(57)【要約】【課題】周波数安定度の高い原子発振器を得ることが可能な光学モジュールを提供する。【解決手段】光学モジュール２は、量子干渉効果を利用する原子発振器１の光学モジュールであって、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる光源１０と、第１光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して透過することによって、第２光Ｌ２を射出する波長選択手段２０と、アルカリ金属ガスを封入し、第２光Ｌ２が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する光検出手段４０と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、
中心波長を有する基本波と、前記基本波の強度よりも小さい強度を有し、かつ、互いに異なる波長を有する前記中心波長の第１側帯波および第２側帯波と、を含む第１光を発生させる光源と、
前記第１光が入射され、前記第１側帯波および前記第２側帯波と、前記第１側帯波および前記第２側帯波よりも強度が小さい前記基本波と、を含む第２光を射出させる波長選択手段と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記第２光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含む、光学モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記波長選択手段は、エタロンである、光学モジュール。
【請求項３】
請求項２において、
前記エタロンは、
前記第１光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体である、光学モジュール。
【請求項４】
請求項３において、
さらに、基体を含み、
前記基体の材質は、化合物半導体であり、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記エタロンおよび前記光源は、基体に形成されている、光学モジュール。
【請求項５】
請求項４において、
前記エタロンの前記基板は、前記基体側から順に形成された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記第１光を伝播させる、光学モジュール。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記光源は、端面発光型レーザーである、光学モジュール。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記光源は、面発光型レーザーである、光学モジュール。
【請求項８】
請求項１において、
前記波長選択手段は、ファイバーグレーティングである、光学モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学モジュールを含む、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互いに波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。例えば、特許文献１には、ＣＰＴを利用した原子発振器として、コヒーレントな光を発する光源と、アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを透過した光の強度を検出する受光素子と、を有する光学モジュールを含んで構成された原子発振器が記載されている。
【０００３】
ＣＰＴを利用した原子発振器では、例えば、光源として半導体レーザーが用いられる。光源として半導体レーザーを用いた原子発振器では、例えば、半導体レーザーの駆動電流を変調することによって半導体レーザーから出射される光に側帯波を発生させて、ＥＩＴ現象を発現させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、駆動電流が変調された半導体レーザーから出射される光には、側帯波だけでなく、ＥＩＴ現象に寄与しない中心波長を有する基本波（搬送波）も含まれる。この基本波がアルカリ金属原子に照射されると、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（ＡＣシュタルク効果）、原子発振器の周波数の安定度を低下させる場合がある。
【０００６】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、周波数安定度の高い原子発振器を得ることが可能な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有する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】
【０００７】
本発明に係る光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、
中心波長を有する基本波と、互いに異なる波長を有する第１側帯波および第２側帯波と、を含む第１光を発生させる光源と、
前記第１光の前記第１側帯波および前記第２側帯波を選択して透過することによって、第２光を射出する波長選択手段と、
前記アルカリ金属ガスを封入し、前記第２光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含む。
【０００８】
このような光学モジュールによれば、波長選択手段が、第１光の基本波の強度を減少または基本波を消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波がアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い発振器を提供できる。
【０００９】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記波長選択手段は、エタロンであることができる。
【００１０】
このような光学モジュールによれば、波長選択手段を簡易な構成で形成できる。
【００１１】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記エタロンは、
前記第１光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体であることができる。
【００１２】
このような光学モジュールによれば、第１ミラーと第２ミラーとの間の距離を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
さらに、基体を含み、
前記基体の材質は、化合物半導体であり、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記エタロンおよび前記光源は、基体に形成されていることができる。
【００１４】
このような光学モジュールによれば、エタロンおよび光源が同じ基体に形成されているため、装置の小型化を図ることができる。
【００１５】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記エタロンの前記基板は、前記基体側から順に形成された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記第１光を伝播させることができる。
【００１６】
このような光学モジュールによれば、基板を光導波路とすることができる。したがって、波長選択手段から射出される第２光のビーム径を制御することができ、第２光をガスセルに効率よく照射することができる。
【００１７】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記光源は、端面発光型レーザーであることができる。
【００１８】
このような光学モジュールによれば、端面発光型レーザーを構成する層の膜厚の制御によって、光源（端面発光型レーザー）と波長選択手段との間のアライメントができる。さらに、例えば、同じ基体に形成された波長変換手段に第１光を入射させるための光学素子が不要となる。したがって、光源と波長選択手段との間のアライメント精度を向上させることができる。
【００１９】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記光源は、面発光型レーザーであることができる。
【００２０】
このような光学モジュールによれば、面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。
【００２１】
本発明に係る光学モジュールにおいて、
前記波長選択手段は、ファイバーグレーティングであることができる。
【００２２】
このような光学モジュールによれば、ファイバーグレーティングは、変形が容易であるため、設計の自由度を向上できる。
【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は、本発明に係る光学モジュールを含むため、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を示す図であり、図２（Ｂ）は、光源において発生する第１光の周波数スペクトラムを示す図。
【図３】波長選択手段から射出された第２光の周波数スペクトラムを示す図。
【図４】本実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。
【図５】本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【図６】端面発光型レーザーを用いた本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【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、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
まず、本実施形態に係る光学モジュールおよび原子発振器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る原子発振器は、本実施形態に係る光学モジュールを含む。図１は、本実施形態に係る原子発振器１の機能ブロック図である。
【００２８】
原子発振器１は、光学モジュール２と、制御手段５０と、を含む。
【００２９】
光学モジュール２は、光源１０と、波長選択手段２０と、ガスセル３０と、光検出手段４０と、を含む。
【００３０】
光源１０は、中心波長（中心周波数）を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。
【００３１】
波長選択手段２０は、第１光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して透過することによって第２光Ｌ２を射出する。
【００３２】
ガスセル３０は、アルカリ金属ガスを封入しており、ガスセル３０には、第２光Ｌ２が照射される。
【００３３】
光検出手段４０は、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する。
【００３４】
制御手段５０は、光検出手段４０の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。具体的には、制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、変調周波数ｆmを有する検出信号を発生させる。そして、光源１０は、この変調信号に基づいて所定の周波数ｆ0を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ1＝ｆ0＋ｆmを有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ2＝ｆ0−ｆmを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００３５】
図２（Ａ）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及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、光源１０において発生する第１光Ｌ１の周波数スペクトラムを示す図である。
【００３６】
図２（Ｂ）に示すように、光源１０において発生する第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、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。
【００３７】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）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１と基底準位２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によってＥＩＴ現象を起こす。
【００３８】
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ1）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ2）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。この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１と基底準位２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。
【００３９】
図３は、波長選択手段２０から射出された第２光Ｌ２の周波数スペクトラムを示す図である。
【００４０】
第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆが消滅または基本波Ｆの強度が減少した光である。図３の例では、第２光Ｌ２は、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、および中心周波数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のみを有している。このように、光学モジュール２では、波長選択手段２０によって、基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。
【００４１】
以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。
【００４２】
図４は、原子発振器１の構成を示す図である。
【００４３】
原子発振器１は、図４に示すように、光学モジュール２と、電流駆動回路１５０と、変調回路１６０と、を含む。
【００４４】
光学モジュール２は、半導体レーザー１１０と、波長選択素子１２０と、ガスセル１３０と、光検出器１４０と、を含む。
【００４５】
半導体レーザー１１０は、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。半導体レーザー１１０が出射するレーザー光（第１光Ｌ１）は、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が制御され、変調回路１６０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１５０による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０が出射する第１光Ｌ１に変調をかけることができる。これにより、第１光Ｌ１には、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２が生成される。半導体レーザー１１０において発生する光は、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。
【００４６】
図２（Ｂ）に示すように、第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0は第１光Ｌ１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。
【００４７】
波長選択素子１２０は、第１光の第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して透過する。すなわち、波長選択素子１２０は、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２に対する透過率が大きく、基本波Ｆに対する透過率が小さい。これにより、波長選択素子１２０に入射した第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて、第２光Ｌ２として射出することができる。すなわち、第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆの強度が減少または基本波Ｆが消滅している。図３の例では、第２光Ｌ２は、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、および中心周波数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のみを有している。
【００４８】
波長選択素子１２０は、後述するように、エタロンであってもよいし、ファイバーグレーティングであってもよい。
【００４９】
ガスセル１３０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。ガスセル１３０には、第２光Ｌ２が照射される。
【００５０】
このガスセル１３０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（第１側帯波および第２側帯波）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１と基底準位２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。
【００５１】
光検出器１４０は、ガスセル１３０を透過した第２光Ｌ２を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１４０の出力信号は電流駆動回路１５０および変調回路１６０に入力される。光検出器１４０は、フォトダイオードであってもよい。
【００５２】
電流駆動回路１５０は、光検出器１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して半導体レーザー１１０に供給し、第１光Ｌ１の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）を制御する。
【００５３】
半導体レーザー１１０、波長選択素子１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、電流駆動回路１５０を通るフィードバックループにより第１光の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が微調整されて安定する。
【００５４】
変調回路１６０は、光検出器１４０の出力信号に応じた変調周波数ｆmを有する変調信号を発生させる。この変調信号は、光検出器１４０の出力信号が最大になるように変調周波数ｆmが微調整されながら半導体レーザー１１０に供給される。半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、変調信号により変調がかけられ、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００５５】
なお、半導体レーザー１１０、波長選択素子１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０は、それぞれ図１の光源１０、波長選択手段２０、ガスセル３０、光検出手段４０に対応する。また、電流駆動回路１５０、変調回路１６０は、図１の制御手段５０に対応する。
【００５６】
このような構成の原子発振器１において、半導体レーザー１１０が発生させる第１光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数差がガスセル１３０に含まれる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正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて光検出器１４０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、波長選択素子１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、および変調回路１６０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。
【００５７】
図５は、光学モジュール２の要部（半導体レーザー１１０および波長選択素子１２０）を模式的に示す断面図である。
【００５８】
光学モジュール２は、図５に示すように、さらに、基体１７０を含む。半導体レーザー１１０および波長選択素子１２０は、基体１７０に形成されている。このように半導体レーザー１１０および波長選択素子１２０がモノリシックに形成されることにより、装置の小型化を図ることができる。
【００５９】
基体１７０の材質は、化合物半導体である。具体的には、基体１７０の材質は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のIII-V族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のII-VI族半導体である。ここでは、基体１７０の材質が第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓである場合について説明する。
【００６０】
半導体レーザー１１０は、第１半導体層１１２と、活性層１１４と、第２半導体層１１６と、を含む面発光型レーザーである。
【００６１】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２は、例えば、ｎ型（第１導電型）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体ミラーである。
【００６２】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００６３】
第２半導体層１１６は、例えば、ｐ型（第２導電型）Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とを交互に積層したＤＢＲ半導体ミラーである。
【００６４】
ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００６５】
第１電極１１８は、基体１７０の下面に形成されている。第１電極１１８は、基体１７０を介して、第１半導体層１１２と電気的に接続されている。第１電極１１８は、半導体レーザー１１０を駆動するための一方の電極である。
【００６６】
第２電極１１９は、第２半導体層１１６の上面に形成されている。第２電極１１９は、第２半導体層１１６と電気的に接続されている。第２電極１１９は、半導体レーザー１１０を駆動するための他方の電極である。
【００６７】
第１電極１１８と第２電極１１９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１１４において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２半導体層１１６と第１半導体層１１２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、第２半導体層１１６の上面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。半導体レーザー１１０から出射された光Ｌ１は、プリズム１８０で反射されて、波長選択素子１２０に入射する。プリズム１８０は、第１光Ｌ１の進行方向を変えて、第１光Ｌ１を波長選択素子１２０に入射させるための光学素子である。
【００６８】
光学モジュール２において、波長選択素子１２０は、エタロンである。波長選択素子１２０は、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間に配置された基板１２３と、を含む。
【００６９】
波長選択素子１２０は、干渉作用により、入射した光のうち、所定波長の光（第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２）を透過する。第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間の基板１２３に光が入射すると、干渉作用により、基板１２３の長さ（第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間の距離）Ｄおよび基板１２３の屈折率に応じた波長の光が選択的に波長選択素子１２０を透過する。波長選択素子１２０は、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２に対する透過率が大きく、基本波Ｆに対する透過率が小さい。これにより、波長選択素子１２０に入射した光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。したがって、波長選択素子１２０は、例えば、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２のみを含む第２光Ｌ２を射出することができる。
【００７０】
第１ミラー１２１と第２ミラー１２２は、基板１２３を介して、互いに対向している。第１ミラー１２１および第２ミラー１２２は、例えば、Ｔａ2Ｏ5膜とＳｉＯ2膜とを交互に積層した多層膜からなる。
【００７１】
基板１２３は、基体１７０上に形成されている。基板１２３は、基体１７０側から順に形成された、第１層１２４、第２層１２６、および第３層１２８を有している。基板１２３は、第１層１２４の屈折率および第３層１２８の屈折率は、第２層１２６の屈折率より小さい。したがって、第１層１２４および第３層１２８は、クラッド層として機能し、第２層は、第１光Ｌ１を伝播させるコア層として機能する。すなわち、基板１２３は、第１光Ｌ１を伝搬させる光導波路である。光学モジュール２では、基板１２３が光導波路であるため、波長選択素子から射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に光を効率よく照射することができる。
【００７２】
第１層１２４および第３層１２８の材質は、例えば、ＡｌＧａＡｓであり、第２層１２６の材質は、例えば、ＧａＡｓである。
【００７３】
基板１２３の材質は、特に限定されず、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のIII-V族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のII-VI族半導体であってもよい。基板１２３の材質として、例えば、ＧａＡｓを用いた場合、フリースペクトラルレンジを９．２ＧＨｚ、半値全幅を０．３ＧＨｚ程度とすると、基板１２３の長さＤは２８．５ｍｍ程度である。エタロンの基板の材質として一般的なＳｉＯ2を用いた場合、基板の長さは、７０．６６ｍｍ程度である。このように、基板１２３の材質として、屈折率の大きい化合物半導体を用いることで、基板１２３の長さＤを短くすることができる。
【００７４】
なお、基板１２３は、光導波路を形成しなくてもよい。基板１２３は、複数の層１２４，１２６，１２８を有さずに、単層であってもよい。
【００７５】
ここでは、波長選択素子１２０がエタロンである場合について説明したが、波長選択素子１２０は、光ファイバーのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えたファイバーグレーティングであってもよい。ファイバーグレーティングは、光ファイバーを用いているため、変形が容易であり、設計の自由度を向上できる。
【００７６】
光学モジュール２および原子発振器１は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７７】
光学モジュール２によれば、波長選択素子１２０が、第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波Ｆがアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い発振器を提供できる。
【００７８】
光学モジュール２によれば、波長選択素子１２０が、エタロンである。したがって、簡易な構成で波長選択素子を形成できる。また、波長選択素子（エタロン）１２０の基板１２３の材質が化合物半導体である。したがって、基板１２３の材質をＳｉＯ2とした場合と比べて、基板１２３の長さＤを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００７９】
光学モジュール２によれば、波長選択素子（エタロン）１２０および半導体レーザー（光源）１１０が基体１７０に形成されている。このように波長選択素子１２０と半導体レーザー１１０を基体１７０にモノリシックに形成することにより、装置の小型化を図ることができる。
【００８０】
光学モジュール２によれば、上述のように、波長選択素子（エタロン）１２０の基板１２３が光導波路である。したがって、波長選択素子１２０から射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に効率よく光を照射することができる。
【００８１】
光学モジュール２によれば、光源１０が面発光型レーザーである。面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。
【００８２】
原子発振器１によれば、光学モジュール２を有している。したがって、上述のように、周波数安定度の高めることができる。
【００８３】
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。
【００８４】
例えば、上述した図５に示す半導体レーザー１１０は、面発光型レーザーであったが、半導体レーザーは、端面発光型レーザーであってもよい。図６は、端面発光型レーザーを用いた光学モジュール２Ｄの要部を模式的に示す断面図である。以下、図６に示す光学モジュール２Ｄにおいて、上述した図５に示す光学モジュール２の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８５】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２としては、例えば、第１導電型（例えばｎ型）ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００８６】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００８７】
第２半導体層１１６は、活性層１１４上に形成されている。第２半導体層１１６としては、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００８８】
例えば、ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが構成される。第２半導体層１１６および第１半導体層１１２の各々は、活性層１１４よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。活性層１１４は、光を増幅する機能を有する。第１半導体層１１２および第２半導体層１１６は、活性層１１４を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能を有する。
【００８９】
半導体レーザー１１０では、第１電極１１８と第２電極１１９との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、活性層１１４において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、レーザー光が生じ、活性層１１４の側面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。
【００９０】
半導体レーザー１１０として端面発光型レーザーを用いることで、半導体レーザー１１０の各層１１２，１１４，１１６の積層方向に対して垂直にレーザー光を出射することができる。したがって、各層１１２，１１４，１１６の膜厚の制御によって、半導体レーザー１１０と波長選択素子１２０との間のアライメントができる。さらに、例えば、同じ基体１７０上に形成された波長選択素子１２０にレーザー光を入射させるためのプリズム等の光学素子が不要となる。したがって、半導体レーザー１１０と波長選択素子１２０との間のアライメント精度を向上させることができる。
【００９１】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００９２】
１  原子発振器、２  光学モジュール、１０  光源、２０  波長選択手段、３０  ガスセル、４０  光検出手段、５０  制御手段、１１０  半導体レーザー、１１２  第１半導体層、１１４  活性層、１１６  第２半導体層、１１８  第１電極、１１９  第２電極、１２０  波長選択素子、１２１  第１ミラー、１２２  第２ミラー、１２３  基板、１２４  第１層、１２６  第２層、１２８  第３層、１３０  ガスセル、１４０  光検出器、１５０  電流駆動回路、１６０  変調回路、１７０  基体、１８０  プリズム。
【図１】
2015128172.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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【手続補正書】
【提出日】平成27年3月6日(2015.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、
中心波長を有する基本波と、前記基本波の強度よりも小さい強度を有し、かつ、互いに異なる波長を有する前記中心波長の第１側帯波および第２側帯波と、を含む第１光を発生させる光源と、
反射面を備え、前記第１光が入射される光学素子と、
前記反射面で反射された前記第１光が入射され、前記第１側帯波および前記第２側帯波と、前記第１側帯波および前記第２側帯波よりも強度が小さい前記基本波と、を含む第２光を射出させる波長選択手段と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記第２光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含む、光学モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記波長選択手段は、エタロンである、光学モジュール。
【請求項３】
請求項２において、
前記エタロンは、
前記第１光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体である、光学モジュール。
【請求項４】
請求項３において、
さらに、基体を含み、
前記基体の材質は、化合物半導体であり、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記エタロンおよび前記光源は、基体に形成されている、光学モジュール。
【請求項５】
請求項４において、
前記エタロンの前記基板は、前記基体側から順に形成された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記第１光を伝播させる、光学モジュール。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記光源は、端面発光型レーザーである、光学モジュール。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記光源は、面発光型レーザーである、光学モジュール。
【請求項８】
請求項１において、
前記波長選択手段は、ファイバーグレーティングである、光学モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学モジュールを含む、原子発振器。