JP5923990B2

JP5923990B2 - 原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器

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Publication number: JP5923990B2
Application number: JP2012005953A
Authority: JP
Inventors: 祐司倉知
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: JP2013145822A

Description

本発明は、原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器に関する。

近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案され、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる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現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。

原子発振器は、高精度な発振器として、通信基地局などで広く用いられている。このような通信基地局などでは、高い信頼性が要求されるため、予備の原子発振器を複数備え、故障した場合には、すぐに代替機に切り換えるシステムが組まれている。

しかしながら、上記のような代替機に切り換えるシステムでは、原子発振器を構成する部材の一部が故障したとしても、原子発振器全体を交換する必要があり、交換コストがかかるという問題がある。

例えば、特許文献１に開示された原子発振器用の光学モジュールでは、ガスセルとヒーターとを一体に構成したガスセルコンポーネントを挿抜可能とするホルダーを備えることにより、ガスセルの交換を可能にして、交換コストを低減している。

特開２００９−２３１６８８号公報

しかしながら、特許文献１の原子発振器用の光学モジュールでは、光源が故障した場合には、対応できないという問題がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、交換コストの低減が可能な原子発振器用の光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記原子発振器用の光学モジュールを有する原子発振器を提供することにある。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
所定の位置で駆動信号が供給されることによって、異なる２つの波長を有する共鳴光を出射する第１発光素子と、
前記所定の位置で前記駆動信号が供給されることによって、前記共鳴光を出射する第２発光素子と、
前記第１発光素子が故障しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって前記第１発光素子が故障していると判定された場合に、前記所定の位置に位置する前記第１発光素子を移動させて、前記第２発光素子を前記所定の位置に移動させる位置変更部と、
前記共鳴光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記共鳴光の強度を検出する光検出部と、
を含む。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、第１発光素子が故障していると判定された場合に、第２発光素子がガスセルに共鳴光を照射することができる。したがって、第１発光素子が故障しても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、交換コストを低減することができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１発光素子および前記第２発光素子は、所定の軸のまわりを移動してもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、例えば第１発光素子および第２発光素子が直線的に移動する場合と比べて、装置の小型化を図ることができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１発光素子および前記第２発光素子を保持する基板を含み、
前記位置変更部は、前記基板を前記所定の軸まわりに回転させて前記第１発光素子および前記第２発光素子を移動させてもよい。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記所定の位置に位置する前記第１発光素子の電極または前記所定の位置に位置する前記第２発光素子の電極に接続する端子を含み、
前記駆動信号は、前記端子を介して供給されてもよい。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールによれば、第１発光素子から第２発光素子に切り換えるための回路等を用いることなく、第１発光素子から第２発光素子に切り換えることができる。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記第１発光素子が載置された第１ステムと、
前記第２発光素子が載置された第２ステムと、
前記第１ステムおよび前記第２ステムを保持する第１基板と、
前記所定の軸のまわりに設けられた溝部を有する第２基板と、
を含み、
前記第１ステムおよび前記第２ステムは、前記溝部に挿入される導通部を有し、
前記溝部には、前記所定の位置に位置する前記第１発光素子の電極または前記所定の位置に位置する前記第２発光素子の電極に、前記導通部を介して接続する端子が設けられ、
前記駆動信号は、前記端子を介して供給され、
前記位置変更部は、前記第１基板を前記所定の軸まわりに回転させて前記第１発光素子および前記第２発光素子を移動させてもよい。

本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記判定部は、前記光検出部で検出された前記共鳴光の強度に基づいて、判定を行ってもよい。

このような原子発振器用の光学モジュールによれば、故障を判定するための付加構成を設けずに、簡易な構成により、第１発光素子が故障しているか否かを判定することができる。

本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含む。

このような原子発振器によれば、本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含むため、交換コストを低減することができる。

第１実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を示す図、図２（Ｂ）は発光素子で発生する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。第１実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。第１実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す平面図。第１実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す平面図。第２実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す平面図。第２実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す断面図。第２実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す平面図。第２実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す断面図。第３実施形態に係る原子発振器の光源を模式的に示す断面図。

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。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器１００の機能ブロック図である。

原子発振器１００は、量子干渉効果（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。原子発振器１００は、光学モジュール１と、制御部１０１と、を含んで構成されている。

光学モジュール１は、光源部２と、ガスセル４と、光検出部６と、を含んで構成されている。

光源部２は、第１発光素子１０と、第２発光素子２０と、第３発光素子３０と、第４発光素子４０と、判定部５０と、位置変更部６０と、を含んで構成されている。

発光素子１０，２０，３０，４０は、所定の位置（例えば第１位置Ｐ１、図４参照、以下「出射位置」ともいう）で駆動信号が供給されることによって、共鳴光Ｌを出射することができる。光源部２は、例えば、出射位置に位置する発光素子１０，２０，３０，４０に駆動信号を供給するための端子を有している。判定部５０によって第１発光素子１０が故障していると判定されると、位置変更部６０は、出射位置に位置している第１発光素子１０を移動させて、第２発光素子２０を出射位置に移動させる。これにより、第２発光素子２０が共鳴光Ｌを出射する。すなわち、第１発光素子１０が故障している判定されると、第２発光素子２０が共鳴光Ｌを出射する。

ガスセル４は、出射位置に位置する発光素子１０，２０，３０，４０が出射した共鳴光Ｌが照射される位置に配置される。また、光検出部６は、ガスセル４に照射されて透過した上述の共鳴光Ｌを受光する位置に配置される。

さらに、光源部２では、判定部５０によって第２発光素子２０が故障している判定されると、位置変更部６０が、出射位置に位置している第２発光素子２０を移動させて、第３発光素子３０を出射位置に移動させる。これにより、第３発光素子３０が共鳴光Ｌを出射する。すなわち、第２発光素子２０が故障している判定されると、第３発光素子３０が共鳴光Ｌを出射する。同様に、光源部２では、第３発光素子３０が故障していると判定されると、第４発光素子４０が共鳴光Ｌを出射する。

発光素子１０，２０，３０，４０において発生する共鳴光Ｌは、中心周波数ｆ_０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ_０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２と、を含む（図２参照）。

判定部５０は、光検出部６で検出された共鳴光Ｌの強度に基づいて、発光素子１０，２０，３０が故障しているか否かの判定を行う。例えば、第１発光素子１０が共鳴光Ｌを出射する場合、判定部５０は、第１発光素子１０から出射され、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度に基づいて、第１発光素子１０が故障しているか否かの判定を行う。判定部５０は、例えば、共鳴光Ｌの強度が所定の閾値よりも小さい場合、第１発光素子１０が故障したと判定する。また、判定部５０は、例えば、共鳴光Ｌの強度が所定の閾値以上の場合、第１発光素子１０が故障していないと判定する。判定部５０は、第１発光素子１０が故障していないと判定した場合、引き続き、第１発光素子１０から出射され、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度に基づいて、判定を行う。

なお、判定部５０は、発光素子２０，３０についても、上述した第１発光素子１０の場合と同様の処理を行い、各発光素子２０，３０が故障しているか否かの判定を行う。

なお、上述の通り、発光素子１０が故障しているか否かの判定とは、発光素子１０が所定の強度以上の共鳴光Ｌを出射しているか否かの判定である。換言すれば、所定の強度以上の共鳴光Ｌを出射できなくなった発光素子１０は、故障と判定される。上述の例では、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度を光検出部６で検出して判定を行なっているが、光検出部６と別に設けた光検出器によってガスセル４に入射する前の共鳴光Ｌを検出して判定しても良い。また、発光素子１０の異常を検知できれば、共鳴光Ｌの強度を検出する以外の方法を用いて故障の判定を行なっても良い。例えば、発光素子１０にかかる電流値や電圧値の異常を検知することで、故障を判定することができる。

位置変更部６０は、判定部５０によって第１発光素子１０が故障していると判定された場合に、出射位置に位置する第１発光素子１０を移動させて、第２発光素子２０を出射位置に移動させる。また、位置変更部６０は、判定部５０によって第２発光素子２０が故障していると判定された場合に、出射位置に位置する第２発光素子２０を移動させて、第３発光素子３０を出射位置に移動させることができる。また、位置変更部６０は、判定部５０によって第３発光素子３０が故障していると判定された場合に、出射位置に位置する第３発光素子３０を移動させて、第４発光素子４０を出射位置に移動させることができる。

ガスセル４には、共鳴光Ｌが照射される。ガスセル４は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。

光検出部６は、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度を検出する。

制御部１０１は、光検出部６の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル４に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。制御部１０１は、光検出部６の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、出射位置に位置する発光素子１０，２０，３０，４０に供給される。

例えば、第１発光素子１０から出射された共鳴光Ｌが、ガスセル４を透過して光検出部６で検出されると、制御部１０１は、この光検出部６の検出結果に基づいて、変調周波数ｆ_ｍを含む駆動信号を発生させる。そして、この駆動信号は、第１発光素子１０に供給される。第１発光素子１０は、駆動信号に基づいて所定の周波数ｆ_０を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍを有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。制御部１０１は、発光素子２０，３０，４０についても、上述した第１発光素子１０の場合と同様の処理を行う。

図２（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。

発光素子１０，２０，３０，４０において発生する共鳴光Ｌは、図２（Ｂ）に示す、中心周波数ｆ_０（＝ｖ／λ_０：ｖは光の速度、λ_０はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ_０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ_０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ_１は、ｆ_１＝ｆ_０＋ｆ_ｍであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ_２は、ｆ_２＝ｆ_０−ｆ_ｍである。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ_１と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ_２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ_１を有する第１側帯波Ｗ１と周波数ｆ_２を有する第２側帯波Ｗ２によってＥＩＴ現象を起こす。

ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位ＧＬ１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ_１）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位ＧＬ２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ_２）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ_１−ｆ_２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ_１−ｆ_２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。

以下、第１実施形態に係る原子発振器のより具体的な構成について説明する。

図３は、第１実施形態に係る原子発振器１００の構成を示す図である。

原子発振器１００は、図３に示すように、発光素子１０，２０，３０，４０と、判定回路１５０と、位置変更装置１６０と、ガスセル４と、光検出器１０６と、第１検波回路１７０と、第１低周波発振器１７２と、電流駆動回路１７４と、第２検波回路１８０と、第２低周波発振器１８２と、検波用変調回路１８４と、変調周波数発生回路１８６と、を含んで構成されている。

発光素子１０，２０，３０，４０は、駆動信号が供給させることによって、共鳴光Ｌを出射することができる。駆動信号は、電流駆動回路１７４が出力する駆動電流、および、変調周波数発生回路１８６の出力信号（変調信号）を含む。駆動信号は、発光素子１０，２０，３０，４０のうち出射位置に位置する発光素子に供給される。

発光素子１０，２０，３０，４０が出射するレーザー光は、電流駆動回路１７４が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が制御され、変調周波数発生回路１８６の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１７４による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、発光素子１０，２０，３０，４０が出射するレーザー光に変調をかけることができる。これにより、発光素子１０，２０，３０，４０は、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２を含む共鳴光Ｌを出射することができる。

ガスセル４は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。このガスセル４に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。

光検出器１０６は、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度を検出する。光検出器１０６は、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌを検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。

第１検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第１低周波発振器１７２の発振信号を用いて、光検出器１０６の出力信号を同期検波する。

電流駆動回路１７４は、第１検波回路１７０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して、レーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）を制御する。なお、第１検波回路１７０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１７４により発生する駆動電流には第１低周波発振器１７２の発振信号（第１検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）が重畳される。

出射位置に位置する発光素子、ガスセル４、光検出器１０６、第１検波回路１７０、および電流駆動回路１７４を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ_０（中心波長λ_０）が微調整されて安定する。

第２検波回路１８０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第２低周波発振器１８２の発振信号を用いて光検出器１０６の出力信号を同期検波する。

変調周波数発生回路１８６は、第２検波回路１８０の出力信号の電圧に応じた変調周波数ｆ_ｍを有する変調信号を発生させる。

この変調信号は、検波用変調回路１８４によって、第２低周波発振器１８２の発振信号（第２検波回路１８０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、出射位置に位置する発光素子に供給される。これにより、変調周波数ｆ_ｍをわずかにスイープさせながら第２検波回路１８０による同期検波が行われ、光検出器１０６の出力信号が最大になるように変調周波数ｆ_ｍが微調整される。

原子発振器１００において、共鳴光Ｌの第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数差がガスセル４に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて光検出器１０６の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、第１位置Ｐ１に位置する発光素子、ガスセル４、光検出器１０６、第２検波回路１８０、変調周波数発生回路１８６、検波用変調回路１８４、を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数は極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１００の出力信号（クロック出力）とすることができる。

判定回路１５０は、変調周波数発生回路１８６の出力信号（変調周波数ｆ_ｍ）に基づいて、出射位置に位置している発光素子が故障しているか否かの判定を行う。例えば、第１発光素子１０が出射位置に位置している場合、判定回路１５０は、変調周波数発生回路１８６が発生させる変調周波数ｆ_ｍが、所定の範囲からはずれた場合に、第１発光素子１０が故障していると判定する。所定の範囲は、例えば、上述したフィードバック制御が良好に行われている場合において、変調周波数ｆ_ｍが変動する範囲である。すなわち、変調周波数ｆ_ｍが所定の範囲からはずれた場合とは、上述したフィードバック制御が破綻した場合と言い換えることができる。第１発光素子１０が故障して、共鳴光Ｌの強度が低下した場合、もしくは共鳴光Ｌが出射されない場合、上述したフィードバック制御では制御することができずに、変調周波数ｆ_ｍが所定の範囲からはずれてしまう。そのため、判定回路１５０は、変調周波数発生回路１８６の出力信号（変調周波数ｆ_ｍ）から、第１発光素子１０が故障しているか否かの判定を行うことができる。なお、判定回路１５０は、その他の発光素子２０，３０が故障しているか否かを判定する場合についても、上述した発光素子１０の場合と同様の処理を行う。なお、半導体レーザーが故障しているか否かの判定方法は、上述した例に限定されない。

判定回路１５０は、発光素子１０，２０，３０が故障していると判定した場合、判定信号を出力する。この判定信号は、位置変更装置１６０に入力される。

位置変更装置１６０は、第１発光素子１０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、出射位置に位置する第１発光素子１０を移動させて、第２発光素子２０を出射位置に移動させる。また、位置変更装置１６０は、第２発光素子２０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、出射位置に位置する第２発光素子２０を移動させて、第３発光素子３０を出射位置に移動させる。また、位置変更装置１６０は、第３発光素子３０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、出射位置に位置する第３発光素子３０を移動させて、第４発光素子４０を出射位置に移動させる。

ここで、光源１０２の構成についてより具体的に説明する。

図４は、光源１０２を模式的に示す平面図である。なお、図４では、判定回路１５０および位置変更装置１６０の図示を省略している。

発光素子１０，２０，３０，４０は、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。面発光型半導体レーザーにおいて発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。第１発光素子１０は、第１電極１２と、第２電極１４と、を有している。第１電極１２および第２電極１４に駆動信号が供給されると、第１発光素子１０は、発光点１６から共鳴光Ｌを出射する。駆動信号は、端子６２，６４を介して供給される。また、第２発光素子２０は、第１発光素子１０と同様に、第１電極２２、第２電極２４と、を有し、電極２２，２４に駆動信号が供給されると発光点２６から共鳴光Ｌを出射する。同様に、第３発光素子３０は、第１電極３２、第２電極３４と、を有し、電極３２，３４に駆動信号が供給されると発光点３６から共鳴光Ｌを出射する。同様に、第４発光素子４０は、第１電極４２、第２電極４４と、を有し、電極４２，４４に駆動信号が供給されると発光点４６から共鳴光Ｌを出射する。なお、発光素子１０，２０，３０，４０は、端面発光型レーザーであってもよい。

発光素子１０，２０，３０，４０は、基板７１上に載置されている。発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａの周囲に反時計回りにこの順で配置されている。ここで、軸Ａは、例えば、基板７１の中心を通る軸である。軸Ａは、発光素子１０，２０，３０，４０が載置された基板７１の上面に対して垂直である。図示の例では、軸Ａは、基板７１の貫通孔７１ａ内を通っている。図４の例では、第１発光素子１０が第１位置Ｐ１に位置し、第２発光素子２０が第２位置Ｐ２に位置し、第３発光素子３０が第３位置Ｐ３に位置し、第４発光素子４０が第４位置Ｐ４に位置している。なお、位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、軸Ａの周囲の任意の位置であり、図示の例では、軸Ａを中心とした仮想円上の位置である。すなわち、発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａ方向からみた平面視において軸Ａを中心とする仮想円（図示せず）に沿って配置されている。さらに詳述すると、発光素子１０，２０，３０，４０の各発光点１６，２６，３６，４６が、軸Ａ方向から見た平面視において、上述の軸Ａを中心とする仮想円に沿って配置されている。

光源１０２は、図４に示すように、さらに、ステム７０と、基板７１と、端子保持部７２，７４と、端子６２，６４と、を含んで構成されている。

ステム７０には、基板７１が設けられている。基板７１は、円盤状であり、その中心に貫通孔７１ａを有している。基板７１は、発光素子１０，２０，３０，４０を保持している。位置変更装置１６０の動作によって、基板７１は、軸Ａを回転軸として回転する。これにより、発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａのまわりを移動する。図示の例では、発光素子１０，２０，３０，４０は、基板７１が回転することによって、軸Ａを中心とする仮想円に沿って移動する。

ステム７０および基板７１は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂｅ、Ａｕや、これらの化合物（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯなど）や合金（例えばＣｕＭｏなど）などからなることができる。また、これらの例示を組み合わせたもの、例えば銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層の多層構造などから、ステム７０および基板７１を構成することもできる。さらに詳述すると、発光素子１０，２０，３０，４０の各発光点１６，２６，３６，４６が、軸Ａを中心とする仮想円に沿って移動する。

端子保持部７２は、第１端子６２を保持している。端子保持部７４は、第２端子６４を保持している。端子保持部７２，７４は、ステム７０上に設けられている。端子保持部７２は、図示の例では、貫通孔７１ａ内に設けられている。端子保持部７４は、軸Ａ方向からみた平面視において基板７１の外縁の外側に設けられている。端子保持部７２，７４は、例えば、端子６２，６４とステム７０との間の電気伝導を断つために絶縁材料で構成されている。

第１端子６２は、第１位置Ｐ１に位置する発光素子１０，２０，３０，４０の第１電極１２，２２，３２，４２に接続する。第２端子６４は、第１位置Ｐ１に位置する発光素子１０，２０，３０，４０の第２電極１４，２４，３４，４４に接続する。図示はしないが、端子６２，６４は、電流駆動回路１７４および検波用変調回路１８４（図３参照）に電気的に接続されている。駆動信号（電流駆動回路１７４の出力信号および検波用変調回路１８４の出力信号）は、端子６２，６４を介して、各発光素子１０，２０，３０，４０に供給される。すなわち、第１位置Ｐ１は、上述した出射位置に対応する。

次に、位置変更装置１６０の動作について説明する。

図５は、光源１０２を模式的に示す平面図であり、第１位置Ｐ１に第２発光素子２０が位置している状態を示す図である。

位置変更装置１６０は、第１発光素子１０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、第１位置Ｐ１に位置する第１発光素子１０を移動させて、第２発光素子２０を第１位置Ｐ１に移動させる。

具体的には、図４に示す第１位置Ｐ１に第１発光素子１０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第１発光素子１０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を回転させる。さらに詳述すると、位置変更装置１６０は、基板７１を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第１発光素子１０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第２発光素子２０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第３発光素子３０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第４発光素子４０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第２発光素子２０の第１電極２２が第１端子６２に接続され、第２電極２４が第２端子６４に接続され、第２発光素子２０に駆動信号が供給される。

また、図５に示す第１位置Ｐ１に第２発光素子２０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第２発光素子２０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第２発光素子２０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第３発光素子３０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第４発光素子４０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第１発光素子１０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第３発光素子３０の第１電極３２が第１端子６２に接続され、第２電極３４が第２端子６４に接続され、第３発光素子３０に駆動信号が供給される。

また、第１位置Ｐ１に第３発光素子３０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第３発光素子３０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第３発光素子３０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第４発光素子４０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第１発光素子１０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第２発光素子２０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第４発光素子４０の第１電極４２が第１端子６２に接続され、第２電極４４が第２端子６４に接続され、第４発光素子４０に駆動信号が供給される。

なお、光源１０２、判定回路１５０、位置変更装置１６０、光検出器１０６は、それぞれ図１に示す光源部２、判定部５０、位置変更部６０、光検出部６に対応する。また、第１検波回路１７０、第１低周波発振器１７２、電流駆動回路１７４、第２検波回路１８０、第２低周波発振器１８２、検波用変調回路１８４、変調周波数発生回路１８６で構成される回路は、図１に示す制御部１０１に対応する。

本実施形態に係る光学モジュール１および原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。

光学モジュール１によれば、判定部５０によって、第１発光素子１０が故障していると判定された場合に、第２発光素子２０がガスセル４に共鳴光Ｌを照射することができる。これにより、第１発光素子１０が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。さらに、光学モジュール１によれば、判定部５０によって、第２発光素子２０が故障していると判定された場合に、第３発光素子３０がガスセル４に共鳴光Ｌを照射することができる。さらに、光学モジュール１によれば、判定部５０によって、第３発光素子３０が故障していると判定された場合に、第４発光素子４０がガスセル４に共鳴光Ｌを照射することができる。これにより、発光素子２０，３０が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。さらに、光学モジュール１によれば、例えば、発光素子１０，２０，３０が故障したとしても、瞬時に復旧可能なシステムを組むことができる。

光学モジュール１では、発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａのまわりを移動する。本実施形態では、基板７１を回転させることによって、発光素子１０，２０，３０，４０が軸Ａのまわりを移動する。これにより、例えば、発光素子が直線的に移動する場合と比べて、装置の小型化を図ることができる。

光学モジュール１は、第１位置Ｐ１に位置する発光素子１０，２０，３０，４０の電極に接続する端子６２，６４を有している。これにより、例えば、発光素子を切り換えるための回路等を用いることなく、発光素子を切り換えることができる。したがって、装置の構成を簡略化することができる。

光学モジュール１では、判定部５０は、光検出部６で検出された共鳴光Ｌの強度に基づいて、発光素子１０，２０，３０が故障しているか否かの判定を行う。これにより、発光素子が故障しているか否かを判定するために必要な情報を、新たな部材を追加することなく得ることができるため、容易に発光素子が故障しているか否かを判定することができる。

原子発振器１００は、上述した光学モジュール１を含むため、交換コストを低減することができる。さらに、信頼性を高めることができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュールの光源２０２を模式的に示す平面図である。図７は、光源２０２を模式的に示す断面図である。なお、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。以下、第２実施形態に係る光源２０２において、第１実施形態に係る光源１０２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。

光源２０２は、発光素子１０，２０，３０，４０と、ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄと、第１基板２２０と、第２基板２３０と、端子２４２，２４４と、判定回路と、位置変更装置と、を含んで構成されている。なお、図６および図７では、判定回路１５０および位置変更装置１６０（図３参照）の図示を省略している。

第１ステム２１０ａには、第１発光素子１０が載置されている。第２ステム２１０ｂには、第２発光素子２０が載置されている。第３ステム２１０ｃには、第３発光素子３０が載置されている。第４ステム２１０ｄには、第４発光素子４０が載置されている。各ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄには、第１導通部２１２、および第２導通部２１４が設けられている。第１導通部２１２は、第１基板２２０を貫通して、第２基板２３０に形成された第１溝２３２に挿入されている。第２導通部２１４は、第１基板２２０を貫通して、第２基板２３０に形成された第２溝２３４に挿入されている。第１導通部２１２は、配線ワイヤー２１３を介して、発光素子１０，２０，３０，４０の第１電極１２，２２，３２，４２に接続されている。第２導通部２１４は、配線ワイヤー２１５を介して、発光素子１０，２０，３０，４０の第２電極１４，２４，３４，４４に接続されている。導通部２１２，２１４と、ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄとの間には、導通部２１２，２１４と、ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄとの間の電気伝導を断つための絶縁部材（図示せず）が設けられていてもよい。また、導通部２１２，２１４と、第１基板２２０との間には、導通部２１２，２１４と、第１基板２２０との間の電気伝導を断つための絶縁部材（図示せず）が設けられていてもよい。

第１基板２２０の形状は、円盤状である。第１基板２２０は、ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄを保持している。位置変更装置１６０の動作によって、第１基板２２０は、第１基板２２０の中心を通る軸Ａを回転軸として回転する。これにより、ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄと一緒に発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａのまわりを移動する。図示の例では、発光素子１０，２０，３０，４０は、第１基板２２０が回転することによって、軸Ａを中心とする仮想円にそって移動する。このとき、第２基板２３０は、回転しない。すなわち、第１基板２２０は、第２基板２３０と独立して回転する。

第２基板２３０は、板状の部材である。第２基板２３０の形状は、円盤状である。第２基板２３０の上面には、第１溝２３２と、第２溝２３４と、が設けられている。第１溝２３２および第２溝２３４は、軸Ａのまわりに設けられている。具体的には、第１溝２３２および第２溝２３４の形状は、図６に示すように、平面視において、軸Ａを中心とする円である。第１溝２３２の径は、第２溝２３４の径よりも小さい。すなわち、第１溝２３２と第２溝２３４は、平面視において同心円を形成している。

第１溝２３２には、第１端子２４２が設けられている。第２溝２３４には、第２端子２４４が設けられている。第１端子２４２は、第１位置Ｐ１に位置する発光素子１０，２０，３０，４０の第１電極１２，２２，３２，４２に導通部２１２および配線ワイヤー２１３を介して電気的に接続する。図示の例では、第１端子２４２は、第１発光素子１０の第１電極１２に導通部２１２および配線ワイヤー２１３を介して電気的に接続している。第２端子２４４は、第１位置Ｐ１に位置する発光素子１０，２０，３０，４０の第２電極１４，２４，３４，４４に導通部２１４および配線ワイヤー２１５を介して電気的に接続する。図示の例では、第２端子２４４は、第１発光素子１０の第２電極１４に導通部２１４および配線ワイヤー２１５を介して電気的に接続している。図示はしないが、端子２４２，２４４は、例えば、電流駆動回路１７４および検波用変調回路１８４（図３参照）に電気的に接続されている。駆動信号（電流駆動回路１７４の出力信号および検波用変調回路１８４の出力信号）は、端子２４２，２４４を介して、発光素子１０，２０，３０，４０に供給される。端子２４２，２４４と、第２基板２３０との間には、端子２４２，２４４と、第２基板２３０との間の電気伝導を断つための絶縁部材（図示せず）が設けられていてもよい。

ステム２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄおよび基板２２０，２３０は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂｅ、Ａｕや、これらの化合物（例えば、ＡｌＮ、ＢｅＯなど）や合金（例えばＣｕＭｏなど）などからなることができる。また、これらの例示を組み合わせたもの、例えば銅（Ｃｕ）層とモリブデン（Ｍｏ）層の多層構造などから、ステム２１ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄおよび基板２２０，２３０を構成することもできる。

次に、位置変更装置１６０の動作について説明する。

図８は、光源２０２を模式的に示す平面図であり、第１位置Ｐ１に第２発光素子２０が位置している状態を示す図である。図９は、光源２０２を模式的に示す断面図であり、図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。なお、図８および図９では、判定回路１５０および位置変更装置１６０（図３参照）の図示を省略している。

図６および図７に示す第１位置Ｐ１に第１発光素子１０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第１発光素子１０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、軸Ａを回転軸として第１基板２２０を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第１発光素子１０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第２発光素子２０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第３発光素子３０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第４発光素子４０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第２発光素子２０の第１電極２２が、配線ワイヤー２１３および導通部２１２を介して、第１端子２４２に接続される。また、第２発光素子２０の第２電極２４が、配線ワイヤー２１５および導通部２１４を介して、第２端子２４４に接続される。その結果、駆動信号が第２発光素子２０に供給される。

図８および図９に示す第１位置Ｐ１に第２発光素子２０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第２発光素子２０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、軸Ａを回転軸として第１基板２２０を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第２発光素子２０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第３発光素子３０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第４発光素子４０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第１発光素子１０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第３発光素子３０の第１電極３２が、配線ワイヤー２１３および導通部２１２を介して、第１端子２４２に接続される。また、第３発光素子３０の第２電極３４が、配線ワイヤー２１５および導通部２１４を介して、第２端子２４４に接続される。その結果、駆動信号が第３発光素子３０に供給される。

また、第１位置Ｐ１に第３発光素子３０が位置している状態において、位置変更装置１６０は、第３発光素子３０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、第１基板２２０を９０°回転させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第３発光素子３０が第４位置Ｐ４に移動し、第２位置Ｐ２に位置している第４発光素子４０が第１位置Ｐ１に移動し、第３位置Ｐ３に位置している第１発光素子１０が第２位置Ｐ２に移動し、第４位置Ｐ４に位置している第２発光素子２０が第３位置Ｐ３に移動する。これにより、第４発光素子４０の第１電極４２が、配線ワイヤー２１３および導通部２１２を介して、第１端子２４２に接続される。また、第４発光素子４０の第２電極４４が、配線ワイヤー２１５および導通部２１４を介して、第２端子２４４に接続される。その結果、駆動信号が第４発光素子４０に供給される。

なお、本実施形態に係る原子発振器のその他の構成は、上述した原子発振器１００と同様であり、その説明を省略する。

本実施形態に係る光学モジュールは、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る光学モジュールによれば、第１実施形態に係る光学モジュール１と同様に、発光素子１０，２０，３０が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、例えば光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。

本実施形態に係る光学モジュールによれば、第１実施形態に係る光学モジュール１と同様に、発光素子１０，２０，３０，４０は、軸Ａのまわりを移動するため、例えば発光素子が直線的に移動する場合と比べて、装置の小型化を図ることができる。

本実施形態に係る光学モジュールによれば、上述のように、端子２４２，２４４を有しているため、発光素子を切り換えるための回路等を用いることなく、発光素子を切り換えることができる。したがって、装置の構成を簡略化することができる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１０は、第３実施形態に係る原子発振器の光学モジュールの光源３０２を模式的に示す平面図である。以下、第３実施形態に係る光源３０２において、第１実施形態に係る光源１０２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。

上述した光源１０２では、位置変更装置１６０は、発光素子１０，２０，３０，４０を、所定の軸Ａのまわりを（軸Ａを中心とする円に沿って）移動させた。これに対して、光源３０２では、位置変更装置は、発光素子１０，２０，３０，４０を、直線的に移動させる。

基板７１は、位置変更装置１６０によって、直線的に移動する。位置変更装置１６０は、第１発光素子１０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を所定の距離だけ移動させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第１発光素子１０が第０位置Ｐ０に移動して、第２位置Ｐ２に位置している第２発光素子２０が第１位置Ｐ１に移動する。これにより、第２発光素子２０に駆動信号が供給されて、第２発光素子２０が共鳴光Ｌを出射する。

また、位置変更装置１６０は、第２発光素子２０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を所定の距離だけ移動させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第２発光素子２０が第０位置Ｐ０に移動して、第２位置Ｐ２に位置している第３発光素子３０が第１位置Ｐ１に移動する。これにより、第３発光素子３０に駆動信号が供給されて、第３発光素子３０が共鳴光Ｌを出射する。

また、位置変更装置１６０は、第３発光素子３０が故障していると判定されて判定信号が入力されると、基板７１を所定の距離だけ移動させる。これにより、第１位置Ｐ１に位置している第３発光素子３０が第０位置Ｐ０に移動して、第２位置Ｐ２に位置している第４発光素子４０が第１位置Ｐ１に移動する。これにより、第４発光素子４０に駆動信号が供給されて、第４発光素子４０が共鳴光Ｌを出射する。

本実施形態に係る光学モジュールによれば、第１および第２実施形態に係る光学モジュールと同様に、発光素子１０，２０，３０が故障したとしても、光学モジュール全体を交換する必要がないため、例えば光学モジュール全体を交換する場合と比べて、交換コストを低減することができる。

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。

Ａ軸、Ｌ共鳴光、Ｐ１第１位置、Ｐ２第２位置、Ｐ３第３位置、
Ｐ４第４位置、１光学モジュール２、光源部、４ガスセル、６光検出部、
１０第１発光素子、１２第１電極、１４第２電極、１６発光点、
２０第２発光素子、２２第１電極、２４第２電極、２６発光点、
３０第３発光素子、３２第１電極、３４第２電極、３６発光点、
４０第４発光素子、４２第１電極、４４第２電極、４６発光点、５０判定部、
６０位置変更部、６２第１端子、６４第２端子、７０ステム、７１基板、
７１ａ貫通孔、７２端子保持部、７４端子保持部、１００原子発振器、
１０１制御部、１０２光源、１０６光検出器、１５０判定回路、
１６０位置変更装置、１７０第１検波回路、１７２第１低周波発振器、
１７４電流駆動回路、１８０第２検波回路、１８２第２低周波発振器、
１８４検波用変調回路、１８６変調周波数発生回路、２０２光源、
２１０ａ第１ステム、２１０ｂ第２ステム、２１０ｃ第３ステム、
２１０ｄ第４ステム、２１２第１端子、２１３配線ワイヤー、２１４第２端子、
２１５配線ワイヤー、２２０第１基板、２３０第２基板、２３２第１溝、
２３４第２溝、２４２第１端子、２４４第２端子、３０２光源

Claims

所定の位置で駆動信号が供給されることによって、異なる２つの波長を有する共鳴光を出射する第１発光素子と、
前記所定の位置で駆動信号が供給されることによって、前記共鳴光を出射する第２発光素子と、
前記第１発光素子が故障しているか否かを判定する判定部と、
前記判定部によって前記第１発光素子が故障していると判定された場合に、前記所定の位置に位置する前記第１発光素子を移動させて、前記第２発光素子を前記所定の位置に移動させる位置変更部と、
前記共鳴光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記共鳴光の強度を検出する光検出部と、
を備えた、量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
前記第１発光素子および前記第２発光素子は、所定の軸のまわりを移動自在であり、
前記第１発光素子が載置された第１ステムと、
前記第２発光素子が載置された第２ステムと、
前記第１ステムおよび前記第２ステムを保持する第１基板と、
前記所定の軸のまわりに設けられた溝部を有する第２基板と、
を含み、
前記第１ステムおよび前記第２ステムは、前記溝部に挿入される導通部を有し、
前記溝部には、前記所定の位置に位置する前記第１発光素子の電極または前記所定の位置に位置する前記第２発光素子の電極に、前記導通部を介して接続する端子が設けられ、
前記駆動信号は、前記端子を介して供給され、
前記位置変更部は、前記第１基板を前記所定の軸まわりに回転させて前記第１発光素子および前記第２発光素子を移動させる、
ことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。
前記判定部は、前記光検出部で検出された前記共鳴光の強度に基づいて、判定を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュールを含む、
ことを特徴とする原子発振器。