JP2014157915A - Quantum interference device and atomic oscillator - Google Patents

Quantum interference device and atomic oscillator Download PDF

Info

Publication number
JP2014157915A
JP2014157915A JP2013027612A JP2013027612A JP2014157915A JP 2014157915 A JP2014157915 A JP 2014157915A JP 2013027612 A JP2013027612 A JP 2013027612A JP 2013027612 A JP2013027612 A JP 2013027612A JP 2014157915 A JP2014157915 A JP 2014157915A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum interference
interference device
light
laser
atomic oscillator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013027612A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6028922B2 (en
Inventor
Yoshiyuki Maki
義之 牧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2013027612A priority Critical patent/JP6028922B2/en
Publication of JP2014157915A publication Critical patent/JP2014157915A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6028922B2 publication Critical patent/JP6028922B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly stable quantum interference device whose noise due to an unnecessary spectrum of a laser is low.SOLUTION: Unnecessary oscillation modes particular to a multimode oscillation are removed by using a multimode oscillation laser with good frequency characteristics, removing a main band, and constituting a band pass filter of a multilayer film of about 1 nm on an optical detection part and a glass cell.

Description

本発明は、量子干渉装置および原子発振器に関するものである。   The present invention relates to a quantum interference device and an atomic oscillator.

電磁誘起透過方式（ＥＩＴ方式、ＣＰＴ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波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する波長を有する第１共鳴光、あるいは第２基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する波長を有する第２共鳴光を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、良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第１共鳴光と第２共鳴光を同時に照射し、同時に照射される第１共鳴光と第２共鳴光の周波数差が正確に第１基底準位と第２基底準位のエネルギー差（ΔＥ１２）に一致すると、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透明化（ＥＩＴ）現象が起きる。この現象を利用し、第１共鳴光と第２共鳴光との波長差がΔＥ１２からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。   An atomic oscillator using an electromagnetically induced transmission method (sometimes called an EIT method or a CPT method) stops absorption of two resonance lights when an alkali metal atom is simultaneously irradiated with two resonance lights having different wavelengths (EIT phenomenon). ). First resonant light having a wavelength corresponding to the energy difference between the first ground level and the excited level, or second resonant light having a wavelength corresponding to the energy difference between the second ground level and the excited level, When each alone irradiates an alkali metal atom, light absorption occurs as is well known. However, this alkali metal atom is simultaneously irradiated with the first resonance light and the second resonance light, and the frequency difference between the first resonance light and the second resonance light irradiated simultaneously is accurately the first ground level and the second ground level. When the energy level difference (ΔE12) coincides, the two ground levels are superposed, that is, a quantum interference state, and excitation to the excited level stops and a transparency (EIT) phenomenon occurs. Using this phenomenon, a highly accurate oscillator can be manufactured by detecting and controlling a steep change in light absorption behavior when the wavelength difference between the first resonant light and the second resonant light deviates from ΔE12. .

ところで、原子発振器の特性を向上させるためには、ＥＩＴのスペクトルのＳＮ比を向上させる必要がある。ＳＮの信号（Ｓｉｇｎａｌ）強度を向上させるためには、アルカリ金属の原子数を増やすなどの手段があり、アルカリ金属を封入させるガラスセルのサイズを大きくする手段が一般的である。一方、ＳＮのノイズ（Ｎｏｉｓｅ）成分を低減化させるためには、ＥＩＴ現象を引き起こす以外の不要な光を検出させないことが必要である。不要な光はＥＩＴ信号に寄与することなく、ノイズのみに寄与してしまう。ＥＩＴ方式を使った原子発振器の小型化には、図１０に示すように、共鳴光を一本のシングルモードのレーザーにΔＥ１２の半分に相当する周波数で変調をかけた際に生じるサイドバンドが用いられる。この方式では、共鳴に関わらないメインバンドの波長成分が残り、メインバンドのスペクトルはＥＩＴ信号に寄与しないため、ノイズが増えＳＮ劣化が生じる。メインバンドを無くすためには、メインバンドのみを消す帯域の急峻である光バンドパスフィルターが必要だが、そのような特性を持つ小型の光フィルターは入手が困難である。
このように、特許文献１のような原子発振器では、ＳＮのノイズ成分改善ができないという問題があった。 By the way, in order to improve the characteristics of the atomic oscillator, it is necessary to improve the SN ratio of the spectrum of the EIT. In order to improve the signal strength (Signal) of SN, there are means such as increasing the number of atoms of alkali metal, and means for increasing the size of the glass cell in which the alkali metal is encapsulated are common. On the other hand, in order to reduce the noise component of SN, it is necessary not to detect unnecessary light other than causing the EIT phenomenon. Unnecessary light does not contribute to the EIT signal, but contributes only to noise. In order to reduce the size of an atomic oscillator using the EIT method, as shown in FIG. 10, a side band generated when a single-mode laser is modulated at a frequency corresponding to half of ΔE12 is used. It is done. In this method, the wavelength component of the main band that does not relate to resonance remains, and the spectrum of the main band does not contribute to the EIT signal, so noise increases and SN degradation occurs. In order to eliminate the main band, an optical bandpass filter having a steep band that erases only the main band is necessary, but it is difficult to obtain a small optical filter having such characteristics.
Thus, the atomic oscillator as in Patent Document 1 has a problem that the noise component of SN cannot be improved.

米国特許第６３２０４７２号明細書US Pat. No. 6,320,472

本発明の目的は、ノイズ増大を引き起こすＥＩＴ信号に寄与しない不要な光を可能な限り小さくすることによりＳＮ比を改善し、高い安定度を有する原子発振器を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an atomic oscillator having a high stability by improving the S / N ratio by minimizing unnecessary light that does not contribute to an EIT signal causing noise increase.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、電磁誘起透過現象を発生させるために、周波数の異なる２つの光を前記金属原子に照射する多モード発振レーザーと前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、前記多モード発振レーザーと前記光検出部との間に多層膜の光バンドパスフィルターと、を備えていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、設定されるマイクロ波パワーレベルを抑えることができ、かつ不要モードのレーザー光が取り除かれ、低消費・小型と安定度向上が両立することができる。 Application Example 1 A quantum interference device according to this application example includes a metal atom, a multimode oscillation laser that irradiates the metal atom with two light beams having different frequencies in order to generate an electromagnetically induced transmission phenomenon, and the metal atom. And a multilayer optical bandpass filter between the multimode oscillation laser and the light detection unit.
According to such a quantum interference device, the set microwave power level can be suppressed, and unnecessary mode laser light can be removed, and both low consumption, small size, and improved stability can be achieved.

［適用例２］本適用例に係る量子干渉装置は、前記多モード発振レーザーが、面発光型のマルチモードレーザーであることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、装置の小型化や実装の簡素化が実現できる。 Application Example 2 The quantum interference device according to this application example is characterized in that the multimode oscillation laser is a surface-emitting type multimode laser.
According to such a quantum interference device, downsizing of the device and simplification of mounting can be realized.

［適用例３］本適用例に係る量子干渉装置は、前記多層膜の光バンドパスフィルターが、前記光検出部の入力部に配置されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、光検出部の入力に蒸着技術により光バンドパスフィルターが形成でき、小型化、コストの低減化が実現できる。 Application Example 3 The quantum interference device according to this application example is characterized in that the multilayer optical bandpass filter is disposed in an input unit of the photodetection unit.
According to such a quantum interference device, an optical bandpass filter can be formed by vapor deposition technology at the input of the light detection unit, and downsizing and cost reduction can be realized.

［適用例４］本適用例に係る量子干渉装置では、前記バンドパスフィルターが、前記金属原子を封入している容器の光透過面に配置されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、ガラスセルの表面に蒸着技術により光バンドパスフィルターが形成でき、小型化、コストの低減化が実現できる。 Application Example 4 In the quantum interference device according to this application example, the bandpass filter is disposed on a light transmission surface of a container enclosing the metal atoms.
According to such a quantum interference device, an optical bandpass filter can be formed on the surface of the glass cell by a vapor deposition technique, and downsizing and cost reduction can be realized.

［適用例５］本適用例に係る量子干渉装置は、前記バンドパスフィルターが、第１の膜と、屈折率が前記第１の膜の１．２７倍以上である第２の膜とが交互に積層されていることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、蒸着技術を用いてバンドパスフィルターが形成でき量産性を高めることができ、バンドパスフィルター特性を向上させることが可能である。 Application Example 5 In the quantum interference device according to this application example, the band-pass filter includes an alternating first film and a second film having a refractive index of 1.27 times or more that of the first film. It is characterized by being laminated.
According to such a quantum interference device, it is possible to form a bandpass filter using vapor deposition technology, increase mass productivity, and improve bandpass filter characteristics.

［適用例６］本適用例に係る量子干渉装置は、前記第１の膜がＳｉＯ2であり、前記第２の膜がＴｉＯ2であることを特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、汎用的な材料を用いることでバンドパスフィルターが形成でき材料コストの低減化につながる。 Application Example 6 The quantum interference device according to this application example is characterized in that the first film is SiO 2 and the second film is TiO 2 .
According to such a quantum interference device, a bandpass filter can be formed by using a general-purpose material, leading to a reduction in material cost.

［適用例７］本適用例に係る原子発振器は、前記量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、不要なレーザーモードを抑圧できＳＮが高まることよって安定度の特性が向上することができる原子発振器を提供することができる。 Application Example 7 An atomic oscillator according to this application example includes the quantum interference device.
Accordingly, it is possible to provide an atomic oscillator that can suppress unnecessary laser modes and increase the SN, thereby improving the stability characteristics.

本発明の第１実施形態に係る原子発振器のブロック図である。1 is a block diagram of an atomic oscillator according to a first embodiment of the present invention. 図１に示す原子発振器でのレーザースペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the laser spectrum in the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器での本発明を実施後のレーザースペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the laser spectrum after implementing this invention in the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器での光検出部に蒸着された多層膜光バンドパスフィルターの光透過特性を示す図である。It is a figure which shows the light transmission characteristic of the multilayer film | membrane optical band pass filter vapor-deposited by the photon detection part in the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器の光検出部の受光面に積層した多層膜光バンドパスフィルターの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the multilayer film | membrane optical band pass filter laminated | stacked on the light-receiving surface of the photon detection part of the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器のガラスセルの光透過面に積層した多層膜光バンドパスフィルターの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the multilayer film | membrane optical band pass filter laminated | stacked on the light transmission surface of the glass cell of the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器で使用する多モード発振レーザー単体の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the multimode oscillation laser single-piece | unit used with the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器でのＥＩＴ方式の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the EIT system in the atomic oscillator shown in FIG. 図１に示す原子発振器での光検出部で得られるＥＩＴ信号の図である。It is a figure of the EIT signal obtained by the photon detection part in the atomic oscillator shown in FIG. 従来のＥＩＴ信号を得るためのマイクロ波変調をかけた場合のレーザースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the laser spectrum at the time of applying the microwave modulation for obtaining the conventional EIT signal.

以下、本発明の実施形態について、本発明の量子干渉装置を備える原子発振器に適用した例を、図面を参照して説明する。本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用が可能である。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an atomic oscillator including the quantum interference device of the present invention will be described with reference to the drawings. The quantum interference device of the present invention is not limited to this, and can be applied to, for example, a magnetic sensor, a quantum memory, etc. in addition to an atomic oscillator.

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る原子発振器の構成図である。
まず、実施形態１に係る原子発振器１００の概略構成について説明する。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of an atomic oscillator according to the first embodiment.
First, a schematic configuration of the atomic oscillator 100 according to the first embodiment will be described.

原子発振器１００は、レーザー部１０、ガラスセル部２０、光検出部３０、受信増幅器部４０、制御回路部５０、水晶発振器部６０、マイクロ波部７０、波長制御部８０、光バンドパスフィルター９０に大別される。   The atomic oscillator 100 includes a laser unit 10, a glass cell unit 20, a light detection unit 30, a reception amplifier unit 40, a control circuit unit 50, a crystal oscillator unit 60, a microwave unit 70, a wavelength control unit 80, and an optical bandpass filter 90. Broadly divided.

まず、原子発振器１００の原理を簡単に説明する。
原子発振器１００では、ガラスセル部２０内に、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。
アルカリ金属は、図８に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。 First, the principle of the atomic oscillator 100 will be briefly described.
In the atomic oscillator 100, an alkali metal (metal atom) such as gaseous rubidium, cesium, or sodium is enclosed in the glass cell unit 20.
As shown in FIG. 8, the alkali metal has an energy level of a three-level system, and has three states, two ground states (ground states 1 and 2) having different energy levels, and an excited state. Can take. Here, the ground state 1 is a lower energy state than the ground state 2.
When two types of resonant lights 1 and 2 having different frequencies are irradiated to such a gaseous alkali metal, depending on the difference (ω1−ω2) between the frequency ω1 of the resonant light 1 and the frequency ω2 of the resonant light 2. The optical absorptance (light transmittance) of the resonance light 1 and 2 in the alkali metal changes.

そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）と呼ぶ。   When the difference (ω1−ω2) between the frequency ω1 of the resonant light 1 and the frequency ω2 of the resonant light 2 matches the frequency corresponding to the energy difference between the ground state 1 and the ground state 2, the ground states 1 and 2 Each excitation to the excited state stops. At this time, both the resonant lights 1 and 2 are transmitted without being absorbed by the alkali metal. Such a phenomenon is referred to as a CPT phenomenon or an electromagnetically induced transparency (EIT: Electromagnetically Induced Transparency).

光出射部２２は、ガラスセル部２０に向けて、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射する。
例えば、レーザー部１０が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部３０の検出強度は、図９に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、原子発振器を構成することができる。この原子発振器は、長期的に安定したクロック信号を提供することができる。 The light emitting unit 22 emits two types of light (resonant light 1 and resonant light 2) having different frequencies as described above toward the glass cell unit 20.
For example, when the laser unit 10 fixes the frequency ω1 of the resonant light 1 and changes the frequency ω2 of the resonant light 2, the difference between the frequency ω1 of the resonant light 1 and the frequency ω2 of the resonant light 2 (ω1-ω2). 9 coincides with the frequency ω 0 corresponding to the energy difference between the ground state 1 and the ground state 2, the detection intensity of the light detection unit 30 increases sharply as shown in FIG. Such a steep signal is detected as an EIT signal. This EIT signal has an eigenvalue determined by the type of alkali metal. Therefore, an atomic oscillator can be configured by using such an EIT signal. This atomic oscillator can provide a stable clock signal in the long term.

以下、原子発振器１００の各部を順次詳細に説明する。
［ガラスセル部］
ガラスセル部２０内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。 Hereinafter, each part of the atomic oscillator 100 will be sequentially described in detail.
[Glass cell part]
The glass cell portion 20 is filled with gaseous alkali metals such as rubidium, cesium, and sodium.

［レーザー部］
レーザー部１０は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有する。
より具体的には、レーザー部１０は、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。
共鳴光１の周波数ω１は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガラスセル部２０中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
このレーザー部１０としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。 [Laser section]
The laser unit 10 has a function of emitting excitation light that excites alkali metal atoms in the glass cell unit 20.
More specifically, the laser unit 10 emits two types of light (resonant light 1 and resonant light 2) having different frequencies as described above.
The frequency ω1 of the resonance light 1 is capable of exciting the alkali metal in the glass cell portion 20 from the ground state 1 to the excited state.
Further, the frequency ω2 of the resonance light 2 can excite the alkali metal in the glass cell portion 20 from the ground state 2 to the excited state.
The laser unit 10 is not particularly limited as long as it can emit the excitation light as described above. For example, a semiconductor laser such as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) can be used.

［光検出部］
光検出部３０は、ガラスセル部２０内を透過した励起光（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部３０としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。 [Photodetection section]
The light detection unit 30 has a function of detecting the intensity of excitation light (resonance light 1 and 2) transmitted through the glass cell unit 20.
The light detector 30 is not particularly limited as long as it can detect the excitation light as described above. For example, a photodetector (light receiving element) such as a solar cell or a photodiode can be used.

［マイクロ波部］
マイクロ波部７０は、基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０の半分に相当する周波数を発生させる。セシウムの場合は、おおよそ４．５９６ＧＨｚとなり、レーザー部を変調させることで、図８のようなサイドバンドが発生する。これにより、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２の２本のレーザーを用意することなく、１本のレーザーで対応することができる。共鳴を起こさせるのは図８のサイドバンド成分のみとなり、図８のメインバンドは、共鳴に寄与することなく、ノイズ減となってしまう。 [Microwave part]
The microwave unit 70 generates a frequency corresponding to half of the frequency ω 0 corresponding to the energy difference between the ground state 1 and the ground state 2. In the case of cesium, the frequency is approximately 4.596 GHz, and the sideband as shown in FIG. 8 is generated by modulating the laser part. Thereby, it is possible to cope with one laser without preparing two lasers of the frequency ω1 of the resonant light 1 and the frequency ω2 of the resonant light 2. Only the sideband components of FIG. 8 cause resonance, and the main band of FIG. 8 contributes to resonance and reduces noise.

［水晶発振器部］
通常、TCXOやVCXO、OCXOなどの電圧可変機能のついた発振器が使用される。本発振器が、基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０の半分に相当の周波数を発生させる源信となる。 [Crystal oscillator unit]
Usually, an oscillator with a variable voltage function such as TCXO, VCXO, OCXO is used. This oscillator is a source signal that generates a frequency corresponding to half the frequency ω 0 corresponding to the energy difference between the ground state 1 and the ground state 2.

［受信増幅器部］
ＥＩＴ信号を光検出部３０で受け、その出力の電流信号を増幅電圧変換する。 [Receiving amplifier section]
The light detection unit 30 receives the EIT signal and converts the output current signal into an amplified voltage.

［周波数制御］
プリアンプ部のＥＩＴ信号は、図９のピークの形状をもつ。周波数制御部では、そのピークのピークトップを捉えるよう、水晶発振器部６０の電圧制御部を制御することにより、水晶発振器部６０の出力を安定化させる。 [Frequency control]
The EIT signal of the preamplifier section has the peak shape shown in FIG. The frequency control unit stabilizes the output of the crystal oscillator unit 60 by controlling the voltage control unit of the crystal oscillator unit 60 so as to capture the peak top of the peak.

［波長制御部］
レーザーの波長が常にアルカリ金属の吸収のボトムになるよう制御させる。それによりレーザー波長が常に一定になることを担保させる機能である。 [Wavelength controller]
The laser wavelength is always controlled to be the bottom of alkali metal absorption. This is a function that ensures that the laser wavelength is always constant.

上記の構成は量子干渉装置として適用が可能であり、少なくとも、気体状のアルカリ金属原子と、該アルカリ金属原子の２つの基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した異なる周波数の共鳴光対を発生させるための光源と前記共鳴光を検出する光検出部と前記アルカリ金属を封入するガラスセルを備え、前記アルカリ金属原子と前記共鳴光対を相互作用させて電磁誘起透過現象を発生させる部分を備えている部分を量子干渉装置という。   The above-described configuration can be applied as a quantum interference device, and at least resonant gases having different frequencies holding a gaseous alkali metal atom and a frequency difference corresponding to an energy difference between the two ground states of the alkali metal atom. A light source for generating a pair, a light detection unit for detecting the resonance light, and a glass cell for encapsulating the alkali metal, and generating an electromagnetically induced transmission phenomenon by causing the alkali metal atom and the resonance light pair to interact with each other. The part having the part is called a quantum interference device.

図２は、本発明でのレーザーのスペクトルを説明したものである。通常、量子干渉装置などの原子発振器では、不要なレーザーモードがないシングルモードを利用する。マイクロ波を変調かけることにより図１０のようなレーザースペクトルが得られる。サイドバンドが共鳴に寄与するレーザーであり、メインバンドのスペクトルは共鳴に寄与しない。そのため、ノイズとなって安定度の劣化を生じさせる。   FIG. 2 explains the spectrum of the laser in the present invention. In general, an atomic oscillator such as a quantum interference device uses a single mode without an unnecessary laser mode. A laser spectrum as shown in FIG. 10 is obtained by modulating the microwave. The sideband is a laser that contributes to resonance, and the spectrum of the main band does not contribute to resonance. Therefore, it becomes noise and causes degradation of stability.

本発明では、レーザー部１０に通常用いられるシングルモードレーザーではなく、周波数応答速度の速いマルチモードレーザーを用いる。通常、原子発振器の小型・低消費電力化を実現するためにレーザーには面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ）が使用される。ＶＣＳＥＬの場合、シングルモードでは周波数応答帯域として１ＧＨｚ程度である一方、マルチモードでは、１０ＧＨｚ以上の実績がある。これにより、シングルモードで発生していたメインバンドスペクトル成分を、図２が示す通り大きく減衰させることができる。ガラスセル部２０には、セシウムやルビジウムなどのアルカリ金属が封止されている。ガラスセル内のアルカリ金属とレーザーでの共鳴を起こさせＥＩＴスペクトルを得る。そのスペクトルの強度を光検出部３０で受信し電流変換させ、受信増幅器部４０で電圧増幅された後、制御回路部５０で水晶発振器部６０の電圧制御端子を周波数が安定となる方向に制御される。マルチモードであるために、レーザーのスペクトルは図２のような１ｎｍ間隔にマルチモード特有の不要モードが発生し、安定度の劣化（ＳＮのＮｏｉｓｅ成分増加）を引き起こす。   In the present invention, a multimode laser having a high frequency response speed is used instead of the single mode laser normally used for the laser unit 10. Usually, a surface emitting laser (VCSEL) is used as a laser in order to realize a small size and low power consumption of an atomic oscillator. In the case of VCSEL, the frequency response band in the single mode is about 1 GHz, while in the multi mode, there is a track record of 10 GHz or more. Thereby, the main band spectral component generated in the single mode can be greatly attenuated as shown in FIG. The glass cell portion 20 is sealed with an alkali metal such as cesium or rubidium. Resonance between the alkali metal in the glass cell and laser is obtained to obtain an EIT spectrum. The intensity of the spectrum is received by the light detection unit 30 and converted into a current. After the voltage is amplified by the reception amplifier unit 40, the voltage control terminal of the crystal oscillator unit 60 is controlled by the control circuit unit 50 so that the frequency becomes stable. The Since the laser is multimode, an unnecessary mode peculiar to the multimode is generated at an interval of 1 nm as shown in FIG.

それを防止するために、光検出部３０の入力部にはＳｉＯ2とＴｉＯ2膜が交互に５０層程度で構成された多層膜が蒸着されており図４のような光バンドパス特性を有する。バンドパスの帯域として１ｎｍ程度であり、マルチモードの不要モード分を十分に除去できる。光バンドパスフィルター９０の構成としては、図５のような光検出部３０の受光面の上に、ＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜を交互に配置した５０層程度の薄膜状の構成を有す。そのときの光バンドパス特性は、図４のような特性となる。一般にフィルターなどの光学多層膜においては、高屈折率材料からなる膜と低屈折率材料からなる膜を交互に積層して構成されている。上記の要求特性を満足する高屈折率材料としては、酸化物として最も屈折率の高いＴｉＯ2が用いられる場合が多い。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ2が用いられるのが一般的である。ＴｉＯ2の屈折率は２．５２、ＳｉＯ2の屈折率は１．４５であり、ＴｉＯ2の屈折率はＳｉＯ2の１．７３倍である。 In order to prevent this, a multilayer film composed of approximately 50 layers of SiO 2 and TiO 2 films is deposited on the input section of the light detection section 30 and has an optical bandpass characteristic as shown in FIG. . The bandpass band is about 1 nm, and the unnecessary multimode mode can be sufficiently removed. The optical bandpass filter 90 has a thin-film configuration of about 50 layers in which TiO 2 films and SiO 2 films are alternately arranged on the light receiving surface of the light detection unit 30 as shown in FIG. The optical bandpass characteristic at that time is as shown in FIG. In general, an optical multilayer film such as a filter is formed by alternately laminating a film made of a high refractive index material and a film made of a low refractive index material. As a high refractive index material that satisfies the above required characteristics, TiO 2 having the highest refractive index is often used as an oxide. Further, as a low refractive index material, SiO 2 is generally used. The refractive index of TiO 2 is 2.52, the refractive index of SiO 2 is 1.45, and the refractive index of TiO 2 is 1.73 times that of SiO 2 .

上記の光バンドパスフィルター９０において、ＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に積層した光学積層膜を使用することで、光散乱が小さく、透過損失が少ない光学多層膜及びその製造方法が可能であり、素子上への作成が実施しやすい。また、積層する膜の層数は、要求される光学特性により適宜選択されるものであるが、例えば、３０〜５０層の範囲とするとのが一般的である。上記高屈折率の薄膜層形成材料としては、ＺｎＳ、ＣｅＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2等がありそれぞれ屈折率は、２．２、２．２、２．０８、２．２となる。上記低屈折率の薄膜層形成材料としては、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＢａＦ2、ＬｉＦ、ＮａＦ等があげられ、それぞれ屈折率は、１．４５、１．３８、１．４３、１．４６、１．３９、１．６３となる。例えば、Ｔａ2Ｏ5とＮａＦの組み合わせにおける屈折率の比は、１．２７となる。 In the optical bandpass filter 90 described above, an optical multilayer film in which TiO 2 films and SiO 2 films are alternately laminated is used, so that an optical multilayer film with small light scattering and low transmission loss and a method for manufacturing the same can be obtained. Yes, it is easy to create on the device. The number of layers to be laminated is appropriately selected depending on the required optical characteristics, but is generally in the range of 30 to 50 layers, for example. Examples of the high refractive index thin film layer forming material include ZnS, CeO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 and the like, and the refractive indexes are 2.2, 2.2, 2.08, and 2.2, respectively. Examples of the low refractive index thin film layer forming material include SiO 2 , MgF 2 , CaF 2 , BaF 2 , LiF, and NaF, and the refractive indexes are 1.45, 1.38, 1.43, 1 and 1, respectively. .46, 1.39, 1.63. For example, the refractive index ratio in the combination of Ta 2 O 5 and NaF is 1.27.

マルチモードレーザーとは、図７に示すように、レーザーが多モード発振状態のもので、縦モード（波長方向）に複数のスペクトルが立っている状態を示す。
レーザーの周波数応答速度を上げるためには、ＶＣＳＥＬの周波数応答速度を上げるためには、素子抵抗と寄生容量を低減する必要があり、ＶＣＳＥＬの構造上、電流狭窄径を広げる必要がある。結果として、レーザー発振モードの増大につながり、多モード発振を引き起こす。縦モードの間隔として、図７のようにおおよそ１ｎｍ程度である。 As shown in FIG. 7, the multimode laser is a laser in a multimode oscillation state and shows a state in which a plurality of spectra stands in the longitudinal mode (wavelength direction).
In order to increase the frequency response speed of the laser, in order to increase the frequency response speed of the VCSEL, it is necessary to reduce the element resistance and the parasitic capacitance, and it is necessary to increase the current confinement diameter due to the structure of the VCSEL. As a result, the laser oscillation mode is increased and multimode oscillation is caused. The interval between the longitudinal modes is about 1 nm as shown in FIG.

以上述べたように、本実施形態に係わる原子発振器１００によれば、少ないマイクロ波パワーの設定においてもレーザーのメインバンドを低減させることができる。同時に、レーザーのマルチモード化に伴う不要モード（１ｎｍ間隔）も光バンドパスフィルター９０にて、除去できる。従来技術のレーザーのスペクトルは図１０のように、共鳴を起こさせないメインバンド成分が大きく、ノイズ増大につながる。一方、本発明のレーザースペクトルは、図３のような結果となり、共鳴を起こさないメインバンド成分が抑えられ、ノイズ成分を改善することができる。
結果、ＳＮの向上が図れ、結果原子発振器１００の安定度の特性が向上する。 As described above, according to the atomic oscillator 100 according to the present embodiment, the main band of the laser can be reduced even with a small microwave power setting. At the same time, unnecessary modes (1 nm intervals) associated with the laser multi-mode can be removed by the optical bandpass filter 90. As shown in FIG. 10, the laser spectrum of the prior art has a large main band component that does not cause resonance, leading to an increase in noise. On the other hand, the laser spectrum of the present invention has a result as shown in FIG. 3, and the main band component that does not cause resonance is suppressed, and the noise component can be improved.
As a result, the SN can be improved, and as a result, the stability characteristic of the atomic oscillator 100 is improved.

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be added to the above-described embodiment. A modification will be described below.

（変形例１）
次に、本発明の量子干渉装置の変形例１について説明する。本発明の変形例１にかかる量子干渉装置は、多層膜光バンドパスフィルター９０の構成が異なる以外は、前述した実施形態１と同様である。図６は、変形例１として光学薄膜フィルター（バンドパスフィルター９０）を光検出部３０の受光面ではなく、ガラスセル部２０の表面に蒸着した例である。光バンドパス特性は、実施形態１と同様に図４のような振る舞いを示す。 (Modification 1)
Next, Modification 1 of the quantum interference device of the present invention will be described. The quantum interference device according to the first modification of the present invention is the same as that of the first embodiment described above except that the configuration of the multilayer optical bandpass filter 90 is different. FIG. 6 shows an example in which an optical thin film filter (bandpass filter 90) is vapor-deposited on the surface of the glass cell unit 20 instead of the light receiving surface of the photodetection unit 30 as a first modification. The optical bandpass characteristic shows the behavior as shown in FIG.

以上述べたように、本変形例１に係る原子発振器１００によれば、実施形態１と同様な効果を得ることができる。   As described above, according to the atomic oscillator 100 according to the first modification, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

１０…レーザー部（ＶＣＳＥＬ）、２０…ガラスセル部、３０…光検出部、４０…受信増幅器部、５０…周波数制御回路、６０…水晶発振器、７０…マイクロ波部、８０…波長制御回路、９０…光バンドパスフィルター。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Laser part (VCSEL), 20 ... Glass cell part, 30 ... Photodetection part, 40 ... Reception amplifier part, 50 ... Frequency control circuit, 60 ... Crystal oscillator, 70 ... Microwave part, 80 ... Wavelength control circuit, 90 ... light bandpass filter.

Claims (7)

金属原子と、
電磁誘起透過現象を発生させるために、周波数の異なる２つの光を前記金属原子に照射する多モード発振レーザーと
前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、
前記多モード発振レーザーと前記光検出部との間に多層膜の光バンドパスフィルターと、を備えていることを特徴とする量子干渉装置。 Metal atoms,
In order to generate an electromagnetically induced transmission phenomenon, a multimode oscillation laser that irradiates the metal atoms with two lights having different frequencies, and a light detection unit that detects the light that has passed through the metal atoms,
A quantum interference device comprising: a multilayer optical bandpass filter between the multimode oscillation laser and the light detection unit. 前記多モード発振レーザーが、面発光型のマルチモードレーザーであることを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。   The quantum interference device according to claim 1, wherein the multimode oscillation laser is a surface-emitting type multimode laser. 前記多層膜の光バンドパスフィルターが、前記光検出部の入力部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子干渉装置。   3. The quantum interference device according to claim 1, wherein the multilayer optical bandpass filter is disposed in an input unit of the light detection unit. 4. 前記バンドパスフィルターが、前記金属原子を封入している容器の光透過面に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子干渉装置。   The quantum interference device according to claim 1, wherein the band-pass filter is disposed on a light transmission surface of a container enclosing the metal atoms. 前記バンドパスフィルターが、第１の膜と、屈折率が前記第１の膜の１．２７倍以上である第２の膜とが交互に積層されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の量子干渉装置。   5. The band-pass filter, wherein the first film and the second film whose refractive index is 1.27 times or more that of the first film are alternately stacked. The quantum interference device according to any one of the above. 前記第１の膜がＳｉＯ2であり、前記第２の膜がＴｉＯ2であることを特徴とする請求項５に記載の量子干渉装置。 The quantum interference device according to claim 5, wherein the first film is made of SiO 2 and the second film is made of TiO 2 . 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。   An atomic oscillator comprising the quantum interference device according to claim 1.
JP2013027612A 2013-02-15 2013-02-15 Quantum interference device and atomic oscillator Expired - Fee Related JP6028922B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013027612A JP6028922B2 (en) 2013-02-15 2013-02-15 Quantum interference device and atomic oscillator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013027612A JP6028922B2 (en) 2013-02-15 2013-02-15 Quantum interference device and atomic oscillator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014157915A true JP2014157915A (en) 2014-08-28
JP6028922B2 JP6028922B2 (en) 2016-11-24

Family

ID=51578626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013027612A Expired - Fee Related JP6028922B2 (en) 2013-02-15 2013-02-15 Quantum interference device and atomic oscillator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6028922B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017152514A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 セイコーエプソン株式会社 Quantum interference device, atomic oscillator, electronic equipment, and mobile body

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009140984A (en) * 2007-12-04 2009-06-25 Epson Toyocom Corp Atomic oscillator
JP2011160251A (en) * 2010-02-02 2011-08-18 Seiko Epson Corp Atomic oscillator
JP2011526744A (en) * 2008-02-07 2011-10-13 ガン，ラハブ Devices, systems, and methods for frequency generation using atomic resonators
JP2012191119A (en) * 2011-03-14 2012-10-04 Seiko Epson Corp Optical module for atomic oscillator, and atomic oscillator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009140984A (en) * 2007-12-04 2009-06-25 Epson Toyocom Corp Atomic oscillator
JP2011526744A (en) * 2008-02-07 2011-10-13 ガン，ラハブ Devices, systems, and methods for frequency generation using atomic resonators
JP2011160251A (en) * 2010-02-02 2011-08-18 Seiko Epson Corp Atomic oscillator
JP2012191119A (en) * 2011-03-14 2012-10-04 Seiko Epson Corp Optical module for atomic oscillator, and atomic oscillator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017152514A (en) * 2016-02-24 2017-08-31 セイコーエプソン株式会社 Quantum interference device, atomic oscillator, electronic equipment, and mobile body
US10348317B2 (en) * 2016-02-24 2019-07-09 Seiko Epson Corporation Quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus, and moving object

Also Published As

Publication number Publication date
JP6028922B2 (en) 2016-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5375279B2 (en) Atomic oscillator
JP6291768B2 (en) Atomic resonance transition device, atomic oscillator, electronic device, and moving object
US20110260801A1 (en) Physical section of atomic oscillator
EP2501044B1 (en) Optical module for atomic oscillator and atomic oscillator
JP5910808B2 (en) Optical module and atomic oscillator for an atomic oscillator
JP6741072B2 (en) Atomic oscillator and electronic equipment
JP5910807B2 (en) Optical module and atomic oscillator for an atomic oscillator
CA2792032A1 (en) Method and apparatus for the photo-acoustic identification and quantification of analyte species in a gaseous or liquid medium
JP5724492B2 (en) Atomic oscillator
JP6476751B2 (en) Atomic cell manufacturing method, atomic cell, quantum interference device, atomic oscillator, and electronic device
JP6484922B2 (en) Atomic cell, quantum interference device, atomic oscillator and electronic equipment
JP6696589B2 (en) Atomic oscillator and electronic equipment
JP6160021B2 (en) Atomic oscillator
US20150116046A1 (en) Optical module and atomic oscillator
JP6028922B2 (en) Quantum interference device and atomic oscillator
JP2018132348A (en) Gas cell, magnetic measuring device, and atomic oscillator
JP2015228461A (en) Atomic resonance transition device, atomic oscillator, electronic apparatus, and movable body
CN102736510A (en) Wristwatch with atomic oscillator
JP2009194418A (en) Atomic oscillator
US20230030450A1 (en) Quantum interference apparatus, atomic oscillator, and control method
JP6264876B2 (en) Quantum interference devices, atomic oscillators, and electronic equipment
US9454135B2 (en) Manufactureable long cell with enhanced sensitivity and good mechanical strength
JP2017011680A (en) Atomic oscillator
JP5181815B2 (en) Optical system and atomic oscillator
JP2010109411A (en) Atomic oscillator

Legal Events

Date Code Title Description
RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20150109

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160122

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20160609

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20160623

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160818

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160921

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161004

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6028922

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees