专利名称：原子振荡器用光学模块及原子振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子振荡器用光学模块及原子振荡器。
背景技术：
近年来，提出了利用作为量子干涉效应之一的CPT(Coherent PopulationTrapping)的原子振荡器，并期望装置小型化、低功耗化。利用了 CPT的原子振荡器是当向碱金属原子同时照射波长(频率)互相不同的两种谐振光时，利用两种谐振光的吸收停止的现象(EIT 现象Electromagnetically Induced Transparency)的振荡器。例如，作为利用了 CPT的原子振荡器，在专利文献I中记载了包含光学模块的原子振荡器，该光学模块具有发出相干光的光源、密封了碱金属原子的气体单元、检测透过了气体単元的光的強度的受光元件。 在利用了 CPT的原子振荡器中，例如，使用了半导体激光器作为光源。在使用了半导体激光器作为光源的原子振荡器中，例如通过调制半导体激光器的驱动电流使从半导体激光器射出的光产生边带而发现EIT现象。专利文献I :日本特开2009-89116号公报但是，在从调制了驱动电流的半导体激光器射出的光中不仅包含边带还包含基波(载波)，该基波具有无助于EIT现象的中心波长。当这些基波照射碱金属原子吋，往往碱金属原子吸收的光的波长(频率)会发生变化(交流斯塔克效应)，使原子振荡器的频率的稳定性下降。
发明内容
本发明几个方式的目的之ー是提供ー种原子振荡器用光学模块，利用该原子振荡器用光学模块能够得到频率稳定性高的原子振荡器。另外，本发明几个方式的目的之一在于提供ー种具有上述光学模块的原子振荡器。本发明正是为了解决上述课题的至少一部分而做出的，通过以下的实施方式或应用例可以实现本发明。应用例I本应用例的原子振荡器用光学模块是利用了量子干涉效应的原子振荡器用光学模块，具有光源，其产生第一光，该第一光包含具有中心波长的基波以及具有相互不同的波长的第一边带和第二边带；波长选择机构，其通过选择地透过上述第一边带及上述第二边带，作为第二光射出；气体单元，其密封有碱金属气体并被照射上述第二光；以及光检测机构，其检测透过了上述气体单元的上述第二光的強度，上述波长选择机构具有标准具以及用于控制上述标准具的温度的温度控制机构。根据本应用例，光学模块用于利用了量子干涉效应的原子振荡器。光学模块具有光源、波长选择机构、气体单兀及光检测机构。并且，光源产生第一光，该第一光包含具有中心波长的基波以及具有相互不同的波长的第一边带和第二边带。并且，波长选择机构从第一光中选择第一边带及第ニ边带并作为第二光射出。波长选择机构具有标准具和用于控制标准具的温度的温度控制机构。在气体单元中密封有碱金属气体并被照射第二光。并且，光检测机构检测透过了气体单元的第二光的强度。由于波长选择机构从第一光中选择第一边带及第ニ边带，所以能够减少第一光的基波的強度或使基波消失。由此，能够抑制或防止无助于EIT现象的基波照射到碱金属原子。因此，能够抑制交流斯塔克效应引起的频率变动，能够提供频率稳定性高的原子振荡器。并且，由于波长选择机构具有用于控制标准具的温度的温度控制机构，所以波长选择机构能够通过热光学效应使标准具的波长选择特性(标准具所选择的波长范围)变化。由此，波长选择机构能够修正由制造误差或环境变化等引起的标准具的波长选择特性的偏差，能够高精度地从第一光中选择第一边带及第ニ边带并射出。其結果，能够提供频率 稳定性高的原子振荡器。应用例2在上述应用例所记载的原子振荡器用光学模块中，优选，上述温度控制机构具有电阻体，通过控制流过上述电阻体的电流，控制上述标准具的温度。根据这样的光学模块，波长选择机构具有电阻体。并且，通过控制流过电阻体的电流来控制标准具的温度。因此，能够以简单的构成来选择波长。应用例3在上述应用例所记载的原子振荡器用光学模块中，优选，上述光源是面发光型激光器。根据这样的光学模块，光源是面发光型激光器。因此，与光源是端面发光型激光器时相比，能够减少用于产生増益的电流。其结果，能够使光学模块达到低功耗。应用例4在上述应用例所记载的原子振荡器用光学模块中，优选，进一歩具有光学元件，该光学元件用于使上述光源所产生的上述第一光入射到上述标准具。根据这样的光学模块，光学元件能够使光源所产生的光高效地引导至标准具。因此，能够高效地活用光。应用例5本应用例的原子振荡器具有上述应用例所记载的原子振荡器用光学模块和频率控制电路。这样的原子振荡器包含上述应用例所记载的原子振荡器用光学模块。因此，原子振荡器能够抑制由交流斯塔克效应弓I起的频率变动，能够提高频率稳定性。
图I是表示本实施方式的原子振荡器的功能的框图。图2(A)是用于说明碱金属原子的Λ型3能级模型和第一边带及第ニ边带的关系的图，(B)是用于说明光源所产生的第一光的频谱的图。图3是用于说明从波长选择机构射出的第二光的频谱的图。图4是表示原子振荡器的构成的框图。
图5是表示光学模块的主要部分的概略立体图。
具体实施例方式以下參照
本发明的优选实施方式。另外，在以下的各图中，为了将各部件设定为可识别程度的大小，而各部件的尺寸会和实际的有所不同。图I是表示本实施方式的原子振荡器的功能的框图。首先，说明本实施方式的光学模块及原子振荡器。原子振荡器I是利用了量子干涉效应的振荡器，原子振荡器I包括光学模块2和控制机构50。光学模块2顺次连接有光源10、波长选择机构20、气体单元30和光检测机构40。光源10产生包含具有中心波长(中心频率)的基波F、具有相互 不同波长的第一边带Wl及第二边带W2的第一光LI。波长选择机构20从第一光LI中选择第一边带Wl及第ニ边带W2，作为第二光L2射出。波长选择机构20具有选择并射出规定波长范围的光的标准具20a和用于控制标准具20a的温度的温度控制机构20b。温度控制机构20b通过控制标准具20a的温度能够使标准具20a所选择的波长范围(波长选择特性)发生变化。气体单元30中密封有碱金属气体，第二光L2被照射到气体单元30。光检测机构40检测透过了气体单元30的第二光L2的强度。控制机构50基于光检测机构40的检测結果，以第一边带Wl及第ニ边带W2的频率差与相当于密封到气体单元30中的碱金属原子的两个基态能级的能量差的频率相等的方式进行控制。控制机构50基于光检测机构40的检测结果，产生具有调制频率fm的检测信号。并且，光源10基于该检测信号调制具有规定频率ち的基波F，产生具有频率= f0+fffl的第一边带Wl和具有频率f2 = f0-fm的第二边带W2。图2(A)是用于说明碱金属原子的Λ型3能级模型和第一边带及第ニ边带的关系的图。图2(B)是用于说明光源所产生的第一光的频谱的图。如图2⑶所示，光源10中产生的第一光LI包含具有中心频率ち(=ν/ λ ^ :ν是光速、λ 0是激光的中心波长)的基波F、相对于中心频率ち在上侧边带具有频率も的第一边带Wl和相对于中心频率&在下侧边带具有频率f2的第二边带W2。第一边带Wl的频率fl是も=fd+fm、第二边带W2的频率f2是f2 = f0-fmo如图2 (A)及图2⑶所示，第一边带Wl的频率和第二边带W2的频率f2的频率差与相当于气体単元30内的碱金属原子的基态能级I和基态能级2的能量差AE12的频率一致。因此，碱金属原子通过具有频率も的第一边带Wl和具有频率f2的第二边带W2产生EIT现象。在此，对EIT现象进行说明。碱金属原子和光的相互作用众所周知能够用Λ型3能级系模型来说明。如图2(A)所示，碱金属原子具有两个基态能级，若将具有与基态能级I和激发态能级的能量差相当的波长(频率も)的第一边带W1、或具有与基态能级2和激发态能级的能量差相当的波长(频率f2)的第二边带W2分别单独地照射到碱金属原子则发生光吸收。但是，如图2(B)所示，当在该碱金属原子上同时照射频率差frf2与相当于基态能级I和基态能级2的能量差AE12的频率准确一致的第一边带Wl和第二边带W2时，成为两个基态能级重合的状态、即为量子干涉状态，发生向激发态能级的激发停止而第一边带Wl和第二边带W2透过碱金属原子的透明化现象(EIT现象)。通过利用该EIT现象，检测出第一边带Wl和第二边带W2的频率差f\-f2偏离与基态能级I和基态能级2的能量差Λ E12相当的频率时的光吸收动作的急剧的变化并进行控制，由此能够制造出高精度的振荡器。图3是用于说明从波长选择机构射出的第二光的频谱的图。第二光L2与第一光LI相比是基波F消失或基波F的強度減少的光。如图3所示，第二光L2仅具有相对于中心频率ち在上侧边带具有频率的第一边带Wl及相对于中心频率ち在下侧边带具有频率f2的第二边带W2。这样，在光学模块2中能够通过波长选择机构20减少基波F的強度或使基波F消失。接着，对原子振荡器I的更具体的构成进行说明。图4是表示原子振荡器的构成的框图。如图4所示，原子振荡器I具备光学模块2、电流驱动电路150和调制电路160。在光学模块2中顺次连接有半导体激光器110、波长选择装置120、气体单元130 以及光检测器140。半导体激光器110产生第一光LI，该第一光LI包含具有中心波长的基波F和具有相互不同波长的第一边带Wl及第ニ边带W2。半导体激光器110射出的激光(第一光LI)被电流驱动电路150输出的驱动电流控制其中心频率ち(中心波长λ 0)，通过调制电路160的输出信号(调制信号)进行调制。即、能够通过在电流驱动电路150的驱动电流中重叠具有调制信号的频率成分的交流电流，对半导体激光器HO射出的第一光LI进行调制。由此，第一光LI中产生第一边带Wl及第ニ边带W2。半导体激光器110所产生的光因具有相干性适合于得到量子干渉效应。如图2(B)所不,第一光LI包含具有中心频率fQ( = ν/λ Q :ν是光速、λ。是第一光LI的中心波长)的基波F、相对于中心频率ち在上侧边带具有频率も的第一边带Wl和相对于中心频率fQ在下侧边带具有频率ち的第二边带W2。第一边带Wl的频率f丨是f丨=f0+fm、第二边带W2的频率f2是f2 = f0-fmo回到图4，波长选择装置120从第一光LI中选择第一边带Wl及第ニ边带W2，并作为第二光L2射出。波长选择装置120具有选择并射出规定波长范围的光的标准具120a和用于控制标准具120a的温度的作为温度控制机构的温度控制装置120b。标准具120a能够从第一光LI中选择并射出第一边带Wl及第ニ边带W2。由此，能够减少入射到标准具120a的第一光LI的基波F的強度或使基波F消失，作为第二光L2射出。即、第二光L2与第一光LI相比，减少基波F的強度或使基波F消失。在图3的例子中，第二光L2仅具有第一边带Wl及第ニ边带W2。温度控制装置120b能够通过热光学效应使标准具120a所选择的波长范围(波长选择特性)发生变化。在此，热光学效应是指物质对光的折射率通过由外部加热而发生变化的现象。具体而言，温度控制装置120b通过控制标准具120a的温度使标准具120a的折射率变化，控制标准具120a的波长选择特性。波长选择装置120能够通过温度控制装置120b修正由制造误差、环境变化(热、光等)等引起的标准具120a的波长选择特性的偏差，因此能够从第一光LI中高精度地选择并射出第一边带Wl及第ニ边带WZ0温度控制装置120b可以基于光检测器140的输出信号调整标准具120a的温度，以控制标准具120a的波长选择特性。在光学模块2中，例如，利用经由标准具120a、气体单元130、光检测器140、温度控制装置120b的反馈回路调整标准具120a的温度，控制标准具120a的波长选择特性。而且，温度控制装置120b也可基于预先取得的标准具120a的波长选择特性的偏差数据调整标准具120a的温度，对标准具120a的波长选择特性的偏差进行修正。气体单元130是在容器中密封了气体状的碱金属原子(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)的単元。气体单元130被照射从波长选择装置120射出的第二光L2。若对该气体単元130照射具有相当于碱金属原子的两个基态能级的能量差的频率(波长)差的两种光波(第一边带及第ニ边带)，则碱金属原子发生EIT现象。例如，若碱金属原子是铯原子，则因相当于Dl线(弗劳恩霍夫线之一)中的基态能级I和基态能级2的能量差的频率是9. 19263. . . GHz、所以若照射频率差是9. 19263. . . GHz的两种光波就引发EIT现象。光检测器140检测出透过了气体单元130的第二光L2，输出与检测到的光量对应的信号强度的信号。光检测器140的输出信号被输入到电流驱动电路150和调制电路160。 而且，光检测器140的输出信号也可输入到温度控制装置120b。光检测器140并没有特别的限定，但例如能够使用光电ニ极管。电流驱动电路150产生与光检测器140的输出信号对应的大小的驱动电流井向半导体激光器110供给，控制第一光LI的中心频率ち(中心波长λ0)ο通过经由半导体激光器110、波长选择装置120、气体单元130、光检测器140、电流驱动电路150的反馈回路微调并稳定第一光LI的中心频率fQ(中心波长λ 0)。调制电路160产生具有与光检测器140的输出信号对应的调制频率fm的调制信号。该调制信号一边以光检测器140的输出信号成为最大的方式微调调制频率fm —边向半导体激光器110供给。半导体激光器110所射出激光通过调制信号被调制、产生第一边带Wl和第二边带W2。另外，半导体激光器110、波长选择装置120、气体单元130、光检测器140分别对应于图I的光源10、波长选择机构20、气体单元30、光检测机构40。而且，标准具120a对应于图I的标准具20a，温度控制装置120b对应于图I的温度控制机构20b。而且，电流驱动电路150、调制电路160对应于图I的控制机构50。在这样构成的原子振荡器I中，半导体激光器110产生具有第一边带Wl和第二边带W2的第一光LI。如果该第一边带Wl和第二边带W2的频率差不与相当于气体单元130所包含的碱金属原子的两个基态能级的能量差的频率准确地一致，则碱金属原子不发生EIT现象。因此，根据第一边带Wl和第二边带W2的频率光检测器140的检测量极其敏感地变化。因此，进行经由半导体激光器110、波长选择装置120、气体单元130、光检测器140以及调制电路160的反馈回路的控制。通过该控制，能够使第一边带Wl和第二边带W2的频率差与相当于碱金属原子的两个基态能级的能量差的频率极其准确地一致。其結果，调制频率成为极其稳定的频率，因此能够将调制信号作为原子振荡器I的输出信号(时钟输出)。图5是表示光学模块的主要部分的概略立体图。如图5所示，光学模块2具备半导体激光器110和波长选择装置120。作为半导体激光器110，例如能够使用面发光型激光器。面发光型激光器与端面发光型激光器相比，因为用于产生增益的电流少，因此能够实现低耗电。另外，作为半导体激光器110也可使用端面发光型激光器。从半导体激光器110射出的第一光LI通过光学元件170被聚光，并入射到标准具120a。光学元件170，在图示的例子中是用于对从半导体激光器110射出的第一光LI进行聚光后入射到标准具120a的透镜。标准具120a选择地透过第一光的第一边带Wl及第ニ边带W2。S卩、标准具120a相对于第一边带Wl及第ニ边带W2的透过率大而相对于基波F的透过率小。由此，能够减少入射到标准具120a的第一光LI的基波F的強度或使基波F消失，并作为第二光L2射出。SP、第二光L2与第一光LI相比，基波F的强度减少或基波F消失。由此，第二光L2成为图3所示的例子那样。即、第二光L2仅具有相对于中心频率ち在上侧边带具有频率も的第ー边带Wl及相对于中心频率fQ在下侧边带具有频率f2的第二边带W2。返回到图5，标准具120a被配置于温度控制装置120b的发热体122的上方。另夕卜，标准具120a和温度控制装置120b的发热体122之间的位置关系没有特别的限定。标准具120a能够从被入射第一光LI中选择并透过第一边带Wl及第ニ边带WZ0
温度控制装置120b具有用于向标准具120a供给热的发热体122。若利用从温度控制装置120b供给的热使标准具120a的温度发生变化，则产生热光学效应使标准具120a的折射率发生变化，标准具120a的波长选择特性(标准具所选择的波长范围)发生变化。发热体122例如是利用电流流过而发热的电阻体。温度控制装置120b能够通过控制流过该发热体122 (电阻体)的电流量来调整发热体122的温度，控制标准具120a的温度。另夕卜，温度控制装置120b只要能够控制标准具120a的温度即可，并不特别限定，可以使用公知的加热板等发热装置。如上所述，根据本实施方式的光学模块2及原子振荡器I能够得到以下的效果。(I)根据本实施方式，波长选择装置120能够减少第一光LI的基波F的强度或使基波F消失。由此，能够抑制或防止无助于EIT现象的基波F照射到碱金属原子上。因此，能够抑制由交流斯塔克效应引起的频率变动，能够提供频率稳定性高的原子振荡器I。(2)根据本实施方式，波长选择装置120具有用于使标准具120a选择的波长范围变化的温度控制装置120b。因此，能够修正制造误差、环境变化(热、光等)引起的标准具120a的波长选择特性(标准具所选择的波长范围)的偏差。因此，波长选择装置120能够从第一光LI中高精度地选择并射出第一边带Wl及第ニ边带W2。(3)根据本实施方式，标准具120a的波长选择特性依赖于标准具120a的长度。在标准具120a的制造エ序中高精度地赋予标准具120a的长度是困难的，往往在标准具120a中产生制造误差。即使在这样的情况下，由于波长选择装置120具有温度控制装置120b，因此能够修正由该制造误差引起的波长选择特性的偏差。(4)根据本实施方式，温度控制装置120b，能够通过由温度控制装置120b所产生的热导致的热光学效应，使标准具120a的波长选择特性发生变化。由此，能够容易地控制标准具120a的波长选择特性。并且，温度控制装置120b构成为包含发热体122 (电阻体)。因此，能够简单地构成波长选择装置120。(5)根据本实施方式,在光学模块2中能够将半导体激光器110做成面发光型激光器。面发光型激光器与端面发光型激光器相比用于产生増益的电流少，因此能够实现低耗电。(6)根据本实施方式,具有用于将从半导体激光器110射出的第一光LI入射到标准具120a的光学元件170。由此，能够将半导体激光器110所产生的第一光LI高效地引导至标准具120a。(7)根据本实施方式，原子振荡器I具有频率稳定性高的光学模块2。因此，原子振荡器I能够提高频率稳定性。如上所述，虽详细地说明了本发明的实施方式，但本领域的技术人员能够容易理解可实施实际上未脱离本发明的新事项及效果的多种的变形。因此，这样的变形例都包含在本发明的范围内。附图标记说明
I...原子振荡器、2. . ·光学模块、10...光源、20...波长选择机构、20a. . ·标准具、20b···温度控制机构、30...气体单元、40...光检测机构、120b. ·.作为温度控制机构的温度控制装置、122...作为电阻体的发热体、170...光学元件。
权利要求
1.一种原子振荡器用光学模块，其特征在于，是利用了量子干涉效应的原子振荡器用光学模块，所述原子振荡器用光学模块具有 光源，其产生第一光，该第一光包含具有中心波长的基波以及具有相互不同波长的第一边带和第二边带； 波长选择机构，其选择地透过所述第一边带及所述第二边带，作为第二光射出； 气体单元，该气体单元内密封有碱金属气体且该气体单元被照射所述第二光；以及 光检测机构，其检测透过了所述气体单元的所述第二光的强度， 所述波长选择机构具有标准具和用于控制所述标准具的温度的温度控制机构。
2.根据权利要求I所述的原子振荡器用光学模块，其特征在于， 所述温度控制机构具有电阻体， 通过控制流过所述电阻体的电流来控制所述标准具的温度。
3.根据权利要求I所述的原子振荡器用光学模块，其特征在于， 所述光源是面发光型激光器。
4.根据权利要求I所述的原子振荡器用光学模块，其特征在于， 还具有光学元件，该光学元件用于使所述光源产生的所述第一光入射到所述标准具。
5.一种原子振荡器，其特征在于，具有 权利要求I所述的原子振荡器用光学模块；以及 频率控制电路。
全文摘要
本发明涉及原子振荡器用光学模块及原子振荡器，其具有光源，其产生第一光，该第一光包含具有中心波长的基波以及具有相互不同波长的第一边带及第二边带；波长选择机构，其选择地透过所述第一边带及所述第二边带，从而射出第二光；气体单元，其密封有碱金属气体并被照射所述第二光；以及光检测机构，其检测透过了所述气体单元的所述第二光的强度，所述波长选择机构具有标准具和用于控制所述标准具的温度的温度控制机构。
文档编号H03L7/26GK102694548SQ201210027640
公开日2012年9月26日 申请日期2012年2月8日 优先权日2011年3月23日
发明者西田哲朗 申请人:精工爱普生株式会社