JP6939344B2 - 原子発振器およびシステム - Google Patents
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Description
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異なる2種類の波長(周波数)を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過現象(EIT現象:Electromagnetically Induced Transparency)を利用した発振器である。
本適用例に係る原子発振器は、容器に収容された半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、前記容器に収容された温度センサーと、前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温
度制御素子と、を含み、前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい。
本適用例に係る原子発振器において、前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーに電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、前記検出信号に基づいて前記第2温度制御素子に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、を含んでいてもよい。
本適用例に係る原子発振器において、前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子に搭載され、前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子に搭載されてもよい。
本適用例に係る原子発振器において、前記第1温度制御素子は、ペルチェ素子であり、前記第2温度制御素子は、ヒーターであってもよい。
本適用例に係る原子発振器において、前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子の温度制御面に配置され、前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子の前記温度制御面側の面とは反対側の面に配置されてもよい。
本適用例に係る原子発振器において、前記第2温度制御素子の熱容量は、前記第1温度制御素子の熱容量よりも小さくてもよい。
本適用例に係るシステムは、原子発振器を含むシステムであって、前記原子発振器は、容器に収容された半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、前記容器に収容された温度センサーと、前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、を含み、前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さい。
1.1. 原子発振器の構成
まず、本実施形態に係る原子発振器の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る原子発振器100の機能ブロック図である。図2は、本実施形態に係る原子発振器100の原子セル30内におけるアルカリ金属原子のエネルギー状態を説明するための図である。図3は、本実施形態に係る原子発振器100において、半導体レーザー102から出射される2つの光の周波数差と、受光素子40で検出される検出強度と、の関係を示すグラフである。
した原子発振器100は、二重共鳴効果を利用した原子発振器に比べて、小型化を図ることができる。
発光素子モジュール10は、原子セル30中のアルカリ金属原子を励起する励起光Lを出射する。具体的には、発光素子モジュール10は、励起光Lとして、上述したような周波数の異なる2種の光(第1の共鳴光L1および第2の共鳴光L2)を出射する。
ジュール10の詳細については後述する。
光学部品20,22,24,26は、発光素子モジュール10と原子セル30との間における励起光Lの光路上に設けられている。図1に示す例では、発光素子モジュール10側から原子セル30側へ、第1光学部品20、第2光学部品22、第3光学部品24、第4光学部品26の順に配置されている。
原子セル30には、ガス状のアルカリ金属原子が収容されている。原子セル30には、発光素子モジュール10の半導体レーザー102から出射された励起光Lが、光学部品20,22,24,26を介して照射される。なお、原子セル30内に収容されているアルカリ金属原子は、一部が気体状(ガス状)で存在し、残部が余剰分として液体状または固体状で存在していてもよい。また、原子セル30には、必要に応じて、アルゴンやネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてガス状のアルカリ金属原子とともに収容されていてもよい。
受光素子40は、原子セル30を透過した励起光L(第1の共鳴光L1および第2の共鳴光L2)の強度を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。受光素子40として
は、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどを用いることができる。
ヒーター50は、原子セル30(より具体的には原子セル30に収容されたアルカリ金属原子)を加熱する。これにより、原子セル30内のアルカリ金属原子を適切な濃度のガス状に維持することができる。ヒーター50は、通電(直流)により発熱するものであり、例えば、発熱抵抗体を含んで構成されている。
温度センサー60は、ヒーター50または原子セル30の温度を検出する。温度センサー60の検出結果に基づいて、ヒーター50の発熱量が制御される。これにより、原子セル30内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。温度センサー60の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター50上であってもよいし、原子セル30の外表面上であってもよい。温度センサー60としては、例えば、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサーを用いることができる。
コイル70は、原子セル30内のアルカリ金属原子の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン***させる磁場を発生させる。コイル70は、ゼーマン***により、アルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器100の発振周波数の精度を高めることができる。
制御部80は、発光素子モジュール10、ヒーター50、およびコイル70を制御する。制御部80は、温度センサー108の出力に基づいて第1温度制御素子104を制御する温度制御回路802と、半導体レーザー102の発振波長(励起光Lの中心波長)を制御する波長制御回路804と、半導体レーザー102の光出力を制御する光出力制御回路806と、半導体レーザー102に入力される高周波信号を制御する高周波制御回路808と、を有している。さらに、制御部80は、原子セル30に収容されたアルカリ金属原子の温度を制御する温度制御回路810と、コイル70が発生させる磁場を制御する磁場制御回路812と、を有している。
の通電を制御する。
次に、発光素子モジュール10の構成について、図面を参照しながら説明する。図4は、発光素子モジュール10を模式的に示す斜視図である。図5は、発光素子モジュール10を模式的に示す平面図である。図6は、発光素子モジュール10を模式的に示す断面図である。なお、図6は、図5のVI−VI線断面図である。図1および図2では、便宜上、リッド101bを透視して図示している。
ド101bから遠い側の面、に設けられた不図示の外部実装電極に電気的に接続されている。
を半導体レーザー102に短時間で伝えることができる。さらに、第2温度制御素子106は、第1温度制御素子104に比べて、半導体レーザー102の温度を局所的に制御することができる。よって、半導体レーザー102の温度を高速に制御できる。
まず、発光素子モジュール10の制御を行う温度制御回路802、波長制御回路804、光出力制御回路806、および高周波制御回路808について説明する。
体レーザー102の温度を制御することで制御される。
合わせる。その後、ループ動作に移行して、高周波制御回路808は、受光素子40が出力した検出信号を同期検波して、EIT信号を検出する。
、第1温度制御素子104のみで行うことも考えられる。しかしながら、半導体レーザー102の発振波長の制御には、高い制御応答性が要求される。第1温度制御素子104は、幅広い環境温度(例えば−10℃〜60℃の範囲)においても、半導体レーザー102を所望の温度に保つという役割があるため、比較的熱容量の大きい温度制御素子を用いることが好ましい。温度制御素子の制御応答性は、一般的に、熱容量が大きくなるほど悪化する。そのため、半導体レーザー102の温度制御を、第2温度制御素子106を用いずに、第1温度制御素子104のみで行うと、応答が遅いために適切なフィードバック制御が行えないおそれがある。
なお、本発明は上述した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。以下に説明する変形例において、上述した原子発振器100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本実施形態に係るシステムについて、図面を参照しながら説明する。本発明に係るシステムは、本発明に係る原子発振器を含む。なお、本明細書では、原子発振器を含む装置、および、当該装置と他の装置とを含むシステムのいずれもシステムと称する。以下では、本発明に係るシステムとして原子発振器100を含む測位システムについて説明する。図7は、本実施形態に係るシステムの一例として、GPS(Global Positioning System)衛星を利用した測位システム1000を説明するための図である。本実施形態では、基地局装置1020、または測位システム1000がシステムに相当する。
1030と、を含む。
次に、本実施形態に係る移動体について説明する。本発明に係る移動体は、本発明に係る原子発振器を含む。本発明に係る原子発振器を含む移動体は、自動車に限定されず、例えば、ジェット機やヘリコプターなどの航空機、船舶、ロケット、人工衛星などに適用することができる。
160…中継部材、802…温度制御回路、804…波長制御回路、806…光出力制御回路、808…高周波制御回路、810…温度制御回路、812…磁場制御回路、1000…測位システム、1010…GPS衛星、1020…基地局装置、1022…アンテナ、1024…受信装置、1026…アンテナ、1028…送信装置、1030…GPS受信装置、1032…アンテナ、1034…衛星受信部、1036…アンテナ、1038…基地局受信部、2000…クロック伝送システム、2001…クロック供給装置、2002…SDH装置、2003…クロック供給装置、2004…SDH装置、2005…クロック供給装置、2006…SDH装置、2007…SDH装置、2008…マスタークロック、2009…マスタークロック
Claims (7)
- 容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子に搭載され、
前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子に搭載される、原子発振器。 - 容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第1温度制御素子は、ペルチェ素子であり、
前記第2温度制御素子は、ヒーターであり、
前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子の温度制御面に配置され、
前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子の前記温度制御面側の面とは反対側の面に配置されている、原子発振器。 - 容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第2温度制御素子の熱容量は、前記第1温度制御素子の熱容量よりも小さい、原子発振器。 - 請求項1ないし3のいずれか1項において、
前記検出信号に基づいて前記半導体レーザーに電流を供給することによって、前記半導体レーザーの光出力を制御する光出力制御回路と、
前記検出信号に基づいて前記第2温度制御素子に電流を供給することによって、前記半導体レーザーの発振波長を制御する波長制御回路と、
を含む、原子発振器。 - 原子発振器を含むシステムであって、
前記原子発振器は、
容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子に搭載され、
前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子に搭載される、システム。 - 原子発振器を含むシステムであって、
前記原子発振器は、
容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第1温度制御素子は、ペルチェ素子であり、
前記第2温度制御素子は、ヒーターであり、
前記第2温度制御素子は、前記第1温度制御素子の温度制御面に配置され、
前記半導体レーザーは、前記第2温度制御素子の前記温度制御面側の面とは反対側の面に配置されている、システム。 - 原子発振器を含むシステムであって、
前記原子発振器は、
容器に収容された半導体レーザーと、
前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
前記容器に収容された温度センサーと、
前記容器に収容され、前記温度センサーの出力に基づいて制御される第1温度制御素子と、
前記容器に収容され、前記検出信号に基づいて制御される第2温度制御素子と、
を含み、
前記第2温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離は、前記第1温度制御素子と前記半導体レーザーとの間の距離よりも小さく、
前記第2温度制御素子の熱容量は、前記第1温度制御素子の熱容量よりも小さい、システム。
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