原子発振器
【課題】回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を提供する。
【解決手段】原子発振器１は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、光源１０、気体状のアルカリ金属原子２０、光検出部３０、周波数制御部４０を含む。光源１０は、可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて、アルカリ金属原子２０に照射する。光検出部３０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光２２を受け取り、当該複数の光２２の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号３２を生成する。周波数制御部４０は、検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号に基づいて、第１の光と第２の光がアルカリ金属原子２０に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。
【解決手段】原子発振器１は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、光源１０、気体状のアルカリ金属原子２０、光検出部３０、周波数制御部４０を含む。光源１０は、可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて、アルカリ金属原子２０に照射する。光検出部３０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光２２を受け取り、当該複数の光２２の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号３２を生成する。周波数制御部４０は、検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号に基づいて、第１の光と第２の光がアルカリ金属原子２０に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に、可干渉性（コヒーレント性）を有し、かつ、互いに異なる特定の波長（周波数）を有する２種類の共鳴光を同時に照射すると共鳴光の吸収が停止する現象を利用した発振器である。
【０００３】
アルカリ金属原子と２種類の共鳴光との相互作用機構は、図１７（Ａ）に示すように、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。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周波数を有する共鳴光１、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周波数を有する共鳴光２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。ところが、このアルカリ金属原子に共鳴光１と共鳴光２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共鳴光１と共鳴光２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。従って、アルカリ金属原子に周波数の異なる２種類の光を照射したとき、この２種類の光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かで光吸収挙動が急峻に変化する。この共鳴光対の周波数差は２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数（例えば、セシウム原子であれば９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）と正確に一致する。そこで、光吸収挙動の急峻な変化を検出し、アルカリ金属原子に照射する２種類の光が共鳴光対となるように、すなわち、この２種類の光の周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するように周波数制御することで、高精度な発振器を実現することができる。
【０００４】
図１８は、従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図１８に示すように、従来のＥＩＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は光の波長）を設定するための駆動電流に、周波数がｆｍの変調信号を重畳することにより、半導体レーザーに変調をかけて周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光を発生させる。この２種類の光はガスセルに同時に照射され、光検出器によりガスセルを透過した光の強度を検出する。ガスセルは気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されており、同時に照射された２種類の光が共鳴光対となれば、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こし、ガスセルを透過する光の強度が大きくなる。そこで、この原子発振器は、低周波発振器が発生する数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低周波信号を用いて検波を行うことで、検出強度が最大付近になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を介して変調信号を生成する。このような構成によれば、図１７（Ｂ）に示すように、半導体レーザーが出射する周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光が共鳴光対となるように、すなわち、変調信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。従って、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振動作が極めて安定に継続し、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の原子発振器では、ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致する周波数ｆｍの変調信号を発生させるために、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、検波回路、変調回路、低周波発振器、ＰＬＬ等が必要となるため、回路の複雑化が避けられず、小型化や省電力化が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、気体状のアルカリ金属原子と、可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて前記アルカリ金属原子に照射する光源と、前記アルカリ金属原子を透過した複数の光を受け取り、当該複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号を生成する光検出部と、前記検出信号に含まれる前記所定の周波数のビート信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う周波数制御部と、を含む。
【０００９】
ＥＩＴ方式による従来の原子発振器では、光検出器の出力信号がＤＣ（直流）もしくは数十〜数百Ｈｚ程度の低周波数であったため電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）やＰＬＬを用いてＧＨｚ帯の高周波信号を生成して光源に対する周波数制御を行う必要があった。これに対し、本発明に係る原子発振器では、アルカリ金属原子を透過した複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号、すなわち、高周波（ＧＨｚ帯）の検出信号を生成する。そして、周波数制御部は、この高周波の検出信号に基づいて、第１の光と第２の光が共鳴光対となるように周波数制御を行うのでＰＬＬが不要である。
【００１０】
さらに、本発明の原子発振器では、第１の光と第２の光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一致する前後で、アルカリ金属原子を透過する光の強度が急激に変化する。すなわち、アルカリ金属原子の透過特性に基づく極めて狭い帯域制限フィルターが形成される。従って、第１の光と第２の光の周波数差が、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一致する状態から少しずれると、この帯域制限フィルターの効果によって、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と一致するようにフィードバック制御がかかる。そのため、本発明の原子発振器では、検波回路や電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）が無くても第１の光と第２の光の周波数差の微妙な調整が行われ、安定した発振動作を継続することができる。
【００１１】
従って、本発明によれば、従来の原子発振器と比較して回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を提供することができる。
【００１２】
（２）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記検出信号から前記所定の周波数のビート信号を選択して通過させるフィルターを含み、前記フィルターが選択したビート信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１３】
本発明の原子発振器によれば、周波数制御に必要な所定の周波数のビート信号がフィルターによって選択されるので、その他の不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。
【００１４】
（３）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記検出信号又は前記フィルターが選択したビート信号を増幅する信号増幅部を含み、前記信号増幅部が増幅した信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、検出信号のレベルが十分でない場合であっても、周波数制御の安定性を確保することができる。
【００１６】
（４）この原子発振器は、前記アルカリ金属原子を透過した前記複数の光から前記所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光を選択して通過させる光学フィルターを含むようにしてもよい。
【００１７】
このようにしても、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。
【００１８】
（５）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する周波数変換部を含み、前記周波数変換部が変換した信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１９】
（６）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記第１の光と前記第２の光の周波数差の１／２の周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００２０】
（７）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記第１の光と前記第２の光の周波数差と等しい周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図の一例。
【図２】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図の他の一例。
【図３】第１実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図４】ガスセルの透過特性の一例を示す図。
【図５】第１実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図６】周波数制御の原理について説明するための図。
【図７】第１実施形態の変形例の構成を示す図。
【図８】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図９】第２実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１０】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図１１】第３実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１２】第３実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１３】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図１４】第４実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１５】ベッセル関数を表すグラフの概略図。
【図１６】第４実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１７】図１７（Ａ）はアルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図であり、図１７（Ｂ）は２つの共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図１８】従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２３】
図１は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。
【００２４】
本実施形態の原子発振器１は、光源１０、アルカリ金属原子２０、光検出部３０及び周波数制御部４０を含んで構成されている。
【００２５】
光源１０は、可干渉性（コヒーレント性）を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光１２を発生させて気体状のアルカリ金属原子２０（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）に照射する。例えば、レーザー光は可干渉性（コヒーレント性）を有する光である。
【００２６】
光検出部３０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光（透過光）２２を受け取り、当該複数の光２２の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号３２を生成する。所定の周波数とは、例えば、第１の光と第２の光の周波数差と等しい周波数であったり、第１の光と第２の光の周波数差の１／２の周波数であってもよい。
【００２７】
ここで、例えば、気体状のアルカリ金属原子２０を密閉容器に封入したガスセルを光源１０と光検出部３０の間に配置するような形態でもよい。また、密閉容器内に光源１０、気体状のアルカリ金属２０、光検出部３０を共に封入し、光源１０と光検出部３０を対向させて配置するような形態でもよい。
【００２８】
周波数制御部４０は、検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号に基づいて、第１の光と第２の光がアルカリ金属原子２０にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となるように、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。ここで、共鳴光対とは、可干渉性を有し、アルカリ金属原子２０にＥＩＴ現象を起こさせる周波数の異なる２種類の光であり、その周波数差がアルカリ金属原子２０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する場合だけでなく、アルカリ金属原子２０がＥＩＴ現象を起こす範囲の微小な誤差を含んでいてもよい。
【００２９】
また、周波数制御部４０は、フィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６の少なくとも１つを含むように構成されていてもよい。フィルター４２は、検出信号３２から所定の周波数のビート信号を選択して通過させる。信号増幅部４４は、検出信号３２又はフィルター４２が選択したビート信号を増幅する。周波数変換部４６は、光検出部３０の検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する。そして、周波数制御部４０は、フィルター４２が選択したビート信号や信号増幅部４４が増幅した信号や周波数変換部４６が変換した信号に基づいて、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行うようにしてもよい。
【００３０】
さらに、図２に示すように、本実施形態の原子発振器１は、光学フィルター５０を含んで構成されていてもよい。光学フィルター５０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光２２から所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光５２を選択して通過させる。なお、原子発振器１は、フィルター４２の代わりに光学フィルター５０を含むようにしてもよいし、光学フィルター５０とフィルター４２の両方を含むようにしてもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
（１）第１実施形態
図３は、第１実施形態の原子発振器の構成を示す図である。
【００３３】
図３に示すように、第１実施形態の原子発振器１００Ａは、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、電流駆動回路１７０を含んで構成されている。
【００３４】
ガスセル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものであり、このガスセル１２０に対して、可干渉性を有し、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と一致する周波数差を有する２種類の光（例えばレーザー光）を同時に照射すると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。
【００３５】
図４は、周波数がそれぞれｆ１とｆ２の２種類のレーザー光を、ｆ２を固定してｆ１を変化させながらガスセル１２０に同時に照射したときの透過特性を示す概略図である。図４において、横軸は２種類のレーザー光の周波数差ｆ１−ｆ２であり、縦軸は透過光の強度である。
【００３６】
図４に示すように、２種類のレーザー光の周波数差ｆ１−ｆ２がｆ１２±δの範囲にあれば（ｆ１２はΔＥ１２に相当する周波数）、この２種類のレーザー光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。従って、ｆ１−ｆ２がｆ１２±δの範囲では透過光の強度が急激に上昇する。そして、ｆ１−ｆ２がｆ１２と一致するとき、ＥＩＴ現象により光吸収を停止するアルカリ金属原子の数が最大になるため、透過光の強度が極大となる。例えば、セシウム原子は、Ｄ２線（波長は８５２．１ｎｍ）の基底状態が超微細構造によってＦ＝３、４の準位を有する２つの状態に分裂しており、Ｆ＝３の基底準位１とＦ＝４の基底準位２のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚである。従って、セシウム原子に、波長が８５２．１ｎｍ付近で周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のレーザー光が同時に照射されると、これら２種類のレーザー光が共鳴光対となってＥＩＴ現象が起こり、透過光の強度が極大となる。
【００３７】
半導体レーザー１１０は、周波数の異なる複数の光を発生させてガスセル１２０に照射する。具体的には、電流駆動回路１７０が出力する駆動電流によって、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心波長はｆ０）がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するように制御される。また、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号（周波数ｆｍ）を変調信号として変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）を重畳することにより、半導体レーザー１１０は変調がかかった光を発生させる。このような半導体レーザー１１０は、例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００３８】
図５は、本実施形態における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図５において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００３９】
図５に示すように、半導体レーザー１１０は、周波数ｆ０の光Ｃと、その両側に周波数がｆ０±ｎ×ｆｍ（ｎは正の整数）の複数の光を発生させる。そして、本実施形態では、１次のサイドバンドである光Ａ（周波数はｆ０−ｆｍ）と光Ｂ（周波数はｆ０＋ｆｍ）の周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２と一致するように）制御がかかる（この制御がかかる原理については後述する）。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、光Ａと光Ｂの周波数差（２×ｆｍ）が９．１９２６３１７７０ＧＨｚとなるように（周波数ｆｍが４．５９６３１５８８５ＧＨｚとなるように）制御がかかる。
【００４０】
半導体レーザー１１０の出射光はガスセル１２０に照射され、ガスセル１２０を透過した複数の光（透過光）は互いに重なりあってうなり（光ビート）を生じさせる。このうなりの周期に応じて、透過光の全体としての強度（明暗）が周期的に変化する。
【００４１】
光検出器１３０は、この透過光の強度の周期的な変化を検出することで、うなりの周波数（ビート周波数）と等しい周波数のビート信号を含む検出信号を出力する。具体的には、周波数の異なる複数の透過光の間でうなりが生じるので、光検出器１３０の出力信号（検出信号）には、Ｎ×ｆｍ（Ｎは正の整数）のビート周波数を有する複数のビート信号が含まれる。例えば、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応する３つの透過光をそれぞれＡ’、Ｂ’、Ｃ’とすると、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート周波数は２×ｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２）であり、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’によるビート周波数はｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２の１／２）である。このような光検出器１３０としては、例えば、光通信の分野で用いられている、ＧＨｚオーダーの周期で光の明滅を検出可能なフォトデテクターを利用することができる。
【００４２】
電流駆動回路１７０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）の強度が極大になるように駆動電流を調整することで、磁場変化や温度変化等の外乱の影響をキャンセルして、半導体レーザー１１０の出射光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を安定させることができる。
【００４３】
バンドパスフィルター１４０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、周波数が２×ｆｍ（＝ｆ１２）のビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１４０は、９．１９２６ＧＨｚ程度の周波数のビート信号を選択して出力する。このようなバンドパスフィルター１４０は、２×ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００４４】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター１４０の出力信号の振幅を所定の増幅率で増幅する。光検出器１３０の検出感度や半導体レーザー１１０の変調感度に応じて、増幅回路１５０の増幅率を適切な値に設定することにより、フィードバック制御の安定性を確保することができる。
【００４５】
周波数変換回路１６０は、増幅回路１５０の出力信号の周波数をその１／２の周波数に変換する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、増幅回路１５０の出力信号の周波数は９．１９２ＧＨｚ程度であるので、周波数変換回路１６０により４．５９６ＧＨｚ程度の周波数の信号に変換される。周波数変換回路１６０は、簡単な分周回路で実現することができる。
【００４６】
そして、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００４７】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６に対応する。
【００４８】
このような構成の原子発振器１００Ａにおいて、光Ａと光Ｂの周波数差２×ｆｍがｆ１２と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍが周波数ｆ１２の１／２と一致するように）制御がかかる原理について、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）を用いて説明する。なお、光Ａの周波数をｆ２、光Ｂの周波数をｆ１とする。
【００４９】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）において、Ｔは図４のｆ１２±δ付近を拡大した透過特性を表し、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は出射光の周波数スペクトルを示している。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）において、横軸は、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２であり、縦軸は出射光又は透過光の強度である。
【００５０】
まず、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２と一致するとき（ｆｍの平均値＝ｆ１２×１／２のとき）は、図６（Ａ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過する。従って、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差もｆ１２と一致し、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値はｆ１２である。このとき、変調信号の周波数ｆｍの平均値はｆ１２／２のまま変わらないので、この条件で周波数制御のフィードバックループが安定する。
【００５１】
図６（Ａ）の状態で、例えば磁場変化や温度変化等の外乱の影響で、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差がｆ１２−Δｆに変動したとする。このとき、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値もｆ１２−Δｆに変動するので、変調信号の周波数ｆｍの平均値が（ｆ１２−Δｆ）／２に変動する。すると、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２−Δｆに変動し、図６（Ｂ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過するため、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差はｆ１２−Δｆよりも高くなる。従って、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値が上昇し、変調信号の周波数ｆｍの平均値も上昇する。そのため、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値も上昇する。この周波数制御のフィードバックループにより、図６（Ａ）の状態、すなわち出射光Ｂと出射光Ａの平均周波数差がｆ１２と一致する状態（ｆｍの平均値＝ｆ１２×１／２）に引き戻す作用が働く。
【００５２】
逆に、図６（Ａ）の状態で、例えば磁場変化や温度変化等の外乱の影響で、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差がｆ１２＋Δｆに変動したとする。このとき、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値もｆ１２＋Δｆに変動するので、変調信号の周波数ｆｍの平均値が（ｆ１２＋Δｆ）／２に変動する。すると、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２＋Δｆに変動し、図６（Ｃ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過するため、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差はｆ１２＋Δｆよりも低くなる。従って、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値が下降し、変調信号の周波数ｆｍの平均値も下降する。そのため、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値も下降する。この周波数制御のフィードバックループにより、図６（Ａ）の状態、すなわち光Ｂと光Ａの平均周波数差がｆ１２と一致する状態（ｆｍの平均値＝ｆ１２／２）に引き戻す作用が働く。
【００５３】
なお、光検出器の出力信号（検出信号）には透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号（周波数が２×ｆｍのビート信号）以外のビート信号も含まれる。そこで、本実施形態では、周波数が２×ｆｍのビート信号による安定したフィードバック制御がかかるように、バンドパスフィルター１４０によって帯域制限がかけられている。
【００５４】
以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０の透過特性を利用することで、光Ｂと光Ａの周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図３に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第１実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００５５】
［変形例］
図７は、第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図である。図７に示すように、変形例の原子発振器１００Ｂは、図３に示した原子発振器１００Ａに対して、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）１８０が追加されている。
【００５６】
図７に示すように、原子発振器１００Ｂでは、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）による変調をかけずに、単一周波数ｆ０の光を発生させる。この周波数ｆ０の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０に入射し、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図５と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。
【００５７】
図７に示す原子発振器１００Ｂにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００５８】
なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。
【００５９】
なお、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０による構成が図１の光源１０に対応する。その他の対応関係は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じである。
【００６０】
また、原子発振器１００Ａのその他の変形例として、バンドパスフィルター１４０の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００６１】
この光学フィルターは、例えば、図８において破線で示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｂ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｂ’により発生する周波数が２×ｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００６２】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ａと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００６３】
（２）第２実施形態
図９は、第２実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１００Ｃは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０が無く、バンドパスフィルター１４０がバンドパスフィルター１９０に置き換わっている。
【００６４】
本実施形態では、半導体レーザー１１０は、電流駆動回路１７０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、増幅回路１５０の出力信号（周波数がｆｍの変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）による交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０に変調がかかる。
【００６５】
そして、半導体レーザー１１０は、中心波長λ０がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するとともに、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、中心波長λ０はＤ２線の波長（８５２．１ｎｍ）と一致し、周波数ｆｍは４．５９６３１５８８５ＧＨｚ（＝９．１９２６３１７７０ＧＨｚ×１／２）と一致する。従って、本実施形態においても、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルは図５と同様であり、光Ａと光Ｂが共鳴光対となる。
【００６６】
バンドパスフィルター１９０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、光Ａと光Ｂ（共鳴光対）の周波数差の１／２の周波数のビート信号、すなわち、周波数がｆｍのビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１９０は、４．５９６３１５８８５ＧＨｚのビート信号を選択して出力する。
【００６７】
このようなバンドパスフィルター１９０は、ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００６８】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター１９０の出力信号の振幅を増幅して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、増幅回路１５０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００６９】
原子発振器１００Ｃにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００７０】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１９０、増幅回路１５０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１９０、増幅回路１５０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４に対応する。
【００７１】
このような構成の原子発振器１００Ｃでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ｂと光Ａの周波数差２×ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図９に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第２実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００７２】
［変形例］
原子発振器１００Ｃにおいても、半導体レーザー１１０の駆動電流に変調信号を重畳する代わりに、図７に示した原子発振器１００Ｂのように、電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて半導体レーザー１１０の出射光に変調をかけるように構成してもよい。
【００７３】
また、原子発振器１００Ｃのその他の変形例として、バンドパスフィルター１９０の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００７４】
この光学フィルターは、例えば、図１０において破線又は一点鎖線のいずれかで示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’により発生する周波数がｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００７５】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ｃと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００７６】
（３）第３実施形態
図１１は、第３実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図１１に示すように、第３実施形態の原子発振器１００Ｄは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０が無く、バンドパスフィルター１４０がバンドパスフィルター２００に置き換わっている。
【００７７】
本実施形態では、半導体レーザー１１０は、電流駆動回路１７０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、増幅回路１５０の出力信号（周波数がｆｍの変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）による交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０に変調がかかる。
【００７８】
そして、半導体レーザー１１０は、中心波長λ０がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するとともに、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、中心波長λ０はＤ２線の波長（８５２．１ｎｍ）と一致し、周波数ｆｍは９．１９２６３１７７０ＧＨｚと一致する。
【００７９】
図１２は、本実施形態における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１２において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００８０】
図１２に示すように、半導体レーザー１１０は、周波数ｆ０の光Ｃと、その両側に周波数がｆ０±ｎ×ｆｍ（ｎは正の整数）の複数の光を発生させる。そして、１次のサイドバンドである光Ａ、光Ｂと光Ｃの周波数差がいずれもΔＥ１２に相当する周波数と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように）制御がかかる。
【００８１】
例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、光Ａと光Ｃの周波数差及び光Ｂと光Ｃの周波数差（いずれもｆｍ）が９．１９２６３１７７０ＧＨｚとなるように制御がかかる。
【００８２】
このように、本実施形態では、光Ａと光Ｃ、光Ｂと光Ｃがそれぞれ共鳴光対となってＥＩＴ現象を起こすので、その周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致する付近で、光Ａ、光Ｂ、光Ｃの透過率が急激に変動する。
【００８３】
そして、周波数の異なる複数の透過光の間でうなりが生じるので、光検出器１３０の出力信号（検出信号）には、Ｎ×ｆｍ（Ｎは正の整数）のビート周波数を有する複数の信号が含まれる。例えば、図１２に示した光Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応する３つの透過光をそれぞれＡ’、Ｂ’、Ｃ’とすると、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート周波数は２×ｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数の２倍）であり、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’によるビート周波数はｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数）である。
【００８４】
バンドパスフィルター２００は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、光Ａと光Ｃ又は光Ｂと光Ｃ（いずれも共鳴光対）の周波数差と等しい周波数のビート信号、すなわち、周波数がｆｍのビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１９０は、９．１９２６３１７７０ＧＨｚのビート信号を選択して出力する。
【００８５】
このようなバンドパスフィルター２００は、ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００８６】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター２００の出力信号の振幅を増幅して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、増幅回路１５０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図１２に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００８７】
原子発振器１００Ｄにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８８】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター２００、増幅回路１５０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター２００、増幅回路１５０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４に対応する。
【００８９】
このような構成の原子発振器１００Ｄでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ａと光Ｃの周波数差及び光Ｂと光Ｃの周波数差がいずれもΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｃ、光Ｂと光Ｃがそれぞれ共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図１１に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第３実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００９０】
［変形例］
原子発振器１００Ｄにおいても、半導体レーザー１１０の駆動電流に変調信号を重畳する代わりに、図７に示した原子発振器１００Ｂのように、電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて半導体レーザー１１０の出射光に変調をかけるように構成してもよい。
【００９１】
また、原子発振器１００Ｄのその他の変形例として、バンドパスフィルター２００の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００９２】
この光学フィルターは、例えば、図１３において破線又は一点鎖線のいずれかで示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’により発生する周波数がｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００９３】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ｄと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００９４】
（４）第４実施形態
図１４は、第４実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図１４に示すように、第４実施形態の原子発振器１００Ｅは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０と半導体レーザー１１０の間にレベル調整回路２１０が追加されている。
【００９５】
レベル調整回路２１０は、周波数変換回路１６０の出力信号の振幅を所定の大きさに調整して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、レベル調整回路２１０の出力信号を変調信号として変調がかけられた光を発生させる。
【００９６】
原子発振器１００Ｅにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００９７】
ここで、半導体レーザー１１０に変調がかからないとした時の出射光（周波数ｆ０）の振幅をＡ０とすると、周波数がｆｍの変調信号（レベル調整回路２１０の出力信号）により周波数変調がかけられた出射光は次の式（１）で表される。
【００９８】
【数１】
【００９９】
ここで、Ｊｎ（ｍ）はベッセル関数（ｎ＝０，１，２・・・）である。また、ｍは変調度であり、変調信号の振幅に比例する。
【０１００】
図１５は、Ｊ０，Ｊ１，Ｊ２のベッセル関数を表すグラフの概略図である。図１５において、横軸は変調度であり、縦軸は各ベッセル関数の値（絶対値）である。また、図１５において、Ｊ０，Ｊ１，Ｊ２の各ベッセル関数は、それぞれ、実線、破線、一点鎖線で表されている。
【０１０１】
図１５に示した変調度がｍＡ、ｍＢ、ｍＣの各場合における周波数スペクトルの概略を図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）にそれぞれ示す。図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）において、光Ｃ（周波数ｆ０）の強度はＪ０の絶対値（｜Ｊ０｜）に比例し、光Ａ（周波数ｆ０−ｆｍ）及び光Ｂ（周波数ｆ０＋ｆｍ）の強度はＪ１の絶対値（｜Ｊ１｜）に比例し、光Ｄ（周波数ｆ０−２ｆｍ）及び光Ｅ（周波数ｆ０＋２ｆｍ）の強度はＪ２の絶対値（｜Ｊ２｜）に比例する。
【０１０２】
変調度がｍＡの場合は、｜Ｊ０｜＞｜Ｊ１｜＞｜Ｊ２｜なので、図１６（Ａ）に示すように、光Ｃの強度＞光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｄの強度＝光Ｅの強度である。また、変調度がｍＢの場合は、｜Ｊ１｜＞｜Ｊ０｜＝｜Ｊ２なので、図１６（Ｂ）に示すように、光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｃの強度＝光Ｄの強度＝光Ｅの強度である。また、変調度がｍＣの場合は、｜Ｊ１｜＞｜Ｊ２｜＞｜Ｊ０｜＝０なので、図１６（Ｃ）に示すように、光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｄの強度＝光Ｅの強度＞光Ｃの強度＝０である。
【０１０３】
このように、変調度ｍを調整することにより、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルをベッセル関数に従って自在に変化させることができる。そして、変調度ｍは変調信号の振幅に比例するので、レベル調整回路２１０により変調信号の振幅を所定の大きさに調整することにより、半導体レーザー１１０に、所望の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。
【０１０４】
例えば、変調度がｍＢからｍＣ程度になるように変調信号の振幅を調整すれば、図１６（Ｂ）や図１６（Ｃ）のような周波数スペクトルのように、光Ａと光Ｂの強度を最も大きくするとともに光Ｃの強度を小さくすることができる。従って、バンドパスフィルター１４０をより単純なフィルターとして実現可能になったり、場合によってはバンドパスフィルター１４０を不要にすることもできる。
【０１０５】
レベル調整回路２１０は、抵抗分圧により固定のゲインになるように構成することもできるし、ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路を用いてゲインが可変に調整されるように構成することもできる。
【０１０６】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、レベル調整回路２１０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６に対応する。
【０１０７】
このような構成の原子発振器１００Ｅでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ｂと光Ａの周波数差２×ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図１４に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第４実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【０１０８】
なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１０９】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 原子発振器、１０ 光源、１２ 出射光、２０ アルカリ金属原子、２２ 透過光、３０ 光検出部、３２ 検出信号、４０ 周波数制御部、４２ フィルター、４４ 信号増幅部、４６ 周波数変換部、５０ 光学フィルター、５２ 透過光、１００Ａ〜１００Ｅ 原子発振器、１１０ 半導体レーザー、１２０ ガスセル、１３０ 光検出器、１４０ バンドパスフィルター、１５０ 増幅回路、１６０ 周波数変換回路、１７０ 電流駆動回路、１８０ 電気光学変調器（ＥＯＭ）、１９０ バンドパスフィルター、２００ バンドパスフィルター、２１０ レベル調整回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に、可干渉性（コヒーレント性）を有し、かつ、互いに異なる特定の波長（周波数）を有する２種類の共鳴光を同時に照射すると共鳴光の吸収が停止する現象を利用した発振器である。
【０００３】
アルカリ金属原子と２種類の共鳴光との相互作用機構は、図１７（Ａ）に示すように、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。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周波数を有する共鳴光１、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周波数を有する共鳴光２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。ところが、このアルカリ金属原子に共鳴光１と共鳴光２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共鳴光１と共鳴光２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。従って、アルカリ金属原子に周波数の異なる２種類の光を照射したとき、この２種類の光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かで光吸収挙動が急峻に変化する。この共鳴光対の周波数差は２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数（例えば、セシウム原子であれば９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）と正確に一致する。そこで、光吸収挙動の急峻な変化を検出し、アルカリ金属原子に照射する２種類の光が共鳴光対となるように、すなわち、この２種類の光の周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するように周波数制御することで、高精度な発振器を実現することができる。
【０００４】
図１８は、従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図１８に示すように、従来のＥＩＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は光の波長）を設定するための駆動電流に、周波数がｆｍの変調信号を重畳することにより、半導体レーザーに変調をかけて周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光を発生させる。この２種類の光はガスセルに同時に照射され、光検出器によりガスセルを透過した光の強度を検出する。ガスセルは気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されており、同時に照射された２種類の光が共鳴光対となれば、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こし、ガスセルを透過する光の強度が大きくなる。そこで、この原子発振器は、低周波発振器が発生する数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低周波信号を用いて検波を行うことで、検出強度が最大付近になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を介して変調信号を生成する。このような構成によれば、図１７（Ｂ）に示すように、半導体レーザーが出射する周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光が共鳴光対となるように、すなわち、変調信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。従って、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振動作が極めて安定に継続し、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の原子発振器では、ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致する周波数ｆｍの変調信号を発生させるために、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、検波回路、変調回路、低周波発振器、ＰＬＬ等が必要となるため、回路の複雑化が避けられず、小型化や省電力化が難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、気体状のアルカリ金属原子と、可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて前記アルカリ金属原子に照射する光源と、前記アルカリ金属原子を透過した複数の光を受け取り、当該複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号を生成する光検出部と、前記検出信号に含まれる前記所定の周波数のビート信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う周波数制御部と、を含む。
【０００９】
ＥＩＴ方式による従来の原子発振器では、光検出器の出力信号がＤＣ（直流）もしくは数十〜数百Ｈｚ程度の低周波数であったため電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）やＰＬＬを用いてＧＨｚ帯の高周波信号を生成して光源に対する周波数制御を行う必要があった。これに対し、本発明に係る原子発振器では、アルカリ金属原子を透過した複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号、すなわち、高周波（ＧＨｚ帯）の検出信号を生成する。そして、周波数制御部は、この高周波の検出信号に基づいて、第１の光と第２の光が共鳴光対となるように周波数制御を行うのでＰＬＬが不要である。
【００１０】
さらに、本発明の原子発振器では、第１の光と第２の光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一致する前後で、アルカリ金属原子を透過する光の強度が急激に変化する。すなわち、アルカリ金属原子の透過特性に基づく極めて狭い帯域制限フィルターが形成される。従って、第１の光と第２の光の周波数差が、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一致する状態から少しずれると、この帯域制限フィルターの効果によって、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と一致するようにフィードバック制御がかかる。そのため、本発明の原子発振器では、検波回路や電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）が無くても第１の光と第２の光の周波数差の微妙な調整が行われ、安定した発振動作を継続することができる。
【００１１】
従って、本発明によれば、従来の原子発振器と比較して回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を提供することができる。
【００１２】
（２）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記検出信号から前記所定の周波数のビート信号を選択して通過させるフィルターを含み、前記フィルターが選択したビート信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１３】
本発明の原子発振器によれば、周波数制御に必要な所定の周波数のビート信号がフィルターによって選択されるので、その他の不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。
【００１４】
（３）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記検出信号又は前記フィルターが選択したビート信号を増幅する信号増幅部を含み、前記信号増幅部が増幅した信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、検出信号のレベルが十分でない場合であっても、周波数制御の安定性を確保することができる。
【００１６】
（４）この原子発振器は、前記アルカリ金属原子を透過した前記複数の光から前記所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光を選択して通過させる光学フィルターを含むようにしてもよい。
【００１７】
このようにしても、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。
【００１８】
（５）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する周波数変換部を含み、前記周波数変換部が変換した信号に基づいて前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００１９】
（６）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記第１の光と前記第２の光の周波数差の１／２の周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【００２０】
（７）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記第１の光と前記第２の光の周波数差と等しい周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図の一例。
【図２】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図の他の一例。
【図３】第１実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図４】ガスセルの透過特性の一例を示す図。
【図５】第１実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図６】周波数制御の原理について説明するための図。
【図７】第１実施形態の変形例の構成を示す図。
【図８】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図９】第２実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１０】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図１１】第３実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１２】第３実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１３】光学フィルターの周波数特性について説明するための図。
【図１４】第４実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１５】ベッセル関数を表すグラフの概略図。
【図１６】第４実施形態における出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１７】図１７（Ａ）はアルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図であり、図１７（Ｂ）は２つの共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図１８】従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２３】
図１は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。
【００２４】
本実施形態の原子発振器１は、光源１０、アルカリ金属原子２０、光検出部３０及び周波数制御部４０を含んで構成されている。
【００２５】
光源１０は、可干渉性（コヒーレント性）を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光１２を発生させて気体状のアルカリ金属原子２０（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）に照射する。例えば、レーザー光は可干渉性（コヒーレント性）を有する光である。
【００２６】
光検出部３０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光（透過光）２２を受け取り、当該複数の光２２の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号３２を生成する。所定の周波数とは、例えば、第１の光と第２の光の周波数差と等しい周波数であったり、第１の光と第２の光の周波数差の１／２の周波数であってもよい。
【００２７】
ここで、例えば、気体状のアルカリ金属原子２０を密閉容器に封入したガスセルを光源１０と光検出部３０の間に配置するような形態でもよい。また、密閉容器内に光源１０、気体状のアルカリ金属２０、光検出部３０を共に封入し、光源１０と光検出部３０を対向させて配置するような形態でもよい。
【００２８】
周波数制御部４０は、検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号に基づいて、第１の光と第２の光がアルカリ金属原子２０にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となるように、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。ここで、共鳴光対とは、可干渉性を有し、アルカリ金属原子２０にＥＩＴ現象を起こさせる周波数の異なる２種類の光であり、その周波数差がアルカリ金属原子２０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する場合だけでなく、アルカリ金属原子２０がＥＩＴ現象を起こす範囲の微小な誤差を含んでいてもよい。
【００２９】
また、周波数制御部４０は、フィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６の少なくとも１つを含むように構成されていてもよい。フィルター４２は、検出信号３２から所定の周波数のビート信号を選択して通過させる。信号増幅部４４は、検出信号３２又はフィルター４２が選択したビート信号を増幅する。周波数変換部４６は、光検出部３０の検出信号３２に含まれる所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する。そして、周波数制御部４０は、フィルター４２が選択したビート信号や信号増幅部４４が増幅した信号や周波数変換部４６が変換した信号に基づいて、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行うようにしてもよい。
【００３０】
さらに、図２に示すように、本実施形態の原子発振器１は、光学フィルター５０を含んで構成されていてもよい。光学フィルター５０は、アルカリ金属原子２０を透過した複数の光２２から所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光５２を選択して通過させる。なお、原子発振器１は、フィルター４２の代わりに光学フィルター５０を含むようにしてもよいし、光学フィルター５０とフィルター４２の両方を含むようにしてもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
（１）第１実施形態
図３は、第１実施形態の原子発振器の構成を示す図である。
【００３３】
図３に示すように、第１実施形態の原子発振器１００Ａは、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、電流駆動回路１７０を含んで構成されている。
【００３４】
ガスセル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものであり、このガスセル１２０に対して、可干渉性を有し、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と一致する周波数差を有する２種類の光（例えばレーザー光）を同時に照射すると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。
【００３５】
図４は、周波数がそれぞれｆ１とｆ２の２種類のレーザー光を、ｆ２を固定してｆ１を変化させながらガスセル１２０に同時に照射したときの透過特性を示す概略図である。図４において、横軸は２種類のレーザー光の周波数差ｆ１−ｆ２であり、縦軸は透過光の強度である。
【００３６】
図４に示すように、２種類のレーザー光の周波数差ｆ１−ｆ２がｆ１２±δの範囲にあれば（ｆ１２はΔＥ１２に相当する周波数）、この２種類のレーザー光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。従って、ｆ１−ｆ２がｆ１２±δの範囲では透過光の強度が急激に上昇する。そして、ｆ１−ｆ２がｆ１２と一致するとき、ＥＩＴ現象により光吸収を停止するアルカリ金属原子の数が最大になるため、透過光の強度が極大となる。例えば、セシウム原子は、Ｄ２線（波長は８５２．１ｎｍ）の基底状態が超微細構造によってＦ＝３、４の準位を有する２つの状態に分裂しており、Ｆ＝３の基底準位１とＦ＝４の基底準位２のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚである。従って、セシウム原子に、波長が８５２．１ｎｍ付近で周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のレーザー光が同時に照射されると、これら２種類のレーザー光が共鳴光対となってＥＩＴ現象が起こり、透過光の強度が極大となる。
【００３７】
半導体レーザー１１０は、周波数の異なる複数の光を発生させてガスセル１２０に照射する。具体的には、電流駆動回路１７０が出力する駆動電流によって、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心波長はｆ０）がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するように制御される。また、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号（周波数ｆｍ）を変調信号として変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）を重畳することにより、半導体レーザー１１０は変調がかかった光を発生させる。このような半導体レーザー１１０は、例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００３８】
図５は、本実施形態における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図５において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００３９】
図５に示すように、半導体レーザー１１０は、周波数ｆ０の光Ｃと、その両側に周波数がｆ０±ｎ×ｆｍ（ｎは正の整数）の複数の光を発生させる。そして、本実施形態では、１次のサイドバンドである光Ａ（周波数はｆ０−ｆｍ）と光Ｂ（周波数はｆ０＋ｆｍ）の周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２と一致するように）制御がかかる（この制御がかかる原理については後述する）。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、光Ａと光Ｂの周波数差（２×ｆｍ）が９．１９２６３１７７０ＧＨｚとなるように（周波数ｆｍが４．５９６３１５８８５ＧＨｚとなるように）制御がかかる。
【００４０】
半導体レーザー１１０の出射光はガスセル１２０に照射され、ガスセル１２０を透過した複数の光（透過光）は互いに重なりあってうなり（光ビート）を生じさせる。このうなりの周期に応じて、透過光の全体としての強度（明暗）が周期的に変化する。
【００４１】
光検出器１３０は、この透過光の強度の周期的な変化を検出することで、うなりの周波数（ビート周波数）と等しい周波数のビート信号を含む検出信号を出力する。具体的には、周波数の異なる複数の透過光の間でうなりが生じるので、光検出器１３０の出力信号（検出信号）には、Ｎ×ｆｍ（Ｎは正の整数）のビート周波数を有する複数のビート信号が含まれる。例えば、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応する３つの透過光をそれぞれＡ’、Ｂ’、Ｃ’とすると、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート周波数は２×ｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２）であり、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’によるビート周波数はｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２の１／２）である。このような光検出器１３０としては、例えば、光通信の分野で用いられている、ＧＨｚオーダーの周期で光の明滅を検出可能なフォトデテクターを利用することができる。
【００４２】
電流駆動回路１７０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）の強度が極大になるように駆動電流を調整することで、磁場変化や温度変化等の外乱の影響をキャンセルして、半導体レーザー１１０の出射光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を安定させることができる。
【００４３】
バンドパスフィルター１４０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、周波数が２×ｆｍ（＝ｆ１２）のビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１４０は、９．１９２６ＧＨｚ程度の周波数のビート信号を選択して出力する。このようなバンドパスフィルター１４０は、２×ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００４４】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター１４０の出力信号の振幅を所定の増幅率で増幅する。光検出器１３０の検出感度や半導体レーザー１１０の変調感度に応じて、増幅回路１５０の増幅率を適切な値に設定することにより、フィードバック制御の安定性を確保することができる。
【００４５】
周波数変換回路１６０は、増幅回路１５０の出力信号の周波数をその１／２の周波数に変換する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、増幅回路１５０の出力信号の周波数は９．１９２ＧＨｚ程度であるので、周波数変換回路１６０により４．５９６ＧＨｚ程度の周波数の信号に変換される。周波数変換回路１６０は、簡単な分周回路で実現することができる。
【００４６】
そして、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００４７】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６に対応する。
【００４８】
このような構成の原子発振器１００Ａにおいて、光Ａと光Ｂの周波数差２×ｆｍがｆ１２と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍが周波数ｆ１２の１／２と一致するように）制御がかかる原理について、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）を用いて説明する。なお、光Ａの周波数をｆ２、光Ｂの周波数をｆ１とする。
【００４９】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）において、Ｔは図４のｆ１２±δ付近を拡大した透過特性を表し、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は出射光の周波数スペクトルを示している。図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）において、横軸は、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２であり、縦軸は出射光又は透過光の強度である。
【００５０】
まず、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２と一致するとき（ｆｍの平均値＝ｆ１２×１／２のとき）は、図６（Ａ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過する。従って、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差もｆ１２と一致し、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値はｆ１２である。このとき、変調信号の周波数ｆｍの平均値はｆ１２／２のまま変わらないので、この条件で周波数制御のフィードバックループが安定する。
【００５１】
図６（Ａ）の状態で、例えば磁場変化や温度変化等の外乱の影響で、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差がｆ１２−Δｆに変動したとする。このとき、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値もｆ１２−Δｆに変動するので、変調信号の周波数ｆｍの平均値が（ｆ１２−Δｆ）／２に変動する。すると、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２−Δｆに変動し、図６（Ｂ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過するため、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差はｆ１２−Δｆよりも高くなる。従って、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値が上昇し、変調信号の周波数ｆｍの平均値も上昇する。そのため、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値も上昇する。この周波数制御のフィードバックループにより、図６（Ａ）の状態、すなわち出射光Ｂと出射光Ａの平均周波数差がｆ１２と一致する状態（ｆｍの平均値＝ｆ１２×１／２）に引き戻す作用が働く。
【００５２】
逆に、図６（Ａ）の状態で、例えば磁場変化や温度変化等の外乱の影響で、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差がｆ１２＋Δｆに変動したとする。このとき、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値もｆ１２＋Δｆに変動するので、変調信号の周波数ｆｍの平均値が（ｆ１２＋Δｆ）／２に変動する。すると、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値がｆ１２＋Δｆに変動し、図６（Ｃ）に示すように、ガスセル１２０において、光Ａと光Ｂに対して斜線部分は吸収され、斜線部分以外は透過するため、透過光Ｂ’と透過光Ａ’の平均周波数差はｆ１２＋Δｆよりも低くなる。従って、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号の周波数の平均値が下降し、変調信号の周波数ｆｍの平均値も下降する。そのため、光Ｂと光Ａの周波数差ｆ１−ｆ２（＝２×ｆｍ）の平均値も下降する。この周波数制御のフィードバックループにより、図６（Ａ）の状態、すなわち光Ｂと光Ａの平均周波数差がｆ１２と一致する状態（ｆｍの平均値＝ｆ１２／２）に引き戻す作用が働く。
【００５３】
なお、光検出器の出力信号（検出信号）には透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート信号（周波数が２×ｆｍのビート信号）以外のビート信号も含まれる。そこで、本実施形態では、周波数が２×ｆｍのビート信号による安定したフィードバック制御がかかるように、バンドパスフィルター１４０によって帯域制限がかけられている。
【００５４】
以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０の透過特性を利用することで、光Ｂと光Ａの周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図３に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第１実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００５５】
［変形例］
図７は、第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図である。図７に示すように、変形例の原子発振器１００Ｂは、図３に示した原子発振器１００Ａに対して、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）１８０が追加されている。
【００５６】
図７に示すように、原子発振器１００Ｂでは、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）による変調をかけずに、単一周波数ｆ０の光を発生させる。この周波数ｆ０の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０に入射し、周波数変換回路１６０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図５と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。
【００５７】
図７に示す原子発振器１００Ｂにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００５８】
なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。
【００５９】
なお、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）１８０による構成が図１の光源１０に対応する。その他の対応関係は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じである。
【００６０】
また、原子発振器１００Ａのその他の変形例として、バンドパスフィルター１４０の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００６１】
この光学フィルターは、例えば、図８において破線で示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｂ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｂ’により発生する周波数が２×ｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００６２】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ａと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００６３】
（２）第２実施形態
図９は、第２実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１００Ｃは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０が無く、バンドパスフィルター１４０がバンドパスフィルター１９０に置き換わっている。
【００６４】
本実施形態では、半導体レーザー１１０は、電流駆動回路１７０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、増幅回路１５０の出力信号（周波数がｆｍの変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）による交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０に変調がかかる。
【００６５】
そして、半導体レーザー１１０は、中心波長λ０がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するとともに、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、中心波長λ０はＤ２線の波長（８５２．１ｎｍ）と一致し、周波数ｆｍは４．５９６３１５８８５ＧＨｚ（＝９．１９２６３１７７０ＧＨｚ×１／２）と一致する。従って、本実施形態においても、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルは図５と同様であり、光Ａと光Ｂが共鳴光対となる。
【００６６】
バンドパスフィルター１９０は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、光Ａと光Ｂ（共鳴光対）の周波数差の１／２の周波数のビート信号、すなわち、周波数がｆｍのビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１９０は、４．５９６３１５８８５ＧＨｚのビート信号を選択して出力する。
【００６７】
このようなバンドパスフィルター１９０は、ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００６８】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター１９０の出力信号の振幅を増幅して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、増幅回路１５０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図５に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００６９】
原子発振器１００Ｃにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００７０】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１９０、増幅回路１５０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１９０、増幅回路１５０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４に対応する。
【００７１】
このような構成の原子発振器１００Ｃでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ｂと光Ａの周波数差２×ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図９に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第２実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００７２】
［変形例］
原子発振器１００Ｃにおいても、半導体レーザー１１０の駆動電流に変調信号を重畳する代わりに、図７に示した原子発振器１００Ｂのように、電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて半導体レーザー１１０の出射光に変調をかけるように構成してもよい。
【００７３】
また、原子発振器１００Ｃのその他の変形例として、バンドパスフィルター１９０の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００７４】
この光学フィルターは、例えば、図１０において破線又は一点鎖線のいずれかで示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’により発生する周波数がｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００７５】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ｃと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００７６】
（３）第３実施形態
図１１は、第３実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図１１に示すように、第３実施形態の原子発振器１００Ｄは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０が無く、バンドパスフィルター１４０がバンドパスフィルター２００に置き換わっている。
【００７７】
本実施形態では、半導体レーザー１１０は、電流駆動回路１７０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、増幅回路１５０の出力信号（周波数がｆｍの変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７０による駆動電流に、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）による交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０に変調がかかる。
【００７８】
そして、半導体レーザー１１０は、中心波長λ０がアルカリ金属原子の所定の輝線（例えば、セシウム原子のＤ２線）の波長と一致するとともに、増幅回路１５０の出力信号（変調信号）の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、中心波長λ０はＤ２線の波長（８５２．１ｎｍ）と一致し、周波数ｆｍは９．１９２６３１７７０ＧＨｚと一致する。
【００７９】
図１２は、本実施形態における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１２において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００８０】
図１２に示すように、半導体レーザー１１０は、周波数ｆ０の光Ｃと、その両側に周波数がｆ０±ｎ×ｆｍ（ｎは正の整数）の複数の光を発生させる。そして、１次のサイドバンドである光Ａ、光Ｂと光Ｃの周波数差がいずれもΔＥ１２に相当する周波数と一致するように（言い換えれば、周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように）制御がかかる。
【００８１】
例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、光Ａと光Ｃの周波数差及び光Ｂと光Ｃの周波数差（いずれもｆｍ）が９．１９２６３１７７０ＧＨｚとなるように制御がかかる。
【００８２】
このように、本実施形態では、光Ａと光Ｃ、光Ｂと光Ｃがそれぞれ共鳴光対となってＥＩＴ現象を起こすので、その周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致する付近で、光Ａ、光Ｂ、光Ｃの透過率が急激に変動する。
【００８３】
そして、周波数の異なる複数の透過光の間でうなりが生じるので、光検出器１３０の出力信号（検出信号）には、Ｎ×ｆｍ（Ｎは正の整数）のビート周波数を有する複数の信号が含まれる。例えば、図１２に示した光Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ対応する３つの透過光をそれぞれＡ’、Ｂ’、Ｃ’とすると、透過光Ａ’と透過光Ｂ’によるビート周波数は２×ｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数の２倍）であり、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’によるビート周波数はｆｍ（＝ΔＥ１２に相当する周波数）である。
【００８４】
バンドパスフィルター２００は、光検出器１３０の出力信号（検出信号）から、光Ａと光Ｃ又は光Ｂと光Ｃ（いずれも共鳴光対）の周波数差と等しい周波数のビート信号、すなわち、周波数がｆｍのビート信号を選択して出力する。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、バンドパスフィルター１９０は、９．１９２６３１７７０ＧＨｚのビート信号を選択して出力する。
【００８５】
このようなバンドパスフィルター２００は、ｆｍのビート周波数が通過帯域に含まれ、その他のビート周波数が通過帯域に含まれないようなバンドパスフィルターとして実現することができる。
【００８６】
増幅回路１５０は、バンドパスフィルター２００の出力信号の振幅を増幅して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、増幅回路１５０の出力信号を変調信号として変調がかけられ、図１２に示した光Ａ、Ｂ、Ｃを発生させる。
【００８７】
原子発振器１００Ｄにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８８】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター２００、増幅回路１５０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター２００、増幅回路１５０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４に対応する。
【００８９】
このような構成の原子発振器１００Ｄでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ａと光Ｃの周波数差及び光Ｂと光Ｃの周波数差がいずれもΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｃ、光Ｂと光Ｃがそれぞれ共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図１１に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第３実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【００９０】
［変形例］
原子発振器１００Ｄにおいても、半導体レーザー１１０の駆動電流に変調信号を重畳する代わりに、図７に示した原子発振器１００Ｂのように、電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いて半導体レーザー１１０の出射光に変調をかけるように構成してもよい。
【００９１】
また、原子発振器１００Ｄのその他の変形例として、バンドパスフィルター２００の代わりに、ガスセル１２０と光検出器１３０の間に所望の特性を有する光学フィルターを設けた構成の原子発振器にすることもできる。
【００９２】
この光学フィルターは、例えば、図１３において破線又は一点鎖線のいずれかで示すような周波数特性を有し、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’を選択的に通過させる。このようにすれば、透過光Ａ’と透過光Ｃ’又は透過光Ｂ’と透過光Ｃ’により発生する周波数がｆｍのうなり以外は無視できるほど小さくなり、不要なビート信号の影響で安定した発振動作が妨げられることを防止することができる。なお、この光学フィルターは図２の光学フィルター５０に対応する。
【００９３】
これらの変形例のような構成によっても、原子発振器１００Ｄと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００９４】
（４）第４実施形態
図１４は、第４実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図１４に示すように、第４実施形態の原子発振器１００Ｅは、図３に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａに対して、周波数変換回路１６０と半導体レーザー１１０の間にレベル調整回路２１０が追加されている。
【００９５】
レベル調整回路２１０は、周波数変換回路１６０の出力信号の振幅を所定の大きさに調整して出力する。そして、半導体レーザー１１０は、レベル調整回路２１０の出力信号を変調信号として変調がかけられた光を発生させる。
【００９６】
原子発振器１００Ｅにおけるその他の構成は、図３に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００９７】
ここで、半導体レーザー１１０に変調がかからないとした時の出射光（周波数ｆ０）の振幅をＡ０とすると、周波数がｆｍの変調信号（レベル調整回路２１０の出力信号）により周波数変調がかけられた出射光は次の式（１）で表される。
【００９８】
【数１】
【００９９】
ここで、Ｊｎ（ｍ）はベッセル関数（ｎ＝０，１，２・・・）である。また、ｍは変調度であり、変調信号の振幅に比例する。
【０１００】
図１５は、Ｊ０，Ｊ１，Ｊ２のベッセル関数を表すグラフの概略図である。図１５において、横軸は変調度であり、縦軸は各ベッセル関数の値（絶対値）である。また、図１５において、Ｊ０，Ｊ１，Ｊ２の各ベッセル関数は、それぞれ、実線、破線、一点鎖線で表されている。
【０１０１】
図１５に示した変調度がｍＡ、ｍＢ、ｍＣの各場合における周波数スペクトルの概略を図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）にそれぞれ示す。図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）、図１６（Ｃ）において、光Ｃ（周波数ｆ０）の強度はＪ０の絶対値（｜Ｊ０｜）に比例し、光Ａ（周波数ｆ０−ｆｍ）及び光Ｂ（周波数ｆ０＋ｆｍ）の強度はＪ１の絶対値（｜Ｊ１｜）に比例し、光Ｄ（周波数ｆ０−２ｆｍ）及び光Ｅ（周波数ｆ０＋２ｆｍ）の強度はＪ２の絶対値（｜Ｊ２｜）に比例する。
【０１０２】
変調度がｍＡの場合は、｜Ｊ０｜＞｜Ｊ１｜＞｜Ｊ２｜なので、図１６（Ａ）に示すように、光Ｃの強度＞光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｄの強度＝光Ｅの強度である。また、変調度がｍＢの場合は、｜Ｊ１｜＞｜Ｊ０｜＝｜Ｊ２なので、図１６（Ｂ）に示すように、光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｃの強度＝光Ｄの強度＝光Ｅの強度である。また、変調度がｍＣの場合は、｜Ｊ１｜＞｜Ｊ２｜＞｜Ｊ０｜＝０なので、図１６（Ｃ）に示すように、光Ａの強度＝光Ｂの強度＞光Ｄの強度＝光Ｅの強度＞光Ｃの強度＝０である。
【０１０３】
このように、変調度ｍを調整することにより、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルをベッセル関数に従って自在に変化させることができる。そして、変調度ｍは変調信号の振幅に比例するので、レベル調整回路２１０により変調信号の振幅を所定の大きさに調整することにより、半導体レーザー１１０に、所望の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。
【０１０４】
例えば、変調度がｍＢからｍＣ程度になるように変調信号の振幅を調整すれば、図１６（Ｂ）や図１６（Ｃ）のような周波数スペクトルのように、光Ａと光Ｂの強度を最も大きくするとともに光Ｃの強度を小さくすることができる。従って、バンドパスフィルター１４０をより単純なフィルターとして実現可能になったり、場合によってはバンドパスフィルター１４０を不要にすることもできる。
【０１０５】
レベル調整回路２１０は、抵抗分圧により固定のゲインになるように構成することもできるし、ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路を用いてゲインが可変に調整されるように構成することもできる。
【０１０６】
なお、半導体レーザー１１０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、光検出部３０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０、レベル調整回路２１０、電流駆動回路１７０で構成される回路は、図１の周波数制御部４０に対応する。また、バンドパスフィルター１４０、増幅回路１５０、周波数変換回路１６０は、それぞれ図１のフィルター４２、信号増幅部４４、周波数変換部４６に対応する。
【０１０７】
このような構成の原子発振器１００Ｅでも、原子発振器１００Ａと同様の原理により、光Ｂと光Ａの周波数差２×ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、光Ａと光Ｂが共鳴光対となるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御は、図１４に示したような、従来の構成と比較して極めて簡単な構成の回路で実現することができる。従って、第４実施形態によれば、回路部分の小型化や省電力化が容易な原子発振器を実現することができる。
【０１０８】
なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１０９】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１１０】
１ 原子発振器、１０ 光源、１２ 出射光、２０ アルカリ金属原子、２２ 透過光、３０ 光検出部、３２ 検出信号、４０ 周波数制御部、４２ フィルター、４４ 信号増幅部、４６ 周波数変換部、５０ 光学フィルター、５２ 透過光、１００Ａ〜１００Ｅ 原子発振器、１１０ 半導体レーザー、１２０ ガスセル、１３０ 光検出器、１４０ バンドパスフィルター、１５０ 増幅回路、１６０ 周波数変換回路、１７０ 電流駆動回路、１８０ 電気光学変調器（ＥＯＭ）、１９０ バンドパスフィルター、２００ バンドパスフィルター、２１０ レベル調整回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、
気体状のアルカリ金属原子と、
可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて前記アルカリ金属原子に照射する光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した複数の光を受け取り、当該複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号を生成する光検出部と、
前記検出信号に含まれる前記所定の周波数のビート信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う周波数制御部と、を含む、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記周波数制御部は、
前記検出信号から前記所定の周波数のビート信号を選択して通過させるフィルターを含み、前記フィルターが選択したビート信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記周波数制御部は、
前記検出信号又は前記フィルターが選択したビート信号を増幅する信号増幅部を含み、前記信号増幅部が増幅した信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記アルカリ金属原子を透過した複数の光から前記所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光を選択して通過させる光学フィルターを含む、原子発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する周波数変換部を含み、前記周波数変換部が変換した信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記第１の光と前記第２の光の周波数差の１／２の周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記第１の光と前記第２の光の周波数差と等しい周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項１】
アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、
気体状のアルカリ金属原子と、
可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を含む複数の光を発生させて前記アルカリ金属原子に照射する光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した複数の光を受け取り、当該複数の光の干渉により得られる所定の周波数のビート信号を含む検出信号を生成する光検出部と、
前記検出信号に含まれる前記所定の周波数のビート信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を起こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う周波数制御部と、を含む、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記周波数制御部は、
前記検出信号から前記所定の周波数のビート信号を選択して通過させるフィルターを含み、前記フィルターが選択したビート信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記周波数制御部は、
前記検出信号又は前記フィルターが選択したビート信号を増幅する信号増幅部を含み、前記信号増幅部が増幅した信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記アルカリ金属原子を透過した複数の光から前記所定の周波数のビート信号を生じさせる２つの光を選択して通過させる光学フィルターを含む、原子発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記所定の周波数のビート信号を異なる周波数の信号に変換する周波数変換部を含み、前記周波数変換部が変換した信号に基づいて前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記第１の光と前記第２の光の周波数差の１／２の周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行う、原子発振器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記周波数制御部は、
前記第１の光と前記第２の光の周波数差と等しい周波数のビート信号を前記所定の周波数のビート信号として前記周波数制御を行う、原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−１６０２５１（Ｐ２０１１−１６０２５１Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９４６（Ｐ２０１０−２０９４６）
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【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２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２日（２０１０．２．２）
【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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