(57)【要約】【課題】面発光レーザーから射出されてλ／４板に入射する偏光光のλ／４板に対する偏光方向を制御して、原子発振器の安定性を高めることができる光学モジュールを提供する。【解決手段】本発明に係る光学モジュール１００は、光を射出する面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０から射出された光が照射される反射型の偏光素子２２、および偏光素子２２の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられ、かつ偏光素子２２を透過した光が照射されるλ／４板２４を有する偏光制御部２０と、アルカリ金属ガスが封入され、かつ、λ／４板２４を透過した光が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した光の強度を検出する第１光検出部４０と、偏光素子２２にて反射された光の強度を検出する第２光検出部５０と、偏光制御部２０を回転させる駆動部６０と、第２光検出部５０で検出した光量に応じて、駆動部６０を動作させる制御部７０と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子発振器の光学モジュールであって、
光を射出する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーから射出された光が照射される反射型の偏光素子、および前記偏光素子の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられ、かつ前記偏光素子を透過した光が照射されるλ／４板を有する偏光制御部と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記λ／４板を透過し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強度を検出する第１光検出部と、
前記偏光素子にて反射された光の強度を検出する第２光検出部と、
前記偏光制御部を回転させる駆動部と、
前記第２光検出部で検出した光量に応じて、前記駆動部を動作させる制御部と、
を含む、ことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
前記制御部は、前記第２光検出部で検出される光の光量が最小となるように前記駆動部を駆動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記偏光素子は、ワイヤーグリッド偏光板である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記偏光素子は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸に対して入射面の法線を傾けて、前記光軸上に設けられている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記第２光検出部は、前記偏光素子にて反射された光を受光する受光面を有し、
前記受光面は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸の方向から見て、環状であり、
前記光軸は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸の方向から見て、前記受光面の内側に位置している、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記受光面には、前記面発光レーザーから射出された光を透過させる開口部が設けられている、ことを特徴とする請求項５に記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記面発光レーザーは、偏光光を射出する、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学モジュールを含む、ことを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュールおよび原子発振器に関する。
【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】
例えば、特許文献１には、ＥＩＴ現象の発現確率を高めるために、光源から射出された共鳴光をλ／４板によって円偏光に変換して、アルカリ金属原子が封入されたガスセルに照射する原子発振器が開示されている。ガスセルに円偏光の光を照射することにより、アルカリ金属原子と円偏光の光との間で相互作用を起こし、アルカリ金属原子が磁気量子数ｍＦ＝０の基底準位に存在する確率を高めることができる。これにより、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９８６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
面発光レーザーで発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。面発光レーザーは、一般的に、偏光した光（偏光光）を射出する。
【０００６】
しかしながら、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向は、例えば、経時的に変化する。そのため、特許文献１の原子発振器の光源として面発光レーザーを適用すると、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向の変化によって、λ／４板に対する偏光光の偏光方向が変化し、λ／４板を通過した光の円偏光成分の割合が変化する（例えばλ／４板で円偏光に変換されずに楕円偏光に変換される）。したがって、特許文献１の原子発振器の光源として面発光レーザーを適用すると、ガスセルに照射される光の円偏光成分の割合が経時的に変化し、原子発振器の安定性が低下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、面発光レーザーから射出されてλ／４板に入射する偏光光のλ／４板に対する偏光方向を制御して、原子発振器の安定性を高めることができる光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記光学モジュールを含む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】
本発明に係る光学モジュールは、
原子発振器の光学モジュールであって、
光を射出する面発光レーザーと、
前記面発光レーザーから射出された光が照射される反射型の偏光素子、および前記偏光素子の偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられ、かつ前記偏光素子を透過した光が照射されるλ／４板を有する偏光制御部と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記λ／４板を透過し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強度を検出する第１光検出部と、
前記偏光素子にて反射された光の強度を検出する第２光検出部と、
前記偏光制御部を回転させる駆動部と、
前記第２光検出部で検出した光量に応じて、前記駆動部を動作させる制御部と、
を含む。
【０００９】
このような光学モジュールでは、面発光レーザーから射出した光を偏光素子で分離して第１の方向に偏光する第１偏光光として、λ／４板に入射させる。したがって、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化してもλ／４板に入射する偏光光の偏光方向を、λ／４板に対して一定の方向（λ／４板の速軸に対して４５度傾いた方向）にすることができる。これにより、例えば、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセルに照射される光の円偏光成分の割合が変化することを防ぐことができる。
【００１０】
さらに、このような光学モジュールでは、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化しても、制御部が駆動部を動作させて偏光制御部を回転させることにより、ガスセルに照射される光の光量を一定にすることができる。
【００１１】
したがって、このような光学モジュールでは、面発光レーザーにおいて偏光光の偏光方向が変化することに起因して、ガスセルに照射させる光の円偏光成分の割合、およびその光量が変化することを防ぐことができるため、原子発振器の安定性を高めることができる。
【００１２】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記制御部は、前記第２光検出部で検出される光の光量が最小となるように前記駆動部を駆動させてもよい。
【００１３】
このような光学モジュールでは、第１偏光光の光量を一定にすることができるため、ガスセルに照射される光の量を一定にすることができる。
【００１４】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記偏光素子は、ワイヤーグリッド偏光板であってもよい。
【００１５】
このような光学モジュールでは、偏光素子は、偏光素子のワイヤーの中心軸の方向に電場が振動する第２偏光光を反射させ、中心軸の方向と直交する方向に電場が振動する第１偏光光を透過させることができる。
【００１６】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記偏光素子は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸に対して入射面の法線を傾けて、前記光軸上に設けられていてもよい。
【００１７】
このような光学モジュールでは、偏光素子において反射した第２偏光光を、光軸に対して傾いた方向に進行させることができる。
【００１８】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記第２光検出部は、前記偏光素子にて反射された光を受光する受光面を有し、
前記受光面は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸の方向から見て、環状であり、
前記光軸は、前記面発光レーザーから射出された光の光軸の方向から見て、前記受光面の内側に位置していてもよい。
【００１９】
このような光学モジュールでは、第２光検出部は、光軸に対して傾いた方向に進行する第２偏光光を、受光することができる。
【００２０】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記受光面には、前記面発光レーザーから射出された光を透過させる開口部が設けられていてもよい。
【００２１】
このような光学モジュールでは、偏光素子と受光面との間の距離を小さくすることができる。そのため、このような光学モジュールでは、偏光素子にて反射された第２偏光光を、より確実に受光することができる。
【００２２】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記面発光レーザーは、偏光光を射出してもよい。
【００２３】
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る光学モジュールを含む。
【００２４】
このような原子発振器では、本発明に係る光学モジュールを含むため、装置の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る光学モジュールを含む原子発振器を示すブロック図。
【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】本実施形態に係る光学モジュールの偏光制御部および駆動部を模式的に示す図。
【図５】本実施形態に係る光学モジュールの面発光レーザーおよび第２光検出部を模式的に示す図。
【図６】本実施形態に係る光学モジュールの面発光レーザーおよび第２光検出部を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態の第１変形例に係る光学モジュールの面発光レーザーおよび第２光検出部を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態の第２変形例に係る光学モジュールを含む原子発振器を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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。
【００２７】
１．  光学モジュール
１．１．  構成
まず、本実施形態に係る光学モジュールについて、図面を参照しながら説明する。ここでは、本実施形態に係る光学モジュールを原子発振器に適用した例について説明する。図１は、本実施形態に係る光学モジュール１００を含んで構成された原子発振器１を示すブ
ロック図である。
【００２８】
原子発振器１は、図１に示すように、光学モジュール１００と、中心波長制御部２と、高周波制御部４と、を含んで構成されている。
【００２９】
光学モジュール１００は、図１に示すように、面発光レーザー１０と、反射型の偏光素子２２およびλ／４板２４を有する偏光制御部２０と、ガスセル３０と、第１光検出部４０と、第２光検出部５０と、駆動部６０と、制御部７０と、を含んで構成されている。
【００３０】
面発光レーザー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。
【００３１】
面発光レーザー１０は、偏光光を射出する。ここで偏光光とは、直線偏光の場合と、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光の場合と、を含む。直線偏光とは、光の電場の振動方向が一平面内にある光をいう。また、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光とは、楕円偏光の長軸の長さが楕円偏光の短軸の長さに対して十分に長いものをいう。例えば、長軸の長さａと短軸の長さｂとの比がａ／ｂ≧１０の関係を満たす楕円偏光である。ここで、楕円偏光の長軸とは、光の電場の振動ベクトルの先端が楕円運動する楕円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く楕円の長軸をいう。また、楕円偏光の短軸とは、当該楕円の短軸をいう。なお、図１では、偏光光（直線偏光の光）を実線の白抜き矢印で示し、電場の振動ベクトルの先端が円運動をする光（円偏光の光）を破線の白抜き矢印で示している。
【００３２】
面発光レーザー１０では、経時的に偏光光の偏光方向（直線偏光における電場の振動方向）が変化する。すなわち、面発光レーザー１０では、経時的に偏光面が回転する。ここで、偏光面とは、光の進行方向と電場の振動方向とを含む面である。なお、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光において、偏光光の偏光方向とは、楕円偏光の長軸の方向をいうことができる。
【００３３】
図２は、面発光レーザー１０が射出する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Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。面発光レーザー１０から射出される光は、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。
【００３４】
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。
【００３５】
偏光素子２２には、図１に示すように、面発光レーザー１０から射出された光が入射する（光が照射される）。偏光素子２２は、面発光レーザー１０から射出した光を、第１の方向に偏光する第１偏光光Ｌ１と、第１の方向と直交する第２の方向に偏光する第２偏光光Ｌ２とに分離する。そして、偏光素子２２は、第１偏光光Ｌ１を透過させ、第２偏光光Ｌ２を反射させる。ここで、第１の方向に偏光する第１偏光光Ｌ１とは、電場の振動方向
が第１の方向である直線偏光の光をいう。同様に、第２の方向に偏光する第２偏光光Ｌ２とは、電場の振動方向が第２の方向である直線偏光の光をいう。
【００３６】
偏光素子２２は、例えば、面発光レーザー１０から射出された光を第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２とに分離し、第１偏光光Ｌ１を透過させ、第２偏光光Ｌ２を反射させるワイヤーグリッド偏光板である。すなわち、偏光素子２２は、面発光レーザー１０から射出された光の、第１の方向に偏光する成分を透過させ、第２の方向に偏光する成分を反射させる。以下では、偏光素子２２をワイヤーグリッド偏光板として説明する。図４は、偏光制御部２０および駆動部６０を模式的に示す図である。
【００３７】
偏光素子２２は、図４に示すように、複数のワイヤー２３を含んで構成されている。ワイヤー２３の材質は、例えば、金、銀、銅、白金などである。複数のワイヤー２３は、互いに平行に延出している。すなわち、複数のワイヤー２３において、ワイヤー２３の一方の端部の中心と他方の端部の中心とを通る中心軸２３ｃは、互いに平行である。上述した第２の方向とは、ワイヤー２３の延出方向（中心軸２３ｃの方向）である。上述した第１の方向とは、ワイヤー２３の延出方向と直交する方向である。
【００３８】
偏光素子２２では、ワイヤー２３の延出方向と同じ方向に電場が振動する光（電磁波）が入射すると、ワイヤー２３の電子は、入射電磁波によって運動する。そして、ワイヤー２３の電子は、透過する電磁波を打ち消すように電磁波を放射する。その結果、ワイヤー２３の延出方向と同じ方向（第２の方向）に偏光する成分の電磁波は、偏光素子２２を透過することができず、偏光素子２２は、第２の方向に偏光する成分の電磁波（第２偏光光Ｌ２）を、反射波として放射する。
【００３９】
一方、ワイヤー２３の電子は、ワイヤー２３の延出方向と直交する方向に運動することができない。そのため、ワイヤー２３の延出方向と直交する方向（第１の方向）に偏光する成分の電磁波は、偏光素子２２を透過することができ、偏光素子２２は、第１の方向に偏光する成分の電磁波（第１偏光光Ｌ１）を、透過波として放射する。ワイヤー２３の中心軸２３ｃと直交する軸は、偏光素子２２の偏光透過軸２２ｔである。
【００４０】
偏光素子２２は、図１に示すように、面発光レーザー１０から射出された光の光軸Ａに対して、入射面２１の法線Ｎを傾けて、光軸Ａ上に設けられている。これにより、偏光素子２２において反射した第２偏光光Ｌ２は、光軸Ａに対して傾いた方向に進行する。ここで、光軸Ａとは、面発光レーザー１０から射出された光の広がりの中心を通る軸である。偏光素子２２の入射面２１とは、複数のワイヤー２３の中心軸２３ｃを含む平面である。
【００４１】
光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出された光は、偏光素子２２によって第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２とに分離されることにより、２つの経路（経路Ｒ１、経路Ｒ２）に分かれる。経路Ｒ１は、偏光素子２２で分離されてからλ／４板２４、ガスセル３０を通って第１光検出部４０で検出されるまでの光の経路である。経路Ｒ１は、ＥＩＴ現象を利用して原子発振器１を発振器として動作させるための光の経路である。経路Ｒ２は、偏光素子２２で分離されてから第２光検出部５０で検出されるまでの光の経路である。経路Ｒ２は、第２偏光光Ｌ２（第１偏光光Ｌ１）の光量をモニターするための光の経路である。
【００４２】
λ／４板２４には、偏光素子２２を透過した第１偏光光Ｌ１が入射する（第１偏光光Ｌ１が照射される）。λ／４板２４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２４は、第１偏光光Ｌ１（直線偏光）を円偏光に変換する。λ／４板２４は、図４に示すように、偏光素子２２の偏光透過軸２２ｔに対して、速軸２４ｆが４５度の角度となるように設けられている。すなわち、λ
／４板２４は、偏光透過軸２２ｔに対して、速軸２４ｆが４５度回転して設けられている。これにより、λ／４板２４は、第１偏光光Ｌ１を円偏光に変換することができる。ここで、速軸（高速軸）とは、λ／４板において小さい屈折率を持つ方向の軸をいい、λ／４板の遅軸（低速軸、大きい屈折率を持つ方向の軸）に対して直交する軸である。
【００４３】
λ／４板２４は、偏光素子２２と離間して設けられていてもよいが、偏光素子２２に接合されて設けられていることが好ましい。これにより、偏光制御部２０を小型化することができ、かつ、偏光制御部２０を回転させる駆動部６０の制御を、簡単にすることができる。図１に示す例では、λ／４板２４の入射面２５の法線は、光軸Ａに対して傾いている。λ／４板２４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。
【００４４】
ガスセル３０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）が封入されたものである。このガスセル３０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。
【００４５】
ガスセル３０には、λ／４板２４を透過した光（円偏光）が照射される。光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出された光を、偏光素子２２を介してλ／４板２４で円偏光に変換し、ガスセル３０に照射する。これにより、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。
【００４６】
第１光検出部４０は、ガスセル３０に封入されたアルカリ金属原子を透過した光の強度を検出する。第１光検出部４０は、アルカリ金属原子を透過した光の強度に応じた検出信号を出力する。第１光検出部４０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【００４７】
第２光検出部５０は、偏光素子２２にて反射された光（第２偏光光Ｌ２）の強度を検出する。ここで、図５は、面発光レーザー１０および第２光検出部５０を、光軸Ａの方向から見た状態を模式的に示す図である。図６は、面発光レーザー１０および第２光検出部５０を模式的に示す図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【００４８】
第２光検出部５０は、面発光レーザー１０とモノリシックに（同一基板上に）設けられていてもよい。面発光レーザー１０は、図６に示すように、第２光検出部５０の上面（面発光レーザー１０から射出された光が進行する方向側の面）に設けられている。第２光検出部５０の上面のうち面発光レーザー１０が設けられていない領域（露出している領域）は、偏光素子２２にて反射された第２偏光光Ｌ２を受光する受光面５２となる。受光面５２は、図５に示すように光軸Ａの方向から見て、環状（具体的にはドーナツ状）の形状を有し、光軸Ａは、光軸Ａの方向から見て、受光面５２の内側に位置している。
【００４９】
第２光検出部５０は、第２偏光光Ｌ２の強度に応じた検出信号を出力する。第２光検出部５０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。第２光検出部５０の検出信号は、制御部７０に出力される。
【００５０】
駆動部６０は、偏光素子２２およびλ／４板２４を有している偏光制御部２０を、回転させる。具体的には、駆動部６０は、偏光制御部２０を、偏光素子２２の入射面２１の法線Ｎ周りに回転させる。偏光素子２２およびλ／４板２４は、例えば互いに接合されており、偏光素子２２およびλ／４板２４は、速軸２４ｆが偏光透過軸２２ｔに対して４５度傾いた状態で、回転される。ここで、第１偏光光Ｌ１の光量および第２偏光光Ｌ２の光量
は、偏光素子２２における偏光光Ｌ１，Ｌ２の分離比によって決まる。そのため、駆動部６０が偏光制御部２０を回転させて偏光透過軸２２ｔを回転させることにより、第１偏光光Ｌ１の光量（第２偏光光Ｌ２の光量）を変化させることができる。なお、偏光制御部２０を法線Ｎ周りに回転させる構成の場合には、受光面５２は必ずしも環状に設けられる必要はない。
【００５１】
駆動部６０は、図４に示すように、偏光制御部２０に動力を伝達する歯車６２を含んで構成されている。駆動部６０は、モーター（図示せず）で歯車６２を回転させて、偏光制御部２０を回転させる。偏光制御部２０の縁部には、歯車の歯が設けられている。すなわち、偏光制御部２０は、歯車（平歯車）を構成している。偏光制御部２０の回転に伴い、偏光素子２２の偏光透過軸２２ｔおよびλ／４板２４の速軸２４ｆが回転する。駆動部６０は、制御部７０によって制御される。
【００５２】
制御部７０は、第２光検出部５０で検出した光の光量に応じて、駆動部６０を動作させる。具体的には、制御部７０は、第２光検出部５０で検出される第２偏光光Ｌ２の光量が変化したときに、変化する前の第２偏光光Ｌ２の光量に戻すように駆動部６０を動作させる。これにより、第１偏光光Ｌ１の光量も変化する前の光量に戻すことができるため、ガスセル３０に照射される光の量を一定にすることができる。
【００５３】
制御部７０は、例えば、第２光検出部５０で検出される第２偏光光Ｌ２の光量が所定の光量となるように駆動部６０を動作させる。なお、所定の光量は、例えば、第２偏光光Ｌ２の光量が最小となるときの光量である。すなわち、第１偏光光Ｌ１の光量が最大となるときの第２偏光光Ｌ２の光量である。なお、所定の光量は、第２偏光光Ｌ２の光量が最小となるときの光量に限定されず、適宜設定することができる。
【００５４】
制御部７０は、具体的には、駆動部６０を動作させて偏光制御部２０を回転させて偏光透過軸２２ｔおよび速軸２４ｆを変化させながら第２偏光光Ｌ２の光量をモニターし、第２偏光光Ｌ２の光量が所定の光量となったところで駆動部６０の動作を止める。これにより、第２偏光光Ｌ２の光量を所定の光量とすることができる。
【００５５】
中心波長制御部２は、第１光検出部４０が出力する検出信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて面発光レーザー１０に供給し、面発光レーザー１０が射出する光の中心波長λ０を制御する。面発光レーザー１０、ガスセル３０、第１光検出部４０、中心波長制御部２を通るフィードバックループにより、面発光レーザー１０が射出する光の中心波長λ０が微調整されて安定する。
【００５６】
高周波制御部４は、第１光検出部４０が出力する検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との波長（周波数）差が、ガスセル３０に封入された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に等しくなるように制御する。高周波制御部４は、第１光検出部４０が出力する検出結果に応じた変調周波数ｆｍ（図２参照）を有する変調信号を発生させる。
【００５７】
面発光レーザー１０、ガスセル３０、第１光検出部４０、高周波制御部４を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差が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と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数ｆｍは極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１の出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００５８】
１．２．  動作
次に、光学モジュール１００の動作について、図１を参照しながら説明する。
【００５９】
面発光レーザー１０は、偏光光を射出する。面発光レーザー１０から射出された偏光光は、偏光素子２２に入射する。偏光素子２２に入射した光は、互いに偏光方向が垂直な方向である第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２とに分離される。このように、面発光レーザー１０から射出された光は、偏光素子２２によって第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２とに分離されることにより、２つの経路（経路Ｒ１、経路Ｒ２）に分かれる。以下、各経路Ｒ１，Ｒ２ごとに説明する。
【００６０】
まず、経路Ｒ１について説明する。
【００６１】
偏光素子２２を透過した第１偏光光Ｌ１は、λ／４板２４に入射する。第１偏光光Ｌ１は、λ／４板２４で円偏光に変換され、ガスセル３０に入射する。ここで、面発光レーザー１０から射出される光は、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側帯波Ｗ１、第２側帯波Ｗ２）を含んでおり、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。ガスセル３０を透過した光の強度は、第１光検出部４０で検出される。
【００６２】
中心波長制御部２および高周波制御部４は、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差が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と極めて正確に一致するように、フィードバック制御を行う。原子発振器１では、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。
【００６３】
次に、経路Ｒ２について説明する。
【００６４】
偏光素子２２で反射された第２偏光光Ｌ２は、第２光検出部５０に入射する。第２光検出部５０では、第２偏光光Ｌ２の強度が検出される。
【００６５】
ここで、偏光素子２２は、入射する偏光光の偏光方向の透過軸２２ｔに対する傾き角に応じて、第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２の分離比が異なる特性を持つ。そのため、例えば、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が変化すると、偏光素子２２において第１偏光光Ｌ１と第２偏光光Ｌ２の分離比が変わる。これにより、ガスセル３０に照射される光の量が変化してしまう。
【００６６】
そのため、制御部７０は、第２光検出部５０で検出される第２偏光光Ｌ２の光量が変化したときに、変化する前の第２偏光光Ｌ２の光量に戻すように駆動部６０を動作させる。これにより、第１偏光光Ｌ１の光量も変化する前の光量に戻すことができるため、ガスセル３０に照射される光の量を一定にすることができる。
【００６７】
制御部７０の処理の一例について、具体的に説明する。
【００６８】
制御部７０は、第２光検出部５０が出力する検出信号の強度が設定値から変化すると、駆動部６０を動作させて偏光制御部２０を回転させる。ここで、設定値は、例えば、第２偏光光Ｌ２の光量が最小となるときの第２光検出部５０の検出信号の強度である。偏光制御部２０を回転させることにより、偏光透過軸２２ｔの方向が変化する。これにより、偏光素子２２の偏光光Ｌ１，Ｌ２の分離比が変化し、第２偏光光Ｌ２の光量が変化する。
【００６９】
制御部７０は、第２光検出部５０が出力する検出信号の強度（第２偏光光Ｌ２の光量）をモニターしながら、当該検出信号の強度が設定値（最小値）になるまで駆動部６０を動
作させて偏光制御部２０を回転させる。そして、制御部７０は、当該検出信号の強度が設定値（最小値）になると処理を終了する。
【００７０】
なお、制御部７０は、第２光検出部５０が出力する検出信号の強度をモニターしながら偏光制御部２０を回転させる際に、偏光制御部２０の回転（例えば右まわりの回転）に伴って当該検出信号の強度が大きくなる場合には、偏光制御部２０を逆回転（例えば左まわりの回転）させる処理を行ってもよい。
【００７１】
上述の例では、偏光素子２２をワイヤーグリッド偏光板として説明したが、偏光素子２２は、偏光ビームスプリッターであってもよい。この場合、偏光素子２２は、ｐ偏光の偏光光を透過させｓ偏光の偏光光を反射させてもよいし、ｓ偏光の偏光光を透過させｐ偏光の偏光光を反射させてもよい。なお、偏光素子２２は、第１の方向に偏光する第１偏光光を透過させ、第１の方向と直交する第２の方向に偏光する第２偏光光を反射させることができれば、ワイヤーグリッド偏光板や偏光ビームスプリッターに限定されず、例えば、屈折率異方性が異なる２つの層の交互積層体によって構成されていてもよい。
【００７２】
光学モジュール１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７３】
光学モジュール１００では、面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０から射出された光が照射される反射型の偏光素子２２、および偏光素子２２の偏光透過軸２２ｔに対して速軸２４ｆが４５度回転して設けられ、かつ偏光素子２２を透過した光が照射されるλ／４板２４を有する偏光制御部２０と、アルカリ金属ガスが封入され、かつ、λ／４板２４を透過した光が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した光の強度を検出する第１光検出部４０と、偏光素子２２にて反射された光の強度を検出する第２光検出部５０と、偏光制御部２０を回転させる駆動部６０と、第２光検出部５０で検出した光量に応じて、駆動部６０を動作させる制御部７０と、を含む。このように、光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出した光を偏光素子２２で分離して第１の方向に偏光する第１偏光光Ｌ１として、λ／４板２４に入射させる。したがって、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化してもλ／４板２４に入射する偏光光の偏光方向を、λ／４板２４に対して一定の方向（λ／４板２４の速軸２４ｆに対して４５度傾いた方向）にすることができる。これにより、例えば、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が経時的に変化することに起因して、ガスセル３０に照射される光の円偏光成分の割合が変化することを防ぐことができる。
【００７４】
さらに、光学モジュール１００では、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化しても、制御部７０が駆動部６０を動作させて偏光制御部２０を回転させることにより、ガスセル３０に照射される光の光量を一定にすることができる。
【００７５】
このように、光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出されてλ／４板２４に入射する第１偏光光Ｌ１のλ／４板２４に対する偏光方向を制御することにより、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化することに起因して、ガスセル３０に照射させる光の円偏光成分の割合、およびその光量が変化することを、防ぐことができる。その結果、光学モジュール１００では、原子発振器１の安定性を高めることができる。
【００７６】
さらに、光学モジュール１００では、駆動部６０は、面発光レーザー１０を回転させるのではなく、偏光制御部２０を回転させる。そのため、光学モジュール１００では、例えば、面発光レーザー１０を回転させる場合に比べて、小型化を図ることができる。
【００７７】
光学モジュール１００では、制御部７０は、第２光検出部５０で検出される光の光量が
最小となるように駆動部６０を駆動させる。これにより、第１偏光光Ｌ１の光量を一定にすることができるため、ガスセル３０に照射される光の量を一定にすることができる。
【００７８】
光学モジュール１００では、偏光素子２２は、ワイヤーグリッド偏光板である。そのため、偏光素子２２は、偏光素子２２のワイヤー２３の中心軸２３ｃの方向に電場が振動する第２偏光光Ｌ２を反射させ、中心軸２３ｃの方向と直交する方向に電場が振動する第１偏光光Ｌ１を透過させることができる。
【００７９】
光学モジュール１００では、偏光素子２２は、面発光レーザー１０から射出された光の光軸Ａに対して入射面２１の法線Ｎを傾けて、光軸Ａ上に設けられている。そのため、偏光素子２２において反射した第２偏光光Ｌ２を、光軸Ａに対して傾いた方向に進行させることができる。
【００８０】
光学モジュール１００では、第２光検出部５０の受光面５２は、光軸Ａの方向から見て、環状であり、光軸Ａは、光軸Ａの方向から見て、受光面５２の内側に位置している。そのため、第２光検出部５０は、光軸Ａに対して傾いた方向に進行する第２偏光光Ｌ２を、受光することができる。
【００８１】
２．  変形例
２．１．  第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る光学モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態の第１変形例に係る光学モジュール２００の面発光レーザー１０および第２光検出部５０を模式的に示す図であって、図６に対応している。
【００８２】
以下、本実施形態の第１変形例に係る光学モジュール２００について、本実施形態に係る光学モジュール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。このことは、以下に示す、本実施形態の第２変形例に係る光学モジュールについても同様である。
【００８３】
上述した光学モジュール１００では、図６に示すように、第２光検出部５０上に面発光レーザー１０が設けられていた。これに対し、光学モジュール２００では、図７に示すように、面発光レーザー１０の上方に（面発光レーザー１０から射出された光が進行する方向側に）第２光検出部５０が設けられている。第２光検出部５０は、面発光レーザー１０と偏光素子２２との間に設けられている。
【００８４】
光学モジュール２００では、第２光検出部５０の受光面５２には、面発光レーザーから射出された光を透過させる開口部５４が設けられている。光軸Ａの方向から見たときの開口部５４の形状は、例えば、円形である。
【００８５】
光学モジュール２００では、光学モジュール１００に比べて、偏光素子２２と受光面５２との間の距離を小さくすることができる。そのため、光学モジュール２００では、偏光素子２２にて反射された第２偏光光Ｌ２を、より確実に受光することができる。
【００８６】
２．２．  第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る光学モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の第２変形例に係る光学モジュール３００を含んで構成された原子発振器１を示すブロック図である。
【００８７】
上述した光学モジュール１００では、図１に示すように、λ／４板２４の入射面２５は、光軸Ａに対して傾いていた。これに対し、光学モジュール３００では、図８に示すよう
に、λ／４板２４の入射面２５は、光軸Ａと直交している。すなわち、入射面２５の法線（図示せず）は、光軸Ａと平行である。
【００８８】
光学モジュール３００では、偏光素子２２を透過した第１偏光光Ｌ１を、より確実に円偏光に変換することができる。
【００８９】
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を適宜組み合わせることも可能である。
【００９０】
なお、上記では、λ／４板２４が偏光素子２２の偏光透過軸２２ｔに対して４５度傾いた速軸２４ｆを有している場合について説明したが、λ／４板２４の速軸２４ｆは、偏光透過軸２２ｔに対して４４度以上４６度以下の範囲で傾いてもよい。すなわち、偏光透過軸２２ｔと速軸２４ｆとがなす角度は、４４度以上４６度以下の範囲であってもよい。このような場合でも、λ／４板２４を透過した光を、円偏光または実質的に円偏光とみなせる楕円偏光とすることができ、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。また、このような場合でも、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化することに起因して、ガスセル３０に照射される光の円偏光成分の割合が変化することを防ぐことができる。したがって、光学モジュール１００では、原子発振器１の安定性を高めることができる。
【００９１】
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】
【００９２】
１…原子発振器、２…中心波長制御部、４…高周波制御部、１０…面発光レーザー、２０…偏光制御部、２１…入射面、２２…偏光素子、２２ｆ…偏光透過軸、２３…ワイヤー、２３ｃ…中心軸、２４…λ／４板、２４ｆ…速軸、２５…入射面、３０…ガスセル、４０…第１光検出部、５０…第２光検出部、５２…受光面、５４…開口部、６０…駆動部、６２…歯車、７０…制御部、１００，２００，３００…光学モジュール
【図１】
2015082763.tif 000003
【図２】
2015082763.tif 000004
【図３】
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【図５】
2015082763.tif 000006
【図６】
2015082763.tif 000007
【図７】
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【図８】
2015082763.tif 000009
【図４】
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