、位置Ｐが焦点Ｆから集光レンズ３０２の光軸ａｘに沿った方向にずれている。これにより、光ＬＬが１／４波長板３０３、原子セル２０１の窓部２０１２、２０１３または受光素子２０２で反射しても、その反射光である戻り光ＬＬ１（二点鎖線で示す）は、出射した光ＬＬとは異なる光路で戻り、焦点Ｆに対して位置Ｐとは反対側の位置（集光点Ｐ１）で集光する。そのため、図６に示すように、発光素子３は戻り光ＬＬ１の集光点Ｐ１から光軸ａｘ方向にずれた光量密度の低い領域内に位置することとなり、原子発振器１における発光素子３への戻り光の強度（図６中二点鎖線で示すａ）は、前述した原子発振器１Ｘの場合（図６中実線で示すｂ）に比べて、大幅に小さくなる。なお、「発光素子３（光源部）の光ＬＬが出射する部分」は、発光素子３（光源部）が有する共振器の光ＬＬを出射する側の端面である。なお、図６の横軸は、発光素子３（光源部）の光ＬＬが出射する部分の中心を基準（０）としている。
【００７５】
図５に示すように、本実施形態では、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２側に位置している。そのため、集光点Ｐ１は、発光素子３の位置Ｐに対して集光レンズ３０２とは反対側に位置することとなる。これにより、光ＬＬは、集光レンズ３０２から原子セル２０１側に向けて発散して（非平行で）出射される。なお、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２とは反対側に位置していてもよい。この場合、集光点Ｐ１は、発光素子３の位置Ｐに対して集光レンズ３０２側に位置することとなる。これにより、光ＬＬは、集光レンズ３０２から原子セル２０１側に向けて集束して（非平行で）出射される。ここで、光軸ａｘに対して垂直で位置Ｐを通る面ｈにおける戻り光ＬＬ１のスポット径は、発光素子３の位置Ｐが集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２側に位置している場合の方が、発光素子３の位置Ｐが集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２とは反対側に位置している場合よりも大きくなる。したがって、発光素子３の位置Ｐが集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２側に位置している場合の方が、発光素子３の位置Ｐが集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２とは反対側に位置している場合よりも発光素子３への戻り光ＬＬ１の入射量を低減することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の光軸ａｘ上に位置している。これにより、光軸ａｘに対する光ＬＬの対称性を高くすることができる。そのため、原子セル２０１内における光ＬＬのパワー密度の均一化を図りやすく、その結果、原子発振器１の発振特性（特に短期周波数安定度）を高めることが容易であるという利点がある。なお、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の光軸ａｘからずれて（離間して）いてもよい。この場合、戻り光ＬＬ１の中心を発光素子３からずらすことができ、そのため、焦点Ｆと位置Ｐとの間の距離が比較的小さくても、発光素子３への戻り光ＬＬ１の入射量を低減することができる。
【００７７】
このように、戻り光ＬＬ１の集光点Ｐ１は、集光レンズ３０２の焦点Ｆに対する発光素子３の位置Ｐに応じた位置となる。また、集光レンズ３０２の焦点Ｆに対する発光素子３の位置Ｐに応じて、集光レンズ３０２から出射する光ＬＬの平行度が異なる。このような観点から、集光レンズ３０２の焦点Ｆと発光素子３の位置Ｐとの間の距離は、集光レンズ３０２の焦点距離（集光レンズ３０２の中心と焦点Ｆとの間の距離）に対して、０．０１倍以上０．２倍以下であることが好ましく、０．０５倍以上０．１倍以下であることがより好ましい。これにより、前述した集光レンズ３０２により光ＬＬを平行光とすることによる効果を好適に発揮させつつ、発光素子３への戻り光ＬＬ１の入射量を低減することができる。
【００７８】
同様の観点から、集光レンズ３０２を出射する光ＬＬは、原子セル２０１内において、平行光に対して、±５°の範囲内（０°を除く）で発散または集束していることが好ましく、±３°の範囲内（０°を除く）で発散または集束していることがより好ましい。これにより、前述した集光レンズ３０２により光ＬＬを平行光とすることによる効果を阻害することなくある程度発揮させつつ、発光素子３への戻り光ＬＬ１の強度（入射量）を低減することができる。
【００７９】
なお、集光レンズ３０２の焦点Ｆと発光素子３の位置Ｐとの位置関係の調整は、発光素子３の設置位置および集光レンズ３０２の焦点距離の少なくとも一方を変更することで行うことができる。ここで、集光レンズ３０２の焦点距離の変更は、集光レンズ３０２の構成材料（屈折率）および曲率を変更することで行うことができる。
【００８０】
以上のように、集光レンズ３０２から出射した光ＬＬを非平行とすること、すなわち、発光素子３の位置Ｐを集光レンズ３０２の焦点Ｆに一致させないことにより、発光素子３への戻り光ＬＬ１の強度（入射量）を低減することができる。このような効果を確認すべく、発光素子３に入射する戻り光の強度をシミュレーションにより測定した。その結果を図７ないし図９に示す。
【００８１】
図７は、減光フィルターの透過率２％の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。図８は、減光フィルターの透過率１０％の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。図９は、集光レンズの屈折率１．５１の場合の各種条件（Ａ〜Ｍ）と戻り光（集光レンズによる集光および他の要素での反射を考慮した戻り光）の強度との関係を示すグラフである。図１０は、図２に示す原子発振器の変形例を示す模式図である。
【００８２】
ここで、図７ないし図９中、「Ａ」は、窓部５６、減光フィルター３０１、集光レンズ３０２、１／４波長板３０３、原子セル２０１および受光素子２０２のいずれにも反射防止膜（ＡＲコート）を設けない場合を示す。「Ｂ」は、窓部５６の発光素子３側の面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｃ」は、減光フィルター３０１の発光素子３側の面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｄ」は、集光レンズ３０２の発光素子３側の面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｅ」は、１／４波長板３０３の発光素子３側の面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｆ」は、原子セル２０１の窓部２０１２の発光素子３側の面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｇ」は、受光素子２０２の受光面に反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｈ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、減光フィルター３０１の両面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｉ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、減光フィルター３０１の発光素子３側の面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｊ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、集光レンズ３０２の発光素子３側の面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｋ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、１／４波長板３０３の発光素子３側の面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｌ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、原子セル２０１の窓部２０１２の発光素子３側の面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。「Ｍ」は、窓部５６の発光素子３側の面、および、受光素子２０２の受光面にそれぞれ反射防止膜を設けた場合を示す。なお、ここで、各反射防止膜の反射率は、０．０５％である。
【００８３】
図７および図８に示すように、集光レンズ３０２の屈折率が１．５１である場合（図中の「レンズｎ１．５１」）、集光レンズ３０２の屈折率が１．６３である場合（図中の「レンズｎ１．６３」）に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さい。ここで、集光レンズ３０２の屈折率が１．５１である場合、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の焦点Ｆに対して集光レンズ３０２側に位置している。また、集光レンズ３０２の屈折率が１．６３である場合、発光素子３の位置Ｐは、集光レンズ３０２の焦点Ｆに一致している。
【００８４】
また、図７および図８に示すように、集光レンズ３０２の屈折率が１．５１である場合の条件「Ａ」〜「Ｇ」を比べると、窓部５６に反射防止膜を設けた場合（条件「Ｂ」）、他の条件に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さくする効果が顕著であることがわかる。また、集光レンズ３０２の屈折率が１．５１である場合の条件「Ｈ」〜「Ｍ」を比べると、窓部５６に反射防止膜を設けた上で、さらに減光フィルター３０１に反射防止膜を設けた場合（条件「Ｈ」および「Ｉ」）、他の条件に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さくする効果が顕著であることがわかる。
【００８５】
図９に示すように、集光レンズ３０２の屈折率が１．５１である場合、条件「Ａ」〜「Ｇ」および「Ｊ」〜「Ｍ」については、減光フィルター３０１の透過率が１０％である場合（図中の「ＮＤ１０％」）、減光フィルター３０１の透過率が２％である場合（図中の「ＮＤ２％」）に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さくする効果が顕著であることがわかる。これに対し、条件「Ｈ」および「Ｉ」については、減光フィルター３０１の透過率が２％である場合（図中の「ＮＤ２％」）、減光フィルター３０１の透過率が１０％である場合（図中の「ＮＤ１０％」）に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さくする効果が顕著であることがわかる。
【００８６】
したがって、窓部５６に反射防止膜を設け、かつ、減光フィルター３０１に反射防止膜を設けない場合（条件「Ｂ」）、発光素子３へ入射する戻り光の強度を効果的に小さくするには、発光素子３の出力強度を小さくし、かつ、減光フィルター３０１の透過率を大きくすることが好ましい。言い換えると、発光素子３の出力強度が比較的小さく、減光フィルター３０１の透過率が比較的大きくなる場合には、窓部５６に反射防止膜を設け、かつ、減光フィルター３０１に反射防止膜を設けないこと（条件「Ｂ」）が好ましく、これにより、発光素子３へ入射する戻り光の強度を効果的に小さくすることができる。
【００８７】
これに対し、窓部５６および減光フィルター３０１の双方に反射防止膜を設ける場合（条件「Ｈ」および「Ｉ」）、発光素子３へ入射する戻り光の強度を効果的に小さくするには、発光素子３の出力強度を大きくし、かつ、減光フィルター３０１の透過率を小さくすることが好ましい。言い換えると、発光素子３の出力強度が比較的大きく、減光フィルター３０１の透過率が比較的小さくなる場合には、窓部５６および減光フィルター３０１の双方に反射防止膜を設けること（条件「Ｈ」および「Ｉ」）が好ましく、これにより、発光素子３へ入射する戻り光の強度を効果的に小さくすることができる。
【００８８】
また、条件「Ｈ」および「Ｉ」では、他の条件に比べて、発光素子３へ入射する戻り光の強度が小さくする効果が顕著であることがわかる。これは、次のａ．およびｂ．の理由によるものと推察される。ａ．窓部５６が他の光学要素（集光レンズ３０２、１／４波長板３０３、原子セル２０１および受光素子２０２）に比べて発光素子３に極めて近いため、窓部５６での反射光が他の光学要素での反射光に比べて発光素子３への戻り光に対する影響が大きい。ｂ．減光フィルター３０１を透過した光ＬＬは、強度が大幅に減衰するため、減光フィルターよりも原子セル２０１側にある他の光学要素での反射光は、発光素子３への戻り光に対する影響が少ない。
【００８９】
以上のように、原子発振器１は、アルカリ金属が封入されている原子セル２０１と、原子セル２０１内のアルカリ金属に照射する光ＬＬを出射する「光源部」である発光素子３と、原子セル２０１を透過した光ＬＬを受光し、その受光強度に応じた信号を出力する「受光部」である受光素子２０２と、発光素子３と原子セル２０１との間に配置されている「レンズ」である集光レンズ３０２と、を備える。特に、集光レンズ３０２の焦点Ｆは、発光素子３の光ＬＬを出射する部分に対して光軸ａｘ方向（光軸方向）にずれている。これにより、集光レンズ３０２は、光ＬＬを原子セル２０１に向けて発散（または集束）させて、すなわち非平行で出射する。
【００９０】
このような原子発振器１によれば、発光素子３と原子セル２０１との間に配置されている集光レンズ３０２が発光素子３からの光ＬＬを原子セル２０１に向けて発散（または集束）させて出射する（言い換えると、発光素子３の光を出射する部分に対して光軸ａｘ方向にずれた位置に焦点を有する）ため、当該光ＬＬが原子セル２０１、受光素子２０２等で反射しても、その反射光を発光素子３（特に、光ＬＬを出射する部分）とは異なる位置に集光させることができる。そのため、当該反射光が戻り光ＬＬ１として発光素子３に入射する量を少なくし、戻り光ＬＬ１による発光素子３の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、原子発振器１の周波数特性（特に、短期周波数安定度）を向上させることができる。
【００９１】
このように、集光レンズ３０２は、光ＬＬを原子セル２０１に向けて発散させる。これにより、集光レンズ３０２が光を原子セル２０１に向けて集束させる場合に比べて、発光素子３への戻り光ＬＬ１の強度（入射量）を容易に低減することができる。
【００９２】
また、原子発振器１は、発光素子３（光源部）と集光レンズ３０２との間に配置されている減光フィルター３０１を備える。これにより、原子セル２０１内のアルカリ金属に照射される光ＬＬの強度を容易に最適化することができる。また、戻り光ＬＬ１も減光フィルター３０１を通過することとなるため、発光素子３への戻り光ＬＬ１の強度（入射量）をより低減することができる。
【００９３】
ここで、減光フィルター３０１は、光を吸収する物質を含有していること、すなわち、いわゆる吸収型の減光フィルターであることが好ましい。これにより、発光素子３からの光ＬＬが減光フィルター３０１で反射して戻り光となるのを低減することができる。
【００９４】
また、減光フィルター３０１上には、図１０に示す原子発振器１Ａのように、反射防止膜（光学薄膜等）である反射低減層３０７が設けられていることが好ましい。すなわち、原子発振器１は、減光フィルター３０１上（図示では発光素子３側の面上）に配置され、光ＬＬの反射を低減する反射低減層３０７を備えることが好ましい。これにより、発光素子３からの光ＬＬが減光フィルター３０１で反射して戻り光となるのを低減することができる。
【００９５】
また、原子発振器１は、発光素子３（光源部）を収納しているパッケージ５を備え、パッケージ５は、光ＬＬが透過する窓部５６を有する。これにより、発光素子３を原子セル２０１とは独立して温度調節することができ、その結果、発光素子３の温度変動による出力変動を容易に低減することができる。
【００９６】
また、発光素子３と受光素子２０２と間にある複数の光学要素のうち最も発光素子３に近い窓部５６の発光素子３側の面上には、図１０に示す原子発振器１Ａのように、反射防止膜（光学薄膜等）である反射低減層５７が設けられていることが好ましい。すなわち、原子発振器１は、窓部５６の発光素子３（光源部）側の面上に配置され、光ＬＬの反射を低減する反射低減層５７を備えることが好ましい。これにより、発光素子３からの光ＬＬが窓部５６で反射して戻り光となるのを低減することができる。ここで、発光素子３を収納しているパッケージ５の窓部５６は発光素子３に極めて近い位置にあるため、発光素子３からの光ＬＬは当該窓部５６で反射すると戻り光として発光素子３に入射しやすい。そのため、当該窓部５６での反射光を低減することは、発光素子３への戻り光の量を低減する上で特に効果的である。
【００９７】
また、窓部５６には、減光フィルター３０１と同様の減光機能を有していてもよい。すなわち、窓部５６は、減光フィルターであってもよい。この場合、発光素子３からの光ＬＬが減光フィルターで反射して戻り光となるのを低減することができる。また、パッケージ５の外部に設ける減光フィルター３０１を省略することができ、原子発振器１の構成を簡素化および低コスト化することもできる。
【００９８】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器１は、各種電子機器に組み込むことができる。以下、本発明の電子機器について説明する。
【００９９】
図１１は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【０１００】
図１１に示す測位システム１１００は、ＧＰＳ衛星１２００と、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。
【０１０１】
ＧＰＳ衛星１２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置１３０２と、この受信装置１３０２で受信した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
【０１０２】
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１（発光素子モジュール１０）を備える電子機器である。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
【０１０３】
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
【０１０４】
以上説明した測位システム１１００が備える「電子機器」である受信装置１３０２は、原子発振器１を備える。これにより、原子発振器１の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【０１０５】
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型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（通信機能付も含む）、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端末、医療機器（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）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
【０１０６】
３．移動体
図１２は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１０７】
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
【０１０８】
以上のように、移動体１５００は、原子発振器１を備える。これにより、原子発振器１の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【０１０９】
以上、本発明の原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【０１１０】
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【０１１１】
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる原子発振器に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる原子発振器にも適用可能である。
【０１１２】
また、前述した実施形態では、光源部を収納するパッケージと、原子セルおよび受光部を収納するパッケージとの２つのパッケージを有する場合を例に説明したが、光源部、原子セルおよび受光部を１つの共通した内部空間のパッケージに収納してもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、１Ｘ…原子発振器、２…ペルチェ素子、３…発光素子（光源部）、４…温度センサー、５…パッケージ、１０…発光素子モジュール、２０…原子セルユニット、２１…基板、２２…基板、２３…接合体、３０…光学系ユニット、４０…支持部材、５０…制御ユニット、５１…ベース、５２…リッド、５３…シールリング、５４…本体部、５５…突出部、５６…窓部、５７…反射低減層、６０…パッケージ、６１…外部実装電極、２０１…原子セル、２０２…受光素子（受光部）、２０３…ヒーター、２０４…温度センサー、２０５…コイル、２０６…パッケージ、２０７…窓部、３０１…減光フィルター、３０２…集光レンズ、３０３…１／４波長板、３０４…ホルダー、３０５…貫通孔、３０６…位置決め面、３０７…反射低減層、４０１…設置面、４０２…段差部、４０３…設置面、４０４…段差部、５０１…温度制御部、５０２…光源制御部、５０３…磁場制御部、５０４…温度制御部、５０５…回路基板、５０６ａ…コネクター、５０６ｂ…コネクター、５０７ａ…リジット配線基板、５０７ｂ…リジット配線基板、５０８ａ…フレキシブル配線基板、５０８ｂ…フレキシブル配線基板、５０９…リードピン、５１１…凹部、５１２…段差部、５４０…板面、５４１…孔、５５１…孔、５５２…孔、５５３…段差部、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、２０１１…胴体部、２０１２…窓部、２０１３…窓部、５０５１…貫通孔、Ｆ…焦点、ＬＬ…光、ＬＬ１…戻り光、Ｐ…位置、Ｐ１…集光点、Ｓ…内部空間、Ｗ…幅、ａｘ…光軸、ｈ…面
【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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