(57)【要約】      （修正有）【課題】制御応答性が高い発光素子モジュール、および前記発光モジュールを備えた原子発振器を提供すること。【解決手段】半導体レーザー１０２と、前記半導体レーザーに光を照射する温度制御用の発光素子１０４と、を含む発光素子モジュール１０、前記発光素子モジュールと前記発光素子モジュールから出射された第１の光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セル３０と、前記原子セルを透過した前記第１の光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子４０、から構成される原子発振器。【選択図】図１
2019175967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザーと、
前記半導体レーザーに光を照射する発光素子と、
を含む、発光素子モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記半導体レーザーは、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間の活性層を有し、
前記第１ミラー層に、前記第１ミラー層および前記活性層の積層方向と交差する方向から前記光が入射する、発光素子モジュール。
【請求項３】
請求項１または２において、
温度制御面を有する温度制御素子を含み、
前記半導体レーザーおよび前記発光素子は、前記温度制御面に配置されている、発光素子モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記半導体レーザーは、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間の活性層を有し、
前記光の波長は、前記第１ミラー層に吸収される波長を含む、発光素子モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記光を減光する減光フィルターを含む、発光素子モジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記発光素子は、複数配置されている、発光素子モジュール。
【請求項７】
発光素子モジュールと、
前記発光素子モジュールから出射された第１の光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した前記第１の光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
を含み、
前記発光素子モジュールは、
前記第１の光を出射する半導体レーザーと、
前記半導体レーザーに第２の光を照射する発光素子と、
を含む、原子発振器。
【請求項８】
請求項７において、
前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーに電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、
前記検出信号に基づいて前記発光素子に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、
を含む、原子発振器。
【請求項９】
原子発振器を含む周波数信号生成システムであって、
前記原子発振器は、
発光素子モジュールと、
前記発光素子モジュールから出射された第１の光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した前記第１の光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
を含み、
前記発光素子モジュールは、
前記第１の光を出射する半導体レーザーと、
前記半導体レーザーに第２の光を照射する発光素子と、
を含む、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、発光素子モジュール、原子発振器、および周波数信号生成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、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。ＣＰＴを利用した原子発振器では、光源から出射される光の波長を高精度に制御する必要がある。
【０００３】
原子発振器の光源に用いられる発光素子モジュールとして、半導体レーザーを含む発光素子モジュールが知られている。半導体レーザーを含む発光素子モジュールとして、例えば特許文献１には、レーザー素子部に隣接する位置に光吸収熱変換領域を設けて、光吸収熱変換領域に光を照射することで、レーザー素子部の温度を制御する機能を有する発光素子モジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２９１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子発振器の光源として用いられる発光素子モジュールでは、半導体レーザーの発振波長に対して高い制御応答性が要求される。
【０００６】
ここで、半導体レーザーでは、半導体レーザーの温度を制御することによって半導体レーザーの発振波長を制御することができる。そのため、特許文献１に開示された発光素子モジュールと同様の構成の発光素子モジュールにおいても、レーザー素子部の温度を制御することによって発振波長を変化させることができる可能性がある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された発光素子モジュールでは、光吸収熱変換領域に光を照射することで発生した熱が、レーザー素子部に伝わるまでに時間が掛かってしまうため、制御応答性が低い。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る発光素子モジュールの一態様は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーに光を照射する発光素子と、を含む。
【０００９】
前記発光素子モジュールの一態様において、前記半導体レーザーは、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間の活性層を有し、前記第１ミラー層に、前記第１ミラー層および前記活性層の積層方向と交差する方向から前記光が入射してもよい。
【００１０】
前記発光素子モジュールの一態様は、温度制御面を有する温度制御素子を含み、前記半導体レーザーおよび前記発光素子は、前記温度制御面に配置されてもよい。
【００１１】
前記発光素子モジュールの一態様において、前記半導体レーザーは、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間の活性層を有し、前記光の波長は、前記第１ミラー層に吸収される波長を含んでいてもよい。
【００１２】
前記発光素子モジュールの一態様は、前記光を減光する減光フィルターを含んでいてもよい。
【００１３】
前記発光素子モジュールの一態様において、前記発光素子は、複数配置されていてもよい。
【００１４】
本発明に係る原子発振器の一態様は、発光素子モジュールと、前記発光素子モジュールから出射された第１の光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した前記第１の光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、を含み、前記発光素子モジュールは、前記第１の光を出射する半導体レーザーと、前記半導体レーザーに第２の光を照射する発光素子と、を含む。
【００１５】
前記原子発振器の一態様において、前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーに電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、前記検出信号に基づいて前記発光素子に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、を含んでいてもよい。
【００１６】
本発明に係る周波数信号生成システムの一態様は、原子発振器を含む周波数信号生成システムであって、前記原子発振器は、発光素子モジュールと、前記発光素子モジュールから出射された第１の光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した前記第１の光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、を含み、前記発光素子モジュールは、前記第１の光を出射する半導体レーザーと、前記半導体レーザーに第２の光を照射する発光素子と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】原子セル内の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。
【図３】半導体レーザーから出射される２つの光の周波数差と、受光素子で検出される検出強度と、の関係を示すグラフ。
【図４】発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。
【図５】発光素子モジュールを模式的に示す平面図。
【図６】発光素子モジュールを模式的に示す断面図。
【図７】半導体レーザーを模式的に示す断面図。
【図８】第１変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す断面図。
【図９】第２変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す平面図。
【図１０】第３変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す平面図。
【図１１】実施形態に係る周波数信号生成システムの一例を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
１．  原子発振器
１．１．  原子発振器の構成
まず、本実施形態に係る原子発振器の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本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、本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、本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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
原子発振器１００は、本発明に係る発光素子モジュールを含む。ここでは、原子発振器１００が発光素子モジュール１０を含む場合について説明する。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、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、制御部８０と、を含む。
【００２２】
まず、原子発振器１００の原理を説明する。
【００２３】
原子発振器１００では、原子セル３０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原子が封入されている。
【００２４】
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（第１の基底状態１および第２の基底状態２）と、励起状態と、の３つの状態をとり得る。ここで、第１の基底状態１は、第２の基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２５】
互いに周波数の異なる第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２をガス状のアルカリ金属原子に照射すると、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２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。そして、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態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、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光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現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２６】
ここで、例えば、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態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、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。
【００２７】
以下、原子発振器１００の各部を説明する。
【００２８】
［発光素子モジュール］
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、原子セル３０中のアルカリ金属原子を励起する励起光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、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
【００２９】
第１の共鳴光Ｌ１は、図２に示すように、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第１の基底状態１から励起状態へ励起する。一方、第２の共鳴光Ｌ２は、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第２の基底状態２から励起状態へ励起する。
【００３０】
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、半導体レーザー１０２と、発光素子１０４と、温度制御素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０の詳細については後述する。
【００３１】
［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側へ、第１光学部品２０、第２光学部品２２、第３光学部品２４、第４光学部品２６の順に配置されている。
【００３２】
第１光学部品２０は、励起光Ｌを平行光とするレンズである。第２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揃える偏光板である。第３光学部品２４は、原子セル３０に入射する励起光Ｌの強度を減少させる減光フィルター、すなわちＮＤフィルター（Neutral Density Filter）である。第４光学部品２６は、λ／４波長板である。第４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に変換する。
【００３３】
［原子セル］
原子セル３０には、半導体レーザー１０２から出射された励起光Ｌが照射される。図示の例では、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。原子セル３０には、ガス状のアルカリ金属原子が収容されている。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ガス状のアルカリ金属原子とともに収容されていてもよい。
【００３４】
［受光素子］
受光素子４０は、原子セル３０を透過した励起光Ｌ（第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光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。受光素子４０としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００３５】
［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ガス状に維持することができる。ヒーター５０は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。
【００３６】
［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としては、例えば、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサーを用いることができる。
【００３７】
［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。この結果、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。
【００３８】
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。
【００３９】
［制御部］
制御部８０は、発光素子モジュール１０、ヒーター５０、およびコイル７０を制御する。制御部８０は、温度制御回路８０２と、波長制御回路８０４と、光出力制御回路８０６と、高周波制御回路８０８と、を有している。さらに、制御部８０は、温度制御回路８１０と、磁場制御回路８１２と、を有している。
【００４０】
温度制御回路８０２は、温度センサー１０８の検出結果に基づいて、温度制御素子１０６を制御する。これにより、半導体レーザー１０２の温度を所望の一定温度となるように調整することができ、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減できる。なお、環境温度とは、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。
【００４１】
波長制御回路８０４は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて、発光素子１０４に電流を供給することによって、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は、励起光Ｌの中心波長が、受光素子４０の検出信号の信号強度が最小値（吸収の底）に相当する波長で安定するように、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。半導体レーザー１０２の発振波長の制御の詳細については後述する。
【００４２】
光出力制御回路８０６は、受光素子４０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に駆動電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。光出力は、半導体レーザー１０２から出射される光の強度であり、光学部品を介さない状態での半導体レーザー１０２から出射される光の強度である。光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力（励起光Ｌの光強度）が一定となるように半導体レーザー１０２を制御する。具体的には、光出力制御回路８０６は、受光素子４０の検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。
【００４３】
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、高周波信号の周波数を、アルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
制御部８０は、例えば、不図示の基板に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）チップに設けられている。
【００４７】
なお、制御部８０を構成する各制御回路８０２，８０４，８０６，８０８，８１０，８１２として、プロセッサー、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いてもよい。すなわち、制御部８０の機能を、不図示のプロセッサーで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで実現してもよい。
【００４８】
１．２．  発光素子モジュールの構成
次に、発光素子モジュール１０の構成について、図面を参照しながら説明する。図４は、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、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、発光素子モジュール１０を模式的に示す断面図である。なお、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。図４および図５では、便宜上、リッド１０１ｂを透視して図示している。
【００４９】
発光素子モジュール１０は、図４〜図６に示すように、半導体レーザー１０２と、発光素子１０４と、温度制御素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０は、さらに、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、温度制御素子１０６、および温度センサー１０８を収容する容器としてのパッケージ１０１を含んで構成されている。なお、本明細書においては、発光素子モジュール１０における位置関係を、相対的にリッド１０１ｂ側を上、ベース１０１ａ側を下として説明する。
【００５０】
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、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、温度制御素子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の外部の温度変動、すなわち、環境温度の変動がパッケージ１０１内の半導体レーザー１０２や温度センサー１０８等に与える影響を低減できる。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。
【００５１】
ベース１０１ａ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構成されていることが好ましい。ベース１０１ａの材質は、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などである。なお、ベース１０１ａの材料としてリッド１０１ｂと同様の金属材料を用いてもよい。
【００５２】
ベース１０１ａは、第１面４ａと、第２面４ｂと、を有している。第１面４ａは、ベース１０１ａの凹部３の底面となる面である。第２面４ｂは、第１面４ａよりも上側の面であり、図示の例では、ベース１０１ａに形成された段差部の上面である。第２面４ｂには、図５に示すように、温度制御素子１０６に電気的に接続されている１対の接続電極１１０ａ，１１０ｂと、半導体レーザー１０２に電気的に接続されている１対の接続電極１１２ａ，１１２ｂと、発光素子１０４に電気的に接続されている１対の接続電極１１４ａ，１１４ｂと、温度センサー１０８に電気的に接続されている接続電極１１６ａ，１１６ｂと、が配置されている。図示はしないが、これらの接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂは、それぞれ、貫通電極を介して、ベース１０１ａの下面、つまり、ベース１０１ａのリッド１０１ｂから遠い側の面、に設けられた不図示の外部実装電極に電気的に接続されている。
【００５３】
リッド１０１ｂの形状は、例えば、平板状である。図６に示すように、リッド１０１ｂには、貫通孔が形成されており、この貫通孔は、励起光Ｌに対する透過性を有する窓部材１０１ｃで封止されている。リッド１０１ｂは、ろう材を用いて、ベース１０１ａの上端面に設けられたメタライズ層１２０との溶着によりベース１０１ａに接合されている。
【００５４】
リッド１０１ｂの窓部材１０１ｃ以外の部分の材質は、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１０１ａ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。例えば、ベース１０１ａをセラミックス基板とした場合には、リッド１０１ｂの材質は、コバール等の合金であることが好ましい。
【００５５】
窓部材１０１ｃは、半導体レーザー１０２から出射される励起光Ｌの光路上に配置されている。窓部材１０１ｃの形状は、図示の例では板状であるが、窓部材１０１ｃは、レンズとして機能するように、湾曲した面を有していてもよい。
【００５６】
温度制御素子１０６は、ベース１０１ａの第１面４ａに配置されている。温度制御素子１０６は、半導体レーザー１０２の温度を制御する。温度制御素子１０６は、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減するために、温度センサー１０８の出力に基づいて、半導体レーザー１０２の温度が所望の一定温度となるように制御される。
【００５７】
温度制御素子１０６は、例えば、ペルチェ素子である。温度制御素子１０６は、温度制御される温度制御面１０６ａを有している。温度制御素子１０６では、温度制御面１０６ａを発熱側の面（発熱面）とすることもできるし、温度制御面１０６ａを吸熱側の面（吸熱面）とすることもできる。温度制御面１０６ａには、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、および温度センサー１０８が配置されている。温度制御面１０６ａの温度は、半導体レーザー１０２の特性に応じて適宜設定可能である。温度制御面１０６ａには、例えば、アルミニウム、金、銀などの熱伝導性に優れる金属で構成された金属層１４０が配置されている。
【００５８】
温度制御素子１０６は、１対の端子１０５ａ，１０５ｂを有している。端子１０５ａは、配線１３０ａを介して接続電極１１０ａに電気的に接続され、端子１０５ｂは、配線１３０ｂを介して接続電極１１０ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から１対の端子１０５ａ，１０５ｂに電流を供給して、温度制御素子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（ボンディングワイヤー）である。
【００５９】
半導体レーザー１０２は、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されている。図示の例では、半導体レーザー１０２は、金属層１４０を介して温度制御面１０６ａに配置されている。なお、図示はしないが、半導体レーザー１０２は、温度制御面１０６ａに直接配置されてもよい。
【００６０】
半導体レーザー１０２は、例えば、面発光レーザーである。半導体レーザー１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬ）である。半導体レーザー１０２は、第１の光としての励起光Ｌを出射する。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、上述した第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
【００６１】
半導体レーザー１０２は、後述する図７に示す第１電極２２０および第２電極２２２を有している。第１電極２２０は、配線１３２ｂ、中継部材１６０に設けられた配線層１７０、および配線１３２ａを介して、接続電極１１２ａに電気的に接続されている。第２電極２２２は、配線１３２ｃ、金属層１４０、および配線１３２ｄを介して、接続電極１１２ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から第１電極２２０および第２電極２２２に駆動電流を供給して、半導体レーザー１０２を駆動することができる。
【００６２】
中継部材１６０は、絶縁性を有している。中継部材１６０の材質は、例えば、セラミックスである。中継部材１６０に設けられた配線層１７０は、半導体レーザー１０２と接続電極１１２ａとを接続する配線の途中、すなわち配線１３２ａと配線１３２ｂとの間に介在している。これにより、配線１３２ａ，１３２ｂを温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに熱的に接続することができ、配線１３２ａ，１３２ｂの温度変動を低減できる。配線１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００６３】
発光素子１０４は、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されている。図示の例では、発光素子１０４は、金属層１４０を介して温度制御面１０６ａに配置されている。なお、図示はしないが、発光素子１０４は、温度制御面１０６ａに直接配置されてもよい。
【００６４】
発光素子１０４は、例えば、面発光レーザーである。発光素子１０４は、例えば、垂直共振器面発光レーザーである。なお、発光素子１０４は、例えば、端面発光型レーザーや、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード等であってもよい。
【００６５】
発光素子１０４は、半導体レーザー１０２に第２の光としての光Ｌ１０４を照射する。発光素子１０４が出射する光Ｌ１０４の波長は、後述する図７に示す半導体レーザー１０２を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８に吸収される波長を含む。そのため、発光素子１０４が半導体レーザー１０２に光を照射することによって、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８が発熱する。発光素子１０４は、半導体レーザー１０２の温度を制御するために用いられる。
【００６６】
発光素子１０４は、図示はしないが、２つの電極を有している。２つの電極のうちの一方の電極は、配線１３４ａを介して、接続電極１１４ａに電気的に接続されている。２つの電極のうちの他方は、配線１３４ｂを介して、接続電極１１４ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から発光素子１０４に駆動電流を供給して、発光素子１０４を駆動することができる。配線１３４ａ，１３４ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００６７】
なお、図示はしないが、発光素子１０４の２つの電極と接続電極１１４ａ、１１４ｂとの接続において、半導体レーザー１０２の電極２２０，２２２と接続電極１１２ａ，１１２ｂとの接続と同様に、中継部材に設けられた配線層や金属層１４０を介してもよい。
【００６８】
温度センサー１０８は、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されている。図示の例では、温度センサー１０８は、金属層１４０を介して温度制御面１０６ａに配置されている。図示はしないが、温度センサー１０８は、温度制御面１０６ａに直接配置されてもよい。温度センサー１０８は、温度制御素子１０６または半導体レーザー１０２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、熱電対などを用いることができる。図示の例では、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８とは、同じ金属層１４０上に配置されている。そのため、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８に効率よく熱を伝えることができ、かつ、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８の温度差を低減できる。
【００６９】
温度センサー１０８は、図示はしないが、１対の端子を有している。一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、他方の端子は接地用の端子である。検出信号用の端子は、図５に示すように、配線１３６ｂ、中継部材１５０に設けられた不図示の配線層、および配線１３６ａを介して、接続電極１１６ａに電気的に接続されている。接地用の端子は、金属層１４０および配線１３６ｃを介して、接続電極１１６ｂに電気的に接続されている。配線１３６ａ，１３６ｂ，１３６ｃは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００７０】
中継部材１５０は、絶縁性を有している。中継部材１５０の材質は、例えば、セラミックスである。中継部材１５０に設けられた配線層は、温度センサー１０８と接続電極１１６ａとを接続する配線の途中、すなわち配線１３６ａと配線１３６ｂとの間に介在している。これにより、配線１３６ａ，１３６ｂを温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに熱的に接続することができ、配線１３６ａ，１３６ｂの温度変動を低減できる。
【００７１】
発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の発振波長を、半導体レーザー１０２の温度を変化させることで制御している。半導体レーザー１０２では、温度が変化すると共振器長が変化し、発振波長が変化する。
【００７２】
発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の温度を、発光素子１０４を用いて制御している。すなわち、発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の発振波長を、発光素子１０４を用いて制御している。原子発振器１００では、発光素子１０４を用いて半導体レーザー１０２の発振波長を制御することで、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるための制御を行っている。
【００７３】
原子発振器１００では、上述したように、発光素子１０４は、波長制御回路８０４によって制御される。波長制御回路８０４は、例えば、発光素子１０４をパルス駆動させる。具体的には、波長制御回路８０４は、受光素子４０の検出信号に基づいて発光素子１０４をオン、オフさせることで光Ｌ１０４の光量を調整し、半導体レーザー１０２の温度を変化させて発振波長を制御する。
【００７４】
なお、半導体レーザー１０２の温度を一定の基準温度とし、半導体レーザー１０２の波長制御をこの基準温度から温度を上下させることで行う場合、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａの温度を基準温度よりも低い温度に設定することで、発光素子１０４を用いて、半導体レーザー１０２の温度を上下させることができる。
【００７５】
１．３．  半導体レーザーの構成
次に、半導体レーザー１０２の構成について、図面を参照しながら説明する。図７は、半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。なお、本明細書においては、半導体レーザー１０２における位置関係を、相対的に第２電極２２２側を上、基板２０２側を下として説明する。
【００７６】
半導体レーザー１０２は、図７に示すように、基板２０２と、第１ミラー層２０４と、活性層２０６と、第２ミラー層２０８と、電流狭窄層２１０と、絶縁層２１２と、第１電極２２０と、第２電極２２２と、を含む。
【００７７】
基板２０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板２０２は、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されている。
【００７８】
第１ミラー層２０４は、基板２０２上に配置されている。第１ミラー層２０４は、活性層２０６に対して基板２０２側に配置されている。第１ミラー層２０４は、例えば、ｎ型の半導体層である。第１ミラー層２０４は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）ミラーである。第１ミラー層２０４は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば、１０ペア以上５０ペア以下である。
【００７９】
活性層２０６は、第１ミラー層２０４上に配置されている。活性層２０６は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。活性層２０６は、例えば、ｉ型のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ層とｉ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有している。
【００８０】
第２ミラー層２０８は、活性層２０６上に配置されている。第２ミラー層２０８は、活性層２０６に対して基板２０２側とは反対側に配置されている。第２ミラー層２０８は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層である。第２ミラー層２０８は、分布ブラッグ反射型ミラーである。第２ミラー層２０８は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下である。
【００８１】
第２ミラー層２０８、活性層２０６、および第１ミラー層２０４は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。電極２２０，２２２間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層２０６において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。活性層２０６で生じた光は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間を往復し（多重反射し）、その際に誘導放出が起こって、強度が増幅される。そして、光利得が光損失を上回ると、レーザー発振が起こり、第２ミラー層２０８の上面からレーザー光が出射される。
【００８２】
活性層２０６、第２ミラー層２０８、および電流狭窄層２１０は、柱状部２０１を構成している。柱状部２０１は、絶縁層２１２によって囲まれている。柱状部２０１は、例えば、第１ミラー層２０４上に配置され、第１ミラー層２０４から上方に突出している。
【００８３】
電流狭窄層２１０は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。電流狭窄層２１０は、例えば、活性層２０６上に配置されてもよいし、第２ミラー層２０８の内部に配置されてもよい。電流狭窄層２１０は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層が酸化された層である。電流狭窄層２１０は、電流の経路となる開口を有している。電流狭窄層２１０によって、活性層２０６に注入される電流が活性層２０６の面内方向、すなわち、第１ミラー層２０４および活性層２０６の積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）と直交する方向に広がることを防ぐことができる。
【００８４】
絶縁層２１２は、共振器に配置されている。図７に示す例では、絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面および第１ミラー層２０４の上面に配置されている。絶縁層２１２は、例えば、積層方向から見て、柱状部２０１を取り囲んでいる。絶縁層２１２は、例えば、ポリイミド層である。
【００８５】
第１電極２２０は、第１ミラー層２０４上に配置されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４に電気的に接続されている。第１電極２２０は、第１ミラー層２０４上に配置された不図示のコンタクト層を介して第１ミラー層２０４に電気的に接続されていてもよい。第１電極２２０としては、例えば、第１ミラー層２０４側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第１電極２２０は、活性層２０６に電流を注入するための一方の電極である。
【００８６】
第２電極２２２は、第２ミラー層２０８上に配置されている。第２電極２２２は、第２ミラー層２０８に電気的に接続されている。第２電極２２２は、第２ミラー層２０８上に配置された不図示のコンタクト層を介して第２ミラー層２０８に電気的に接続されていてもよい。第２電極２２２としては、例えば、第２ミラー層２０８側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。
【００８７】
半導体レーザー１０２には、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４が照射される。発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、半導体レーザー１０２の側面に照射される。すなわち、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４の側面、活性層２０６の側面、および第２ミラー層２０８の側面に照射される。
【００８８】
第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８には、積層方向と交差する方向から光Ｌ１０４が入射する。図７に示す例では、第１ミラー層２０４、活性層２０６、第２ミラー層２０８には、積層方向と直交する方向から光Ｌ１０４が入射している。すなわち、光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４および第２ミラー層２０８に対して垂直に入射しない。
【００８９】
ここで、活性層２０６で生じた光は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間を多重反射して積層方向に出射される。これに対して、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８に対して積層方向と交差する方向から入射する。したがって、光Ｌ１０４は、活性層２０６で生じた光と同様の多重反射を起こさないため、光Ｌ１０４が半導体レーザー１０２から励起光Ｌとして出射される光に与える影響は小さい。例えば、図７に示す例では、光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４、活性層２０６、第２ミラー層２０８に対して積層方向と直交する方向から入射しているため、多重反射を起こさない。
【００９０】
なお、図７に示す例では、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８に入射しているが、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８の少なくとも一部に入射すればよい。すなわち、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、例えば、第１ミラー層２０４のみに入射してもよいし、第２ミラー層２０８のみに入射してもよい。
【００９１】
ここで、原子発振器１００では、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御が可能となるように、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できることが好ましい。言い換えると、半導体レーザー１０２の温度を、高速に変化させられることが好ましい。
【００９２】
発光素子モジュール１０では、上述したように、発光素子１０４を用いて半導体レーザー１０２に光を照射することによって、半導体レーザー１０２を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８を発熱させて半導体レーザー１０２の温度を制御している。そのため、発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できる。
【００９３】
例えば、半導体レーザー１０２の温度をペルチェ素子などの温度制御素子（例えば温度制御素子１０６）で制御する場合、温度制御素子から半導体レーザー１０２を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８の全体に熱が伝わるまでに時間が掛かってしまう。
【００９４】
これに対して、半導体レーザー１０２の温度を、半導体レーザー１０２に光を照射することによって制御する場合、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８自体が発熱するため、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できる。
【００９５】
なお、上記では、半導体レーザー１０２として、ＡｌＧａＡｓ系の面発光レーザーについて説明したが、半導体レーザー１０２を、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いた面発光レーザーとしてもよい。
【００９６】
１．４．  原子発振器の動作
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。
【００９７】
光出力制御回路８０６は、受光素子４０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の光出力を変化させる。具体的には、光出力制御回路８０６は、励起光Ｌの中心波長を変えたときの検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を変化させる。
【００９８】
次に、高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２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現象が発現しないようにわずかにずらしておく。例えば、原子セル３０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からずらす。
【００９９】
次に、波長制御回路８０４は、励起光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現象が発現しないように設定されているため、ＥＩＴ現象は発現しない。波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長をスイープしたときに、受光素子４０から出力される検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）を検出する。波長制御回路８０４は、例えば、励起光Ｌの中心波長に対する、検出信号の信号強度変化が一定の割合以下となったところを吸収の底とする。
【０１００】
波長制御回路８０４は、吸収の底を検出すると、励起光Ｌの中心波長を固定する（ロックする）。すなわち、波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
【０１０１】
次に、高周波制御回路８０８は、高周波信号の周波数をＥＩＴ現象が発現する周波数に合わせる。その後、ループ動作に移行して、高周波制御回路８０８は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波して、ＥＩＴ信号を検出する。
【０１０２】
次に、原子発振器１００のループ動作について説明する。
【０１０３】
高周波制御回路８０８は、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、原子セル３０のアルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
【０１０４】
波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を行う。具体的には、波長制御回路８０４は、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発光素子１０４を制御する。
【０１０５】
光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力が一定となるようにフィードバック制御を行う。例えば、光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波し、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値より小さくなった場合、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２に駆動電流を供給する。なお、光出力制御回路８０６の制御により、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たとしても、上記の波長制御回路８０４の制御により、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。
【０１０６】
１．５．  効果
発光素子モジュール１０は、例えば、以下の効果を有している。
【０１０７】
発光素子モジュール１０は、半導体レーザー１０２と、半導体レーザー１０２に光を照射する発光素子１０４と、を含む。そのため、発光素子モジュール１０では、発光素子１０４を用いて半導体レーザー１０２に光を照射することによって、半導体レーザー１０２を構成する半導体層、具体的には、第１ミラー層２０４、活性層２０６、第２ミラー層２０８、を発熱させて半導体レーザー１０２の温度を制御することができる。したがって、発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御でき、半導体レーザー１０２の発振波長を高速に制御できる。よって、発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２の発振波長に対する制御応答性が高い。
【０１０８】
発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２は、第１ミラー層２０４と、第２ミラー層２０８と、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間の活性層２０６と、を有し、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８に、積層方向と交差する方向から光Ｌ１０４が入射する。そのため、発光素子モジュール１０では、上述したように、半導体レーザー１０２に入射した光Ｌ１０４が、半導体レーザー１０２から励起光Ｌとして出射される光に与える影響を低減できる。
【０１０９】
発光素子モジュール１０では、温度制御面１０６ａを有する温度制御素子１０６を含み、半導体レーザー１０２および発光素子１０４は、温度制御面１０６ａに配置されている。このように、発光素子モジュール１０では、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とが同一面に配置されているため、半導体レーザー１０２と発光素子１０４との間の位置決めが容易である。
【０１１０】
例えば、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とが互いに異なる面に配置されている場合、発光素子１０４から出射された光が半導体レーザー１０２に照射されるように半導体レーザー１０２と発光素子１０４との間の高さ方向の位置決めが困難である。これに対して、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とが同一面に配置されている場合、半導体レーザー１０２と発光素子１０４との間の高さ方向の位置決めを容易に行うことができる。
【０１１１】
発光素子モジュール１０では、発光素子１０４が出射する光Ｌ１０４の波長は、半導体レーザー１０２の第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８に吸収される波長である。そのため、発光素子モジュール１０では、発光素子１０４が出射する光Ｌ１０４によって、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８を発熱させることができる。
【０１１２】
原子発振器１００は、例えば、以下の効果を有している。
【０１１３】
原子発振器１００は、発光素子モジュール１０を含む。そのため、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長と、半導体レーザー１０２の光出力と、を独立して制御することができる。したがって、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で制御する場合と比べて、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。したがって、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の光出力の変動によるライトシフトを低減でき、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
【０１１４】
さらに、発光素子モジュール１０では、上述したように、半導体レーザー１０２の発振波長を高速に制御できるため、原子発振器１００では、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を容易に実現できる。
【０１１５】
原子発振器１００では、光出力制御回路８０６が受光素子４０の検出信号に基づいて半導体レーザー１０２に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。また、原子発振器１００では、波長制御回路８０４が受光素子４０の検出信号に基づいて発光素子１０４に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。そのため、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の光出力を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御することができ、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ができる。
【０１１６】
例えば、仮に、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御した場合、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することにより半導体レーザー１０２の光出力も変動してしまう。そのため、例えば、半導体レーザー１０２の光出力が経年的に変化した場合、半導体レーザー１０２の光出力を初期値に戻すために駆動電流を制御すると、発振波長も変動してしまう。半導体レーザー１０２の発振波長が経年的に変化した場合、および、光出力と発振波長の両方が経年的に変化した場合も同様の問題が生じる。このように、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の駆動電流で制御する場合、半導体レーザー１０２の長期的な光出力や発振波長の変化を補償できないため、原子発振器の長期安定性が低下する場合がある。
【０１１７】
これに対して、原子発振器１００では、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長と、半導体レーザー１０２の光出力と、を独立して制御することができるため、上記のような現象が生じず、長期安定性に優れた原子発振器を実現できる。
【０１１８】
１．６．  変形例
次に、本実施形態に係る発光素子モジュール１０の変形例について説明する。以下に説明する各変形例において、上述した発光素子モジュール１０の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１１９】
１．６．１．  第１変形例
図８は、第１変形例に係る発光素子モジュール１０ａを模式的に示す断面図である。なお、図８では、便宜上、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、温度制御素子１０６、金属層１４０、および減光フィルター１８０以外の部材については図示を省略している。
【０１２０】
発光素子モジュール１０ａは、図８に示すように、減光フィルター１８０、すなわち、ＮＤフィルター（Neutral Density Filter）を含む。
【０１２１】
減光フィルター１８０は、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４の光路に配置されている。発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４は、減光フィルター１８０を通過して半導体レーザー１０２に入射する。
【０１２２】
減光フィルター１８０は、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４を減光する。すなわち、減光フィルター１８０は、発光素子１０４から出射された光Ｌ１０４の強度を低減させる。
【０１２３】
ここで、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御では、半導体レーザー１０２を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８の温度を、数ｍＫ〜数十ｍＫ程度の精度で制御する必要がある。発光素子１０４から出射される光Ｌ１０４を、直接、半導体レーザー１０２に照射すると、半導体レーザー１０２の温度が大きく変動してしまい、上記の精度で温度制御を行うことが困難な場合がある。
【０１２４】
これに対して、減光フィルター１８０を介して半導体レーザー１０２に光Ｌ１０４を照射する場合、光Ｌ１０４の光量を減少させて半導体レーザー１０２に照射することができる。これにより、半導体レーザー１０２の温度を精度よく制御することができる。
【０１２５】
１．６．２．  第２変形例
図９は、第２変形例に係る発光素子モジュール１０ｂを模式的に示す平面図である。なお、図９では、便宜上、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、温度制御素子１０６、および金属層１４０以外の部材については図示を省略している。
【０１２６】
上述した発光素子モジュール１０では、図４〜図６に示すように、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａには、１つの発光素子１０４が配置されている。
【０１２７】
これに対して、発光素子モジュール１０ｂでは、図９に示すように、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａには、発光素子１０４が配置されている。図９に示す例では、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａには、４つの発光素子１０４が配置されている。複数の発光素子１０４の各々は、互いに異なる方向から半導体レーザー１０２を照射している。図９に示す例では、複数の発光素子１０４は、半導体レーザー１０２を囲むように配置されている。なお、発光素子１０４を複数配置する場合、発光素子１０４の数は４つに限定されず、２つ以上であればよい。
【０１２８】
発光素子モジュール１０ｂは、複数の発光素子１０４を有している。そのため、発光素子モジュール１０ｂでは、例えば発光素子１０４が１つの場合と比べて、半導体レーザー１０２を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８をより均一に発熱させることができる。したがって、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８の温度ムラを低減でき、半導体レーザー１０２の発振波長を精度よく制御できる。
【０１２９】
１．６．３．  第３変形例
図１０は、第３変形例に係る発光素子モジュール１０ｃを模式的に示す平面図である。なお、図１０では、便宜上、半導体レーザー１０２、発光素子１０４、温度制御素子１０６以外の部材については図示を省略している。
【０１３０】
上述した発光素子モジュール１０は、図４〜図６に示すように、１つの温度制御素子１０６を有し、半導体レーザー１０２および発光素子１０４は、温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されていた。すなわち、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とは、同一面上に配置されていた。
【０１３１】
これに対して、発光素子モジュール１０ｃは、図１０に示すように、２つの温度制御素子１０６を有し、半導体レーザー１０２は一方の温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置され、発光素子１０４は他方の温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されている。すなわち、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とは、互いに異なる面上に配置されている。これにより、半導体レーザー１０２において、発光素子１０４が発生させる熱の影響を低減できる。
【０１３２】
例えば、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とが同一面上に配置された場合、発光素子１０４が発する熱が半導体レーザー１０２に伝わって半導体レーザー１０２の発振波長が変動してしまう可能性がある。これに対して、半導体レーザー１０２と発光素子１０４とは、互いに異なる面上に配置されている場合、発光素子１０４が発する熱は、半導体レーザー１０２に伝わりにくい。そのため、半導体レーザー１０２において、発光素子１０４が発生させる熱の影響を低減できる。
【０１３３】
さらに、半導体レーザー１０２は一方の温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置され、発光素子１０４は他方の温度制御素子１０６の温度制御面１０６ａに配置されているため、半導体レーザー１０２の温度と、発光素子１０４の温度と、を独立して制御可能である。
【０１３４】
２．  周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図１１は、クロック伝送システム４００を示す概略構成図である。
【０１３５】
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム４００について説明する。
【０１３６】
クロック伝送システム４００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。
【０１３７】
クロック伝送システム４００は、図１１に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置４０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置４０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置４０３およびＳＤＨ装置４０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置４０５およびＳＤＨ装置４０６，４０７と、を備える。クロック供給装置４０１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４０１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４０８，４０９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。
【０１３８】
ＳＤＨ装置４０２は、クロック供給装置４０１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４０５に伝送する。クロック供給装置４０３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４０３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４０８，４０９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。
【０１３９】
ＳＤＨ装置４０４は、クロック供給装置４０３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４０５に伝送する。クロック供給装置４０５は、クロック供給装置４０１，４０３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。
【０１４０】
クロック供給装置４０５は、通常、クロック供給装置４０１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４０５は、クロック供給装置４０３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４０６は、クロック供給装置４０５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４０７は、クロック供給装置４０５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。
【０１４１】
本実施形態に係る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および複数の装置から構成されるシステムを含む。
【０１４２】
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、液体吐出装置（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、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（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）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
【０１４３】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
【０１４４】
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、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及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】
【０１４５】
３…凹部、４ａ…第１面、４ｂ…第２面、１０…発光素子モジュール、１０ａ…発光素子モジュール、１０ｂ…発光素子モジュール、１０ｃ…発光素子モジュール、２０…第１光学部品、２２…第２光学部品、２４…第３光学部品、２６…第４光学部品、３０…原子セル、４０…受光素子、５０…ヒーター、６０…温度センサー、７０…コイル、８０…制御部、１００…原子発振器、１０１…パッケージ、１０１ａ…ベース、１０１ｂ…リッド、１０１ｃ…窓部材、１０２…半導体レーザー、１０４…発光素子、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６…温度制御素子、１０６ａ…温度制御面、１０８…温度センサー、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１１０ａ…接続電極、１１０ｂ…接続電極、１１２ａ…接続電極、１１２ｂ…接続電極、１１４ａ…接続電極、１１４ｂ…接続電極、１１６ａ…接続電極、１１６ｂ…接続電極、１２０…メタライズ層、１３０ａ…配線、１３０ｂ…配線、１３２ａ…配線、１３２ｂ…配線、１３２ｃ…配線、１３２ｄ…配線、１３４ａ…配線、１３４ｂ…配線、１３６ａ…配線、１３６ｂ…配線、１３６ｃ…配線、１４０…金属層、１５０…中継部材、１６０…中継部材、１７０…配線層、１８０…減光フィルター、２０１…柱状部、２０２…基板、２０４…第１ミラー層、２０６…活性層、２０８…第２ミラー層、２１０…電流狭窄層、２１２…絶縁層、２２０…第１電極、２２２…第２電極、４００…クロック伝送システム、４０１…クロック供給装置、４０２…ＳＤＨ装置、４０３…クロック供給装置、４０４…ＳＤＨ装置、４０５…クロック供給装置、４０６…ＳＤＨ装置、４０６…装置、４０７…ＳＤＨ装置、４０８…マスタークロック、４０９…マスタークロック、８０２…温度制御回路、８０４…波長制御回路、８０４…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
【図１】
2019175967.tif 000003
【図２】
2019175967.tif 000004
【図３】
2019175967.tif 000005
【図４】
2019175967.tif 000006
【図５】
2019175967.tif 000007
【図６】
2019175967.tif 000008
【図７】
2019175967.tif 000009
【図８】
2019175967.tif 000010
【図９】
2019175967.tif 000011
【図１０】
2019175967.tif 000012
【図１１】
2019175967.tif 000013