(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号の周波数に応じ、所定の周波数差を有する第１の光と第２の光とを発生させる光発生部と、
前記第１の光と前記第２の光とが照射される金属原子と、
前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出信号に基づいて、前記制御信号生成部を制御する周波数制御部と、
前記光検出部の検出信号のレベルに応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を変化させるように前記制御信号生成部を制御する最大周波数偏移制御部と、
を有し、
前記第１の光と前記第２の光とが共鳴光対となるような周波数を有する前記制御信号を前記制御信号生成部が生成できるように、当該制御信号生成部を前記周波数制御部と前記最大周波数偏移制御部とで制御する、原子発振器。
【請求項２】
前記制御信号生成部は、
前記周波数制御部の出力信号に応じた周波数の発振信号を生成する発振信号生成部と、
変調信号を生成する変調信号生成部と、
前記発振信号を前記変調信号で周波数変調する周波数変調部と、
前記周波数変調部の出力信号の周波数を変換して前記制御信号を生成する周波数変換部と、を有し、
前記周波数制御部は、
前記変調信号と同じ周波数の信号に基づいて、前記光検出部の検出信号を検波し、
最大周波数偏移制御部は、
前記光検出部の検出信号のレベルに応じて前記変調信号の振幅を変化させることにより、前記最大周波数偏移を変化させる、請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
最大周波数偏移制御部は、
前記制御信号の周波数を一定にする、前記光検出部の検出信号の強度と前記制御信号の最大周波数偏移との対応関係に従って、前記変調信号の振幅を変化させる請求項２に記載
の原子発振器。
【請求項４】
最大周波数偏移制御部は、
前記制御信号の周波数を一定にする、前記光検出部の検出信号の強度と前記制御信号の最大周波数偏移との対応関係の情報を記憶し、当該対応関係の情報に基づいて、前記制御信号の最大周波数偏移を変化させる、請求項１又は２に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記原子発振器の外部からの信号に基づいて、前記対応関係の情報を変更する最大周波数偏移情報変更部を有する、請求項４に記載の原子発振器。
【請求項６】
周波数変調された制御信号を生成させる制御信号生成ステップと、
前記制御信号の周波数に応じ、所定の周波数差を有する第１の光と第２の光を発生させる光発生ステップと、
前記第１の光と前記第２の光を金属原子に照射する光照射ステップと、
前記金属原子を透過した光を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップで得られた検出信号に基づいて、前記制御信号生成ステップを制御する周波数制御ステップと、
前記光検出ステップで得られた検出信号のレベルに応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を変化させるように前記制御信号生成ステップを制御する最大周波数偏移制御ステップと、
を含み、
前記第１の光と前記第２の光とが共鳴光対となるような周波数を有する前記制御信号を前記制御信号生成ステップで生成できるように、当該制御信号生成ステップを前記周波数制御ステップと前記最大周波数偏移制御ステップとで制御する、原子発振器の制御方法。
【請求項７】
周波数変調された制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号の周波数に応じ、所定の周波数差を有する第１の光と第２の光を発生させる光発生部と、
前記第１の光と前記第２の光が照射される金属原子と、
前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出信号に基づいて、前記制御信号生成部を制御する周波数制御部と、
前記光検出部の検出信号のレベルに応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を変化させるように前記制御信号生成部を制御する最大周波数偏移制御部と、を有し、
前記第１の光と前記第２の光とが共鳴光対となるような周波数を有する前記制御信号を前記制御信号生成部が生成できるように、当該制御信号生成部を前記周波数制御部と前記最大周波数偏移制御部とで制御する、量子干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器、原子発振器の制御方法及び量子干渉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１９に示すように、アルカリ金属原子は、タームシンボル２Ｓ１／２で表される基底準位と、タームシンボル２Ｐ１／２、２Ｐ３／２で表される２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、２Ｓ１／２、２Ｐ１／２、２Ｐ３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した超微細構造を有している。具体的には、２Ｓ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの基底準位を持ち、２Ｐ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの励起準位を持ち、２Ｐ３／２はＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２の４つの励起準位を持っている。ここで、Ｉは核スピン量子数である。
【０００３】
２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ＋３／２の励起準位に遷移することはできない。２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ−３／２の励起準位に遷移することはできない。これらは、電気双極子遷移を仮定した場合の遷移選択則による。逆に、２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して２Ｓ１／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の基底準位（元の基底準位又は他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。ここで、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位からなる３準位（２つの基底準位と１つの励起準位からなる）は、Ｄ２線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であることからΛ型３準位と呼ばれる。これに対して、２Ｐ３／２のＩ−３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、２Ｐ３／２のＩ＋３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ−３／２又はＩ＋３／２の励起準位からなる３準位は、Ｄ２線の吸収・放出によるΛ型の遷移が不可能であることからΛ型３準位を形成しない。
【０００４】
ところで、気体状のアルカリ金属原子に、Λ型３準位を形成する第１の基底準位（２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位）と励起準位（例えば、２Ｐ３／２のＩ＋１／２の励起準位）とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光１とする）と、第２の基底準位（２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位）と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光２とする）とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子コヒーレンス状態（暗状態）になり、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）が起こることが知られている。このＥＩＴ現象を起こす共鳴光対（共鳴光１と共鳴光２）の周波数差はアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する。例えば、セシウム原子は、２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のＤ１線又はＤ２線のレーザー光を同時に照射すると、ＥＩＴ現象が起こる。
【０００５】
従って、図２０に示すように、周波数がｆ１の光と周波数がｆ２の光を気体状のアルカリ金属原子に同時に照射したとき、この２種類の光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かでアルカリ金属原子を透過する光の強度が急峻に変化する。この急峻に変化する透過光の強度を示す信号はＥＩＴ信号と呼ばれ、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と正確に一致するときにＥＩＴ信号のレベルがピーク値を示す。そこで、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子に照射する２種類の光の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と正確に一致するように制御することで、高精度な発振器を実現することができる。
【０００６】
図２１は、従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図２１に示すように、従来のＥＩＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は光の波長）を設定するための駆動電流に、周波数がｆｍの変調信号を重畳することにより、半導体レーザーに変調をかけて周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光を発生させる。この２種類の光はガスセルに同時に照射され、光検出器によりガスセルを透過した光の強度を検出する。ガスセルは気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されており、同時に照射された２種類の光が共鳴光対となれば、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こし、ガスセルを透過する光の強度が大きくなる。そこで、この原子発振器は、低周波発振器が発生する数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低周波信号を用いて検波を行うことで、光検出器が検出する光の強度が最大になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を介して周波数がｆｍの変調信号を生成する。このような構成によれば、半導体レーザーが出射する、周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光の周波数差２ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、変調信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。従って、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振動作が極めて安定に継続し、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来の原子発振器では、低周波信号を用いた検波により、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、変調信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するように制御がかかるためには、ＥＩＴ信号が左右対称であることが前提となっている。逆に言えば、従来の原子発振器では、ＥＩＴ信号が左右非対称であれば、変調信号の周波数ｆｍとΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数がわずかにずれた状態で安定する可能性がある。このような状態でも、高い周波数安定度が確保され、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振周波数を所望の周波数に変換する回路を付加することで、周波数精度も確保できる。
【０００９】
ところが、周囲環境の温度の急激な変化等に起因してＥＩＴ信号のピーク値（強度）が変化して非対称の度合いが変わると、変調信号の周波数ｆｍとΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数との差が変動し、原子発振器の周波数安定度が低下する原因となる。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、ＥＩＴ信号の強度が変化しても高い周波数安定度を維持することが可能な原子発振器、原子発振器の制御方法及び量子干渉装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、周波数変調された制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を発生させる光発生部と、前記第１の光と前記第２の光が照射される金属原子と、前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記共鳴光対となるように前記制御信号の周波数を制御する周波数制御部と、前記光検出部の検出信号に応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を制御する最大周波数偏移制御部と、を含む、原子発振器である。
【００１２】
本発明によれば、制御信号の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を金属原子に照射し、金属原子を透過した光を検出して金属原子に照射される第１の光と第３の光が金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対となるように制御信号の周波数を制御する。このフィードバック制御により、第１の光と第２の光の周波数差を一定に保持することができるので、安定した周波数の発振信号を得ることができる。
【００１３】
特に、本発明では、光検出部の検出信号に応じて、制御信号の最大周波数偏移を制御することで、ＥＩＴ信号強度の変化による発振信号の周波数変動分を、最大周波数偏移の変化による発振信号の周波数変動分で打ち消すことができるので、ＥＩＴ信号強度が変化しても発振信号の周波数を一定に保持することができる。従って、従来よりも高い周波数安定度の原子発振器を実現することができる。
【００１４】
（２）この原子発振器において、前記制御信号生成部は、前記周波数制御部の出力信号に応じた周波数の発振信号を生成する発振信号生成部と、所与の変調信号を生成する変調信号生成部と、前記発振信号を前記変調信号で周波数変調する周波数変調部と、前記周波数変調部の出力信号の周波数を変換して前記制御信号を生成する周波数変換部と、を含み、前記周波数制御部は、前記変調信号と同じ周波数の信号に基づいて、前記光検出部の検出信号を検波し、最大周波数偏移制御部は、前記光検出部の検出信号に基づいて、前記変調信号の振幅を制御するようにしてもよい。
【００１５】
（３）この原子発振器において、最大周波数偏移制御部は、前記制御信号の周波数を一定にする、前記光検出部の検出信号の強度と前記制御信号の最大周波数偏移との対応関係に従って、前記変調信号の振幅を制御するようにしてもよい。
【００１６】
（４）この原子発振器において、最大周波数偏移制御部は、前記制御信号の周波数を一定にする、前記光検出部の検出信号の強度と前記制御信号の最大周波数偏移との対応関係の情報を記憶し、当該対応関係の情報に基づいて、前記制御信号の最大周波数偏移を制御するようにしてもよい。
【００１７】
光検出部の検出信号の強度と制御信号の最大周波数偏移との対応関係は、製造条件のばらつき等に起因してサンプル毎に異なると考えられるので、あらかじめサンプル毎にこの対応関係を求めて記憶させておくことで、サンプル間のＥＩＴ信号の特性ばらつきを吸収することができる。従って、サンプルに依存せずに高い周波数安定度を確保できる。
【００１８】
（５）この原子発振器は、当該原子発振器の外部からの信号に基づいて、前記対応関係の情報を変更する最大周波数偏移情報変更部を含むようにしてもよい。
【００１９】
このようにすれば、経年変化によりＥＩＴ信号の特性が変わっても、あらためて光検出部の検出信号の強度と制御信号の最大周波数偏移との対応関係を求めて、記憶されている当該対応関係の情報を更新することで、長期間にわたって高い周波数安定度を維持することができる。
【００２０】
（６）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器の制御方法であって、周波数変調された制御信号を生成させる制御信号生成ステップと、前記制御信号の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を発生させる光発生ステップと、前記第１の光と前記第２の光を金属原子に照射する光照射ステップと、前記金属原子を透過した光を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップの検出結果に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記共鳴光対となるように前記制御信号の周波数を制御する周波数制御ステップと、前記光検出ステップの検出結果に応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を制御する最大周波数偏移制御ステップと、を含む、原子発振器の制御方法である。
【００２１】
（７）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、周波数変調された制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を発生させる光発生部と、前記第１の光と前記第２の光が照射される金属原子と、前記金属原子を透過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記共鳴光対となるように前記制御信号の周波数を制御する周波数制御部と、前記光検出部の検出信号に応じて、前記制御信号の最大周波数偏移を制御する最大周波数偏移制御部と、を含む、量子干渉装置である。
【００２２】
本発明によれば、制御信号の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を金属原子に照射し、金属原子を透過した光を検出して金属原子に照射される第１の光と第３の光が金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対となるように制御信号の周波数を制御する。このフィードバック制御により、第１の光と第２の光の周波数差を一定に保持することができるので、安定した周波数の発振信号を得ることができる。
【００２３】
特に、本発明では、光検出部の検出信号に応じて、制御信号の最大周波数偏移を制御することで、ＥＩＴ信号強度の変化による発振信号の周波数変動分を、最大周波数偏移の変化による発振信号の周波数変動分で打ち消すことができるので、ＥＩＴ信号強度が変化しても発振信号の周波数を一定に保持することができる。従って、従来よりも高い周波数安定度の量子干渉装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図。
【図２】本実施形態の量子干渉装置の他の機能ブロック図。
【図３】第１実施形態の原子発振器の構成例を示す図。
【図４】半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図５】周波数変調についての説明図。
【図６】検波についての説明図。
【図７】検波についての説明図。
【図８】検波回路に構成例を示す図。
【図９】検波についての説明図。
【図１０】検波についての説明図。
【図１１】左右非対称なＥＩＴ信号のモデルをグラフ化した図。
【図１２】ＥＩＴ信号強度とロック周波数との関係のシミュレーション結果を示す図。
【図１３】ロック周波数と最大周波数偏移との関係のシミュレーション結果を示す図。
【図１４】ロック周波数を一定に維持するための最大周波数偏移とＥＩＴ信号強度との関係のシミュレーション結果を示す図。
【図１５】第２実施形態の原子発振器の構成例を示す図。
【図１６】第３実施形態の原子発振器の構成例を示す図。
【図１７】変形例１の原子発振器における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１８】変形例２の原子発振器の構成例を示す図。
【図１９】アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。
【図２０】ＥＩＴ信号の一例を示す概略図。
【図２１】従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【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の形態は、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．量子干渉装置
図１は、本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図である。本実施形態の量子干渉装置１は、光発生部１０、金属原子２０、光検出部３０、制御信号生成部４０、周波数制御部５０、最大周波数偏移制御部６０を含んで構成されている。
【００２７】
制御信号生成部４０は、周波数変調された制御信号１２を生成する。
【００２８】
光発生部１０は、制御信号１２の周波数に応じた周波数差の第１の光と第２の光を発生させる。
【００２９】
金属原子２０は、Λ型３準位を有する金属原子であり、例えば、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等のアルカリ金属原子である。
【００３０】
光検出部３０は、光発生部１０から照射されて金属原子２０を透過した光を検出する。
【００３１】
周波数制御部５０は、光検出部３０の検出信号に基づいて、第１の光と第２の光が共鳴光対（金属原子２０に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対）となるように制御信号１２の周波数を制御する。
【００３２】
最大周波数偏移制御部６０は、光検出部３０の検出信号に応じて、制御信号１２の最大周波数偏移を制御する。最大周波数偏移制御部６０は、例えば、制御信号１２の周波数を一定にする、光検出部３０の検出信号の強度と制御信号１２の最大周波数偏移との対応関係の情報を記憶し、当該対応関係の情報に基づいて、制御信号１２の最大周波数偏移を制御するようにしてもよい。
【００３３】
制御信号生成部４０は、発振信号生成部４２、変調信号生成部４４、周波数変調部４６、周波数変換部４８を含むように構成してもよい。
【００３４】
発振信号生成部４２は、周波数制御部５０の出力信号に応じた周波数の発振信号４３を生成する。
【００３５】
変調信号生成部４４は、所与の変調信号４５を生成する。
【００３６】
周波数変調部４６は、発振信号４３を変調信号４５で周波数変調する。
【００３７】
周波数変換部４８は、周波数変調部４６の出力信号の周波数を変換して制御信号１２を生成する。
【００３８】
周波数制御部５０は、例えば、変調信号４５と同じ周波数の信号に基づいて、光検出部３０の検出信号を検波するようにしてもよい。
【００３９】
最大周波数偏移制御部６０は、例えば、光検出部３０の検出信号に基づいて、変調信号４５の振幅を制御するようにしてもよい。最大周波数偏移制御部６０は、例えば、制御信号１２の周波数を一定にする、光検出部３０の検出信号の強度と制御信号１２の最大周波数偏移との対応関係に従って、変調信号４２の振幅を制御するようにしてもよい。
【００４０】
図２は、本実施形態の量子干渉装置の他の機能ブロック図である。図２に示すように、本実施形態の量子干渉装置１では、図１に示した量子干渉装置１に対して、最大周波数偏移情報変更部７０が追加されている。
【００４１】
最大周波数偏移情報変更部７０は、量子干渉装置１の外部からの信号に基づいて、光検出部３０の検出信号の強度と制御信号１２の最大周波数偏移との対応関係の情報を変更する。
【００４２】
図２のその他の各構成の機能は、図１と同様であるため同じ符号を付しており、その説明を書略する。
【００４３】
以下では、量子干渉装置１の一例として、原子発振器を例に挙げて詳細に説明する。
【００４４】
２．原子発振器
２−１．第１実施形態
図３は、第１実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図３に示すように、第１実施形態の原子発振器１は、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、周波数変調回路１９０、低周波発振器２００、振幅制御回路２１０、周波数変換回路２２０を含んで構成されている。
【００４５】
ガスセル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものである。
【００４６】
半導体レーザー１１０は、周波数の異なる複数の光を発生させてガスセル１２０に照射する。具体的には、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流によって、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心周波数はｆ０）が制御される。そして、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２２０の出力信号を変調信号とし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、周波数変換回路２２０の出力信号（変調信号）を重畳することにより、半導体レーザー１１０は変調がかかった光を発生させる。このような半導体レーザー１１０は、例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００４７】
光検出器１３０は、ガスセル１２０を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。前述したように、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ΔＥ１２に相当する周波数と一致する２種類の光をアルカリ金属原子に照射すると、アルカリ金属原子はＥＩＴ現象を起こす。このＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数が多いほどガスセル１２０を透過する光の強度が増大し、光検出器１３０の出力信号の電圧レベルが高くなる。
【００４８】
光検出器１３０の出力信号は検波回路１４０と検波回路１７０に入力される。検波回路１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１６０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００４９】
電流駆動回路１５０は、検波回路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、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）を制御する。具体的には、アルカリ金属原子の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１（周波数ｆ１）、アルカリ金属原子の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２（周波数ｆ２）に対して、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御される。あるいは、アルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１（周波数ｆ１）、アルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２（周波数ｆ２）に対して、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御されるようにしてもよい。
【００５０】
ただし、いずれの場合も、中心波長λ０は必ずしも（λ１＋λ２）／２と正確に一致させる必要はなく、（λ１＋λ２）／２を中心とする所定範囲の波長であってもよい。なお、検波回路１４０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１５０が発生する駆動電流には低周波発振器１６０の発振信号（検波回路１４０に供給される発振信号と同じ信号）が重畳される。
【００５１】
半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１５０を通るフィードバックループにより、半導体レーザー１１０が発生させる光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が微調整される。
【００５２】
検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２００の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
【００５３】
振幅制御回路２１０は、光検出器１３０の検出信号のレベルに応じて、低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御する。
【００５４】
周波数変調回路１９０は、検波回路１７０による同期検波を可能とするために、振幅制御回路２１０の出力信号（振幅が調整された低周波発振器２００の発振信号）を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）する。
【００５５】
周波数変換回路２２０は、一定の周波数変換率で周波数変調回路１９０の出力信号を周波数変換する。例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数の中心値を１０ＭＨｚとして、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子がセシウム原子であればΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換率は（９．１９２６３１７７０ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）に設定される。周波数変換回路２２０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。
【００５６】
このような構成の原子発振器１において、仮にＥＩＴ信号が左右対称であれば、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、周波数変調回路１９０、周波数変換回路２２０を通るフィードバックループにより、周波数変換回路２２０の出力信号の周波数がΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ１２に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２２０の出力信号の周波数が４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。
【００５７】
そして、前述したように、周波数変換回路２２０の出力信号が変調信号（変調周波数ｆｍ）となり、半導体レーザー１１０が共鳴光対を含む複数の光を発生させてガスセル１２０に照射する。
【００５８】
図４は、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図４において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００５９】
図４に示すように、半導体レーザー１１０の出射光には、中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は中心波長）を有する光と、その両側に変調周波数ｆｍずつ周波数が異なる複数の光が含まれている。変調周波数ｆｍはΔＥ１２に相当する周波数の１／２に等しいので、周波数ｆ１（＝ｆ０＋ｆｍ）の光と周波数ｆ２（＝ｆ０−ｆｍ）の光は、その差ｆ１−ｆ２（＝２ｆｍ）がΔＥ１２にほぼ等しく、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。
【００６０】
なお、図３の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、検波回路１７０、振幅制御回路２１０は、それぞれ図１の光発生部１０、金属原子２０、光検出部３０、周波数制御部５０、最大周波数偏移制御部６０に相当する。また、図３の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、周波数変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２２０による構成は、図１の制御信号生成部４０に相当する。また、図３の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、低周波発振器２００、周波数変調回路１９０、周波数変換回路２２０は、それぞれ図１の発振信号生成部４２、変調信号生成部４４、周波数変調部４６、周波数変換部４８に相当する。
【００６１】
次に、光検出器１３０の出力信号の同期検波の一例について詳細に説明する。
【００６２】
まず、振幅制御回路２１０が無いものとして考えると、周波数変調回路１９０は、低周波発振器２００の発振信号を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を周波数変調することになる。
【００６３】
図５（Ａ）に示すように、低周波発振器２００の発振信号は、周波数がｆｓ（周期が１／ｆｓ）、振幅がＡｓの正弦波であり、周波数変調における最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆは、この振幅Ａｓに比例する。図５（Ｂ）は、周波数変調回路１９０の出力信号の周波数スペクトラムを示す図であり、周波数変調回路１９０の出力信号は、低周波発振器２００の発振周波数ｆＶＣＸＯを中心周波数として、その両側にｆｓ間隔で複数の周波数成分を含む。そして、周波数変換回路２２０により周波数変調回路１９０の出力信号の周波数がＮ（＝ｆｍ／ｆＶＣＸＯ）倍されるので、周波数変換回路２２０の出力信号（半導体レーザー１１０の変調信号）は、厳密には、変調周波数ｆｍを中心周波数として、その両側にｆｓ×Ｎの間隔で複数の周波数成分を含む。
【００６４】
半導体レーザー１１０は、この周波数変換回路２２０の出力信号を変調信号として変調がかけられる。従って、半導体レーザー１００の出射光には、厳密には、図４に示した各周波数成分の光とともに、その両側にｆｓ×Ｎの間隔の複数の光も含まれる。このような複数の光がガスセル１２０に照射され、ガスセル１２０を透過した光が光検出器１３０で検出されるので、光検出器１３０の出力信号には直流成分とともに低周波数成分も含まれる。具体的には、図４に示した共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２（＝２ｆｍ）がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と正確に一致する場合、図６（Ａ）に示すように、光検出器１３０の検出信号には、ピークの直流成分と一定振幅の周波数２ｆｓの低周波数成分が含まれる。また、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２から少しだけずれた場合（ｆ１−ｆ２＝ｆ１２−Δ１の場合）も、図６（Ｂ）に示すように、光検出器１３０の検出信号には、同様に、ピークの直流成分と周波数２ｆｓの低周波数成分が含まれる。ただし、周波数２ｆｓの低周波数成分の振幅は１周期毎に変化し、２周期（１／ｆｓ）毎に同じ振幅になる。
【００６５】
一方、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２からかなりずれた場合（ｆ１−ｆ２＝ｆ１２−Δ２あるいはｆ１−ｆ２＝ｆ１２＋Δ２の場合）、図７（Ａ）や図７（Ｂ）に示すように、光検出器１３０の検出信号には、直流成分と周波数ｆｓの低周波数成分が含まれる。
【００６６】
そこで、検波回路１７０は、例えば、図８に示すように構成することができる。すなわち、図８に示すように、光検出器１３０の出力信号と周波数発生源１７２が発生させる一定周波数ｆｓの発振信号とをミキサー１７４で混合し、周波数ｆｓが減衰域に含まれるローパスフィルター１７６を通して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に出力する。検波回路１７０をこのような構成にすれば、ミキサー１７４の出力信号には、光検出器１３０の出力信号と周波数ｆｓの発振信号との和信号と差信号が発生するので、光検出器１３０の出力信号に含まれる直流成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数ｆｓの信号のみが発生するが、ローパスフィルター１７６で除去される。また、光検出器１３０の出力信号が、図６（Ａ）のような周波数２ｆｓの低周波成分を含む場合、この周波数２ｆｓの低周波成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数３ｆｓの信号と周波数ｆｓの信号が発生するが、これらの信号もローパスフィルター１７６で除去される。つまり、光検出器１３０の出力信号が図６（Ａ）のような場合、検波回路１７０の出力信号の電圧値は０（基準電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されるため、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は変化しない。
【００６７】
これに対して、光検出器１３０の出力信号が、図６（Ｂ）のような周波数２ｆｓの低周波成分を含む場合、この周波数２ｆｓの低周波成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数３ｆｓの信号と周波数ｆｓの信号が発生するが、これらの信号はローパスフィルター１７６で除去される。ところが、この２ｆｓの低周波成分は振幅が２周期（１／ｆｓ）毎に同じ振幅になるので、光検出器１３０の出力信号には、周波数ｆｓの低周波成分もわずかに含まれる。この周波数ｆｓの低周波成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数２ｆｓの信号と正電圧の直流信号が発生する。周波数２ｆｓの信号はローパスフィルター１７６で除去されるが、正電圧の直流信号は除去されずに残る。つまり、光検出器１３０の出力信号が図６（Ｂ）のような場合、検波回路１７０の出力信号の電圧値は正（基準電圧値よりも高い電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されると、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は高い方に変化する。
【００６８】
また、光検出器１３０の出力信号が、図７（Ａ）のような周波数ｆｓの低周波成分を含む場合、この周波数ｆｓの低周波成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数２ｆｓの信号と正電圧の直流信号が発生する。周波数２ｆｓの信号はローパスフィルター１７６で除去されるが、正電圧の直流信号は除去されずに残る。つまり、光検出器１３０の出力信号が図７（Ａ）のような場合、検波回路１７０の出力信号の電圧値は正（基準電圧値よりも高い電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されると、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は高い方に変化する。
【００６９】
同様に、光検出器１３０の出力信号が、図７（Ｂ）のような周波数ｆｓの低周波成分を含む場合、この周波数ｆｓの低周波成分がミキサー１７４に入力されると、ミキサー１７４の出力には周波数２ｆｓの信号と負電圧の直流信号が発生する。周波数２ｆｓの信号はローパスフィルター１７６で除去されるが、負電圧の直流信号は除去されずに残る。つまり、光検出器１３０の出力信号が図７（Ｂ）のような場合、検波回路１７０の出力信号の電圧値は負（基準電圧値よりも低い電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されると、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は低い方に変化する。
【００７０】
このように、検波回路１７０の出力信号の電圧値に応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数を変化させることで、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と一致するように（周波数変換回路１２０の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２の１／２の周波数と一致するように）、フィードバック制御することができる。ただし、図６（Ａ），図６（Ｂ），図７（Ａ），図７（Ｂ）では、ガスセル１２０の透過光のＥＩＴ信号が左右対称であることを前提としており、その結果、光検出器１３０の検出信号の強度も、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２＝ｆ１２を中心として左右対称になっている。そのため、光検出器１３０の検出信号の強度がピークとなるようにフィードバック制御がかかり、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と一致する状態で安定する。
【００７１】
一方、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合、光検出器１３０の検出信号の強度も、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２＝ｆ１２を中心として左右非対称になる。そのため、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２＝ｆ１２である場合、図９（Ａ）に示すように、光検出器１３０の検出信号に含まれる周波数２ｆｓの低周波数成分の振幅は一定にならず、１周期毎に振幅が変化し、２周期（１／ｆｓ）毎に同じ振幅になる。従って、この周波数２ｆｓの低周波成分が検波回路１７０に入力されると、図６（Ｂ）の場合と同様に、検波回路１７０の出力信号の電圧値は正（基準電圧値よりも高い電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されると、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は高い方に変化する。
【００７２】
これに対して、図９（Ｂ）に示すように、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がｆ１２から少しだけずれた状態（ｆ１−ｆ２＝ｆ１２＋Δ３）で、光検出器１３０の検出信号に含まれる周波数２ｆｓの低周波数成分の振幅が一定になる。従って、この周波数２ｆｓの低周波成分が検波回路１７０に入力されると、図６（Ａ）の場合と同様に、検波回路１７０の出力信号の電圧値は０（基準電圧値）となる。この検波回路１７０の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０に入力されるため、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数は変化しない。従って、ｆ１−ｆ２＝ｆ１２＋Δ３となるように（周波数変換回路１２０の周波数ｆｍ＝（ｆ１２＋Δ３）／２となるように）、フィードバック制御がかかる。
【００７３】
このように、ＥＩＴ信号が左右非対称であれば、光検出器１３０の検出信号の強度も、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２＝ｆ１２を中心として左右非対称になるので、光検出器１３０の検出信号の強度がピークから少しずれた値となるようにフィードバック制御がかかり、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２から少しずれた周波数と一致する状態で安定する。このような周波数がずれた状態でも高い周波数安定度を確保することはできる。
【００７４】
ところで、ガスセル１２０の温度が不安定になる等の要因でＥＩＴ信号のピーク値（強度）が変化し、これに応じてＥＩＴ信号の線幅が変化することが考えられる。例えば、図９（Ｂ）の状態（ｆ１−ｆ２＝ｆ１２＋Δ３）で電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が安定している場合に、ＥＩＴ信号のピーク値（強度）が低下して図１０のように線幅が広くなった場合、ｆ１−ｆ２＝ｆ１２＋Δ４の状態で、光検出器１３０の検出信号に含まれる周波数２ｆｓの低周波数成分の振幅が一定になり、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が安定する。図９（Ｂ）の例と図１０の例を比較するとΔ４≠Δ３（Δ４＞Δ３）であり、ＥＩＴ信号のピーク値（強度）が低下すると電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が高い方向にシフトしている。従って、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合、ＥＩＴ信号のピーク値（強度）が変化することで線幅が変化すると、周波数安定度が劣化する可能性がある。
【００７５】
従って、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合、ＥＩＴ信号のピーク値（強度）が変化することで線幅が変化しても、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が変化しないように、何らかの対策を考える必要がある。そこで、左右非対称なＥＩＴ信号をモデル化し、ＥＩＴ信号のピーク値（強度）を変化させて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０が安定発振する時の周波数変換回路２２０の出力信号の周波数（ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄ）の変化の様子をシミュレーションで確認した。図１１は、左右非対称なＥＩＴ信号のモデルをグラフ化した図であり、図１２は、シミュレーション結果を示す図である。図１１の各軸の単位は任意単位であり、横軸は（ｆ１−ｆ２）−ｆ１２の値、縦軸はガスセル１２０の透過光の強度である。また、図１２の各軸の単位は任意単位であり、横軸はＥＩＴ信号強度、縦軸はロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄである。図１２に示す４つのグラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、それぞれ、ＥＩＴ信号強度の変化に伴うＥＩＴ信号の線幅変化の度合い（ＢＦ：Broadening Factor）が０，０．５，１．０，２．０のモデルに対するシミュレーション結果である。なお、ＢＦ＝０は、ＥＩＴ信号強度の変化に伴ってＥＩＴ信号の線幅変化が起きないモデルである。図１２のシミュレーション結果によれば、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄは、ＥＩＴ信号強度の増加に対して線形に減少する。
【００７６】
また、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合、低周波発振器２００の発振信号の振幅Ａｓ（周波数変調回路１９０の周波数変調における最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆ）を変えると、上述した同期検波の原理より、検波回路１７０の出力信号に含まれる周波数ｆｓあるいは２ｆｓの信号波形が変化し、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄが変化すると考えられる。そこで、図１１に示した左右非対称なＥＩＴ信号のモデルに対して、ＥＩＴ信号の強度は一定のまま、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆを変化させて、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄの変化の様子をシミュレーションで確認した。図１３は、シミュレーション結果を示す図である。図１３の各軸の単位は任意単位であり、横軸はロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄ、縦軸は最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆである。図１３のシミュレーション結果によれば、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄは、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの増加に対して単調増加する。
【００７７】
図１２のシミュレーション結果と図１３のシミュレーション結果より、ＥＩＴ信号の強度が変化しても、その変化の程度に応じて、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆを適切に変化させることで、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄを一定に維持することができると考えられる。特に、ＥＩＴ信号の非線形性の状態によっては、ＥＩＴ信号の強度の変化に応じて、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆを最適に変化させることで、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄをｆ１２／２からのずれがない状態（ＥＩＴ信号のピークを検出する状態）で一定に維持することができる場合もあると考えられる。図１４は、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄをｆ１２／２からのずれがない状態で一定に維持するための、最大周波数偏移（周波数デビエーション）ΔｆとＥＩＴ信号強度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。図１４のシミュレーション結果によれば、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆを、ＥＩＴ信号強度の増加に対してほぼ線形に増加させることで、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄを一定に維持することができる。
【００７８】
周波数変調回路１９０の周波数変調における最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆは、低周波発振器２００の発振信号の振幅Ａｓに比例するので、低周波発振器２００の発振信号の振幅を変えることで、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆを変えることができる。また、ＥＩＴ信号強度の変化は、光検出器１３０の検出信号（直流成分）のレベルの変化として現れる。従って、光検出器１３０の検出信号のレベルに応じて、図１４に示したような所定の対応関係に従って低周波発振器２００の発振信号の振幅を変化させることで、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄを一定に維持することができると考えられる。
【００７９】
そこで、本実施形態の原子発振器１では、振幅制御回路２１０を追加し、振幅制御回路２１０により、光検出器１３０の検出信号のレベルに応じて、所定の対応関係に従って低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御している。例えば、サンプル評価などで得られる実際のＥＩＴ信号に合致したモデルを作成して上述の各種シミュレーションを行い、ＥＩＴ信号強度を変数として、多項式近似により、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄを一定に維持するための最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を求める。そして、振幅制御回路２１０は、この最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式に従うように、低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御する。
【００８０】
なお、振幅制御回路２１０は、光検出器１３０の検出信号のレベルに応じて可変利得増幅器の利得を変えることで低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御するようにしてもよいし、光検出器１３０の検出信号のレベルに応じて可変アッテネーターの減衰量を変えることで低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御するようにしてもよい。
【００８１】
このように、本実施形態の原子発振器によれば、振幅制御回路２１０を設けることで、ＥＩＴ信号強度の変化によるロック周波数の変動分を、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの変化によるロック周波数の変動分で打ち消すことができるので、ＥＩＴ信号強度が変化してもロック周波数を一定に保持することができる。従って、従来よりも高い周波数安定度の原子発振器を実現することができる。特に、ロック周波数ｆｌｏｃｋｅｄ＝ｆ１２／２に維持するような最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの多項式が得られる場合は、従来よりも高い周波数精度と周波数安定度の原子発振器を実現することができる。
【００８２】
２−２．第２実施形態
第１実施形態の原子発振器では、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式が不変としていたが、製造条件のばらつき等に起因してサンプル間でＥＩＴ信号の特性が異なることが想定される。そこで、第２実施形態の原子発振器では、各サンプルのＥＩＴ信号の特性に応じて最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を補正する。
【００８３】
図１５は、第２実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１５に示すように、第２実施形態の原子発振器１では、図３に示した第１実施形態の原子発振器１に対して、補正回路２３０が追加されている。なお、第２実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態と同じであるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【００８４】
補正回路２３０は、振幅制御回路２１０による低周波発振器２００の発振信号の振幅制御に用いられる最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を補正する。例えば、設計段階では、多項式近似により、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式（多項式）を求めて、振幅制御回路２１０が当該多項式に従って低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御するように設計しておく。そして、各サンプルの検査時などに、実際のＥＩＴ信号の特性を評価し、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式を求める。補正回路２３０には、この最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式の情報を記憶させ、振幅制御回路２１０は、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式に従って、低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御する。例えば、書き込みが可能な不揮発性のメモリーに、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式（多項式）の各係数値、あるいは最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式（多項式）の各係数値と設計段階の式（多項式）の各係数値との差分を書き込むことで、補正回路２３０を構成することができる。前者の場合、振幅制御回路２１０は、不揮発性のメモリーに書き込まれた各係数値の多項式に従って、低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御する。後者の場合、振幅制御回路２１０は、不揮発性のメモリーに書き込まれた各係数値の差分から正しい係数値を求めて、当該正しい係数値の多項式に従って、低周波発振器２００の発振信号の振幅を制御する。
【００８５】
第２実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態と同じであるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【００８６】
なお、図１５の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、検波回路１７０は、それぞれ図１の光発生部１０、金属原子２０、光検出部３０、周波数制御部５０に相当する。また、図１５の振幅制御回路２１０と補正回路２３０による構成は、図１の最大周波数偏移制御部６０に相当する。また、図１５の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、周波数変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２２０による構成は、図１の制御信号生成部４０に相当する。また、図１５の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、低周波発振器２００、周波数変調回路１９０、周波数変換回路２２０は、それぞれ図１の発振信号生成部４２、変調信号生成部４４、周波数変調部４６、周波数変換部４８に相当する。
【００８７】
この第２実施形態の原子発振器によれば、サンプル毎に適切な最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を不揮発性のメモリーに記憶させておくことで、サンプル間のＥＩＴ信号の特性ばらつきを吸収することができるので、サンプルに依存せずに高い周波数安定度を確保できる。
【００８８】
２−３．第３実施形態
第２実施形態の原子発振器では、補正回路２３０を設けたことでサンプル間のＥＩＴ信号の特性ばらつき（初期ばらつき）を吸収することができる。しかし、経年変化により、ＥＩＴ信号の特性が変わると、これに応じて最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの正しい式も変わるので、第２実施形態の原子発振器では、時間の経過とともに、低周波発振器２００の発振信号の振幅制御の精度が低下することが考えられる。そこで、第３実施形態の原子発振器では、最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を書き換え可能に構成する。
【００８９】
図１６は、第３実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１６に示すように、第３実施形態の原子発振器１では、図１５に示した第２実施形態の原子発振器１に対して、設定変更回路２４０が追加されている。
【００９０】
設定変更回路２４０は、振幅制御回路２１０による低周波発振器２００の発振信号の振幅制御に用いられる最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式（具体的には各係数値）を書き換える。例えば、補正回路２３０の不揮発性メモリーを外部から書き換え可能にするインターフェース回路として構成される。設定変更回路２４０は、例えば、外部からクロック信号とシリアルデータ信号が入力され、書き込みアドレス、書き込みデータ（各係数値）、書き込み信号などを生成して不揮発性メモリーに出力する。
【００９１】
第３実施形態におけるその他の構成は、第１実施形態及び第２実施形態と同じであるため同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【００９２】
なお、図１６の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、検波回路１７０、設定変更回路２４０は、それぞれ図２の光発生部１０、金属原子２０、光検出部３０、周波数制御部５０、最大周波数偏移情報変更部７０に相当する。また、図１６の振幅制御回路２１０と補正回路２３０による構成は、図２の最大周波数偏移制御部６０に相当する。また、図１６の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、周波数変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２２０による構成は、図２の制御信号生成部４０に相当する。また、図１６の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、低周波発振器２００、周波数変調回路１９０、周波数変換回路２２０は、それぞれ図２の発振信号生成部４２、変調信号生成部４４、周波数変調部４６、周波数変換部４８に相当する。
【００９３】
この第３実施形態の原子発振器によれば、経年変化によりＥＩＴ信号の特性が変わっても、あらためて最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式を求めて不揮発性メモリーに記憶されている情報を更新することで、長期間にわたって高い周波数安定度を維持することができる。例えば、メンテナンスの際にＥＩＴ信号の特性を評価して最大周波数偏移（周波数デビエーション）Δｆの式の各係数値を求めて、不揮発性メモリーに記憶されている各係数値を更新すればよい。
【００９４】
３．変形例
本発明は本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。
【００９５】
３−１．変形例１
例えば、本実施形態の原子発振器１において、半導体レーザー１１０の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２（周波数ｆ２）にほぼ一致するように電流駆動回路１５０による駆動電流を制御するとともに、周波数変換回路２２０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ１２に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。あるいは、本実施形態の原子発振器１において、半導体レーザー１１０の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１（周波数ｆ１）にほぼ一致するように電流駆動回路１５０による駆動電流を制御するとともに、周波数変換回路２２０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ１２に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。前者のケースでは中心波長λ０がλ２に一致する（中心周波数ｆ０がｆ２に一致する）ように制御され、後者のケースでは中心波長λ０がλ１に一致する（中心周波数ｆ０がｆ１に一致する）ように制御される。
【００９６】
図１７（Ａ）は、前者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図であり、図１７（Ｂ）は、後者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図１７（Ａ）の場合は、ｆ１とｆ０の差ｆ１−ｆ０がΔＥ１２に相当する周波数にほぼ等しいので、周波数ｆ１の光と中心周波数ｆ０の光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。一方、図１７（Ｂ）の場合は、ｆ０とｆ２の差ｆ０−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数にほぼ等しいので、中心周波数ｆ０の光と周波数ｆ２の光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。
【００９７】
３−２．変形例２
また、例えば、図１８に示すように、図３に示した第１実施形態の原子発振器１を電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）を用いた構成に変形してもよい。図１８において、図１と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【００９８】
図１８に示す原子発振器１では、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２２０の出力信号（変調信号）による変調がかけられず、単一周波数ｆ０の光を発生させる。この周波数ｆ０の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）２５０に入射し、周波数変換回路２２０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図４と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。図１８の原子発振器１では、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）２５０による構成が図１の光発生部１０に相当する。
【００９９】
なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）２５０の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。
【０１００】
同様に、第２実施形態や第３実施形態の原子発振器を電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いた構成に変形してもよい。
【０１０１】
なお、本実施形態及び本変形例では原子発振器を例に挙げて説明したが、本発明は、原子発振器に限らず、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる様々な量子干渉装置に適用することができる。
【０１０２】
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、ガスセル１２０の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が変化するため、ガスセル１２０の近傍に磁気測定対象物を配置することで磁気センサーとして機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【０１０３】
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、極めて安定した金属原子の量子干渉状態（量子コヒーレンス状態）を作り出すことができるので、ガスセル１２０に入射する共鳴光対を取り出すことで、量子コンピュータ等に用いる光源として機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【０１０４】
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、半導体レーザー１１０とガスセル１２０の間の空間に微粒子が存在すると共鳴光対の可干渉性が低下してＥＩＴ信号の強度が低下するため、ＥＩＴ信号のプロファイルを解析することで、微粒子センサーとして機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【０１０５】
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】
【０１０６】
１  量子干渉装置、１ａ  原子発振器、１０  光発生部、１２  制御信号、２０  金属原子、３０  光検出部、４０  制御信号生成部、４２  発振信号生成部、４３  発振信号、４４  変調信号生成部、４５  変調信号、４６  周波数変調部、４８  周波数変換部、５０  周波数制御部、６０  最大周波数偏移制御部、７０  最大周波数偏移情報変更部、１１０  半導体レーザー、１２０  ガスセル、１３０  光検出器、１４０  検波回路、１５０  電流駆動回路、１６０  低周波発振器、１７０  検波回路、１７２  周波数発生源、１７４  ミキサー、１７６  ローパスフィルター、１８０  電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１９０  周波数変調回路、２００  低周波発振器、２１０  振幅制御回路、２２０  周波数変換回路、２３０  補正回路、２４０  設定変更回路、２５０  電気光学変調器（ＥＯＭ）
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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