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であって、所定の波長を有する基本波Ｆ、当該基本波Ｆ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Ｌ１が入射し、当該入射した光Ｌ１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、ファイバーブラッググレーティング２０ａと、ファイバーブラッググレーティング２０ａに電圧を印加する電圧印加部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であって、所定の波長を有する基本波Ｆ、当該基本波Ｆ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Ｌ１が入射し、当該入射した光Ｌ１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、ファイバーブラッググレーティング２０ａと、ファイバーブラッググレーティング２０ａに電圧を印加する電圧印加部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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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、ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加するための電圧印加部を有しているため、電気光学効果によってファイバーブラッググレーティングの波長選択特性（ファイバーブラッググレーティング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、波長選択部は、製造誤差や環境変化等によるファイバーブラッググレーティングの波長選択特性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、
前記電圧印加部は、第１電極および第２電極を有し、
前記ファイバーブラッググレーティングは、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されていることができる。
【００１０】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部を簡易な構成とすることができる。
【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、
前記光源は、面発光型レーザー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、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。
【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、
さらに、前記光源から出射された光を、前記ファイバーブラッググレーティングに入射させる光学素子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、光源から出射された光を、効率よくファイバーブラッググレーティングに導くことができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
を有する。
【００１８】
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、ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加するための電圧印加部を有しているため、電気光学効果によってファイバーグレーティングの波長選択特性（ファイバーグレーティング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、波長選択部は、製造誤差や環境変化等によるファイバーブラッググレーティングの波長選択特性のずれを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
原子発振器１は、光学モジュール２と、制御部５０と、を含む。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ファイバーブラッググレーティング（以下、「ＦＢＧ」ともいう）２０ａと、ＦＢＧ２０ａに電圧を印加するための電圧印加部２０ｂと、を有する。電圧印加部２０ｂは、ＦＢＧ２０ａに電圧を印加することにより、ＦＢＧ２０ａ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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。従って、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。
【００３４】
図３は、波長選択部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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
図４は、原子発振器１の構成を示すブロック図である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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ＦＢＧ１２０ａと、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための電圧印加装置１２０ｂと、を有する。
【００４３】
ＦＢＧ１２０ａ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。これにより、ＦＢＧ１２０ａ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。
【００４４】
電圧印加装置１２０ｂは、電気光学効果によって、ＦＢＧ１２０ａ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、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。具体的には、電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加することにより、ＦＢＧ１２０ａの屈折率を変化させ、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を制御する。波長選択装置１２０は、電圧印加装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光など）等によるＦＢＧ１２０ａ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、精度よく選択して射出することができる。
【００４５】
電圧印加装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、ＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度を調整し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を制御してもよい。光モジュール２では、例えば、ＦＢＧ１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、電圧印加装置１２０ｂを通るフィードバックループによりＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度が調整され、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００４６】
また、電圧印加装置１２０ｂは、予め取得されたＦＢＧ１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、ＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度を調整し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、電圧印加装置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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、ＦＢＧ１２０ａは、図１のＦＢＧ２０ａに対応し、電圧印加装置１２０ｂは、図１の電圧印加部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。
【００５３】
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。
【００５４】
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）を模式的に示す斜視図である。
【００５５】
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。なお、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から出射された光Ｌ１は、図５に示すように、光学素子１７０によって集光され、ＦＢＧ１２０ａ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から出射される光Ｌ１を集光して、ＦＢＧ１２０ａに入射させるためのレンズである。
【００５６】
ＦＢＧ１２０ａは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたものである。そのため、光ファイバーの長手方向に周期的な屈折率変調が得られ、周期に合致した波長範囲の光信号（基本波Ｆ）は反射され、他の波長範囲の光信号（第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２）は、この周期的な屈折率変動を感知せずに通過する。すなわち、ＦＢＧ１２０ａでは、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２に対する反射率が小さく、基本波Ｆに対する反射率が大きい。したがって、ＦＢＧ１２０ａは、基本波Ｆを反射させ、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を透過させることができる。ＦＢＧ１２０ａ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。ＦＢＧ１２０ａは、例えば、ボビン（図示しない）に巻き付けられていてもよい。
【００５７】
ＦＢＧ１２０ａは、図５に示すように、電圧印加装置１２０ｂの第１電極１２１と第２電極１２２との間に配置されている。ＦＢＧ１２０ａは、入射した第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して透過させることができる。
【００５８】
電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための第１電極１２１および第２電極１２２を有している。電圧印加装置１２０ｂが、電極１２１，１２２間に位置するＦＢＧ１２０ａに電圧を印加すると、電気光学効果が生じてＦＢＧ１２０ａの屈折率が変化し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性（ＦＢＧが選択する波長範囲）が変化する。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
光学モジュール２によれば、波長選択装置１２０が、ＦＢＧ１２０ａの選択する波長範囲を変化させる電圧印加装置１２０ｂを有しているため、製造誤差や環境変化（熱、光など）によるＦＢＧ１２０ａの波長選択特性（ＦＢＧ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。
【００６２】
ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性は、光ファイバーのコアに与えられた周期的な屈折率変化に依存する。ＦＢＧ１２０ａの製造工程において、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を精度よく与えることは困難であり、ＦＢＧ１２０ａ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、電圧印加装置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。
【００６３】
光学モジュール２では、電圧印加装置１２０ｂが、電気光学効果によって、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。これにより、ＦＢＧの波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。さらに、電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための第１電極１２１および第２電極１２２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。
【００６４】
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。
【００６５】
光学モジュール２では、半導体レーザー１１０から出射された光Ｌ１をＦＢＧ１２０ａ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で発生した光Ｌ１を、効率よくＦＢＧ１２０ａに導くことができる。
【００６６】
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。
【００６７】
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】
【００６８】
１ 原子発振器、２ 光学モジュール、１０ 光源、２０ 波長選択部、
２０ａ ファイバーブラッググレーティング、２０ｂ 電圧印加部、
３０ ガスセル、４０ 光検出部、５０ 制御部、１１０ 半導体レーザー、
１２０ 波長選択装置、１２０ａ ファイバーブラッググレーティング、
１２０ｂ 電圧印加装置、１２１ 第１電極、１２２ 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 光学素子
【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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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、ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加するための電圧印加部を有しているため、電気光学効果によってファイバーブラッググレーティングの波長選択特性（ファイバーブラッググレーティング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、波長選択部は、製造誤差や環境変化等によるファイバーブラッググレーティングの波長選択特性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、
前記電圧印加部は、第１電極および第２電極を有し、
前記ファイバーブラッググレーティングは、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されていることができる。
【００１０】
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、波長選択部を簡易な構成とすることができる。
【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、
前記光源は、面発光型レーザー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、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。
【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、
さらに、前記光源から出射された光を、前記ファイバーブラッググレーティングに入射させる光学素子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、光源から出射された光を、効率よくファイバーブラッググレーティングに導くことができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
を有する。
【００１８】
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、ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加するための電圧印加部を有しているため、電気光学効果によってファイバーグレーティングの波長選択特性（ファイバーグレーティング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、波長選択部は、製造誤差や環境変化等によるファイバーブラッググレーティングの波長選択特性のずれを補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
原子発振器１は、光学モジュール２と、制御部５０と、を含む。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ファイバーブラッググレーティング（以下、「ＦＢＧ」ともいう）２０ａと、ＦＢＧ２０ａに電圧を印加するための電圧印加部２０ｂと、を有する。電圧印加部２０ｂは、ＦＢＧ２０ａに電圧を印加することにより、ＦＢＧ２０ａ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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。従って、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。
【００３４】
図３は、波長選択部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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
図４は、原子発振器１の構成を示すブロック図である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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ＦＢＧ１２０ａと、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための電圧印加装置１２０ｂと、を有する。
【００４３】
ＦＢＧ１２０ａ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。これにより、ＦＢＧ１２０ａ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。
【００４４】
電圧印加装置１２０ｂは、電気光学効果によって、ＦＢＧ１２０ａ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、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。具体的には、電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加することにより、ＦＢＧ１２０ａの屈折率を変化させ、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を制御する。波長選択装置１２０は、電圧印加装置１２０ｂによって、製造誤差や環境変化（熱、光など）等によるＦＢＧ１２０ａ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、精度よく選択して射出することができる。
【００４５】
電圧印加装置１２０ｂは、光検出器１４０の出力信号に基づいて、ＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度を調整し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を制御してもよい。光モジュール２では、例えば、ＦＢＧ１２０ａ、ガスセル１３０、光検出器１４０、電圧印加装置１２０ｂを通るフィードバックループによりＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度が調整され、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性が制御される。
【００４６】
また、電圧印加装置１２０ｂは、予め取得されたＦＢＧ１２０ａの波長選択特性のずれのデータに基づいて、ＦＢＧ１２０ａに印加する電圧の強度を調整し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性のずれを補正してもよい。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、電圧印加装置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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、ＦＢＧ１２０ａは、図１のＦＢＧ２０ａに対応し、電圧印加装置１２０ｂは、図１の電圧印加部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。
【００５３】
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。
【００５４】
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）を模式的に示す斜視図である。
【００５５】
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。なお、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から出射された光Ｌ１は、図５に示すように、光学素子１７０によって集光され、ＦＢＧ１２０ａ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から出射される光Ｌ１を集光して、ＦＢＧ１２０ａに入射させるためのレンズである。
【００５６】
ＦＢＧ１２０ａは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたものである。そのため、光ファイバーの長手方向に周期的な屈折率変調が得られ、周期に合致した波長範囲の光信号（基本波Ｆ）は反射され、他の波長範囲の光信号（第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２）は、この周期的な屈折率変動を感知せずに通過する。すなわち、ＦＢＧ１２０ａでは、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２に対する反射率が小さく、基本波Ｆに対する反射率が大きい。したがって、ＦＢＧ１２０ａは、基本波Ｆを反射させ、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を透過させることができる。ＦＢＧ１２０ａ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。ＦＢＧ１２０ａは、例えば、ボビン（図示しない）に巻き付けられていてもよい。
【００５７】
ＦＢＧ１２０ａは、図５に示すように、電圧印加装置１２０ｂの第１電極１２１と第２電極１２２との間に配置されている。ＦＢＧ１２０ａは、入射した第１光Ｌ１から第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２を選択して透過させることができる。
【００５８】
電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための第１電極１２１および第２電極１２２を有している。電圧印加装置１２０ｂが、電極１２１，１２２間に位置するＦＢＧ１２０ａに電圧を印加すると、電気光学効果が生じてＦＢＧ１２０ａの屈折率が変化し、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性（ＦＢＧが選択する波長範囲）が変化する。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
光学モジュール２によれば、波長選択装置１２０が、ＦＢＧ１２０ａの選択する波長範囲を変化させる電圧印加装置１２０ｂを有しているため、製造誤差や環境変化（熱、光など）によるＦＢＧ１２０ａの波長選択特性（ＦＢＧ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。
【００６２】
ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性は、光ファイバーのコアに与えられた周期的な屈折率変化に依存する。ＦＢＧ１２０ａの製造工程において、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を精度よく与えることは困難であり、ＦＢＧ１２０ａ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、電圧印加装置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。
【００６３】
光学モジュール２では、電圧印加装置１２０ｂが、電気光学効果によって、ＦＢＧ１２０ａの波長選択特性を変化させることができる。これにより、ＦＢＧの波長選択特性を、高精度かつ容易に制御できる。さらに、電圧印加装置１２０ｂは、ＦＢＧ１２０ａに電圧を印加するための第１電極１２１および第２電極１２２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。
【００６４】
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。
【００６５】
光学モジュール２では、半導体レーザー１１０から出射された光Ｌ１をＦＢＧ１２０ａ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で発生した光Ｌ１を、効率よくＦＢＧ１２０ａに導くことができる。
【００６６】
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。
【００６７】
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】
【００６８】
１ 原子発振器、２ 光学モジュール、１０ 光源、２０ 波長選択部、
２０ａ ファイバーブラッググレーティング、２０ｂ 電圧印加部、
３０ ガスセル、４０ 光検出部、５０ 制御部、１１０ 半導体レーザー、
１２０ 波長選択装置、１２０ａ ファイバーブラッググレーティング、
１２０ｂ 電圧印加装置、１２１ 第１電極、１２２ 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 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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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】
前記電圧印加部は、第１電極および第２電極を有し、
前記ファイバーブラッググレーティングは、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されている、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または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項４】
さらに、前記光源から出射された光を、前記ファイバーブラッググレーティングに入射させる光学素子を有する、ことを特徴とする請求項１ないし３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５】
請求項１ないし４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６】
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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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】
前記電圧印加部は、第１電極および第２電極を有し、
前記ファイバーブラッググレーティングは、前記第１電極と前記第２電極の間に配置されている、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または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
【請求項４】
さらに、前記光源から出射された光を、前記ファイバーブラッググレーティングに入射させる光学素子を有する、ことを特徴とする請求項１ないし３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５】
請求項１ないし４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６】
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、
ファイバーブラッググレーティングと、
前記ファイバーブラッググレーティングに電圧を印加する電圧印加部と、
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１９１１２０（Ｐ２０１２−１９１１２０Ａ）
【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２０１１−５５４３３（Ｐ２０１１−５５４３３）
【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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