(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴光による量子干渉効果を利用した原子発振器であって、
第１の基板と、
前記第１の基板の一方の面側に固定された第１の台座と、
前記第１の台座に固定され、前記第１の基板の一方の面に沿った方向に光を出射する端
面発光型のレーザダイオードと、
前記第１の基板の一方の面に固定されて、前記端面発光型のレーザダイオードから出射
した光が前記共鳴光として入射され、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルと
、
前記第１の基板の一方の面側に固定された第２の台座と、
前記第２の台座に固定されて、該ガスセルを通過した前記共鳴光を検出する光検出手段
と、
前記端面発光型のレーザダイオードの光の出射面と前記光検出手段の受光面とが前記ガ
スセルを介して対向する構成と、を備えたことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記基板の前記一方の面に固定されたスペーサと、
前記スペーサによって支持され、前記第１の台座が固定された第２の基板と、
前記スペーサによって支持され、前記第２の台座が固定された第３の基板と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第１の基板の前記一方の面に固定され、前記第１の台座および前記第２の台座を支
持するスペーサを備え、
前記第１の台座および前記第２の台座は基板であることを特徴とする請求項１記載の原
子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成する光学系の薄型化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を利用する際に、原子をガス状態に保つ必要があるため、原子を気密封入したガスセルを高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す)を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することにより、原子共鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。ここで、ＣＰＴを利用した原子発振器は、発光素子、ガスセル、及び受光素子を一体的に構成して光学系を形成している(特許文献1参照)。
【特許文献１】ＵＳ６８０６７８４Ｂ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に開示されている従来の光学系の構成では、図８に示すように発光素子３３、受動光学素子３４、ガスセル３５、及び受光素子３０が縦積みに配置されている。このため、最上面に配置した受光素子３０を電気的に接続するボンディングワイヤ３１が長くなり、モジュールの実装作業が複雑化するといった問題と、受光素子３０から得られる信号が微弱なため、ノイズの影響を受けやすくなりＳ／Ｎ特性が良くないといった問題があった。また、各部品を積み重ねるため、光学系の高さ寸法が大きくなり小型化、薄型化に対して不利であった。更に、各部品を積み重ねて、ボンディングワイヤ３１を接続した後に光学系の調整を行なうため、発光素子３３と受光素子３０の光軸がずれていた場合、或いは何れかの部品が不良の場合には、再度ボンディングワイヤ３１を取り外して、最初から部品の組付けを行なわなければならず、リペア、部品交換に時間が掛かり煩わしかった。
【０００４】
このような従来の課題を解決するために、図７のように、発光素子４２、ガスセル４３、及び受光素子４８を同一平面上の面方向に沿って順次配置し、ミラー４６とミラー４９により光を屈曲することにより、光学系を薄型化し、且つ各部品のリペア及び交換を容易にした光学系が提案されている。しかし、発光素子４２は一般的に面発光型のＶＣＳＥＬが使用されるため、ＶＣＳＥＬ固有の突然死と呼ばれる故障が起こる可能性が高かった。また、光の出射方向がガスセルの入射面に直交しない方向であるため、ミラー４６等の光学素子が必要となり、その分、光学系の高さが高くなり、且つ部品点数が多くなるため、それに伴う調整時間が長くなるといった問題がある。
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、発光素子として端面発光型のレーザダイオードを使用して発光素子の信頼性を高め、且つ、発光素子、ガスセル、及び受光素子を同一平面上の面方向に沿って順次配置することにより、小型化、薄型化を実現した光学系を備えた原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の光学系であって、前記各共鳴光を出射するコヒーレント光源と、該コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に前記各共鳴光を通過させるガスセルと、該ガスセルを通過した光を検出する光検出手段と、を備え、前記コヒーレント光源を端面発光型のレーザダイオードにより構成して前記各共鳴光を前記ガスセルに直接照射したことを特徴とする。
【０００７】
本発明の原子発振器は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。そして、本発明の光学系は、コヒーレント光源として、端面発光型のレーザダイオードを使用する。このレーザダイオードは、光の出射方向が水平なため、ミラー等の光学素子が不要となるので、光学系を更に小型化、薄型化することができる。また、面発光型素子のＶＣＳＥＬに比べて突然死といった故障が少なくなるので、信頼性が高くなる。
【０００８】
［適用例２］前記光検出手段を導波路型受光素子により構成したことを特徴とする。
【０００９】
端面発光型のレーザダイオードは光が水平方向に出射するため、光検出手段を同一平面上の面方向に沿って順次配置するためには、光検出手段の受光面も水平方向であることが必要である。そこで本発明では、光検出手段を導波路型受光素子により構成する。この導波路型受光素子は、光を導く導波路と光検出素子が一体的に構成された素子であり、その導波路に入射した光を光検出素子の受光面に導いて光を検出する。これにより、光学系を更に小型化、薄型化することができる。
【００１０】
［適用例３］前記コヒーレント光源と前記光検出手段とを対向配置したことを特徴とする。
【００１１】
端面発光型のレーザダイオード（コヒーレント光源）の出射面と導波路型受光素子（光検出手段）の受光面は夫々水平方向に配置されているので、夫々の面を対向するように配置する。これにより、光学系の高さは、コヒーレント光源と光検出手段の何れか高い方の高さとなり、光学系を極限まで薄型化することができる。
【００１２】
［適用例４］波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の光学系であって、前記各共鳴光を出射するコヒーレント光源と、該コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に前記各共鳴光を通過させるガスセルと、該ガスセルを通過した光の光路を変換する光路変換手段と、該光路変換手段により変換された光を検出する光検出手段と、を備え、前記コヒーレント光源を端面発光型のレーザダイオードにより構成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明はコヒーレント光源として端面発光型のレーザダイオードを使用し、光検出手段としては導波路型受光素子より低コストの従来の面受光型フォトダイオードを使用する。従って、水平方向に出射した共鳴光はそのままでは受光できないので、一旦ミラー等の光路変換手段により屈曲させてから光検出手段で受光する。これにより、従来の構成からミラーを１つ削減することができる。
【００１４】
［適用例５］前記光検出手段を前記コヒーレント光源と同一側に併置し、前記光路変換手段により変換された光を再び前記ガスセルに入射して、該ガスセルを再び通過した光を前記光検出手段により検出する構成としたことを特徴とする。
【００１５】
ガスセルを通過した光は、ガスセルの光路が長いほど、原子と光との相互作用が大きくなることでＳ／Ｎが良くなる。そこで本発明では、ガスセルを通過した光をミラー等の光路変換手段により屈曲させ、その光を再びガスセルに入射させる。これにより、ガスセルの光路が２倍となり信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００１６】
［適用例６］前記コヒーレント光源から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする。
【００１７】
光学系には、コヒーレント光源から出射された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや光の偏光状態を変える波長板といった受動光学素子が使用される。この受動光学素子は、ガスセルに入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本発明では、受動光学素子をコヒーレント光源とガスセルとの間に配置する。これにより、光を正確に光検出手段に入射させることができる。
【００１８】
［適用例７］前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする。
【００１９】
普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。
【００２０】
［適用例８］前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする。
【００２１】
セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子はマイクロ波遷移周波数が６．８ＧＨｚとセシウム原子の９．２ＧＨｚに比べ低いため使いやすい。よって、原子発振器の要求性能と利便性を考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
【００２２】
［適用例９］上記構成による光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。
【００２３】
コヒーレント光源として、端面発光型のレーザダイオードを使用することで、光学系を更に小型化、薄型化することができる。また、面発光型素子のＶＣＳＥＬに比べて突然死といった故障が少なくなるので、信頼性が高い原子発振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。この光学系１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器１００の光学系１であって、各共鳴光を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２から出射された光３を集光し、且つ平行光に補正する等の処理を行なう受動光学素子４と、受動光学素子４の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に各共鳴光を通過させるガスセル６と、ガスセル６を通過した光７を検出する光検出器（光検出手段）８と、光検出器８から検出された信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路９と、を備えて構成されている。尚、本発明の主旨は、原子発振器を構成する光学系の構成にあるので、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。
【００２５】
即ち、本実施形態の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している系において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、原子は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである（詳細は後述する）。そして、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２として、端面発光型のレーザダイオードを使用する。このレーザダイオードは、光の出射方向が水平なため、ミラー等の光学素子が不要となるので、光学系１を更に小型化、薄型化することができる。また、面発光型素子のＶＣＳＥＬに比べて突然死といった故障が少なくなるので、信頼性が高くなる。
尚、本実施形態のコヒーレント光は、レーザ光を使用している。レーザ光は波長の単色性がよく、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスがよい、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点でレーザ光は最適である。また、ガスセル６に使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムである。例えば、１次原子標準器に使われるセシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また２次標準器で使われるルビジウム原子は、マイクロ波遷移周波数がセシウム原子より低いため利便性がよく、これを使えば小型で低価格な原子発振器を実現できる。従って、金属原子に何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。なお、本実施例ではルビジウム、セシウムを用いたが、３準位系を持った原子であればどのような原子であっても構わない。
【００２６】
図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。原子発振器に用いられるルビジウムやセシウムの基底準位は、核スピンＩと電子の全角運動量Ｊとの相互作用による超微細構造により２種類の基底準位に分かれている。これらの基底準位の原子は光を吸収して、よりエネルギの高い準位へ励起する。また、図２の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を２光子共鳴と言う。図２において、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）は準位のエネルギが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）で波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）の周波数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致すると、図２の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位２１への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）のどちらかまたは両方の波長を変化させたときに、ガスセル３での光吸収（つまり励起準位２１への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。
【００２７】
図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系１ａの構成を模式化した図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１ａは、台座１０の上に設置された端面発光型レーザダイオード（コヒーレント光源）２、受動光学素子４、ガスセル６、及び台座１２の上に設置したフォトダイオード（導波路型受光素子：光検出器）８を基板１１上の面方向に沿って順次配置し、夫々の素子が図示しないボンディングワイヤにより基板１１に電気的に接続されている。尚、受動光学素子４は必ずしも必要なものではなく、省略しても構わない。
【００２８】
即ち、本実施形態の光学系１ａは、コヒーレント光源として、端面発光型のレーザダイオード２を使用する。このレーザダイオード２は、光の出射方向が水平なため、ミラー等の光学素子が不要となるので、光学系を更に小型化、薄型化することができる。また、面発光型素子のＶＣＳＥＬに比べて突然死といった故障が少なくなるので、信頼性が高くなる。また、端面発光型のレーザダイオード２は光３が水平方向に出射するため、フォトダイオード８を同一平面上の面方向に沿って順次配置するためには、フォトダイオード８の受光面も水平方向であることが必要である。そこで本実施形態では、フォトダイオード８を導波路型受光素子により構成する。この導波路型受光素子は、光を導く導波路と光検出素子が一体的に構成された素子であり、その導波路に入射した光を光検出素子の受光面に導いて光を検出する。これにより、光学系を更に小型化、薄型化することができる。また、端面発光型のレーザダイオード２の出射面とフォトダイオード８の受光面は夫々水平方向に配置されているので、夫々の面を対向するように配置することにより、光学系１ａの高さは、端面発光型のレーザダイオード２とフォトダイオード８の何れか高い方の素子の高さとなり、光学系１ａを極限まで薄型化することができる。
尚、フォトダイオード８に導波路型受光素子より低コストの従来の面受光型のフォトダイオード８ａを使用する場合は、図３（ｂ）のように、基板１３にフォトダイオード８ａを取り付けて、基板１３を台座１２に対して直角に設置する。
【００２９】
図４は本発明の第２の実施形態に係る光学系１ｂの構成を模式化した図である。同じ構成要素には図３と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１ｂは、台座１０の上に設置された端面発光型レーザダイオード（コヒーレント光源）２と、同じ台座１０の側面に設置したフォトダイオード（光検出器）８ａと、ガスセル６と、ミラー（光路変換手段）１４と、を備えて構成され、ミラー１４により反射された光を再びガスセル６に入射して、このガスセル６を再び通過した光３ａをフォトダイオード８ａにより検出する構成である。また、夫々の素子は図示しないボンディングワイヤにより基板１１に電気的に接続されている。尚、受動光学素子４は図示を省略している。
即ち、フォトダイオード８ａと端面発光型レーザダイオード２とをガスセル６に対して同一側に併置し、ミラー１４により光路変換された光を再びガスセル６に入射して、このガスセル６を再び通過した光３ａをフォトダイオード８ａにより検出する構成とした。ガスセル６を通過した光３は、ガスセル６の光路が長いほど、原子と光との相互作用が大きくなることでＳ／Ｎが良くなる。そこで本実施形態では、ガスセル６を通過した光３をミラー１４により反射させ、その光を再びガスセル６に入射させる。これにより、ガスセル６の光路が２倍となり信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００３０】
図５は本発明の第３の実施形態に係る光学系１ｃの構成を模式化した図である。同じ構成要素には図３と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１ｃは、台座１０の上に設置された端面発光型レーザダイオード（コヒーレント光源）２と、ガスセル６と、ミラー（光路変換手段）１４と、基板１１に設置したフォトダイオード（光検出器）８ａと、を備えて構成され、ミラー１４により反射された光をフォトダイオード８ａにより検出する構成である。また、夫々の素子は図示しないボンディングワイヤにより基板１１に電気的に接続されている。尚、受動光学素子４は図示を省略している。
即ち、本発明はコヒーレント光源として端面発光型のレーザダイオード２を使用し、光検出器としては導波路型受光素子より低コストの従来の面受光型フォトダイオード８ａを使用する。従って、水平方向に出射した共鳴光はそのままでは受光できないので、一旦ミラー１４により反射させてから面受光型フォトダイオード８ａで受光する。これにより、従来の構成からミラーを１つ削減することができる。
【００３１】
図６は本発明の第４の実施形態に係る光学系１ｄの構成を模式化した図である。同じ構成要素には図３と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１ｄは、基板１７上にＩＣ１８、１９等を搭載した回路基板にスペーサ５０を介して図３（ａ）の光学系１ａを搭載したものである。即ち、図３（ａ）の光学系１ａは、台座１０、１２により、基板１１の上面には空間が生じる。そこで、台座１０、１２の高さを短くして基板１５、１６に夫々端面発光型レーザダイオード２及びフォトダイオード８を設置し、基板１５、１６と基板１７をスペーサ５０により浮かすことにより、同じスペースに基板を２枚実装することが可能となる。スペースを有効に利用することにより、原子発振器として小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。
【図２】ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光学系１ａの構成を模式化した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光学系１ｂの構成を模式化した図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る光学系１ｃの構成を模式化した図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る光学系１ｄの構成を模式化した図である。
【図７】従来の光学系の構成を示す図である。
【図８】従来の光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  光学系、２  コヒーレント光源、３  共鳴光、４  受動光学素子、５  ガスセル、８  光検出器、９  周波数制御回路、１００  原子発振器
【図１】
0004952603.tif 000002
【図２】
0004952603.tif 000003
【図３】
0004952603.tif 000004
【図４】
0004952603.tif 000005
【図５】
0004952603.tif 000006
【図６】
0004952603.tif 000007
【図７】
0004952603.tif 000008
【図８】
0004952603.tif 000009