(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
原子ガスが封入された空洞部を有し、かつ当該空洞部に前記レーザ光源からの光が照射されるセルと、
前記セルに照射された光のうち前記セルを通過した光を受光する受光部と、
前記セル及び前記受光部を加熱するヒータと、を備え、
前記レーザ光源は前記セルの第１の面上に貼付され、前記受光部は、前記第１の面に対向する第２の面上に貼付され、
前記ヒータは、前記第２の面上に貼付され、前記受光部の少なくとも一部と接することを特徴とする原子周波数取得装置。
【請求項２】
前記セルは、２つの突起部を介して基板上に設置され、
前記第１の面は、前記基板に対向する面であり、
前記レーザ光源は方形であり、前記第１の面上の前記２つの突起部に挟まれた領域に貼付され、
前記受光部は方形であり、前記受光部と前記ヒータの厚さは略等しく、
前記ヒータは前記受光部の３辺に接する、請求項１に記載の原子周波数取得装置。
【請求項３】
前記レーザ光源および前記受光部は、エピタキシャルリフトオフ法により形成されたチップであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子周波数取得装置。
【請求項４】
前記レーザ光源は、面発光レーザの光源であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の原子周波数取得装置を備えた原子時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子周波数取得装置および原子時計に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子の固有振動数を基準として発振器の周波数制御を行う原子時計が、従来の水晶振動子に代わって様々な場面で利用されるようになっている。中でもＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）方式の原子時計は小型化、省電力化に適しており、今後携帯電話などへの適用も見込まれている。原子時計は、基板上で、原子ガスを封入するガスセルと、レーザ発光部および受光部の位置合わせが正確に行われていないと精度が悪くなる。この位置合わせ作業の煩雑さが、原子時計を組み込んだ電子機器の量産性を低下させる原因の１つとなっている。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，９００，７０２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５７０，４５９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、原子時計の小型化を図りつつ、量産性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の原子周波数取得装置は、レーザ光源と、原子ガスが封入された空洞部を有し、かつ当該空洞部に前記レーザ光源からの光が照射されるセルと、前記セルに照射された光のうち前記セルを通過した光を受光する受光部と、前記セルを加熱するヒータと、を備え、前記レーザ光源は前記セルの第１の面上に貼付され、前記受光部は、前記第１の面に対向する第２の面上に貼付され、前記ヒータは、前記第２の面上に貼付され、前記受光部の少なくとも一部と接するものである。
【０００６】
また、前記セルは、２つの突起部を介して基板上に設置され、前記第１の面は、前記基板に対向する面であり、前記レーザ光源は方形であり、前記第１の面上の前記２つの突起部に挟まれた領域に貼付され、前記受光部は方形であり、前記受光部と前記ヒータの厚さは略等しく、前記ヒータは前記受光部の３辺に接することが望ましい。
【０００７】
これにより、セルとレーザ光源と受光部が一体化されるので、装置の小型化が図れると共に、基板上にそれぞれの部品を別々に組み込まなくてよいため、部品同士の位置合わせをする必要がなく、装置の量産性を向上させることができる。また、前記レーザ光源には、例えば面発光レーザの光源を用いることができる。
【０００８】
前記レーザ光源および前記受光部は、エピタキシャルリフトオフ法により形成されたチップとすることができる。
【０００９】
本発明による原子周波数取得装置は、原子時計において時間標準周波数を取得するために用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は上面図である。原子周波数取得装置１００は、ＣＰＴ方式の原子時計の時間標準周波数発生システムとして用いられる。
図１および図２に示すように、原子周波数取得装置１００は、基板２００上に設置されたセル１１０、セル１１０の基板２００に対向する面（第１の面）１１２に貼付されたレーザダイオード（レーザ光源）１２０、面１１２に対向する面（第２の面）１１３に貼付されたフォトディテクタ（受光部）１３０を備えている。レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０は、配線（図示せず）によって駆動回路に接続されている。
【００１１】
セル１１０は、突起部１１４によって基板２００に設置されている。
セル１１０の外側は、光の透過部のみガラスで、他は例えば金属などで形成されており、内側のシリコン部分１１７中にキャビティ（空洞）１１１が形成されている。なお、シリコン部分１１７の代わりに、光の透過部をガラスで、その他の部分を金属などで形成してもよい。また、セルの材料としては、ガラスやシリコンの他にも、レーザダイオード１２０から発振されるレーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を透過するものを用いることができる。キャビティ１１１には、セシウム原子ガスが封入されている。
【００１２】
レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、エピタキシャルリフトオフ法（以下ＥＬＯ法と記す。）により形成されたチップである。ＥＬＯ法は、素子（レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０）を形成する際に、基板と素子との間にアルミニウム、ガリウム、ヒ素等で犠牲層を形成しておき、その犠牲層をエッチングすることで素子部分を基板から切り離す方法である。実施の形態１では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０をＥＬＯ法で製造し、両素子をＥＬＯチップとして得ることによりセル１１０に貼付する際に扱いやすくすることができる。
【００１３】
なお、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０の設置位置は逆であっても良い。すなわち、レーザダイオード１２０が面１１３に貼付され、フォトディテクタ１３０が面１１２に貼付されていてもよい。
レーザダイオード１２０はここではＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：垂直面発光レーザダイオード）である。
【００１４】
セル１１０の上面（面１１３）には、ヒータ３００が設置されている。ヒータ３００は配線（図示せず）によって駆動回路に接続されている。
ヒータ３００は、キャビティ１１１内の温度を一定（８０度〜１３０度）に保つための加熱ヒータであり、セル１１０内を加熱することにより、セシウム原子密度を増やし、レーザ光により励起される原子数を高めている。励起される原子数が増えることにより、感度が向上し原子周波数取得装置１００の精度があがる。
【００１５】
次に、原子周波数取得装置１００の動作について説明する。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図２（ａ）に示すように面１１２からセル１１０内部へ透過し、面１１３から外部へ透過してフォトディテクタ１３０に受光される。レーザ光はキャビティ１１１内を通過する間にキャビティ１１１内のセシウム原子を励起する。励起されたセシウム原子ガスを通過するレーザ光の強度が最大になる時のレーザ光の上側と下側のサイドバンド周波数差が、セシウム原子の固有周波数と一致する。よって、フォトディテクタ１３０に受光されるレーザ光の強度が最大となるように外部回路でフィードバック制御することにより、レーザダイオード１２０の変調周波数が調整される。
フィードバック制御系は、原子周波数取得装置１００に接続された制御回路およびローカルオシレータを備えて構成され、フォトディテクタ１３０の出力が制御回路を経由してローカルオシレータに供給されてフィードバック制御を行い、ローカルオシレータの発振周波数を上述のセシウム原子の固有周波数を基準として安定化している。
上記のようにして調整された発振周波数がローカルオシレータから取得され、原子時計の標準信号として利用される。
【００１６】
実施の形態１によれば、セル１１０とレーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０が一体化して形成されるので、原子周波数取得装置１００の小型化が図れると共に、基板２００上にそれぞれの部品を別々に組み込まなくてよいため、位置合わせをする必要がなく原子周波数取得装置１００の量産性を向上させることができる。
【００１７】
なお、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０の取り付け面は、互いに対向する面であればよく、面１１２，１１３に垂直な２面に貼付してもよい。
【００１８】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ’線での断面図、図４（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。実施の形態２では、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は共にセル１１０の上面（面１１３）に設置されている。
また、セル１１０は、シリコン部分１１７内に形成されたキャビティ１１１の壁面に反射面１１５，１１６（第１、第２の反射部）を有している。反射面１１５，１１６には金属膜等が形成されており、レーザ光を反射する。
反射面１１５は、レーザダイオード１２０から発振され、セル１１０に入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成されている。また、反射面１１６は、反射面１１５で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成されている。
【００１９】
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図４（ａ）に示すようにセル１１０内部へ透過し、反射面１１５で反射されて光路を９０度回転させ、反射面１１６で反射されて光路を再度９０度回転させた後、セル１１０の壁を透過してフォトディテクタ１３０に受光される。
【００２０】
実施の形態２も実施の形態１と同様に、セル１１０とレーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０が一体化して形成されるので、原子周波数取得装置１００の小型化が図れると共に、基板２００上にそれぞれの部品を別々に組み込まなくてよいため、位置合わせをする必要がなく原子周波数取得装置１００の量産性を向上させることができる。
また、実施の形態１よりも、セル１１０内の光路長を長く確保することができ、装置の精度を上げることが可能である。また、反射金属を形成することで、反射率があがり、装置の制度を上げることが可能である。
【００２１】
なお、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は共に面１１２に設置されていてもよい。この場合には、セル１１０のキャビティ１１１の形状は図４（ａ）とは上下逆となる。
【００２２】
また、キャビティ１１１の形状は図４（ａ）のような形状に限らず、レーザダイオード１２０から発振され、セル１１０に入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射する第２の反射部を有するものであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置の構造を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は原子周波数取得装置の上面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置の構造を示す斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、図３のＡ−Ａ’線での断面図、図４（ｂ）は原子周波数取得装置の上面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１００  原子周波数取得装置、１１０  セル、１１１  キャビティ、１１２，１１３  面、１１４  突起部、１１５，１１６  反射面、１１７  シリコン部分、１２０  レーザダイオード、１３０  フォトディテクタ、２００  基板、３００  ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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