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JP2019175946A - 原子発振器および周波数信号生成システム - Google Patents

原子発振器および周波数信号生成システム Download PDF

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JP2019175946A JP2018060606A JP2018060606A JP2019175946A JP 2019175946 A JP2019175946 A JP 2019175946A JP 2018060606 A JP2018060606 A JP 2018060606A JP 2018060606 A JP2018060606 A JP 2018060606A JP 2019175946 A JP2019175946 A JP 2019175946A
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Abstract

【課題】半導体レーザーの光出力の変動を低減できる原子発振器を提供する。【解決手段】第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層を含む共振器と、前記共振器に配置された絶縁層と、を有する半導体レーザーと、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、前記半導体レーザーの温度を制御する第１温度制御素子と、前記絶縁層に配置された伝熱部材と、前記検出信号に基づいて制御される、前記伝熱部材に接続された第２温度制御素子と、を含む、原子発振器。【選択図】図７

Description

本発明は、原子発振器および周波数信号生成システムに関する。
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。ＣＰＴを利用した原子発振器では、光源から出射される光の波長を高精度に制御する必要がある。
原子発振器の光源として用いられる半導体レーザーは、温度変動により発振波長が変動してしまう。そのため、例えば特許文献１の原子発振器では、温度調節面により温度調節される中継部材上の配線層を、発光素子と外部端子とを接続している配線の途中に介在させて配線の温度変動を低減することで、発光素子の温度変動を低減している。
特開２０１５−１１９１５２号公報
特許文献１の原子発振器のように、光源に半導体レーザーを用いる場合、発振波長は駆動電流で制御することができる。しかしながら、半導体レーザーの発振波長を制御するために駆動電流を変動させると、半導体レーザーの光出力も変動してしまう。半導体レーザーの光出力の変動はライトシフトを引き起こし、原子発振器の周波数安定性を低下させる場合がある。
本発明に係る原子発振器の一態様は、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層を含む共振器と、前記共振器に配置された絶縁層と、を有する半導体レーザーと、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、前記半導体レーザーの温度を制御する第１温度制御素子と、前記絶縁層に配置された伝熱部材と、前記検出信号に基づいて制御される、前記伝熱部材に接続された第２温度制御素子と、を含む。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記絶縁層の上面に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記共振器の側方に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記活性層の側方に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記絶縁層の内部に配置されてい
てもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記絶縁層は、前記活性層の側面に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記活性層の側方に配置され、前記伝熱部材と前記活性層との間には、前記活性層の側面に配置された前記絶縁層が配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記伝熱部材は、前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層の積層方向から見て、第１方向において前記第２ミラー層を挟む第１部分および第２部分と、前記第１方向と直交する第２方向において前記第２ミラー層を挟む第３部分および第４部分と、を有してもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記第２温度制御素子および前記半導体レーザーは、前記第１温度制御素子の温度制御面に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、前記半導体レーザー、前記第１温度制御素子、および前記第２温度制御素子を収容する容器を含み、前記第１温度制御素子および前記第２温度制御素子は、前記容器の互いに異なる位置に配置されていてもよい。
前記原子発振器の一態様において、温度センサーを含み、前記第１温度制御素子は、前記温度センサーの出力に基づいて制御されてもよい。
本発明に係る周波数信号生成システムの一態様は、原子発振器を含む、周波数信号生成システムであって、前記原子発振器は、第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層を含む共振器と、前記共振器に配置された絶縁層と、を有する半導体レーザーと、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、前記半導体レーザーの温度を制御する第１温度制御素子と、前記絶縁層に配置された伝熱部材と、前記検出信号に基づいて制御される、前記伝熱部材に接続された第２温度制御素子と、を含む。
実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。 原子セル内の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。 半導体レーザーから出射される２つの光の周波数差と、受光素子で検出される検出強度と、の関係を示すグラフ。 発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。 発光素子モジュールを模式的に示す平面図。 発光素子モジュールを模式的に示す断面図。 半導体レーザーを模式的に示す断面図。 半導体レーザーを模式的に示す平面図。 第１変形例に係る原子発振器の半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第１変形例に係る原子発振器の半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第２変形例に係る原子発振器の半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第３変形例に係る原子発振器の半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第４変形例に係る原子発振器の半導体レーザーを模式的に示す平面図。 第５変形例に係る原子発振器の発光素子モジュールを模式的に示す斜視図。 実施形態に係る周波数信号生成システムの一例を説明するための図。
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． 原子発振器
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。
原子発振器１００は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。量子干渉効果を利用した原子発振器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。
原子発振器１００は、図１に示すように、発光素子モジュール１０と、光学部品２０，２２，２４，２６と、原子セル３０と、受光素子４０と、ヒーター５０と、温度センサー６０と、コイル７０と、制御部８０と、を含む。
まず、原子発振器１００の原理を説明する。
原子発振器１００では、原子セル３０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原子が封入されている。
アルカリ金属原子は、図２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（第１の基底状態１および第２の基底状態２）と、励起状態と、の３つの状態をとり得る。ここで、第１の基底状態１は、第２の基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
互いに周波数の異なる第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２をガス状のアルカリ金属原子に照射すると、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態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、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属原子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。
ここで、例えば、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、第１の共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２の共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が第１の基底状態１と第２の基底状態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、受光素子４０の検出強度は、図３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信号と呼ぶ。ＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子
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、ＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を実現することができる。
以下、原子発振器１００の各部を説明する。
［発光素子モジュール］
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、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、第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
第１の共鳴光Ｌ１は、図２に示すように、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第１の基底状態１から励起状態へ励起する。一方、第２の共鳴光Ｌ２は、原子セル３０内のアルカリ金属原子を第２の基底状態２から励起状態へ励起する。
発光素子モジュール１０は、図１に示すように、半導体レーザー１０２と、第１温度制御素子１０４と、第２温度制御素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０の詳細については後述する。
［光学部品］
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。
第１光学部品２０は、励起光Ｌを平行光とするレンズである。第２光学部品２２は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌの偏光を所定方向に揃える偏光板である。第３光学部品２４は、原子セル３０に入射する励起光Ｌの強度を減少させる減光フィルター、すなわちＮＤフィルター（Neutral Density Filter）である。第４光学部品２６は、λ／４波長板である。第４光学部品２６は、発光素子モジュール１０からの励起光Ｌを直線偏光から円偏光に変換する。
［原子セル］
原子セル３０には、半導体レーザー１０２から出射された励起光Ｌが照射される。図示の例では、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。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、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］
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、フォトダイオードを用いることができる。
［ヒーター］
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、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。
［温度センサー］
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］
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分裂させる磁場を発生させる。コイル７０は、ゼーマン分裂により、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。この結果、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。
コイル７０は、例えば、原子セル３０を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル３０を覆うように配置されたソレノイドコイルである。
［制御部］
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、温度制御回路８０２と、波長制御回路８０４と、光出力制御回路８０６と、高周波制御回路８０８と、を有している。さらに、制御部８０は、温度制御回路８１０と、磁場制御回路８１２と、を有している。
温度制御回路８０２は、温度センサー１０８の検出結果に基づいて、第１温度制御素子１０４を制御する。これにより、半導体レーザー１０２の温度を所望の一定温度となるように調整することができ、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減できる。なお、環境温度とは、半導体レーザー１０２の温度に影響を与え得る、半導体レーザー１０２の周囲の温度である。
波長制御回路８０４は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて第２温度制御素子１０６に電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の発振波長、すなわち励起光Ｌの中心波長を制御する。波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長が、受光素子４０の検出信号の信号強度が最小値（吸収の底）に相当する波長で安定するように、半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。
このように原子発振器１００では、第２温度制御素子１０６は、受光素子４０が出力した検出信号に基づいて制御され、第２温度制御素子１０６を用いて半導体レーザー１０２の共振器２０３の応力を制御することによって、半導体レーザー１０２の発振波長が制御される。半導体レーザー１０２の発振波長の制御の詳細については後述する。
光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて半導体レーザー１０２に駆動電流を供給することによって、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。光出力は、半導体レーザー１０２から出射される光の強度であり、光学部品を介さない状態での半導体レーザー１０２から出射される光の強度である。光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力（励起光Ｌの光強度）が一定となるように半導体レーザー１０２を制御する。具体的には、光出力制御回路８０６は、受光素子４０の検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を制御する。
高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２に高周波信号を供給する制御を行う。高周波制御回路８０８は、高周波信号の周波数を、アルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
温度制御回路８１０は、温度センサー６０の検出結果に基づいて、ヒーター５０への通電を制御する。これにより、原子セル３０を所望の温度範囲内（例えば７０℃程度）に維持することができる。
磁場制御回路８１２は、コイル７０が発生する磁場が一定となるように、コイル７０への通電を制御する。
制御部８０は、例えば、不図示の基板に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）チップに設けられている。
なお、制御部８０を構成する各制御回路８０２，８０４，８０６，８０８，８１０，８１２として、プロセッサー、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等を用いてもよい。すなわち、制御部８０の機能を、不図示のプロセッサーで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで実現してもよい。
１．２． 発光素子モジュールの構成
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４および図５では、便宜上、リッド１０１ｂを透視して図示している。
発光素子モジュール１０は、図４〜図６に示すように、半導体レーザー１０２と、第１温度制御素子１０４と、第２温度制御素子１０６と、温度センサー１０８と、を含んで構成されている。発光素子モジュール１０は、さらに、半導体レーザー１０２、第１温度制御素子１０４、第２温度制御素子１０６、および温度センサー１０８を収容する容器としてのパッケージ１０１を含んで構成されている。なお、本明細書においては、発光素子モジュール１０における位置関係を、相対的にリッド１０１ｂ側を上、ベース１０１ａ側を下として説明する。
パッケージ１０１は、凹部３を有するベース１０１ａと、凹部３の開口を塞ぐリッド１０１ｂと、を有している。リッド１０１ｂにより塞がれた凹部３は、半導体レーザー１０２、第１温度制御素子１０４、第２温度制御素子１０６、および温度センサー１０８を収容する収容空間として機能する。収容空間は、真空状態、すなわち大気圧よりも低圧の状態であることが好ましい。これにより、パッケージ１０１の外部の温度変動、すなわち、環境温度の変動がパッケージ１０１内の半導体レーザー１０２や温度センサー１０８等に与える影響を低減できる。なお、収容空間は真空状態でなくてもよく、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが収容空間に充填されていてもよい。
ベース１０１ａは、絶縁性を有し、かつ、収容空間を気密空間とするのに適した材料で構成されていることが好ましい。ベース１０１ａの材質は、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア等の酸化物系セラミックス、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化物系セラミックス、炭化珪素等の炭化物系セラミックス等の各種セラミックスなどである。なお、ベース１０１ａの材料としてリッド１０１ｂと同様の金属材料を用いてもよい。
ベース１０１ａは、第１面４ａと、第２面４ｂと、を有している。第１面４ａは、ベース１０１ａの凹部３の底面となる面である。第２面４ｂは、第１面４ａよりも上側の面であり、図示の例では、ベース１０１ａに形成された段差部の上面である。第２面４ｂには
、図５に示すように、第１温度制御素子１０４に電気的に接続されている１対の接続電極１１０ａ，１１０ｂと、半導体レーザー１０２に電気的に接続されている１対の接続電極１１２ａ，１１２ｂと、第２温度制御素子１０６に電気的に接続されている１対の接続電極１１４ａ，１１４ｂと、温度センサー１０８に電気的に接続されている接続電極１１６ａ，１１６ｂと、が配置されている。図示はしないが、これらの接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂは、それぞれ、貫通電極を介して、ベース１０１ａの下面、つまり、ベース１０１ａのリッド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。
接続電極１１０ａ，１１０ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂ、外部実装電極、および貫通電極の材質は特に限定されないが、例えば、金、白金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、銅等の金属材料である。
ベース１０１ａの上端面には、枠状のメタライズ層１２０が設けられている。メタライズ層１２０は、ろう材との密着性を高めるものである。
リッド１０１ｂの形状は、例えば、平板状である。図６に示すように、リッド１０１ｂには、貫通孔が形成されており、この貫通孔は、励起光Ｌに対する透過性を有する窓部材１０１ｃで封止されている。リッド１０１ｂは、ろう材を用いてメタライズ層１２０との溶着によりベース１０１ａに接合されている。
リッド１０１ｂの窓部材１０１ｃ以外の部分の材質は、特に限定されないが、金属材料が好適に用いられ、その中でも、ベース１０１ａの構成材料と線膨張係数が近似する金属材料を用いることが好ましい。例えば、ベース１０１ａをセラミックス基板とした場合には、リッド１０１ｂの材質は、コバール等の合金であることが好ましい。
窓部材１０１ｃは、半導体レーザー１０２から出射される励起光Ｌの光路上に配置されている。窓部材１０１ｃの形状は、図示の例では板状であるが、レンズとして機能するように、湾曲した面を有していてもよい。
ベース１０１ａには、第１温度制御素子１０４および第２温度制御素子１０６が配置されている。第１温度制御素子１０４と第２温度制御素子１０６は、ベース１０１ａ上の互いに異なる位置に配置されている。図示の例では、第１温度制御素子１０４と第２温度制御素子１０６は、ベース１０１ａの第１面４ａの互いに異なる位置に配置されている。すなわち、第１温度制御素子１０４と第２温度制御素子１０６とは、ベース１０１ａの第１面４ａの垂線方向から見て、重なっていない。第１温度制御素子１０４と第２温度制御素子１０６とは、離間している。第１温度制御素子１０４および第２温度制御素子１０６は、例えば、接着剤によりベース１０１ａに固定されている。
なお、本明細書に係る記載では、「上」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）は、他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）「上」に配置されている」などと用いる場合に、「Ａ」が直接「Ｂ」上に配置されている場合と、「Ａ」が他のものを介して「Ｂ」上に配置されている場合とが含まれるものとして、「上」という文言を用いている。
第１温度制御素子１０４は、半導体レーザー１０２の温度を制御する。第１温度制御素子１０４は、半導体レーザー１０２に対する環境温度の影響を低減するために、温度センサー１０８の出力に基づいて、半導体レーザー１０２の温度が所望の一定温度となるように制御される。第１温度制御素子１０４は、温度制御回路８０２によって制御される。
第１温度制御素子１０４は、例えば、ペルチェ素子である。第１温度制御素子１０４は、温度制御される温度制御面１０４ａを有している。第１温度制御素子１０４では、温度制御面１０４ａを発熱側の面（発熱面）とすることもできるし、温度制御面１０４ａを吸熱側の面（吸熱面）とすることもできる。温度制御面１０４ａには、半導体レーザー１０２および温度センサー１０８が配置されている。温度制御面１０４ａの温度は、半導体レーザー１０２の特性に応じて適宜設定可能である。温度制御面１０４ａには、例えば、アルミニウム、金、銀などの熱伝導性に優れる金属で構成された金属層１４０が配置されている。
第１温度制御素子１０４は、１対の端子１０５ａ，１０５ｂを有している。端子１０５ａは、配線１３０ａを介して接続電極１１０ａに電気的に接続され、端子１０５ｂは、配線１３０ｂを介して接続電極１１０ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から１対の端子１０５ａ，１０５ｂに電流を供給して、第１温度制御素子１０４を駆動することができる。配線１３０ａ，１３０ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
第２温度制御素子１０６は、受光素子４０が出力した検出信号に基づいて制御される。第２温度制御素子１０６は、半導体レーザー１０２の発振波長を制御するために用いられる。第２温度制御素子１０６は、波長制御回路８０４によって制御される。
第２温度制御素子１０６は、例えば、ペルチェ素子である。第２温度制御素子１０６は、温度制御される温度制御面１０６ａを有している。第２温度制御素子１０６では、温度制御面１０６ａを発熱側の面（発熱面）とすることもできるし、温度制御面１０６ａを吸熱側の面（吸熱面）とすることもできる。温度制御面１０６ａには、金属層１５０が配置されている。金属層１５０は、例えば、アルミニウム、金、銀などの熱伝導性および電気伝導性に優れる金属で構成されている。
第２温度制御素子１０６は、半導体レーザー１０２に接続されている。より具体的には、第２温度制御素子１０６は、後述する図７に示す半導体レーザー１０２の伝熱部材２３０に接続されている。第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２とは、配線１３２ｃによって接続されている。図示の例では、第２温度制御素子１０６と半導体レーザー１０２とは、金属層１５０および配線１３２ｃを介して接続されている。
配線１３２ｃは、第２温度制御素子１０６で発生した熱を半導体レーザー１０２の伝熱部材２３０に供給する配線である。配線１３２ｃは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。なお、配線１３２ｃを複数設けてもよい。これにより、第２温度制御素子１０６で発生した熱を効率よく半導体レーザー１０２の伝熱部材２３０に供給することができる。
第２温度制御素子１０６は、１対の端子１０７ａ，１０７ｂを有している。端子１０７ａは、配線１３４ａを介して接続電極１１４ａに電気的に接続され、端子１０７ｂは、配線１３４ｂを介して接続電極１１４ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から１対の端子１０７ａ，１０７ｂに電流を供給して、第２温度制御素子１０６を駆動することができる。配線１３４ａ，１３４ｂは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
第２温度制御素子１０６の大きさは、第１温度制御素子１０４の大きさよりも小さい。発光素子モジュール１０では、第２温度制御素子１０６の大きさを第１温度制御素子１０４よりも小さくすることによって、第２温度制御素子１０６の熱容量を、第１温度制御素子１０４の熱容量よりも小さくして、第２温度制御素子１０６の制御応答性を向上させている。
なお、第２温度制御素子１０６は、ペルチェ素子に限定されない。例えば、第２温度制御素子１０６は、ヒーターであってもよい。この場合、第２温度制御素子１０６の温度を、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａの温度よりも高い温度を基準に制御することで、伝熱部材２３０の温度を下げることも可能である。
温度センサー１０８は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。図示の例では、温度センサー１０８は、金属層１４０を介して温度制御面１０４ａに配置されている。図示はしないが、温度センサー１０８は、温度制御面１０４ａに直接配置されてもよい。温度センサー１０８は、第１温度制御素子１０４または半導体レーザー１０２の温度を検出する。温度センサー１０８としては、例えば、サーミスタ、熱電対などを用いることができる。
温度センサー１０８は、図示はしないが、１対の端子を有している。一対の端子のうちの一方の端子は、検出信号用の端子であり、他方の端子は接地用の端子である。検出信号用の端子は、図５に示すように、配線１３６ｂ、中継部材１６０に設けられた不図示の配線層、および配線１３６ａを介して、接続電極１１６ａに電気的に接続されている。接地用の端子は、金属層１４０および配線１３６ｃを介して、接続電極１１６ｂに電気的に接続されている。配線１３６ａ，１３６ｂ，１３６ｃは、例えば、ワイヤー配線（ボンディングワイヤー）である。
中継部材１６０は、絶縁性を有している。中継部材１６０の材質は、例えば、セラミックスである。中継部材１６０に設けられた配線層は、温度センサー１０８と接続電極１１６ａとを接続する配線の途中、すなわち配線１３６ａと配線１３６ｂとの間に介在している。これにより、配線１３６ａ，１３６ｂを第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに熱的に接続することができ、配線１３６ａ，１３６ｂの温度変動を低減できる。
半導体レーザー１０２は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。図示の例では、半導体レーザー１０２は、金属層１４０を介して温度制御面１０４ａに配置されている。なお、図示はしないが、半導体レーザー１０２は、温度制御面１０４ａに直接配置されてもよい。図示の例では、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８とは、同じ金属層１４０上に配置されている。そのため、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８に効率よく熱を伝えることができ、かつ、半導体レーザー１０２と温度センサー１０８の温度差を低減できる。
半導体レーザー１０２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬ）である。半導体レーザー１０２は、直流バイアス電流に高周波信号を重畳して用いることにより、励起光Ｌとして、上述した第１の共鳴光Ｌ１および第２の共鳴光Ｌ２を出射する。
半導体レーザー１０２は、後述する図７に示す第１電極２２０および第２電極２２２を有している。第１電極２２０は、配線１３２ａを介して、接続電極１１２ａに電気的に接続されている。第２電極２２２は、配線１３２ｂを介して、接続電極１１２ｂに電気的に接続されている。これにより、外部実装電極から第１電極２２０および第２電極２２２に駆動電流を供給して、半導体レーザー１０２を駆動することができる。
図７は、半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。図８は、半導体レーザー１０２を模式的に示す平面図である。なお、図７は、図８のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。また、図８では、便宜上、絶縁層２１２、第１電極２２０、および伝熱部材２３０以
外の部材の図示を省略している。本明細書においては、半導体レーザー１０２における位置関係を、相対的に第１電極２２０側を上、基板２０２側を下として説明する。
半導体レーザー１０２は、図７に示すように、基板２０２と、第１ミラー層２０４と、活性層２０６と、第２ミラー層２０８と、電流狭窄層２１０、絶縁層２１２と、第１電極２２０と、第２電極２２２と、伝熱部材２３０と、を含む。
基板２０２は、金属層１４０を介して、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。基板２０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。
第１ミラー層２０４は、基板２０２上に配置されている。第１ミラー層２０４は、例えば、ｎ型の半導体層である。第１ミラー層２０４は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）ミラーである。第１ミラー層２０４は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば、１０ペア以上５０ペア以下である。
活性層２０６は、第１ミラー層２０４上に配置されている。活性層２０６は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。活性層２０６は、例えば、ｉ型のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ層とｉ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有している。
第２ミラー層２０８は、活性層２０６上に配置されている。第２ミラー層２０８は、例えば、ｐ型の半導体層である。第２ミラー層２０８は、分布ブラッグ反射型ミラーである。第２ミラー層２０８は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。低屈折率層は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。高屈折率層と低屈折率層との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下である。
第２ミラー層２０８、活性層２０６、および第１ミラー層２０４は、共振器２０３を構成している。また、第２ミラー層２０８、活性層２０６、および第１ミラー層２０４は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。電極２２０，２２２間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層２０６において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。活性層２０６で生じた光は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間を往復し（多重反射し）、その際に誘導放出が起こって、強度が増幅される。そして、光利得が光損失を上回ると、レーザー発振が起こり、第２ミラー層２０８の上面からレーザー光が出射される。
活性層２０６、第２ミラー層２０８、および電流狭窄層２１０は、柱状部２０１を構成している。柱状部２０１は、絶縁層２１２によって囲まれている。柱状部２０１は、例えば、第１ミラー層２０４上に配置され、第１ミラー層２０４から上方に突出している。
電流狭窄層２１０は、第１ミラー層２０４と第２ミラー層２０８との間に配置されている。電流狭窄層２１０は、例えば、活性層２０６上に配置されてもよいし、第２ミラー層２０８の内部に配置されてもよい。電流狭窄層２１０は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層が酸化された層である。電流狭窄層２１０は、電流の経路となる開口
部を有している。電流狭窄層２１０によって、活性層２０６に注入される電流が平面方向、すなわち、第１ミラー層２０４と活性層２０６との積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）と直交する方向に広がることを防ぐことができる。
絶縁層２１２は、共振器２０３に配置されている。図７に示す例では、絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面および第１ミラー層２０４の上面に配置されている。絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面を覆うように配置されている。すなわち、絶縁層２１２は、活性層２０６の側面、第２ミラー層２０８の側面、および電流狭窄層２１０の側面に配置されている。絶縁層２１２は、例えば、積層方向から見て、柱状部２０１を取り囲んでいる。
絶縁層２１２は、後述するように共振器２０３に力を加えて応力を発生させるため、例えば共振器２０３を構成する第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８と比べて、熱膨張係数が大きいことが好ましい。絶縁層２１２は、例えば、ポリイミド層である。ポリイミドは、第１ミラー層２０４、活性層２０６、および第２ミラー層２０８として例示したＡｌＧａＡｓ層に比べて、熱膨張係数が一桁大きい。なお、絶縁層２１２として、ポリイミド層以外の絶縁層を用いてもよい。
第１電極２２０は、第２ミラー層２０８に配置されている。図示の例では、第１電極２２０は、第２ミラー層２０８の上面２０８ａに配置されている。第２ミラー層２０８の上面２０８ａは、第２ミラー層２０８の活性層２０６側の面とは反対側の面である。第１電極２２０は、第２ミラー層２０８上に配置された不図示のコンタクト層上に配置されてもよい。第１電極２２０は、第２ミラー層２０８と電気的に接続されている。第１電極２２０としては、例えば、第２ミラー層２０８側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第１電極２２０は、活性層２０６に電流を注入するための一方の電極である。
第１電極２２０には、配線１３２ａが接続されている。図８に示す例では、絶縁層２１２上には、第１電極２２０に接続されているパッド２４０が設けられており、第１電極２２０と配線１３２ａとは、パッド２４０を介して電気的に接続されている。
第２電極２２２は、第１ミラー層２０４上に配置されている。第２電極２２２は、第１ミラー層２０４上の柱状部２０１が形成された領域、および絶縁層２１２が配置された領域を避けて配置されている。第２電極２２２は、第１ミラー層２０４上に配置された不図示のコンタクト層上に配置されてもよい。第２電極２２２は、第１ミラー層２０４と電気的に接続されている。第２電極２２２としては、例えば、第１ミラー層２０４側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第２電極２２２は、活性層２０６に電流を注入するための他方の電極である。第２電極２２２には、配線１３２ｂが接続されている。
伝熱部材２３０は、絶縁層２１２に配置されている。図７に示す例では、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されている。伝熱部材２３０は、例えば、アルミニウム、金、銀などの熱伝導性に優れる金属で構成されている。
伝熱部材２３０には、配線１３２ｃが接続されている。配線１３２ｃは、第２温度制御素子１０６で発生した熱を伝熱部材２３０に供給する。図８に示す例では、絶縁層２１２上には、伝熱部材２３０に接続されているパッド２４２が設けられており、伝熱部材２３０と配線１３２ｃとは、パッド２４２を介して熱的に接続されている。
伝熱部材２３０は、図８に示すように、積層方向から見て、共振器２０３を構成する柱状部２０１を囲む形状を有している。柱状部２０１は、積層方向から見て、円である。伝
熱部材２３０は、積層方向から見て円環の一部を切り欠いた形状を有している。伝熱部材２３０の切り欠かれた部分には、第１電極２２０とパッド２４０とを接続する配線が配置されている。
伝熱部材２３０は、積層方向から見て、第１方向Ａにおいて第２ミラー層２０８を挟む第１部分２３０ａおよび第２部分２３０ｂと、第２方向Ｂにおいて第２ミラー層２０８を挟む第３部分２３０ｃおよび第４部分２３０ｄと、を有している。すなわち、第２ミラー層２０８は、第１方向Ａにおいて第１部分２３０ａと第２部分２３０ｂとの間に位置している。また、第２ミラー層２０８は、第２方向Ｂにおいて第３部分２３０ｃと第４部分２３０ｄとの間に位置している。第１方向Ａおよび第２方向Ｂは、互いに直交する方向である。このように、伝熱部材２３０は、互いに直交する２方向（第１方向Ａ、第２方向Ｂ）において、第２ミラー層２０８を挟む部分を備えた形状を有している。具体的には、例えば、第１方向Ａを規定する軸および第２方向Ｂを規定する軸を、半導体レーザー１０２の中心、すなわち、第１電極２２０の開口の中心を通るものとし、第１方向Ａを規定する軸を伝熱部材２３０の第２ミラー層２０８を挟む２箇所と交わる軸とした場合に、第２方向Ｂを規定する軸も、伝熱部材２３０の第２ミラー層２０８を挟む２箇所と交わる。
伝熱部材２３０には、配線１３２ｃを介して第２温度制御素子１０６で発生した熱が供給される。伝熱部材２３０は、第２温度制御素子１０６から供給された熱を絶縁層２１２に伝えて絶縁層２１２を加熱または冷却することができる。
半導体レーザー１０２では、絶縁層２１２が加熱または冷却されることによって、絶縁層２１２を膨張または収縮させて共振器２０３に力を加え、共振器２０３で発生する応力を変化させる。この結果、共振器長が変化し、半導体レーザー１０２の発振波長が変化する。具体的には、絶縁層２１２の温度を上昇させることで、発振波長が長くなり、絶縁層２１２の温度を低下させることで、発振波長が短くなる。このように発光素子モジュール１０では、第２温度制御素子１０６を用いて共振器２０３で発生する応力を制御することによって半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。
発光素子モジュール１０では、伝熱部材２３０が絶縁層２１２に配置されているため、絶縁層２１２を局所的に加熱または冷却することができる。そのため、例えば、第１温度制御素子１０４によって絶縁層２１２を加熱または冷却する場合と比べて、活性層２０６の温度変動を小さくできる。
ここで、活性層２０６の温度が変動すると、バンドギャップの変化および発光利得の変化が生じ、半導体レーザー１０２の光出力が変動する。半導体レーザー１０２の光出力の変動はライトシフトを引き起こし、原子発振器の周波数安定性を低下させる。
発光素子モジュール１０では、上述したように、活性層２０６の温度変動を低減できるため、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
さらに、発光素子モジュール１０では、伝熱部材２３０によって絶縁層２１２を局所的に加熱または冷却することができるため、例えば第１温度制御素子１０４を用いて絶縁層２１２を加熱または冷却する場合と比べて、絶縁層２１２の温度を高速に制御できる。したがって、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長を高速に制御できる。これにより、後述する励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を容易に実現できる。
また、上述したように、発光素子モジュール１０では、第２温度制御素子１０６の大きさを第１温度制御素子１０４よりも小さくすることによって、第２温度制御素子１０６の
熱容量を、第１温度制御素子１０４の熱容量よりも小さくしている。ここで、ペルチェ素子やヒーターなどの温度制御素子は、一般的に、熱容量が小さいほど、制御応答性が良い。そのため、発光素子モジュール１０では、第２温度制御素子１０６を用いて絶縁層２１２を加熱または冷却することによって、例えば第１温度制御素子１０４を用いて絶縁層２１２を加熱または冷却する場合と比べて、絶縁層２１２の温度を高速に制御できる。したがって、原子発振器１００では、後述する励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を容易に実現できる。
なお、上記では、半導体レーザー１０２として、ＡｌＧａＡｓ系の面発光レーザーについて説明したが、半導体レーザー１０２を、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いた面発光レーザーとしてもよい。
１．３． 原子発振器の動作
次に、原子発振器１００の動作について説明する。まず、停止状態の原子発振器１００を起動する際の初期動作について説明する。
光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号の信号強度に基づいて、半導体レーザー１０２の光出力を変化させる。具体的には、光出力制御回路８０６は、励起光Ｌの中心波長を変えたときの検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２の光出力を変化させる。
次に、高周波制御回路８０８は、半導体レーザー１０２に高周波信号を入力する。このとき、高周波信号の周波数を、ＥＩＴ現象が発現しないようにわずかにずらしておく。例えば、原子セル３０のアルカリ金属原子としてセシウムを用いた場合、４．５９６・・・ＧＨｚからずらす。
次に、波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長をスイープさせる。このとき、高周波信号の周波数は、ＥＩＴ現象が発現しないように設定されているため、ＥＩＴ現象は発現しない。波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長をスイープしたときに、受光素子４０から出力される検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）を検出する。波長制御回路８０４は、例えば、励起光Ｌの中心波長に対する、検出信号の信号強度変化が一定の割合以下となったところを吸収の底とする。
波長制御回路８０４は、吸収の底を検出すると、励起光Ｌの中心波長を固定する（ロックする）。すなわち、波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を、吸収の底に相当する波長に固定する。
次に、高周波制御回路８０８は、高周波信号の周波数をＥＩＴ現象が発現する周波数に合わせる。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。
次に、原子発振器１００のループ動作について説明する。
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信号を検出し、高周波信号の周波数を、原子セル３０のアルカリ金属原子の（ω１−ω２）の半分に相当する周波数となるように制御する。
波長制御回路８０４は、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長で安定させるためのフィードバック制御を行う。具体的には、波長制御回路８０４は、受光素子４０が出
力した検出信号を同期検波し、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長となるように第２温度制御素子１０６を制御する。
光出力制御回路８０６は、半導体レーザー１０２の光出力が一定となるようにフィードバック制御を行う。例えば、光出力制御回路８０６は、受光素子４０が出力した検出信号を同期検波し、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値より小さくなった場合、検出信号の信号強度の最小値（吸収の底）が所定値になるように、半導体レーザー１０２に駆動電流を供給する。なお、光出力制御回路８０６の制御により、励起光Ｌの中心波長が吸収の底に相当する波長からずれたとしても、上記の波長制御回路８０４の制御により、励起光Ｌの中心波長を吸収の底に相当する波長に合わせることができる。
原子発振器１００は、例えば、以下の効果を有する。
原子発振器１００は、第２温度制御素子１０６を用いて共振器２０３で発生する応力を制御することによって半導体レーザー１０２の発振波長を制御する。そのため、原子発振器１００では、半導体レーザー１０２の発振波長と、半導体レーザー１０２の光出力と、を独立して制御することができる。したがって、例えば半導体レーザー１０２の発振波長を駆動電流で制御する場合と比べて、半導体レーザー１０２の発振波長を制御することによる半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減できる。
さらに、原子発振器１００は、伝熱部材２３０が絶縁層２１２に配置されている。そのため、原子発振器１００では、絶縁層２１２を局所的に加熱または冷却することができる。したがって、例えば、第１温度制御素子１０４によって絶縁層２１２を加熱または冷却する場合と比べて、活性層２０６の温度変動を低減できる。これにより、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
原子発振器１００では、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されている。そのため、原子発振器１００では、例えば伝熱部材２３０が絶縁層２１２の内部に配置されている場合と比べて、伝熱部材２３０を絶縁層２１２に埋め込む必要がないため、伝熱部材２３０を容易に形成することができる。伝熱部材２３０が絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されている場合、伝熱部材２３０は、例えば、スパッタ法による成膜およびパターニングにより形成することができる。
原子発振器１００では、伝熱部材２３０は、積層方向から見て、第１方向Ａにおいて第２ミラー層２０８を挟む第１部分２３０ａおよび第２部分２３０ｂと、第２方向Ｂにおいて第２ミラー層２０８を挟む第３部分２３０ｃおよび第４部分２３０ｄと、を有している。そのため、原子発振器１００では、共振器２０３に対して少なくとも２方向（第１方向Ａおよび第２方向Ｂ）から力を加えることができる。例えば共振器２０３に対して１方向のみから力を加えた場合、共振器２０３には１方向の応力が生じてしまう。これに対して、原子発振器１００では、共振器２０３に対して少なくとも２方向から力を加えることができるため、共振器２０３により均一な応力を生じさせることができる。さらに、伝熱部材２３０が部分２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄを有していることにより、絶縁層２１２を効率よく加熱することができる。したがって、半導体レーザー１０２の発振波長を効率よく制御することができる。
原子発振器１００では、絶縁層２１２は、活性層２０６の側面に配置されている。そのため、原子発振器１００では、活性層２０６に効率よく力を加えることができる。ここで、半導体レーザー１０２の発振波長は、第１ミラー層２０４および第２ミラー層２０８の応力変化よりも、活性層２０６の応力変化に対して敏感である。原子発振器１００では、活性層２０６に効率よく力を加えることができるため、半導体レーザー１０２の発振波長
を効率よく制御することができる。
原子発振器１００では、第１温度制御素子１０４および第２温度制御素子１０６は、ベース１０１ａの互いに異なる位置に配置されている。そのため、原子発振器１００では、例えば第２温度制御素子１０６が第１温度制御素子１０４上に配置されている場合と比べて、第２温度制御素子１０６に対する第１温度制御素子１０４の温度変動の影響を低減できる。これにより、第２温度制御素子１０６を、第１温度制御素子１０４と独立して精度よく制御することができる。
原子発振器１００では、第１温度制御素子１０４は、温度センサー１０８の出力に基づいて半導体レーザー１０２が所望の一定温度となるように制御される。そのため、原子発振器１００では、環境温度の影響を低減でき、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
なお、上記では、原子発振器１００が、ＣＰＴを利用した原子発振器である場合について説明したが、原子発振器１００は、原子セル３０にパルス光が照射されることにより生じるラムゼー共鳴（Ramsey Resonance）を利用した原子発振器であってもよい。
１．４． 原子発振器の変形例
次に、本実施形態に係る原子発振器の変形例について説明する。以下に説明する各変形例において、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。
１．４．１． 第１変形例
図９は、第１変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。
上述した原子発振器１００の半導体レーザー１０２では、図７に示すように、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されていた。
これに対して、第１変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２では、図９に示すように、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の内部に配置されている。すなわち、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２に埋め込まれている。
絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面に配置されている。すなわち、絶縁層２１２は、活性層２０６の側面、第２ミラー層２０８の側面に配置されている。図示の例では、絶縁層２１２は、柱状部２０１の側面および第１ミラー層２０４の上面に配置された第１絶縁層２１３ａと、第１絶縁層２１３ａ上に配置された第２絶縁層２１３ｂと、を有している。第１絶縁層２１３ａおよび第２絶縁層２１３ｂの材質は、例えば、ポリイミドである。なお、第１絶縁層２１３ａおよび第２絶縁層２１３ｂは、同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。
伝熱部材２３０は、第１絶縁層２１３ａと第２絶縁層２１３ｂとの間に配置されている。伝熱部材２３０は、第１絶縁層２１３ａ上に配置され、第２絶縁層２１３ｂによって覆われている。伝熱部材２３０は、第２絶縁層２１３ｂに設けられた貫通配線２５０を介して、配線１３２ｃに接続されている。これにより、絶縁層２１２の内部に配置された伝熱部材２３０に熱を供給することができる。伝熱部材２３０が絶縁層２１２の内部に配置されていることにより、例えば伝熱部材２３０が絶縁層２１２上に配置されている場合と比べて、絶縁層２１２を効率よく加熱または冷却することができる。
伝熱部材２３０は、共振器２０３の側方、より具体的には柱状部２０１の側方に配置されている。すなわち、伝熱部材２３０は、共振器２０３（柱状部２０１）の積層方向と直交する方向に配置されている。すなわち、積層方向と直交する方向から見て、伝熱部材２３０と共振器２０３（柱状部２０１）とは重なっている。
このように、伝熱部材２３０を共振器２０３（柱状部２０１）の側方に配置した場合であっても、上述した図７に示す半導体レーザー１０２の場合と同様に、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
また、図９に示す例では、伝熱部材２３０は、活性層２０６の側方に配置されている。すなわち、伝熱部材２３０は、活性層２０６の積層方向と直交する方向に配置されている。すなわち、積層方向と直交する方向から見て、伝熱部材２３０と活性層２０６とは重なっている。
このように、伝熱部材２３０が、活性層２０６の側方に配置されることによって、伝熱部材２３０と活性層２０６との間の距離を小さくすることができる。これにより、活性層２０６に効率よく力を加えることができるため、半導体レーザー１０２の発振波長を効率よく制御することができる。
さらに、図９に示す例では、伝熱部材２３０は活性層２０６の側方に配置され、伝熱部材２３０と活性層２０６との間には、活性層２０６の側面に配置された絶縁層２１２が配置されている。そのため、伝熱部材２３０と活性層２０６との間の距離を小さくでき、かつ、活性層２０６の側面に配置された絶縁層２１２によって活性層２０６に効率よく力を加えることができる。よって、半導体レーザー１０２の発振波長を効率よく制御することができる。
図１０は、第１変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２の他の例を模式的に示す断面図である。
例えば、上述した図９に示す半導体レーザー１０２では、絶縁層２１２は２層（第１絶縁層２１３ａ、第２絶縁層２１３ｂ）であったが、図１０に示すように、絶縁層２１２は１層であってもよい。このような場合であっても、図９に示す半導体レーザー１０２と同様の作用効果を奏することができる。
１．４．２． 第２変形例
図１１は、第２変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。
上述した原子発振器１００の半導体レーザー１０２では、図７に示すように、絶縁層２１２の上面２１２ａは、活性層２０６の上面よりも上方に位置していた。図７に示す例では、絶縁層２１２の上面２１２ａは、第２ミラー層２０８の上面２０８ａと面一であった。
これに対して、第２変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２では、図１１に示すように、絶縁層２１２の上面２１２ａは、活性層２０６の上面よりも下方に位置している。そのため、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置された伝熱部材２３０を、活性層２０６の側方に配置することができる。したがって、図７に示す例と比べて、伝熱部材２３０と活性層２０６との間の距離を小さくすることができる。よって、活性層２０６に効率よく力を加えることができ、半導体レーザー１０２の発振波長を効率よく制御することができる。
１．４．３． 第３変形例
図１２は、第３変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２を模式的に示す断面図である。
上述した原子発振器１００の半導体レーザー１０２では、図７に示すように、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されていた。
これに対して、第３変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２では、図１２に示すように、伝熱部材２３０は、絶縁層２１２の上面２１２ａに配置されている基部２３２と、絶縁層２１２の内部に配置されている延出部２３４と、を有している。
延出部２３４は、基部２３２から積層方向に延出している。延出部２３４の長さ、すなわち、延出部２３４の積層方向の大きさは、例えば、絶縁層２１２の厚さの半分以上である。これにより、効率よく絶縁層２１２を加熱または冷却することができ、共振器２０３に効率よく力を加えることができる。また、図示はしないが、延出部２３４の長さは、第２ミラー層２０８の厚さよりも大きくてもよい。これにより、伝熱部材２３０と活性層２０６との間の距離を小さくすることができ、活性層２０６に効率よく力を加えることができる。
第３変形例に係る原子発振器では、伝熱部材２３０が、延出部２３４を有しているため、効率よく絶縁層２１２を加熱または冷却することができる。そのため、第３変形例に係る原子発振器では、共振器２０３に効率よく力を加えることができ、半導体レーザー１０２の発振波長を効率よく制御することができる。
１．４．４． 第４変形例
図１３は、第４変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２を模式的に示す平面図である。
上述した原子発振器１００の半導体レーザー１０２では、図８に示すように、伝熱部材２３０は１つであった。
これに対して、第４変形例に係る原子発振器の半導体レーザー１０２は、図１３に示すように、複数の伝熱部材２３０を備えている。図１３に示す例では、半導体レーザー１０２は、２つの伝熱部材２３０を備えている。なお、半導体レーザー１０２は、３つ以上の伝熱部材２３０を備えていてもよい。
２つの伝熱部材２３０は、例えば、第２ミラー層２０８の外縁に沿って配置されている。
第４変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、半導体レーザー１０２の光出力の変動を低減でき、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。
１．４．５． 第５変形例
図１４は、第５変形例に係る原子発振器の発光素子モジュール１０を模式的に示す斜視図である。
上述した原子発振器１００の発光素子モジュール１０では、図４に示すように、第２温度制御素子１０６は、ベース１０１ａの第１面４ａに配置されていた。これに対して、第５変形例に係る原子発振器の発光素子モジュール１０では、図１４に示すように、第２温
度制御素子１０６は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。
図１４に示す例では、第２温度制御素子１０６は、金属層１４０を介して第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。なお、図示はしないが、第２温度制御素子１０６が、温度制御面１０４ａに直接配置されてもよい。
第２温度制御素子１０６を温度制御面１０４ａに配置することで、第２温度制御素子１０６は、温度制御面１０４ａの温度を基準として伝熱部材２３０（図７参照）の温度を制御すればよいので、第２温度制御素子１０６の温度制御範囲を狭くすることができる。このように第２温度制御素子１０６の温度制御範囲を狭くすることで、相対的に温度制御精度を向上できるため、高い温度制御精度を実現できる。
第５変形例に係る原子発振器では、上述した原子発振器１００と同様に、周波数安定性に優れた原子発振器を実現できる。さらに、第５変形例に係る原子発振器では、第２温度制御素子１０６および半導体レーザー１０２は、第１温度制御素子１０４の温度制御面１０４ａに配置されている。そのため、第２温度制御素子１０６の温度制御範囲を狭くすることができ、伝熱部材２３０の温度を高い精度で制御することができる。さらに、第５変形例に係る原子発振器では、第２温度制御素子１０６を配置する領域をベース１０１ａ上に設けなくてもよいため、装置の小型化を図ることができる。
２． 周波数信号生成システム
次に、本実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図１５は、クロック伝送システム４００を示す概略構成図である。
本発明に係るクロック伝送システムは、本発明に係る原子発振器を含む。以下では、一例として、原子発振器１００を含むクロック伝送システム４００について説明する。
クロック伝送システム４００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。
クロック伝送システム４００は、図１５に示すように、Ａ局（上位（Ｎ系））のクロック供給装置４０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置４０２と、Ｂ局（上位（Ｅ系））のクロック供給装置４０３およびＳＤＨ装置４０４と、Ｃ局（下位）のクロック供給装置４０５およびＳＤＨ装置４０６，４０７と、を備える。クロック供給装置４０１は、原子発振器１００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置４０１内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック４０８，４０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
ＳＤＨ装置４０２は、クロック供給装置４０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置４０５に伝送する。クロック供給装置４０３は、原子発振器１００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置４０３内の原子発振器１００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック４０８，４０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。
ＳＤＨ装置４０４は、クロック供給装置４０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置４０５に伝送する。クロック供給装置４０５は、クロック供給装置４０１，４０３から
のクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。
クロック供給装置４０５は、通常、クロック供給装置４０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置４０５は、クロック供給装置４０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置４０６は、クロック供給装置４０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置４０７は、クロック供給装置４０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。
本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（point of sales）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
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。
３…凹部、４ａ…第１面、４ｂ…第２面、１０…発光素子モジュール、２０…第１光学部品、２２…第２光学部品、２４…第３光学部品、２６…第４光学部品、３０…原子セル、４０…受光素子、５０…ヒーター、６０…温度センサー、７０…コイル、８０…制御部、１００…原子発振器、１０１…パッケージ、１０１ａ…ベース、１０１ｂ…リッド、１０１ｃ…窓部材、１０２…半導体レーザー、１０４…第１温度制御素子、１０４ａ…温度制御面、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６…第２温度制御素子、１０６ａ…温度制御面、１０７ａ…端子、１０７ｂ…端子、１０８…温度センサー、１１０ａ…接続電極、１１０ｂ…接続電極、１１２ａ…接続電極、１１２ｂ…接続電極、１１４ａ…接続電極、１１４ｂ…接続電極、１１６ａ…接続電極、１１６ｂ…接続電極、１２０…メタライズ層、１３０ａ…配線、１３０ｂ…配線、１３２ａ…配線、１３２ｂ…配線、１３２ｃ…配線、１３４ａ…配線、１３４ｂ…配線、１３６ａ…配線、１３６ｂ…配線、１３６ｃ…配線
、１４０…金属層、１５０…金属層、１６０…中継部材、２０１…柱状部、２０２…基板、２０３…共振器、２０４…第１ミラー層、２０６…活性層、２０８…第２ミラー層、２０８ａ…上面、２１０…電流狭窄層、２１２…絶縁層、２１３ａ…第１絶縁層、２１３ｂ…第２絶縁層、２２０…第１電極、２２２…第２電極、２３０…伝熱部材、２３０ａ…第１部分、２３０ｂ…第２部分、２３０ｃ…第３部分、２３０ｄ…第４部分、２３２…基部、２３４…延出部、２４０…パッド、２４２…パッド、２５０…貫通配線、４００…クロック伝送システム、４０１…クロック供給装置、４０２…ＳＤＨ装置、４０３…クロック供給装置、４０４…ＳＤＨ装置、４０５…クロック供給装置、４０６…ＳＤＨ装置、４０６…装置、４０７…ＳＤＨ装置、４０８…マスタークロック、４０９…マスタークロック、８０２…温度制御回路、８０４…波長制御回路、８０４…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

Claims (12)

  1. 第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層を含む共振器と、前記共振器に配置された絶縁層と、を有する半導体レーザーと、
    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、
    前記半導体レーザーの温度を制御する第１温度制御素子と、
    前記絶縁層に配置された伝熱部材と、
    前記検出信号に基づいて制御される、前記伝熱部材に接続された第２温度制御素子と、を含む、原子発振器。
  2. 請求項１において、
    前記伝熱部材は、前記絶縁層の上面に配置されている、原子発振器。
  3. 請求項１において、
    前記伝熱部材は、前記共振器の側方に配置されている、原子発振器。
  4. 請求項３において、
    前記伝熱部材は、前記活性層の側方に配置されている、原子発振器。
  5. 請求項３または４において、
    前記伝熱部材は、前記絶縁層の内部に配置されている、原子発振器。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記絶縁層は、前記活性層の側面に配置されている、原子発振器。
  7. 請求項１において、
    前記伝熱部材は、前記活性層の側方に配置され、
    前記伝熱部材と前記活性層との間には、前記活性層の側面に配置された前記絶縁層が配置されている、原子発振器。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    前記伝熱部材は、前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層の積層方向から見て、第１方向において前記第２ミラー層を挟む第１部分および第２部分と、前記第１方向と直交する第２方向において前記第２ミラー層を挟む第３部分および第４部分と、を有する、原子発振器。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
    前記第２温度制御素子および前記半導体レーザーは、前記第１温度制御素子の温度制御面に配置されている、原子発振器。
  10. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
    前記半導体レーザー、前記第１温度制御素子、および前記第２温度制御素子を収容する容器を含み、
    前記第１温度制御素子および前記第２温度制御素子は、前記容器の互いに異なる位置に配置されている、原子発振器。
  11. 請求項１ないし１０のいずれか１項において、
    温度センサーを含み、
    前記第１温度制御素子は、前記温度センサーの出力に基づいて制御される、原子発振器。
  12. 原子発振器を含む、周波数信号生成システムであって、
    前記原子発振器は、
    第１ミラー層、第２ミラー層、および前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層を含む共振器と、前記共振器に配置された絶縁層と、を有する半導体レーザーと、
    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、
    前記半導体レーザーの温度を制御する第１温度制御素子と、
    前記絶縁層に配置された伝熱部材と、
    前記検出信号に基づいて制御される、前記伝熱部材に接続された第２温度制御素子と、
    を含む、周波数信号生成システム。
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