光学モジュール及び原子発振器
【課題】周波数安定度の高い原子発振器を得ることが可能な光学モジュールを提供する。
【解決手段】光学モジュール２は、量子干渉効果を利用する原子発振器１の光学モジュールであって、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる光源１０と、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する波長選択手段２０と、アルカリ金属ガスを封入し、第２光Ｌ２が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する光検出手段４０と、を含み、波長選択手段２０は、エタロン２０ａと、エタロンの温度を制御するための温度制御手段２０ｂと、を有する。
【解決手段】光学モジュール２は、量子干渉効果を利用する原子発振器１の光学モジュールであって、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる光源１０と、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する波長選択手段２０と、アルカリ金属ガスを封入し、第２光Ｌ２が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する光検出手段４０と、を含み、波長選択手段２０は、エタロン２０ａと、エタロンの温度を制御するための温度制御手段２０ｂと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュール及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案され、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に互いに波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。例えば、特許文献１には、ＣＰＴを利用した原子発振器として、コヒーレントな光を発する光源と、アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを透過した光の強度を検出する受光素子と、を有する光学モジュールを含んで構成された原子発振器が記載されている。
【０００３】
ＣＰＴを利用した原子発振器では、例えば、光源として半導体レーザーが用いられる。光源として半導体レーザーを用いた原子発振器では、例えば、半導体レーザーの駆動電流を変調することによって半導体レーザーから射出される光に側帯波を発生させて、ＥＩＴ現象を発現させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、駆動電流が変調された半導体レーザーから射出される光には、側帯波だけでなく、ＥＩＴ現象に寄与しない中心波長を有する基本波（搬送波）も含まれる。この基本波がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化して（ＡＣシュタルク効果）、原子発振器の周波数の安定度を低下させる場合がある。
【０００６】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の１つは、周波数安定度の高い原子発振器を得ることが可能な光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様にかかる目的の１つは、上記光学モジュールを有する原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
本適用例にかかる光学モジュールは、量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる光源と、前記第１光から前記第１側帯波及び前記第２側帯波を選択し第２光として射出する波長選択手段と、アルカリ金属ガスが封入され前記第２光が照射されるガスセルと、前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含み、前記波長選択手段は、エタロンと前記エタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、光学モジュールは量子干渉効果を利用する原子発振器に用いられる。光学モジュールは光源、波長選択手段、ガスセル、光検出手段を有している。そして、光源は、中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる。そして、波長選択手段は、第１光から第１側帯波及び第２側帯波を選択し第２光として射出する。波長選択手段は、エタロンとエタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有している。ガスセルにはアルカリ金属ガスが封入され第２光が照射される。そして、光検出手段はガスセルを透過した第２光の強度を検出する。
【００１０】
波長選択手段は第１光から第１側帯波及び第２側帯波を選択するので、第１光の基本波の強度を減少または基本波を消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波がアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い原子発振器を提供できる。
【００１１】
さらに、波長選択手段がエタロンの温度を制御するための温度制御手段を有しているため、波長選択手段は熱光学効果によってエタロンの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）を変化させることができる。これにより、波長選択手段は、製造誤差や環境変化等によるエタロンの波長選択特性のずれを補正することができ、第１光から第１側帯波及び第２側帯波を、精度よく選択して射出することができる。その結果、周波数安定度の高い原子発振器を提供できる。
【００１２】
［適用例２］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、前記温度制御手段は抵抗体を有し、前記抵抗体に流す電流を制御することにより、前記エタロンの温度を制御することが好ましい。
【００１３】
このような光学モジュールによれば、波長選択手段は抵抗体を有している。そして、抵抗体に流す電流を制御することによりエタロンの温度を制御している。従って、簡易な構成で波長を選択することができる。
【００１４】
［適用例３］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、前記光源は、面発光型レーザーであることが好ましい。
【００１５】
このような光学モジュールによれば、光源は面発光型レーザーである。従って、光源が端面発光型レーザーであるときと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少なくすることができる。その結果、光学モジュールを低消費電力にすることができる。
【００１６】
［適用例４］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、さらに、前記光源で発生した前記第１光を、前記エタロンに入射させるための光学素子を有することが好ましい。
【００１７】
このような光学モジュールによれば、光源で発生した光を光学素子が効率よくエタロンに導くことができる。従って、効率良く光を活用することができる。
【００１８】
［適用例５］
本適用例にかかる原子発振器は、光学モジュールと周波数制御回路とを有する原子発振器であって、前記光学モジュールは上記適用例に記載の光学モジュールであることを特徴とする。
【００１９】
このような原子発振器は、上記適用例に記載の光学モジュールを含んでいる。従って、原子発振器は、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態にかかる原子発振器の機能を示すブロック図。
【図２】（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を説明するための図、（Ｂ）は、光源で発生する第１光の周波数スペクトラムを説明するための図。
【図３】波長選択手段から射出された第２光の周波数スペクトラムを説明するための図。
【図４】原子発振器の構成を示すブロック図。
【図５】光学モジュールの要部を示す概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２２】
図１は、本実施形態にかかる原子発振器の機能を示すブロック図である。まず、本実施形態にかかる光学モジュール及び原子発振器について説明する。原子発振器１は、量子干渉効果を利用した発振器であり、原子発振器１は、光学モジュール２と制御手段５０とを含む。
【００２３】
光学モジュール２は、光源１０と波長選択手段２０とガスセル３０と光検出手段４０とがこの順に接続されている。光源１０は、中心波長（中心周波数）を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。
【００２４】
波長選択手段２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択手段２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出するエタロン２０ａと、エタロン２０ａの温度を制御するための温度制御手段２０ｂと、を有する。温度制御手段２０ｂは、エタロン２０ａの温度を制御することにより、エタロン２０ａが選択する波長範囲（波長選択特性）を変化させることができる。
【００２５】
ガスセル３０は、アルカリ金属ガスを封入しており、ガスセル３０には、第２光Ｌ２が照射される。光検出手段４０は、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する。
【００２６】
制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の周波数の差が、ガスセル３０に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、変調周波数ｆmを有する検出信号を発生させる。そして、光源１０は、この検出信号に基づいて所定の周波数ｆ0を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ1＝ｆ0＋ｆmを有する第１側帯波Ｗ１、及び周波数ｆ2＝ｆ0−ｆmを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００２７】
図２（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を説明するための図である。図２（Ｂ）は、光源で発生する第１光の周波数スペクトラムを説明するための図である。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、光源１０において発生する第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1は、ｆ1＝ｆ0＋ｆmであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2は、ｆ2＝ｆ0−ｆmである。
【００２９】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2との周波数差が、ガスセル３０内のアルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２によってＥＩＴ現象を起こす。
【００３０】
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ1）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ2）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【００３１】
図３は、波長選択手段から射出された第２光の周波数スペクトラムを説明するための図である。第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆが消滅または基本波Ｆの強度が減少した光である。図３に示すように、第２光Ｌ２は、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１、及び中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２のみを有している。このように、光学モジュール２では、波長選択手段２０によって、基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。
【００３２】
次に、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。図４は、原子発振器の構成を示すブロック図である。図４に示すように、原子発振器１は光学モジュール２と、電流駆動回路１５０と、変調回路１６０と、を備えている。
【００３３】
光学モジュール２では半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０がこの順に接続されている。
【００３４】
半導体レーザー１１０は、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。半導体レーザー１１０が射出するレーザー光（第１光Ｌ１）は、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が制御され、変調回路１６０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１５０による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０が射出する第１光Ｌ１に変調をかけることができる。これにより、第１光Ｌ１には、第１側帯波Ｗ１、及び第２側帯波Ｗ２が生成される。半導体レーザー１１０が発生する光は可干渉性を有するため量子干渉効果を得るのに好適である。
【００３５】
図２（Ｂ）に示すように、第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0は第１光Ｌ１の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1は、ｆ1＝ｆ0＋ｆmであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2は、ｆ2＝ｆ0−ｆmである。
【００３６】
図４に戻って、波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択装置１２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出するエタロン１２０ａと、エタロン１２０ａの温度を制御するための温度制御手段としての温度制御装置１２０ｂと、を有する。
【００３７】
エタロン１２０ａは、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して射出することができる。これにより、エタロン１２０ａに入射した第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて、第２光Ｌ２として射出することができる。すなわち、第２光Ｌ２では、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆの強度が減少または基本波Ｆが消滅している。図３の例では、第２光Ｌ２は、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２のみを有している。
【００３８】
温度制御装置１２０ｂは、熱光学効果によって、エタロン１２０ａが選択する波長範囲（波長選択特性）を変化させることができる。ここで、熱光学効果とは、物質の光に対する屈折率が、外部より熱を加えることによって変化する現象をいう。具体的には、温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａの温度を制御することにより、エタロン１２０ａの屈折率を変化させ、エタロン１２０ａの波長選択特性を制御する。波長選択装置１２０は、温度制御装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光等）等によるエタロン１２０ａの波長選択特性のずれを補正することができるため、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００３９】
温度制御装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、エタロン１２０ａの温度を調整し、エタロン１２０ａの波長選択特性を制御してもよい。光学モジュール２では、例えば、エタロン１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、温度制御装置１２０ｂを通るフィードバックループによりエタロン１２０ａの温度が調整され、エタロン１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００４０】
また、温度制御装置１２０ｂは、予め取得されたエタロン１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、エタロン１２０ａの温度を調整し、エタロン１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００４１】
ガスセル１３０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。ガスセル１３０には、波長選択装置１２０から射出された第２光Ｌ２が照射される。
【００４２】
このガスセル１３０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波（第１側帯波及び第２側帯波）が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線（フラウンホーファー線の１つ）における基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００４３】
光検出器１４０は、ガスセル１３０を透過した第２光Ｌ２を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１４０の出力信号は、電流駆動回路１５０及び変調回路１６０に入力される。また、光検出器１４０の出力信号は、さらに、温度制御装置１２０ｂに入力されてもよい。光検出器１４０は、特に限定されないが例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００４４】
電流駆動回路１５０は、光検出器１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて半導体レーザー１１０に供給し、第１光Ｌ１の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）を制御する。半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、電流駆動回路１５０を通るフィードバックループにより第１光Ｌ１の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が微調整されて安定する。
【００４５】
変調回路１６０は、光検出器１４０の出力信号に応じた変調周波数ｆmを有する変調信号を発生させる。この変調信号は、光検出器１４０の出力信号が最大になるように変調周波数ｆmが微調整されながら半導体レーザー１１０に供給される。半導体レーザー１１０が射出するレーザー光は、変調信号により変調がかけられ、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００４６】
尚、半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０は、それぞれ図１の光源１０、波長選択手段２０、ガスセル３０、光検出手段４０に対応する。また、エタロン１２０ａは、図１のエタロン２０ａに対応し、温度制御装置１２０ｂは、図１の温度制御手段２０ｂに対応する。また、電流駆動回路１５０、変調回路１６０は、図１の制御手段５０に対応する。
【００４７】
このような構成の原子発振器１において、半導体レーザー１１０は第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を有する第１光Ｌ１を発生させている。当該第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がガスセル１３０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさない。このため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて光検出器１４０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、及び変調回路１６０を通るフィードバックループの制御を行っている。この制御により、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにできる。その結果、変調周波数は極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１の出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００４８】
図５は、光学モジュールの要部を示す概略斜視図である。図５に示すように、光学モジュール２は半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０を備えている。半導体レーザー１１０としては、例えば、面発光型レーザーを用いることができる。面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。尚、半導体レーザー１１０として、端面発光型レーザーを用いてもよい。半導体レーザー１１０から射出された第１光Ｌ１は、光学素子１７０によって集光され、エタロン１２０ａに入射する。光学素子１７０は、図示の例では、半導体レーザー１１０から射出される第１光Ｌ１を集光して、エタロン１２０ａに入射させるためのレンズである。
【００４９】
エタロン１２０ａは、第１光の第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して透過させる。すなわち、エタロン１２０ａは、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２に対する透過率が大きく、基本波Ｆに対する透過率が小さい。これにより、エタロン１２０ａに入射した第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて、第２光Ｌ２として射出することができる。すなわち、第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆの強度が減少または基本波Ｆが消滅している。これにより、第２光Ｌ２は図３に示す例のようになる。つまり、第２光Ｌ２は、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１、及び中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２のみを有している。
【００５０】
図５に戻って、エタロン１２０ａは温度制御装置１２０ｂの発熱体１２２の上方に配置されている。尚、エタロン１２０ａと温度制御装置１２０ｂの発熱体１２２との間の位置関係は特に限定されない。エタロン１２０ａは、入射した第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して透過させることができる。
【００５１】
温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａに熱を供給するための発熱体１２２を有している。温度制御装置１２０ｂから供給された熱によりエタロン１２０ａの温度が変化すると、熱光学効果が生じてエタロン１２０ａの屈折率が変化し、エタロン１２０ａの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）が変化する。発熱体１２２は、例えば、電流が流れることにより発熱する抵抗体である。温度制御装置１２０ｂは、この発熱体１２２（抵抗体）に流れる電流量を制御することにより、発熱体１２２の温度を調整し、エタロン１２０ａの温度を制御することができる。尚、温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａの温度を制御できれば良く、特に限定されず、公知のホットプレート等の発熱装置を用いてもよい。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態にかかる光学モジュール２及び原子発振器１によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５３】
（１）本実施形態によれば、波長選択装置１２０が、第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波Ｆがアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い原子発振器１を提供できる。
【００５４】
（２）本実施形態によれば、波長選択装置１２０が、エタロン１２０ａの選択する波長範囲を変化させる温度制御装置１２０ｂを有している。このため、製造誤差や環境変化（熱、光等）によるエタロン１２０ａの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）のずれを補正することができる。したがって、波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００５５】
（３）本実施形態によれば、エタロン１２０ａの波長選択特性は、エタロン１２０ａの長さに依存する。エタロン１２０ａの製造工程において、エタロン１２０ａの長さを精度よく与えることは困難であり、エタロン１２０ａに製造誤差が生じる場合がある。このような場合であっても、波長選択装置１２０は、温度制御装置１２０ｂを有するため、この製造誤差に起因する波長選択特性のずれを補正することができる。
【００５６】
（４）本実施形態によれば、温度制御装置１２０ｂが発生する熱による熱光学効果によって、温度制御装置１２０ｂはエタロン１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。これにより、エタロン１２０ａの波長選択特性を、容易に制御できる。さらに、温度制御装置１２０ｂは、発熱体１２２（抵抗体）を含んで構成されている。したがって、波長選択装置１２０を簡易な構成とすることができる。
【００５７】
（５）本実施形態によれば、光学モジュール２では、半導体レーザー１１０を面発光型レーザーにすることができる。面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べてゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。
【００５８】
（６）本実施形態によれば、半導体レーザー１１０から射出された第１光Ｌ１をエタロン１２０ａに入射させるための光学素子１７０を有する。これにより、半導体レーザー１１０で発生した第１光Ｌ１を、効率よくエタロン１２０ａに導くことができる。
【００５９】
（７）本実施形態によれば、原子発振器１は、周波数安定度の高い光学モジュール２を有している。したがって、原子発振器１は、周波数安定度を高めることができる。
【００６０】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例は総て本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６１】
１…原子発振器、２…光学モジュール、１０…光源、２０…波長選択手段、２０ａ…エタロン、２０ｂ…温度制御手段、３０…ガスセル、４０…光検出手段、１２０ｂ…温度制御手段としての温度制御装置、１２２…抵抗体としての発熱体、１７０…光学素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュール及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案され、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に互いに波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。例えば、特許文献１には、ＣＰＴを利用した原子発振器として、コヒーレントな光を発する光源と、アルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを透過した光の強度を検出する受光素子と、を有する光学モジュールを含んで構成された原子発振器が記載されている。
【０００３】
ＣＰＴを利用した原子発振器では、例えば、光源として半導体レーザーが用いられる。光源として半導体レーザーを用いた原子発振器では、例えば、半導体レーザーの駆動電流を変調することによって半導体レーザーから射出される光に側帯波を発生させて、ＥＩＴ現象を発現させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−８９１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、駆動電流が変調された半導体レーザーから射出される光には、側帯波だけでなく、ＥＩＴ現象に寄与しない中心波長を有する基本波（搬送波）も含まれる。この基本波がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化して（ＡＣシュタルク効果）、原子発振器の周波数の安定度を低下させる場合がある。
【０００６】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の１つは、周波数安定度の高い原子発振器を得ることが可能な光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様にかかる目的の１つは、上記光学モジュールを有する原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
本適用例にかかる光学モジュールは、量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる光源と、前記第１光から前記第１側帯波及び前記第２側帯波を選択し第２光として射出する波長選択手段と、アルカリ金属ガスが封入され前記第２光が照射されるガスセルと、前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含み、前記波長選択手段は、エタロンと前記エタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、光学モジュールは量子干渉効果を利用する原子発振器に用いられる。光学モジュールは光源、波長選択手段、ガスセル、光検出手段を有している。そして、光源は、中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる。そして、波長選択手段は、第１光から第１側帯波及び第２側帯波を選択し第２光として射出する。波長選択手段は、エタロンとエタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有している。ガスセルにはアルカリ金属ガスが封入され第２光が照射される。そして、光検出手段はガスセルを透過した第２光の強度を検出する。
【００１０】
波長選択手段は第１光から第１側帯波及び第２側帯波を選択するので、第１光の基本波の強度を減少または基本波を消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波がアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い原子発振器を提供できる。
【００１１】
さらに、波長選択手段がエタロンの温度を制御するための温度制御手段を有しているため、波長選択手段は熱光学効果によってエタロンの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）を変化させることができる。これにより、波長選択手段は、製造誤差や環境変化等によるエタロンの波長選択特性のずれを補正することができ、第１光から第１側帯波及び第２側帯波を、精度よく選択して射出することができる。その結果、周波数安定度の高い原子発振器を提供できる。
【００１２】
［適用例２］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、前記温度制御手段は抵抗体を有し、前記抵抗体に流す電流を制御することにより、前記エタロンの温度を制御することが好ましい。
【００１３】
このような光学モジュールによれば、波長選択手段は抵抗体を有している。そして、抵抗体に流す電流を制御することによりエタロンの温度を制御している。従って、簡易な構成で波長を選択することができる。
【００１４】
［適用例３］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、前記光源は、面発光型レーザーであることが好ましい。
【００１５】
このような光学モジュールによれば、光源は面発光型レーザーである。従って、光源が端面発光型レーザーであるときと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少なくすることができる。その結果、光学モジュールを低消費電力にすることができる。
【００１６】
［適用例４］
上記適用例に記載の光学モジュールでは、さらに、前記光源で発生した前記第１光を、前記エタロンに入射させるための光学素子を有することが好ましい。
【００１７】
このような光学モジュールによれば、光源で発生した光を光学素子が効率よくエタロンに導くことができる。従って、効率良く光を活用することができる。
【００１８】
［適用例５］
本適用例にかかる原子発振器は、光学モジュールと周波数制御回路とを有する原子発振器であって、前記光学モジュールは上記適用例に記載の光学モジュールであることを特徴とする。
【００１９】
このような原子発振器は、上記適用例に記載の光学モジュールを含んでいる。従って、原子発振器は、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態にかかる原子発振器の機能を示すブロック図。
【図２】（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を説明するための図、（Ｂ）は、光源で発生する第１光の周波数スペクトラムを説明するための図。
【図３】波長選択手段から射出された第２光の周波数スペクトラムを説明するための図。
【図４】原子発振器の構成を示すブロック図。
【図５】光学モジュールの要部を示す概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２２】
図１は、本実施形態にかかる原子発振器の機能を示すブロック図である。まず、本実施形態にかかる光学モジュール及び原子発振器について説明する。原子発振器１は、量子干渉効果を利用した発振器であり、原子発振器１は、光学モジュール２と制御手段５０とを含む。
【００２３】
光学モジュール２は、光源１０と波長選択手段２０とガスセル３０と光検出手段４０とがこの順に接続されている。光源１０は、中心波長（中心周波数）を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。
【００２４】
波長選択手段２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択手段２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出するエタロン２０ａと、エタロン２０ａの温度を制御するための温度制御手段２０ｂと、を有する。温度制御手段２０ｂは、エタロン２０ａの温度を制御することにより、エタロン２０ａが選択する波長範囲（波長選択特性）を変化させることができる。
【００２５】
ガスセル３０は、アルカリ金属ガスを封入しており、ガスセル３０には、第２光Ｌ２が照射される。光検出手段４０は、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する。
【００２６】
制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の周波数の差が、ガスセル３０に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、変調周波数ｆmを有する検出信号を発生させる。そして、光源１０は、この検出信号に基づいて所定の周波数ｆ0を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ1＝ｆ0＋ｆmを有する第１側帯波Ｗ１、及び周波数ｆ2＝ｆ0−ｆmを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００２７】
図２（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を説明するための図である。図２（Ｂ）は、光源で発生する第１光の周波数スペクトラムを説明するための図である。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、光源１０において発生する第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1は、ｆ1＝ｆ0＋ｆmであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2は、ｆ2＝ｆ0−ｆmである。
【００２９】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2との周波数差が、ガスセル３０内のアルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２によってＥＩＴ現象を起こす。
【００３０】
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ1）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ2）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ1−ｆ2が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【００３１】
図３は、波長選択手段から射出された第２光の周波数スペクトラムを説明するための図である。第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆが消滅または基本波Ｆの強度が減少した光である。図３に示すように、第２光Ｌ２は、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１、及び中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２のみを有している。このように、光学モジュール２では、波長選択手段２０によって、基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。
【００３２】
次に、原子発振器１のより具体的な構成について説明する。図４は、原子発振器の構成を示すブロック図である。図４に示すように、原子発振器１は光学モジュール２と、電流駆動回路１５０と、変調回路１６０と、を備えている。
【００３３】
光学モジュール２では半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０がこの順に接続されている。
【００３４】
半導体レーザー１１０は、中心波長を有する基本波Ｆと、互いに異なる波長を有する第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。半導体レーザー１１０が射出するレーザー光（第１光Ｌ１）は、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が制御され、変調回路１６０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１５０による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０が射出する第１光Ｌ１に変調をかけることができる。これにより、第１光Ｌ１には、第１側帯波Ｗ１、及び第２側帯波Ｗ２が生成される。半導体レーザー１１０が発生する光は可干渉性を有するため量子干渉効果を得るのに好適である。
【００３５】
図２（Ｂ）に示すように、第１光Ｌ１は、中心周波数ｆ0（＝ｖ／λ0：ｖは光の速度、λ0は第１光Ｌ１の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ1は、ｆ1＝ｆ0＋ｆmであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ2は、ｆ2＝ｆ0−ｆmである。
【００３６】
図４に戻って、波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択装置１２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出するエタロン１２０ａと、エタロン１２０ａの温度を制御するための温度制御手段としての温度制御装置１２０ｂと、を有する。
【００３７】
エタロン１２０ａは、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して射出することができる。これにより、エタロン１２０ａに入射した第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて、第２光Ｌ２として射出することができる。すなわち、第２光Ｌ２では、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆの強度が減少または基本波Ｆが消滅している。図３の例では、第２光Ｌ２は、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２のみを有している。
【００３８】
温度制御装置１２０ｂは、熱光学効果によって、エタロン１２０ａが選択する波長範囲（波長選択特性）を変化させることができる。ここで、熱光学効果とは、物質の光に対する屈折率が、外部より熱を加えることによって変化する現象をいう。具体的には、温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａの温度を制御することにより、エタロン１２０ａの屈折率を変化させ、エタロン１２０ａの波長選択特性を制御する。波長選択装置１２０は、温度制御装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光等）等によるエタロン１２０ａの波長選択特性のずれを補正することができるため、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００３９】
温度制御装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、エタロン１２０ａの温度を調整し、エタロン１２０ａの波長選択特性を制御してもよい。光学モジュール２では、例えば、エタロン１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、温度制御装置１２０ｂを通るフィードバックループによりエタロン１２０ａの温度が調整され、エタロン１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００４０】
また、温度制御装置１２０ｂは、予め取得されたエタロン１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、エタロン１２０ａの温度を調整し、エタロン１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００４１】
ガスセル１３０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。ガスセル１３０には、波長選択装置１２０から射出された第２光Ｌ２が照射される。
【００４２】
このガスセル１３０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波（第１側帯波及び第２側帯波）が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線（フラウンホーファー線の１つ）における基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００４３】
光検出器１４０は、ガスセル１３０を透過した第２光Ｌ２を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１４０の出力信号は、電流駆動回路１５０及び変調回路１６０に入力される。また、光検出器１４０の出力信号は、さらに、温度制御装置１２０ｂに入力されてもよい。光検出器１４０は、特に限定されないが例えば、フォトダイオードを用いることができる。
【００４４】
電流駆動回路１５０は、光検出器１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて半導体レーザー１１０に供給し、第１光Ｌ１の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）を制御する。半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、電流駆動回路１５０を通るフィードバックループにより第１光Ｌ１の中心周波数ｆ0（中心波長λ0）が微調整されて安定する。
【００４５】
変調回路１６０は、光検出器１４０の出力信号に応じた変調周波数ｆmを有する変調信号を発生させる。この変調信号は、光検出器１４０の出力信号が最大になるように変調周波数ｆmが微調整されながら半導体レーザー１１０に供給される。半導体レーザー１１０が射出するレーザー光は、変調信号により変調がかけられ、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００４６】
尚、半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０は、それぞれ図１の光源１０、波長選択手段２０、ガスセル３０、光検出手段４０に対応する。また、エタロン１２０ａは、図１のエタロン２０ａに対応し、温度制御装置１２０ｂは、図１の温度制御手段２０ｂに対応する。また、電流駆動回路１５０、変調回路１６０は、図１の制御手段５０に対応する。
【００４７】
このような構成の原子発振器１において、半導体レーザー１１０は第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を有する第１光Ｌ１を発生させている。当該第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がガスセル１３０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさない。このため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて光検出器１４０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、波長選択装置１２０、ガスセル１３０、光検出器１４０、及び変調回路１６０を通るフィードバックループの制御を行っている。この制御により、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにできる。その結果、変調周波数は極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１の出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００４８】
図５は、光学モジュールの要部を示す概略斜視図である。図５に示すように、光学モジュール２は半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０を備えている。半導体レーザー１１０としては、例えば、面発光型レーザーを用いることができる。面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べて、ゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。尚、半導体レーザー１１０として、端面発光型レーザーを用いてもよい。半導体レーザー１１０から射出された第１光Ｌ１は、光学素子１７０によって集光され、エタロン１２０ａに入射する。光学素子１７０は、図示の例では、半導体レーザー１１０から射出される第１光Ｌ１を集光して、エタロン１２０ａに入射させるためのレンズである。
【００４９】
エタロン１２０ａは、第１光の第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して透過させる。すなわち、エタロン１２０ａは、第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２に対する透過率が大きく、基本波Ｆに対する透過率が小さい。これにより、エタロン１２０ａに入射した第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて、第２光Ｌ２として射出することができる。すなわち、第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と比べて、基本波Ｆの強度が減少または基本波Ｆが消滅している。これにより、第２光Ｌ２は図３に示す例のようになる。つまり、第２光Ｌ２は、中心周波数ｆ0に対して上側サイドバンドに周波数ｆ1を有する第１側帯波Ｗ１、及び中心周波数ｆ0に対して下側サイドバンドに周波数ｆ2を有する第２側帯波Ｗ２のみを有している。
【００５０】
図５に戻って、エタロン１２０ａは温度制御装置１２０ｂの発熱体１２２の上方に配置されている。尚、エタロン１２０ａと温度制御装置１２０ｂの発熱体１２２との間の位置関係は特に限定されない。エタロン１２０ａは、入射した第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を選択して透過させることができる。
【００５１】
温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａに熱を供給するための発熱体１２２を有している。温度制御装置１２０ｂから供給された熱によりエタロン１２０ａの温度が変化すると、熱光学効果が生じてエタロン１２０ａの屈折率が変化し、エタロン１２０ａの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）が変化する。発熱体１２２は、例えば、電流が流れることにより発熱する抵抗体である。温度制御装置１２０ｂは、この発熱体１２２（抵抗体）に流れる電流量を制御することにより、発熱体１２２の温度を調整し、エタロン１２０ａの温度を制御することができる。尚、温度制御装置１２０ｂは、エタロン１２０ａの温度を制御できれば良く、特に限定されず、公知のホットプレート等の発熱装置を用いてもよい。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態にかかる光学モジュール２及び原子発振器１によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５３】
（１）本実施形態によれば、波長選択装置１２０が、第１光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させることができる。これにより、ＥＩＴ現象に寄与しない基本波Ｆがアルカリ金属原子に照射されることを抑制または防止できる。したがって、ＡＣシュタルク効果による周波数変動を抑制することができ、周波数安定度の高い原子発振器１を提供できる。
【００５４】
（２）本実施形態によれば、波長選択装置１２０が、エタロン１２０ａの選択する波長範囲を変化させる温度制御装置１２０ｂを有している。このため、製造誤差や環境変化（熱、光等）によるエタロン１２０ａの波長選択特性（エタロンが選択する波長範囲）のずれを補正することができる。したがって、波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００５５】
（３）本実施形態によれば、エタロン１２０ａの波長選択特性は、エタロン１２０ａの長さに依存する。エタロン１２０ａの製造工程において、エタロン１２０ａの長さを精度よく与えることは困難であり、エタロン１２０ａに製造誤差が生じる場合がある。このような場合であっても、波長選択装置１２０は、温度制御装置１２０ｂを有するため、この製造誤差に起因する波長選択特性のずれを補正することができる。
【００５６】
（４）本実施形態によれば、温度制御装置１２０ｂが発生する熱による熱光学効果によって、温度制御装置１２０ｂはエタロン１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。これにより、エタロン１２０ａの波長選択特性を、容易に制御できる。さらに、温度制御装置１２０ｂは、発熱体１２２（抵抗体）を含んで構成されている。したがって、波長選択装置１２０を簡易な構成とすることができる。
【００５７】
（５）本実施形態によれば、光学モジュール２では、半導体レーザー１１０を面発光型レーザーにすることができる。面発光型レーザーは、端面発光型レーザーと比べてゲインを生じさせるための電流が少ないため、低消費電力化を図ることができる。
【００５８】
（６）本実施形態によれば、半導体レーザー１１０から射出された第１光Ｌ１をエタロン１２０ａに入射させるための光学素子１７０を有する。これにより、半導体レーザー１１０で発生した第１光Ｌ１を、効率よくエタロン１２０ａに導くことができる。
【００５９】
（７）本実施形態によれば、原子発振器１は、周波数安定度の高い光学モジュール２を有している。したがって、原子発振器１は、周波数安定度を高めることができる。
【００６０】
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例は総て本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００６１】
１…原子発振器、２…光学モジュール、１０…光源、２０…波長選択手段、２０ａ…エタロン、２０ｂ…温度制御手段、３０…ガスセル、４０…光検出手段、１２０ｂ…温度制御手段としての温度制御装置、１２２…抵抗体としての発熱体、１７０…光学素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、
中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる光源と、
前記第１光から前記第１側帯波及び前記第２側帯波を選択し第２光として射出する波長選択手段と、
アルカリ金属ガスが封入され前記第２光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含み、
前記波長選択手段は、エタロンと前記エタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有することを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
前記温度制御手段は抵抗体を有し、前記抵抗体に流す電流を制御することにより、前記エタロンの温度を制御することを特徴とする光学モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学モジュールにおいて、
前記光源は、面発光型レーザーであることを特徴とする光学モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学モジュールにおいて、
さらに、前記光源で発生した前記第１光を、前記エタロンに入射させるための光学素子を有することを特徴とする光学モジュール。
【請求項５】
光学モジュールと周波数制御回路とを有する原子発振器であって、
前記光学モジュールは請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学モジュールであることを特徴とする原子発振器。
【請求項１】
量子干渉効果を利用する原子発振器の光学モジュールであって、
中心波長を有する基本波と互いに異なる波長を有する第１側帯波及び第２側帯波とを含む第１光を発生させる光源と、
前記第１光から前記第１側帯波及び前記第２側帯波を選択し第２光として射出する波長選択手段と、
アルカリ金属ガスが封入され前記第２光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記第２光の強度を検出する光検出手段と、を含み、
前記波長選択手段は、エタロンと前記エタロンの温度を制御するための温度制御手段とを有することを特徴とする光学モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光学モジュールにおいて、
前記温度制御手段は抵抗体を有し、前記抵抗体に流す電流を制御することにより、前記エタロンの温度を制御することを特徴とする光学モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学モジュールにおいて、
前記光源は、面発光型レーザーであることを特徴とする光学モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学モジュールにおいて、
さらに、前記光源で発生した前記第１光を、前記エタロンに入射させるための光学素子を有することを特徴とする光学モジュール。
【請求項５】
光学モジュールと周波数制御回路とを有する原子発振器であって、
前記光学モジュールは請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学モジュールであることを特徴とする原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９９４９２（Ｐ２０１２−１９９４９２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４０３１（Ｐ２０１１−６４０３１）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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