(57)【要約】【課題】面発光レーザーから射出される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一定にすることができる光学モジュールを提供する。【解決手段】光学モジュール１００は、偏光光を射出する面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０から射出した光が照射され、かつ、前記偏光光の偏光方向に対して偏光透過軸が４５度回転して設けられる偏光素子２０と、偏光素子２０を透過した光が照射され、かつ、偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられるλ／４板３０と、アルカリ金属ガスが封入され、かつ、λ／４板３０を透過した光が照射されるガスセル４０と、ガスセル４０を透過した光の強度を検出する光検出部５０と、を含む。【選択図】図１
2015088622.tif 000002
【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、
偏光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した光が照射され、かつ、前記偏光光の偏光方向に対して偏光透過軸が４５度回転して設けられる偏光素子と、
前記偏光素子を透過した光が照射され、かつ、前記偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられるλ／４板と、
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光検出部と、
を含む、ことを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
前記面発光レーザーから射出される前記偏光光の偏光方向は、第１の方向から前記第１の方向と直交する第２の方向に変化する、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】
請求項１または２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、面発光レーザーでは、外的要因（温度、応力、素子構造の経年変化等）により、射出される偏光光の偏光方向が変化すること、すなわち、偏光スイッチが起きることが知られている。原子発振器に用いられるシングルモードＶＣＳＥＬでは、通常、直交する２つの方向の偏光が許容されている。そのため、このようなＶＣＳＥＬでは、偏光スイッチによって、２つの方向のうちの一方から他方に偏光方向が変わる、すなわち偏光方向が９０度回転してしまうため、射出される偏光光の偏光方向を１つの方向に定めることができない。
【０００７】
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（ＶＣＳＥＬ）を適用すると、偏光スイッチにより面発光レーザーから射出される偏光光の偏光方向が変化してしまい、λ／４板に入射する偏光光の偏光方向が変化してしまうという問題がある。
【０００８】
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る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一定にす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】
【０００９】
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、
偏光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した光が照射され、かつ、前記偏光光の偏光方向に対して偏光透過軸が４５度回転して設けられる偏光素子と、
前記偏光素子を透過した光が照射され、かつ、前記偏光透過軸に対して速軸が４５度回転して設けられるλ／４板と、
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光検出部と、
を含む。
【００１０】
このような光学モジュールによれば、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、偏光素子によってλ／４板に入射する偏光光の偏光方向を一定の方向にすることができる。さらに、偏光素子の偏光透過軸は、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向に対して４５度回転して設けられているため、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、λ／４板に入射する偏光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によれば、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセルに照射される円偏光の回転方向、および光量を一定にすることができる。これにより、例えば原子発振器の周波数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、
前記面発光レーザーから射出される前記偏光光の偏光方向は、第１の方向から前記第１の方向と直交する第２の方向に変化してもよい。
【００１３】
このような光学モジュールによれば、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が第１の方向から第２の方向に変化しても（９０度回転しても）、ガスセルに照射される円偏光の回転方向、および光量を一定にすることができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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、面発光レーザーが射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセルに照射される円偏光の回転方向、および光量を一定にすることができる。これにより、例えば周波数安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】本実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示す図。
【図３】本実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示す図。
【図４】共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図５】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６】参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図。
【図７】参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図。
【図８】本実験例に係る測定系の構成を模式的に示す図。
【図９】偏光素子を通して面発光レーザーのＩ−Ｌ特性を評価した結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
１．光学モジュール
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、偏光素子２０と、λ／４板３０と、ガスセル４０と、光検出部５０と、を含んで構成されている。
【００２１】
図２および図３は、光学モジュール１００の構成を模式的に示す図である。図２は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＹ方向の場合を示し、図３は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＸ方向の場合を示している。図２および図３では、便宜上、光検出部５０の図示を省略している。
【００２２】
なお、図２および図３には、面発光レーザー１０の光軸と一致する軸として、Ｚ軸を図示している。ここで、面発光レーザー１０の光軸とは、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。また、図２および図３には、Ｚ軸に直交し、かつ、互いに直交する軸としてＸ軸およびＹ軸を図示している。
【００２３】
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。面発光レーザー１０は、例えば、シングルモード（単一モード）のＶＣＳＥＬである。
【００２４】
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の比がｂ／ａ≦０．１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。
【００２５】
面発光レーザー１０では、直交する２つの方向の偏光が許容される。そのため、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、この２つの方向のいずれかの方向である。ここで、偏光光の偏光方向とは、直線偏光において、電場の振動方向をいう。また、偏光光の偏光方向とは、実質的に直線偏光とみなせる楕円偏光において、楕円偏光の長軸の方向をいう。図２および図３の例では、面発光レーザー１０では、Ｘ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）の偏光が許容されており、面発光レーザー１０から射出さ
れる偏光光の偏光方向は、Ｘ方向またはＹ方向である。
【００２６】
例えば、面発光レーザー１０が半導体基板として（１００）ＧａＡｓ基板を用いている場合、［０１１］軸方向（例えばＸ方向）、または［０−１１］軸方向（例えばＹ方向）に偏光が許容される。そのため、このような面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、［０１１］軸方向、または［０−１１］軸方向である。
【００２７】
面発光レーザー１０では、外的要因（温度、応力、素子構造の経年変化等）により、射出される偏光光の偏光方向が変化する偏光スイッチが起こる。面発光レーザー１０では、偏光スイッチにより偏光が許容される２つの方向のうちの一方（第１の方向）から他方（第２の方向）に偏光方向が変わる。例えば、面発光レーザー１０において、射出される偏光光の偏光方向がＹ方向のとき（図２参照）に、偏光スイッチがおきると、射出される偏光光の偏光方向はＸ方向に変わる（図３参照）。また、面発光レーザー１０において、射出される偏光光の偏光方向がＸ方向のとき（図３参照）に、偏光スイッチがおきると、射出される偏光光の偏光方向はＹ方向に変わる（図２参照）。
【００２８】
例えば、面発光レーザー１０が半導体基板として（１００）ＧａＡｓ基板を用いている場合、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が［０１１］軸方向のときに、偏光スイッチが起きると、射出される偏光光の偏光方向は［０−１１］軸方向に変わる。また、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が［０−１１］軸方向のときに、偏光スイッチが起きると、射出される偏光光の偏光方向は［０１１］軸方向に変わる。
【００２９】
図４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５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４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。
【００３０】
図５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。
【００３１】
偏光素子２０は、例えば、入射した光から偏光透過軸２０ｔの方向に偏光した光だけを通過させる偏光板である。ここで、偏光透過軸２０ｔとは、光の電場の振動を通過させる軸である。偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向に対して、４５度回転して設けられている。すなわち、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向に対して、光軸まわりに４５度傾いて設けられている。
【００３２】
面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、互いに直交する２つの方向（Ｘ方向、Ｙ方向）のいずれかであるため、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔはこの２つの方向のいずれに対しても４５度の角度をなすように設けられる。例えば、面発光レーザー１０が基板として（１００）ＧａＡｓ基板を用いている場合、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、［０１１］軸方向、および［０−１１］軸方向である。そ
のため、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、［０１１］軸方向および［０−１１］軸方向に対して４５度の角度をなすように設けられる。
【００３３】
図２および図３の例では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、Ｘ方向またはＹ方向である。そのため、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回りに４５度回転して（傾いて）設けられている。すなわち、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、偏光光の進行方向に向かって、Ｘ軸に対して左回りに４５度回転して（傾いて）設けられている。
【００３４】
なお、図示はしないが、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して左回りに４５度回転して（傾いて）設けられていてもよい。
【００３５】
偏光素子２０には、面発光レーザー１０から射出した光が照射される。図２の例では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、Ｙ方向である。そのため、偏光素子２０を透過した光は、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回り（Ｘ軸に対して左回り）に４５度傾いた方向に偏光する偏光光となる。また、図３の例では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、Ｘ方向である。そのため、偏光素子２０を透過した光は、図２の例と同様に、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回り（Ｘ軸に対して左回り）に４５度傾いた方向に偏光する偏光光となる。
【００３６】
このように、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が９０度回転しても（すなわち、偏光方向がＹ方向からＸ方向に変わっても）、偏光素子２０を透過した光は、同じ偏光方向の偏光光となる。
【００３７】
また、面発光レーザー１０から射出される偏光光の光量が同じ場合に、偏光素子２０を透過した光の光量（透過光量）は、偏光素子２０に入射した偏光光の偏光方向がＹ方向の場合（図２の場合）も、偏光素子２０に入射した偏光光の偏光方向がＸ方向の場合（図３の場合）も、同じとなる。これは、図４の場合も図５の場合も、偏光素子２０に入射する偏光光の偏光方向（Ｘ方向またはＹ方向）と、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔとがなす角度が、同じ角度（４５度）であるためである。
【００３８】
なお、偏光素子２０を透過した光の光量は、偏光素子２０に入射したときの光の光量と比べて、減少する（例えば約１／２になる）。しかしながら、偏光素子２０での光量の減少は、原子発振器１の動作に影響を与えない。
【００３９】
λ／４板３０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３０では、速軸３０ｆに対して４５度傾いた方向を偏光方向とする偏光光が入射すると、当該偏光光を円偏光に変換する。ここで、速軸（高速軸）３０ｆ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。λ／４板３０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。
【００４０】
λ／４板３０には、偏光素子２０を透過した光が照射される。すなわち、λ／４板３０には、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔの方向に偏光している光（偏光透過軸２０ｔの方向を偏光方向とする偏光光）が照射される。
【００４１】
λ／４板３０は、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔに対して速軸３０ｆが４５度回転して設けられている。すなわち、λ／４板３０の速軸３０ｆは、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔに対して、光軸まわりに４５度傾いて設けられている。これにより、λ／４板３０に入射する偏光光の偏光方向は、λ／４板３０の速軸３０ｆに対して４５度傾いた角度に
なる。そのため、λ／４板３０に入射した偏光光（直線偏光）は、円偏光に変換される。
【００４２】
図２および図３の例では、λ／４板３０には、偏光光の進行方向に向かって、Ｙ軸に対して右回り（Ｘ軸に対して左回り）に４５度傾いた方向に偏光する偏光光が入射する。λ／４板３０の速軸３０ｆは、Ｘ軸に平行に設けられている。そのため、λ／４板３０の速軸３０ｆと入射する偏光光の偏光方向とが４５度の角度をなし、入射した偏光光はλ／４板３０で円偏光に変換される。より具体的には、λ／４板３０に入射した偏光光は、λ／４板３０で回転方向が右回りの円偏光、すなわち右円偏光に変換される。ここで、円偏光の回転方向とは、光の電場の振動ベクトルの先端が円運動する円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く円を光の進行方向からみたときの回転方向（右回り、左回り）をいう。したがって、右円偏光とは、光の電場の振動ベクトルの先端が円運動する円偏光において、この振動ベクトルの先端が描く円が光の進行方向からみたときに右回りにまわる円偏光をいう。
【００４３】
なお、ここでは、λ／４板３０が入射した偏光光を右円偏光に変換する場合について説明したが、λ／４板３０が入射した偏光光を左円偏光に変換してもよい。すなわち、例えば、図２および図３の例において、λ／４板３０の速軸３０ｆをＹ軸に平行に設けてもよい。
【００４４】
ガスセル４０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４０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４０には、λ／４板３０を透過した光（円偏光）が照射される。これにより、ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができる。また、光学モジュール１００では、上述のように、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向および光量を一定にすることができる。
【００４６】
光検出部５０は、ガスセル４０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。光検出部５０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５０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【００４７】
中心波長制御部２は、光検出部５０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４０、光検出部５０、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。
【００４８】
高周波制御部４は、光検出部５０が出力する検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル４０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、光検出部５０が出力する検出結果に応じた変調周波数ｆm（図４参照）を有する変調信号を発生させる。
【００４９】
面発光レーザー１０、ガスセル４０、光検出部５０、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。
【００５０】
２．  光学モジュールの動作
次に、光学モジュール１００の動作について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００５１】
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２０に入射する。ここで、偏光素子２０では、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向に対して偏光透過軸２０ｔが４５度回転して設けられている。そのため、図２および図３に示すように、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、偏光素子２０を透過した偏光光の偏光方向、およびその光量は一定となる。
【００５２】
偏光素子２０を透過した偏光光は、λ／４板３０に入射する。λ／４板３０は、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔに対して速軸３０ｆが４５度回転して設けられている。そのため、λ／４板３０を透過した偏光光（直線偏光）は、円偏光となる。光学モジュール１００では、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、λ／４板３０に入射する偏光光の偏光方向、およびその光量が一定であるため、ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向および光量を一定にすることができる。
【００５３】
λ／４板３０を透過した光（円偏光）は、ガスセル４０に入射する。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４０を透過した光の強度は光検出部５０で検出される。
【００５４】
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。
【００５５】
３．  光学モジュールの特徴
本実施形態に係る光学モジュール１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５６】
光学モジュール１００では、偏光光を射出する面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０から射出した光が照射され、かつ、偏光光の偏光方向に対して偏光透過軸２０ｔが４５度回転して設けられる偏光素子２０と、偏光素子２０を透過した光が照射され、かつ、偏光透過軸２０ｔに対して速軸３０ｆが４５度回転して設けられるλ／４板３０と、を含む。これにより、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、偏光素子２０によってλ／４板３０に入射する偏光光の偏光方向を一定の方向にすることができる。したがって、ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向を一定にすることができる。以下、この効果について説明する。
【００５７】
図６および図７は、参考例に係る光学モジュールの構成を説明するための図である。参考例に係る光学モジュールでは、偏光素子２０を配置せずに、面発光レーザー１０から射出された光を直接λ／４板３０に入射する。図６は、面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向がＹ方向の場合を図示しており、図７は、面発光レーザー１０から射出
された偏光光の偏光方向がＸ方向の場合を図示している。なお、図６および図７には、面発光レーザー１０の光軸と一致する軸として、Ｚ軸を図示している。また、図６および図７には、Ｚ軸に直交し、かつ、互いに直交する軸としてＸ軸およびＹ軸を図示している。
【００５８】
図６に示すように、面発光レーザー１０から集出する偏光光の偏光方向がＹ方向の場合、λ／４板３０を透過した光は、円偏光の回転方向が右回りの右円偏光となる。また、図７に示すように、面発光レーザー１０から集出する偏光光の偏光方向がＸ方向の場合、λ／４板３０を透過した光は、円偏光の回転方向が左回りの左円偏光となる。
【００５９】
このように、参考例に係る光学モジュールでは、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転すると、ガスセル４０に入射する円偏光の回転方向が変わってしまう。ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向が変化すると（右回りから左回り、または左回りから右回りに変化すると）、例えば、この円偏光の回転方向の変化に伴うアルカリ金属原子のポピュレーションの変化により、瞬間的にＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比が変化して、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。
【００６０】
これに対して、光学モジュール１００によれば、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向を一定にすることができる。したがって、光学モジュール１００によれば、上述した問題が生じないため、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００６１】
さらに、光学モジュール１００では、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向に対して４５度回転して設けられているため、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、λ／４板３０に入射する偏光光の光量を一定にすることができる。これにより、λ／４板３０を透過してガスセル４０に照射される光（円偏光）の光量を一定にすることができる。
【００６２】
例えば、ガスセル４０に照射される光の光量が変化すると、ＡＣシュタルク効果により、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化して、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。
【００６３】
光学モジュール１００では、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセル４０に照射される光の光量を一定にすることができるため、上述した問題が生じず、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００６４】
このように、光学モジュール１００によれば、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、ガスセル４０に照射される円偏光の回転方向、およびその光量を一定にすることができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
【００６５】
さらに、光学モジュール１００では、面発光レーザー１０から射出される偏光光を、偏光透過軸２０ｔが当該偏光光の偏光方向に対して４５度回転した偏光素子２０を通して、λ／４板３０に入射していることにより、面発光レーザー１０が射出する偏光光の偏光方向が９０度回転しても、偏光素子２０を通した面発光レーザー１０において、良好なＩ−Ｌ特性（駆動電流対光出力特性）を得ることができる（下記実験例参照）。
【００６６】
なお、上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。
【００６７】
例えば、上述した実施形態では、偏光素子２０が面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向に対して４５度回転した偏光透過軸２０ｔを有する場合について説明したが、偏光素子２０は面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向に対して４４度
以上４６度以下の範囲で回転した偏光透過軸２０ｔを有していてもよい。すなわち、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔと面発光レーザー１０から射出された偏光光の偏光方向とがなす角度が４４度以上４６度以下の範囲であってもよい。このような場合において、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏向方向が９０度回転しても、例えば面発光レーザー１０から射出された偏光光が直接λ／４板３０に入射する場合と比べて、λ／４板３０に入射する偏光光の光量の変化を小さくすることができる。
【００６８】
また、例えば、上述した実施形態では、λ／４板３０の速軸３０ｆが偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔに対して４５度回転して設けられる場合について説明したが、λ／４板３０の速軸３０ｆは偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔに対して４４度以上４６度以下の範囲で回転して設けられていてもよい。すなわち、λ／４板３０の速軸３０ｆと偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔとがなす角度が４４度以上４６度以下の範囲であってもよい。このような場合においても、λ／４板３０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。
【００６９】
３．  実験例
以下に、実験例を示し、本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
【００７０】
（１）測定系の構成
図８は、本実験例に係る測定系１０００の構成を模式的に示す図である。図８に示すように、本実験例の測定系１０００は、面発光レーザー１０と、偏光素子２０と、光検出部５０と、を含む。
【００７１】
本実験例では、面発光レーザー１０から射出された光を偏光素子２０に入射させ、偏光素子２０を透過した光の光量を光検出部５０で検出してＩ−Ｌ特性（駆動電流対光出力特性）を評価した。すなわち、偏光素子２０を通して面発光レーザー１０のＩ−Ｌ特性を評価した。なお、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向は、Ｘ方向またはＹ方向とした。また、偏光素子２０の偏光透過軸２０ｔは可変とし、偏光透過軸２０ｔとＸ軸とがなす角度θが０度の場合、４５度の場合、９０度の場合について評価を行った。
【００７２】
また、参考例として、図８に示す測定系１０００から偏光素子２０を除いて面発光レーザー１０から射出された光の光量を直接光検出部５０で検出した場合について評価を行った。
【００７３】
（２）結果
図９は、偏光素子２０を通して面発光レーザー１０のＩ−Ｌ特性を評価した結果を示すグラフである。図９に示すグラフの横軸は面発光レーザー１０の駆動電流ＩＦであり、縦軸は光出力（光検出部５０で検出された光の強度）Ｐ0である。図９では、角度θが０度の場合の結果（θ＝０ｄｅｇ）を点線で示し、角度θが４５度の場合の結果（θ＝４５ｄｅｇ）を実線で示し、角度θが９０度の場合の結果（θ＝９０ｄｅｇ）を一点鎖線で示し、面発光レーザー１０から射出された光を直接光検出部５０で測定した場合の結果（ｗ／ｏ．ｐｏｌ）を破線で示している。
【００７４】
図９に示すように、駆動電流ＩＦが０．３ｍＡ〜０．９ｍＡの範囲において、θ＝０ｄｅｇでは光がほとんど検出されず、θ＝９０ｄｅｇではｗ／ｏ．ｐｏｌの強度Ｐ0と同程度の強度Ｐ0が検出されている。すなわち、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏向方向は、Ｙ方向である。なお、このときのｗ／ｏ．ｐｏｌの強度Ｐ0とθ＝９０ｄｅｇとの強度Ｐ0の差は、偏光素子２０の透過率に対応する。
【００７５】
駆動電流ＩＦが１ｍＡ以上では、θ＝９０ｄｅｇでは光がほとんど検出されず、θ＝０ｄｅｇではｗ／ｏ．ｐｏｌの強度Ｐ0と同程度の強度Ｐ0が検出されている。すなわち、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏向方向は、Ｘ方向である。なお、このときのｗ／ｏ．ｐｏｌの強度Ｐ0とθ＝０ｄｅｇとの強度Ｐ0の差は、偏光素子２０の透過率に対応する。
【００７６】
ここで、駆動電流ＩＦが０．９ｍＡ付近において、θ＝０ｄｅｇとθ＝９０ｄｅｇが交差している。すなわち、偏光スイッチが起こり、面発光レーザー１０から射出される偏光方向が変化している。
【００７７】
このように、θ＝０ｄｅｇおよびθ＝９０ｄｅｇでは、偏光スイッチ（駆動電流ＩＦ＝０．９ｍＡ付近）の前後で光の強度Ｐ0が大きく変化していることがわかる。
【００７８】
これに対して、θ＝４５ｄｅｇでは、偏光スイッチ（駆動電流ＩＦ＝０．９ｍＡ付近）の前後においても連続した直線であり、駆動電流ＩＦが０．３ｍＡ〜２ｍＡの範囲において、強度Ｐ0は駆動電流ＩＦにほぼ比例して増加していることがわかった。このようにθ＝４５ｄｅｇの偏光素子２０を通した面発光レーザー１０のＩ−Ｌ特性は、偏光スイッチの影響を受けないことがわかった。
【００７９】
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】
【００８０】
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…偏光素子、２０ｔ…偏光透過軸、３０…λ／４板、３０ｆ…速軸、４０…ガスセル、５０…光検出部、１００…光学モジュール、１０００…測定系
【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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