(57)【要約】【課題】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】光学モジュール１００は、面発光レーザー１０と、面発光レーザー１０からの光が入射するλ／４板２０と、λ／４板２０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光検出部４０と、λ／４板２０の後段に位置し、入射した光を分岐する光分岐部５０と、光分岐部５０にて分岐された光が入射するλ／４板６０と、λ／４板６０を透過した光が入射され、λ／４板６０の速軸に対して４５度回転した透過軸を有する偏光フィルター７０と、偏光フィルター７０を透過した光の強度を検出する光検出部８０と、面発光レーザー１０およびλ／４板２０の少なくとも一方を光軸周りに回転させる駆動部９０と、光検出部８０で検出した光量に応じて、駆動部９０を動作させる制御部９２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した光が入射する第１のλ／４板と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記第１の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、
前記第１のλ／４板の後段の光軸上に位置し、入射した光を分岐する光分岐部と、
前記光分岐部にて分岐された光が入射する第２のλ／４板と、
前記第２のλ／４板を透過した光が入射され、前記第２のλ／４板の速軸に対して４５度回転した透過軸を有する偏光フィルターと、
前記偏光フィルターを透過した光の強度を検出する第２光検出部と、
前記面発光レーザーおよび前記第１のλ／４板の少なくとも一方を光軸周りに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】
前記光分岐部は、前記第１のλ／４板と前記ガスセルとの間の光軸上に設けられる、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】
前記光分岐部は、前記ガスセルと前記第１光検出部との間の光軸上に設けられる、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４】
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動作させる、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】
前記制御部は、前記第２光検出部で検出される光の光量が最大となるように前記駆動部を動作させる、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６】
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５のいずれか１項に記載の光学モジュール。
【請求項７】
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、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した光が入射する第１のλ／４板と、
アルカリ金属ガスが封入され、かつ、前記第１の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、
前記第１のλ／４板の後段の光軸上に位置し、入射した光を分岐する光分岐部と、
前記光分岐部にて分岐された光が入射する第２のλ／４板と、
前記第２のλ／４板を透過した光が入射され、前記第２のλ／４板の速軸に対して４５度回転した透過軸を有する偏光フィルターと、
前記偏光フィルターを透過した光の強度を検出する第２光検出部と、
前記面発光レーザーおよび前記第１のλ／４板の少なくとも一方を光軸周りに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面発光レーザーまたは第１のλ／４板を光軸まわりに回転させることにより、第１のλ／４板に入射する偏光光の偏光方向を第１のλ／４板に対して一定の方向にすることができる。これにより、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、原子発振器の安定性を高めることができる。
【００１０】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記光分岐部は、前記第１のλ／４板と前記ガスセルとの間の光軸上に設けられていてもよい。
【００１１】
このような光学モジュールでは、光分岐部は、第１のλ／４板とガスセルとの間の光軸上に設けられるため、第２光検出部はガスセルに起因する光量の変化の影響を受けない。そのため、制御部が駆動部を正確に制御することができる。
【００１２】
例えば、光分岐部がガスセルと第１光検出部との間に設けられた場合、ガスセル（例えばＥＩＴ現象）に起因してガスセルを通過する光の光量が変化すると第２光検出部はこのガスセルに起因する光量の変化を検出してしまう。そのため、制御部が駆動部を正確に制御できないという問題が生じる。これに対して、上記の光学モジュールでは、第２光検出部はガスセルに起因する光量の変化の影響を受けないため、このような問題が生じない。
【００１３】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記光分岐部は、前記ガスセルと前記第１光検出部との間の光軸上に設けられてもよい。
【００１４】
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面発光レーザーまたは第１のλ／４板を光軸まわりに回転させることにより、第１のλ／４板に対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。これにより、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、原子発振器の安定性を高めることができる。
【００１５】
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動作させてもよい。
【００１６】
このような光学モジュールでは、制御部は、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、第１のλ／４板に入射する偏光光の偏光方向が第１のλ／４板に対して一定の方向になるように駆動部を制御することができる。
【００１７】
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大となるように前記駆動部を動作させてもよい。
【００１８】
このような光学モジュールでは、制御部は、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、第１のλ／４板に入射する偏光光の偏光方向が第１のλ／４板に対して一定の方向になるように駆動部を制御することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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】
【００２２】
【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面発光レーザーおよび駆動部を模式的に示す平面図。
【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駆動部を模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係る光学モジュールの光の経路を説明するための図。
【図７】本実施形態に係る光学モジュールの光の経路を説明するための図。
【図８】第１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。
【図９】第１変形例に係る光学モジュールのλ／４板および駆動部を模式的に示す図。
【図１０】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。
【図１１】第３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】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、λ／４板（第１のλ／４板）２０と、ガスセル３０と、第１光検出部４０と、光分岐部５０と、λ／４板（第２のλ／４板）６０と、偏光フィルター７０と、第２光検出部８０と、駆動部９０と、制御部９２と、を含んで構成されている。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、後述するように、制御部９２が駆動部９０を動作させて面発光レーザー１０を光軸まわりに回転させることにより、面発光レーザー１０から射出されてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）にすることができる。ここで、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（図４および図５の光軸Ａ参照）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
λ／４板２０には、面発光レーザー１０から射出された光が入射する。λ／４板２０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２０は、面発光レーザー１０から射出された偏光光（直線偏光）を、円偏光に変換する。λ／４板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
（直線偏光の振動方向）に対して、速軸が４５°の角度となるように配置されている。そのため、面発光レーザー１０から射出された偏光光（直線偏光）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。λ／４板２０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。
【００３３】
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。
【００３４】
ガスセル３０には、λ／４板２０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から射出された偏光光（直線偏光）をλ／４板２０で円偏光に変換して、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。
【００３５】
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量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。
【００３６】
光分岐部５０は、λ／４板２０の後段の光軸上に位置している。ここで、後段とは、光の進行方向（流れ）における下流側を意味している。光分岐部５０は、図示の例では、λ／４板２０とガスセル３０との間に位置している。光分岐部５０は、入射した光を分岐する。図示の例では、光分岐部５０は、入射した光のうちの一部を透過させ、入射した光のうちの一部を反射させることにより、入射した光を分岐している。光分岐部５０は、入射した光を、ガスセル３０に入射する光とλ／４板６０に入射する光とに分岐する。光分岐部５０は、例えば、ハーフミラーである。
【００３７】
なお、光分岐部５０は、偏光状態は変化させない。すなわち、光分岐部５０で分岐されてガスセル３０に入射する光、およびλ／４板６０に入射する光は、ともに円偏光である。
【００３８】
光学モジュール１００では、λ／４板２０を透過した光は、光分岐部５０が分岐させることにより、２つの経路（経路Ｒ１、経路Ｒ２）に分かれる。経路Ｒ１は、光分岐部５０で分岐されてからガスセル３０を通り第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、光分岐部５０で分岐されてから、λ／４板６０、偏光フィルター７０を通って第２光検出部８０で検出されるまでの光の経路である。経路Ｒ２は、後述するように、λ／４板２０を透過した光の偏光状態、すなわちガスセル３０に入射する光の偏光状態をモニターするための光の経路である。
【００３９】
λ／４板６０には、光分岐部５０で分岐された光が入射する。λ／４板６０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６０は、光分岐部５０で分岐された光（円偏光）を、直線偏光に変換する。λ／４板６０は、例えば、λ／４板２０で直線偏光から円偏光に変換された光を、可逆的に円偏光から直線偏光に変換する。λ／４板６０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】
偏光フィルター７０には、λ／４板６０を透過した光が入射する。偏光フィルター７０は、λ／４板６０の速軸に対して、４５°回転した透過軸を有する偏光板である。透過軸とは、光の電場の振動を通過させる軸であり、光の電場の振動方向と透過軸とが一致している場合には光は通過し、光の電場の振動方向と透過軸とが直交している場合には光は通過できない。偏光フィルター７０は、λ／４板６０を透過した偏光光（直線偏光）を通さないように設定されている。すなわち、偏光フィルター７０では、偏光フィルター７０の透過軸とλ／４板６０を透過した偏光光の偏光方向とが垂直となるように透過軸が設定されている。
【００４１】
第２光検出部８０は、偏光フィルター７０を透過した光の強度を検出する。第２光検出部８０は、偏光フィルター７０を透過した光の強度に応じた検出信号を出力する。第２光検出部８０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８０の検出信号は、制御部９２に出力される。
【００４２】
駆動部９０は、面発光レーザー１０を光軸周りに回転させる。これにより、面発光レーザー１０から射出されてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向を変えることができる。駆動部９０は、制御部９２によって、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２０に入射する偏光光の偏光方向がλ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）になるように制御される。駆動部９０の具体的な構成については後述する。
【００４３】
制御部９２は、第２光検出部８０で検出した光の光量に応じて、駆動部９０を動作させる。具体的には、制御部９２は、第２光検出部８０で検出される光の光量が最小となるように駆動部９０を動作させる。
【００４４】
具体的には、制御部９２は、例えば、駆動部９０を動作させて面発光レーザー１０を光軸まわりに回転させてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向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の光量が最小となったところで駆動部９０の動作を止める。これにより、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化しても、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向がλ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）になるように制御することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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および第２側帯波Ｗ２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。
【００４７】
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。
【００４８】
２．  面発光レーザーおよび駆動部の構成
次に、面発光レーザー１０および駆動部９０の構成の一例について、図面を参照しながら説明する。図４は、面発光レーザー１０および駆動部９０を模式的に示す平面図である。図５は、面発光レーザー１０および駆動部９０を模式的に示す断面図であり、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００４９】
面発光レーザー１０は、図４および図５に示すように、半導体積層体１１と、電極１２ａ，１２ｂと、支持基板１６と、を含んで構成されている。
【００５０】
半導体積層体１１は、例えば、第１半導体多層膜ミラーと、第２半導体多層膜ミラーと、第１および第２半導体多層膜ミラーに挟まれた活性層と、を含んで構成されている。この第１および第２半導体多層膜ミラーと活性層により、垂直共振器が構成される。
【００５１】
電極１２ａ，１２ｂは、半導体積層体１１の表面に設けられている。電極１２ａ，１２ｂに駆動信号が供給されると、活性層において光が発生する。そして、面発光レーザー１０は、射出面１３から光を射出する。
【００５２】
支持基板１６は、半導体積層体１１を支持している。支持基板１６には、電極１２ａ，１２ｂに駆動信号（中心波長制御部２の出力信号および高周波制御部４の出力信号）を供給するための端子１４ａ，１４ｂが設けられている。端子１４ａと電極１２ａとは配線ワイヤー１５ａによって接続されている。端子１４ｂと電極１２ｂとは配線ワイヤー１５ｂによって接続されている。支持基板１６の形状は、例えば、円盤状である。
【００５３】
面発光レーザー１０は、図示の例では、ステム１７に実装されている。
【００５４】
ステム１７は、支持基板１６を支持している。ステム１７には、端子１４ａが挿入される溝１８ａと、端子１４ｂが挿入される溝１８ｂとが設けられている。溝１８ａ，１８ｂは、図４に示すように平面視において、射出面１３から射出される光の光軸Ａを中心とする同心円状に設けられている。溝１８ａの内面には外部電極１９ａが設けられ、溝１８ｂの内面には外部電極１９ｂが設けられている。中心波長制御部２および高周波制御部４で生成された駆動信号は、外部電極１９ａ，１９ｂ、端子１４ａ，１４ｂ、配線ワイヤー１５ａ，１５ｂを介して電極１２ａ，１２ｂに供給される。溝１８ａ，１８ｂに端子１４ａ，１４ｂが挿入されていることにより、面発光レーザー１０が回転しても、電極１２ａ，１２ｂに駆動信号を供給することができる。
【００５５】
ステム１７は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂｅ、Ａｕや、これらの化合物（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯなど）や合金（例えばＣｕＭｏなど）などからなる。また、これらの例示を組み合わせたもの、例えば銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層の多層構造などから、ステム１７を構成することもできる。
【００５６】
駆動部９０は、モーター９１を含んで構成されている。モーター９１は、例えば、ステップモーター（ステッピングモーター）である。モーター９１は、制御部９２によって制御される。モーター９１は、軸部材９１ａを回転させる。
【００５７】
軸部材９１ａは、ステム１７を貫通する貫通孔を通って、支持基板１６に接続されている。軸部材９１ａは、平面視で光軸Ａと重なるように配置される。そのため、モーター９１の動作により軸部材９１ａが回転することで、面発光レーザー１０が光軸Ａ周りに回転する。これにより、面発光レーザー１０から射出される偏光光の偏光方向を変える（偏光面を回転させる）ことができる。
【００５８】
３．  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、λ／４板２０に入射し、円偏光に変換される。λ／４板２０を透過した光（円偏光）は、光分岐部５０で、光分岐部５０を透過する光と、光分岐部５０で反射される光と、に分かれる。なお、光分岐部５０は、偏光状態に影響を与えない。そのため、光分岐部５０を透過する光、および光分岐部５０で反射される光は、ともに円偏光である。
【００６０】
光分岐部５０で分岐された光は、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。
【００６１】
まず、経路Ｒ１について説明する。
【００６２】
光分岐部５０を透過した光（円偏光）は、ガスセル３０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３０を透過した光の強度は第１光検出部４０で検出される。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、経路Ｒ２について説明する。図６および図７は、経路Ｒ２を説明するための図である。なお、図６および図７では、互いに直交する軸として、Ｘ軸、Ｙ軸を図示している。
【００６５】
光分岐部５０で反射された光（円偏光）は、図６に示すように、λ／４板６０で偏光光（直線偏光）に変換される。λ／４板６０では、速軸６０ｆとＹ軸とがなす角度は４５°である。図６の例では、λ／４板６０を透過した光は、Ｘ方向に偏光している（電場の振動方向がＸ方向）である。
【００６６】
λ／４板６０を透過した偏光光（Ｘ方向に偏光した光）は、偏光フィルター７０に入射する。偏光フィルター７０の透過軸は、図示の例では、Ｙ方向である。そのため、偏光フィルター７０に入射した偏光光（Ｘ方向に偏光する光）は、偏光フィルター７０を通過できない。したがって、第２光検出部８０では、光が検出されない。
【００６７】
ここで、図６に示した状態から、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（偏光面が回転する）と、λ／４板２０では楕円偏光に変換される（ただし図６に示す状態から偏光方向が９０°回転したときを除く）。このとき、図７に示すように、光分岐部５０で反射された光（楕円偏光）は、λ／４板６０で直線偏光に変換されるが、偏光方向は図６に示す場合と異なる方向（Ｘ方向ではない方向）となる。そのため、偏光フィルター７０に入射した光の一部は、偏光フィルター７０を通過する。したがって、図６に示す場合と異なり、第２光検出部８０では、光が検出される。
【００６８】
このように、第２光検出部８０では、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向に応じた光量が検出される。図示の例では、第２光検出部８０では、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向の、λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向に対するずれの大きさに応じた光量が検出される。すなわち、第２光検出部８０では、λ／４板２０を透過した光の円偏光成分の割合に応じた光量が検出される。
【００６９】
制御部９２は、第２光検出部８０で検出される光の光量が最小となるように駆動部９０を動作させる。これにより、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向にすることができる。すなわち、λ／４板２０を透過した光を円偏光の光にすることができる。
【００７０】
制御部９２の処理の一例について具体的に説明する。制御部９２は、第２光検出部８０が出力する検出信号の強度が設定値よりも大きくなると駆動部９０を動作させて面発光レーザー１０を回転させる。ここで、設定値は、偏光フィルター７０の透過軸とλ／４板６０を透過した偏光光の偏光方向とが垂直の場合（図６の場合）に、第２光検出部８０が出力する検出信号の強度である。すなわち、設定値は、当該検出信号の最小値（例えば０）である。そして、制御部９２は、第２光検出部８０が出力する検出信号の強度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９０を動作させて面発光レーザー１０を回転させる。そして、制御部９２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。
【００７１】
なお、制御部９２は、第２光検出部８０が出力する検出信号の強度をモニターしながら面発光レーザー１０を回転させる際に、面発光レーザー１０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、面発光レーザー１０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。
【００７２】
４．  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。
【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から射出した光が入射するλ／４板２０と、λ／４板２０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、λ／４板２０の後段の光軸上に位置し、入射した光を分岐する光分岐部５０と、光分岐部５０にて分岐された光が入射するλ／４板６０と、λ／４板６０を透過した光が入射され、λ／４板６０の速軸に対して４５度回転した透過軸を有する偏光フィルター７０と、偏光フィルター７０を透過した光の強度を検出する第２光検出部８０と、面発光レーザー１０を光軸周りに回転させる駆動部９０と、第２光検出部８０で検出した光量に応じて、駆動部９０を動作させる制御部９２と、を含む。これにより、面発光レーザー１０で偏光光の偏光方向が変化しても、制御部９２が駆動部９０を動作させて面発光レーザー１０を光軸まわりに回転させることにより、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向にすることができる。
【００７４】
すなわち、光学モジュール１００では、面発光レーザー１０で偏光光の偏光方向が変化しても、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向にすることができる。これにより、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。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。
【００７５】
光学モジュール１００では、光分岐部５０は、λ／４板２０とガスセル３０との間の光
軸上に設けられるため、第２光検出部８０はガスセル３０に起因する光量の変化の影響を受けない。これにより、制御部９２が駆動部９０を正確に制御することができる。
【００７６】
例えば、光分岐部５０がガスセル３０と第１光検出部４０との間に設けられた場合（図１１参照）、ガスセル３０（例えばＥＩＴ現象）に起因してガスセル３０を通過する光の光量が変化すると第２光検出部８０はこのガスセル３０に起因する光量の変化を検出してしまう。これにより、制御部９２が駆動部９０を正確に制御できないという問題が生じる。これに対して、光学モジュール１００では、第２光検出部８０はガスセル３０に起因する光量の変化の影響を受けないため、このような問題が生じない。
【００７７】
光学モジュール１００では、制御部９２は、第２光検出部８０で検出される光の光量が最小となるように駆動部９０を動作させる。これにより、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化しても、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向がλ／４板２０に対して一定の方向になるように駆動部９０を制御することができる。
【００７８】
５．  変形例
次に、本実施形態に係る光学モジュールの変形例について説明する。以下に説明する変形例に係る光学モジュール（光学モジュール２００，３００，４００）において、上述した光学モジュール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。
【００７９】
（１）第１変形例
まず、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８は、第１変形例に係る光学モジュール２００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。
【００８０】
上述した光学モジュール１００では、図１に示すように、駆動部９０が面発光レーザー１０を光軸まわりに回転させて、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）にしていた。
【００８１】
これに対して、光学モジュール２００では、図８に示すように、駆動部９０がλ／４板２０を回転させて、λ／４板２０に入射する光を、λ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）にする。
【００８２】
図９は、λ／４板２０および駆動部９０を模式的に示す図である。
【００８３】
λ／４板２０の縁部には歯車の歯が設けられている。すなわち、λ／４板２０は、歯車（平歯車）を構成している。λ／４板２０の回転軸は、例えば、λ／４板２０の中心を通っており、光軸Ａと一致している。これにより、λ／４板２０は、光軸Ａ周りに回転する。λ／４板２０の回転に伴い、λ／４板２０の速軸２０ｆが回転する。
【００８４】
駆動部９０は、λ／４板２０に動力を伝達する歯車２１０を含んで構成されている。駆動部９０は、モーター（図示せず）で歯車２１０を回転させて、λ／４板２０を光軸Ａ周りに回転させる。駆動部９０は、制御部９２によって制御される。なお、制御部９２による駆動部９０の制御方法は、上述した光学モジュール１００と同様であり、その説明を省略する。
【００８５】
光学モジュール２００では、制御部９２が駆動部９０を動作させてλ／４板２０を回転させることにより、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向（λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向）にすることができる。これに
より、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。したがって、光学モジュール２００では、光学モジュール１００と同様に原子発振器１の安定性を高めることができる。なお、図示はしないが、駆動部９０がλ／４板２０と面発光レーザー１０の両方を動作させてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向にしてもよい。
【００８６】
（２）第２変形例
次に、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１０は、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、制御部９２は、第２光検出部８０で検出される光の光量が最小となるように駆動部９０を動作させていた。
【００８８】
これに対して、光学モジュール３００では、図１０に示すように、制御部９２は、第２光検出部８０で検出される光の光量が最大となるように駆動部９０を動作させる。
【００８９】
ここで、第２光検出部８０で検出される光の光量が最大となる場合は、λ／４板６０を透過した偏光光の偏光方向と偏光フィルター７０の透過軸とが一致する場合である。このとき、面発光レーザー１０から射出されてλ／４板２０に入射する偏光光の偏向方向は、λ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向である。そのため、λ／４板２０に入射する偏光光は、λ／４板２０で円偏光に変換される。
【００９０】
このように、制御部９２が、第２光検出部８０で検出される光の光量が最大となるように駆動部９０を動作させた場合でも、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向がλ／４板２０の速軸に対して４５°傾いた方向とすることができる。
【００９１】
なお、光学モジュール３００においてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向は、図１に示す光学モジュール１００においてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向に対して９０°傾いた方向となる。そのため、光学モジュール３００においてλ／４板２０を透過した円偏光の光の回転方向と、図１に示す光学モジュール１００においてλ／４板２０を透過した円偏光の光の回転方向とは、逆の方向となる。
【００９２】
光学モジュール３００における制御部９２の処理は、上述した光学モジュール１００における制御部９２の処理と、設定値を第２光検出部８０が出力する検出信号の強度の最大値とする点を除いて同様であり、その説明を省略する。
【００９３】
光学モジュール３００では、制御部９２が第２光検出部８０で検出される光の光量が最大となるように駆動部９０を動作させることにより、面発光レーザー１０において偏光光の偏光方向が変化しても、λ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向にすることができる。したがって、光学モジュール３００によれば、上述した光学モジュール１００と同様の作用効果を奏することができる。
【００９４】
（３）第３変形例
次に、第３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１１は、第３変形例に係る光学モジュール４００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。
【００９５】
上述した光学モジュール１００では、図１に示すように、光分岐部５０は、λ／４板２
０とガスセル３０との間の光軸上に設けられていた。
【００９６】
これに対して、光学モジュール４００では、図１１に示すように、光分岐部５０は、ガスセル３０と第１光検出部４０との間の光軸上に設けられる。
【００９７】
光学モジュール４００では、経路Ｒ１は、光分岐部５０で分岐されてから第１光検出部４０で検出されるまでの光の経路である。経路Ｒ２は、光分岐部５０で分岐されてから、λ／４板６０、偏光フィルター７０を通って第２光検出部８０で検出されるまでの光の経路である。
【００９８】
光学モジュール４００では、上述した光学モジュール１００と同様に、面発光レーザー１０で偏光光の偏光方向が変化しても、制御部９２が駆動部９０を動作させて面発光レーザー１０を光軸まわりに回転させることにより、面発光レーザー１０から射出されてλ／４板２０に入射する偏光光の偏光方向をλ／４板２０に対して一定の方向にすることができる。したがって、光学モジュール４００では、原子発振器１の安定性を高めることができる。
【００９９】
なお、光学モジュール４００において、上述した光学モジュール２００，３００を組み合わせることもできる。例えば、光学モジュール４００において、上述の光学モジュール２００同様に、駆動部９０がλ／４板２０を回転させてもよい。また、光学モジュール４００において、上述の光学モジュール３００同様に、第２光検出部８０で検出される光量が最大となるように駆動部９０を駆動させてもよい。
【０１００】
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、上述した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。
【０１０１】
なお、例えば、上述した実施形態では、偏光フィルター７０がλ／４板６０の速軸に対して４５度回転した透過軸を有する場合について説明したが、偏光フィルター７０は、λ／４板６０の速軸に対して４４度以上４６度以下の範囲で回転した透過軸を有していてもよい。すなわち、偏光フィルター７０の透過軸とλ／４板６０の速軸とがなす角度が４４度以上４６度以下の範囲であってもよい。このような場合でも、λ／４板２０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。したがって、原子発振器１の安定性を高めることができる。
【０１０２】
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】
【０１０３】
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、１１…半導体積層体、１２ａ，１２ｂ…電極、１３…射出面、１４ａ，１４ｂ…端子、１５ａ，１５ｂ…配線ワイヤー、１６…支持基板、１７…ステム、１８ａ，１８ｂ…溝、１９ａ，１９ｂ…外部電極、２０…λ／４板、２０ｆ…速軸、３０…ガスセル、４０…第１光検出部、５０…光分岐部、６０…λ／４板、６０ｆ…速軸、７０…偏光フィルター、８０…
第２光検出部、９０…駆動部、９１…モーター、９１ａ…軸部材、９２…制御部、１００，２００…光学モジュール、２１０…歯車、３００，４００…光学モジュール
【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】
2015079886.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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