(57)【要約】【課題】小型、かつ、簡易な構成とすることができる原子発振器を提供する。【解決手段】光源と、前記光源から射出された光をパルス化するフィルター素子と、アルカリ金属原子が封入されており、前記フィルター素子でパルス化された光が照射されるガスセルと、前記ガスセルを透過した光の光量を検出する光検出部と、前記フィルター素子に電流を供給する電源と、を含み、前記フィルター素子は、前記電源に電気的に接続された第１電極および第２電極と、前記第１電極および前記第２電極に挟まれたフィルター部と、を有し、前記フィルター部は、半導体材料で構成されている、ことを特徴とする原子発振器。【選択図】図１
2018023095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出された光をパルス化するフィルター素子と、
アルカリ金属原子が封入されており、前記フィルター素子でパルス化された光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した光の光量を検出する光検出部と、
前記フィルター素子に電流を供給する電源と、を含み、
前記フィルター素子は、
前記電源に電気的に接続された第１電極および第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極に挟まれたフィルター部と、を有し、
前記フィルター部は、半導体材料で構成されている、ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記電源を制御する電源制御部を含み、
前記電源制御部は、
前記フィルター部の温度が第１温度となるように前記電源を制御する処理と、
前記フィルター部の温度が第１温度よりも高い第２温度となるように前記電源を制御する処理と、を繰り返し行う、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第１電極および前記第２電極は、前記光源から射出される光を透過する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記フィルター部は、ｎ型の第１半導体層と、ｐ型の第２半導体層と、を有している、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記フィルター素子の前記光の入射面、または前記光の射出面は、前記光の光軸を法線とする面に対して傾斜している、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子の遷移エネルギーを基準周波数として用いる原子発振器は、最も高精度な発振器の１つとして、通信基地局などで広く用いられている。原子発振器にはいくつかの方式があるが、ルビジウム（Ｒｂ）ランプを用いたマイクロ波二重共鳴方式が最も一般的に用いられている。
【０００３】
近年、量子干渉効果の１つであるＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）と呼ばれる現象を用いた原子発振器が提案され、従来に比べ原子発振器の小型化、低消費電力化が期待されている。ＣＰＴ方式の場合、光源にはレーザーなどのコヒーレントな光源を用い、高周波信号を重畳することで、その側波帯をＣＰＴ現象の発現に用いる。ＣＰＴ方式の原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長（周波数）を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）を利用した発振器である。
【０００４】
このような原子発振器として、特許文献１には、励起用レーザー光をパルス化してガスセルに照射することによりラムゼー共鳴を生じさせ、共鳴線幅の狭帯域化やライトシフトを低減させることが可能な原子発振器が開示されている。特許文献１の原子発振器では、レーザー光をパルス化するために、音響光学素子（ＡＯＭ、Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や液晶素子を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−４９８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、原子発振器において、励起用レーザー光をパルス化するために音響光学素子や液晶素子を用いた場合、装置が大型になってしまったり、装置の部品点数が多くなり装置が複雑化してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、小型、かつ、簡易な構成とすることができる原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る原子発振器は、
光源と、
前記光源から射出された光をパルス化するフィルター素子と、
アルカリ金属原子が封入されており、前記フィルター素子でパルス化された光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した光の光量を検出する光検出部と、
前記フィルター素子に電流を供給する電源と、を含み、
前記フィルター素子は、
前記電源に電気的に接続された第１電極および第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極に挟まれたフィルター部と、を有し、
前記フィルター部は、半導体材料で構成されていてもよい。
【０００９】
このような原子発振器では、半導体材料からなるフィルター部のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源から射出された光をパルス化することができる。したがって、例えば音響光学素子や液晶素子を用いて光をパルス化する場合と比べて、小型、かつ、簡易な構成で光をパルス化できる。よって、このような原子発振器では、小型、かつ、簡易な構成の原子発振器を実現できる。
【００１０】
本発明に係る原子発振器において、
前記電源を制御する電源制御部を含み、
前記電源制御部は、
前記フィルター部の温度が第１温度となるように前記電源を制御する処理と、
前記フィルター部の温度が第１温度よりも高い第２温度となるように前記電源を制御する処理と、を繰り返し行ってもよい。
【００１１】
このような原子発振器では、フィルター素子において、光源から射出された光がフィルター部で吸収される状態と、光がフィルター部を透過する状態と、を繰り返し生じさせることができ、その結果、光源から射出された光をパルス化することができる。
【００１２】
本発明に係る原子発振器において、
前記第１電極および前記第２電極は、前記光源から射出される光を透過してもよい。
【００１３】
このような原子発振器では、第１電極および第２電極が光源から射出される光を透過するため、第１電極および第２電極をフィルター部の互いに反対方向を向く２つの面の全面に形成することができる。したがって、フィルター部に均一に電流を印加することができ、フィルター部を均一に加熱することができる。
【００１４】
本発明に係る原子発振器において、
前記フィルター部は、ｎ型の第１半導体層と、ｐ型の第２半導体層と、を有していてもよい。
【００１５】
このような原子発振器では、フィルター部がｎ型の第１半導体層とｐ型の第２半導体層とを有しているため、ｐｎ接合を形成することができる。したがって、フィルター部に電流を印加することでフィルター部を加熱することができる。よって、フィルター部を加熱するためのヒーター等が不要であり、フィルター素子を小型、かつ、簡易な構成で実現できる。
【００１６】
本発明に係る原子発振器において、
前記フィルター素子の前記光の入射面、または前記光の射出面は、前記光の光軸を法線とする面に対して傾斜していてもよい。
【００１７】
このような原子発振器では、フィルター素子の光の入射面、または光の射出面が光の光軸を法線とする面に対して傾斜していることから、フィルター素子によって反射された戻り光が光軸と異なる方向に向かう。これにより、戻り光が光源に戻ることがなくなり、戻り光の影響による光源の出力変動を抑制することができ、原子発振器の精度低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図３】アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波および第２側帯波の関係を示す図。
【図４】フィルター素子によってパルス化された光の一例を示す図。
【図５】フィルター素子を模式的に示す図。
【図６】フィルター部の温度が第１温度である状態を示す図。
【図７】フィルター部の温度が第１温度よりも高い第２温度である状態を示す図。
【図８】本実施形態におけるフィルター素子の変形例を模式的に示す図。
【図９】第２実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図１０】フィルター素子の反射光の状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
（第１実施形態）
１．  原子発振器
１．１．  構成
まず、第１実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。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。
【００２１】
原子発振器１００は、図１に示すように、光源１０と、フィルター素子１２と、λ／４板１４と、ガスセル１６と、光検出部１８と、電源としての電源部２０と、電源制御部２１と、中心波長可変部２２と、高周波発生部２４と、吸収検出部３０と、サンプリング部２６と、ＥＩＴ検出部２８と、制御部４０と、を含む。制御部４０は、中心波長制御部４２と、高周波制御部４４と、を有している。原子発振器１００は、２つの異なる周波数成分を有する共鳴光対（第１光および第２光）によってアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる。
【００２２】
光源１０は、光Ｌを発生させる。光源１０は、例えば、共振器を半導体基板に対して垂直に作りこんだ垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）である。
【００２３】
図２は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。図３は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波（第１光）Ｗ１および第２側帯波（第２光）Ｗ２の関係を示す図である。光源１０から射出される光Ｌは、図２に示す、中心周波数ｆ0（＝ｃ／λ0：ｃは光の速さ、λ0はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1は、ｆ1＝ｆ0＋ｆmであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2は、ｆ2＝ｆ0−ｆmである。
【００２４】
図３に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、によってＥＩＴ現象を起こす。
【００２５】
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図３に示すように、アルカリ金属原子は、２つの基底準位を有し、基底準位ＧＬ１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ1）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位ＧＬ２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ2）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、すなわち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２とがアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【００２６】
フィルター素子１２は、光源１０から射出された光Ｌをパルス化する。図４は、フィルター素子１２によってパルス化された光（パルス光）の一例を示す図である。ここで、光をパルス化するとは、光（連続光）をパルス光とすることをいい、パルス光とは、短い時間だけ継続する光をいう。フィルター素子１２は、光源１０から射出された光Ｌを時間ｔだけ透過し、Ｔの時間だけ光を吸収し、再びを時間ｔだけ透過することを繰り返して光Ｌをパルス化する（パルス光とする）。これにより、図４に示すように、パルス幅が時間ｔであり、パルス間隔が時間Ｔであるパルス光が得られる。フィルター素子１２の構成については、後述する。なお、ここでは、図４に示すように、パルス光が矩形波である例を示したが、パルス光は矩形波に限定されない。
【００２７】
λ／４板１４は、光の直交する直線偏光成分間に１／４波長の光路差（９０°の位相差）を与える波長板である。λ／４板１４としては、例えば、水晶板や、雲母板等を用いることができる。λ／４板１４は、フィルター素子１２を通過した光（直線偏光）を円偏光に変換する。すなわち、光源１０から射出された光Ｌは、λ／４板１４によって円偏光に変換されてガスセル１６に照射される。
【００２８】
ガスセル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、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、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、円偏光の励起光を用いることにより、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器の発振特性を向上させることができる。
【００２９】
ガスセル１６は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム原子、ルビジウム原子、セシウム原子等）を封入したものである。セシウム原子は、例えば、８０℃程度に加熱されて気体状となる。原子発振器１００は、ガスセル１６内に一方向の均一な磁場を生じさせる磁場発生部（図示せず）を備えている。磁場発生部は、例えば、ガスセル１６を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、またはガスセル１６を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。
【００３０】
ガスセル１６に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波（第１光および第２光）が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００３１】
本実施形態では、ガスセル１６には、パルス化された光（パルス光）が照射されるため、ラムゼー共鳴が生じ、共鳴線幅の狭帯域化およびライトシフトの低減が可能となる。
【００３２】
ここで、ラムゼー共鳴について説明する。順位の縮退を解くために、定常磁場を印加して、原子の状態をある順位に揃える。この状態で原子に電磁波を時間ａだけ照射し、時間Ａだけ待って、再び電磁波を時間ａだけ照射する。このように２回に分けて原子と電磁波とを相互作用させると、原子が他の状態に遷移する確率は、実際に相互作用する時間ａだけでなく２回の相互作用の間の時間Ａにも依存し、量子遷移の起こり方が周波数変化に敏感になる。これをラムゼー共鳴という。この現象を利用することにより、高い精度で遷移の中心周波数を測定することができる。観測される共鳴線幅は、時間Ａに比例して狭くなる。
【００３３】
本実施形態では、フィルター素子１２によって光Ｌをガスセル１６に時間ｔだけ照射し、時間Ｔだけ待って、再び光Ｌをガスセル１６に時間ｔだけ照射することを繰り返し行う（図４参照）。これにより、ラムゼー共鳴を生じさせることができる。
【００３４】
時間Ｔは、ラムゼー共鳴を生じさせることができれば特に限定されない。フィルター素子１２から射出されるパルス化された光Ｌ（パルス光）の繰り返し周波数は、例えば、１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下程度である。ここで、パルス光の繰り返し周波数が１Ｈｚとは、光のＯＮ／ＯＦＦを１秒間に１回行うことをいい、パルス光の繰り返し周波数が１０Ｈｚとは、光のＯＮ／ＯＦＦを１秒間に１０回行うことをいう。パルス光のデューティ比は、例えば、５０％である。パルス光の繰り返し周波数（すなわち時間Ｔおよび時間ｔ）は、要求される原子発振器の性能（周波数安定度等）に応じて適宜設定される。
【００３５】
光検出部１８は、ガスセル１６を透過した（ガスセル１６に封入されたアルカリ金属原子を透過した）光の光量を（強度を）検出する。光検出部１８は、アルカリ金属原子を透過した光の量に応じた検出信号を出力する。光検出部１８は、例えば、フォトダイオードを含んで構成されている。
【００３６】
電源としての電源部２０は、フィルター素子１２に電流を供給する。電源部２０は、例えば直流電源（ＤＣ電源）である。電源部２０は、電源制御部２１によって制御される。電源制御部２１は、例えば、専用回路によって実現して電源部２０の制御を行うように構成されていてもよい。
【００３７】
中心波長可変部２２は、中心波長制御部４２からの信号に基づいて、光源１０から射出される光Ｌの中心波長を変化させる。これにより、光Ｌに含まれる共鳴光対（第１光および第２光）の中心波長を変化させることができる。
【００３８】
高周波発生部２４は、高周波制御部４４からの信号に基づいて、光源１０に高周波信号を供給して共鳴光対を生成する。高周波発生部２４は、専用回路によって実現されていてもよい。
【００３９】
サンプリング部２６は、電源制御部２１の出力信号に同期して、光検出部１８の検出信号をサンプリングする。サンプリング部２６は、ガスセル１６に光Ｌが照射されている間の光検出部１８の検出信号を取得する。図４に示す例では、サンプリング部２６は、パルス光の立ち上がり直後から時間ｔ0（ｔ0＜ｔ）経過したタイミングで、光検出部１８の検出信号を取得する。サンプリング部２６は、専用回路によって実現されていてもよい。
【００４０】
ＥＩＴ検出部２８は、サンプリング部２６が取得した光検出部１８の検出信号を同期検波して、ＥＩＴ現象を検出する。ＥＩＴ検出部２８は、専用回路によって実現されていてもよい。
【００４１】
吸収検出部３０は、例えば、光Ｌの中心波長を変えたときの光検出部１８が出力した検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）を検出する。吸収検出部３０は、専用回路によって実現されていてもよい。
【００４２】
中心波長制御部４２は、吸収検出部３０からの信号に基づいて、中心波長可変部２２を制御することにより、光源１０から射出される光Ｌの波長（中心波長）を変化させる。
【００４３】
高周波制御部４４は、ＥＩＴ検出部２８からの信号に基づいて、高周波発生部２４に、高周波信号を発生する信号を入力する。
【００４４】
なお、制御部４０は、専用回路によって実現して上記の制御を行うように構成されていてもよい。また、制御部４０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）がＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置に記憶された制御プログラムを実行することによってコンピューターとして機能し、上記の制御を行うように構成されていてもよい。
【００４５】
次に、原子発振器１００の動作について説明する。まず、停止状態の原子発振器１００を起動する際の初期動作について説明する。
【００４６】
高周波制御部４４は、高周波発生部２４に信号を入力し、高周波発生部２４から光源１０に高周波信号を入力する。このとき、高周波信号の周波数を、ＥＩＴ現象が発生しないように僅かにずらしておく。例えばガスセル１６のアルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合、４．５９６・・・ＧＨｚの値からずらす。
【００４７】
次に、中心波長制御部４２は、中心波長可変部２２を制御して、光Ｌの中心波長をスイープさせる。このとき、高周波信号の周波数は、ＥＩＴ現象が発生しないように設定されているので、ＥＩＴ現象は発生しない。吸収検出部３０は、光Ｌの中心波長をスイープしたときに、光検出部１８において出力される検出信号の強度の最小値（吸収の底）を検出する。吸収検出部３０は、例えば、光Ｌの中心波長に対する、検出信号の強度変化が一定となったところを、吸収の底とする。
【００４８】
吸収検出部３０が吸収の底を検出すると、中心波長制御部４２は、中心波長可変部２２を制御して、中心波長を固定する（ロックする）。すなわち、中心波長制御部４２は、光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
【００４９】
次に、高周波制御部４４は、高周波発生部２４を制御して、高周波信号の周波数をＥＩＴ現象が発生する周波数に合わせる。その後、ループ動作に移行して、ＥＩＴ検出部２８によりサンプリング部２６でサンプリングされたＥＩＴ信号を検出する。
【００５０】
次に、原子発振器１００のループ動作について説明する。
【００５１】
ＥＩＴ検出部２８は、光検出部１８が出力した検出信号を同期検波し、高周波制御部４４は、ＥＩＴ検出部２８から入力される信号に基づいて、高周波発生部２４が発生する高周波信号の周波数を、ガスセル１６のアルカリ金属原子のΔＥ12の半分に相当する周波数となるように制御する。
【００５２】
吸収検出部３０は、光検出部１８が出力した検出信号を同期検波し、中心波長制御部４２は、吸収検出部３０から入力される信号に基づいて、光Ｌの中心波長が、光検出部１８において出力される検出信号の強度の最小値（吸収の底）に相当する波長となるように、中心波長可変部２２を制御する。
【００５３】
なお、原子発振器１００では、光源１０の温度（駆動温度）が一定となるように制御されていてもよい。
【００５４】
１．２．  フィルター素子
次に、本実施形態に係る原子発振器１００のフィルター素子１２について、図面を参照しながら説明する。図５は、フィルター素子１２を模式的に示す図である。
【００５５】
フィルター素子１２は、図５に示すように、フィルター部２と、フィルター部２を挟む第１電極４ａおよび第２電極４ｂと、を有している。
【００５６】
フィルター部２は、半導体材料で構成されている。図５に示す例では、フィルター部２は、第１半導体層２ａと、第２半導体層２ｂと、を有している。第１半導体層２ａはｎ型の不純物（例えばシリコン）がドープされたｎ型半導体層であり、第２半導体層２ｂはｐ型の不純物（例えば炭素）がドープされたｐ型半導体層である。第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂは、イオン注入により形成されてもよい。第１半導体層２ａと第２半導体層２ｂとは接しており、ｐｎ接合を形成している。
【００５７】
第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、フィルター部２に電流を印加するための電極である。第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、電源部２０に電気的に接続されており、電源部２０から第１電極４ａおよび第２電極４ｂに電流が供給される。
【００５８】
第１電極４ａは、フィルター部２の第１面３ａ（第１半導体層２ａの第２半導体層２ｂと接している面とは反対側の面）に設けられている。第２電極４ｂは、フィルター部２の第１面３ａとは反対方向を向く第２面３ｂ（第２半導体層２ｂの第１半導体層２ａと接している面とは反対側の面）に設けられている。第１電極４ａは第１面３ａの全面に設けられており、第２電極４ｂは第２面３ｂの全面に設けられている。
【００５９】
第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、光源１０から射出された光Ｌを透過する。すなわち、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、光Ｌに対して透明な材質で構成されている。第１電極４ａおよび第２電極４ｂの材質は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）である。
【００６０】
フィルター素子１２では、半導体材料からなるフィルター部２のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源１０から射出された光Ｌをパルス化する。
【００６１】
次に、電源制御部２１による電源部２０の制御について説明する。
【００６２】
図６は、フィルター部２の温度が第１温度である状態を示す図であり、図７は、フィルター部２の温度が第１温度よりも高い第２温度である状態を示す図である。
【００６３】
光源１０から射出された光Ｌは、第１電極４ａに入射し、第１電極４ａを透過してフィルター部２に入射する。
【００６４】
電源制御部２１は、フィルター部２が第１温度となるように電源部２０を制御する。これにより、電源部２０から所定の電流が第１電極４ａおよび第２電極４ｂに供給され、フィルター部２が第１温度となる。第１温度は、フィルター部２を構成する半導体層２ａ，２ｂのバンドギャップが光Ｌのエネルギーよりも大きくなる温度である。フィルター部２を第１温度とすることで、半導体層２ａ，２ｂのバンドギャップが光Ｌのエネルギーよりも大きくなり、その結果、光Ｌは半導体層２ａ，２ｂで吸収されずに半導体層２ａ，２ｂを通過する。フィルター部２を通過した光Ｌは、第２電極４ｂを透過して射出される（図６参照）。
【００６５】
次に、電源制御部２１は、フィルター部２の温度が第２温度となるように電源部２０を制御する。これにより、電源部２０から所定の電流が第１電極４ａおよび第２電極４ｂに供給され、フィルター部２が第２温度となる。第２温度は、フィルター部２を構成する半導体層２ａ，２ｂのバンドギャップが光Ｌのエネルギーよりも小さくなる温度である。フィルター部２を第２温度とすることで、半導体層２ａ，２ｂのバンドギャップが光Ｌのエネルギーよりも小さくなり、その結果、光Ｌは半導体層２ａ，２ｂで吸収される。すなわち、光Ｌは半導体層２ａ，２ｂを通過しない（図７参照）。
【００６６】
電源制御部２１は、上記の処理を所定の周期で繰り返し行い、光Ｌをパルス化する（図４参照）。当該所定の周期は、要求される原子発振器の性能に応じて設定されるパルス光の繰り返し周波数（時間Ｔおよび時間ｔ）に応じた周期である。
【００６７】
例えば、光源１０から射出される光Ｌの波長を８９５ｎｍとすると、この光Ｌのエネルギーは、１．３８５４７５ｅＶとなる。第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂをＡｌ0.075Ｇａ0.425Ａｓ0.5とすると、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂの３０１℃でのバンドギャップは１．３８５６５３１１３ｅＶとなり、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂの３０２℃でのバンドギャップは１．３８５１４９７２７ｅＶとなる。
【００６８】
したがって、半導体層２ａ，２ｂを３０１℃（第１温度）とすると、８９５ｎｍの波長の光Ｌは半導体層２ａ，２ｂで吸収されずに半導体層２ａ，２ｂを通過する。また、半導体層２ａ，２ｂを３０２℃（第２温度）とすると、８９５ｎｍの波長の光Ｌは半導体層２ａ，２ｂで吸収され半導体層２ａ，２ｂを通過できない。
【００６９】
なお、上記では、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂの材質が、ＡｌＧａＡｓである例について説明したが、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂの材質は特に限定されない。
【００７０】
また、上記では、フィルター部２が第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｂを有している例について説明したが、フィルター部２の構成はこれに限定されない。例えば、フィルター部２は１つの半導体層で構成されていてもよいし、３以上の半導体層で構成されていてもよい。例えば、フィルター部２はｎ型の半導体層とｐ型の半導体層とでi型の半導体層を挟んだｐｉｎダイオードであってもよい。
【００７１】
また、図示はしないが、原子発振器１００は、フィルター部２を冷却するための冷却素子を備えていてもよい。冷却素子でフィルター部２を冷却することにより、フィルター部２を第２温度から第１温度にするための時間を短縮することができる。
【００７２】
原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７３】
原子発振器１００では、光源１０から射出された光Ｌをパルス化するフィルター素子１２が、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに挟まれたフィルター部２を有し、フィルター部２は、半導体材料で構成されている。そのため、フィルター素子１２では、半導体材料からなるフィルター部２のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源１０から射出された光Ｌをパルス化することができる。したがって、原子発振器１００では、例えば音響光学素子や液晶素子を用いて光Ｌをパルス化する場合と比べて、小型、かつ、簡易な構成で光Ｌをパルス化できる。よって、本実施形態によれば、小型、かつ、簡易な構成の原子発振器１００を実現できる。
【００７４】
原子発振器１００では、電源制御部２１は、フィルター部２の温度が第１温度となるように電源部２０を制御する処理と、フィルター部２の温度が第１温度よりも高い第２温度となるように電源部２０を制御する処理と、を繰り返し行う。これにより、フィルター素子１２では、光源１０から射出された光Ｌがフィルター部２で吸収される状態と、光Ｌがフィルター部２を透過する状態と、を繰り返すことができ、光源１０から射出された光Ｌをパルス化することができる。
【００７５】
さらに、フィルター素子１２は、フィルター部２に電流を印加することで動作させることができるため、機械的に動作する部分がなく、振動等が発生しない。また、フィルター素子１２は、半導体のバンドギャップの変化を利用して光のオン・オフを行っているため、オンの状態では光のロスが少なく、オフの状態では光の漏れがなく光をほぼ完全に遮断することが可能である。
【００７６】
原子発振器１００では、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、光源１０から射出される光を透過するため、第１電極４ａおよび第２電極４ｂを、フィルター部２の互いに反対方向を向く２つの面３ａ，３ｂの全面に形成することができる。したがって、フィルター部２に均一に電流および電圧を印加することができ、フィルター部２を均一に加熱することができる。
【００７７】
原子発振器１００では、フィルター部２は、ｎ型の第１半導体層２ａとｐ型の第２半導体層２ｂとを有しているため、ｐｎ接合を形成することができる。そのため、フィルター部２に電流を印加することで、フィルター部２を加熱することができ、フィルター部２を加熱するためのヒーター等が不要である。したがって、フィルター素子１２を小型、かつ、簡易な構成で実現できる。
【００７８】
図８は、上述した第１実施形態におけるフィルター素子１２の変形例を模式的に示す図である。図８に示すようにフィルター素子１２は、フィルター部２の温度を測定する温度センサー６を含んで構成されていてもよい。図８に示す例では、電源制御部２１（図１参照）は、温度センサー６の測定結果に基づいて、電源部２０を制御する。具体的には、電源制御部２１は、温度センサー６の測定結果に基づきフィルター部２の温度が第１温度となったと判定した場合には、フィルター部２の温度が第２温度となるように電源部２０を制御する。そして、温度センサー６の測定結果に基づきフィルター部２の温度が第２温度となったと判定した場合には、フィルター部２の温度が第１温度となるように電源部２０を制御する処理を行う。電源制御部２１がこの２つの処理を繰り返すことで、図８に示すフィルター素子１２を用いた原子発振器１００においても、上記の図５に示すフィルター素子１２を用いた場合と同様の作用効果を奏することができる。
【００７９】
（第２実施形態）
２．  原子発振器
２．１．  構成
次に、第２実施形態に係る原子発振器について、図９および図１０を参照しながら説明する。図９は、第２実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図である。図１０は、フィルター素子の反射光の状態を示す図である。なお、図９に示す第２実施形態に係る原子発振器１００Ａは、前述した第１実施形態に係る原子発振器１００と、フィルター素子１２Ａの配置構成が異なっている。以下、第２実施形態の説明では、フィルター素子１２Ａの配置構成を中心に説明し、第１実施形態と同様な構成については同符号を付してその説明を省略することがある。
【００８０】
原子発振器１００Ａは、図９に示すように、光源１０と、フィルター素子１２Ａと、λ／４板１４と、ガスセル１６と、光検出部１８と、電源部２０と、電源制御部２１と、中心波長可変部２２と、高周波発生部２４と、吸収検出部３０と、サンプリング部２６と、ＥＩＴ検出部２８と、制御部４０と、を含む。制御部４０は、中心波長制御部４２と、高周波制御部４４と、を有している。原子発振器１００Ａは、第１実施形態と同様に、２つの異なる周波数成分を有する共鳴光対（第１光および第２光）によってアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる。
【００８１】
原子発振器１００Ａにおいて、フィルター素子１２Ａは、第１実施形態において図５を参照して説明したフィルター素子１２と同様な構成を有し、図５に示したようなフィルター部２と、フィルター部２を挟む第１電極４ａおよび第２電極４ｂと、を有している。また、フィルター素子１２Ａは、光Ｌの入射側に位置する面である入射面１２ｆと、フィルター素子１２Ａによってパルス化された光（パルス光）の射出側に位置する面である射出面１２ｂと、を備えている。本構成では、入射面１２ｆおよび射出面１２ｂは、略平行に構成されている。
【００８２】
そして、原子発振器１００Ａでは、フィルター素子１２Ａは、入射面１２ｆ、または射出面１２ｂが、光Ｌの光軸を法線とする面である仮想面Ｑに対して傾斜するように配置されている。図９に示す例では、フィルター素子１２Ａの光Ｌの入射面１２ｆは、仮想面Ｑに対して傾斜角θを有して傾斜している。換言すれば、フィルター素子１２Ａは、入射面１２ｆ、または射出面１２ｂが、仮想面Ｑに対して、０°＜θ＜９０°の傾きを有して配置されている。なお、光Ｌの入射面１２ｆに対して略平行な光Ｌの射出面１２ｂにおいても、仮想面Ｑに対して同様な傾斜角θを有している。
【００８３】
フィルター素子１２Ａは、図５に示す第１実施形態と同様に、フィルター部２と、フィルター部２を挟む第１電極４ａおよび第２電極４ｂと、を有している。フィルター素子１２Ａでは、半導体材料からなるフィルター部２のバンドギャップが温度によって変化することを利用して、光源１０から射出された光Ｌをパルス化する。そして、フィルター素子１２Ａは、図１０に示すように、パルス化したパルス光Ｌａを射出面１２ｂから光源１０と反対側に射出する。
【００８４】
第２実施形態に係る原子発振器１００Ａによれば、仮想面Ｑに対して傾斜角θで傾斜する構成でフィルター素子１２Ａが配置されることにより、図１０に示すように、フィルター素子１２Ａの入射面１２ｆによって反射された戻り光Ｌｂは、光源１０から射出された光Ｌの光軸と異なる軸方向に向かう。具体的に、戻り光Ｌｂは、光Ｌの光軸と角度θの関係となる入射面１２ｆの法線Ｐ方向に対して角度θを有する軸方向に反射される。即ち、入射光（光Ｌ）の光軸に対して２θの角度で戻り光Ｌｂが反射される。このように戻り光Ｌｂが入射光（光Ｌ）の光軸に対して異なる方向に向かうため、戻り光Ｌｂが光源１０に戻ることがなくなり、戻り光Ｌｂの影響による光源１０の出力変動を抑制することができる。これにより、戻り光Ｌｂに起因する精度低下を抑制可能な原子発振器１００Ａを提供することができる。
【００８５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００８６】
また、上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態および各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【００８７】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８８】
２…フィルター部、２ａ…第１半導体層、２ｂ…第２半導体層、３ａ…第１面、３ｂ…第２面、４ａ…第１電極、４ｂ…第２電極、６…温度センサー、１０…光源、１２，１２Ａ…フィルター素子、１４…λ／４板、１６…ガスセル、１８…光検出部、２０…電源部、２１…電源制御部、２２…中心波長可変部、２４…高周波発生部、２６…サンプリング部、２８…ＥＩＴ検出部、３０…吸収検出部、４０…制御部、４２…中心波長制御部、４４…高周波制御部、１００，１００Ａ…原子発振器。
【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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