(57)【要約】【課題】半導体レーザーの光出力の変動を低減できる原子発振器を提供する。【解決手段】容器に収容された半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、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光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、前記容器に収容された温度センサーと、前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第１温度制御素子と、前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第２温度制御素子と、を含み、前記第２温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第１温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい、原子発振器。【選択図】図４
2019068137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、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光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第１温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第２温度制御素子と、
を含み、
前記第２温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第１温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい、原子発振器。
【請求項２】
請求項１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第２温度制御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３】
請求項１または２において、
前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子に搭載され、
前記半導体レーザーは、前記第２温度制御素子に搭載される、原子発振器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記第１温度制御素子は、ペルチェ素子であり、
前記第２温度制御素子は、ヒーターである、原子発振器。
【請求項５】
請求項４において、
前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子の温度制御面に配置され、
前記半導体レーザーは、前記第２温度制御素子の前記温度制御面側の面とは反対側の面に配置されている、原子発振器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記第２温度制御素子の熱容量は、前記第１温度制御素子の熱容量よりも小さい、原子発振器。
【請求項７】
原子発振器を含むシステムであって、
前記原子発振器は、
容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、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光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第１温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第２温度制御素子と、
を含み、
前記第２温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第１温度制御素子と
前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい、システム。
【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、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。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。
【０００３】
ＥＩＴ現象を利用した原子発振器として、例えば、特許文献１には、原子セルを透過した光を検出する光検出部の検出結果に基づいて、発光素子モジュールから出射される共鳴光の周波数（波長）を制御する原子発振器が開示されている。
【０００４】
ここで、発光素子モジュールを構成している半導体レーザーは、温度変動により発光状態、例えば発振波長等が変動する。そのため、特許文献１の原子発振器では、半導体レーザーの温度変動が低減されるように、半導体レーザーをペルチェ素子上に搭載して、発光素子を高精度に温度制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１１９１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。特許文献１の原子発振器のように、光源に半導体レーザーを用いる場合、発振波長は駆動電流で制御することができる。しかしながら、半導体レーザーの発振波長を制御するために駆動電流を変動させると、半導体レーザーの光出力も変動してしまう。半導体レーザーの光出力の変動は、原子発振器の周波数変動（ＡＣシュタルク効果による周波数変動）を引き起こし、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。
【０００７】
本発明に係るいくつかの態様に係る目的の１つは、半導体レーザーの光出力の変動を低減できる原子発振器を提供することにある。また、本発明に係るいくつかの態様に係る目的の１つは、上記原子発振器を含むシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］
本適用例に係る原子発振器は、容器に収容された半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、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光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、前記容器に収容された温度センサーと、前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第１温度制御素子と、前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第２温
度制御素子と、を含み、前記第２温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第１温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい。
【００１０】
このような原子発振器では、第２温度制御素子と半導体レーザーとの間の距離が第１温度制御素子と半導体レーザーとの間の距離よりも小さいため、第２温度制御素子を用いて半導体レーザーの温度を制御することにより、第１温度制御素子を用いて半導体レーザーの温度を制御する場合と比べて、半導体レーザーの温度をより高速に制御できる。したがって、このような原子発振器では、半導体レーザーの発振波長の制御を、受光素子の検出信号に基づき第２温度制御素子を制御することで行うことができる。
【００１１】
ここで、半導体レーザーの発振波長を半導体レーザーの温度で制御する場合、半導体レーザーの発振波長を駆動電流で制御する場合と比べて、半導体レーザーの光出力の変動は極めて小さい。したがって、このような原子発振器によれば、半導体レーザーの発振波長を制御することによる半導体レーザーの光出力の変動を低減できる。
【００１２】
［適用例２］
本適用例に係る原子発振器において、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第２温度制御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。
【００１３】
このような原子発振器では、半導体レーザーの光出力を半導体レーザーの駆動電流で制御することができ、半導体レーザーの発振波長を半導体レーザーの温度で制御することができる。
【００１４】
［適用例３］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子に搭載され、前記半導体レーザーは、前記第２温度制御素子に搭載されてもよい。
【００１５】
このような原子発振器では、第１温度制御素子によって半導体レーザーおよび第２温度制御素子に対する環境温度の影響を低減でき、第２温度制御素子によって半導体レーザーの温度を高速に制御できる。
【００１６】
［適用例４］
本適用例に係る原子発振器において、前記第１温度制御素子は、ペルチェ素子であり、前記第２温度制御素子は、ヒーターであってもよい。
【００１７】
このような原子発振器では、第１温度制御素子がペルチェ素子であることにより幅広い環境温度に対応できる。また、第２温度制御素子がヒーターであることにより、例えば、第２温度制御素子をペルチェ素子とする場合と比べて、素子を小型化および簡素化することができる。
【００１８】
［適用例５］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２温度制御素子は、前記第１温度制御素子の温度制御面に配置され、前記半導体レーザーは、前記第２温度制御素子の前記温度制御面側の面とは反対側の面に配置されてもよい。
【００１９】
このような原子発振器では、第１温度制御素子によって半導体レーザーおよび第２温度制御素子に対する環境温度の影響を低減でき、第２温度制御素子によって半導体レーザーの温度を高速に制御できる。
【００２０】
［適用例６］
本適用例に係る原子発振器において、前記第２温度制御素子の熱容量は、前記第１温度制御素子の熱容量よりも小さくてもよい。
【００２１】
温度制御素子は、熱容量が小さいほど制御応答性が良いため、このような原子発振器では、第２温度制御素子を用いて半導体レーザーの温度を制御することで、第１温度制御素子を用いる場合と比べて、半導体レーザーの温度を高速に制御することができる。
【００２２】
［適用例７］
本適用例に係るシステムは、原子発振器を含むシステムであって、前記原子発振器は、容器に収容された半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、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光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、前記容器に収容された温度センサーと、前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第１温度制御素子と、前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第２温度制御素子と、を含み、前記第２温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第１温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい。
【００２３】
このようなシステムでは、半導体レーザーの光出力の変動を低減できる原子発振器を含むため、優れた信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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。
【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】実施形態に係るシステムの一例を説明するための図。
【図８】実施形態に係る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】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
まず、原子発振器１００の原理を説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
このようなガス状のアルカリ金属原子に対して、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。
【００３３】
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。
【００３４】
以下、原子発振器１００の各部を説明する。
【００３５】
［発光素子モジュール］
発光素子モジュール１０は、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、上述したような周波数の異なる２種の光（第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２）を出射する。
【００３６】
第１の共鳴光Ｌ１は、原子セル３０内のアルカリ金属原子を上述した第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上述した第２の基底状態２から励起状態へ励起する。
【００３７】
発光素子モジュール１０は、半導体レーザー１０２と、第１温度制御素子１０４と、第２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。
【００３８】
［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。
【００３９】
第１光学部品２０は、レンズである。第１光学部品２０は、励起光Ｌを無駄なく原子セル３０へ照射させることができる。第１光学部品２０は、励起光Ｌを平行光とする機能を有する。そのため、励起光Ｌが原子セル３０の内壁で反射することを抑制することができる。これにより、原子セル３０内での励起光Ｌの共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１００の発振特性を高めることができる。
【００４０】
第２光学部品２２は、偏光板である。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調整することができる。
【００４１】
第３光学部品２４は、減光フィルター、すなわちＮＤフィルター（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｆｉｌｔｅｒ）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の強度を調整（減少）させることができる。そのため、発光素子モジュール１０の光出力が大きい場合でも、原子セル３０に入射する励起光Ｌを所望の光量とすることができる。
【００４２】
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（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。励起光Ｌを円偏光とすることにより、原子セル３０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、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数を増大させることができる。この結果、所望のＥＩＴ信号の強度を大きくでき、原子発振器１００の発振特性を高めることができる。
【００４３】
［原子セル］
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、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。なお、原子セル３０内に収容されているアルカリ金属原子は、一部が気体状（ガス状）で存在し、残部が余剰分として液体状または固体状で存在していてもよい。また、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。
【００４４】
原子セル３０は、図示しないが、柱状の貫通孔を有する本体部と、その貫通孔の両開口を気密に封止する１対の窓部と、を有する。これにより、アルカリ金属原子が収容される内部空間が形成されている。本体部を構成する材料は、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等を用いることができるが、加工性や窓部との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いることが好ましい。窓部は、励起光Ｌを透過する材料で形成されている。窓部を構成する材料としては、例えば、石英ガラスやホウケイ酸ガラス等を用いることができる。
【００４５】
［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、太陽電池、フォトダイオードなどを用いることができる。
【００４６】
［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、通電（直流）により発熱するものであり、例えば、発熱抵抗体を含んで構成されている。
【００４７】
ヒーター５０は、原子セル３０を加熱することができれば、原子セル３０に接触していてもよいし、非接触でもよい。また、ヒーター５０に代えて、または、ヒーター５０と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル３０を加熱してもよい。
【００４８】
［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の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター５０上であってもよいし、原子セル３０の外表面上であってもよい。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。
【００４９】
［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。その結果、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。
【００５０】
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。コイル７０により、原子セル３０内に一方向に均一な磁場を生じさせることができる。なお、コイル７０が発生させる磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
【００５１】
［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、温度センサー１０８の出力に基づいて第１温度制御素子１０４を制御する温度制御回路８０２と、半導体レーザー１０２の発振波長（励起光Ｌの中心波長）を制御する波長制御回路８０４と、半導体レーザー１０２の光出力を制御する光出力制御回路８０６と、半導体レーザー１０２に入力される高周波信号を制御する高周波制御回路８０８と、を有している。さらに、制御部８０は、原子セル３０に収容されたアルカリ金属原子の温度を制御する温度制御回路８１０と、コイル７０が発生させる磁場を制御する磁場制御回路８１２と、を有している。
【００５２】
発光素子モジュール１０の制御を行うための、温度制御回路８０２、波長制御回路８０４、光出力制御回路８０６、高周波制御回路８０８については、後述する「１．３．  原子発振器の動作」で説明する。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
制御部８０は、例えば、基板（図示せず）に実装されたＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップに設けられている。
【００５６】
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（ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等）を用いてもよい。すなわち、プロセッサーで記憶装置（図示せず）に記憶されたプログラムを実行することで、発光素子モジュール１０、ヒーター５０、およびコイル７０の制御を行ってもよい。
【００５７】
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１および図２では、便宜上、リッド１０１ｂを透視して図示している。
【００５８】
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、第１温度制御素子１０４と、第２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、第１温度制御素子１０４、第２温度制御素子１０６、および温度センサー１０８を収容するパッケージ（容器）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、相対的にリッド側を上、ベース側を下として説明する。
【００５９】
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、第１温度制御素子１０４、第２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の外部の温度変化（環境温度の変化）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、半導体レーザー１０２や温度センサー１０８等の温度変動を低減できる。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。
【００６０】
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ることもできる。
【００６１】
ベース１０１ａは、凹部３の底面よりも上側（リッド１０１ｂ側）に形成されている段差部４を有している。段差部４には、第１温度制御素子１０４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、第２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、が設けられている。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。
【００６２】
接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂ、外部実装電極、および貫通電極の材質は特に限定されないが、例えば、金、金合金、白金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、クロム、クロム合金、ニッケル、銅、モリブデン、ニオブ、タングステン、鉄、チタン、コバルト、亜鉛、ジルコニウム等の金属材料である。
【００６３】
ベース１０１ａの上端面には、枠状のメタライズ層１２０が設けられている。メタライズ層１２０は、ろう材との密着性を高めるものである。これにより、ろう材によるベース１０１ａとリッド１０１ｂとの接合強度を高めることができる。
【００６４】
メタライズ層１２０の材質は、ろう材との密着性を高めることができれば、特に限定されないが、例えば、上述した接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂ等の材質として挙げたような金属材料である。
【００６５】
リッド１０１ｂの形状は、例えば、平板状である。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。ろう材の材質は、特に限定されず、例えば、金ろう、銀ろうなどである。
【００６６】
リッド１０１ｂ（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。したがって、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。
【００６７】
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は、図示の例では、板状である。窓部材１０１ｃの形状は、板状に限定されず、例えば，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。窓部材１０１ｃの材質は、例えば、ガラスである。
【００６８】
ベース１０１ａの凹部３の底面には、第１温度制御素子１０４が配置されている。第１温度制御素子１０４は、例えば、接着剤によりベース１０１ａに固定されている。
【００６９】
本実施形態では、第１温度制御素子１０４は、ペルチェ素子である。第１温度制御素子１０４の１対の面のうちの一方の面（下面、凹部３の底面側の面）は、ベース１０１ａに固定され、他方の面（上面、リッド１０１ｂ側の面）は、温度制御される温度制御面１０４ａを構成する。第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａには、第２温度制御素子１０６および温度センサー１０８が配置される。
【００７０】
第１温度制御素子１０４は、一方が発熱側の面（発熱面）、他方が吸熱側の面（吸熱面）となる１対の面を有している。第１温度制御素子１０４は、供給される電流の向きを制御することにより、温度制御面１０４ａを、発熱面とすることもできるし、吸熱面とすることもできる。そのため、環境温度の範囲が広くても、半導体レーザー１０２等を所望の温度に制御することができる。温度制御面１０４ａの温度は、半導体レーザー１０２の特性に応じて決められるものである。なお、環境温度とは、ある部品がさらされる温度、すなわち、ある部品の周囲の温度を意味する。ここでは、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。
【００７１】
第１温度制御素子１０４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、１対の端子１０５ａ，１０５ｂに電流（電力）を供給して、第１温度制御素子１０４を駆動することができる。配線１３０ａ，１３０ｂは、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
【００７２】
第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａ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が配置されており、金属層１４０の表面に、第２温度制御素子１０６および温度センサー１０８が配置されている。すなわち、第２温度制御素子１０６および温度センサー１０８は、金属層１４０を介して温度制御面１０４ａに配置されている。なお、図示はしないが、第２温度制御素子１０６および温度センサー１０８は、温度制御面１０４ａに直接配置されていてもよい。
【００７３】
第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４に搭載されている。第２温度制御素子１０６は、温度制御面１０４ａ側の面と、温度制御面１０４ａ側の面とは反対側の面（配置面）１０６ａと、を有している。第２温度制御素子１０６の配置面１０６ａには、半導体レーザー１０２が配置されている。すなわち、発光素子モジュール１０では、第１温度制御素子１０４上に第２温度制御素子１０６が配置され、第２温度制御素子１０６上に半導体レーザー１０２が配置されている。第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間に位置している。そのため、半導体レーザー１０２は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａ（金属層１４０）に接していない。
【００７４】
第２温度制御素子１０６の大きさは、第１温度制御素子１０４の大きさよりも小さい。そのため、第２温度制御素子１０６を第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置することができる。これにより、後述するように、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２との間の距離を、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の距離よりも小さくできる。
【００７５】
本実施形態では、第２温度制御素子１０６は、ヒーターである。第２温度制御素子１０６としては、例えば、発熱抵抗体、セラミックヒーターなどの公知のヒーターを用いることができる。
【００７６】
第２温度制御素子１０６の温度（配置面１０６ａの温度）は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度よりも高い温度に制御される。これにより、第２温度制御素子１０６（ヒーター）に供給される電流を制御することにより、半導体レーザー１０２の温度を下げることも可能となる。
【００７７】
ここで、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長の制御（励起光Ｌの中心波長の制御）を、第２温度制御素子１０６が半導体レーザー１０２の温度を制御することで行う。そのため、第２温度制御素子１０６は、後述する励起光Ｌの中心波長（半導体レーザー１０２の発振波長）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することが好ましい。言い換えると、半導体レーザー１０２の温度を、比較的短時間で変化させられることが好ましい。
【００７８】
したがって、本実施形態では、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２との間の距離は、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の距離よりも小さい。これにより、第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４に比べて、発生した熱
を半導体レーザー１０２に短時間で伝えることができる。さらに、第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４に比べて、半導体レーザー１０２の温度を局所的に制御することができる。よって、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できる。
【００７９】
なお、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２との間の距離とは、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２との間の最短距離であり、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の距離とは、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の最短距離である。また、温度制御素子１０４，１０６と半導体レーザー１０２との間の距離は、温度制御素子１０４，１０６の半導体レーザー１０２の温度を制御する部分と半導体レーザー１０２との間の最短距離である。温度制御素子１０４，１０６の半導体レーザー１０２の温度を制御する部分とは、発熱、吸熱等の温度変化する部分のうち、所定温度に制御される部分である。例えば、第１温度制御素子１０４は、ペルチェ素子であり、発熱または吸熱するのは温度制御面１０４ａおよびベース１０１ａに接している面である。このうち、所定温度に制御されるのは温度制御面１０４ａであるため、この場合、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の距離は、温度制御面１０４ａと半導体レーザー１０２との間の最短距離である。
【００８０】
また、本実施形態では、第２温度制御素子１０６の熱容量は、第１温度制御素子１０４の熱容量よりも小さい。ペルチェ素子やヒーターなどの温度制御素子は、一般的に、熱容量が小さいほど、制御応答性が良い。つまり、制御入力に対する応答速度が速い。そのため、第２温度制御素子１０６を用いて半導体レーザー１０２の温度を制御することで、第１温度制御素子１０４を用いる場合と比べて、半導体レーザー１０２の温度を高速に制御することができる。発光素子モジュール１０では、第２温度制御素子１０６として、第１温度制御素子１０４よりも大きさの小さい温度制御素子を用いることで、第２温度制御素子１０６の熱容量を小さくしている。
【００８１】
励起光Ｌの中心波長（半導体レーザー１０２の発振波長）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の温度を、数ｍＫ〜数十ｍＫ程度の精度で制御する必要がある。そのため、第２温度制御素子１０６を第１温度制御素子１０４に搭載する（第２温度制御素子１０６を温度制御面１０４ａに配置する）ことで、第２温度制御素子１０６の温度制御範囲を狭くして（例えば±１℃程度）、数ｍＫ〜数十ｍＫ程度の高い温度制御精度を実現できる。例えば、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度を３５℃とし、第２温度制御素子１０６によって半導体レーザー１０２を３６℃±１℃の範囲で温度制御する。このように第２温度制御素子１０６の温度制御範囲を狭くすることで、相対的に温度制御精度を向上できるため、高い温度制御精度を実現できる。
【００８２】
第２温度制御素子１０６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。一対の端子のうちの他方は、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、第２温度制御素子１０６の１対の端子に電流（電力）を供給して、第２温度制御素子１０６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。
【００８３】
半導体レーザー１０２は、第２温度制御素子１０６に搭載されている。半導体レーザー１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。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（変調をかけて）用いることにより、励起光Ｌとして、上述したような周波数の異なる２種の光（第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２）を出射する。
【００８４】
半導体レーザー１０２は、図示はしないが、１対の端子を有している。１対の端子のうちの一方の端子は駆動信号用の端子であり、他方の端子は接地用の端子である。駆動信号用の端子は、配線１３２ａ、中継部材１５０に設けられた配線層１５２、および配線１３２ｂを介して、接続電極１１２ａに電気的に接続されている。接地用の端子は、配線１３２ｃを介して、接続電極１１２ｂに電気的に接続されている。配線１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。半導体レーザー１０２と接続電極１１２ａ，１１２ｂとの電気的な接続により、半導体レーザー１０２に電流（電力）を供給して半導体レーザー１０２を駆動することができる。
【００８５】
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１５２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（配線１３２ａと配線１３２ｂとの間に）に介在している。これにより、配線１３２ａ，１３２ｂを第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａ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。
【００８６】
温度センサー１０８は、第１温度制御素子１０４に搭載されている。温度センサー１０８は、第１温度制御素子１０４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。
【００８７】
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、配線１３６ａ、中継部材１６０に設けられた配線層（図示せず）、および配線１３６ｂ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、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。
【００８８】
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（配線１３６ａと配線１３６ｂとの間に）に介在している。これにより、配線１３６ａ，１３６ｂを第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａ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。
【００８９】
１．３．  原子発振器の動作
まず、発光素子モジュール１０の制御を行う温度制御回路８０２、波長制御回路８０４、光出力制御回路８０６、および高周波制御回路８０８について説明する。
【００９０】
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、第１温度制御素子１０４への通電を制御する。これにより、環境温度の範囲が広くても、半導体レーザー１０２を所望の温度に調整することができる。温度制御回路８０２は、例えば、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度が所望の温度（例えば３５℃）となるように、温度センサー１０８の出力に基づき第１温度制御素子１０４を制御する。
【００９１】
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第２温度制御素子１０６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、半導体レーザー１０２が発生させる励起光Ｌの中心波長（周波数）が所望の波長（周波数）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。
【００９２】
波長制御回路８０４は、第２温度制御素子１０６を制御することによって、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。すなわち、半導体レーザー１０２の発振波長は、半導
体レーザー１０２の温度を制御することで制御される。
【００９３】
具体的には、波長制御回路８０４は、初期状態において、第２温度制御素子１０６（ヒーター）の温度が第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度よりも数℃程度高い温度となるように電流（電力）を供給する。例えば、温度制御面１０４ａの温度が３５℃の場合、第２温度制御素子１０６の初期状態の温度を３６℃程度にする。そして、波長制御回路８０４は、半導体レーザー１０２の波長を長くする場合には、第２温度制御素子１０６に供給する電流（電力）を増加させて、半導体レーザー１０２の温度を上昇させる。また、波長制御回路８０４は、半導体レーザー１０２の波長を短くする場合には、第２温度制御素子１０６に供給する電流（電力）を減少させて、半導体レーザー１０２の温度を低下させる。
【００９４】
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に電流（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。
【００９５】
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。
【００９６】
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第２温度制御素子１０６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】
原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１０７】
原子発振器１００は、温度センサー１０８の出力に基づいて制御される第１温度制御素子１０４と、受光素子４０が出力する検出信号に基づいて制御される第２温度制御素子１０６と、を含み、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２との間の距離は、第１温度制御素子１０４と半導体レーザー１０２との間の距離よりも小さい。そのため、原子発振器１００では、第２温度制御素子１０６を用いて半導体レーザー１０２の温度を制御することにより、第１温度制御素子１０４を用いて半導体レーザー１０２の温度を制御する場合と比べて、半導体レーザー１０２の温度をより高速に制御できる。したがって、原子発振器１００では、励起光Ｌの中心波長（半導体レーザー１０２の発振波長）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、受光素子４０の検出信号に基づき第２温度制御素子１０６を制御することで行うことができる。
【０１０８】
ここで、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度で変動させた場合、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で変動させた場合と比べて、半導体レーザー１０２の光出力の変動は極めて小さい。具体的には、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度で変動させた場合、半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で変動させた場合と比べて、半導体レーザー１０２の光出力の変動は、約１／３０である。そのため、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により、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。
【０１０９】
このように、原子発振器１００によれば、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。この結果、半導体レーザー１０２の光出力の変動による原子発振器の周波数変動（ＡＣシュタルク効果による周波数変動）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。
【０１１０】
なお、上記の半導体レーザー１０２の温度制御を、第２温度制御素子１０６を用いずに
、第１温度制御素子１０４のみで行うことも考えられる。しかしながら、半導体レーザー１０２の発振波長の制御には、高い制御応答性が要求される。第１温度制御素子１０４は、幅広い環境温度（例えば−１０℃〜６０℃の範囲）においても、半導体レーザー１０２を所望の温度に保つという役割があるため、比較的熱容量の大きい温度制御素子を用いることが好ましい。温度制御素子の制御応答性は、一般的に、熱容量が大きくなるほど悪化する。そのため、半導体レーザー１０２の温度制御を、第２温度制御素子１０６を用いずに、第１温度制御素子１０４のみで行うと、応答が遅いために適切なフィードバック制御が行えないおそれがある。
【０１１１】
原子発振器１００によれば、上記のように、２つの温度制御素子（第１温度制御素子１０４および第２温度制御素子１０６）を用いることで、幅広い環境温度に対応することができ、かつ、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して、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
【０１１２】
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第２温度制御素子１０６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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
これに対して、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長を半導体レーザー１０２の温度で制御することができ、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。
【０１１５】
また、原子発振器１００では、光出力制御回路８０６が、半導体レーザー１０２の光出力を受光素子４０の検出信号に基づき制御するため、温度センサー１０８が経年劣化などにより正確に温度を測定できなくなった場合（例えば実際の温度が３５℃であるところ、測定結果が３４．９℃となってしまうような場合）でも、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値となるように半導体レーザー１０２の光出力を制御できる。このように原子発振器１００では、温度センサー１０８が経年劣化などにより正確に温度を測定できなくなったことによる半導体レーザー１０２の光出力の変動も補償できる。
【０１１６】
原子発振器１００では、第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４に搭載され、半導体レーザー１０２は、第２温度制御素子１０６に搭載される。そのため、原子発振器１００では、第１温度制御素子１０４によって半導体レーザー１０２および第２温度制御素子１０６に対する環境温度の影響を低減でき、第２温度制御素子１０６によって半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できる。
【０１１７】
原子発振器１００では、第１温度制御素子１０４がペルチェ素子であることにより、幅広い環境温度に対応できる。また、原子発振器１００では、第２温度制御素子１０６がヒーターであることにより、例えば、第２温度制御素子１０６をペルチェ素子とする場合と比べて、素子を小型化および簡素化することができる。
【０１１８】
原子発振器１００では、第２温度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置され、半導体レーザー１０２は、第２温度制御素子１０６の温度制御面１０４ａ側の面とは反対側の面１０６ａに配置されている。そのため、原子発振器１００では、第１温度制御素子１０４によって半導体レーザー１０２および第２温度制御素子１０６に対する環境温度の影響を低減でき、第２温度制御素子１０６によって半導体レーザー１０２の温度を高速に制御できる。
【０１１９】
１．４．  変形例
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。以下に説明する変形例において、上述した原子発振器１００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。
【０１２０】
例えば、上述した実施形態では、第１温度制御素子１０４がペルチェ素子である場合について説明したが、第１温度制御素子１０４は半導体レーザー１０２の温度を所望の温度に制御することができればこれに限定されない。第１温度制御素子１０４は、例えば、発熱抵抗体、セラミックヒーターなどの公知のヒーターであってもよい。
【０１２１】
また、例えば、上述した実施形態では、第２温度制御素子１０６がヒーターである場合について説明したが、第２温度制御素子１０６は半導体レーザー１０２の温度を、励起光Ｌの中心波長（半導体レーザー１０２の発振波長）が吸収の底に相当する波長となるように、フィードバック制御することができる制御応答性を有していればこれに限定されない。第２温度制御素子１０６は、例えば、ペルチェ素子であってもよい。
【０１２２】
また、上述した実施形態では、第１温度制御素子１０４上に第２温度制御素子１０６が配置され、第２温度制御素子１０６上に半導体レーザー１０２が配置された例を説明したが、第１温度制御素子１０４、第２温度制御素子１０６、および半導体レーザー１０２の配置はこれに限定されない。第２温度制御素子と半導体レーザーとの間の距離が第１温度制御素子と半導体レーザーとの間の距離よりも小さければよい。例えば、パッケージ１０１のベース１０１ａに、第１温度制御素子１０４、第２温度制御素子１０６、および半導体レーザー１０２がこの順に並んで配置されていてもよい。また、第１温度制御素子１０４および第２温度制御素子１０６がベース１０１ａに配置され、第２温度制御素子１０６上に半導体レーザー１０２が配置されていてもよい。
【０１２３】
２．  システム
次に、本実施形態に係るシステムについて、図面を参照しながら説明する。本発明に係るシステムは、本発明に係る原子発振器を含む。なお、本明細書では、原子発振器を含む装置、および、当該装置と他の装置とを含むシステムのいずれもシステムと称する。以下では、本発明に係るシステムとして原子発振器１００を含む測位システムについて説明する。図７は、本実施形態に係るシステムの一例として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星を利用した測位システム１０００を説明するための図である。本実施形態では、基地局装置１０２０、または測位システム１０００がシステムに相当する。
【０１２４】
測位システム１０００は、図７に示すように、基地局装置１０２０と、ＧＰＳ受信装置
１０３０と、を含む。
【０１２５】
ＧＰＳ衛星１０１０は、測位用衛星信号（ＧＰＳ信号）を送信する。
【０１２６】
基地局装置１０２０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１０２２を介してＧＰＳ衛星１０１０からの測位情報を高精度に受信する受信装置１０２４と、受信装置１０２４で受信した測位情報をアンテナ１０２６を介して送信する送信装置１０２８と、有している。受信装置１０２４は、基準周波数発振源として原子発振器１００を有している。受信装置１０２４で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１０２８により送信される。
【０１２７】
ＧＰＳ受信装置１０３０は、ＧＰＳ衛星１０１０からの測位情報をアンテナ１０３２を介して受信する衛星受信部１０３４と、基地局装置１０２０からの測位情報をアンテナ１０３６を介して受信する基地局受信部１０３８と、を有している。
【０１２８】
測位システム１０００は、優れた周波数安定性を有する原子発振器１００を含むため、優れた信頼性を有することができる。
【０１２９】
図８は、本実施形態に係るシステムの一例として、クロック伝送システム２０００を説明するための図である。
【０１３０】
図８に示すクロック伝送システム２０００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。
【０１３１】
クロック伝送システム２０００は、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置（ＣＳＭ：Ｃｌｏｃｋ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｍｏｄｕｌｅ）２００１およびＳＤＨ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）装置２００２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置２００３およびＳＤＨ装置２００４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置２００５およびＳＤＨ装置２００６，２００７とを備える。
【０１３２】
クロック供給装置２００１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２００１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２００８，２００９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。
【０１３３】
ＳＤＨ装置２００２は、クロック供給装置２００１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２００５に伝送する。
【０１３４】
クロック供給装置２００３は、原子発振器１００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２００３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２００８，２００９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。
【０１３５】
ＳＤＨ装置２００４は、クロック供給装置２００３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２００５に伝送する。クロック供給装置２００５は、クロック供給装置２００１，２００３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。
【０１３６】
ここで、クロック供給装置２００５は、通常、クロック供給装置２００１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２００５は、クロック供給装置２００３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２００６は、クロック供給装置２００５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２００７は、クロック供給装置２００５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。
【０１３７】
クロック伝送システム２０００は、優れた周波数安定性を有する原子発振器１００を含むため、優れた信頼性を有することができる。
【０１３８】
なお、本発明の原子発振器を含むシステムは、測位システムおよびクロック伝送システムに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルカメラ、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（Ｐｏｉｎｔ  Ｏｆ  Ｓａｌｅ）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に適用することができる。
【０１３９】
３．  移動体
次に、本実施形態に係る移動体について説明する。本発明に係る移動体は、本発明に係る原子発振器を含む。本発明に係る原子発振器を含む移動体は、自動車に限定されず、例えば、ジェット機やヘリコプターなどの航空機、船舶、ロケット、人工衛星などに適用することができる。
【０１４０】
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】
【０１４１】
３…凹部、４…段差部、１０…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…第１温度制御素子、１０４ａ…温度制御面、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６…第２温度制御素子、１０６ａ…配置面、１０８…温度センサー、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、１３４ａ…配線、１３４ｂ…配線、１３６ａ…配線、１３６ｂ…配線、１３６ｃ…配線、１４０…金属層、１５０…中継部材、１５２…配線層、
１６０…中継部材、８０２…温度制御回路、８０４…波長制御回路、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、１０００…測位システム、１０１０…ＧＰＳ衛星、１０２０…基地局装置、１０２２…アンテナ、１０２４…受信装置、１０２６…アンテナ、１０２８…送信装置、１０３０…ＧＰＳ受信装置、１０３２…アンテナ、１０３４…衛星受信部、１０３６…アンテナ、１０３８…基地局受信部、２０００…クロック伝送システム、２００１…クロック供給装置、２００２…ＳＤＨ装置、２００３…クロック供給装置、２００４…ＳＤＨ装置、２００５…クロック供給装置、２００６…ＳＤＨ装置、２００７…ＳＤＨ装置、２００８…マスタークロック、２００９…マスタークロック
【図１】
2019068137.tif 000003
【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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