(57)【要約】【課題】複数の受光素子を発光素子と同一側に併置し、複数の受光素子を電気的に接続するボンディングワイヤを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＥＩＴ信号レベルを大きくしてＳ／Ｎを改善した光学系を備えた原子発振器を提供する。【解決手段】この光学系１は、共鳴光３を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置され共鳴光３を少なくとも２つの光路５、６に導く導光手段４と、導光手段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、この金属原子ガス中に導光手段４により導かれた共鳴光５、６を通過させるガスセル７と、ガスセル７を通過した各共鳴光５、６を夫々検出する光検出器（光検出手段）１０、１１と、光検出器８、９から検出された信号を合成する合成回路１０と、合成回路１０の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１１と、を備えて構成されている。【選択図】図１
2009182562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記各共鳴光を２つの光路に導く導光手段と、
前記導光手段により導かれた各光路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該導光手段により導かれた共鳴光を通過させるガスセルと、
前記ガスセルを通過した各透過光を夫々検出する複数の光検出手段と、
を備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
【請求項２】
前記導光手段は、前記コヒーレント光源から出射した共鳴光を２つの光路に分岐して一方の共鳴光を前記ガスセルに導き他方の共鳴光を通過させる分岐手段と、該分岐手段により分岐された前記他方の共鳴光を前記ガスセルに導く光路変換手段と、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の光学系。
【請求項３】
前記複数の光検出手段と、前記コヒーレント光源とを同一基板上の同一側に併置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
【請求項４】
前記ガスセルを通過した各透過光を前記複数の光検出手段に導く光路変換手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項５】
前記複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項６】
前記分岐手段は、ビームスプリッタ、又はハーフミラーであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項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請求項１に記載の原子発振器の光学系。
【請求項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請求項１に記載の原子発振器の光学系。
【請求項９】
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導光手段との間に配置したことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器の光学系に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成する光学系に含まれる光源と受光素子の実装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５に示すように発光素子９３、ガスセル９５、及び受光素子９０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９０を電気的に接続するボンディングワイヤ９１が長くなり、モジュールの実装構造が複雑となるばかりでなく、受光素子９０から得られる信号が微弱なためにワイヤに重畳する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もある。
本発明は、かかる課題に鑑み、発光素子から発光した光を導光手段により複数の共鳴光としてガスセルを通過させ、通過した複数の光をミラーにより複数の受光素子に導き、且つ複数の受光素子を発光素子と同一側に併置することにより、複数の受光素子を電気的に接続するボンディングワイヤを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＥＩＴ信号レベルを大きくしてＳ／Ｎを改善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】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、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、前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記各共鳴光を２つの光路に導く導光手段と、前記導光手段により導かれた各光路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該導光手段により導かれた共鳴光を通過させるガスセルと、前記ガスセルを通過した各透過光を夫々検出する複数の光検出手段と、を備えたことを特徴とする。
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複数の光検出手段を同一側に実装し、透過光が複数の光検出手段により受光されるように導光手段を構成した。これにより、ワイヤボンディングが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
【０００５】
また、前記導光手段は、前記コヒーレント光源から出射した共鳴光を２つの光路に分岐して一方の共鳴光を前記ガスセルに導き他方の共鳴光を通過させる分岐手段と、該分岐手段により分岐された前記他方の共鳴光を前記ガスセルに導く光路変換手段と、を備えたことを特徴とする。
コヒーレント光源から出射した共鳴光は、分岐手段により２つの光路に分かれる。１つの光路はガスセルに入射し、他の光路は光路変換手段により変換されてガスセルに入射する。これにより、１つのコヒーレント光源は実質的に２回ガスセルを通過したことになるので、より大きな透過光のコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上することができる。
また、前記複数の光検出手段と、前記コヒーレント光源とを同一基板上の同一側に併置したことを特徴とする。
本発明の光学系は、コヒーレント光源と複数の光検出手段を同一基板上の同一側に実装し、透過光が複数の光検出手段により受光されるように導光手段を構成した。これにより、ボンディングワイヤが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
【０００６】
また、前記ガスセルを通過した各透過光を前記複数の光検出手段に導く光路変換手段を更に備えたことを特徴とする。
ガスセルを通過した複数の光は、ガスセルに対して平行に通過する。このままでは、光検出手段により受光することができない。そこで本発明では、ガスセルを通過した光を複数の光検出手段に導く光路変換手段を更に有する。これにより、ガスセルから出射した光を複数の光検出手段に導くことができる。
また、前記複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を備えたことを特徴とする。
複数の光検出手段からは、夫々受光した光に応じたレベルの信号が出力される。この信号を原子発振器の周波数制御回路にフィードバックするには、１つの信号としてまとめる必要がある。そこで本発明では、複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を備える。これにより、レベルの大きなＥＩＴ信号を得ることができる。
また、前記分岐手段は、ビームスプリッタ、又はハーフミラーであることを特徴とする。
【０００７】
また、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。
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。
また、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。
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。
また、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処理を行なう受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記導光手段との間に配置したことを特徴とする。
光学系には、コヒーレント光源から発光された光を集光して、平行光になるように補正したり、偏光状態を変えるためにレンズや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、光を正確に導光手段に入射させることができる。
また、請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする。
ガスセルを複数回通過する構造としたことで、より大きなＥＩＴ信号を得る光学系とすることができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な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】
【０００８】
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、共鳴光３を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置され共鳴光３を少なくとも２つの光路５、６に導く導光手段４と、導光手段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、この金属原子ガス中に導光手段４により導かれた共鳴光５、６を通過させるガスセル７と、ガスセル７を通過した各透過光８、９を夫々検出する光検出器（光検出手段）１０、１１と、光検出器８、９から検出された信号を合成する合成回路１２と、合成回路１２の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１３と、を備えて構成されている。また、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。
【０００９】
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（詳細は後述する）。この光吸収が停止する状態でガスセル７を通過する透過光８、９をＥＩＴ信号と呼ぶ。そして、本実施形態の光学系１は、コヒーレント光源２と複数の光検出器１０、１１を同一基板上の同一側に実装し、透過光８、９が複数の光検出器１０、１１により受光されるように導光手段４を構成した。これにより、ワイヤボンディングが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
また、光検出器１０、１１からは、夫々受光した光に応じたレベルの信号が出力される。この信号を原子発振器の周波数制御回路１３にフィードバックするには、１つの信号としてまとめる必要がある。そこで本発明では、光検出器１０、１１からの出力信号を合成する合成回路１２を備える。これにより、レベルの大きなＥＩＴ信号を得ることができる。
また、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２から放射された共鳴光３を２つに分岐させる必要がある。分岐にはビームスプリッタ、ハーフミラーが最適である。これにより、共鳴光３を複数の光５、６に分岐することができる。
【００１０】
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）と波長が若干異なる。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。
【００１１】
図３は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。この光学系５０は、基板３１の裏面に発光素子３０と受光素子３７、３８を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ４６により基板３１に電気的に接続されている。そして、基板３１の表面に発光素子３０から発光されたコヒーレント光３９を集光したり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子３２を備え、受動光学素子３２を通過した光を分岐するビームスプリッタ（分岐手段）３３と、ビームスプリッタ３３を通過した光４１を反射するミラー（光路変換手段）３４を配置している。また、ビームスプリッタ３３を通過した光４０ａとミラー３４により光路変換された光４２ａは、夫々ガスセル３５を通過して光４０ｂ、光４２ｂとなり、ミラー３６により光路変換されて受光素子３８、３７により受光される。尚、発光素子３０として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子３７、３８としてフォトダイオードが良く使用される。尚、発光素子３０、及び受光素子３７、３８はこの例では基板３１の裏面に実装されているので、基板３１に開口部３１ａを夫々設ける。
【００１２】
次に、図３により概略動作について説明する。発光素子３０から発光されたコヒーレント光３９は、受動光学素子３２により集光されて平行光に補正等の処理をされてビームスプリッタ３３により共鳴光４０ａと４１に分岐される。共鳴光４０ａはガスセル３５に入射して、ガスセル３５から出射された光４０ｂとなり、ミラー３６により光路変換されて受光素子３８により受光される。また、共鳴光４１はミラー３４により光路変換された光４２ａとなってガスセル３５に入射し、ガスセル３５から出射された光４２ｂはミラー３６により光路変換されて受光素子３７により受光される。従って、共鳴光３９がガスセル３５を２回通過したことと等価となるので、より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上することができる。
尚、本実施形態のコヒーレント光３９は、レーザ光を使用している。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。また、ガスセル３５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。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、これを使えば一般的には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Λ型準位系等の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。
【００１３】
また、光学系５０には、発光素子３０から発光された光を集光して、平行光になるように補正したり、光の偏光状態を変える、レンズや波長板といった受動光学素子３２が使用される。この受動光学素子３２は、ガスセル３５に入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本実施形態では、受動光学素子３２を発光素子３０とビームスプリッタ３３との間に配置する。これにより、光を正確にビームスプリッタ３３に入射させることができる。
本発明によれば、例えば受動光学素子３２、ビームスプリッタ３３、及びミラー３４を一体化して１つのモジュールＡ（図１の導光手段４に対応）とし、ミラー３６を１つのモジュールＢとすることにより、基板３１上にモジュールＡ、ガスセル３５（図１のガスセル７に対応）、モジュールＢを夫々実装することにより光学系５０を構成することが可能となる。また、このモジュール化により、リペアをモジュール単位に行うことができて、製造コストやメンテナンスコストを削減することができる。
【００１４】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学系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。図４が図３と異なる点は、受光素子を２つから３つに増加した点である。これを実現するために、ビームスプリッタを２つ備えている。即ち、この光学系５１は、基板３１の裏面に発光素子３０と受光素子３７、３８、４５を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ４６により基板３１に電気的に接続されている。そして、基板３１の表面に発光素子３０から発光されたコヒーレント光３９を集光したり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子３２を備え、受動光学素子３２を通過した光を分岐するビームスプリッタ（分岐手段）３３ａと、ビームスプリッタ（分岐手段）３３ｂを通過した光４３を反射するミラー３４を配置している。また、ミラー（光路変換手段）３４により光路変換された光４４ａとビームスプリッタ３３ａとビームスプリッタ３３ｂにより光路変換された光４０ａ、４２ａは、夫々ガスセル３５を通過して光４４ｂ、４０ｂ、４２ｂとなり、ミラー３６により光路変換されて受光素子３７、３８、４５により受光される。尚、発光素子３０として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子３７、３８、４５としてフォトダイオードが良く使用される。
【００１５】
即ち、発光素子３０から出射された共鳴光３９は、ビームスプリッタ３３ａ、３３ｂにより光４０ａ、４４ａ、４２ａに分岐され、ガスセル３５を通過して透過光４０ｂ、４４ｂ、４２ｂとなり受光素子３８、３７、４５により受光される。受光素子３８、３７、４５により受光された信号は合成回路１２により合成される。従って、共鳴光３９がガスセル３５を３回通過したことと等価となる。これにより、より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を更に向上することができる。
以上の通りビームスプリッタを直列に並べることにより、理論的には無限に共鳴光を分岐することができるが、実際は限られた数に限定される。また、以上の説明では、導光手段としてビームスプリッタを使用したが、ハーフミラーを使用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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の構成を模式化した図である。
【図５】特許文献１に開示されている従来の光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  光学系、２  コヒーレント光源、３  共鳴光、４  導光手段、７  ガスセル、８、９  透過光、１０、１１  光検出器、１２  合成回路、１３  周波数制御回路、１００  原子発振器
【図１】
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【図２】
2009182562.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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