原子振荡器和频率信号生成系统的制作方法

本发明涉及原子振荡器和频率信号生成系统。

背景技术：

近年来，已经提出了利用作为量子干涉效应之一的cpt(coherentpopulationtrapping)的原子振荡器，并且期待装置的小型化和低功耗化。利用cpt的原子振荡器是利用如下电磁诱导透明现象(eit现象：electromagneticallyinducedtransparency)的振荡器：当向碱金属原子照射具有不同的两种波长(频率)的相干光时，相干光的吸收停止。

作为利用eit现象的原子振荡器，例如，专利文献1公开了一种原子振荡器，该原子振荡器根据检测透过原子室的光的光检测部的检测结果，控制从发光元件模块射出的共振光的频率(波长)。

这里，构成发光元件模块的半导体激光器的发光状态、例如振荡波长等由于温度变动而变动。因此，在专利文献1的原子振荡器中，将半导体激光器搭载在帕尔帖元件上，以减少半导体激光器的温度变动，从而高精度地对发光元件进行温度控制。

专利文献1：日本特开2015-119152号公报

在利用cpt的原子振荡器中，需要高精度地控制从光源射出的光的波长。在如专利文献1的原子振荡器那样将半导体激光器用作光源时，可以利用驱动电流来控制振荡波长。然而，当改变驱动电流以控制半导体激光器的振荡波长时，半导体激光器的光输出也会变动。半导体激光器的光输出的变动有时会引起原子振荡器的频率变动(由于ac斯塔克效应引起的频率波动)，使原子振荡器的频率稳定性降低。

技术实现要素：

本发明的几个方式的目的之一在于提供一种能够减少半导体激光器的光输出的变动的原子振荡器。此外，本发明的几个方式的目的之一在于提供一种包含所述原子振荡器的系统。

本发明是为了解决所述课题中的至少一部分而完成的，作为以下的方式或应用例来实现。

[应用例1]

本应用例的原子振荡器包含：半导体激光器，其收纳在容器中；原子室，其被照射从所述半导体激光器射出的光，收纳有碱金属原子；受光元件，其检测透过了所述原子室的光的强度，输出检测信号；温度传感器，其收纳在所述容器中；第1温度控制元件，其收纳在所述容器中，根据所述温度传感器的输出而受到控制；以及第2温度控制元件，其收纳在所述容器中，根据所述检测信号而受到控制，所述第2温度控制元件与所述半导体激光器之间的距离小于所述第1温度控制元件与所述半导体激光器之间的距离。

在这样的原子振荡器中，由于第2温度控制元件与半导体激光器之间的距离小于第1温度控制元件与半导体激光器之间的距离，因此，通过使用第2温度控制元件控制半导体激光器的温度，与使用第1温度控制元件控制半导体激光器的温度的情况相比，能够更高速地控制半导体激光器的温度。因此，在这样的原子振荡器中，根据受光元件的检测信号来控制第2温度控制元件，由此，能够进行半导体激光器的振荡波长的控制。

这里，当利用半导体激光器的温度来控制半导体激光器的振荡波长时，与利用驱动电流来控制半导体激光器的振荡波长的情况相比，半导体激光器的光输出的变动极小。因此，根据这样的原子振荡器，能够减少由于控制半导体激光器的振荡波长而引起的半导体激光器的光输出的变动。

[应用例2]

在本应用例的原子振荡器中，也可以包含：光输出控制电路，其根据所述检测信号向所述半导体激光器提供电流，由此，控制所述半导体激光器的光输出；和波长控制电路，其根据所述检测信号向所述第2温度控制元件提供电流，由此，控制所述半导体激光器的振荡波长。

因此，在这样的原子振荡器中，能够利用半导体激光器的驱动电流来控制半导体激光器的光输出，能够利用半导体激光器的温度来控制半导体激光器的振荡波长。

[应用例3]

在本应用例的原子振荡器中，也可以是，所述第2温度控制元件搭载于所述第1温度控制元件，所述半导体激光器搭载于所述第2温度控制元件。

在这样的原子振荡器中，可以利用第1温度控制元件减少环境温度对半导体激光器和第2温度控制元件的影响，可以利用第2温度控制元件高速控制半导体激光器的温度。

[应用例4]

在本应用例的原子振荡器中，也可以是，所述第1温度控制元件是帕尔帖元件，所述第2温度控制元件是加热器。

在这样的原子振荡器中，第1温度控制元件是帕尔帖元件，由此，能够应对较大范围的环境温度。此外，第2温度控制元件是加热器，由此，例如，与第2温度控制元件为帕尔帖元件的情况相比，能够使元件小型化和简化。

[应用例5]

在本应用例的原子振荡器中，也可以是，所述第2温度控制元件配置在所述第1温度控制元件的温度控制面，所述半导体激光器配置在所述第2温度控制元件的与所述温度控制面侧的面相反侧的面。

在这样的原子振荡器中，可以利用第1温度控制元件减少环境温度对半导体激光器和第2温度控制元件的影响，可以利用第2温度控制元件高速控制半导体激光器的温度。

[应用例6]

在本应用例的原子振荡器中，也可以是，所述第2温度控制元件的热容量小于所述第1温度控制元件的热容量。

温度控制元件的热容量越小，则控制响应性越好，因此，在这样的原子振荡器中，通过使用第2温度控制元件控制半导体激光器的温度，与使用第1温度控制元件的情况相比，能够高速控制半导体激光器的温度。

[应用例7]

本应用例的系统包含原子振荡器，所述原子振荡器包含：半导体激光器，其收纳在容器中；原子室，其被照射从所述半导体激光器射出的光，收纳有碱金属原子；受光元件，其检测透过了所述原子室的光的强度，输出检测信号；温度传感器，其收纳在所述容器中；第1温度控制元件，其收纳在所述容器中，根据所述温度传感器的输出而受到控制；以及第2温度控制元件，其收纳在所述容器中，根据所述检测信号而受到控制，所述第2温度控制元件与所述半导体激光器之间的距离小于所述第1温度控制元件与所述半导体激光器之间的距离。

在这样的系统中，由于包含能够减少半导体激光器的光输出的变动的原子振荡器，因此，能够具有优异的可靠性。

附图说明

图1是实施方式的原子振荡器的功能框图。

图2是用于说明原子室内的碱金属原子的能态的图。

图3是示出从半导体激光器射出的两个光的频率差与由受光元件检测的检测强度之间的关系的曲线图。

图4是示意性地示出发光元件模块的立体图。

图5是示意性地示出发光元件模块的俯视图。

图6是示意性地示出发光元件模块的剖视图。

图7是用于说明实施方式的系统的一例的图。

图8是用于说明实施方式的系统的一例的图。

标号说明

3：凹部；4：阶梯部；10：发光元件模块；20：第1光学部件；22：第2光学部件；24：第3光学部件；26：第4光学部件；30：原子室；40：受光元件；50：加热器；60：温度传感器；70：线圈；80：控制部；100：原子振荡器；101：封装；101a：基座；101b：盖；101c：窗部件；102：半导体激光器；104：第1温度控制元件；104a：温度控制面；105a：端子；105b：端子；106：第2温度控制元件；106a：配置面；108：温度传感器；110a：连接电极；110b：连接电极；112a：连接电极；112b：连接电极；114a：连接电极；114b：连接电极；116a：连接电极；116b：连接电极；120：金属化层；130a：布线；130b：布线；132a：布线；132b：布线；132c：布线；134a：布线；134b：布线；136a：布线；136b：布线；136c：布线；140：金属层；150：中继部件；152：布线层；160：中继部件；802：温度控制电路；804：波长控制电路；806：光输出控制电路；808：高频控制电路；810：温度控制电路；812：磁场控制电路；1000：定位系统；1010：gps卫星；1020：基站装置；1022：天线；1024：接收装置；1026：天线；1028：发送装置；1030：gps接收装置；1032：天线；1034：卫星接收部；1036：天线；1038：基站接收部；2000：时钟传输系统；2001：时钟提供装置；2002：sdh装置；2003：时钟提供装置；2004：sdh装置；2005：时钟提供装置；2006：sdh装置；2007：sdh装置；2008：主时钟；2009：主时钟。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，以下说明的实施方式并非不合理地限定权利要求所述的本发明的内容。此外，以下说明的全部结构不一定是本发明的必要技术特征。

1.原子振荡器

1.1.原子振荡器的结构

首先，参照附图对本实施方式的原子振荡器的结构进行说明。图1是本实施方式的原子振荡器100的功能框图。图2是用于说明本实施方式的原子振荡器100的原子室30内的碱金属原子的能态的图。图3是示出在本实施方式的原子振荡器100中从半导体激光器102射出的两个光的频率差与由受光元件40检测的检测强度之间的关系的曲线图。

原子振荡器100是利用量子干涉效应的原子振荡器。与利用双共振效应的原子振荡器相比，利用量子干涉效应的原子振荡器100能够实现小型化。

如图1所示，原子振荡器100包含发光元件模块10、光学部件20、22、24、26、原子室30、受光元件40、加热器50、温度传感器60、线圈70以及控制部80。

首先，对原子振荡器100的原理进行说明。

在原子振荡器100中，在原子室30内封入有气态的铷、铯、钠等碱金属原子。

如图2所示，碱金属原子具有三能级系统的能级，可得到能级不同的两个基态(第1基态1和第2基态2)和激发态这3个状态。这里，第1基态1是比第2基态2低的能态。

针对这样的气态的碱金属原子，当向气态的碱金属原子照射频率互不相同的第1共振光l1和第2共振光l2时，第1共振光l1和第2共振光l2在碱金属原子中的光吸收率(光透过率)与第1共振光l1的频率ω1和第2共振光l2的频率ω2之差(ω1-ω2)对应地变化。并且，当第1共振光l1的频率ω1与第2共振光l2的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于第1基态1和第2基态2的能量差的频率一致时，从基态1、2向激发态的激励分别停止。这时，第1共振光l1和第2共振光l2均不被碱金属原子吸收而透过。这样的现象被称为cpt现象或电磁诱导透明现象(eit：electromagneticallyinducedtransparency)。

这里，例如固定第1共振光l1的频率ω1并改变第2共振光l2的频率ω2时，当第1共振光l1的频率ω1与第2共振光l2的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于第1基态1和第2基态2的能量差的频率ω0一致时，受光元件40的检测强度如图3所示急剧上升。这样的急剧的信号被称为eit信号。eit信号具有由碱金属原子的种类决定的固有值。因此，通过将eit信号用作基准，能够实现高精度的振荡器。

以下，对原子振荡器100的各部进行说明。

[发光元件模块]

发光元件模块10射出对原子室30中的碱金属原子进行激励的激励光l。具体而言，发光元件模块10射出上述的频率不同的两种光(第1共振光l1和第2共振光l2)作为激励光l。

第1共振光l1将原子室30内的碱金属原子从上述第1基态1激励为激发态。另一方面，第2共振光l2将原子室30内的碱金属原子从上述第2基态2激励为激发态。

发光元件模块10构成为包含半导体激光器102、第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和温度传感器108。关于发光元件模块10的详细情况，在后面叙述。

[光学部件]

光学部件20、22、24、26设置在发光元件模块10与原子室30之间的激励光l的光路上。在图1所示的示例中，从发光元件模块10侧到原子室30侧依次配置有第1光学部件20、第2光学部件22、第3光学部件24、第4光学部件26。

第1光学部件20是透镜。第1光学部件20能够无损耗地向原子室30照射激励光l。第1光学部件20具有使激励光l成为平行光的功能。因此，能够抑制激励光l在原子室30的内壁上反射。由此，能够适当地产生气室30内的激励光l的共振，其结果，能够提高原子振荡器100的振荡特性。

第2光学部件22是偏振片。第2光学部件22能够将来自发光元件模块10的激励光l的偏振调整成规定方向。

第3光学部件24是减光滤光器、即nd滤光器(neutraldensityfilter)。第3光学部件24能够调整(减少)入射到原子室30的激励光l的强度。因此，即使在发光元件模块10的光输出较大的情况下，也能够使入射到原子室30的激励光l成为期望的光量。

第4光学部件26是λ/4波长板。第4光学部件26能够将来自发光元件模块10的激励光l从线偏振转换为圆偏振(右旋圆偏振或者左旋圆偏振)。通过使激励光l成为圆偏振，能够在原子室30内的碱金属原子发生了塞曼分裂的状态下增加显现期望的eit现象的原子数。其结果，能够增加期望的eit信号的强度，能够提高原子振荡器100的振荡特性。

[原子室]

在原子室30中收纳了气态的碱金属原子。从发光元件模块10的半导体激光器102射出的激励光l经由光学部件20、22、24、26照射到原子室30。另外，也可以是，原子室30内收纳的碱金属原子的一部分以气体状(气态)存在，其余部分作为剩余部分以液体状或固体状存在。此外，根据需要，还可以将氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体与气态的碱金属原子一同收纳在原子室30中。

尽管未图示，原子室30具有主体部和一对窗部，其中，所述主体部具有柱状的贯通孔，所述一对窗部气密地密封该贯通孔的两个开口。由此，形成收纳碱金属原子的内部空间。构成主体部的材料并不特别限定，可以使用金属材料、树脂材料、玻璃材料，硅材料、石英等，但是基于加工性以及与窗部进行接合的观点，优选使用玻璃材料、硅材料。窗部由透射激励光l的材料形成。作为构成窗部的材料，例如，可以使用石英玻璃、硼硅酸玻璃等。

[受光元件]

受光元件40检测透过原子室30的激励光l(第1共振光l1和第2共振光l2)的强度，输出与光的强度对应的检测信号。作为受光元件40，例如可以使用太阳能电池、光电二极管等。

[加热器]

加热器50对原子室30(更具体来说是原子室30中收纳的碱金属原子)进行加热。由此，能够将原子室30内的碱金属原子维持在适当浓度的气态。加热器50通过通电(直流)而发热，构成为例如包含发热电阻体。

加热器50只要能够对原子室30进行加热，也可以与原子室30接触，也可以不接触。此外，也可以代替加热器50，或者与加热器50一起地使用珀尔帖元件对原子室30进行加热。

[温度传感器]

温度传感器60检测加热器50或者原子室30的温度。根据温度传感器60的检测结果，控制加热器50的发热量。由此，能够将原子室30内的碱金属原子维持在期望的温度。温度传感器60的设置位置没有特别限定，例如，可以在加热器50上，也可以在原子室30的外表面上。例如，可以使用热敏电阻、热电偶等公知的温度传感器作为温度传感器60。

[线圈]

线圈70产生磁场，该磁场使原子室30内的碱金属原子简并的多个能级发生塞曼分裂。线圈70能够通过塞曼分裂扩大碱金属原子简并的不同能级间的能隙，从而提高分辨率。其结果是，能够提高原子振荡器100的振荡频率的精度。

线圈70例如是以夹着原子室30的方式配置的亥姆霍兹线圈、或者以覆盖原子室30的方式配置的螺线管线圈。利用线圈70能够在原子室30内朝一个方向产生均匀的磁场。另外，线圈70产生的磁场是恒定磁场(直流磁场)，但也可以叠加交流磁场。

[控制部]

控制部80控制发光元件模块10、加热器50和线圈70。控制部80具有：温度控制电路802，其根据温度传感器108的输出，控制第1温度控制元件104；波长控制电路804，其控制半导体激光器102的振荡波长(激励光l的中心波长)；光输出控制电路806，其控制半导体激光器102的光输出；以及高频控制电路808，其控制输入到半导体激光器102的高频信号。此外，控制部80具有：温度控制电路810，其控制原子室30中收纳的碱金属原子的温度；和磁场控制电路812，其控制线圈70产生的磁场。

关于用于进行发光元件模块10的控制的温度控制电路802、波长控制电路804、光输出控制电路806、高频控制电路808，将在后述的“1.3.原子振荡器的动作”中说明。

温度控制电路810根据温度传感器60的检测结果，控制对加热器50的通电。由此，能够将原子室30维持在期望的温度范围内(例如70℃左右)。

磁场控制电路812控制对线圈70的通电，使得线圈70产生的磁场恒定。

控制部80例如设置在ic(integratedcircuit)芯片中，该ic芯片安装在基板(未图示)上。

另外，作为构成控制部80的各控制电路802、804、806、808、810、812，也可以使用处理器(cpu(centralprocessingunit)等)。即，也可以通过利用处理器执行存储在存储装置(未图示)中的程序来进行发光元件模块10、加热器50和线圈70的控制。

1.2.发光元件模块的结构

接下来，参照附图对发光元件模块10的结构进行说明。图4是示意性地示出发光元件模块10的立体图。图5是示意性地示出发光元件模块10的俯视图。图6是示意性地示出发光元件模块10的剖视图。另外，图6是图5的vi-vi线的剖视图。在图4和图5中，为了方便起见，透视地图示出盖101b。

如图4～图6所示，发光元件模块10构成为包含半导体激光器102、第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和温度传感器108。发光元件模块10构成为还包含封装(容器)101，该封装101收纳半导体激光器102、第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和温度传感器108。另外，在本说明书中，相对地将盖侧作为上侧、基座侧作为下侧来说明发光元件模块10中的位置关系。

封装101具有：具有凹部3的基座101a；和堵塞凹部3的开口的盖101b。由盖101b堵塞的凹部3作为收纳半导体激光器102、第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和温度传感器108的收纳空间发挥功能。收纳空间优选处于真空状态、即压力低于大气压的状态。由此，能够减少封装101外部的温度变化(环境温度的变化)对封装101内的半导体激光器102、温度传感器108等产生的影响，从而能够减少半导体激光器102、温度传感器108等的温度变动。

另外，收纳空间可以不处于真空状态，也可以填充有例如氮、氦、氩等的惰性气体。

优选的是，基座101a由具有绝缘性且适于使收纳空间成为气密空间的材料构成。基座101a的材料例如是氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等氧化物陶瓷、氮化硅、氮化铝、氮化钛等氮化物陶瓷、碳化硅等碳化物陶瓷等各种陶瓷等。另外，还可以使用与盖子101b相同的金属材料作为基座101a的材料。

基座101a具有在比凹部3的底面靠上侧(盖101b侧)的位置形成的阶梯部4。在阶梯部4上设有与第1温度控制元件104电连接的一对连接电极110a、110b、与半导体激光器102电连接的一对连接电极112a、112b、与第2温度控制元件106电连接的一对连接电极114a、114b、以及与温度传感器108电连接的连接电极116a、116b。尽管未图示，但是这些连接电极110a、110b、112a、112b、114a、114b、116a、116b分别经由贯通电极与设置于基座101a的下表面、即基座101a的远离盖101b的一侧的面的未图示的外部安装电极电连接。

连接电极110a、110b、112a、112b、114a、114b、116a、116b、外部安装电极和贯通电极的材料没有特别限定，例如是金、金合金、铂、铝、铝合金、银、银合金、铬、铬合金、镍、铜、钼、铌、钨、铁、钛、钴、锌、锆等金属材料。

在基座101a的上端面设有框状的金属化层120。金属化层120用于增强与钎料之间的紧密贴合性。由此，可以利用焊料增加基座101a和盖101b的接合强度。

金属化层120的材质只要可以增强与焊料之间的紧密贴合性，并不特别限定，例如是上述作为连接电极110a、110b、112a、112b、114a、114b、116a、116b等材质而举出的金属材料。

盖101b的形状例如是平板状。在盖101b上形成有贯通孔，该贯通孔被具有相对于激励光l的透射性的窗部件101c密封。使用焊料，通过与金属化层120的焊接，将盖101b与基座101a接合。钎料的材质没有特别限定，例如是金焊料、银焊料等。

盖101b(窗部件101c以外的部件)的材质没有特别限定，适合使用金属材料，其中，优选使用线性膨胀系数与基座101a的构成材料近似的金属材料。因此，例如，在将基座101a形成为陶瓷基板时，盖101b的材质优选是可伐合金等合金。

窗部件101c配置在从半导体激光器102射出的激励光l的光路上。在图示的示例中，窗部件101c是板状。窗部件101c的形状不限于板状，例如也可以具有弯曲的面，从而作为透镜发挥功能。窗部件101c的材质例如是玻璃。

在基座101a的凹部3的底面配置有第1温度控制元件104。第1温度控制元件104例如通过粘接剂固定于基座101a。

在本实施方式中，第1温度控制元件104是帕尔帖元件。第1温度控制元件104的一对面中的一个面(下表面，凹部3的底面侧的面)固定于基座101a，另一个面(上表面，盖101b侧的面)构成被温度控制的温度控制面104a。在第1温度控制元件104的温度控制面104a上配置第2温度控制元件106和温度传感器108。

第1温度控制元件104具有一对面，该一对面的一个面为发热侧的面(发热面)，另一个面为吸热侧的面(吸热面)。第1温度控制元件104通过控制所提供的电流的方向，可以将温度控制面104a作为发热面，还可以将温度控制面104a作为吸热面。因此，即使环境温度的范围大，也能够将半导体激光器102等控制在期望的温度。温度控制面104a的温度是根据半导体激光器102的特性决定的。另外，环境温度意味着某个部件暴露的温度，即某个部件周围的温度。这里，是能够对半导体激光器102的温度产生影响的半导体激光器102周围的温度。

第1温度控制元件104具有一对端子105a、105b。端子105a经由布线130a与连接电极110a电连接，端子105b经由布线130b与连接电极110b电连接。由此，通过向一对端子105a、105b提供电流(电力)，能够驱动第1温度控制元件104。布线130a、130b是电线布线(键合线)。

在第1温度控制元件104的温度控制面104a上配置有例如由铝、金、银等导热性优异的金属构成的金属层140，在金属层140的表面配置有第2温度控制元件106和温度传感器108。即，第2温度控制元件106和温度传感器108经由金属层140配置在温度控制面104a上。另外，尽管未图示，第2温度控制元件106和温度传感器108也可以直接配置在温度控制面104a上。

第2温度控制元件106搭载于第1温度控制元件104。第2温度控制元件106具有温度控制面104a侧的面以及与温度控制面104a侧的面相反的一侧的面(配置面)106a。在第2温度控制元件106的配置面106a上配置有半导体激光器102。即，在发光元件模块10中，第2温度控制元件106配置在第1温度控制元件104上，半导体激光器102配置在第2温度控制元件106上。第2温度控制元件106位于第1温度控制元件104与半导体激光器102之间。因此，半导体激光器102不与第1温度控制元件104的温度控制面104a(金属层140)接触。

第2温度控制元件106的尺寸小于第1温度控制元件104的尺寸。因此，可以将第2温度控制元件106配置在第1温度控制元件104的温度控制面104a上。由此，能够如后述那样使第2温度控制元件106与半导体激光器102之间的距离小于第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的距离。

在本实施方式中，第2温度控制元件106是加热器。例如，可以使用发热电阻体、陶瓷加热器等公知的加热器作为第2温度控制元件106。

第2温度控制元件106的温度(配置面106a的温度)被控制在高于第1温度控制元件104的温度控制面104a的温度的温度。由此，还可以通过控制提供给第2温度控制元件106(加热器)的电流来降低半导体激光器102的温度。

这里，在原子振荡器100中，第2温度控制元件106控制半导体激光器102的温度，由此，进行半导体激光器102的振荡波长的控制(激励光l的中心波长的控制)。因此，优选的是，第2温度控制元件106高速控制半导体激光器102的温度，使得能够进行反馈控制，该反馈控制用于使后述的激励光l的中心波长(半导体激光器102的振荡波长)稳定在相当于吸收的底部的波长。换言之，优选的是，能够在较短时间内改变半导体激光器102的温度。

因此，在本实施方式中，第2温度控制元件106与半导体激光器102之间的距离小于第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的距离。由此，第2温度控制元件106与第1温度控制元件104相比，能够在短时间内将产生的热量传递给半导体激光器102。此外，第2温度控制元件106与第1温度控制元件104相比，能够局部性地控制半导体激光器102的温度。由此，能够高速控制半导体激光器102的温度。

另外，第2温度控制元件106与半导体激光器102之间的距离是第2温度控制元件106与半导体激光器102之间的最短距离，第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的距离是第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的最短距离。此外，温度控制元件104、106与半导体激光器102之间的距离是温度控制元件104、106的控制半导体激光器102的温度的部分与半导体激光器102之间的最短距离。温度控制元件104、106的控制半导体激光器102的温度的部分是进行发热、吸热等的温度变化的部分中的、被控制在规定温度的部分。例如，第1温度控制元件104是帕尔帖元件，进行发热或吸热的是温度控制面104a以及与基座101a接触的面。其中，被控制在规定温度的是温度控制面104a，因此，该情况下，第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的距离是温度控制面104a与半导体激光器102之间的最短距离。

此外，在本实施方式中，第2温度控制元件106的热容量小于第1温度控制元件104的热容量。通常，帕尔帖元件或加热器等温度控制元件的热容量越小，则控制响应性越好。即，对控制输入的响应速度快。因此，通过使用第2温度控制元件106控制半导体激光器102的温度，与使用第1温度控制元件104的情况相比，能够高速控制半导体激光器102的温度。在发光元件模块10中，通过使用尺寸小于第1温度控制元件104的温度控制元件作为第2温度控制元件106，减少了第2温度控制元件106的热容量。

在用于使激励光l的中心波长(半导体激光器102的振荡波长)稳定在相当于吸收的底部的波长的反馈控制中，需要以几mk～几十mk的精度控制半导体激光器102的温度。因此，通过将第2温度控制元件106搭载于第1温度控制元件104(将第2温度控制元件106配置在温度控制面104a上)，能够缩小第2温度控制元件106的温度控制范围(例如±1℃左右)，从而能够实现几mk～几十mk左右的较高的温度控制精度。例如，设第1温度控制元件104的温度控制面104a的温度为35℃，利用第2温度控制元件106将半导体激光器102的温度控制在36℃±1℃的范围内。通过这样缩小第2温度控制元件106的温度控制范围，能够相对提高温度控制精度，因此，能够实现较高的温度控制精度。

尽管未图示，第2温度控制元件106具有一对端子。一对端子中的1个端子经由布线134a与连接电极114a电连接。一对端子中的另1个端子经由布线134b与连接电极114b电连接。由此，通过对第2温度控制元件106的一对端子提供电流(电力)，能够驱动第2温度控制元件106。布线134a、134b例如是电线布线(键合线)。

半导体激光器102搭载于第2温度控制元件106。半导体激光器102例如是垂直腔面发射半导体激光器(vcsel)。半导体激光器102通过将高频信号叠加在直流偏置电流上(调制)，射出上述的频率不同的两种光(第1共振光l1和第2共振光l2)作为激励光l。

尽管未图示，半导体激光器102具有一对端子。一对端子中的1个端子是驱动信号用端子，另1个端子是接地用端子。驱动信号用的端子经由布线132a、设置于中继部件150的布线层152以及布线132b与连接电极112a电连接。接地用端子经由布线132c与连接电极112b电连接。布线132a、132b、132c例如是电线布线(键合线)。利用半导体激光器102与连接电极112a、112b的电连接，可以将电流(电力)提供给半导体激光器102以驱动半导体激光器102。

中继部件150具有绝缘性。中继部件150的材质例如为陶瓷。设置于中继部件150的布线层152介于连接半导体激光器102和连接电极112a的布线的中途(布线132a与布线132b之间)。由此，能够将布线132a、132b与第1温度控制元件104的温度控制面104a进行热连接，可以减少布线132a、132b的温度变动。

温度传感器108搭载于第1温度控制元件104。温度传感器108检测第1温度控制元件104或半导体激光器102的温度。例如，可以使用热敏电阻、热电偶等作为温度传感器108。

尽管未图示，温度传感器108具有一对端子。一对端子中的1个端子是检测信号用端子，另1个端子是接地用端子。检测信号用端子经由布线136a、设置于中继部件160的布线层(未图示)、布线136b与连接电极116a电连接。接地用端子经由布线136c与连接电极116b电连接。布线136a、136b、136c例如是电线布线(键合线)。

中继部件160具有绝缘性。中继部件160的材质例如为陶瓷。设置于中继部件160的布线层介于连接温度传感器108和连接电极116a的布线的中途(布线136a与布线136b之间)。由此，能够将布线136a、136b与第1温度控制元件104的温度控制面104a进行热连接，可以减少布线136a、136b的温度变动。

1.3.原子振荡器的动作

首先，对进行发光元件模块10的控制的温度控制电路802、波长控制电路804、光输出控制电路806和高频控制电路808进行说明。

温度控制电路802根据温度传感器108的检测结果来控制对第1温度控制元件104的通电。由此，即使环境温度的范围大，也能够将半导体激光器102调整为期望的温度。温度控制电路802根据温度传感器108的输出控制第1温度控制元件104，使得例如第1温度控制元件104的温度控制面104a的温度变为期望的温度(例如35℃)。

波长控制电路804根据受光元件40输出的检测信号的信号强度，向第2温度控制元件106提供电流，由此，控制半导体激光器102的振荡波长(即，激励光l的中心波长)。波长控制电路804控制半导体激光器102的振荡波长，使得半导体激光器102产生的激励光l的中心波长(频率)稳定在期望的波长(频率)。

波长控制电路804通过控制第2温度控制元件106来控制半导体激光器102的振荡波长。即，通过控制半导体激光器102的温度来控制半导体激光器102的振荡波长。

具体而言，在初始状态下，波长控制电路804提供电流(电力)，使得第2温度控制元件106(加热器)的温度变成比第1温度控制元件104的温度控制面104a的温度高几℃左右的温度。例如，当温度控制面104a的温度为35℃时，使第2温度控制元件106的初始状态下的温度为36℃左右。并且，当使半导体激光器102的波长变长时，波长控制电路804增加提供给第2温度控制元件106的电流(电力)，使半导体激光器102的温度上升。此外，当使半导体激光器102的波长变短时，波长控制电路804减少提供给第2温度控制元件106的电流(电力)，使半导体激光器102的温度降低。

波长控制电路806根据受光元件40输出的检测信号的信号强度，向半导体激光器102提供电流(驱动电流)，由此，控制半导体激光器102的光输出。光输出是从半导体激光器102射出的光的强度，是在不经由光学部件的状态下的从半导体激光器102射出的光的强度。光输出控制电路806控制半导体激光器102，使得半导体激光器102的光输出(激励光l的光强度)恒定。具体而言，光输出控制电路806控制半导体激光器102的光输出，使得受光元件40的检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)成为规定值。

高频控制电路808进行向半导体激光器102提供高频信号的控制。高频控制电路808将高频信号的频率控制为相当于碱金属原子的(ω1-ω2)的一半的频率。

接下来，对原子振荡器100的动作进行说明。首先，对启动停止状态下的原子振荡器100时的初始动作进行说明。

光输出控制电路806根据受光元件40输出的检测信号的信号强度来改变半导体激光器102的光输出。具体而言，光输出控制电路806改变半导体激光器102的光输出，使得改变激励光l的中心波长时的检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)成为规定值。

接下来，高频控制电路808向半导体激光器102输入高频信号。这时，预先使高频信号的频率稍稍偏移，以免显现eit现象。例如，当使用铯作为原子室30的碱金属原子时，使其从4.596ghz偏移。

接下来，波长控制电路804扫描激励光l的中心波长。这时，由于高频信号的频率被设定成不会显现eit现象，因此，不显现eit现象。当扫描激励光l的中心波长时，波长控制电路804检测从受光元件40输出的检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)。例如，波长控制电路804将相对于激励光l的中心波长的、检测信号的信号强度变化处于一定比率以下的位置设为吸收的底部。

当检测到吸收的底部时，波长控制电路804固定(锁定)激励光l的中心波长。即，波长控制电路804将激励光l的中心波长固定为相当于吸收的底部的波长。

接下来，高频控制电路808使高频信号的频率与显现eit现象的频率一致。然后，转移到循环动作，高频控制电路808对受光元件40输出的检测信号进行同步检波而检测eit信号。

接下来，对原子振荡器100的循环动作进行说明。

高频控制电路808对受光元件40输出的检测信号进行同步检波而检测eit信号，将高频信号的频率控制为相当于原子室30的碱金属原子的(ω1-ω2)的一半的频率。

波长控制电路804进行反馈控制，该反馈控制用于使激励光l的中心波长稳定在相当于吸收的底部的波长。具体而言，波长控制电路804对受光元件40输出的检测信号进行同步检波，并控制第2温度控制元件106，使得激励光l的中心波长成为相当于吸收的底部的波长。

光输出控制电路806进行反馈控制，使得半导体激光器102的光输出恒定。例如，光输出控制电路806对受光元件40输出的检测信号进行同步检波，当检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)变得小于规定值时，向半导体激光器102提供驱动电流，使得检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)成为规定值。另外，即使通过光输出控制电路806的控制而使激励光l的中心波长从相当于吸收的底部的波长偏移，也能够通过上述波长控制电路804的控制而使激励光l的中心波长与相当于吸收的底部的波长一致。

原子振荡器100例如具有以下特征。

原子振荡器100包含：第1温度控制元件104，其根据温度传感器108的输出而受到控制；和第2温度控制元件106，其根据受光元件40输出的检测信号而受到控制，第2温度控制元件106与半导体激光器102之间的距离小于第1温度控制元件104与半导体激光器102之间的距离。因此，在原子振荡器100中，通过使用第2温度控制元件106控制半导体激光器102的温度，与使用第1温度控制元件104控制半导体激光器102的温度的情况相比，能够更高速地控制半导体激光器102的温度。因此，在原子振荡器100中，根据受光元件40的检测信号控制第2温度控制元件106，从而进行反馈控制，该反馈控制用于使激励光l的中心波长(半导体激光器102的振荡波长)稳定在相当于吸收的底部的波长。

这里，当利用半导体激光器102的温度使半导体激光器102的振荡波长变动时，与例如利用驱动电流使半导体激光器102的振荡波长变动的情况相比，半导体激光器102的光输出的变动极小。具体而言，当利用半导体激光器102的温度使半导体激光器102的振荡波长变动时，与利用驱动电流使半导体激光器102的振荡波长变动的情况相比，半导体激光器102的光输出的变动约为1/30。因此，通过利用半导体激光器102的温度控制半导体激光器102的振荡波长，能够减少由于控制半导体激光器102的振荡波长而引起的半导体激光器102的光输出的变动。

这样，根据原子振荡器100，能够减少由于控制半导体激光器102的振荡波长而引起的半导体激光器102的光输出的变动。其结果，能够减少半导体激光器102的光输出的变动引起的原子振荡器的频率变动(由于ac斯塔克效应引起的频率变动)，能够实现频率稳定性优异的原子振荡器。

另外，还可以想到，不使用第2温度控制元件106，仅使用第1温度控制元件104进行上述半导体激光器102的温度控制。然而，半导体激光器102的振荡波长的控制要求较高的控制响应性。第1温度控制元件104即使在较大范围的环境温度(例如，-10℃～60℃的范围)下也起到将半导体激光器102保持在期望的温度的作用，因此优选使用热容量较大的温度控制元件。通常，温度控制元件的控制响应性随着热容量的增加而恶化。因此，如果不使用第2温度控制元件106而仅使用第1温度控制元件104进行半导体激光器102的温度控制，则响应较慢，因此，可能无法进行适当的反馈控制。

根据原子振荡器100，通过如上所述使用两个温度控制元件(第1温度控制元件104和第2温度控制元件106)，能够应对较大范围的环境温度并减少由于控制半导体激光器102的振荡波长而引起的半导体激光器102的光输出的变动，从而能够实现频率稳定性优异的原子振荡器。

在原子振荡器100中，光输出控制电路806根据受光元件40的检测信号向半导体激光器102提供电流，从而控制半导体激光器102的光输出。此外，在原子振荡器100中，波长控制电路804根据受光元件40的检测信号向第2温度控制元件106提供电流，从而控制半导体激光器102的振荡波长。因此，在原子振荡器100中，能够利用驱动电流控制半导体激光器102的光输出，能够利用半导体激光器102的温度来控制半导体激光器102的振荡波长。

例如假设在利用半导体激光器102的驱动电流控制了半导体激光器102的振荡波长的情况下，通过控制半导体激光器102的振荡波长，半导体激光器102的光输出也会变动。因此，例如在半导体激光器102的光输出随时间变化的情况下，当控制驱动电流以使半导体激光器102的光输出恢复到初始值时，振荡波长也会变动。在半导体激光器102的振荡波长随时间变化的情况下、以及光输出和振荡波长双方随时间变化的情况下，都会发生同样的问题。这样，在利用半导体激光器102的驱动电流控制半导体激光器102的振荡波长时，无法补偿半导体激光器102的长期光输出和振荡波长变化，因此，有时原子振荡器的长期稳定性降低。

与此相对，在原子振荡器100中，能够利用半导体激光器102的温度来控制半导体激光器102的振荡波长，能够利用半导体激光器102的驱动电流来控制半导体激光器102的光输出，因此，不会发生上述的现象，能够实现长期稳定性优异的原子振荡器。

此外，在原子振荡器100中，由于光输出控制电路806根据受光元件40的检测信号来控制半导体激光器102的光输出，因此，即使在温度传感器108由于随时间劣化等而无法准确地测定温度的情况下(例如，在实际温度为35℃而测定结果为34.9℃的情况下)，可以控制半导体激光器102的光输出，使得检测信号的信号强度的最小值(吸收的底部)成为规定值。这样，在原子振荡器100中，还可以补偿由于温度传感器108因为随时间劣化等而无法准确地测定温度引起的半导体激光器102的光输出的变动。

在原子振荡器100中，第2温度控制元件106搭载于第1温度控制元件104，半导体激光器102搭载于第2温度控制元件106。因此，在原子振荡器100中，可以利用第1温度控制元件104减少环境温度对半导体激光器102和第2温度控制元件106的影响，可以利用第2温度控制元件106高速控制半导体激光器102的温度。

在原子振荡器100中，第1温度控制元件104是帕尔帖元件，由此能够应对较大范围的环境温度。此外，在原子振荡器100中，第2温度控制元件106是加热器，由此，例如，与第2温度控制元件106为帕尔帖元件的情况相比，能够使元件小型化和简化。

在原子振荡器100中，第2温度控制元件106配置在第1温度控制元件104的温度控制面104a，半导体激光器102配置在第2温度控制元件106的与温度控制面104a侧的面相反一侧的面106a。因此，在原子振荡器100中，可以利用第1温度控制元件104来减少环境温度对半导体激光器102和第2温度控制元件106的影响，可以利用第2温度控制元件106高速控制半导体激光器102的温度。

1.4.变形例

另外，本发明不限于上述实施方式，可以在本发明的主旨的范围内进行各种变形实施。在以下说明的变形例中，对与上述的原子振荡器100的构成部件具有相同功能的部件标注相同的标号，并省略其详细的说明。

例如，在上述实施方式中，对第1温度控制元件104是帕尔帖元件的情况进行了说明，但是，第1温度控制元件104只要可以将半导体激光器102的温度控制到期望的温度，则不限于此。例如，第1温度控制元件104也可以是发热电阻体、陶瓷加热器等公知的加热器。

此外，例如，在上述实施方式中，对第2温度控制元件106是加热器的情况进行了说明，但是，第2温度控制元件106只要具有能够对半导体激光器102的温度进行反馈控制的控制响应性，使得激励光l的中心波长(半导体激光器102的振荡波长)成为相当于吸收的底部的波长，则不限于此。例如，第2温度控制元件106也可以是帕尔帖元件。

此外，在上述实施方式中，对第2温度控制元件106配置在第1温度控制元件104上、半导体激光器102配置在第2温度控制元件106上的示例进行了说明，但是，第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和半导体激光器102的配置不限于此。第2温度控制元件与半导体激光器之间的距离只要小于第1温度控制元件与半导体激光器之间的距离即可。例如，第1温度控制元件104、第2温度控制元件106和半导体激光器102也可以按此顺序排列配置在封装101的基座101a上。此外，也可以是，第1温度控制元件104和第2温度控制元件106配置在基座101a上，半导体激光器102配置在第2温度控制元件106上。

2.频率信号生成系统

接下来，参照附图对本实施方式的频率信号生成系统进行说明。本发明的系统包含本发明的原子振荡器。另外，在本说明书中，包含原子振荡器的装置以及包含该装置和其它装置的系统均被称为频率信号生成系统。在以下内容中，作为本发明的频率信号生成系统，对包含原子振荡器100的定位系统进行说明。作为本实施方式的频率信号生成系统的一例，图7是用于说明使用gps(globalpositioningsystem：全球定位系统)卫星的定位系统1000的图。在本实施方式中，基站装置1020或定位系统1000相当于频率信号生成系统。

如图7所示，定位系统1000包含基站装置1020和gps接收装置1030。

gps卫星1010发送定位用卫星信息(gps信号)。

基站装置1020具有：接收装置1024，其经由例如设置于电子基准点(gps连续观测站)的天线1022高精度地接收来自gps卫星1010的定位信息；和发送装置1028，其经由天线1026发送由接收装置1024接收到的定位信息。作为基准频率振荡源，接收装置1024具有原子振荡器100。由发送装置1028实时地发送由接收装置1024接收到的定位信息。

gps接收装置1030具有：卫星接收部1034，其经由天线1032接收来自gps卫星1010的定位信息；和基站接收部1038，其经由天线1036接收来自基站装置1020的定位信息。

由于定位系统1000包含具有优异的频率稳定性的原子振荡器100，因此，能够具有优异的可靠性。

作为本实施方式的频率信号生成系统的一例，图8是用于说明时钟传输系统2000的图。

图8所示的时钟传输系统2000是如下这样的系统：用于使时分复用方式的网络内的各装置的时钟一致，具有n(normal：正常)系统和e(emergency：紧急)系统的冗余结构。

时钟传输系统2000具备a站(上位(n系统))的时钟提供装置(csm：clocksupplymodule)2001和sdh(synchronousdigitalhierarchy)装置2002、b站(上位(e系统))的时钟提供装置2003和sdh装置2004、以及c站(下位)的时钟提供装置2005和sdh装置2006、2007。

时钟提供装置2001具有原子振荡器100，生成n系统的时钟信号。时钟提供装置2001内的原子振荡器100与来自包含使用铯的原子振荡器的主时钟2008、2009的更高精度的时钟信号同步地生成时钟信号。

sdh装置2002根据来自时钟提供装置2001的时钟信号进行主信号的收发，并将n系统时钟信号叠加在主信号上，传输到下位的时钟提供装置2005。

时钟提供装置2003具有原子振荡器100，生成e系统的时钟信号。该时钟提供装置2003内的原子振荡器100与来自包含使用铯的原子振荡器的主时钟2008、2009的更高精度的时钟信号同步地生成时钟信号。

sdh装置2004根据来自时钟提供装置2003的时钟信号，进行主信号的收发，并将e系统时钟信号叠加在主信号上，传输到下位的时钟提供装置2005。时钟提供装置2005接收来自时钟提供装置2001、2003的时钟信号，与该接收到的时钟信号同步地生成时钟信号。

这里，通常，时钟提供装置2005与来自时钟提供装置2001的n系统时钟信号同步地生成时钟信号。然后，当n系统发生异常时，时钟提供装置2005与来自时钟提供装置2003的e系统时钟信号同步地生成时钟信号。通过这样从n系统切换到e系统，能够确保稳定的时钟提供，并提高时钟路径网络的可靠性。sdh装置2006根据来自时钟提供装置2005的时钟信号，进行主信号的收发。同样，sdh装置2007根据来自时钟提供装置2005的时钟信号，进行主信号的收发。由此，能够使得c站的装置与a站或b站的装置同步。

由于时钟传输系统2000包含具有优异的频率稳定性的原子振荡器100，因此，能够具有优异的可靠性。

另外，包含本发明的原子振荡器的频率信号生成系统不限于定位系统和时钟传输系统，例如还可以应用于移动电话机、数字照相机、喷墨式排出装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、车载导航装置、寻呼机、电子记事本(还包含带通信功能的)、电子辞典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、视频电话、防盗用电视监视器、电子望远镜、pos(pointofsale)终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测量设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器等。

3.移动体

接下来，对本实施方式的移动体进行说明。本发明的移动体包含本发明的原子振荡器。包含本发明的原子振荡器的移动体不限于汽车，也可以应用于例如喷气飞机或直升机等飞机、船舶、火箭、人造卫星等。

本发明包含与在实施方式中说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法以及结果相同的结构、或目的以及效果相同的结构)。此外，本发明包含将在实施方式中说明的结构的非本质性部分进行替换而得到的结构。此外，本发明包含能够起到与在实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构或能够实现相同的目的的结构。此外，本发明包含在实施方式中说明的结构中附加公知技术后的结构。