(57)【要約】  ２つの異なるレーザ光源を利用する光学原子時計について記載する。源レーザは第１の光学共振器にロックされ、上記第１の光学的共振器は、源レーザに関してウィスパリングギャラリーモードをサポートし、複数の光波の混合によって源レーザ出力から光ハイパーパラメトリック側波帯を生成する。基準レーザは第２の光学共振器によって原子基準にロックされ、第１の光学共振器は基準レーザにロックされる。原子基準にロックされるものの、原子基準のクロック遷移とは無関係の波長から生成される、光ハイパーパラメトリック側波帯は、第１の光学共振器から出るように、又は原子による時間管理に有用なＲＦ信号を生成するように、連結される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的非線形性を示す光学的材料からなり、非線形光波混合の結果として複数の光ハイパーパラメトリック側波帯を生成するよう構成された、光学共振器；
第１の波長で動作する第１のレーザであって、光連結器によって前記光学共振器に光学的に連結され、前記光学共振器の前記光学的材料と相互作用することによって前記光ハイパーパラメトリック側波帯を生成するレーザ光を生成する、第１のレーザ；
前記第１のレーザを前記光学共振器にロックする、第１のロック機構；
原子又は分子クロック遷移を提供する原子又は分子を含む、原子基準デバイス；
前記原子又は分子クロック遷移に対応する第２の波長で動作する第２のレーザであって、第２のロック機構によって前記原子基準デバイスにロックされ、前記光学共振器と光学的に連通する、第２のレーザ；
前記光学共振器を前記第２のレーザにロックする、第３のロック機構；
前記光連結器によって前記光学共振器から出るように連結された光を受信する、光検出器であって、前記光ハイパーパラメトリック側波帯を、前記原子基準デバイスの前記原子又は分子遷移によって安定化されたＲＦ信号に変換するよう構成された、光検出器
を備える、光学原子時計。
【請求項２】
前記光学共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項３】
前記光学共振器の屈折率は、電位、温度及び圧力からなる群の少なくとも１つに応じて変化する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項４】
前記原子基準は蒸気セルであり、
前記蒸気セルは、ルビジウム及びセシウムからなる群から選択された基準原子を含む蒸気を内包する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項５】
前記原子基準は、原子トラップ、イオントラップ、及び固体状態原子トラップとして機能するドープされた固体状態マトリクスからなる群から選択されるトラップを含み、
前記トラップは、前記基準原子又はイオンを含む、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項６】
前記第２のロック機構は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を備える、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項７】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザよりも高い出力で動作する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項８】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザより長い波長で動作する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項９】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザより短い波長で動作する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項１０】
前記光学共振器は、少なくとも２つの共振器モードを有する、請求項１に記載の光学原子時計。
【請求項１１】
原子による時間管理に好適なＲＦ周波数を提供する方法であって、
前記方法は：
第１の波長で動作する第１のレーザを提供するステップであって、前記第１のレーザは、光学的非線形性を示す光学的材料からなる光学共振器に光学的に連結され、これにより、前記光学共振器によって複数の光ハイパーパラメトリック側波帯が生成され、また前記第１のレーザは前記光学共振器にロックされる、ステップ；
第２の波長で動作する第２のレーザを提供するステップであって、前記第２のレーザは、前記光学共振器と光学的に連通し、前記第２のレーザは原子基準にロックされ、前記原子基準は、原子又は分子クロック遷移を提供する原子又は分子を含み、また前記第２の波長は前記原子又は分子クロック遷移に対応する、ステップ；
前記光学共振器を前記第２のレーザにロックするステップ；
前記光ハイパーパラメトリック側波帯を、前記光学共振器から出るように連結し、前記光ハイパーパラメトリック側波帯を光検出器に向けるステップであって、前記光検出器は、前記光ハイパーパラメトリック側波帯を、前記原子基準の前記原子又は分子クロック遷移によって安定化されたＲＦ信号に変換するよう構成される、ステップ
を含む、方法。
【請求項１２】
前記光学共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光学共振器の屈折率は、電位、温度及び圧力からなる群の少なくとも１つに応じて変化する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記原子基準は蒸気セルであり、
前記蒸気セルは、ルビジウム及びセシウムからなる群から選択された原子を含む蒸気を内包する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記原子基準は、原子トラップ、イオントラップ、及び固体状態原子トラップとして機能するドープされた固体状態マトリクスからなる群から選択されるトラップを含み、
前記トラップは、前記基準原子又はイオンを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２のレーザは、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を備えるロック機構を用いて前記原子基準にロックされる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザよりも高い出力で動作する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザより長い波長で動作する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のレーザは、前記第２のレーザより短い波長で動作する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記光学共振器は、少なくとも２つの共振器モードを有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、原子時計、特に光学素子を組み込んだ原子時計である。
【０００２】
本出願は、２０１４年３月１９日出願の米国仮特許出願第６１／９５５，７０１号の利益を主張する。これらの、及び他の全ての参照される付帯資料は、その全体が参照により明細書に援用される。参照により援用される参照文献中の用語の定義又は用法が、本明細書において提供される該用語の定義とは一貫しないか、又は対照的である場合、本明細書において提供される該用語の定義が支配的なものであると見做される。
【背景技術】
【０００３】
以下の説明は、本発明の理解に有用であり得る情報を含む。ここで提供される情報のいずれが、従来技術であるか、若しくは本出願が請求する発明に関連すること、又は明示的に若しくは暗に参照されるいずれの刊行物が従来技術であることは、了解事項ではない。
【０００４】
原子時計は、周波数標準を生成するために特徴的な電子エネルギ遷移に頼るものであり、これは、経済的に重要な多数のデバイス及びシステム、特に全地球測位システムに必須の、極めて高精度の時間間隔測定を提供する。このような時計の同期ネットワークを用いて、国際原子時標準が生成され、これは、世界全体で従来の時間管理のために使用される協定世界時の基礎として機能する。
【０００５】
典型的な原子時計は、セシウム又はルビジウム原子において観察される超微細エネルギ遷移に対応するマイクロ波周波数を生成する、制御可能な電子発振器を利用する。適切な原子又は分子を内包する原子基準セル（例えば蒸気セル）による、放出されたマイクロ波の吸収は、上記電子発振器を調整して上記放出された周波数を固定する制御ループのためのフィードバックを提供する。これは概念的には比較的簡潔であるが、実際には、電子発振器の初期安定化のための補正、他の電子遷移によって生成された周波数、及び温度変化等の環境要因により、このような原子時計の設計及び動作は大幅に複雑となる。
【０００６】
より最近では、光周波数をベースとする原子時計が開発されている。例えば特許文献１（サヴェヘンコフら）は、レーザ出力が、調律可能な光学共振器及び原子基準の両方に連結された、光学原子時計を記載している。本明細書に記載の全ての刊行物は、個々の刊行物又は特許出願それぞれが参照によって援用されることが具体的にかつ独立して示されているのと同程度に、参照によって援用される。援用される参照文献中の用語の定義又は用法が、本明細書において提供される該用語の定義とは一貫しないか、又は対照的である場合、本明細書において提供される該用語の定義が適用され、参照文献における該用語の定義は適用されない。このようなアプローチにおいては、原子基準によるレーザ出力の吸収が、上記調律可能な光学共振器を安定化させるためのフィードバックループの一部を形成する。安定化された光学共振器は、レーザ出力の非線形光波混合により、原子基準に対して安定化された光コムを提供する。続いて、この安定化された光コムを用いて、ＲＦ信号を生成する。しかしながらこのような設計では、使用される波長は、光学共振器及び原子基準の両方に適合するものに必然的に限定される。
【０００７】
従って、光学共振器の安定化と光コムの生成とが分離された光学原子時計に対する需要が依然として存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願第２０１３／０００３７６６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の主題は、調律可能な光学共振器を用いて、非線形光波混合によって、第１のレーザの出力から光パラメトリック側波帯を生成する、装置、システム及び方法を提供する。異なる周波数で動作する第２のレーザを設け、これは原子基準にロックされる。上記調律可能な光学共振器は、上記第２のレーザの出力にロックされる。このようにして、第１の波長で動作する第１のレーザの出力から生成された光パラメトリック側波帯は、第２の波長で動作する第２のレーザによって、原子基準のクロック遷移に間接的にロックされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の概念の一実施形態は、光学共振器（例えばウィスパリングギャラリーモード共振器）を含む光学原子時計であり、上記光学共振器は、光学的非線形性を示し、かつ結果として得られる非線形光波混合から２つ以上の光パラメトリック側波帯を生成できる、光学的材料で作製される。上記光学共振器は、（例えば熱、圧力及び／又は電位の印加によって）調律可能である。第１のレーザは上記光学共振器に光学的に連結され、好適なロック機構によって上記光学共振器にロックされる。この第１のレーザは、上記光パラメトリック側波帯を生成するために上記光学共振器が使用できる第１の波長で動作する。上記光学共振器は第２のレーザにロックされる。この第２のレーザは、（例えばＰｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を含む機構を利用して）原子基準にロックされ、原子基準内に保持されている種によって発生する原子又は分子クロック遷移に対応する第２の波長で動作する。好適な原子基準は、蒸気セルを含み、例えば基準種としてセシウム又はルビジウムを内包できる。他の好適な原子基準としては、トラップ（例えば原子トラップ、イオントラップ、及び／又は固体状態原子トラップとして機能するドープされた固体状態マトリクス）が挙げられ、上記トラップは、好適な基準原子又はイオンを含む。いくつかの実施形態では、第２のレーザはまた、光学共振器と光学共振器に連通し、光学共振器は２つ以上の共振器モードをサポートできる。得られる光パラメトリック側波帯は、光検出器が受信し、上記光検出器は、原子基準内で発生する原子又は分子クロック遷移によって安定化された上記光パラメトリック側波帯を、ＲＦ信号に変換する。いくつかの実施形態では、第１のレーザは、第２のレーザよりも短い波長の出力を生成する。他の実施形態では、第１のレーザは、第２のレーザよりも長い波長の出力を生成する。
【００１１】
本発明の概念の別の実施形態は、原子時計を提供する方法である。このような実施形態では、光学共振器（例えばウィスパリングギャラリーモード共振器）が提供され、上記光学共振器は、光学的非線形性を示し、かつ結果として得られる非線形光波混合から２つ以上の光パラメトリック側波帯を生成できる、光学的材料で作製される。上記光学共振器は、（例えば熱、圧力及び／又は電位の印加によって）調律可能である。また、第１のレーザが提供され、これは上記光学共振器に光学的に連結され、好適なロック機構によって上記光学共振器にロックされる。この第１のレーザは、上記光パラメトリック側波帯を生成するために上記光学共振器が使用できる第１の波長で動作する。また、第２のレーザが提供され、上記光学共振器はこの第２のレーザにロックされる。この第２のレーザは、（例えばＰｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を含む機構を利用して）原子基準にロックされ、原子基準内に保持されている種によって発生する原子又は分子クロック遷移に対応する第２の波長で動作する。好適な原子基準は、蒸気セルを含み、例えば基準種としてセシウム又はルビジウムを内包できる。他の好適な原子基準としては、トラップ（例えば原子トラップ、イオントラップ、及び／又は固体状態原子トラップとして機能するドープされた固体状態マトリクス）が挙げられ、上記トラップは、好適な基準原子又はイオンを含む。いくつかの実施形態では、第２のレーザはまた、光学共振器と光学共振器に連通し、光学共振器は２つ以上の共振器モードをサポートできる。このようにして生成された光パラメトリック側波帯は、光検出器が受信し、上記光検出器は、原子基準内で発生する原子又は分子クロック遷移によって安定化された上記光パラメトリック側波帯を、ＲＦ信号に変換する。いくつかの実施形態では、第１のレーザは、第２のレーザよりも短い波長の出力を生成する。他の実施形態では、第１のレーザは、第２のレーザよりも長い波長の出力を生成する。
【００１２】
発明の主題の様々な目的、特徴、態様及び利点は、添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、より明らかになるだろう。図面では同様の数字は同様の構成部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の概念のデバイスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の概念は、調律可能な光学共振器を用いて、第１のレーザの第１の波長の出力から、非線形光波混合によって、光パラメトリック側波帯を生成する、装置、システム及び方法を提供する。第２のレーザも設けられ、これは光学共振器をロックするために使用される。上記第２のレーザは、第１のレーザとは異なる周波数で動作でき、上記第２のレーザの周波数に対応する原子又は分子クロック遷移を提供する原子基準にロックされる。その結果として、第１のレーザの出力から生成された光パラメトリック側波帯は、原子基準の電子クロック遷移に間接的にロックされるが、第１のレーザが生成する第１の波長は、上記原子又は分子クロック遷移に対応する必要はない。このように生成された光パラメトリック側波帯を利用して、原子クロックとして機能できる特徴的な、高い再現性を有する周波数を有するＲＦ信号を生成できる。
【００１５】
原子クロックの特徴となるＲＦ信号を生成するために使用される周波数から、原子又は分子クロック遷移に対応する周波数を分離することにより、従来技術に比べて遥かに高い設計の柔軟性がもたらされる。というのは、光学共振器のモードを原子又は分子クロック遷移に適合させる必要がないためである。
【００１６】
いくつかの実施形態では、本発明の特定の実施形態を説明及び請求するために使用される、成分の量を表す数、濃度等の特性、反応条件等は、いくつかの例では、用語「約（ａｂｏｕｔ）」によって修飾されているものとして理解されるものとする。従っていくつかの実施形態では、本説明及び添付の請求項中に挙げられている数的パラメータは概算値であり、これは、ある特定の実施形態が得たい所望の特性に応じて変更できる。いくつかの実施形態では、上記数的パラメータは、報告される有効桁数を考慮し、通常の丸め技法を適用することによって解釈されるものとする。本発明の幅広い範囲のいくつかの実施形態に挙げられている数値範囲及びパラメータは概算値であるにもかかわらず、具体的な例に挙げられる数値は、実行できる程度に正確なものとして報告されたものである。本発明のいくつかの実施形態において提示される数値は、各試験測定において見られる標準偏差に必然的に起因する一定の誤差を含み得る。
【００１７】
本明細書中の説明において、及び以下の特許請求の範囲全体を通して使用される場合、「ある（ａ、ａｎ）」及び「上記（ｔｈｅ）」の意味は、そうでないことが文脈によって明らかに規定されている場合を除いて、複数に対する参照も含む。また本明細書中で使用される場合、「・・・内の（ｉｎ）」は、そうでないことが文脈によって明らかに規定されている場合を除いて、「・・・内の（ｉｎ）」及び「・・・上の（ｏｎ）」を含む。
【００１８】
そうでないことが文脈によって規定されている場合を除いて、本明細書中で挙げられる全ての範囲は、その端点を含むものとして解釈されるものとし、また非制限的な範囲は、商業上実用的な値を含むものとして解釈されるものとする。同様に、複数の値のリストは全て、そうでないことが文脈によって示されている場合を除いて、中間値を含むものと見做されるものとする。
【００１９】
本明細書に記載の値の範囲の記載は単に、該範囲内の個々の値それぞれに対して個別に言及するための簡略化された方法として機能することを意図したものである。そうでないことが本明細書中で示されている場合を除いて、ある範囲を有する独立した値はそれぞれ、本明細書中で個別に挙げられているかのように、本明細書に組み込まれる。本明細書に記載の全ての方法は、そうでないことが本明細書中で示されている場合を除いて、又は文脈によって明確に否定されている場合を除いて、いずれの好適な順序で実施できる。本明細書中の特定の実施形態に関して提供されるいずれの及び全ての例又は例示を意味する表現（例えば「・・・等（ｓｕｃｈ  ａｓ）」）の使用は、単に本発明を更に明らかにすることを意図したものであり、そうでないことが請求されている場合を除いて、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書中のいずれの表現は、本発明の実施に必須のいずれの請求されていない要素を指示するものとして解釈されるものとする。
【００２０】
本明細書において開示される本発明の代替的な要素又は実施形態のグループ分けは、限定として解釈してはならない。各グループの構成要素は、個別に、又は本明細書中に見られる該グループの他の構成要素、若しくは他の要素とのいずれの組み合わせにおいて、言及及び請求できる。あるグループの１つ又は複数の構成要素は、利便性及び／又は特許性のために、該グループに含むことができ、又は該グループから削除できる。いずれのこのような包含又は削除が実施される場合、明細書は本出願において、該グループを、修正されたことによって、添付の特許請求の範囲において使用される全てのマーカッシュ形式のグループの記載を満たすものとして包含するものと見做される。
【００２１】
以下の議論は、発明の主題の多数の例示的実施形態を提供する。各実施形態は、複数の発明的要素の単一の組み合わせを表すが、発明の主題は、開示されている複数の発明的要素の全ての可能な組み合わせを含むものと見做される。従って、ある実施形態が要素Ａ、Ｂ及びＣを含み、第２の実施形態がＢ及びＤを含む場合、発明の主題は、明示的に開示されていなくても、Ａ、Ｂ、Ｃ又はＤの残りの他の組み合わせも含むものと見做される。
【００２２】
本明細書中で使用される場合、かつそうでないことが文脈によって規定されている場合を除いて、用語「・・・に連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」は、（互いに対して連結された２つの要素が互いに接触する）直接的な連結、及び（上記２つの要素間に少なくとも１つの追加の要素が配置される）間接的な連結の両方を含むことを意図したものである。従って用語「・・・に連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｏ）」及び「・・・と連結された（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗｉｔｈ）」は同義として使用される。
【００２３】
本発明の概念のデバイスの例を、図１に概略的に示す。図示されているように、デバイス１００は源レーザ１０５を含み、これは光路１０７に沿って第１の波長（λ１）の出力を提供する。源レーザ１０５は、所望のＲＦ周波数のベースとして機能できる第１の波長を生成するために好適ないずれのレーザ、例えば公称出力１５５０ｎｍのダイオードレーザとすることができる。光路１０７は調律可能な光学共振器１１０に向けられ、上記調律可能な光学共振器１１０には、源レーザ１０５の出力の少なくとも一部が連結される。このような調律可能な光学共振器１１０は、少なくとも部分的に、複数の光波の混合をサポートする光学的非線形性を示す材料で構成できる。本発明の概念の好ましい実施形態では、上記調律可能な光学共振器１１０は、三次非線形性をもたらし、かつ４つの光波の混合をサポートする材料（ＭｇＦ２等）で構成される。調律可能な光学共振器１１０は、環境要因（圧力、温度及び／又は電位等）に応じて屈折率が変化することによって、光学共振器１１０の調律を可能とする材料で構成できる。この目的のために、光学共振器１１０を変換器１１２に連結（例えば熱的に連結、電気的に連結、又は物理的に連結）でき、上記変換器１１２によって光学共振器１１０の局所的環境を改変できる。例えば変換器１１２は、光学共振器１１０に熱的に連結されて、光学共振器の屈折率を改変するにあたって有効となるために十分な熱を提供できる、抵抗素子とすることができる。別の例では、変換器１１２は、共振器１１０の表面に接触して、屈折率の変化を誘発するにあたって有効となるために十分な圧力を共振器１１０に印加できる、圧電デバイスとすることができる。更に別の例では、変換器１１２は、共振器１１０に電気的に連結されて、屈折率の変化を誘発するために十分な電位を提供できる、電極とすることができる。このような電極は光学共振器の表面に接触する電極の形態とすることができ、あるいは、製造プロセス中に光学共振器に適用される、ある面積の導電性フィルムの形態とすることができる。いくつかの実施形態では、２つ以上の変換器を設けることができる。このような実施形態では、変換器は、光学共振器の屈折率を変化させるために、同一の又は異なる複数のモードを利用できる。他の実施形態では、本発明の概念の光学共振器の屈折率を変化させるにあたって有効な２つ以上の環境的刺激を同時に又は順次提供できる、単一の複数モード変換器を設ける。例えばこのようなマルチモード変換器は、熱エネルギ及び電位の両方を順次又は同時に提供するよう構成できる。
【００２４】
本発明の概念の好ましい実施形態では、光学共振器１１０は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である。このようなウィスパリングギャラリーモード共振器は、軸対称性を有することができ、その周りでウィスパリングギャラリーモードの光波が移動する。この目的のために、外側表面は対称軸に向かって湾曲させることができる。例えば、好適なウィスパリングギャラリーモード共振器は、球体、卵型、リング及び／又は円環体の形態とすることができ、１つ又は複数のウィスパリングギャラリーモードをサポートするように寸法設定できる。いくつかの実施形態では、ウィスパリングギャラリーモード共振器は、対称軸の周りに突出領域を含むことができ、これは上記共振器のウィスパリングギャラリーモードにおいてトラッピングされる光を閉じ込める働きをする。
【００２５】
本発明の概念のウィスパリングギャラリーモード共振器は、いずれの好適な材料から構成できる。好適な材料としては、結晶質及び非結晶質の物質が挙げられる。このような好適な材料の例としては、ガラス、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）及びフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）が挙げられる。
【００２６】
本発明の概念のウィスパリングギャラリーモード共振器は、１つ又は複数の所望の波長の１つ又は複数のウィスパリングギャラリーモードをサポートするサイズ、構成及び組成を有する。ある例示的実施形態では、公称出力１５５０ｎｍの源レーザと共に使用するための好適な共振器は、７ｍｍのＭｇＦ２リング状共振器とすることができる。このような実施形態では、例えば光学共振器の材料内での後方散乱によって、光学共振器１１０内の反対方向に伝播するλ１光波を生成できる。あるいは、共振器１１０内又は共振器１１０の表面特徴部分内に意図的に導入された含有物によって、反対方向に伝播する光波を生成できる。好ましい実施形態では、上記反対方向に伝播する光波の少なくとも一部分は、共振器１１０を出るように連結され、光路１０７に沿って戻るように配向され、これによって（例えば光注入によって）源レーザ１０５を光学共振器１１０にロックする。
【００２７】
図１に示すように、第２の又は基準レーザ１１５が設けられ、これは光路１１７に沿って第２の波長（λ２）のレーザビームを生成する。このような基準レーザ１１５は、所望の原子基準に適合した、またいくつかの実施形態では共振器１１０のウィスパリングギャラリーモードに適合した、出力波長を生成するために好適ないずれのレーザ源とすることができる。好ましい実施形態では、基準レーザはＤＦＢレーザであり、これは例えば、（ルビジウム電子（クロック）遷移に対応する）７９５ｎｍの公称出力を提供できる。光路１１７上の光の少なくとも一部分は、第２の調律可能な光学共振器１２０に連結される。
【００２８】
好ましい実施形態では、光学共振器１２０はウィスパリングギャラリーモード共振器であり、いずれの好適な構成（例えば球体、卵型、リング又は円環）を有することができる。例えば、７９５ｎｍの公称出力を有するＤＦＢ基準レーザと共に用いる場合、好適な光学共振器は、直径２〜３ｍｍのリング状共振器とすることができ、５００ｋＨｚまで負荷を与えることができる。調律可能な光学共振器１２０は、変換器１２２に連結され、上記変換器１２２は（上述の）変換器１１２と同様に機能して、光学共振器１２０の屈折率の変化を誘発する。本発明の概念の好ましい実施形態では、共振器１２０はウィスパリングギャラリーモード共振器である。光学共振器１２０に向けられた光の少なくとも一部分は、光路１２５に沿って、光学共振器を出るように連結され、上記一部分はこの光路１２５に沿ってビームスプリッタ１２７へと向けられ、上記ビームスプリッタ１２７は、入射する光を光路１３０及び１４７に分割する。光路１３０は、第２のビームスプリッタ１３５に向けられ、これは光を原子基準１３７へ、及び原子基準１３７から配向する。
【００２９】
様々な原子基準が利用可能であり、本発明の概念の原子基準として機能できる。例えば好適な原子基準は、λ２によって提供されるエネルギに対応する電子遷移（即ちクロック遷移）を提供する原子又は分子を内包する上記セルとすることができる。あるいは原子基準は、原子又は分子トラップを含むことができる。好適なトラップとしては、原子トラップ、イオントラップ及び固体状態原子トラップ（例えばドープされた固体状態マトリクス）が挙げられる。原子基準内に又は原子基準によって局在化された原子又は分子は、クロック遷移として機能するための、適切な大きさ及び再現性の電子遷移を提供するいずれの種、例えばセシウム、ルビジウム、イッテルビウム及び／又は水素等とすることができる。
【００３０】
ビームスプリッタ１３５から受け取る光の選択的な吸収により、ビームスプリッタ１３５によって光検出器１４０に向けられる戻りビームが生成される。光検出器１４０からの出力は、光学共振器１２０を原子基準１３７にロックする制御信号１４５を変換器１２２に供給するために使用される。変換器１２２を出るように連結されて光路１１７に沿って戻る光は、基準レーザ１１５の出力を原子基準１３７にロックする役割を果たす。本発明の概念の好ましい実施形態では、制御信号１４５は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を含むデバイスを用いて生成される。
【００３１】
基準レーザ１１５からの光は、ビームスプリッタ１２７によって光路１４７に沿って配向され、光路１５２に沿ってダイクロイックミラー１５０を通過する。光路１５２上を移動する光の少なくとも一部分は、光学共振器１１０へと連結される。このような実施形態では、光学共振器１１０は、λ１及びλ２に対応する少なくとも２つの共振器モードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器とすることができることを理解されたい。共振器１１０へと連結された光の少なくとも一部分は、光路１５５に沿って上記共振器を出るように、光検出器１５７へと連結される。いくつかの実施形態では、基準レーザ１１５からの光が光路１５５に沿って移動することを選択的に可能とするデバイス、例えば基準レーザ１１５からの光が光検出器１５７に到達することを選択的に可能とする光フィルタ、光学格子及び／又はダイクロイックミラーが含まれる。光検出器１５７からの出力を利用して制御信号１６０が生成され、この制御信号１６０は、変換器１１２を制御することによって、共振器１１０を基準レーザにロックするために使用され、上記基準レーザは原子基準１３７にロックされる。本発明の概念のいくつかの実施形態では、制御信号１６０は、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｉｖｅｒ−Ｈａｌｌ回路を含むデバイスを用いて生成される。これは、λ１で動作する源レーザ１０５を、これとは別個の独立したλ２に対応するクロック遷移を有する原子基準１３７に間接的にロックできることを理解されたい。これにより、光学原子時計の設計及び実装における基準レーザ、源レーザ及び原子基準の選択に、かつてない柔軟性が提供される。
【００３２】
源レーザ１０５からの出力を制御することによって、複数の光波の混合によって光学共振器１１０内で光ハイパーパラメトリック側波帯を生成するために十分な光強度を提供でき、上記光波混合は例えば光コムを生成できる。例えば公称出力１５５０ｎｍの源レーザと、公称出力７９５ｎｍのルビジウム原子基準安定化基準レーザとを利用して、７ｍｍのＭｇＦ２リング状ウィスパリングギャラリーマルチモード共振器に、７９５ｎｍにおいて約７０ｋＨｚまで、及び１５５０ｎｍにおいて約３００ｋＨｚまで、ＴＭモードの負荷を与えることができる。このような光ハイパーパラメトリック側波帯は、光学共振器１１０を出るように連結され、光路１５２に沿ってダイクロイックミラー１５０へと向けられる。ダイクロイックミラー１５０はこれらの光ハイパーパラメトリック側波帯を光検出器１６５へと反射し、光検出器１６５の出力は、原子による時間管理のために有用なＲＦ信号１６７を生成するために使用できる。
【００３３】
本発明の概念の別の実施形態は、原子による時間管理のために有用なＲＦ信号を生成するための方法である。このような方法では、源レーザが設けられ、これは、好ましくは複数の共振器モードを有するウィスパリングギャラリーモード共振器である、第１の調律可能な光学共振器に光学的に連結される。上記源レーザによって放出される光は上記第１の光学共振器に入射し、いくつかの実施形態では、（例えば後方散乱によって）上記第１の共振器内で生成された、反対方向に伝播する光波は、共振器を出るように連結され、源レーザへと戻される。このような戻り光は、例えば光注入によって、源レーザを第１の光学共振器に連結する役割を果たすことができる。
【００３４】
第２の又は基準レーザも設けられ、これは源レーザの光とは別個の波長の光を提供できる。本発明の概念のいくつかの方法では、基準レーザによって提供される光は、源レーザの光より波長が長い。他の実施形態では、基準レーザによって提供される光は、源レーザの光より波長が短い。基準レーザからの光は、ウィスパリングギャラリーモード共振器であってよい第２の光学共振器に向けられ、上記第２の光学共振器へと連結される。この光は、分割されたビームとして上記第２の光学共振器を出るように連結でき、上記分割されたビームの一部分は原子基準へと向けられる。基準レーザによって放出される波長は、原子基準の原子又は分子種の電子遷移（即ちクロック遷移）に対応するように選択される。原子基準に向けられた基準レーザからの光の少なくとも一部の吸収は、光検出器によって検出され、上記光検出器は、第２の光学共振器を制御するために使用される信号を提供する。これは、第２の光学共振器に接触するか、又はその他の様式で連通する変換器に向けられる、制御信号を提供することによって、達成できる。例えば、加熱、圧力の印加、電位の印加又はこれらの組み合わせによって第２の光学共振器の屈折率を改変する制御信号を提供できる。これを実施することにより、第２の光学共振器は原子基準に連結された状態となる。
【００３５】
第２の光学共振器における光の少なくとも一部を、共振器を出るように連結して基準レーザへと戻すことによって、（例えば光注入によって）基準レーザを第２の光学共振器にロックできる。これを実施することにより、基準レーザは、第２の光学共振器を光学的基準にロックすることによって、原子基準にロックされた状態となる。これにより、原子基準に対する、原子レーザの出力の安定化が得られる。
【００３６】
上述のように、第２の光学共振器から出るように連結された上記光の一部分は、ビームスプリッタに向けられ、上記ビームスプリッタは上記光の一部分を原子基準に向ける。この光の別の部分は、ダイクロイックミラーへと向けられ、上記光の別の部分はこのダイクロイックミラーを通過して、第１の光学共振器へと連結される。第１の光学共振器に関して、源レーザ出力及び基準レーザ出力の両方に関してウィスパリングギャラリーモードをサポートすることが有利であることを理解されたい。
【００３７】
続いて、基準レーザからの光の少なくとも一部分は、第１の光学共振器を出るように連結され、第２の光検出器へと向けられ、上記第２の光検出器の出力を用いて、第１の光学共振器に向けられる第２の制御信号が生成される。これは、第２の制御信号を、第１の光学共振器に接触するか、又はその他の様式で連通する変換器に向けることによって、達成できる。例えば、加熱、圧力の印加、電位の印加又はこれらの組み合わせによって第１の光学共振器の屈折率を改変する制御信号を提供できる。これを実施することにより、第１の光学共振器は、源レーザからの出力とは独立した様式で、原子基準に間接的に連結された状態となる。
【００３８】
上述のように、第１の光学共振器は、光学的非線形性（例えば三次非線形性）を示す材料で構成できる。これにより、複数の光波の混合によって光学共振器が十分に光学的な負荷を与えられた場合に、光ハイパーパラメトリック側波帯を生成できる。例えば、三次非線形性を示す材料（例えばＭｇＦ２）で構成された第１の光学共振器は、源レーザからの好適な光学的負荷を受けた場合に、源レーザの出力に基づいて、光ハイパーパラメトリック側波帯を生成できる。このような光パラメトリック側波帯は、第１の光学共振器を出るように連結でき、ダイクロイックミラーへと戻るように配向できる。ダイクロイックミラーから光検出器への光ハイパーパラメトリック側波帯の反射は、ＲＦ信号を提供でき、上記ＲＦ信号は原子又は分子クロック遷移を間接的にロックするが、このようなクロック遷移に対応する源波長から生成された光ハイパーパラメトリック側波帯から発生するものではない。
【００３９】
本明細書中の発明的概念から逸脱することなく、上述のもの以外に更に多数の修正が可能であることは、当業者には明らかであろう。従って発明の主題は、添付の特許請求の範囲において以外に制限されないものとする。更に、明細書及び特許請求の範囲の両方を解釈するにあたり、全ての用語は、文脈と矛盾しない可能な限り広範な意味で解釈されるものとする。特に用語「・・・を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「・・・を備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、要素、構成部品又はステップに、非排他的な様式で言及するものと解釈されるものとし、これは即ち、言及された要素、構成部品又はステップが、明示的に言及されていない他の要素、構成部品若しくはステップと共に存在してよく、又は上記他の要素、構成部品若しくはステップと共に利用でき、又は上記他の要素、構成部品若しくはステップと組み合わせることができることを示している。明細書及び特許請求の範囲が、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・及びＮからなるグループから選択されるもののうちの１つ又は複数に言及している場合、その文は、上記グループから要素を１つだけ要求し、Ａ及びＢ、又はＢ及びＮ等を要求しないものとして解釈されるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１００  デバイス
１０５  源レーザ
１０７  光路
１１０  光学共振器
１１２  変換器
１１５  第２の又は基準レーザ
１１７  光路
１２０  第２の調律可能な光学共振器
１２２  変換器
１２５  光路
１２７  ビームスプリッタ
１３０  光路
１３５  第２のビームスプリッタ
１３７  原子基準
１４０  光検出器
１４５  制御信号
１４７  光路
１５０  ダイクロイックミラー
１５２  光路
１５５  光路
１５７  光検出器
１６０  制御信号
１６５  光検出器
１６７  ＲＦ信号
【図１】
2017514111.tif 000003
【国際調査報告】
2017514111.tif 000004
2017514111.tif 000005