原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器
【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原子発振器用の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用の光学モジュール２であって、所定の波長を有する基本波Ｆ、当該基本波の側帯波Ｗ１，Ｗ２、を含む光Ｌ１を出射する光源１０と、光源１０からの光が入射し、当該入射した光のうち側帯波Ｗ１，Ｗ２を透過させる波長選択部２０と、アルカリ金属ガスを封入し、波長選択部２０を透過した光Ｌ２が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０に照射された光のうちガスセル３０を透過した光の強度を検出する光検出部４０と、を含み、波長選択部２０は、所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部２０ａと、光フィルター部２０ａが透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部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用の光学モジュール２であって、所定の波長を有する基本波Ｆ、当該基本波の側帯波Ｗ１，Ｗ２、を含む光Ｌ１を出射する光源１０と、光源１０からの光が入射し、当該入射した光のうち側帯波Ｗ１，Ｗ２を透過させる波長選択部２０と、アルカリ金属ガスを封入し、波長選択部２０を透過した光Ｌ２が照射されるガスセル３０と、ガスセル３０に照射された光のうちガスセル３０を透過した光の強度を検出する光検出部４０と、を含み、波長選択部２０は、所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部２０ａと、光フィルター部２０ａが透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部２０ｂと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器用の光学モジュールおよ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出射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出射される光には、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係る目的の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原子発振器用の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係る目的の１つは、上記原子発振器用の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】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する。
【０００８】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部が、光源からの光に含まれる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発振器を提供できる。さらに、波長選択部が、光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部を有しているため、製造誤差や環境変化等による光フィルター部の波長選択特性（光フィルター部が透過させる光の波長範囲）のずれを補正することができる。
【０００９】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部は、エタロンであり、
前記光フィルター特性制御部は、電気光学効果によって、前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させることができる。
【００１０】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、光フィルター部を簡易な構成にすることができる。さらに、光フィルター部の波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。
【００１１】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部は、
前記波長選択部に入射した光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体であることができる。
【００１２】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、第１ミラーと第２ミラーとの間の距離を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター特性制御部は、前記基板に電圧を印加する第１電極および第２電極を有することができる。
【００１４】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、光フィルター特性制御部を簡易な構成にすることができる。
【００１５】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
さらに、化合物半導体の基体を含み、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記光フィルター部および前記光源は、前記基体上に位置し、
前記第１電極は、前記基体の前記光フィルター部が位置する側と反対側に位置し、
前記第２電極は、前記光フィルター部の前記基体が位置する側と反対側に位置することができる。
【００１６】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部および光源が同じ基体に形成されているため、装置の小型化を図ることができる。
【００１７】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【００１８】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部の前記基板は、前記基体側から積層された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記光源から出射した光を伝播させることができる。
【００１９】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、基板を光導波路とすることができる。したがって、波長選択部から射出される光のビーム径を制御することができ、波長選択部を透過した光をガスセルに効率よく照射することができる。
【００２０】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光源は、端面発光型レーザーであることができる。
【００２１】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、端面発光型レーザーを構成する層の膜厚の制御によって、光源（端面発光型レーザー）と波長選択部との間のアライメントができる。したがって、光源と波長選択部との間のアライメント精度を向上させることができる。さらに、例えば、波長選択部に光源からの光を入射させるための光学素子が不要となる。
【００２２】
本発明に係る原子発振器用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ができる。
【００２３】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、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。
【００２４】
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含む。
【００２５】
このような原子発振器は、本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含むため、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。
【００２６】
本発明に係る原子発振器は、
量子干渉効果を利用する原子発振器用であって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過する波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を選択して射出する光フィルター部と、
前記光フィルター部が選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する。
【００２７】
このような原子発振器によれば、波長選択部が、光源からの光に含まれる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発振器を提供できる。さらに、波長選択部が、光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部を有しているため、製造誤差や環境変化等による光フィルター部の波長選択特性（光フィルター部が透過させる光の波長範囲）のずれを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】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側帯波の関係を示す図、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示す図。
【図３】波長選択部から射出された第２光の周波数スペクトラムを示す図。
【図４】本実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図５】本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【図６】端面発光型レーザーを用いた本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
まず、本実施形態に係る光学モジュールおよび原子発振器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る原子発振器は、本実施形態に係る光学モジュールを含む。図１は、本実施形態に係る原子発振器１の機能ブロック図である。原子発振器１は、量子干渉効果を利用した発振器である。
【００３１】
原子発振器１は、光学モジュール２と、制御部５０と、を含む。
【００３２】
光学モジュール２は、光源１０と、波長選択部２０と、ガスセル３０と、光検出部４０と、を含む。
【００３３】
光源１０は、所定の中心波長（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および第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。
【００３４】
波長選択部２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択部２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出する光フィルター部２０ａと、光フィルター部２０ａの選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部２０ｂと、を有する。
【００３５】
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。
【００３６】
光検出部４０は、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する。
【００３７】
制御部５０は、光検出部４０の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）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。制御部５０は、光検出部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、および周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００３８】
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Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、光源１０で発生する第１光Ｌ１の周波数スペクトラムを示す図である。
【００３９】
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。
【００４０】
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、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００４１】
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ＧＬ１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ＧＬ２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ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００４２】
しかし、図２（Ｂ）に示した第１光Ｌ１がガスセル３０に直接照射されると、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２と同時に、基本波Ｆがガスセル３０すなわちアルカリ金属原子に照射されることになる。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と、ＡＣシュタルク効果により、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化する。これにより、アルカリ金属原子を透過する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の量が変化してしまう。ＥＩＴ現象を利用した発振器においては、アルカリ金属原子を透過する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の量を検知することで変調周波数ｆｍを安定化させ、この変調周波数ｆｍを発信器の出力として利用することにより、発信器の周波数安定度を高めている。したがって、基本波Ｆによって生じるＡＣシュタルク効果は、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の検知精度を低下させ、変調周波数ｆｍの安定度を低下させる。すなわち、発信器の周波数安定度を低下させてしまう。
【００４３】
図３は、波長選択手段部２０から射出された第２光Ｌ２の周波数スペクトラムを示す図である。
【００４４】
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の例では、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、および中心周波数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、波長選択部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。
【００４５】
以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。
【００４６】
図４は、原子発振器１の構成を示すブロック図である。
【００４７】
原子発振器１は、図４に示すように、光学モジュール２と、電流駆動回路１５０と、変調回路１６０と、を含む。
【００４８】
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と、ガスセル１３０と、光検出器１４０と、を含む。
【００４９】
半導体レーザー１１０は、所定の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および第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が出射するレーザー光（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が出射する第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、および第２側帯波Ｗ２が生成される。半導体レーザー１１０において発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。
【００５０】
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。
【００５１】
波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第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光フィルター素子１２０ａと、光フィルター素子１２０ａが選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御装置１２０ｂと、を有する。
【００５２】
光フィルター素子１２０ａは、第１光から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して射出することができる。そのため、光フィルター素子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、および第２側帯波Ｗ２のみを有している。光フィルター素子１２０ａは、後述するように、エタロンであってもよいし、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）であってもよい。
【００５３】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光フィルター素子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。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、例えば、電気光学効果によって、光フィルター素子１２０ａ（例えば、エタロン）の波長選択特性を変化させることができる。ここで、電気光学効果とは、物質の光に対する屈折率が、外部より静電場を加えることによって変化する現象をいう。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、例えば、光フィルター素子１２０ａに電場を印加することにより光フィルター素子１２０ａの屈折率を変化させ、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を変化させる。波長選択装置１２０は、光フィルター特性制御装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光など）等による光フィルター素子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および第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択することができる。
【００５４】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、光フィルター素子１２０ａに加える電場の強度を調整し、光フィルター素子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、光フィルター素子１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、光フィルター特性制御装置１２０ｂを通るフィードバックループにより光フィルター素子１２０ａに印加される電場の強度が調整され、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００５５】
また、光フィルター特性制御装置１２０ｂは、予め取得された光フィルター素子１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、光フィルター素子１２０ａに印加される電場の強度を調整し、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００５６】
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。
【００５７】
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側帯波および第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線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００５８】
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および変調回路１６０に入力される。また、光検出器１４０の出力信号は、さらに、光フィルター特性制御装置１２０ｂに入力されてもよい。光検出器１４０は、例えば、フォトダイオードである。
【００５９】
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光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が微調整されて安定する。
【００６０】
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が出射するレーザー光は、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。
【００６１】
なお、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、波長選択部２０、ガスセル３０、光検出部４０に対応する。また、光フィルター素子１２０ａは、図１の光フィルター部２０ａに対応し、光フィルター特性制御装置１２０ｂは、図１の光フィルター特性制御部２０ｂに対応する。また、電流駆動回路１５０、変調回路１６０は、図１の制御部５０に対応する。
【００６２】
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が発生させる第１光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２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現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と照射光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（検出量が増加する）。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、および変調回路１６０を通るフィードバックループにより、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フィードバック制御がかかる。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。
【００６３】
図５は、光学モジュール２の要部（半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０）を模式的に示す断面図である。
【００６４】
光学モジュール２は、図５に示すように、さらに、基体１７０を含む。半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０は、基体１７０に形成されている。このように半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０がモノリシックに形成されることにより、装置の小型化を図ることができる。
【００６５】
基体１７０の材質は、化合物半導体である。具体的には、基体１７０の材質は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体である。ここでは、基体１７０の材質が第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓである場合について説明する。
【００６６】
半導体レーザー１１０は、第１半導体層１１２と、活性層１１４と、第２半導体層１１６と、を含む面発光型レーザーである。
【００６７】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２は、例えば、ｎ型（第１導電型）Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体ミラーである。
【００６８】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００６９】
第２半導体層１１６は、例えば、ｐ型（第２導電型）Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に積層したＤＢＲ半導体ミラーである。
【００７０】
ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００７１】
半導体レーザー１１０の電極１１８は、基体１７０の下面に形成されている。電極１１８は、基体１７０を介して、第１半導体層１１２と電気的に接続されている。電極１１８は、半導体レーザー１１０を駆動するための一方の電極である。なお、電極１１８は、後述する光フィルター特性制御装置１２０ｂの第１電極１２８と共通の電極である。
【００７２】
半導体レーザー１１０の電極１１９は、第２半導体層１１６の上面に形成されている。電極１１９は、第２半導体層１１６と電気的に接続されている。電極１１９は、半導体レーザー１１０を駆動するための他方の電極である。
【００７３】
電極１１８，１１９で、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１１４において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２半導体層１１６と第１半導体層１１２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、第２半導体層１１６の上面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。半導体レーザー１１０から出射された光Ｌ１は、プリズム１８０で反射されて、波長選択装置１２０（光フィルター素子１２０ａ）に入射する。プリズム１８０は、第１光Ｌ１の進行方向を変えて、第１光Ｌ１を波長選択装置１２０（光フィルター素子１２０ａ）に入射させるための光学素子である。なお、本実施形態においては、第１光Ｌ１の進行方向を変えるためにプリズム１８０を用いているが、第１光Ｌ１を反射させて進行方向を変えることができれば、他の光学素子を用いてもよい。例えば、反射ミラーなどを用いることができる。
【００７４】
光学モジュール２において、光フィルター素子１２０ａは、図示の例では、エタロンである。光フィルター素子１２０ａは、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間に配置された基板１２３と、を含む。ミラー１２１および１２２は、ミラーに入射した光の一部を透過させ、一部を反射させるような半透過ミラーである。
【００７５】
光フィルター素子１２０ａは、ミラー１２１，１２２間の干渉作用により、入射した光Ｌ１のうち、所定の波長範囲の光（第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２）を透過させる。光フィルター素子１２０ａに光が入射すると、ミラー１２１，１２２間の干渉作用により、基板１２３の長さ（第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間の距離）Ｄおよび基板１２３の屈折率に応じた波長の光が選択的に光フィルター素子１２０ａを透過する。光フィルター素子１２０ａでは、第１側帯波Ｗ１および第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、光フィルター素子１２０ａに入射した光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて射出することができる。したがって、光フィルター素子１２０ａは、例えば、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２のみを含む第２光Ｌ２を射出することができる。
【００７６】
第１ミラー１２１と第２ミラー１２２は、基板１２３を介して、互いに対向している。第１ミラー１２１および第２ミラー１２２は、例えば、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜とを交互に積層した多層膜からなる。ミラー１２１，１２２は、例えば、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜を３ペア成膜した層構造を有している。第１ミラー１２１および第２ミラー１２２の反射率は、例えば、９０％である。
【００７７】
基板１２３は、基体１７０上に形成されている。基板１２３は、基体１７０側から順に形成された、第１層１２４、第２層１２５、および第３層１２６を有している。第１層１２４の屈折率および第３層１２６の屈折率は、第２層１２５の屈折率より小さい。したがって、第１層１２４および第３層１２６は、クラッド層として機能し、第２層１２５は、第１光Ｌ１を伝播させるコア層として機能する。すなわち、基板１２３は、第１光Ｌ１を伝搬させる光導波路である。光学モジュール２では、基板１２３が光導波路であるため、光フィルター素子１２０ａから射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に光Ｌ２を効率よく照射することができる。第１層１２４および第３層１２６の材質は、例えば、ＡｌＧａＡｓであり、第２層１２５の材質は、例えば、ＧａＡｓである。
【００７８】
なお、基板１２３は、光導波路を形成しなくてもよい。基板１２３は、複数の層１２４，１２５，１２６を有さずに、単層であってもよい。
【００７９】
基板１２３の材質は、特に限定されず、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体であってもよい。基板１２３の材質として、例えば、ＧａＡｓを用いた場合、フリースペクトラルレンジを９．２ＧＨｚ、半値全幅を０．３ＧＨｚ程度とすると、基板１２３の長さＤは２８．４６ｍｍ程度である。エタロンの基板の材質として一般的なＳｉＯ２を用いた場合、基板の長さは、７０．６６ｍｍ程度である。このように、基板１２３の材質として、屈折率の大きい化合物半導体を用いることで、基板１２３の長さＤを短くすることができる。
【００８０】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光フィルター素子１２０ａに電場を供給するための第１電極１２８および第２電極１２９を有している。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、電極１２８，１２９間に電圧を印加することにより、基板１２３に電場を供給することができる。これにより、電気光学効果が生じて基板１２３の屈折率が変化し、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。第１電極１２８は、基体１７０の、光フィルター素子１２０ａが位置する側と反対側に位置している。第１電極１２８は、基体１７０の下方に形成されている。第１電極１２８は、上述した半導体レーザー１１０の第１電極１２８と共通の電極である。第２電極１２９は、光フィルター素子１２０ａの、基体１２３が位置する側と反対側に位置している。第２電極１２９は、絶縁層１９０を介して、光フィルター素子１２０ａの上方に形成されている。電極１２８，１２９間に、絶縁層１９０が形成されることにより、電極１２８，１２９間に電流が流れて電圧降下が生じることを防ぐことができる。
【００８１】
なお、ここでは、光フィルター素子１２０ａがエタロンである場合について説明したが、光フィルター素子１２０ａは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたファイバーブラッググレーティングであってもよい。ファイバーブラッググレーティングは、光ファイバーを用いているため、変形が容易であり、設計の自由度を向上できる。
【００８２】
また、ここでは、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を、電気光学効果を用いて補正したが、例えば、熱光学効果（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）を用いて補正してもよい。この場合、光学モジュール２は、光フィルター素子１２０ａに熱を供給するための部材を有していてもよい。
【００８３】
光学モジュール２および原子発振器１は、例えば、以下の特徴を有する。
【００８４】
光学モジュール２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発振器を提供できる。
【００８５】
光学モジュール２によれば、波長選択装置１２０が、光フィルター特性制御装置１２０ｂを有しているため、製造誤差や環境変化（熱、光など）等による光フィルター素子１２０ａの波長選択特性（光フィルター素子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および第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００８６】
例えば、光フィルター素子１２０ａがエタロンである場合、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性（光フィルター素子が選択する波長範囲）は、図５に示す基板１２３の長さＤおよび基板１２３の屈折率に依存する。しかしながら、光フィルター素子１２０ａの製造工程において、基板１２３の長さＤを正確に制御することは困難であり、基板１２３の長さＤ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、光学モジュール２によれば、光フィルター特性制御装置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。
【００８７】
光学モジュール２では、光フィルター素子１２０ａが、エタロンである。したがって、光フィルター素子を簡易な構成にすることができる。また、光フィルター素子（エタロン）１２０ａの基板１２３の材質が化合物半導体である。したがって、基板１２３の材質が、ＳｉＯ２である場合と比べて、基板１２３の長さＤを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００８８】
光学モジュール２では、光フィルター特性制御装置１２０ｂが、電気光学効果によって、光フィルター素子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、光フィルター素子の波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。さらに、光フィルター特性制御装置１２０ｂが、基板１２３に電圧を印加するための第１電極１２８および第２電極１２９を含んで構成されている。したがって、光フィルター特性制御装置１２０ｂを簡易な構成にすることができる。
【００８９】
光学モジュール２では、波長選択装置１２０および半導体レーザー（光源）１１０が基体１７０に形成されている。このように波長選択装置１２０と半導体レーザー１１０を基体１７０にモノリシックに形成することにより、装置の小型化を図ることができる。
【００９０】
光学モジュール２では、上述のように、光フィルター素子（エタロン）１２０ａの基板１２３が光導波路である。したがって、光フィルター素子１２０ａから射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に効率よく光Ｌ２を照射することができる。
【００９１】
光学モジュール２では、半導体レーザー１１０が面発光型レーザーである。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。
【００９２】
原子発振器１では、光学モジュール２を有している。したがって、上述のように、周波数安定度の高めることができる。
【００９３】
なお、上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。
【００９４】
例えば、上述した図５に示す半導体レーザー１１０は、面発光型レーザーであったが、半導体レーザーは、端面発光型レーザーであってもよい。図６は、端面発光型レーザーを用いた光学モジュール２Ｄの要部を模式的に示す断面図である。以下、図６に示す光学モジュール２Ｄにおいて、上述した図５に示す光学モジュール２の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９５】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２としては、例えば、第１導電型（例えばｎ型）ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００９６】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００９７】
第２半導体層１１６は、活性層１１４上に形成されている。第２半導体層１１６としては、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００９８】
例えば、ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが構成される。第２半導体層１１６および第１半導体層１１２の各々は、活性層１１４よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。活性層１１４は、光を増幅する機能を有する。第１半導体層１１２および第２半導体層１１６は、活性層１１４を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能を有する。
【００９９】
半導体レーザー１１０では、電極１１８，１１９間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、活性層１１４において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、レーザー光が生じ、活性層１１４の側面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。
【０１００】
光学モジュール２Ｄによれば、半導体レーザー１１０として端面発光型レーザーを用いることで、半導体レーザー１１０の各層１１２，１１４，１１６の積層方向に対して垂直にレーザー光を出射することができる。したがって、各層１１２，１１４，１１６の膜厚の制御によって、半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０との間のアライメントができる。したがって、半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０との間のアライメント精度を向上させることができる。さらに、例えば、波長選択装置１２０にレーザー光を入射させるためのプリズム等の光学素子が不要となる。
【０１０１】
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、本発明の新規事項およ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すべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 原子発振器、２ 光学モジュール、１０ 光源、２０ 波長選択部、
２０ａ 光フィルター部、２０ｂ 光フィルター特性制御部、
３０ ガスセル、４０ 光検出部、５０ 制御部、１１０ 半導体レーザー、
１１２ 第１半導体層、１１４ 活性層、１１６ 第２半導体層、
１１８，１１９ 電極、１２０ 波長選択装置、１２０ａ 光フィルター素子、
１２０ｂ 光フィルター特性制御装置、１２１ 第１ミラー、１２２ 第２ミラー、
１２３ 基板、１２４ 第１層、１２５ 第２層、１２６ 第３層、
１２８ 第１電極、１２９ 第２電極、１３０ ガスセル、
１４０ 光検出器、１５０ 電流駆動回路、１６０ 変調回路、１７０ 基体、
１８０ プリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器用の光学モジュールおよ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出射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出射される光には、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係る目的の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原子発振器用の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係る目的の１つは、上記原子発振器用の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】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する。
【０００８】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部が、光源からの光に含まれる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発振器を提供できる。さらに、波長選択部が、光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部を有しているため、製造誤差や環境変化等による光フィルター部の波長選択特性（光フィルター部が透過させる光の波長範囲）のずれを補正することができる。
【０００９】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部は、エタロンであり、
前記光フィルター特性制御部は、電気光学効果によって、前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させることができる。
【００１０】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、光フィルター部を簡易な構成にすることができる。さらに、光フィルター部の波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。
【００１１】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部は、
前記波長選択部に入射した光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体であることができる。
【００１２】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、第１ミラーと第２ミラーとの間の距離を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター特性制御部は、前記基板に電圧を印加する第１電極および第２電極を有することができる。
【００１４】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、光フィルター特性制御部を簡易な構成にすることができる。
【００１５】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
さらに、化合物半導体の基体を含み、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記光フィルター部および前記光源は、前記基体上に位置し、
前記第１電極は、前記基体の前記光フィルター部が位置する側と反対側に位置し、
前記第２電極は、前記光フィルター部の前記基体が位置する側と反対側に位置することができる。
【００１６】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部および光源が同じ基体に形成されているため、装置の小型化を図ることができる。
【００１７】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、Ａ下に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ下に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとする。
【００１８】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光フィルター部の前記基板は、前記基体側から積層された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記光源から出射した光を伝播させることができる。
【００１９】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、基板を光導波路とすることができる。したがって、波長選択部から射出される光のビーム径を制御することができ、波長選択部を透過した光をガスセルに効率よく照射することができる。
【００２０】
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記光源は、端面発光型レーザーであることができる。
【００２１】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、端面発光型レーザーを構成する層の膜厚の制御によって、光源（端面発光型レーザー）と波長選択部との間のアライメントができる。したがって、光源と波長選択部との間のアライメント精度を向上させることができる。さらに、例えば、波長選択部に光源からの光を入射させるための光学素子が不要となる。
【００２２】
本発明に係る原子発振器用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ができる。
【００２３】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、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。
【００２４】
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含む。
【００２５】
このような原子発振器は、本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含むため、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。
【００２６】
本発明に係る原子発振器は、
量子干渉効果を利用する原子発振器用であって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過する波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を選択して射出する光フィルター部と、
前記光フィルター部が選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する。
【００２７】
このような原子発振器によれば、波長選択部が、光源からの光に含まれる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発振器を提供できる。さらに、波長選択部が、光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部を有しているため、製造誤差や環境変化等による光フィルター部の波長選択特性（光フィルター部が透過させる光の波長範囲）のずれを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。
【図２】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側帯波の関係を示す図、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示す図。
【図３】波長選択部から射出された第２光の周波数スペクトラムを示す図。
【図４】本実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図５】本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【図６】端面発光型レーザーを用いた本実施形態に係る光学モジュールの要部を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
まず、本実施形態に係る光学モジュールおよび原子発振器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る原子発振器は、本実施形態に係る光学モジュールを含む。図１は、本実施形態に係る原子発振器１の機能ブロック図である。原子発振器１は、量子干渉効果を利用した発振器である。
【００３１】
原子発振器１は、光学モジュール２と、制御部５０と、を含む。
【００３２】
光学モジュール２は、光源１０と、波長選択部２０と、ガスセル３０と、光検出部４０と、を含む。
【００３３】
光源１０は、所定の中心波長（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および第２側帯波Ｗ２と、を含む第１光Ｌ１を発生させる。
【００３４】
波長選択部２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択し、第２光Ｌ２として射出する。波長選択部２０は、所定の波長範囲の光を選択して射出する光フィルター部２０ａと、光フィルター部２０ａの選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部２０ｂと、を有する。
【００３５】
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。
【００３６】
光検出部４０は、ガスセル３０を透過した第２光Ｌ２の強度を検出する。
【００３７】
制御部５０は、光検出部４０の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）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。制御部５０は、光検出部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、および周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
【００３８】
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Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、光源１０で発生する第１光Ｌ１の周波数スペクトラムを示す図である。
【００３９】
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。
【００４０】
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、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００４１】
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ＧＬ１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ＧＬ２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ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００４２】
しかし、図２（Ｂ）に示した第１光Ｌ１がガスセル３０に直接照射されると、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２と同時に、基本波Ｆがガスセル３０すなわちアルカリ金属原子に照射されることになる。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と、ＡＣシュタルク効果により、アルカリ金属原子が吸収する光の波長（周波数）が変化する。これにより、アルカリ金属原子を透過する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の量が変化してしまう。ＥＩＴ現象を利用した発振器においては、アルカリ金属原子を透過する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の量を検知することで変調周波数ｆｍを安定化させ、この変調周波数ｆｍを発信器の出力として利用することにより、発信器の周波数安定度を高めている。したがって、基本波Ｆによって生じるＡＣシュタルク効果は、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の検知精度を低下させ、変調周波数ｆｍの安定度を低下させる。すなわち、発信器の周波数安定度を低下させてしまう。
【００４３】
図３は、波長選択手段部２０から射出された第２光Ｌ２の周波数スペクトラムを示す図である。
【００４４】
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の例では、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、および中心周波数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、波長選択部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。
【００４５】
以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。
【００４６】
図４は、原子発振器１の構成を示すブロック図である。
【００４７】
原子発振器１は、図４に示すように、光学モジュール２と、電流駆動回路１５０と、変調回路１６０と、を含む。
【００４８】
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と、ガスセル１３０と、光検出器１４０と、を含む。
【００４９】
半導体レーザー１１０は、所定の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および第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が出射するレーザー光（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が出射する第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、および第２側帯波Ｗ２が生成される。半導体レーザー１１０において発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。
【００５０】
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。
【００５１】
波長選択装置１２０は、第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第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光フィルター素子１２０ａと、光フィルター素子１２０ａが選択する波長範囲を変化させる光フィルター特性制御装置１２０ｂと、を有する。
【００５２】
光フィルター素子１２０ａは、第１光から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して射出することができる。そのため、光フィルター素子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、および第２側帯波Ｗ２のみを有している。光フィルター素子１２０ａは、後述するように、エタロンであってもよいし、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）であってもよい。
【００５３】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光フィルター素子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。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、例えば、電気光学効果によって、光フィルター素子１２０ａ（例えば、エタロン）の波長選択特性を変化させることができる。ここで、電気光学効果とは、物質の光に対する屈折率が、外部より静電場を加えることによって変化する現象をいう。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、例えば、光フィルター素子１２０ａに電場を印加することにより光フィルター素子１２０ａの屈折率を変化させ、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を変化させる。波長選択装置１２０は、光フィルター特性制御装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光など）等による光フィルター素子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および第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択することができる。
【００５４】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、光フィルター素子１２０ａに加える電場の強度を調整し、光フィルター素子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、光フィルター素子１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、光フィルター特性制御装置１２０ｂを通るフィードバックループにより光フィルター素子１２０ａに印加される電場の強度が調整され、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００５５】
また、光フィルター特性制御装置１２０ｂは、予め取得された光フィルター素子１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、光フィルター素子１２０ａに印加される電場の強度を調整し、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００５６】
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。
【００５７】
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側帯波および第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線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２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。
【００５８】
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および変調回路１６０に入力される。また、光検出器１４０の出力信号は、さらに、光フィルター特性制御装置１２０ｂに入力されてもよい。光検出器１４０は、例えば、フォトダイオードである。
【００５９】
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光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が微調整されて安定する。
【００６０】
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が出射するレーザー光は、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。
【００６１】
なお、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、波長選択部２０、ガスセル３０、光検出部４０に対応する。また、光フィルター素子１２０ａは、図１の光フィルター部２０ａに対応し、光フィルター特性制御装置１２０ｂは、図１の光フィルター特性制御部２０ｂに対応する。また、電流駆動回路１５０、変調回路１６０は、図１の制御部５０に対応する。
【００６２】
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が発生させる第１光Ｌ１の第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２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現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と照射光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（検出量が増加する）。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、および変調回路１６０を通るフィードバックループにより、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フィードバック制御がかかる。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。
【００６３】
図５は、光学モジュール２の要部（半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０）を模式的に示す断面図である。
【００６４】
光学モジュール２は、図５に示すように、さらに、基体１７０を含む。半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０は、基体１７０に形成されている。このように半導体レーザー１１０および波長選択装置１２０がモノリシックに形成されることにより、装置の小型化を図ることができる。
【００６５】
基体１７０の材質は、化合物半導体である。具体的には、基体１７０の材質は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体である。ここでは、基体１７０の材質が第１導電型（例えばｎ型）ＧａＡｓである場合について説明する。
【００６６】
半導体レーザー１１０は、第１半導体層１１２と、活性層１１４と、第２半導体層１１６と、を含む面発光型レーザーである。
【００６７】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２は、例えば、ｎ型（第１導電型）Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体ミラーである。
【００６８】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００６９】
第２半導体層１１６は、例えば、ｐ型（第２導電型）Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に積層したＤＢＲ半導体ミラーである。
【００７０】
ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００７１】
半導体レーザー１１０の電極１１８は、基体１７０の下面に形成されている。電極１１８は、基体１７０を介して、第１半導体層１１２と電気的に接続されている。電極１１８は、半導体レーザー１１０を駆動するための一方の電極である。なお、電極１１８は、後述する光フィルター特性制御装置１２０ｂの第１電極１２８と共通の電極である。
【００７２】
半導体レーザー１１０の電極１１９は、第２半導体層１１６の上面に形成されている。電極１１９は、第２半導体層１１６と電気的に接続されている。電極１１９は、半導体レーザー１１０を駆動するための他方の電極である。
【００７３】
電極１１８，１１９で、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１１４において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２半導体層１１６と第１半導体層１１２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、第２半導体層１１６の上面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。半導体レーザー１１０から出射された光Ｌ１は、プリズム１８０で反射されて、波長選択装置１２０（光フィルター素子１２０ａ）に入射する。プリズム１８０は、第１光Ｌ１の進行方向を変えて、第１光Ｌ１を波長選択装置１２０（光フィルター素子１２０ａ）に入射させるための光学素子である。なお、本実施形態においては、第１光Ｌ１の進行方向を変えるためにプリズム１８０を用いているが、第１光Ｌ１を反射させて進行方向を変えることができれば、他の光学素子を用いてもよい。例えば、反射ミラーなどを用いることができる。
【００７４】
光学モジュール２において、光フィルター素子１２０ａは、図示の例では、エタロンである。光フィルター素子１２０ａは、第１ミラー１２１と、第２ミラー１２２と、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間に配置された基板１２３と、を含む。ミラー１２１および１２２は、ミラーに入射した光の一部を透過させ、一部を反射させるような半透過ミラーである。
【００７５】
光フィルター素子１２０ａは、ミラー１２１，１２２間の干渉作用により、入射した光Ｌ１のうち、所定の波長範囲の光（第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２）を透過させる。光フィルター素子１２０ａに光が入射すると、ミラー１２１，１２２間の干渉作用により、基板１２３の長さ（第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間の距離）Ｄおよび基板１２３の屈折率に応じた波長の光が選択的に光フィルター素子１２０ａを透過する。光フィルター素子１２０ａでは、第１側帯波Ｗ１および第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、光フィルター素子１２０ａに入射した光Ｌ１の基本波Ｆの強度を減少または基本波Ｆを消滅させて射出することができる。したがって、光フィルター素子１２０ａは、例えば、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２のみを含む第２光Ｌ２を射出することができる。
【００７６】
第１ミラー１２１と第２ミラー１２２は、基板１２３を介して、互いに対向している。第１ミラー１２１および第２ミラー１２２は、例えば、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜とを交互に積層した多層膜からなる。ミラー１２１，１２２は、例えば、Ｔａ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜を３ペア成膜した層構造を有している。第１ミラー１２１および第２ミラー１２２の反射率は、例えば、９０％である。
【００７７】
基板１２３は、基体１７０上に形成されている。基板１２３は、基体１７０側から順に形成された、第１層１２４、第２層１２５、および第３層１２６を有している。第１層１２４の屈折率および第３層１２６の屈折率は、第２層１２５の屈折率より小さい。したがって、第１層１２４および第３層１２６は、クラッド層として機能し、第２層１２５は、第１光Ｌ１を伝播させるコア層として機能する。すなわち、基板１２３は、第１光Ｌ１を伝搬させる光導波路である。光学モジュール２では、基板１２３が光導波路であるため、光フィルター素子１２０ａから射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に光Ｌ２を効率よく照射することができる。第１層１２４および第３層１２６の材質は、例えば、ＡｌＧａＡｓであり、第２層１２５の材質は、例えば、ＧａＡｓである。
【００７８】
なお、基板１２３は、光導波路を形成しなくてもよい。基板１２３は、複数の層１２４，１２５，１２６を有さずに、単層であってもよい。
【００７９】
基板１２３の材質は、特に限定されず、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族半導体であってもよい。基板１２３の材質として、例えば、ＧａＡｓを用いた場合、フリースペクトラルレンジを９．２ＧＨｚ、半値全幅を０．３ＧＨｚ程度とすると、基板１２３の長さＤは２８．４６ｍｍ程度である。エタロンの基板の材質として一般的なＳｉＯ２を用いた場合、基板の長さは、７０．６６ｍｍ程度である。このように、基板１２３の材質として、屈折率の大きい化合物半導体を用いることで、基板１２３の長さＤを短くすることができる。
【００８０】
光フィルター特性制御装置１２０ｂは、光フィルター素子１２０ａに電場を供給するための第１電極１２８および第２電極１２９を有している。光フィルター特性制御装置１２０ｂは、電極１２８，１２９間に電圧を印加することにより、基板１２３に電場を供給することができる。これにより、電気光学効果が生じて基板１２３の屈折率が変化し、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。第１電極１２８は、基体１７０の、光フィルター素子１２０ａが位置する側と反対側に位置している。第１電極１２８は、基体１７０の下方に形成されている。第１電極１２８は、上述した半導体レーザー１１０の第１電極１２８と共通の電極である。第２電極１２９は、光フィルター素子１２０ａの、基体１２３が位置する側と反対側に位置している。第２電極１２９は、絶縁層１９０を介して、光フィルター素子１２０ａの上方に形成されている。電極１２８，１２９間に、絶縁層１９０が形成されることにより、電極１２８，１２９間に電流が流れて電圧降下が生じることを防ぐことができる。
【００８１】
なお、ここでは、光フィルター素子１２０ａがエタロンである場合について説明したが、光フィルター素子１２０ａは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたファイバーブラッググレーティングであってもよい。ファイバーブラッググレーティングは、光ファイバーを用いているため、変形が容易であり、設計の自由度を向上できる。
【００８２】
また、ここでは、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性を、電気光学効果を用いて補正したが、例えば、熱光学効果（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）を用いて補正してもよい。この場合、光学モジュール２は、光フィルター素子１２０ａに熱を供給するための部材を有していてもよい。
【００８３】
光学モジュール２および原子発振器１は、例えば、以下の特徴を有する。
【００８４】
光学モジュール２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発振器を提供できる。
【００８５】
光学モジュール２によれば、波長選択装置１２０が、光フィルター特性制御装置１２０ｂを有しているため、製造誤差や環境変化（熱、光など）等による光フィルター素子１２０ａの波長選択特性（光フィルター素子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および第２側帯波Ｗ２を、精度よく選択して射出することができる。
【００８６】
例えば、光フィルター素子１２０ａがエタロンである場合、光フィルター素子１２０ａの波長選択特性（光フィルター素子が選択する波長範囲）は、図５に示す基板１２３の長さＤおよび基板１２３の屈折率に依存する。しかしながら、光フィルター素子１２０ａの製造工程において、基板１２３の長さＤを正確に制御することは困難であり、基板１２３の長さＤ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、光学モジュール２によれば、光フィルター特性制御装置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。
【００８７】
光学モジュール２では、光フィルター素子１２０ａが、エタロンである。したがって、光フィルター素子を簡易な構成にすることができる。また、光フィルター素子（エタロン）１２０ａの基板１２３の材質が化合物半導体である。したがって、基板１２３の材質が、ＳｉＯ２である場合と比べて、基板１２３の長さＤを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００８８】
光学モジュール２では、光フィルター特性制御装置１２０ｂが、電気光学効果によって、光フィルター素子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、光フィルター素子の波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。さらに、光フィルター特性制御装置１２０ｂが、基板１２３に電圧を印加するための第１電極１２８および第２電極１２９を含んで構成されている。したがって、光フィルター特性制御装置１２０ｂを簡易な構成にすることができる。
【００８９】
光学モジュール２では、波長選択装置１２０および半導体レーザー（光源）１１０が基体１７０に形成されている。このように波長選択装置１２０と半導体レーザー１１０を基体１７０にモノリシックに形成することにより、装置の小型化を図ることができる。
【００９０】
光学モジュール２では、上述のように、光フィルター素子（エタロン）１２０ａの基板１２３が光導波路である。したがって、光フィルター素子１２０ａから射出される光Ｌ２のビーム径を制御することができ、ガスセル１３０に効率よく光Ｌ２を照射することができる。
【００９１】
光学モジュール２では、半導体レーザー１１０が面発光型レーザーである。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。
【００９２】
原子発振器１では、光学モジュール２を有している。したがって、上述のように、周波数安定度の高めることができる。
【００９３】
なお、上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。
【００９４】
例えば、上述した図５に示す半導体レーザー１１０は、面発光型レーザーであったが、半導体レーザーは、端面発光型レーザーであってもよい。図６は、端面発光型レーザーを用いた光学モジュール２Ｄの要部を模式的に示す断面図である。以下、図６に示す光学モジュール２Ｄにおいて、上述した図５に示す光学モジュール２の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９５】
第１半導体層１１２は、基体１７０上に形成されている。第１半導体層１１２としては、例えば、第１導電型（例えばｎ型）ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００９６】
活性層１１４は、第１半導体層１１２上に形成されている。活性層１１４は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００９７】
第２半導体層１１６は、活性層１１４上に形成されている。第２半導体層１１６としては、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００９８】
例えば、ｐ型の第２半導体層１１６、不純物がドーピングされていない活性層１１４、およびｎ型の第１半導体層１１２により、ｐｉｎダイオードが構成される。第２半導体層１１６および第１半導体層１１２の各々は、活性層１１４よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。活性層１１４は、光を増幅する機能を有する。第１半導体層１１２および第２半導体層１１６は、活性層１１４を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能を有する。
【００９９】
半導体レーザー１１０では、電極１１８，１１９間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、活性層１１４において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザー発振が起こり、レーザー光が生じ、活性層１１４の側面からレーザー光（第１光Ｌ１）が出射される。
【０１００】
光学モジュール２Ｄによれば、半導体レーザー１１０として端面発光型レーザーを用いることで、半導体レーザー１１０の各層１１２，１１４，１１６の積層方向に対して垂直にレーザー光を出射することができる。したがって、各層１１２，１１４，１１６の膜厚の制御によって、半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０との間のアライメントができる。したがって、半導体レーザー１１０と波長選択装置１２０との間のアライメント精度を向上させることができる。さらに、例えば、波長選択装置１２０にレーザー光を入射させるためのプリズム等の光学素子が不要となる。
【０１０１】
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、本発明の新規事項およ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すべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１０２】
１ 原子発振器、２ 光学モジュール、１０ 光源、２０ 波長選択部、
２０ａ 光フィルター部、２０ｂ 光フィルター特性制御部、
３０ ガスセル、４０ 光検出部、５０ 制御部、１１０ 半導体レーザー、
１１２ 第１半導体層、１１４ 活性層、１１６ 第２半導体層、
１１８，１１９ 電極、１２０ 波長選択装置、１２０ａ 光フィルター素子、
１２０ｂ 光フィルター特性制御装置、１２１ 第１ミラー、１２２ 第２ミラー、
１２３ 基板、１２４ 第１層、１２５ 第２層、１２６ 第３層、
１２８ 第１電極、１２９ 第２電極、１３０ ガスセル、
１４０ 光検出器、１５０ 電流駆動回路、１６０ 変調回路、１７０ 基体、
１８０ プリズム
【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用の光学モジュールであって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する、ことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。
【請求項２】
前記光フィルター部は、エタロンであり、
前記光フィルター特性制御部は、電気光学効果によって、前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項３】
前記光フィルター部は、
前記波長選択部に入射した光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体である、ことを特徴とする請求項２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項４】
前記光フィルター特性制御部は、前記基板に電圧を印加する第１電極および第２電極を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項５】
さらに、化合物半導体の基体を含み、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記光フィルター部および前記光源は、前記基体上に位置し、
前記第１電極は、前記基体の前記光フィルター部が位置する側と反対側に位置し、
前記第２電極は、前記光フィルター部の前記基体が位置する側と反対側に位置する、ことを特徴とする請求項４に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項６】
前記光フィルター部の前記基板は、前記基体側から積層された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記光源から出射した光を伝播させる、ことを特徴とする請求項５に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項７】
前記光源は、端面発光型レーザーである、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項８】
前記光源は、面発光型レーザーである、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュールを含む、ことを特徴とする原子発振器。
【請求項１０】
量子干渉効果を利用する原子発振器であって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する、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用の光学モジュールであって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する、ことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。
【請求項２】
前記光フィルター部は、エタロンであり、
前記光フィルター特性制御部は、電気光学効果によって、前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項３】
前記光フィルター部は、
前記波長選択部に入射した光を反射させ、互いに対向する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置された基板と、
を有し、
前記基板の材質は、化合物半導体である、ことを特徴とする請求項２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項４】
前記光フィルター特性制御部は、前記基板に電圧を印加する第１電極および第２電極を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項５】
さらに、化合物半導体の基体を含み、
前記光源は、半導体レーザーであり、
前記光フィルター部および前記光源は、前記基体上に位置し、
前記第１電極は、前記基体の前記光フィルター部が位置する側と反対側に位置し、
前記第２電極は、前記光フィルター部の前記基体が位置する側と反対側に位置する、ことを特徴とする請求項４に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項６】
前記光フィルター部の前記基板は、前記基体側から積層された第１層、第２層、および第３層を有し、
前記第１層の屈折率および前記第３層の屈折率は、前記第２層の屈折率より小さく、
前記第２層は、前記光源から出射した光を伝播させる、ことを特徴とする請求項５に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項７】
前記光源は、端面発光型レーザーである、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項８】
前記光源は、面発光型レーザーである、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュールを含む、ことを特徴とする原子発振器。
【請求項１０】
量子干渉効果を利用する原子発振器であって、
所定の波長を有する基本波、当該基本波の側帯波、を含む光を出射する光源と、
前記光源からの光が入射し、当該入射した光のうち前記側帯波を透過させる波長選択部と、
アルカリ金属ガスを封入し、前記波長選択部を透過した光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルに照射された光のうち前記ガスセルを透過した光の強度を検出する光検出部と、
を含み、
前記波長選択部は、
所定の波長範囲の光を透過させる光フィルター部と、
前記光フィルター部が透過させる光の波長範囲を変化させる光フィルター特性制御部と、
を有する、ことを特徴とする原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１９１１１９（Ｐ２０１２−１９１１１９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５４３２（Ｐ２０１１−５５４３２）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【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４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【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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