JP2021012902A - 複合光共振器、温度センサ、光共振器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノケルビンオーダーの温度管理によって、光共振器の１０-15未満の周波数の確度を実現可能な光共振器装置を提供する。【解決手段】複合光共振器１０は、スペーサ１に互いに並行するように形成された空洞１ｃと、それぞれの空洞１ｃの両端に設けられた反射鏡２１，２３，２５とを備える光共振器１１，１２，１３が設けられ、光共振器１２の反射鏡２３と光共振器１３の反射鏡２５とは、それぞれの基板２ｃ，２ｄによって熱膨張係数が異なる。複合光共振器１０の温度が変動すると、熱膨張によって共振器長が変化し、さらに熱膨張係数の高い反射鏡２３が撓んで光共振器１２の共振器長がより大きく変化する。光共振器１２，１３の共振周波数の差を計測することによって、複合光共振器１０の温度変動を高精度で検出することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、複合光共振器、温度センサ、及び光共振器装置に関する。

原子や分子の遷移周波数を利用する原子時計に使用される光共振器は、スペーサに形成された空洞と、この空洞の両端に設けられた一対の反射鏡とを有する。共振周波数（共鳴周波数）は一対の反射鏡間の距離（共振器長）に依存するので、光共振器は、周波数変動のないようにするために、温度変動による熱膨張、気圧変化による影響、及び機械的振動を極力皆無とするように構成される。

スペーサの熱膨張を抑制するために、スペーサを超低熱膨張材料で形成すると共に、温度調整機能を有する真空恒温チャンバに光共振器を収容し、さらに真空恒温チャンバと光共振器の間に熱遮蔽材を設けて、マイクロケルビン単位で温度管理される（非特許文献１〜３）。また、反射鏡にスペーサと同じ材料からなる補償部材を取り付けて、温度変動による反射鏡の撓みを抑制した光共振器が開示されている（特許文献１）。また、複数の光共振器の並列動作によってそれぞれの帰還光の周波数を平均化して、熱振動による影響を軽減する装置が開示されている（特許文献２）。また、光共振器は、機械的振動を抑制するために除振台に搭載される。さらに、一体のスペーサを共有する複数の光共振器を加速度センサに利用して、その出力の負帰還によって駆動する台に搭載されて能動的に除振する装置が開示されている（特許文献３）。

独国特許出願公開第１０２００８０４９３６７号明細書 特許第６２８４１７６号公報 特許第６２５６８７６号公報

J.Keller, S. Ignatovich, S. A. Webster, T. E. Mehlstaubler, "Simple vibration insensitive cavity for laser stabilization at the 10-16 level", Applied Physics B 116, 203 (2014), 2013 D.R. Leibrandt, J. C. Bergquist, T. Rosenband, "Cavity-stabilized laser with acceleration sensitivity below 10-12 g-1", Physical Review A 87, 023829 (2013), 2013 J.Alnis, A. Matveev, N. Kolachevsky, Th. Udem, T. W. Hansch, "Subhertz linewidth diode lasers by stabilization to vibrationally and thermally compensated ultralow-expansion glass Fabry-Perot cavities", Physical Review A 77, 053809 (2008), 2008

しかし、光共振器は、周波数の不確かさ（確度）を１０^-15未満として良好に維持するためには、ナノケルビン程度以下の温度安定性が必要とされ、現在の標準温度センサでは達成不可能である。このような温度センサの精度未満の温度変動をも抑制するために、光共振器は、大型化、精密化した恒温チャンバに、厚みのある、または二重以上の熱遮蔽材を介在して収容されるが、十分な温度管理は不可能である。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、ナノケルビンオーダーの高精度な温度センサ、及びこの温度センサを構成する複合光共振器、並びに、光共振器の１０^-15未満の周波数の確度を実現可能な光共振器装置を提供することを課題とする。

本発明に係る複合光共振器は、スペーサの一面から他面まで貫通する空洞と前記空洞の両端に設けられた反射鏡とを備える光共振器を、前記スペーサに前記空洞が並行するように複数設けた複合光共振器であって、一部の前記光共振器の反射鏡と他の前記光共振器の反射鏡とは熱膨張率が異なる構成である。

また、本発明に係る別の複合光共振器は、スペーサの一面から他面まで貫通する空洞と前記空洞の両端に設けられた反射鏡とを備える光共振器を、前記スペーサに前記空洞が並行するように複数設けた複合光共振器であって、一部の前記光共振器が、前記反射鏡よりも熱膨張率が低い補整部材を、前記反射鏡の前記空洞に対向する側の反対側に接続して備えるものである。

かかる構成により、複合光共振器は、温度が変動したときに、一部の光共振器と他の光共振器とで共振器長の変化量が異なる。したがって、前記一部の光共振器と他の光共振器との共振周波数同士の差を計測することによって、温度変動を検知することができる。

本発明に係る温度センサは、前記のいずれかの複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、を備え、前記共振周波数差が所定値となるときの前記複合光共振器の温度を基準温度として、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差と前記所定値との差から、前記複合光共振器の温度と前記基準温度との差を検出する構成である。

かかる構成により、温度センサは、一部の光共振器の温度感度が相対的に高い複合光共振器を備えて、さらに、前記一部の光共振器の共振周波数を他の光共振器の共振周波数との差として算出する周波数比較手段によって、複合光共振器の温度を高精度で検知することができる。

本発明に係る光共振器装置は、前記のいずれかの複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、前記複合光共振器の温度を制御する温度制御手段と、を備え、前記温度制御手段は、前記共振周波数差が一定の値となるように、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差に基づいて、前記複合光共振器の温度のフィードバック制御を行う構成である。

かかる構成により、光共振器装置は、複合光共振器について、熱遮蔽材のような受動的な温度保持手段のみによらずに、また、別途温度センサを接触設置することなく、温度を所定温度に高精度で管理することができる。

本発明に係る別の光共振器装置は、前記のいずれかの複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、前記複合光共振器の一つの光共振器に共振した光の波長をシフトさせる波長シフト手段と、を備え、前記波長シフト手段は、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差に基づいて、前記一つの光共振器の共振周波数の変動を打ち消すフィードフォワード制御を行う構成である。

かかる構成により、光共振器装置は、温度の微小な変動によって生じる共振周波数のドリフトを補償することができる。

本発明によれば、ナノケルビンオーダーの高精度な温度センサ、及びこの温度センサを構成する複合光共振器、並びに、光共振器の１０^-15未満の周波数の確度を実現可能な光共振器装置が得られる。

本発明の実施形態に係る光共振器装置の構造を説明するブロック図である。 本発明の実施形態に係る複合光共振器の構造を模式的に説明する外観図である。 図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線における部分断面図である。 図１に示す光共振器装置の波長安定化装置の構造を説明するブロック図である。 図１に示す光共振器装置の同調器の構造を説明するブロック図である。 本発明に係る複合光共振器の温度変化による変形を誇張して模式的に説明する部分断面図である。 複合光共振器における光共振器毎の共振周波数の温度依存性を表すグラフである。

本発明に係る複合光共振器、温度センサ、及び光共振器装置を実施するための形態について、図を参照して説明する。図面に示す複合光共振器及びその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状を単純化していることがある。また、同一構造の要素については、同じ符号を付して表す。

〔光共振器装置〕
図１に示すように、本発明の実施形態に係る光共振器装置１００は、複数の光共振器１１，１２，１３を有する複合光共振器１０と、光共振器１１，１２，１３にレーザー光を導入するレーザー光源３と、光共振器１２の共振周波数ｆ２と光共振器１３の共振周波数ｆ１との差（共振周波数差）を計測する周波数比較器（周波数比較手段）７と、複合光共振器１０の温度を所定温度に制御する温度制御装置（温度制御手段）８１を備える真空恒温チャンバ８と、波長シフタ（波長シフト手段）９と、を備え、光共振器１１に共振した光を、温度変動による周波数ドリフト（変動）を波長シフタ９で打ち消して出力する。光共振器装置１００はさらに、光アイソレータ６１と、レーザー光源３が照射したレーザー光Ｌ０を分岐させるビームスプリッタ６２，６３，６５と、ミラー６４，６６と、レーザー光源３の発振波長を安定化する波長安定化装置４と、光共振器１３，１２に導入するレーザー光Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ波長安定化する同調器５，５と、を備える。また、真空恒温チャンバ８がその真空容器内に複合光共振器１０を収容して、除振台（図示省略）に搭載されている。光共振器装置１００が出力した光Ｌ０_corrは、外部の光周波数カウンタ（図示省略）等に入力される。なお、図１、及び後記図３及び図４において、実線の矢印で電気信号を、ハッチングを付した矢印で光を、白抜き矢印で環境（温度及び圧力）の制御を、それぞれ表す。以下、各要素について詳細に説明する。

（複合光共振器）
複合光共振器１０は、スペーサの上面から下面まで貫通する空洞とこの空洞の両端に設けられた反射鏡とを有する光共振器を、それぞれの空洞が並行するように複数設ける。すなわち、これらの光共振器はそれぞれ、空洞を光路とするファブリペロー共振器であり、一つのスペーサを共有する。本実施形態に係る複合光共振器１０は、図２Ａに示すように、３つの光共振器１１，１２，１３が一列に並んで設けられている。そのために、複合光共振器１０は、３本の空洞１ｃが形成されたスペーサ１、スペーサ１の空洞１ｃ毎に両端に向かい合って設けられた反射鏡２１，２２、反射鏡２３，２４、及び反射鏡２５，２６、並びに、反射鏡２１，２２のそれぞれに接合した補整部材２７を備える。複合光共振器１０を構成するこれらの部材は、低熱膨張材料で形成され、また、経年劣化し難い材料が好ましい。

光共振器１１は、その共振周波数でレーザー光源３の発振波長を安定化させる参照光共振器であり、かつ、周波数基準とする主光共振器として使用される。そのために、光共振器１１は、共振周波数の安定性に特に優れるように構成される。さらに、光共振器１１は、温度感度が、他の光共振器の少なくとも一つよりも低く、すなわち光共振器１２よりも低くなるように構成される。このような光共振器１１は、スペーサ１の中心に形成された１本の空洞１ｃ、及びその両端で向かい合う一対の反射鏡２１，２２、並びに補整部材２７，２７で構成される。光共振器１２及び光共振器１３は、これら２つが組み合わされて温度センサに使用される。そのために、光共振器１２が光共振器１３よりも温度感度が高くなるように構成される。また、光共振器１３は、温度感度がより低くなるように構成されることが好ましい。光共振器１２は、１本の空洞１ｃ、及びその両端で向かい合う一対の反射鏡２３，２４で構成される。同様に、光共振器１３は、１本の空洞１ｃ、及びその両端で向かい合う一対の反射鏡２５，２６で構成される。

スペーサ１は、外形が、双円錐台（樽型）で、さらに径の太い部分に鍔状に張り出した支持部を有する回転体である。この回転体の回転の軸をスペーサ１の中心軸と称する。スペーサ１は、一面から他面まで中心軸方向に貫通する空洞１ｃが３本形成されている。空洞１ｃは円柱形状である。空洞１ｃは、３本が一方向に等間隔で並んで形成され、中央の１本の中心軸がスペーサ１の中心軸と一致する。スペーサ１の形状は、空洞１ｃを含めて回転対称性を有することが好ましい。また、スペーサ１の中心軸が特に機械的振動等の影響を受け難い位置であることから、中央の空洞１ｃが光共振器１１に適用される。なお、空洞１ｃ内は、高真空であり、真空吸引のために、スペーサ１の外周面で開放するように、スペーサ１に形成された図示しない貫通孔と連通している。スペーサ１は、熱膨張係数が特に小さい材料（超低熱膨張材料）で形成される。具体的には、零膨脹率になる温度（Zero-Crossing温度）が室温に近いＵＬＥ（Ultra-Low-Expansion、登録商標、Corning社）ガラスやゼロデュア（Zerodur、登録商標、Schott社）が挙げられ、クリープが小さいことからＵＬＥガラスが特に好ましい。

反射鏡２１及び反射鏡２２は、光共振器１１において、空洞１ｃの両端の開口部を塞ぐように、オプティカルコンタクトによってスペーサ１と接合されている。図２Ｂに示すように、反射鏡２１，２２は、それぞれ、反射面を構成する反射膜２ａと、これを支持する基板２ｂとからなる。そして、反射鏡２１，２２は、基板２ｂ上における空洞１ｃに対向する領域に、反射膜２ａを成膜してなる。反射膜２ａは、例えば、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の誘電体多層膜である。反射鏡２１，２２は、ブラウン運動による共振周波数の変動を抑制するために、熱雑音の少ない基板２ｂを備えることが好ましい。このような基板２ｂとして、石英ガラスが挙げられる。また、反射鏡２１は平面鏡、反射鏡２２は凹面（球面）鏡であり、それぞれの形状に基板２ｂが加工されている。あるいは、反射鏡２１と反射鏡２２とは、凸面鏡と凹面鏡の組合せでもよいし、両方が凹面鏡でもよい。

反射鏡２３，２５は反射鏡２１と、反射鏡２４，２６は反射鏡２２と、それぞれ同一形状であり、これらは反射鏡２１，２２と同様に、空洞１ｃの両端の開口部を塞ぐようにスペーサ１と接合されている。光共振器１２の反射鏡２３，２４は、それぞれ、反射面を構成する反射膜２ａと、これを支持する基板２ｃとからなる。光共振器１３の反射鏡２５，２６は、それぞれ、反射面を構成する反射膜２ａと、これを支持する基板２ｄとからなる。反射鏡２３，２４と反射鏡２５，２６とは、互いに熱膨張係数が異なる。そのために、反射鏡２３，２４及び反射鏡２５，２６のそれぞれの大部分を占める部材である基板２ｃと基板２ｄとは、互いに熱膨張係数の異なる材料で形成される。詳しくは、温度感度が高い光共振器１２の反射鏡２３，２４の基板２ｃの方が、熱膨張係数が高い材料とする。さらに、熱膨張係数の低い基板２ｄは、スペーサ１と同じ熱膨張係数であることが好ましく、すなわち、スペーサ１と同じ材料で形成されることが好ましい。例えば、スペーサ１がＵＬＥガラスで形成されている場合、反射鏡２５，２６の基板２ｄが同じくＵＬＥガラスで形成され、これに対して、反射鏡２３，２４の基板２ｃが石英ガラスやＢＫ７（ホウケイ酸クラウンガラス）で形成される。なお、光共振器１２の反射鏡２３及び反射鏡２４は、少なくとも一方が反射鏡２５，２６よりも熱膨張係数が高ければよい。例えば、反射鏡２４が熱膨張係数の高い基板２ｃを有し、かつ、反射鏡２３が光共振器１３の反射鏡２５と同じ基板２ｄを有していてもよい。このような構成により、光共振器１２は、反射鏡２３，２４の両方が基板２ｃを有する場合よりも温度感度が低くなる。光共振器１２は、後記するように、必要とする温度感度に応じて、反射鏡２３，２４を設計される。

補整部材２７は、熱変動による光共振器１１の共振周波数の変化を抑制するために設けられる。前記したように、反射鏡２１，２２の基板２ｂは、石英ガラスが好適であるが、スペーサ１を構成するＵＬＥガラスよりも熱膨張係数が高い。そこで、反射鏡２１，２２及びスペーサ１の熱膨張差による変形を抑制するために、反射鏡２１，２２のスペーサ１との接合面と反対側に、基板２ｂよりも熱膨張係数の低い材料からなる補整部材２７を接合する。補整部材２７は、スペーサ１と反射鏡２１，２２との接合と同様に、オプティカルコンタクトによって反射鏡２１，２２（基板２ｂ）と接合されている。補整部材２７は、スペーサ１と同じ熱膨張係数であることが好ましく、すなわち、スペーサ１と同じ材料で形成されることが好ましい。補整部材２７は、光共振器１１に導入されるレーザー光の光路を避けて、空洞１ｃの延長上に貫通孔を有する円環柱形状に形成される。また、補整部材２７は、反射鏡２１，２２を、スペーサ１と共に両面から挟んでその撓みを抑制するために、厚さ及び反射鏡２１，２２との接合面積が十分に大きいことが好ましい。

光共振器１１，１２，１３は、平面鏡である反射鏡２１，２３，２５の側からレーザー光を導入されることが好ましく、また、光路が重力方向であることが好ましい。したがって、複合光共振器１０は、図２Ａに示すように、空洞１ｃの貫通方向を鉛直方向に向けて、真空恒温チャンバ８の真空容器内に設置される。その際、複合光共振器１０は、スペーサ１の鉛直方向中心に設けられた鍔状の支持部における等間隔な３、４点で、例えば環状の台座に取り付けられた柱によって支持されて、支持点以外を非接触とする。光共振器１１，１２，１３への機械的振動等の影響を低減するために、支持点は、空洞１ｃからの距離が長い箇所とすることが好ましい。また、複合光共振器１０は、室温近傍（例えば、２５℃）で使用されることが好ましい。

（レーザー光源、光学素子）
レーザー光源３は、光共振器１１，１２，１３に導入するレーザー光の光源である。レーザー光源３は、供給する電流を変化させる等により、発振波長を僅かに変化させることができる。図１に示すように、レーザー光源３が照射したレーザー光Ｌ０は、光アイソレータ６１を透過し、ビームスプリッタ６２，６３及びミラー６４によって分岐されて、波長安定化装置４または同調器５を経由して光共振器１１，１２，１３に導入される。レーザー光Ｌ０はさらに、ビームスプリッタ６５によって分岐されて、外部に出力される。光アイソレータ６１は、レーザー光源３の発振動作の戻り光による擾乱を防止するものである。

（波長安定化装置）
波長安定化装置４は、レーザー光源３の発振波長を、光共振器１１の共振波長（共振周波数ｆ０）にロックするＰＤＨ法（Pound-Drever-Hall method）によって安定化する。波長安定化装置４は、一例として、図３に示すように、レーザー光の位相を変調する光変調器４２と、発振器４３と、半波長板（λ／２板、ＨＷＰ）４７と、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４８と、４分の１波長板（λ／４板、ＱＷＰ）４９と、光検出器（ＰＤ、Photodetector）４４と、同期検波器４５と、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential、比例積微分）制御器４６と、を備える。

光変調器４２は、レーザー光源３から照射されて光アイソレータ６１を透過したレーザー光Ｌ０を、発振器４３からの信号に基づいて位相変調して側帯波を立てる。変調されたレーザー光は、その光量が半波長板４７及びＰＢＳ４８で調整されて、４分の１波長板４９を経由して光共振器１１に入射する。光共振器１１から出力した光Ｌ_out０は、４分の１波長板４９を経由し、ＰＢＳ４８によって光検出器４４に入力する。光検出器４４は、光Ｌ_out０を電気信号に変換する。同期検波器４５は、この電気信号を発振器４３からの信号で同期検波して、帰還信号を出力し、この帰還信号をＰＩＤ制御器４６が平滑化する。平滑化された帰還信号Ｓ_Fbは、レーザー光源３に帰還する。この帰還ループによって、レーザー光源３の出力波長を光共振器１１の共振（共鳴）スペクトルにロックすることができる。

（同調器）
同調器５は、レーザー光源３から照射されたレーザー光Ｌ０を、光共振器１２の共振波長（共振周波数ｆ２）にロックすることによって、波長安定化したレーザー光Ｌ２を得る。また、同調器５は、レーザー光Ｌ０を光共振器１３の共振波長（共振周波数ｆ１）にロックすることによって、波長安定化したレーザー光Ｌ１を得る。同調器５は、一例として、図４に示すように、波長を可変とする波長シフタ５１と、レーザー光の位相を変調する光変調器５２と、発振器５３と、半波長板４７と、ＰＢＳ４８と、４分の１波長板４９と、光検出器（ＰＤ、Photodetector）５４と、同期検波器５５と、ＰＩＤ制御器５６と、ＶＣＯ（電圧制御発振器）５７と、オフセット電圧源５８と、を備える。なお、図４では、光共振器１２にレーザー光Ｌ２を導入する同調器５を示すが、光共振器１３にレーザー光Ｌ１を導入する同調器５も同様の構成である。

波長シフタ５１は、音響光学素子（ＡＯＭ）等を備え、レーザー光Ｌ０を、補正信号Ｓ_corr２に基づいた波長にシフトさせる。光変調器５２は、波長がシフトしたレーザー光を、発振器５３からの信号に基づいて位相変調して側帯波を立てる。変調されたレーザー光は、その光量が半波長板４７及びＰＢＳ４８で調整されて、４分の１波長板４９を経由して光共振器１２に入射する。光共振器１２から出力した光Ｌ_out２は、４分の１波長板４９を経由し、ＰＢＳ４８によって光検出器５４に入力する。光検出器５４は、光Ｌ_out２を電気信号に変換する。同期検波器５５は、この電気信号を発振器５３からの信号で同期検波して、帰還信号を出力し、この帰還信号をＰＩＤ制御器５６が平滑化する。ＶＣＯ５７は、平滑化された帰還信号を、その強度に応じた周波数の交流信号を含む補正信号Ｓ_corr２に変換する。前記周波数のオフセットは、オフセット電圧源５８の電圧を調整することで設定することができる。同調器５は、光共振器１２（または光共振器１３）の共振波長を基準としたレーザー光の波長変動を反映した信号Ｓ_corr２（または信号Ｓ_corr１）を出力する。ここで、ＰＤＨ法のための変調は、独立な光変調器５２を利用して行う以外に、波長安定化装置４で安定化されたレーザー光源３からの変調されているレーザー光を利用することもできる。また、ＶＣＯ５７の代わりに、シンセサイザ方式の信号発生器を用いることができる。

（周波数比較器）
周波数比較器７は、光共振器１３の共振周波数ｆ１と光共振器１２の共振周波数ｆ２との差（共振周波数差）Δｆ_2-1（＝｜ｆ２−ｆ１｜）を計測して、電気信号として出力する。周波数比較器７が、温度変動によって相対的に変化し易い共振周波数ｆ２を、共振周波数ｆ１との差として計測することによって、共振周波数ｆ２の変化量を高精度で検出することができる。後記するように、複合光共振器１０において、光共振器１２，１３の共振周波数差Δｆ_2-1は数１００ＭＨｚである。光共振器装置１００においては、光共振器１１や光共振器１３の周波数の確度を１０^-15未満に維持するために、周波数比較器７が、共振周波数差Δｆ_2-1を１Ｈｚ未満の分解能で計測する。ここで、光共振器１３，１２に導入されるレーザー光Ｌ１，Ｌ２を波長安定化する同調器５が出力する補正信号Ｓ_corr１，Ｓ_corr２（図１、図４参照）は、それぞれ周波数が、共振周波数ｆ１，ｆ２と光共振器１１の共振周波数ｆ０との周波数差である。したがって、補正信号Ｓ_corr１，Ｓ_corr２間の周波数差（絶対値）は、光共振器１２，１３の共振周波数差Δｆ_2-1と一致する。そこで、図１に示すように、光共振器装置１００においては、周波数比較器７に、同調器５から補正信号Ｓ_corr１，Ｓ_corr２を入力する。このような周波数比較器７は、二重平衡混合器（ＤＢＭ）等の周波数混合器７１と、低周波域濾波器（ＬＰＦ）７２と、周波数−電圧変換器（ＦＶＣ）７３と、を備える。周波数混合器７１は信号Ｓ_corr１と信号Ｓ_corr２とを混合し、その低周波数側の側帯波信号成分をＬＰＦ７２が選択する。この選択された信号は、周波数が共振周波数差Δｆ_2-1であり、ＦＶＣ７３が、周波数に対応した電圧の信号Ｓ_diffに変換して出力する。

（真空恒温チャンバ）
真空恒温チャンバ８は、内部を設定された温度に保持し、また、所定の圧力の真空状態とする。そのために、図１に示すように、真空恒温チャンバ８は、内部を外部環境から遮断する真空容器（図示省略）、真空容器内の温度を制御する温度制御装置８１、及び真空容器内を真空排気する真空排気系８２等を備える。光共振器装置１００において、真空恒温チャンバ８は、真空容器に複合光共振器１０を収容して、その温度を設定温度に保持すると共に、複合光共振器１０の空洞１ｃを高真空とする。真空容器は、高真空に対応した構造で、アルミニウム合金やステンレス鋼等で形成され、また、外部からレーザー光Ｌ０，Ｌ２，Ｌ１を複合光共振器１０の光共振器１１，１２，１３に導入するために、ＡＲコート（Anti-reflection coating）等が形成された窓を備える。真空排気系８２は、高真空ポンプ、圧力計及び流量計等を備える。温度制御装置８１は、ペルチェ素子等を有する熱電冷却システム、これを制御する制御部、及び白金測温抵抗体等を用いた温度センサ等を備える。さらに、温度制御装置８１は、複合光共振器１０全体を均一な温度にするために、例えば、アルミニウム合金等で形成された通気孔を有する筐体を真空容器内に設置して備え、この筐体に複合光共振器１０を収容して、筐体の外面に取り付けた熱電冷却システムで加熱、冷却する。あるいは、温度制御装置８１は、真空容器を外側から加熱、冷却してもよい。また、真空恒温チャンバ８は、真空容器内に熱遮蔽材を備えていてもよい。

（波長シフタ）
波長シフタ９は、同調器５の波長シフタ５１と同様の構成を有し、レーザー光Ｌ０を、入力された信号に基づいた波長にシフトさせる。光共振器装置１００において、光共振器１１に共振した光であるレーザー光Ｌ０を出力する際に、波長シフタ９が、レーザー光Ｌ０の温度変動による周波数ドリフトを補償する。そのために、波長シフタ９は、レーザー光Ｌ０を、周波数比較器７が出力した信号Ｓ_diffに基づいた波長にシフトさせて、光Ｌ０_corrとして出力する。

〔温度センサ、光共振器装置の運転方法〕
本発明に係る光共振器装置の運転方法、及び本発明に係る温度センサについて説明する。まず、図５及び図６を参照して、複合光共振器における光共振器の共振周波数の温度依存性について説明する。

光共振器の共振周波数ｆ₀は、共振器長（光路長）ｌに依存する。共振器長の変化と共振周波数の変化の関係は下式（１）で表される。ｄｌは共振器長の変化量、ｄｆは共振周波数の変化量である。光共振器の共振器長ｌとは、一対の反射鏡（光共振器１１においては反射鏡２１，２２）の反射面同士の距離である。また、スペーサは、温度変動によって熱膨張（収縮）すると、共振器長が下式（２）のように変化する。αはスペーサの熱膨張係数、ｄＴはスペーサの温度変化量である。
ｄｆ／ｆ₀＝ｄｌ／ｌ ・・・（１）
ｄｌ＝αｌ・ｄＴ ・・・（２）

したがって、超低熱膨張材料で形成されたスペーサ１及び反射鏡２５，２６（基板２ｄ）からなる光共振器１３は、温度に比例して（熱膨張係数が一定であると仮定した場合）、僅かながらも共振器長が変化し、その結果、図６に実線で示すように、共振周波数ｆ１が変化する。なお、スペーサ１及び基板２ｄの熱膨張係数は、図６に示す温度域において正とする。一方、スペーサ１よりも熱膨張係数の高い基板２ｃを有する反射鏡２３，２４を備える光共振器１２は、温度が上昇すると、図５に示すように、反射鏡２３，２４がスペーサ１との接合面を凹ますように撓んで変形する。このように、光共振器１２は、温度変動によって、スペーサ１の膨張に反射鏡２３，２４の変形が加わるので、共振器長の変化量が光共振器１３よりも大きい。これに対して、光共振器１２と同様に熱膨張係数の高い基板２ｂを有する反射鏡２１，２２を備える光共振器１１は、熱膨張係数の低い補整部材２７によって反射鏡２１，２２の変形が抑制される。なお、図５では、上下を図２Ｂと逆にして、平面鏡である反射鏡２１，２３，２５の側を示す。その結果、図６に破線で示すように、光共振器１２の共振周波数ｆ２は、光共振器１３の共振周波数ｆ１よりも温度依存性が大きく、すなわち、光共振器１２は温度感度が高い。

さらに、基板２ｃの熱膨張係数がスペーサ１や基板２ｄに対して大きいほど、共振周波数ｆ１，ｆ２間の温度依存性の差も大きい。また、光共振器１２の反射鏡２３，２４の両方が基板２ｃを有する方が、一方が基板２ｄを有する構造よりも、温度感度が高い。共振周波数ｆ１，ｆ２の各温度依存性ｄｆ１／ｄＴ，ｄｆ２／ｄＴは、予め、スペーサ１、反射鏡２５，２６及び反射鏡２３，２４の各材料や寸法等に基づいて、シミュレーションで算出することができる。共振周波数ｆ２の温度依存性は、共振周波数ｆ１の温度依存性よりも１μＫあたり５Ｈｚ以上大きいことが好ましく、１０Ｈｚ以上大きいことがさらに好ましい。

ここで、複合光共振器１０において、光共振器１１，１２，１３は、同一形状に設計されていても、スペーサ１や反射鏡２１〜２６の加工精度上、各共振器長に微小な誤差を有する。そのため、数１００ＴＨｚである共振周波数ｆ０，ｆ２，ｆ１は、数１００ＭＨｚ程度の範囲でバラツキを有する。図６においては、ｆ１＜ｆ２とする。この場合、光共振器１３，１２の共振周波数差Δｆ_2-1（＝｜ｆ２−ｆ１｜）は、温度が高いほど比例して大きくなる。一方、ｆ１＞ｆ２の場合には、温度が高いほど小さくなる。

このことから、光共振器１３，１２の共振周波数差Δｆ_2-1を計測することによって、複合光共振器１０の温度Ｔを導出することができる。例えば、共振周波数差Δｆ_2-1がある所定値（以下、参照値と称する）Δｆ_refとなるときの複合光共振器１０の温度を基準温度Ｔ_refに設定する。図６においては、このとき、ｆ１＝ｆ₀、ｆ２＝ｆ₀＋Δｆ_refとする（ｆ１＜ｆ２）。なお、複合光共振器１０がある温度（基準温度）Ｔ_refであるときの共振周波数差Δｆ_2-1を参照値Δｆ_refに設定してもよいし、光共振器１１の共振周波数ｆ０を基準にして参照値Δｆ_ref及び基準温度Ｔ_refを設定してもよい。共振周波数差Δｆ_2-1の、参照値Δｆ_refとの大小関係を含む差（Δｆ_2-1−Δｆ_ref）から、共振周波数ｆ１，ｆ２の温度依存性ｄｆ１／ｄＴ，ｄｆ２／ｄＴに基づいて、複合光共振器１０の温度Ｔを基準温度Ｔ_refとの差（Ｔ−Ｔ_ref）として算出することができる。光共振器装置１００においては、前記したように、周波数比較器７が、共振周波数差Δｆ_2-1に対応した電圧の信号Ｓ_diffを出力するので、信号Ｓ_diffの電圧から、複合光共振器１０の温度Ｔの基準温度Ｔ_refとの差（Ｔ−Ｔ_ref）を算出することができる。

このように、スペーサ１を共有し、かつ反射鏡の熱膨張係数が異なる光共振器１３，１２を備える複合光共振器１０によれば、共振周波数差Δｆ_2-1を計測することによって、複合光共振器１０の温度Ｔを基準温度Ｔ_refとの差として検出することができる。特に、共振周波数差Δｆ_2-1を１Ｈｚ未満で計測することによって、光共振器装置１００をナノケルビンオーダーの温度センサとして使用することができる。

また、光共振器１１について、共振周波数ｆ０の温度依存性ｄｆ０／ｄＴを光共振器１２，１３と同様に予め算出しておくことにより、共振周波数差Δｆ_2-1から、複合光共振器１０の温度変動に伴う共振周波数ｆ０の変動（ドリフト）量を推測することができる。そこで、光共振器装置１００は、周波数比較器７が出力した信号Ｓ_diffを波長シフタ９に入力するように構成され、外部に出力されるレーザー光Ｌ０を、波長シフタ９が信号Ｓ_diffの電圧に応じた波長にシフトする。波長シフタ９によって波長をシフトされた光Ｌ０_corrは、推測による基準温度Ｔ_refにおける共振周波数を有する。このように、光共振器装置１００は、温度感度の互いに異なる光共振器１２と光共振器１３とによって、光共振器１２よりも温度感度の低い光共振器１１について、その共振した光の温度変動による周波数ドリフトを打ち消すフィードフォワード制御を可能とする。その結果、光共振器１１の共振周波数の長期安定度を改善することができる。

〔変形例〕
光共振器装置１００において、周波数比較器７が共振周波数差Δｆ_2-1≠Δｆ_refを算出した場合には、Ｔ≠Ｔ_refであることが検出される。そこで、（Δｆ_2-1−Δｆ_ref）に応じて温度制御装置８１を駆動して、真空恒温チャンバ８の真空容器内の温度を上昇または降下させることにより、Δｆ_2-1＝Δｆ_refに補整、すなわち複合光共振器１０の温度Ｔを基準温度Ｔ_refに補整することができる。そのために、光共振器装置１００は、周波数比較器７が出力した信号Ｓ_diffを温度制御装置８１に入力するように構成されてもよい。温度制御装置８１の制御部が信号Ｓ_diffの電圧に応じて熱電冷却システムを駆動して、温度を上昇、降下、または維持する。このように、光共振器装置１００は、温度感度の互いに異なる光共振器１２と光共振器１３とによって、温度の高精度なフィードバック制御を可能とし、光共振器１２よりも温度感度の低い光共振器１１について、共振周波数の長期安定度を改善することができる。したがって、光共振器装置１００は、レーザー光Ｌ０を、温度変動による周波数ドリフトのない、光共振器１１に共振した光として、直接に出力することができ、波長シフタ９が不要となる。

前記のように、基準温度Ｔ_refに補整するために温度制御装置８１が温度を上昇または降下させたとき、光共振器１１，１２，１３の各共振周波数が基準温度Ｔ_refにおける値に推移する、すなわちΔｆ_2-1＝Δｆ_refに補整されるまでには時間がかかる場合がある。そこで、光共振器装置１００は、波長シフタ９によるレーザー光Ｌ０の周波数のフィードフォワード制御と温度制御装置８１による温度のフィードバック制御とが併用されてもよい。そのために、光共振器装置１００は、周波数比較器７が出力した信号Ｓ_diffを、波長シフタ９と温度制御装置８１とに入力するように構成される。このような構成により、光共振器装置１００は、短期的には、波長シフタ９によってレーザー光Ｌ０の周波数ドリフトを補償して出力しつつ、中長期的には、温度制御装置８１によって周波数ドリフトのないレーザー光Ｌ０を得ることができる。

複合光共振器１０は、温度センサのみに使用される場合には、光共振器１２と光共振器１３の２つのみを設けた構造としてもよい。また、光共振器１３は、超低熱膨張材料からなる基板２ｄによらずに、光共振器１１のように補整部材２７を備えて、反射鏡２５，２６の変形を抑制する構成としてもよい。さらにこのことから、光共振器１３に代えて光共振器１１を、光共振器１２と組み合わせて温度センサに使用することができる。このように、複合光共振器１０は、２つの光共振器１１，１２（または光共振器１２，１３）を備える場合には、ダミーの光共振器を１つ備える構成としてもよいし、スペーサ１に中心軸で対称に２本の空洞１ｃを形成してもよい。また、光共振器１２について、熱膨張係数の高い基板２ｃを有する反射鏡２３，２４の一方に、補整部材２７を接合して、温度感度を低く調整してもよい。

光共振器装置１００において、光共振器１１と光共振器１２の共振周波数差を計測して複合光共振器１０の温度変動を検出する場合には、光共振器１２に導入するレーザー光Ｌ２を波長安定化する同調器５の補正信号Ｓ_corr２のみを、周波数比較器７のＦＶＣ７３に入力して信号Ｓ_diffに変換すればよい。前記したように、補正信号Ｓ_corr２は、周波数が、光共振器１２の共振周波数ｆ２と光共振器１１の共振周波数ｆ０との周波数差である。

図１に示す光共振器装置１００においては、１台のレーザー光源３が照射したレーザー光Ｌ０を分岐させて光共振器１１，１２，１３に導入しているが、レーザー光源３を２台ないし３台備えて、それぞれに波長安定化装置４を設けて独立したレーザー光を導入してもよい。この場合、周波数比較器７は、一例として、周波数混合器７１に代えて光検出器を備える。光共振器装置１００は、光共振器１３，１２から波長安定化装置４または同調器５に入力する出力光Ｌ_out１，Ｌ_out２を、それぞれビームスプリッタ（図示せず）で分岐させて、周波数比較器７の光検出器にも入力するように構成される。そして、光検出器上で出力光Ｌ_out１，Ｌ_out２を干渉させてビート周波数を有する電気信号を抽出する。

複合光共振器１０は、温度感度の高い光共振器を２以上備えてもよい。例えば、光共振器１３を光共振器１２と同様に温度感度の高い構造として、光共振器１１との共振周波数差を計測する。このような複合光共振器１０においては、光共振器１２，１３の各共振周波数の平均（特許文献２参照）と光共振器１１の共振周波数との差を計測して、温度変動を検出する。あるいは、光共振器１３と光共振器１１の共振周波数差、光共振器１２と光共振器１１の共振周波数差をそれぞれ計測してもよい。さらにこの場合、光共振器１２と光共振器１３とで温度感度の異なる構成として、光共振器１１を含めて３段階の温度感度としてもよい。このような構成は、基板２ｂ，２ｃ，２ｄを、３段階に異なる熱膨張係数とすることによって得られる。あるいは、光共振器１２の反射鏡２３，２４は両方共に熱膨張係数の高い構成とし、光共振器１３の反射鏡２５，２６は一方のみ熱膨張係数の高い構成とするか補整部材２７を設ける。また、複合光共振器１０は、４以上の光共振器を備えて、温度センサ以外の用途を追加されてもよい（例えば、特許文献３参照）。

以上、本発明に係る複合光共振器、温度センサ、及び光共振器装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１００ 光共振器装置
１０ 複合光共振器
１ スペーサ
１１，１２，１３ 光共振器
１ｃ 空洞
２１，２３，２５ 反射鏡
２２，２４，２６ 反射鏡
２７ 補整部材
２ａ 反射膜
２ｂ，２ｃ，２ｄ 基板
３ レーザー光源
４ 波長安定化装置
５ 同調器
７ 周波数比較器（周波数比較手段）
８ 真空恒温チャンバ
８１ 温度制御装置（温度制御手段）
９ 波長シフタ（波長シフト手段）

Claims (6)

1. スペーサの一面から他面まで貫通する空洞と前記空洞の両端に設けられた反射鏡とを備える光共振器を、前記スペーサに前記空洞が並行するように複数設けた複合光共振器であって、
   一部の前記光共振器の反射鏡と他の前記光共振器の反射鏡とは熱膨張率が異なることを特徴とする複合光共振器。
2. スペーサの一面から他面まで貫通する空洞と前記空洞の両端に設けられた反射鏡とを備える光共振器を、前記スペーサに前記空洞が並行するように複数設けた複合光共振器であって、
   一部の前記光共振器は、前記反射鏡よりも熱膨張率が低い補整部材を、前記反射鏡の前記空洞に対向する側の反対側に接続して備えることを特徴とする複合光共振器。
3. 前記一部の光共振器の反射鏡の基板が前記スペーサと同じ材料で形成されている請求項１に記載の複合光共振器。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、を備え、
   前記共振周波数差が所定値となるときの前記複合光共振器の温度を基準温度として、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差と前記所定値との差から、前記複合光共振器の温度と前記基準温度との差を検出する温度センサ。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、前記複合光共振器の温度を制御する温度制御手段と、を備え、
   前記温度制御手段は、前記共振周波数差が一定の値となるように、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差に基づいて、前記複合光共振器の温度のフィードバック制御を行う光共振器装置。
6. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の複合光共振器と、前記複合光共振器のそれぞれの光共振器にレーザー光を導入するレーザー光源と、前記一部の光共振器と他の前記光共振器との共振周波数同士の差である共振周波数差を計測する周波数比較手段と、前記複合光共振器の一つの光共振器に共振した光の波長をシフトさせる波長シフト手段と、を備え、
   前記波長シフト手段は、前記周波数比較手段が計測した共振周波数差に基づいて、前記一つの光共振器の共振周波数の変動を打ち消すフィードフォワード制御を行う光共振器装置。

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