JP6123977B2

JP6123977B2 - 原子発振器

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Publication number: JP6123977B2
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Authority: JP
Inventors: 幸治珎道
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Filing date: 2012-02-07
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Description

本発明は、発光素子モジュールおよび原子発振器に関する。

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（特許文献１参照）。

原子発振器は、上記のように２種類の光の周波数差を正確に制御することで、高精度な発振器を実現することができる。このような２種類の光を出射する発光素子としては、例えば、半導体レーザーが用いられている。

米国特許第６３２０４７２号明細書

発光素子は、高い精度で、温度制御されていることが望ましい。例えば、発光素子の温度が所望の値からずれてしまうと、発光素子から出射される光の周波数が変動し、発光素子の周波数精度が低下してしまうという問題があった。特に、発光素子を原子発振器の光源として用いる場合は、上記のように、２種類の光の周波数差を正確に制御する必要があり、わずかに周波数が変動しても問題となる場合がある。

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係る目的の１つは、発光素子の温度変動を抑制することができる発光素子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、上記発光素子モジュールを有する原子発振器を提供することにある。

本発明に係る発光素子モジュールは、
温度制御される温度制御面を有している温度可変素子と、
第１電極を有し、前記温度制御面の一部に搭載されている発光素子と、
前記第１電極に給電するための第１端子と、
前記第１端子と前記第１電極との間を導通している配線と、
を含み、
前記配線が前記温度制御面の他の部分と熱的に接続している。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、所望の温度に制御された温度制御面を介して、第１電極と第１端子とを電気的に接続している。そのため、発光素子の温度が所望の値から変動することを抑制でき、発光素子モジュールは、高い周波数精度を有することができる。

例えば、第１端子と第１電極とが、配線によって、温度制御面を介することなく、電気的に接続されている形態（すなわち、配線の一端が第１端子と接合され、配線の他端が第１電極と接合されている形態場合）では、第１端子および配線によって、発光素子がパッケージ外部の温度（外気温）の影響を受け、発光素子の温度が変動する場合がある。より具体的には、外気温が温度制御面の温度より低い場合、温度制御面によって温度制御面の温度と同じ温度（もしくは近い温度）に加熱された半導体素子は、配線および第１端子の経由で、放熱されてしまう。逆に、外気温が温度制御面の温度より高い場合には、半導体素子に配線および第１端子の経由で、熱が流入してくる。そのため、このような形態では、発光素子の温度が所望の値から変動してしまうという問題がある。

本発明に係る発光素子モジュールでは、上記のような問題を解消することができ、発光素子の温度変動を抑制することができる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記配線は、一端が前記第１端子に接合され他端が前記温度制御面の前記他の部分に熱的に接続されている第１配線と、一端が前記第１電極に接合され他端が前記温度制御面の前記他の部分に熱的に接続されている第２配線と、を含んでもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、第１配線および第２配線を介して、発光素子に対して加熱および吸熱を行うことができ、発光素子が所望の温度から変動することを抑制できる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記温度制御面は、導電性を有し、
前記配線は、一端が前記第１端子に接合され他端が前記温度制御面の前記他の部分に接合されている第１配線を含み、
前記第１端子と前記第１電極とは前記温度制御面を介して導通していてもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、発光素子が所望の温度から変動することを抑制できる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記第１電極は、前記発光素子における搭載面以外の面に配置されており、
前記温度制御面の前記他の部分と前記第１電極とを接続している第２配線を含んでもよい。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記第１電極は前記温度制御面に接合されていてもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、第１電極と温度制御面とを電気的に接続される第２配線を用いることなく、第１端子を、第１配線および導電性の温度制御面を介して、第１電極と電気的に接続させることができる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記温度制御面の前記他の部分に搭載されている第１絶縁部材と、
前記第１絶縁部材の表面に配置されている第１パッドと、
を、さらに含み、
前記第１配線の他端および前記第２配線の他端は、前記第１パッドに接合されていてもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、温度制御面が導電性を有していなくても、第１配線の他端と、第２配線の他端と、を電気的に接続させつつ、両者を温度制御面に熱的に接続させることができる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記発光素子は、第２電極を有し、
前記第２電極に給電するための第２端子と、
前記温度制御面の前記他の部分に搭載された第２絶縁部材と、
前記第２絶縁部材の表面に配置されている第２パッドと、
一端が前記第２端子に接合され、他端が前記第２パッドに接合された第３配線と、
一端が前記第２電極に接合され、他端が前記第２パッドに接合された第４配線と、を含んでもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、温度制御面が導電性を有していなくても、第３配線の他端と、第４配線の他端と、を電気的に接続させつつ、両者を温度制御面に熱的に接続させることができる。

本発明に係る発光素子モジュールにおいて、
前記第２配線を複数有していてもよい。

本発明に係る発光素子モジュールによれば、発光素子モジュールに比べて第２配線の数が多いので、温度制御面の熱を、より発光素子に伝えることができる。また、温度制御面によって、発光素子の熱を、より吸熱することができる。

本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る発光素子モジュールを含む。

本発明に係る原子発振器によれば、高い周波数精度を有する光をガスセルに照射させることができるので、安定して動作することができる。

本実施形態に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態に係る発光素子モジュールを模式的に示す平面図。本実施形態に係る発光素子モジュールを模式的に示す断面図。本実施形態に係る発光素子モジュールの発光素子を模式的に示す平面図。本実施形態の第１変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す平面図。本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す平面図。本実施形態の第３変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第４変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第５変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第５変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュールの発光素子を模式的に示す平面図。本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第７変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第７変形例に係る発光素子モジュールの発光素子を模式的に示す平面図。本実施形態の第８変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態の第９変形例に係る発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。本実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１．発光素子モジュール
まず、本実施形態に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る発光素子モジュール１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る発光素子モジュール１００を模式的に示す斜視図である。図３は、本実施形態に係る発光素子モジュール１００を模式的に示す平面図である。図４は、本実施形態に係る発光素子モジュール１００を模式的に示す図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、本実施形態に係る発光素子モジュール１００の発光素子４０を模式的に示す平面図である。

発光素子モジュール１００は、図１〜図５に示すように、パッケージ１０と、温度可変素子２０と、温度センサー３０と、発光素子４０と、端子５０〜５５と、を含むことができる。

なお、便宜上、図１では、温度可変素子２０近傍の構成を図示し、さらに、温度可変素子２０を簡略化して図示している。また、図１〜図３では、パッケージ１０の蓋部１４を省略し、発光素子４０を簡略化して図示している。

パッケージ１０は、図４に示すように、温度可変素子２０、温度センサー３０、および発光素子４０を収容することができる。パッケージ１０の形状は、温度可変素子２０、温度センサー３０、および発光素子４０を収容することができれば、特に限定されない。パッケージ１０の材質としては、例えば、金属やセラミックスを挙げることができる。

図４に示す例では、パッケージ１０は、基部１２と、蓋部１４と、を有している。基部１２は、例えば、板状の部材である。基部１２上には、温度可変素子２０が実装されている。

蓋部１４は、凹部１５を有する形状である。凹部１５内に、温度可変素子２０、温度センサー３０、および発光素子４０を収容することができる。凹部１５の開口は、基部１２によって封止されている。

蓋部１４は、光透過部１６を有することができる。光透過部１６は、発光素子４０の上方に配置されている。発光素子４０から出射される光は、光透過部１６を通って、パッケージ１０の外部に照射される。光透過部１６の材質は、発光素子４０から出射される光を透過することができれば、特に限定されない。

なお、図示はしないが、パッケージ１０は、基部が凹部を有する形状であり、蓋部が板状の形状であり、基部の凹部を板状の蓋部によって封止することにより、温度可変素子２０、温度センサー３０、および発光素子４０を収容していてもよい。

端子５０〜５５は、図２に示すように、基部１２に設けられている。より具体的には、端子５０〜５５は、基部１２を貫通して、パッケージ１０の内部から外部に延出している。図示の例では、端子５０〜５５は、棒状の部材であり、一端がパッケージ１０の内部に配置され、他端がパッケージ１０の外部に配置されている。端子５０〜５５の一端には、配線が接続されおり、端子５０〜５５の他端に電圧を印加することにより、パッケージ１０内に収容された、温度可変素子２０、温度センサー３０、および発光素子４０に電圧を印加することができる。端子５０〜５５の材質は、導電性であれば、特に限定されない。

温度可変素子２０は、例えば銀ペーストを介して、基部１２上に実装されている。温度可変素子２０は、発光素子４０が搭載された面（搭載部）２０ａを含む温度制御面２２を有する。温度制御面２２の平面形状は、特に限定されないが、図示の例では、四角形（より具体的には長方形）である。温度制御面２２は、導電性を有することができる。例えば、金属の薄膜を成長させることにより、温度制御面２２に導電性を付与（メタライズ化）してもよい。温度可変素子２０は、発光素子４０が搭載された面（搭載部２０ａ、温度制御面２２の一部）を介して、発光素子４０に対して加熱および吸熱の少なくとも一方を行うことができる。

図示の例では、温度可変素子２０として、ペルチェ素子を用いている。図示の例では、温度可変素子２０は、パッド形成面２４に形成されたパッド２５，２６を有し、パッド２５，２６は、それぞれ配線６３，６４を介して、端子５２，５３と電気的に接続されている。これにより、温度可変素子２０に電圧を印加して電流を流すことができ、温度制御面２２を発熱させることができる。また、温度可変素子２０に印加する電圧の極性を逆転させることにより、温度制御面２２を吸熱させることができる。このようにして、温度制御面２２を所望の温度に制御することができ、温度可変素子２０は、温度制御面２２の搭載部（温度制御面２２の一部）２０ａに搭載されている発光素子４０に対して、加熱および吸熱を行うことができる。

なお、本発明に係る記載では、「電気的に接続」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ａ部材」という）に「電気的に接続」された他の特定の部材（以下「Ｂ部材」という）」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ部材とＢ部材とが、接合（例えば、拡散接合、ろう付け、溶接等による金属接合）して電気的に接続されているような場合と、Ａ部材とＢ部材とが、他の部材を介して電気的に接続されているような場合とが含まれるものとして、「電気的に接続」という文言を用いている。

温度センサー３０は、例えば銀ペーストを介して、温度制御面２２に搭載されている。温度センサー３０は、温度制御面２２の温度を検出することができる。図示の例では、温度センサー３０として、サーミスターを用いている。図示の例では、温度センサー３０は、パッド３２，３４を有し、パッド３２，３４は、それぞれ配線６５，６６を介して、端子５４，５５と電気的に接続されている。これにより、温度センサー３０に電圧を印加して電流を流すことができ、温度センサー３０の抵抗値から温度制御面２２の温度を検出することができる。

なお、温度可変素子２０および温度センサー３０は、温度制御回路（図２０参照）と電気的に接続されていてもよい。温度制御回路は、温度センサー３０によって検出された温度に基づいて、温度可変素子２０に流す電流値を制御することができる。

発光素子４０は、例えば銀ペーストを介して、温度制御面２２の搭載部２１ａに搭載されている。発光素子４０は、光を出射することができる。発光素子４０としては、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）や、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）を用いることができる。垂直共振器面発光レーザーは、端面発光レーザーに比べて、閾値電流が小さいため消費電力を小さくすることができ、特に好適に発光素子４０として用いることができる。以下では、発光素子４０として、垂直共振器面発光レーザーを用いた例について説明する。

発光素子４０は、図５に示すように、第１電極４２と、第２電極４４と、半導体層４６と、を有することができる。半導体層４６は、図４に示すように、互いに反対を向く第１面４６ａおよび第２面４６ｂを有することができる。第１面４６ａは、温度可変素子２０に搭載される側の面（搭載面）であり、発光素子４０は、第１面４６ａが温度制御面２２側を向くように、温度制御面２２に搭載されている。第２面４６ｂは、光透過部１６と対向配置されている。第１電極４２および第２電極４４は、図５に示すように、半導体層４６の第２面４６ｂ側に形成されている。第１電極４２は、カソードであってもよく、第２電極４４は、アノードであってもよい。第１電極４２および第２電極４４の材質としては、例えば、金、ゲルマニウム、白金や、これらの合金などが挙げられる。

半導体層４６は、図示はしないが、活性層と、活性層を挟む第１ミラー層および第２ミラー層と、を積層された構造を有する。第１電極４２および第２電極４４に電圧を印加すると、活性層において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。そして、活性層に生じた光が、第１ミラー層と第２ミラー層との間を往復することによりレーザー発振が起こり、発光素子４０は、出射部４８から光を出射することができる。活性層、第１ミラー層、および第２ミラー層としては、例えば、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。

なお、図５に示す例では、出射部４８は、第２面４６ｂ側に設けられているが、出射部４８は、第１面４６ａ側に設けられていてもよい。この場合、温度可変素子２０、およびパッケージ１０の基部１２は、出射部４８から出射された光を透過する光透過部を有することができる。これにより、発光素子４０は、第１面４６ａ側から光を出射することができる。

第１電極４２は、第１端子５０と電気的に接続されている。第１端子５０は、第１電極４２に給電するための端子である。図１に示す例では、第１電極４２は、第１配線６０および第２配線６１を介して、第１端子５０と電気的に接続されている。第１配線６０の一端６０ａは、第１端子５０に接合され、第１配線６０の他端６０ｂは、温度制御面２２の搭載部２０ａ以外の部分（温度制御面２２の他の部分）２０ｂに熱的に接続されている。図１に示す例では、第１配線６０の他端６０ｂは、温度制御面２２の他の部分２０ｂに接合（直接的に接続）されている。

ここで、本発明に係る記載において、「熱的に接続」という記載を、配線と温度制御面とが接合（例えば、拡散接合、ろう付け、溶接等による金属接合）している場合と、配線と温度制御面との間に温度制御面の温度に準ずる部材が配置され、該部材と配線とが接している場合と、を含むものとして用いている。なお、温度制御面の温度に準ずる部材は、熱伝導性を有する部材であり、温度制御面の熱を配線に伝えることができ、また配線の熱を温度制御面に伝えることができる部材である。

第２配線６１の一端６１ａは、第１電極４２に接合され、第２配線６１の他端６１ｂは、温度制御面２２の他の部分２０ｂに熱的に接続されている。図示の例では、第２配線６１の他端６１ｂは、温度制御面２２に接合されている。第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂとは、導電性を有する温度制御面２２によって、電気的に接続されている。すなわち、第１端子５０と第１電極４２とは、温度制御面２２を介して導通している。配線６０，６１および温度制御面２２は、第１端子５０と第１電極４２との間を導通する配線を構成することができる。図示の例では、第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂとは、離間している。

なお、図示はしないが、第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂとは、互いに接合、または接触していてもよい。また、配線の一部が温度制御面２２に接合、または接触していれば、第１配線６０と第２配線６１とは、一体的に形成されていてもよい。

第２電極４４は、第２端子５１と電気的に接続されている。図示の例では、第２電極４４は、配線６２を介して、第２端子５１と電気的に接続されている。第２端子５１は、第２電極４４に給電するための端子である。

配線６０〜６６の材質としては、導電性であれば特に限定されないが、例えば、金、銅、アルミニウムが挙げられる。

本実施形態に係る発光素子モジュール１００は、例えば、以下の特徴を有する。

発光素子モジュール１００によれば、第１電極４２と第１端子５０とは、第１配線６０を介して、電気的に接続されている。第１配線６０の一端６０ａは、第１端子５０に接合され、第１配線６０の他端６０ｂは、温度制御面２２に熱的に接続（図示の例では接合）されている。すなわち、発光素子モジュール１００では、所望の温度に制御された温度制御面２２を介して、第１電極４２と第１端子５０とを電気的に接続している。そのため、発光素子モジュール１００では、発光素子４０の温度が所望の値から変動することを抑制できる。

例えば、第１端子と第１電極とが、第１配線によって、温度制御面を介することなく、電気的に接続されている形態（すなわち、第１配線の一端が第１端子と接合され、第１配線の他端が第１電極と接合されている形態）には、第１端子および第１配線によって、発光素子がパッケージ外部の温度（外気温）の影響を受け、発光素子の温度が変動する場合がある。より具体的には、外気温が温度制御面の温度より低い場合、温度制御面によって温度制御面の温度と同じ温度（もしくは近い温度）に加熱された半導体素子は、第１配線および第１端子の経由で、放熱されてしまう。逆に、外気温が温度制御面の温度より高い場合には、半導体素子に第１配線および第１端子の経由で、熱が流入してくる。そのため、このような形態では、発光素子の温度が所望の値から変動してしまうという問題がある。

本発明に係る発光素子モジュール１００では、上記のような問題を解消することができ、発光素子４０の温度変動を抑制することができる。

発光素子モジュール１００によれば、第２配線６１の一端６１ａは、第１電極４２に接合され、第２配線６１の他端６１ｂは、所望の温度に制御された温度制御面２２に熱的に接続（図示の例では接合）されている。そのため、第２配線６１を介して、発光素子４０に対して加熱および吸熱を行うことができ、発光素子４０が所望の温度から変動することを抑制できる。

発光素子モジュール１００によれば、少なくとも配線６０，６２の材質を、アルミニウムとすることができる。アルミニウムは、金、銅に比べて、小さい熱伝導率を有する。そのため、発光素子モジュール１００では、発光素子４０が、配線６０，６２を介してパッケージ１０外部の温度の影響を受けることを抑制できる。

２．発光素子モジュールの変形例
２．１．第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態の第１変形例に係る発光素子モジュール２００を模式的に示す平面図であって、図３に対応している。

以下、本実施形態の第１変形例に係る発光素子モジュール２００において、本実施形態に係る発光素子モジュール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。

発光素子モジュール２００では、図６に示すように平面視において、発光素子４０は、仮想直線Ｌ上に配置されている。仮想直線Ｌは、四角形（図示の例では長方形）の形状を有する温度制御面２２の中心Ｏを通る直線である。図示の例では、仮想直線Ｌは、温度制御面２２の短辺２３ａと平行な直線であるが、温度制御面２２の長辺２３ｂと平行な直線であってもよい。温度制御面２２は、仮想直線Ｌによって、第１領域２２ａと第２領域２２ｂとに区画されている。

温度センサー３０は、第１領域２２ａに配置されている。第１配線６０の他端６０ｂ、および第２配線６１の他端６１ｂは、第１領域２２ａに接合されている。すなわち、温度センサー３０、第１配線６０の他端６０ｂ、および第２配線６１の他端６１ｂは、共に第１領域２２ａに配置されている。なお、図示の例では、パッド形成面２４に近い方の領域を第２領域２２ｂとし、パッド形成面２４に遠い方の領域を第１領域２２ａとしているが、パッド形成面２４に近い方の領域を第２領域２２ｂとし、パッド形成面２４に遠い方の領域を第１領域２２ａとしても良い。

温度センサー３０によって検知される温度に変化があった場合は、例えば、上述した温度制御回路によって、温度可変素子２０に流す電流値を変え、温度制御面２２を所望の温度に制御することができる。そのため、第１端子５０および第１配線６０によって、パッケージ１０の外部の温度の影響を受け、温度制御面２２の温度が変動したとしても、第１配線６０の他端６０ｂは、温度センサー３０と同じ第１領域２２ａに配置されているため、速やかに温度センサー３０が温度変化を検知し、温度可変素子２０に流す電流値を変えることができる。

さらに、第１領域２２ａには、温度センサー３０が搭載されているため、第２領域２２ｂに比べて、より確実に所望の温度に制御されている。そのため、第２配線６１によって、より確実に発光素子４０の温度を温度制御面２２の温度に近づけることができる。

以上のように、発光素子モジュール２００では、より確実に、発光素子４０の温度が所望の値から変動することを抑制できる。

２．２．第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュール３００を模式的に示す斜視図であって、図１に対応している。図８は、本実施形態の第１変形例に係る発光素子モジュール３００を模式的に示す平面図であって、図６に対応している。

以下、本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュール３００において、本実施形態に係る発光素子モジュール１００の構成部材、または本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュール２００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。

発光素子モジュール１００の例では、図１に示すように、第１配線６０の他端６０ｂ、および第２配線６１の他端６１ｂは、導電性を有する温度制御面２２に接合されていた。これに対し、発光素子モジュール３００では、図７および図８に示すように、第１配線６０の他端６０ｂ、および第２配線６１の他端６１ｂは、第１絶縁部材７０上に形成された第１パッド７２に接合されている。

第１絶縁部材７０は、例えば銀ペーストを介して、温度制御面２２の他の部分２０ｂに搭載されている。第１絶縁部材７０は、板状の形状を有していてもよい。第１絶縁部材７０上には（第１絶縁部材７０の表面には）、第１パッド７２が形成されている。第１絶縁部材７０は、熱伝導性を有し、温度制御面２２の熱を第１配線６０および第２配線６１に伝えることができる。さらに、第１絶縁部材７０は、第１配線６０および第２配線６１の熱を温度制御面２２に伝えることができる。同様に、第１パッド７２も熱伝導性を有する。すなわち、第１配線６０の他端６０ｂ、および第２配線６１の他端６１ｂは、第１パッド７２および第１絶縁部材７０を介して、温度制御面２２と熱的に接続されている。

第１絶縁部材７０の材質としては、例えば、熱伝導性を有するセラミックやアルミナが挙げられる。第１パッド７２の材質は、熱伝導性および導電性を有していれば、特に限定されない。

発光素子モジュール３００によれば、温度制御面２２が導電性を有していなくても、第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂと、を電気的に接続させつつ、両者を温度制御面２２に熱的に接続させることができる。すなわち、配線６０，６１および第１パッド７２は、第１端子５０と第１電極４２との間を導通する配線を構成することができる。

発光素子モジュール３００によれば、図８に示すように、第１絶縁部材７０は、第１領域２２ａに搭載されていてもよい。これにより、上述のとおり、より確実に、発光素子４０の温度が所望の値から変動することを抑制できる。

２．３．第３変形例
次に、本実施形態の第３変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の第３変形例に係る発光素子モジュール４００を模式的に示す斜視図であって、図７に対応している。

以下、本実施形態の第３変形例に係る発光素子モジュール４００において、本実施形態の第２変形例に係る発光素子モジュール３００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。

発光素子モジュール３００の例では、図７に示すように、第２電極４４と第２端子５１とは、配線６２を介して、電気的に接続されていた。これに対し、発光素子モジュール４００では、図９に示すように、第２電極４４と第２端子５１とは、第３配線６７および第４配線６８を介して、電気的に接続されている。

第３配線６７の一端６７ａは、第２端子５１に接合され、第３配線６７の他端６７ｂは、温度制御面２２の他の部分２０ｂに接合されている。第４配線６８の一端６８ａは、第２電極４４に接合され、第４配線６８の他端６８ｂは、温度制御面２２の他の部分２０ｂに接合されている。第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂとは、導電性を有する温度制御面２２によって、電気的に接続されている。例えば、第３配線６７の他端６７ｂと、第４配線６８の他端６８ｂとは、離間している。

なお、図示はしないが、第３配線６７の他端６７ｂと、第４配線６８の他端６８ｂとは、互いに接合、または接触していてもよい。また、配線の一部が温度制御面２２に接合、または接触していれば、第３配線６７と第４配線６８とは、一体的に形成されていてもよい。

配線６７，６８の材質としては、導電性であれば特に限定されないが、例えば、金、銅、アルミニウムが挙げられる。

発光素子モジュール４００によれば、所望の温度に制御された温度制御面２２を介して、さらに、第２電極４４と第２端子５１とを電気的に接続している。そのため、発光素子モジュール４００は、例えば発光素子モジュール３００に比べて、より確実に、発光素子４０の温度が所望の値から変動することを抑制できる。

なお、図示はしないが、第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、温度センサー３０が搭載される第１領域２２ａ（図８参照）に接合されていてもよい。

２．４．第４変形例
次に、本実施形態の第４変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態の第４変形例に係る発光素子モジュール５００を模式的に示す斜視図であって、図９に対応している。

以下、本実施形態の第４変形例に係る発光素子モジュール５００において、本実施形態の第３変形例に係る発光素子モジュール４００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。

発光素子モジュール４００の例では、図９に示すように、第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、導電性を有する温度制御面２２に接合されていた。これに対し、発光素子モジュール５００では、図１０に示すように、第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、第２絶縁部材７１上に形成された第２パッド７３に接合されている。

第２絶縁部材７１は、例えば銀ペーストを介して、温度制御面２２の他の部分２０ｂに搭載されている。第２絶縁部材７１は、板状の形状を有していてもよい。第２絶縁部材７１上には（第２絶縁部材７１の表面には）、第２パッド７３が形成されている。第２絶縁部材７１は、熱伝導性を有し、温度制御面２２の熱を第３配線６７および第４配線６８に伝えることができる。さらに、第２絶縁部材７１は、第３配線６７および第４配線６８の熱を温度制御面２２に伝えることができる。同様に、第２パッド７３も熱伝導性を有する。すなわち、第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、第２パッド７３および第２絶縁部材７１を介して、温度制御面２２と熱的に接続されている。

第２絶縁部材７１の材質としては、例えば、熱伝導性を有するセラミックやアルミナが挙げられる。第２パッド７２の材質は、熱伝導性および導電性を有していれば、特に限定されない。

発光素子モジュール５００によれば、温度制御面２２が導電性を有していなくても、第３配線６７の他端６７ｂと、第４配線６８の他端６８ｂと、を電気的に接続させつつ、両者を温度制御面２２に熱的に接続させることができる。

なお、図示はしないが、第２絶縁部材７１は、温度センサー３０が搭載される第１領域２２ａ（図８参照）に搭載されていてもよい。

２．５．第５変形例
次に、本実施形態の第５変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態の第５変形例に係る発光素子モジュール６００を模式的に示す斜視図であって、図１に対応している。

以下、本実施形態の第５変形例に係る発光素子モジュール６００において、本実施形態に係る発光素子モジュール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。このことは、後述する、第６変形例に係る発光素子モジュール７００、第７変形例に係る発光素子モジュール８００、第８変形例に係る発光素子モジュール９００、および第９変形例に係る発光素子モジュール１０００についても、同様である。

発光素子モジュール１００の例では、図１および図５に示すように、第１電極４２および第２電極４４は、半導体層４６の第２面４６ｂ側に形成されていた。これに対し、発光素子モジュール６００は、図１１に示すように、第１電極４２は、半導体層４６の第１面４６ａ側に形成され、第２電極４４は、半導体層４６の第２面４６ｂ側に形成されている。すなわち、発光素子モジュール６００の発光素子４０は、第１電極４２と第２電極４４とで、半導体層４６を挟んだ形態である。第１電極４２は、温度制御面２２の搭載部２０ａに接合されている。

発光素子モジュール６００では、第２配線６１（図１参照）を用いることなく、第１端子５０を、第１配線６０および導電性の温度制御面２２を介して、第１電極４２と電気的に接続させることができる。すなわち、第１配線６０および温度制御面２２は、第１端子５０と第１電極４２との間を導通する配線を構成することができる。

また、発光素子モジュール６００では、図１２に示すように、第２電極４６と第２端子５１とは、第３配線６７および第４配線６８によって、電気的に接続されていてもよい。第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、第２パッド７３に接合されていてもよい。第２パッド７３は、温度制御面２２に搭載された第２絶縁部材７１上に形成されていてもよい。第３配線６７、第４配線６８、第２パッド７３、および第２絶縁部材７１については、上述の「第４変形例に係る発光素子モジュール５００」で説明した内容を適用することができる。

２．６．第６変形例
次に、本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュール７００を模式的に示す斜視図であって、図１に対応している。図１４は、本実施形態の第６変形例に係る発光素子モジュール７００の発光素子４０を模式的に示す平面図であって、図５に対応している。

発光素子モジュール１００の例では、図１および図５に示すように、１つの第２配線６１を有していた。これに対して、発光素子モジュール７００の例では、図１３および図１４に示すように、複数の第２配線６１を有している。図示の例では、第２配線６１は、３つ設けられているが、その数は、特に限定されない。なお、図示はしないが、配線６２を複数設けてもよい。

発光素子モジュール７００によれば、発光素子モジュール１００に比べて第２配線６１の数が多いので、温度制御面２２の熱を、より発光素子４０に伝えることができる。または、温度制御面２２によって、発光素子４０の熱を、より吸熱することができる。これにより、発光素子モジュール７００は、より確実に、発光素子４０の温度が所望の値から変動することを抑制できる。

また、発光素子モジュール６００では、図１５に示すように、第２電極４４と第２端子５１とは、第３配線６７および第４配線６８によって、電気的に接続されていてもよい。第３配線６７の他端６７ｂ、および第４配線６８の他端６８ｂは、第２パッド７３に接合されていてもよい。第２パッド７３は、温度制御面２２に搭載された第２絶縁部材７１上に形成されていてもよい。第３配線６７、第４配線６８、第２パッド７３、および第２絶縁部材７１については、上述の「第４変形例に係る発光素子モジュール５００」で説明した内容を適用することができる。

２．７．第７変形例
次に、本実施形態の第７変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施形態の第７変形例に係る発光素子モジュール８００を模式的に示す斜視図であって、図１に対応している。図１７は、本実施形態の第７変形例に係る発光素子モジュール８００の発光素子４０を模式的に示す平面図であって、図５に対応している。

発光素子モジュール８００では、図１７に示すように、発光素子４０は、ダミー電極４９を有する。ダミー電極４９は、半導体層４６の第２面４６ｂ側に形成されている。図示の例では、ダミー電極４９は、２つ設けられているが、その数は、特に限定されない。ダミー電極４９は、第１電極４２および第２電極４４と離間しており、第１電極４２および第２電極４４と電気的に分離している。

発光素子モジュール８００には、図１６および図１７に示すように、第５配線６９が設けられている。第５配線６９は、ダミー電極４９の数に応じて、複数設けられていてもよい。第５配線６９の一端６９ａは、ダミー電極４９に接合され、第５配線６９の他端６９ｂは、温度制御面２２に接合されている。第５配線６９の材質としては、導電性であれば特に限定されないが、例えば、金、銅、アルミニウムが挙げられる。

発光素子モジュール８００によれば、例えば、第１電極４２の面積を大きくすることができずに第２配線６１の数を増やすことができない場合であっても、第５配線６９を介して、温度制御面２２の熱を、発光素子４０に伝えることができる。また、第５配線６９を介して、発光素子４０の熱を、吸熱することができる。

２．８．第８変形例
次に、本実施形態の第８変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１８は、本実施形態の第８変形例に係る発光素子モジュール９００を模式的に示す斜視図であって、図１に対応している。

発光素子モジュール９００では、図１８に示すように、温度制御面２２は、第１部分２７ａと、第１部分２７ａと電気的に分離された第２部分２７ｂと、を有する。例えば、図１８に示すように、絶縁部分２８を介して、第１部分２７ａおよび第２部分２７ｂを選択的にメタライズ化することにより、第１部分２７ａと第２部分２７ｂとを、電気的に分離させてもよい。また、導電性を有する温度制御面２２に溝（図示せず）を形成することによって、第１部分２７ａと第２部分２７ｂとを、電気的に分離させてもよい。

第１電極４２と第１端子５０とは、第１配線６０および第２配線６１を介して、電気的に接続されている。第１配線６０の一端６０ａは、第１端子５０に接合され、第１配線６０の他端６０ｂは、第１部分２７ａに接合されている。第２配線６１の一端６１ａは、第１電極４２に接合され、第２配線６１の他端６１ｂは、第１部分２７ａに接合されている。第１配線６０の他端６０ｂと、第２配線６１の他端６１ｂとは、導電性を有する第１部分２７ａによって、電気的に接続されている。

第２電極４４と第２端子５１とは、第３配線６７および第４配線６８を介して、電気的に接続されている。第３配線６７の一端６７ａは、第２端子５１に接合され、第３配線６７の他端６７ｂは、第２部分２７ｂに接合されている。第４配線６８の一端６８ａは、第２電極４４に接合され、第４配線６８の他端６８ｂは、第２部分２７ｂに接合されている。第３配線６７の他端６７ｂと、第４配線６８の他端６８ｂとは、導電性を有する第２部分２７ｂによって、電気的に接続されている。

なお、図示の例では、発光素子４０は、第１部分２７ａに搭載されているが、第２部分２７ｂに搭載されていてもよい。

発光素子モジュール９００によれば、温度制御面２２上に絶縁部材を配置せずに、第１端子５０と第２端子５１をショートさせることなく、第１電極４２および第２電極４４に、温度制御面２２の熱を伝えることができる。また、第１電極４２および第２電極４４から、発光素子４０の熱を吸熱することができる。

２．９．第９変形例
次に、本実施形態の第９変形例に係る発光素子モジュールについて、図面を参照しながら説明する。図１９は、本実施形態の第９変形例に係る発光素子モジュール１０００を模式的に示す斜視図であって、図２に対応している。

発光素子モジュール１００では、温度可変素子２０の一例として、ペルチェ素子を挙げた。これに対し、発光素子モジュール１０００では、図１９に示すように、温度可変素子２０として、ヒーターを用いている。

温度可変素子２０は、抵抗部２１ａと、抵抗部２１ａを挟む導電部２１ｂ，２１ｃを有することができる。導電部２１ｂは、配線６３を介して、端子５２と電気的に接続されている。導電部２１ｃは、配線６４を介して、端子５３と電気的に接続されている。これにより、抵抗部２１に電圧を印加することができ、抵抗部２１ａを発熱させることができる。抵抗部２１ａは、温度制御面２２を有し、温度制御面２２には発光素子４０が搭載される。したがって、抵抗部２１ａを発熱させることにより、発光素子４０を加熱することができる。発光素子モジュール１０００は、特に、パッケージ１０の外部の温度が低い場合に、好適に用いることができる。

３．原子発振器
次に、本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２０は、本実施形態に係る原子発振器２０００の構成例を示す図である。

原子発振器２０００は、本発明に係る発光素子モジュール（図示の例では、発光素子モジュール１００）と、温度制御回路２１１０と、ガスセル２１２０と、光検出器２１３０と、検波回路２１４０と、電流駆動回路２１５０と、低周波発振器２１６０と、検波回路２１７０と、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ:Voltage Controlled Crystal Oscillator）２１８０と、変調回路２１９０と、低周波発振器２２００、周波数変換回路２２１０と、を含んで構成されている。

温度制御回路２１１０は、発光素子モジュール１００の温度センサー３０によって検知された温度に基づいて、発光素子モジュール１００の温度可変素子２０に流す電流値を制御することができる。これにより、発光素子モジュール１００の温度制御面２２は、温度制御されている。

ガスセル２１２０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る。

発光素子モジュール１００の発光素子４０は、周波数の異なる複数の光を発生させてガスセル２１２０に照射する。具体的には、電流駆動回路２１５０が出力する駆動電流によって、発光素子４０の出射光の中心波長λ_０（中心周波数はｆ_０）が制御される。そして、発光素子４０は、周波数変換回路２２１０の出力信号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２１５０による駆動電流に、周波数変換回路２２１０の出力信号（変調信号）を重畳することにより、発光素子４０は変調がかかった光を発生させる。

光検出器２１３０は、ガスセル２１２０を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。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ΔＥ_１２に相当する周波数と一致する２種類の光をアルカリ金属原子に照射すると、アルカリ金属原子はＥＩＴ現象を起こす。このＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数が多いほどガスセル２１２０を透過する光の強度が増大し、光検出器２１３０の出力信号の電圧レベルが高くなる。

光検出器２１３０の出力信号は、検波回路２１４０と検波回路２１７０に入力される。検波回路２１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２１６０の発振信号を用いて光検出器２１３０の出力信号を同期検波する。

電流駆動回路２１５０は、検波回路２１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して発光素子モジュール１００の発光素子４０に供給し、発光素子４０の出射光の中心波長λ_０（中心周波数ｆ_０）を制御する。具体的には、アルカリ金属原子の励起準位と第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ_１（周波数ｆ_１）、アルカリ金属原子の励起準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ_２（周波数ｆ_２）に対して、中心波長λ_０が（λ_１＋λ_２）／２に一致する（中心周波数ｆ_０が（ｆ_１＋ｆ_２）／２に一致する）ように制御される。

ただし、中心波長λ_０は必ずしも（λ_１＋λ_２）／２と正確に一致させる必要はなく、（λ_１＋λ_２）／２を中心とする所定範囲の波長であってもよい。なお、検波回路２１４０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路２１５０が発生する駆動電流には低周波発振器２１６０の発振信号（検波回路２１４０に供給される発振信号と同じ信号）が重畳される。

発光素子モジュール１００の発光素子４０、ガスセル２１２０、光検出器２１３０、検波回路２１４０、電流駆動回路２１５０を通るフィードバックループにより、発光素子４０が発生させる光の中心波長λ_０（中心周波数ｆ_０）が微調整される。

検波回路２１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２２００の発振信号を用いて光検出器２１３０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路２１７０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２１８０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２１８０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。

変調回路２１９０は、検波回路２１７０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２２００の発振信号を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２１８０の出力信号を変調する。変調回路２１９０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。

周波数変換回路２２１０は、変調回路２１８０の出力信号を、ΔＥ_１２に相当する周波数の１／２の周波数の信号に変換する。周波数変換回路２２１０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。

このような構成の原子発振器２０００において、ＥＩＴ信号が左右対称であると仮定すると、発光素子モジュール１００の発光素子４０、ガスセル２１２０、光検出器２１３０、検波回路２１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２１８０、変調回路２１９０、周波数変換回路２１２０を通るフィードバックループにより、周波数変換回路２１２０の出力信号の周波数がΔＥ_１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ_１２に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２１２０の出力信号の周波数は４．５９６３１５８８５ＧＨｚになる。

そして、前述したように、周波数変換回路２１２０の出力信号が変調信号（変調周波数ｆｍ）となり、発光素子モジュール１００の発光素子４０が共鳴光対を含む複数の光を発生させてガスセル２１２０に照射する。

原子発振器２０００によれば、発光素子４０の温度変動を抑制することができる発光素子モジュール１００を含む。そのため、発光素子モジュール１００の発光素子４０は、周波数精度の高い光を、ガスセル２１２０に照射させることができる。したがって、原子発振器２０００は、安定して動作することができる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

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。

１０パッケージ、１２基部、１４蓋部、１６光透過部、２０温度可変素子、
２０ａ搭載部、２０ｂ他の部分、２１ａ抵抗部、２１ｂ導電部、
２１ｃ導電部、２２温度制御面、２２ａ第１領域、２２ｂ第２領域、
２３ａ短辺、２３ｂ長辺、２４パッド形成面、２５パッド、２６パッド、
２７ａ第１部分、２７ｂ第２部分、２８絶縁部分、３０温度センサー、
３２パッド、３４パッド、４０発光素子、４２第１電極、４４第２電極、
４６半導体層、４６ａ第１面、４６ｂ第２面、４９ダミー電極、
５０第１端子、５１第２端子、５２，５３，５４，５５端子、６０第１配線、
６０ａ第１配線の一端、６０ｂ第１配線の他端、６１第２配線、
６１ａ第２配線の一端、６１ｂ第２配線の他端、
６２，６３，６４，６５，６６配線、６７第３配線、６７ａ第３配線の一端、
６７ｂ第３配線の他端、６８第４配線、６８ａ第４配線の一端、
６８ｂ第４配線の他端、６９第５配線、６９ａ第５配線の一端、
６９ｂ第５配線の他端、１００〜１０００発光素子モジュール、
２０００原子発振器、２１１０温度制御回路、２１２０ガスセル、
２１３０光検出器、２１４０検波回路、２１５０電流駆動回路、
２１６０低周波発振器、２１７０検波回路、２１８０電圧制御水晶発振器、
２１９０変調回路、２２００低周波発振器、２２１０周波数変換回路

Claims

発光素子モジュールと、
ガスセルと、
光検出器と、
を有する原子発振器であって、
前記発光素子モジュールは、
金属薄膜から成り、導電性を有する温度制御面を有している温度可変素子と、
第１電極を有し、前記温度制御面上の一部に配置されている発光素子と、
前記第１電極に給電するための第１端子と、
前記第１端子と前記第１電極との間を、前記温度制御面を介して導通している配線と、を備え、
前記配線は、第１配線と第２配線を有し、
前記第１配線は、一端が前記第１端子に接続され、他端が前記温度制御面上における前記発光素子が配置されている部分と異なる他の部分と接合しており、
前記第２配線は、一端が前記第１電極に接続され、他端が前記温度制御面上における前記第１配線の他端が接合している部分以外の前記他の部分に接合され、前記第１配線と前記温度制御面で電気的に導通し、
前記温度制御面は、少なくとも前記発光素子が配置されている面と、前記第１配線の他端と前記第２配線の他端とが接合している面とが、連続した一面から成る、ことを特徴とする原子発振器。
前記温度可変素子は、ペルチェ素子である、請求項１に記載の原子発振器。
前記第１電極は、前記発光素子における前記温度制御面側を向いている面以外の面に配置されており、
前記第２配線は、前記温度制御面上の前記他の部分と前記第１電極とを接続している、請求項１または２に記載の原子発振器。
前記発光素子は、第２電極を有し、
前記第２電極に給電するための第２端子と、
前記温度制御面上の前記他の部分に配置された絶縁部材と、
前記絶縁部材上に配置されているパッドと、
一端が前記第２端子に接続され、他端が前記パッドに接続されている第３配線と、
一端が前記第２電極に接続され、他端が前記パッドに接続されている第４配線と、を備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子発振器。
前記第２配線を複数有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の原子発振器。