(57)【要約】【課題】原子発振器のサイズ、消費電流、およびコストを低減する。【解決手段】原子セルと、原子セルに光を照射する発光源と、原子セルを通過した光を検出する光検出器と、発光源を駆動する駆動部と、駆動信号生成用のマイクロ波を出力する周波数逓倍器と、周波数逓倍器の入力信号を位相変調する第１位相変調器と、光検出器の出力を検波する第１位相検波器と、当該検波出力に基づいて発振周波数が調整されるＶＣＸＯと、を備え、駆動部と発光源と原子セルと光検出器と周波数逓倍器と第１位相変調器と第１位相検波器と電圧制御水晶発振器とを含んで構成され、電圧制御水晶発振器の発振周波数を安定させる制御を行う第１フィードバックループを有する原子発振器であって、第１位相変調器の基準信号となる第１位相変調信号および第１位相検波器の基準信号となる第１位相検波信号は、電圧制御水晶発振器の出力信号から生成される原子発振器。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子が封入されている原子セルと、
前記原子セルに照射する光を発生する発光源と、
前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出器と、
前記発光源を駆動する駆動信号を出力する駆動部と、
前記駆動信号生成用のマイクロ波を前記駆動部に出力する周波数逓倍器と、
前記周波数逓倍器の入力信号を位相変調して前記マイクロ波に位相変調を加える第１位相変調器と、
前記光検出器の出力を検波する第１位相検波器と、
前記第１位相検波器の検波出力に基づいて発振周波数が調整される電圧制御水晶発振器と、を備え、
前記駆動部と前記発光源と前記原子セルと前記光検出器と前記周波数逓倍器と前記第１位相変調器と前記第１位相検波器と前記電圧制御水晶発振器とを含んで構成され、前記電圧制御水晶発振器の発振周波数を安定させる制御を行う第１フィードバックループを有する原子発振器であって、
前記第１位相変調器の基準信号となる第１位相変調信号および前記第１位相検波器の基準信号となる第１位相検波信号は、第１分周器により前記電圧制御水晶発振器の出力信号から生成されることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１フィードバックループは、前記光の中心周波数を前記原子セルの原子共鳴周波数に近づける制御を行う帰還制御回路であることを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項１において、
前記発光源は、前記原子セルに電磁誘起透明化現象を発現させる共鳴光対を含む前記光を発生し、
前記第１フィードバックループは、前記共鳴光対を含む前記光を安定して発生させるように前記発光源の前記駆動信号を生成する帰還制御回路であることを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、
前記第１位相変調信号は、第１濾波器によって、前記第１位相検波信号から生成されることを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記駆動信号用のバイアス電流を生成する定電流回路と、
前記光検出器の出力を検波する第２位相検波器と、
前記定電流回路と前記駆動部と前記発光源と前記原子セルと前記光検出器と前記第２位相検波器とを含んで構成される第２フィードバックループと、を備え、
前記第２フィードバックループにおいて、
前記第２位相検波器は、第２位相検波信号に基づいて前記光検出器の出力を検波して前記検波出力を出力し、
前記定電流回路は、前記第２位相検波信号と位相が同期したバイアス変動信号と前記第２位相検波器の検波出力に対応したレベル信号とが入力され、前記バイアス変動信号および前記レベル信号に基づいて前記バイアス電流の値を調整して前記駆動部に出力し、
前記駆動部は、前記バイアス電流を前記マイクロ波に重畳して前記駆動信号を出力することを特徴とする原子発振器。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２位相検波信号は、第２分周器により前記電圧制御水晶発振器の出力信号から、前記第１位相検波信号よりも低い周波数となるように生成され
前記バイアス変動信号は、第２濾波器によって、前記第２位相検波信号から生成されることを特徴とする原子発振器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の原子発振器を備えることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および原子発振器を備える電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）など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、原子発振器の動作原理は、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、周波数（波長）の異なる２つの光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent  Population  Trapping）を利用した方式とに大別される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、二重共鳴現象を利用したルビジウム原子発振器が開示されている。また、特許文献２には、量子干渉効果を利用した原子発振器が開示されている。
量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化が可能であることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている。
量子干渉効果を利用した原子発振器は、気体状態の金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中の金属原子に周波数の異なる２つの共鳴光（共鳴光対）を含むレーザー光を照射する光出射部と、ガスセルを透過したレーザー光（出射光）を検出する光検出部と、を備えている。そして、共鳴光対の周波数差が特定の値のときに、２つの共鳴光の双方がガスセル内の金属原子に吸収されることなく透過する電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically  Induced  Transparency）を生じ、そのＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出する。ＥＩＴ信号は、金属原子の種類によって決まった固有値をもっているので、このＥＩＴ信号を検出することにより、安定した周波数を発振する高精度な発振器を構成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３１１２２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７９７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の二重共鳴現象を利用したルビジウム原子発振器は、ＯＭＵ（原子共鳴器）に入力される周波数を共鳴周波数近傍に安定させるためのフィードバックループを有している。そして、当該フィードバックループにおいて、位相変調部で使用される位相変調信号と位相検波器で使用される位相検波信号とを生成するために、低周波発振器が備えられている。（特許文献１の図１参照。）
また、特許文献２の量子干渉効果を利用した原子発振器は、波長制御回路（本願における第２フィードバックループ２０に相当）および周波数制御回路（本願における第１フィードバックループ１０に相当）を備える。波長制御回路および周波数制御回路は、位相変調信号および位相検波信号を生成するために、それぞれ低周波発振器を備えている。（特許文献２の図２参照。）
上述のように、従来の原子発振器は、独立した回路として１以上の低周波発振器を備えるため、原子発振器のサイズおよび消費電流が増大し、コストアップするという課題を持つ。
【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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
（適用例１）
本発明に係る原子発振器は、金属原子が封入されている原子セルと、前記原子セルに照射する光を発生する発光源と、前記原子セルを通過した前記光を検出する光検出器と、前記発光源を駆動する駆動信号を出力する駆動部と、前記駆動信号生成用のマイクロ波を前記駆動部に出力する周波数逓倍器と、前記周波数逓倍器の入力信号を位相変調して前記マイクロ波に位相変調を加える第１位相変調器と、前記光検出器の出力を検波する第１位相検波器と、前記第１位相検波器の検波出力に基づいて発振周波数が調整される電圧制御水晶発振器と、を備え、前記駆動部と前記発光源と前記原子セルと前記光検出器と前記周波数逓倍器と前記第１位相変調器と前記第１位相検波器と前記電圧制御水晶発振器とを含んで構成され、前記電圧制御水晶発振器の発振周波数を安定させる制御を行う第１フィードバックループを有する原子発振器であって、前記第１位相変調器の基準信号となる第１位相変調信号および前記第１位相検波器の基準信号となる第１位相検波信号は、第１分周器により前記電圧制御水晶発振器の出力信号から生成されることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、第１位相変調器の基準信号となる第１位相変調信号および第１位相検波器の基準信号となる第１位相検波信号が、第１フィードバックループを構成する電圧制御水晶発振器の出力信号から第１分周器により生成される。したがって、第１位相変調信号および第１位相検波信号を生成するために、独立した回路として低周波発振器を備える必要がない。
【０００９】
（適用例２）
上記適用例において、前記第１フィードバックループは、前記光の中心周波数を前記原子セルの原子共鳴周波数に近づける制御を行う帰還制御回路であることが望ましい。
【００１０】
本適用例によれば、第１フィードバックループは、光の中心周波数を原子セルの原子共鳴周波数に近づける帰還制御を行う。そのため、原子セルに二重共鳴現象を安定的に発現させることができる。
【００１１】
（適用例３）
上記適用例において、前記発光源は、前記原子セルに電磁誘起透明化現象を発現させる共鳴光対を含む前記光を発生し、前記第１フィードバックループは、前記共鳴光対を含む前記光を安定して発生させるように前記発光源の前記駆動信号を生成する帰還制御回路であることが望ましい。
【００１２】
本適用例によれば、第１フィードバックループは、原子セルに電磁誘起透明化現象を発現させる共鳴光対を含む光を発生させる帰還制御を行う。そのため、原子セルに電磁誘起透明化現象を安定的に発現させることができる。
【００１３】
（適用例４）
上記適用例において、前記第１位相変調信号は、第１濾波器によって、前記第１位相検波信号から生成されることが望ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第１濾波器によって第１位相検波信号から第１位相変調信号が生成される。したがって、第１位相変調信号を生成するために、独立した回路として低周波発振器を備える必要がなく、かつ第１位相検波信号の位相と第１位相変調信号の位相とを同期させることができる。
【００１５】
（適用例５）
上記適用例において、前記駆動信号用のバイアス電流を生成する定電流回路と、前記光検出器の出力を検波する第２位相検波器と、前記定電流回路と前記駆動部と前記発光源と前記原子セルと前記光検出器と前記第２位相検波器とを含んで構成される第２フィードバックループと、を備え、前記第２フィードバックループにおいて、前記第２位相検波器は、第２位相検波信号に基づいて前記光検出器の出力を検波して前記検波出力を出力し、前記定電流回路は、前記第２位相検波信号と位相が同期したバイアス変動信号と前記第２位相検波器の検波出力に対応したレベル信号とが入力され、前記バイアス変動信号および前記レベル信号に基づいて前記バイアス電流の値を調整して前記駆動部に出力し、前記駆動部は、前記バイアス電流を前記マイクロ波に重畳して前記駆動信号を出力することが望ましい。
【００１６】
本適用例によれば、バイアス電流を生成する定電流回路を備え、マイクロ波にバイアス電流を重畳して発光源を駆動する駆動信号を出力し、金属原子による光吸収が発現するようにバイアス電流を制御する第２フィードバックループを備える。そのため、原子セルにおいて光吸収を安定的に発現させることができる。
【００１７】
（適用例６）
上記適用例において、前記第２位相検波信号は、第２分周器により前記電圧制御水晶発振器の出力信号から、前記第１位相検波信号よりも低い周波数となるように生成され、前記バイアス変動信号は、第２濾波器によって、前記第２位相検波信号から生成されることが望ましい。
【００１８】
本適用例によれば、第２位相検波器の基準信号となる第２位相検波信号が、第１フィードバックループに含まれる電圧制御水晶発振器の出力信号から第２分周器により生成される。また、第２濾波器によって第２位相検波信号からバイアス変動信号が生成される。したがって、バイアス変動信号を生成するために、独立した回路として低周波発振器を備える必要がなく、かつ第２位相検波信号の位相とバイアス変動信号の位相とを同期させることが容易となる。さらに、第２位相検波信号は、第１位相検波信号と周波数が異なる（低い）ため、バイアス変動信号と第１位相変調信号とは位相が重ならない。その結果、それぞれの位相成分を持つ光検出器の出力を、第１位相検波器および第２位相検波器によって確実に検波することができる。
【００１９】
（適用例７）
本発明に係る電子装置は、上記適用例のいずれかに記載の原子発振器を備えることを特徴とする。
【００２０】
本適用例によれば、原子発振器は、独立した回路として低周波発振器を設ける必要がないので、低周波発振器を設ける場合と比べて、原子発振器の低消費電力化とコンパクト化と低コスト化とを図ることができる。したがって、当該原子発信器を備える電子装置も、低消費電力化とコンパクト化と低コスト化とを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】量子干渉効果を利用した原子発振器の全体構成図。
【図２】アルカリ金属のエネルギー状態の説明図。
【図３】照射される２つの光の周波数差と出射光の強度との関係を示すグラフ。
【図４】変形例１に係る原子発振器の全体構成図。
【図５】二重共鳴現象を利用した原子発振器の全体構成図。
【図６】クロック伝送システムの一例を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した原子発振器１の第１実施形態について図面を参照して説明する。第１実施形態では、本発明を適用した原子発振器１として、量子干渉効果を利用したセシウム原子発振器２を例に挙げて説明する。
なお、以下の説明で参照する図面では、説明および図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺を実際のものとは異なるように表す場合がある。また、説明に必要な構成要素以外は、図示を省略する場合がある。
【００２３】
（原子発振器の構成）
図１は、本実施形態に係るセシウム原子発振器２の全体構成図である。セシウム原子発振器２は、第１フィードバックループ１０（一点鎖線で表記）と第２フィードバックループ２０（二点鎖線で表記）とを備える。
第１フィードバックループ１０は、量子干渉装置３０において電磁誘起透明化現象（以下、ＥＩＴ現象と称する）が安定的に発現するように、共鳴光対を含む光を発光源３１に発生させ、その結果、電圧制御水晶発振器１１（以下、ＶＣＸＯ１１と称する）の発振周波数を安定させる帰還制御回路である。これにより、セシウム原子発振器２は、ＶＣＸＯ１１から非常に周波数安定度の高い出力信号ＯＵＴ（例えば、周波数１０ＭＨｚの信号）を供給することができる。
【００２４】
量子干渉装置３０は、セシウム原子（金属原子）が封入されている原子セル３２と、原子セル３２に照射する共鳴光対を含む光を発生する発光源３１と、原子セル３２を通過した出射光を検出する光検出器３３と、を備える。
第１フィードバックループ１０は、発光源３１を駆動する駆動部３６、量子干渉装置３０、光検出器３３が検出した出射光を増幅する増幅器３７、増幅器３７で増幅された光検出器３３の出力を検波する第１位相検波器１４、第１位相検波器１４の検波出力を積分する積分回路１５、および積分回路１５の出力を安定した電圧のレベル信号１６１にするループフィルター１６を含む。第１フィードバックループ１０は、さらに、ループフィルター１６の出力信号を受けて発振周波数が調整されるＶＣＸＯ１１、発光源３１を駆動する駆動信号に位相変調を加えるためにＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴを位相変調する第１位相変調器１２、および位相変調された出力信号ＯＵＴを逓倍する周波数逓倍器１３を含んで構成される。ＶＣＸＯ１１は、印加される電圧に基づいて発振周波数が調整される水晶発振器である。
【００２５】
第１位相変調器１２は、原子セル３２に照射される光に位相変調を加えるために、第１位相変調信号７２を基準信号として、発光源３１を駆動する駆動信号に位相変調を加える。本実施形態では、第１位相変調器１２は、ＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴに対して、第１位相変調信号７２によって位相変調をかける。位相変調された信号は周波数逓倍器１３の入力信号であり、周波数逓倍器１３によって周波数が逓倍され、位相変調されたマイクロ波が出力される。位相変調されたマイクロ波は、駆動部３６において、発光源３１を駆動する駆動信号を生成するための駆動信号生成用の信号となる。
第１位相検波器１４は、第１位相検波信号７１を基準信号として、増幅器３７で増幅された光検出器３３の出力を検波する。後述のように、第１位相変調信号７２は、第１位相検波信号７１から生成されるため、第１位相検波信号７１と第１位相変調信号７２とは位相が同期している。そのため、第１位相変調信号７２によって位相変調されたマイクロ波を含む駆動信号により発生された光に基づく光検出器３３の出力は、第１位相検波信号７１によって位相検波できる。
第１位相検波器１４の検波出力が、積分回路１５およびループフィルター１６によって安定した電圧のレベル信号１６１に変換されてＶＣＸＯ１１に入力される。
【００２６】
第１位相検波信号７１は、第１分周器としての分周器１７によりＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴが分周されて生成される。第１位相変調信号７２は、第１濾波器としての濾波器１８によって、矩形波の周期信号である第１位相検波信号７１から高調波成分が取り除かれて生成される。したがって、第１位相変調信号７２は、第１位相検波信号７１と同期しており、理想的には正弦波の周期信号である。例えば、本実施形態では、出力信号ＯＵＴは１０ＭＨｚであり、出力信号ＯＵＴが分周されて生成される第１位相検波信号７１は１２８Ｈｚの矩形波信号であり、第１位相変調信号７２は１２８Ｈｚの正弦波信号である。
濾波器１８は、ローパスフィルターＬＰＦとオールパスフィルターＡＰＦとを備え、ローパスフィルターＬＰＦによって第１位相検波信号７１の高調波成分を取り除き、オールパスフィルターＡＰＦによって量子干渉装置３０で生ずる位相ずれを考慮した位相調整を行って第１位相変調信号７２を生成する。
【００２７】
以上のように、本実施形態においては、第１位相検波信号７１はＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴから分周器１７によって生成され、第１位相変調信号７２は第１位相検波信号７１から濾波器１８によって生成される。そのため、従来の原子発振器に備えられていた低周波発振器は不要となる。
また、上述の第１フィードバックループ１０により、量子干渉装置３０においてＥＩＴ現象が安定的に発現するように、共鳴光対を含む光を発光源３１に発生させる帰還制御が成される。その結果、ＶＣＸＯ１１の発振周波数を高度に安定させることができるため、周波数安定度が非常に高い出力信号ＯＵＴをセシウム原子発振器２の出力として供給できる。
【００２８】
第２フィードバックループ２０は、発光源３１を駆動する駆動部３６、量子干渉装置３０、光検出器３３が検出した出射光を増幅する増幅器３７、増幅器３７で増幅された光検出器３３の出力を検波する第２位相検波器２４、第２位相検波器２４の検波出力を積分する積分回路２５、積分回路２５の出力を安定した電圧のレベル信号２６１にするループフィルター２６、および後述のバイアス変動信号８２とループフィルター２６からのレベル信号２６１とを受けて発光源３１を駆動する駆動信号用のバイアス電流を生成する定電流回路２３を含んで構成される。
【００２９】
第２位相検波器２４は、第２位相検波信号８１を基準信号として、増幅器３７で増幅された光検出器３３の出力を検波して検波出力を出力する。第２位相検波信号８１は、第２分周器としての分周器２７により、分周器１７の出力である第１位相検波信号７１が分周されて生成される。後述のように、バイアス変動信号８２は、第２位相検波信号８１から生成されるため、第２位相検波信号８１とバイアス変動信号８２とは位相が同期している。そのため、バイアス変動信号８２によりバイアス電流が変動した駆動信号によって発生された光に基づく光検出器３３の出力は、第２位相検波信号８１によって位相検波できる。なお、第２位相検波信号８１を、分周器１７を介さずにＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴを直接分周して生成する場合は、第２分周器を、分周器１７と分周器２７とが合計された分周比を持つ分周器とすればよい。
バイアス変動信号８２は、第２濾波器としての濾波器２８によって、矩形波の周期信号である第２位相検波信号８１から高調波成分が取り除かれて生成される。したがって、バイアス変動信号８２は、第２位相検波信号８１と同期しており、理想的には正弦波の周期信号である。
例えば、本実施形態では、第１位相検波信号７１は１２８Ｈｚであり、第１位相検波信号７１が分周されて生成される第２位相検波信号８１は、１６Ｈｚの矩形波信号であり、バイアス変動信号８２は１６Ｈｚの正弦波信号である。
濾波器２８は、ローパスフィルターＬＰＦとオールパスフィルターＡＰＦとを備え、ローパスフィルターＬＰＦによって第２位相検波信号８１の高調波成分を取り除き、オールパスフィルターＡＰＦによって量子干渉装置３０で生ずる位相ずれを考慮した位相調整を行ってバイアス変動信号８２を生成する。
第２位相検波器２４の検波出力が、積分回路２５およびループフィルター２６によって安定した電圧のレベル信号２６１に変換されて定電流回路２３に入力される。
【００３０】
定電流回路２３は、バイアス変動信号８２および第２位相検波器２４の検波出力に対応したレベル信号２６１に基づいて、マイクロ波に重畳されるバイアス電流を生成する。具体的には、バイアス電流の中心値がレベル信号２６１によって調整されて、光吸収が安定的に発現する波長（中心波長）の光が発光源３１から発生される。そして、バイアス電流の変動周期がバイアス変動信号８２によって調整されて、発光源３１から発生される光の波長を光吸収が発現する波長に安定させる第２フィードバックループ２０の帰還制御が実現される。
駆動部３６は、定電流回路２３で生成されたバイアス電流を周波数逓倍器１３から出力されたマイクロ波に重畳し、発光源３１を駆動する駆動信号を出力する。
【００３１】
本実施形態において示したように、第２位相検波信号８１は、ＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴから生成された第１位相検波信号７１から分周器２７によって生成され、バイアス変動信号８２は第２位相検波信号８１から濾波器２８によって生成される。そのため、従来の原子発振器に備えられていた低周波発振器は不要となる。
さらに、第１位相検波信号７１と第２位相検波信号８１とは周波数が異なるため、第１位相検波信号７１から生成される第１位相変調信号７２と第２位相検波信号８１から生成されるバイアス変動信号８２とは、位相が異なる。そのため、第１位相変調信号７２による変調の位相とバイアス変動信号８２による変動の位相とが重ならず、確実に位相検波ができる。
【００３２】
また、上述の第２フィードバックループ２０により、量子干渉装置３０においてアルカリ金属原子による光吸収が安定的に発現する波長（中心波長）で共鳴光対を含む光を発光源３１に発生させる帰還制御が構成される。その結果、アルカリ金属原子による光吸収が安定して発現するため、上述した第１フィードバックループ１０によるＥＩＴ現象の制御が確実に実施可能となる。
【００３３】
次に、第１フィードバックループ１０または第２フィードバックループ２０に含まれる構成要素について詳述する。
【００３４】
発光源３１は、２つの発振周波数（ω１，ω２）をもつレーザー光（共鳴光対を含む光）、つまりカップリング光とプローブ光とを同時に同一の方向に出射できるように構成されており、それぞれの周波数ごとに独立して変化させることができる。これにより、原子セル３２の内部空間に封入されているアルカリ金属原子に周波数の異なる２つのレーザー光を同時に照射し、レーザー光の周波数を制御して、ＥＩＴ信号を伴う光吸収をアルカリ金属原子に行わせることができる。
発光源３１は、共鳴光を出射できるものであればよく、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）などの半導体レーザーを用いることができる。また、発光源３１は、温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子など）（図示せず）により、所定温度に温度調節される。
【００３５】
光検出器３３は、レーザー光の可変周波数領域において、原子セル３２の内部空間を透過して出射される出射光の強度を検出する光検出感度を有する周波数特性を持っていればよく、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどの光検出器（受光素子）を用いることができる。
【００３６】
原子セル３２は、一方の開口部を封鎖する入射窓と他方の開口部を封鎖する出射窓とを有する胴体を備え、アルカリ金属原子は胴体の内部空間に封入されている。また、原子セル３２は、発光源３１と光検出器３３とを直線で結んだ光軸に垂直な面において、入射窓の中心部と出射窓の中心部とを結ぶ仮想線が、光軸上に重なるように構成されている。
【００３７】
原子セル３２の内部空間に封入されているアルカリ金属原子は、内部空間の温度と真空度から決定される飽和蒸気圧に従い、気体の状態で一定の濃度で存在している。本実施形態では、アルカリ金属原子として量子吸収体であるセシウム（Ｃｓ）が封入されており、さらに、必要に応じてアルゴン、ネオンなどの希ガス、窒素などの不活性ガスが、緩衝ガスとして封入されている。
【００３８】
ループフィルター１６，２６は、積分回路１５，２５から伝達される直流信号を平均化し、交流成分の少ない安定した電圧レベルの直流信号に変換するローパスフィルターである。さらに、ループフィルター１６，２６は、第１フィードバックループ１０および第２フィードバックループ２０における帰還制御を安定的に行うための伝達特性を決定する。
【００３９】
［量子干渉装置の原理］
次に、量子干渉装置３０の原理を説明する。
図２はアルカリ金属のエネルギー状態の説明図であり、図３は発光源３１から照射される２つの光の周波数差と光検出器３３で検出される出射光の強度との関係を示すグラフである。
【００４０】
上述のように、量子干渉装置３０では、レーザー光が発光源３１から原子セル３２に向けて照射され、原子セル３２を透過した出射光を光検出器３３が検出する。原子セル３２の内部空間には、アルカリ金属原子が気体の状態で均一に封入されており、この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、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態α，β）と、１つの共鳴状態と、の３つの状態をとり得る。なお、基底状態αは、基底状態βよりも低いエネルギー状態である。
【００４１】
発光源３１から照射されるレーザー光は、周波数の異なる２つの共鳴光６１，６２を含んでおり、この２つの共鳴光６１，６２を上述のような気体の状態のアルカリ金属原子に照射すると、共鳴光６１の周波数ω１と共鳴光６２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光６１，６２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。
【００４２】
そして、共鳴光６１の周波数ω１と共鳴光６２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態αと基底状態β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α，βから共鳴状態への共鳴がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光６１，６２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象が、上述の電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ）である。
【００４３】
例えば、発光源３１が、共鳴光６１の周波数ω１を固定し、共鳴光６２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光６１の周波数ω１と共鳴光６２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、光検出器３３の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する（ＥＩＴ信号の発現）。
【００４４】
このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。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ので、このＥＩＴ信号を用いることにより、高精度なセシウム原子発振器２を構成することができる。
【００４５】
（作用効果）
以上説明した通り、本実施形態によるセシウム原子発振器２（原子発振器１）は、独立した回路として１以上の低周波発振器を備えることなく、分周器１７，２７と濾波器１８，２８とによって、第１位相検波信号７１、第１位相変調信号７２、第２位相検波信号８１、およびバイアス変動信号８２を生成することができる。そのため、セシウム原子発振器２（原子発振器１）のサイズおよび消費電流の増加が抑制でき、コストアップを抑えることができる。
【００４６】
（変形例１）
以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、例えば、下記のように変形が可能である。なお、以下の説明において、第１実施形態と同一の構成部位については、同一の符号を付し、或いはその旨を明記して、重複する説明は省略する。
【００４７】
図４は、図１で示したセシウム原子発振器２の構成に、共鳴検出器４１、第１掃引回路４２、および第２掃引回路４３を付加したセシウム原子発振器２の構成を示す図である。
第１実施形態において説明した通り、第１フィードバックループ１０は、量子干渉装置３０においてＥＩＴ現象が安定的に発現するように、共鳴光対を含む光を発光源３１に発生させる帰還制御を行い、第２フィードバックループ２０は、量子干渉装置３０においてアルカリ金属原子による光吸収が安定的に発現する波長の光を発光源３１に発生させる帰還制御を行う。帰還制御によってこのような安定状態に光の波長をロックするためには、波長（あるいは周波数）を少しずつ変化させて（掃引して）安定状態になる光を見つけ出す必要がある。この掃引処理は、特に、セシウム原子発振器２の電源が投入された後の回路の立ち上がり状態において必要な処理である。共鳴検出器４１、第１掃引回路４２、および第２掃引回路４３は、この掃引処理を行うための構成要素である。
【００４８】
第１フィードバックループ１０において、第１掃引回路４２は、ＥＩＴ現象が発現したことを第１位相検波器１４の出力から共鳴検出器４１が検出するまで、発光源３１が発生する光の掃引を行う。このため、セシウム原子発振器２に電源が投入された時、第１掃引回路４２による掃引を開始して、ＥＩＴ現象が発現したら第１掃引回路４２による掃引を終了させることができる。
一方、第２フィードバックループ２０において、第２掃引回路４３は、図示しないコントローラー（例えば、マイクロコンピューター）によって制御されて、アルカリ金属原子による光吸収が発現するまで光の掃引を行い、光吸収が発現したら掃引を停止する。その後、セシウム原子発振器２は、第２フィードバックループ２０の帰還制御によって発光源３１が発生する光の波長を安定させる。
【００４９】
なお、セシウム原子発振器２では、電源が投入された後、まず第２フィードバックループ２０において、第２掃引回路４３による掃引と帰還制御によって、光吸収が発現するように光の波長が調整され、その後、第１フィードバックループ１０において、共鳴検出器４１および第１掃引回路４２による掃引と帰還制御によって、ＥＩＴ現象が発現する共鳴光対を含む光が決定されることが望ましい。
【００５０】
上述のように、第２掃引回路４３によって光吸収が発現し、第１掃引回路４２によってＥＩＴ現象が発現した後は、第１フィードバックループ１０の帰還制御および第２フィードバックループ２０の帰還制御によって発光源３１が発生する光の波長を安定させる。この際の第１フィードバックループ１０および第２フィードバックループ２０の作用および機能は、第１実施形態において説明した通りである。
【００５１】
したがって、本変形例によれば、独立した回路として低周波発振器を備えないため、セシウム原子発振器２（原子発振器１）のサイズおよび消費電流の増加が抑制でき、コストアップを抑えることができるとともに、電源が投入された後確実に量子干渉効果を発現させることが可能となる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、本発明を適用した原子発振器１の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明で参照する図面では、説明および図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺を実際のものとは異なるように表す場合がある。また、説明に必要な構成要素以外は、図示を省略する場合がある。
【００５３】
図５は、本発明を適用したルビジウム原子発振器３（二重共鳴現象を利用した原子発振器１）の全体構成図である。なお、ルビジウム原子発振器３における二重共鳴現象の原理については、公知（例えば、特開平９−９８０８６の段落「０００７」など）のため、詳細な説明は省く。
【００５４】
ルビジウム原子発振器３は、第１実施形態に記載のセシウム原子発振器２と同様に、ＶＣＸＯ１１の発振周波数を安定させる帰還制御を行うフィードバックループ５０（破線で表記）を備える。フィードバックループ５０は、駆動部３６、原子共鳴装置５５、増幅器３７、第１位相検波器１４、積分回路１５、ループフィルター１６、ＶＣＸＯ１１、第１位相変調器１２、および周波数逓倍器１３を含む帰還制御回路である。
原子共鳴装置５５は、ルビジウム原子が封入されている原子セル５２と、原子セル５２に照射する光を発生する発光源３１と、原子セル５２を通過した出射光を検出する光検出器３３と、を備える。
【００５５】
第１位相変調器１２は、第１位相変調信号７２を基準信号として、原子セル５２に照射する光が位相変調するように発光源３１を駆動する駆動信号に位相変調を加える。一方、第１位相検波器１４は、第１位相検波信号７１を基準信号として、増幅器３７で増幅された光検出器３３の出力を検波する。この検波出力が、積分回路１５およびループフィルター１６によって安定した電圧のレベル信号１６１に変換されてＶＣＸＯ１１に入力される。
【００５６】
第１位相検波信号７１は、第１分周器としての分周器１７によりＶＣＸＯ１１の出力信号ＯＵＴが分周されて生成される。第１位相変調信号７２は、第１濾波器としての濾波器１８によって、矩形波の周期信号である第１位相検波信号７１から高調波成分が取り除かれて生成される。したがって、第１位相変調信号７２は、第１位相検波信号７１と同期しており、理想的には正弦波の周期信号である。
濾波器１８は、ローパスフィルターＬＰＦとオールパスフィルターＡＰＦとを備え、ローパスフィルターＬＰＦによって第１位相検波信号７１の高調波成分を取り除いて、オールパスフィルターＡＰＦによって原子共鳴装置５５で生ずる位相ずれを考慮した位相調整を行って第１位相変調信号７２を生成する。
【００５７】
以上の構成により、フィードバックループ５０は、発光源３１に発生させる光の中心周波数をルビジウム原子の原子共鳴周波数に近づける制御を行って、原子共鳴装置５５において二重共鳴現象を安定的に発現させる。その結果、ＶＣＸＯ１１の発振周波数を高度に安定させることができるため、周波数安定度が非常に高い出力信号ＯＵＴをルビジウム原子発振器３の出力として供給できる。
【００５８】
（作用効果）
以上説明した通り、本実施形態によるルビジウム原子発振器３（原子発振器１）は、独立した回路として１以上の低周波発振器を備えることなく、分周器１７と濾波器１８とによって位相変調器１２の基準信号となる位相変調信号７２および位相検波器１４の基準信号となる位相検波信号７１を生成することができる。そのため、ルビジウム原子発振器３（原子発振器１）のサイズおよび消費電流の増加が抑制でき、コストアップを抑えることができる。
【００５９】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る原子発振器１を組み込んだ電子装置について、クロック伝送システム６００を例に挙げて説明する。
【００６０】
図６は、クロック伝送システム６００の一例を示す概略構成図である。クロック伝送システム６００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、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
【００６１】
このクロック伝送システム６００は、Ａ局（Ｎ系）のＣＳＭ（Clock Supply Module（クロック供給装置））６０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置６０２と、Ｂ局（Ｅ系）のクロック供給装置６０３およびＳＤＨ装置６０４と、Ｃ局のクロック供給装置６０５およびＳＤＨ装置６０６，６０７とを備える。クロック供給装置６０１は、原子発振器１を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置６０１内の原子発振器１は、マスタークロック６０８，６０９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。
【００６２】
ＳＤＨ装置６０２は、クロック供給装置６０１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６０５に伝送する。クロック供給装置６０３は、原子発振器１を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置６０３内の原子発振器１は、マスタークロック６０８，６０９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。
【００６３】
ＳＤＨ装置６０４は、クロック供給装置６０３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６０５に伝送する。クロック供給装置６０５は、クロック供給装置６０１，６０３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。
【００６４】
ここで、クロック供給装置６０５は、通常、クロック供給装置６０１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６０５は、クロック供給装置６０３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６０６は、クロック供給装置６０５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６０７は、クロック供給装置６０５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。
したがって、本発明に係る原子発振器１を組み込んだクロック伝送システム６００は、優れた信頼性を有する。
【００６５】
なお、本発明に係る原子発振器１を組み込む電子装置は、第３実施形態に限定されず、下記の装置であってもよい。例えば、携帯電話機、デジタルスチールカメラ、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等である。
【００６６】
なお、本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１…原子発振器、２…セシウム原子発振器、３…ルビジウム原子発振器、１０…第１フィードバックループ、１１…ＶＣＸＯ（電圧制御水晶発振器）、１２…第１位相変調器、１４…第１位相検波器、１７…分周器、１８…濾波器、２０…第２フィードバックループ、２３…定電流回路、２４…第２位相検波器、２７…分周器、２８…濾波器、３０…量子干渉装置、３１…発光源、３２…原子セル、３３…光検出器、３６…駆動部、３７…増幅器、４１…共鳴検出器、４２…第１掃引回路、４３…第２掃引回路、５０…フィードバックループ、５２…原子セル、５５…原子共鳴装置、７１…第１位相検波信号、７２…第１位相変調信号、８１…第２位相検波信号、８２…バイアス変動信号、１６１，２６１…レベル信号、６００…クロック伝送システム。
【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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