(57)【要約】【課題】部品点数を削減してガスセルを小型化すると共に、ガスセルの温度分布を均一にすることができ、且つ光吸収特性の劣化を改善できる原子発振器の光学系を提供する。【解決手段】このガスセル３は、少なくとも金属原子を封入するために厚み方向に貫通した開口部１３を有するシリコン基板１１と、開口部１３を封止するガラス（透明部材）１０、１２と、を有し、図３（ｂ）のようにシリコン基板１１に、このシリコン基板１１を加熱する発熱素子１４、１５、１６を配置した。尚、図３（ｂ）では、発熱素子としてバイポーラトランジスタ１４、ＭＯＳトランジスタ１５、抵抗１６が示されているが、これらの何れか１種類だけで構成しても良く、或いは混在させても構わない。また、シリコン基板１１は均一に加熱されることが重要なため、発熱素子はシリコン基板１１上の一部に偏ることなく均一な分布となるように配置されるのが好ましい。【選択図】図３
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【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光を検出する光検出手段と、
を備え、
前記ガスセルは、前記金属原子を封入するために厚み方向に貫通した開口部を有するシリコン基板と、前記開口部の両端を夫々封止する透明部材と、を有し、
前記シリコン基板に該シリコン基板を加熱する発熱素子を配置したことを特徴とする原子発振器の光学系。
【請求項２】
前記シリコン基板に該シリコン基板の温度を検出する温度検出用素子を更に配置し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】
前記温度検出用素子による温度情報に基づいて、前記発熱素子の動作状態を制御する温度制御回路を前記シリコン基板の外部に備え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】
前記温度制御回路を前記発熱素子及び前記温度検出用素子と共に前記シリコン基板に配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５】
前記シリコン基板面に均一な分布となるように複数の前記発熱素子を分散配置し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】
複数の前記発熱素子を前記シリコン基板の外周に沿った位置に配置し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７】
前記シリコン基板の外周に沿った位置にはパワーの大きな発熱素子を配置し、前記パワーの大きな発熱素子群の内側にはパワーの小さな発熱素子を配置し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８】
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９】
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、光学系を構成するガスセルを加熱する加熱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一定の温度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。
特許文献１には、ＣＰＴを利用した原子発振器のガスセル構造について開示されている。上記でも説明したとおり、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一定の温度に保って動作させている。図６にはガスセル２００を一定の温度に保持するために、キャビティ２４０の周囲にレイヤ２１０、２２０、２３０を配して、レイヤ２１０と２２０を挟むようにヒータ２１５により加熱してキャビティ２４０の温度を一定に保持している。
【特許文献１】ＵＳ２００６／００２２７６１Ａ１
【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構成では、ガスセルを加熱するために、ヒータ２１５が必要となり、ガスセル全体が大きくなるといった問題と、ヒータ２１５に近い部分が過大に加熱されてしまうといった問題およびヒータによる光の吸収損失が生じるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、ガスセルを構成する基板上に発熱する素子を配置して基板自体を加熱することにより、部品点数を削減してガスセルを小型化すると共に、ガスセルの温度分布を均一にすることができ、且つ光吸収特性の劣化を改善した原子発振器の光学系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、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。
【０００５】
［適用例１］
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光を検出する光検出手段と、を備え、前記ガスセルは、前記金属原子を封入するために厚み方向に貫通した開口部を有するシリコン基板と、前記開口部の両端を夫々封止する透明部材と、を有し、前記シリコン基板に該シリコン基板を加熱する発熱素子を配置したことを特徴とする。
【０００６】
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、コヒーレント光源から出射した共鳴光はガスセルを通過し、ガスセルから出射した光は光検出手段により検出される。ここで、従来のルビジウム、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一定の温度に保って動作させている。そのために、ガスセルを一定の温度に保持するために、キャビティの周囲にレイヤを配して、レイヤを挟むようにヒータにより加熱してキャビティの温度を一定に保持している。その結果、ガスセルを加熱するために、ヒータが必要となり、ガスセル全体が大きくなるといった問題と、ヒータに近い部分が過大に加熱されてしまうといった問題、および光吸収特性の劣化といった問題がある。そこで本発明では、ガスセルを構成するシリコン基板に発熱する素子を配置してシリコン基板自体を加熱することにより、部品点数を削減してガスセルを小型化すると共に、ガスセルの温度分布を均一にすることができる。
【０００７】
［適用例２］
また、前記シリコン基板に該シリコン基板の温度を検出する温度検出用素子を更に配置したことを特徴とする。
【０００８】
シリコン基板上の温度を一定の値に保持するには、シリコン基板上の温度を検出しなければならない。そこで本発明では、シリコン基板に温度検出用素子を更に配置する。これにより、温度情報をフィードバックしてシリコン基板の温度を一定に制御することができる。
【０００９】
［適用例３］
また、前記温度検出用素子による温度情報に基づいて、前記発熱素子の動作状態を制御する温度制御回路を前記シリコン基板の外部に備えたことを特徴とする。
【００１０】
温度検出用素子からの温度情報は、シリコン基板の温度変化に追従して変化する。従って、温度と温度情報との関係が予めわかっていれば、温度情報からシリコン基板の温度を判断することができる。そこで本発明では、上限の温度に対する温度情報を受信すると、発熱素子を不動作として加熱を停止し、下限の温度に対する温度情報を受信すると、発熱素子を動作させて加熱を開始する温度制御回路、或いは連続動作により温度を一定に保つ温度制御回路等をシリコン基板の外部に備える。これにより、温度制御回路が基板温度の影響を受けずに、且つ制御方法をフレキシブルに変更することができる。
【００１１】
［適用例４］
また、前記温度制御回路を前記発熱素子及び前記温度検出用素子と共に前記シリコン基板に配置したことを特徴とする。
【００１２】
シリコン基板には、発熱素子と温度検出用素子が配置されているので、併せてこれらを制御する温度制御回路もシリコン基板に配置すれば、外部からは電源だけを供給すればよくなる。これにより、光学系全体を小型化することができる。
【００１３】
［適用例５］
また、前記シリコン基板面に均一な分布となるように複数の前記発熱素子を分散配置したことを特徴とする。
【００１４】
シリコン基板は一定の面積を有するため、基板全体を加熱するためには、１箇所で加熱するより均一に分散配置した方が短い時間で一定の温度に達する。また、均一に分散配置することにより、温度勾配をなくすことができる。
【００１５】
［適用例６］
また、複数の前記発熱素子を前記シリコン基板の外周に沿った位置に配置したことを特徴とする。
【００１６】
基板の外周は外気に曝されるため、温度の低下が大きい。そこで本発明では、基板の外周に沿った位置に発熱素子を配置する。これにより、外気による温度低下を最小限にすることができる。
【００１７】
［適用例７］
また、前記シリコン基板の外周に沿った位置にはパワーの大きな発熱素子を配置し、前記パワーの大きな発熱素子群の内側にはパワーの小さな発熱素子を配置したことを特徴とする。
【００１８】
基板の外周は温度低下が大きく、内周にいくほど小さくなる。そこで本発明では、基板の外周に沿った位置にはパワーの大きな発熱素子を配置し、内周にはパワーの小さな発熱素子を配置する。これにより、加熱速度を高めると共に、温度勾配を低減することができる。
【００１９】
［適用例８］
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。
【００２０】
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。
【００２１】
［適用例９］
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。
【００２２】
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、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
【００２３】
［適用例１０］
また、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。
【００２４】
部品点数を削減してガスセルを小型化すると共に、ガスセルの温度分布を均一にすることができ、且つ光吸収特性の劣化を改善できるので、小型でしかもガスセルの温度安定度が高い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】
【００２５】
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５０の光学系１であって、共鳴光２ａ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ガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光２ａを通過させるガスセル３と、ガスセル３を通過した光３ａを検出する光検出器（光検出手段）４と、を備えている。また、原子発振器５０は光検出器４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８を更に備えて構成されている。また、本実施形態では、ガスセル３に配置された温度センサ（温度検出用素子）の情報６に基づいてガスセル３に配置した発熱素子の動作を制御する温度制御回路５を備えている（詳細は後述する）。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。
【００２６】
即ち、本発明の原子発振器５０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１は、コヒーレント光源２から出射した共鳴光２ａはガスセル３を通過し、ガスセル３から出射した光３ａは光検出器４により検出される。ここで、従来のルビジウム、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一定の温度に保って動作させている。そのために、ガスセルを一定の温度に保持するために、キャビティの周囲にレイヤを配して、レイヤを挟むようにヒータにより加熱してキャビティの温度を一定に保持している。その結果、ガスセルを加熱するために、ヒータが必要となり、ガスセル全体が大きくなるといった問題と、ヒータに近い部分が過大に加熱されてしまうといった問題、および光吸収特性の劣化といった問題がある。そこで本実施形態では、ガスセル３を構成するシリコン基板上に発熱する発熱素子を配置して基板自体を加熱することにより、部品点数を削減してガスセル３を小型化すると共に、ガスセル３の温度分布を均一にすることができ、且つ光吸収特性の劣化を改善できる。
【００２７】
また、コヒーレント光は、レーザ光が使用される。即ち、普通の光（ランプ光源等）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、ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムが使用される。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、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
また、上記構成による光学系１を原子発振器に備えることにより、部品点数を削減してガスセル３を小型化すると共に、ガスセルの温度分布を均一にすることができ、且つ光吸収特性の劣化を改善できるので、小型でしかもガスセル３の温度安定度が高い高性能な原子発振器を提供することができる。
【００２８】
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−電子スピン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、よりエネルギー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。尚、この光吸収が停止する状態でガスセル３を通過する光３ａをＥＩＴ信号と呼ぶ。
【００２９】
図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るガスセルの構成を模式化した図である。図３（ｂ）はシリコン基板上に配置した発熱素子を示す図である。このガスセル３は、少なくとも金属原子を封入するために厚み方向に貫通した開口部１３を有するシリコン基板１１と、開口部１３を封止するガラス（透明部材）１０、１２と、を有し、図３（ｂ）のようにシリコン基板１１に、このシリコン基板１１を加熱する発熱素子１４、１５、１６を配置した。尚、図３（ｂ）では、発熱素子としてバイポーラトランジスタ１４、ＭＯＳトランジスタ１５、抵抗１６が示されているが、これらの何れか１種類だけで構成しても良く、或いは混在させても構わない。また、シリコン基板１１は均一に加熱されることが重要なため、発熱素子はシリコン基板１１上の一部に偏ることなく均一な分布となるように配置されるのが好ましい。
【００３０】
また、シリコン基板１１に、このシリコン基板１１の温度を検出する温度センサを更に配置する。即ち、シリコン基板１１の温度を一定の値に保持するには、シリコン基板１１の温度を検出しなければならない。そこで本実施形態では、シリコン基板１１に温度センサを更に配置する。これにより、温度情報をフィードバックして基板の温度を一定に制御することができる。温度センサは例えば抵抗値の変化を検出したり、サーミスタを配置してもよい。
また、温度サンサによる温度情報に基づいて、発熱素子の動作を制御する温度制御回路をシリコン基板１１の外部に備える。即ち、温度センサからの温度情報は、シリコン基板１１の温度変化に追従して変化する。従って、温度と温度情報との関係が予めわかっていれば、温度情報からシリコン基板１１の温度を判断することができる。そこで本実施形態では、上限の温度に対する温度情報を受信すると、発熱素子を不動作として加熱を停止し、下限の温度に対する温度情報を受信すると、発熱素子を動作させて加熱を開始する温度制御回路、或いは連続動作により温度を一定に保つ温度制御回路等をシリコン基板１１の外部に備える。これにより、温度制御回路が基板温度の影響を受けずに、且つ制御方法をフレキシブルに変更することができる。尚、温度制御回路は、発熱素子を動作させたり不動作とする制御方法の他に、発熱素子に流す電流値をアナログ的に変化させるように制御しても構わない。また、パルス幅を変調して電流をデジタル的に制御しても構わない。
【００３１】
また、温度制御回路をシリコン基板１１に発熱素子及び温度センサと共に配置する。即ち、シリコン基板１１には、発熱素子と温度センサが配置されているので、併せてこれらを制御する温度制御回路も基板に配置すれば、外部からは電源だけを供給すればよくなる。これにより、光学系全体を小型化することができる。
以上の説明では基板をシリコンとして説明したが、基板をガラスにより構成しても良い。即ち、基板をガラスにより構成し、ガラス上に回路を形成することも可能である。これにより、回路形成プロセスの選択幅を拡げることができる。
【００３２】
図４はシリコン基板上に配置された発熱素子のレイアウトを示す図である。図４（ａ）は、発熱素子１７をシリコン基板１１の一部に偏ることなく均一な分布となるように配置した図である。この場合、発熱素子１７の種類を同一とし、シリコン基板１１と開口部１３の略中間に配置する。図４（ｂ）はシリコン基板１１の外周に沿った位置に発熱素子１７を寄せて配置した図である。シリコン基板１１は外側が外気に曝されるため、温度分布としては一番温度が低くなる。そこで、発熱素子１７をシリコン基板１１の外周に沿った位置に寄せて配置して、温度低下を低減するものである。図４（ｃ）はシリコン基板１１の外周に沿った位置にパワーの大きい発熱素子１７を配し、内側にパワーの小さい発熱素子１８を配置する。これにより、温度低下の大きい外側は加熱温度を高くし、温度低下の少ない内側は加熱温度を低くして、全体的に温度を効率よく均一にすることができる。
【００３３】
このように、発熱素子はシリコン基板１１上に自由に配置できるので、ガスセルの大きさや、使用環境に応じて最適な発熱素子を配置することができる。尚、この配置は一例であり、他の配置にしても構わない。
即ち、シリコン基板１１は一定の面積を有するため、シリコン基板全体を加熱するためには、１箇所で加熱するよりも均一に分布するように分散配置した方が短い時間で一定の温度に達する。また、均一に配置することにより、温度勾配をなくすことができる。また、シリコン基板１１の外周は外気に曝されるため、温度の低下が大きい。そこで本実施形態では、シリコン基板１１の外周に沿った位置に発熱素子１７を配置する。これにより、外気による温度低下を最小限にすることができる。また、シリコン基板１１の外周は温度低下が大きく、内周に行くほど小さくなる。そこで本実施形態では、シリコン基板１１の外周に沿った位置にはパワーの大きな発熱素子１７を配置し、内周にはパワーの小さな発熱素子１８を配置する。これにより、加熱速度を高めると共に、温度勾配を低減することができる。
【００３４】
図５はシリコン基板上に配置された温度センサのレイアウトを示す図である。図５（ａ）は温度センサ１９をシリコン基板１１の４箇所に配置した図である。シリコン基板の温度は全体が一定温度に達するまでには、所定の時間が必要となる。そこで温度センサ１９をシリコン基板１１の４箇所に均等に配置し、各温度センサからの温度情報に基づいて、その温度センサの周辺にある発熱素子を制御する。これにより、無駄な加熱を削減することができ、効率よくシリコン基板を加熱することができる。図５（ｂ）は温度センサ１９を開口部１３の近傍に配置した図である。開口部１３にはガス状の金属原子が封入されている。そして金属原子をガス状態に保つ必要があるため、金属原子を気密封入したガスセルを一定の温度に保って動作させている。そのため、開口部１３の温度が所定の温度になることが重要である。そこで温度センサ１９を開口部１３の近傍に配置する。これにより、金属原子を効率よくガス状態にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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の実施形態に係るガスセルの構成を模式化した図である。
【図４】シリコン基板上に配置された発熱素子のレイアウトを示す図である。
【図５】シリコン基板上に配置された温度センサのレイアウトを示す図である。
【図６】従来のガスセルの構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光学系、２  コヒーレント光源、２ａ  共鳴光、３  ガスセル、４  光検出器、５  温度制御回路、６  温度情報、７  制御信号、８  周波数制御回路、１０、１２  ガラス、１１  シリコン基板、１３  開口部、１４、１５、１６  発熱素子、５０  原子発振器
【図１】
2009176852.tif 000003
【図２】
2009176852.tif 000004
【図３】
2009176852.tif 000005
【図４】
2009176852.tif 000006
【図５】
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【図６】
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