CN104079297A - 原子振荡器、原子振荡器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供原子振荡器、原子振荡器的制造方法，不会使输出信号的波形劣化，能够在需要调整的共振频率的全部位中调整由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，还能够抑制电路规模增大。原子振荡器具有：原子室（气室230），其封入有原子；磁场产生部（线圈231），其对所述原子室施加磁场；基准振荡器（VCXO270），其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL（PLL电路280），其接受所述基准信号，生成包含所述原子的共振频率的信号，将所述磁场产生部能够调整的所述共振频率的最大位作为边界位，所述分数N-PLL能够调整至少比所述边界位高1位的位。

Description

原子振荡器、原子振荡器的制造方法

技术领域

本发明涉及原子振荡器、原子振荡器的制造方法等。

背景技术

近年来，便携电话或智能手机等信息设备的高级化/多功能化不断发展，对数据通信中使用的振荡器的频率精度和频率稳定度的要求越来越严格。作为满足这种高要求的振荡器，广泛使用利用铷或铯等原子的共振现象的原子振荡器。

作为原子振荡器，公知有利用通过同时对原子照射与共振频率一致的频率差的2种共振光而产生的电磁感应透明（EIT：Electromagnetically Induced Transparency）现象（有时也称作CPT（Coherent Population Trapping：相干布居俘获））的原子振荡器、利用通过对原子照射激励光并对空洞谐振器施加与原子的共振频率一致的微波而产生的光微波双共振现象的原子振荡器。在任何情况下，均根据透射过原子室的光的强度对压控振荡器的振荡频率进行控制，通过对该振荡信号进行频率变换，得到原子的共振频率的信号。

这里，例如在希望将压控振荡器的振荡信号作为原子振荡器的输出信号准确地成为期望频率（例如10MHz）的情况下，由于铷原子的共振频率为6.8346826128GHz，铯原子的共振频率为9.192631770GHz，因此，原子的共振频率不是压控振荡器的振荡频率的整数倍的关系。

在专利文献1的发明中，不利用使用线圈和电容器的LC谐振电路或变容二极管等无源倍增电路，就能够得到期望的共振频率信号。因此，不需要调整低次倍增器与原子谐振器之间的阻抗匹配等，也不需要利用振幅调制来生成铷原子的共振频率，因此，能够实现原子振荡器的小型化、制造期间的缩短和制造成本的削减。

【专利文献1】日本特开2001-36405号公报

这里，原子振荡器的注入原子室（气室）中的氖（Ne）或氩（Ar）等缓冲气体的压力存在制造偏差。伴随缓冲气体的制造偏差，共振频率的移位量也发生偏差，因此，作为输出信号，为了得到期望的频率，专利文献1的发明需要具有直接数字合成器（以下为DDS）。但是，由于使用DDS，输出信号的波形劣化。

发明内容

本发明正是鉴于以上情况而完成的，根据本发明的若干个形式，能够提供原子振荡器、原子振荡器的制造方法等，不会使输出信号的波形劣化，能够在需要调整的共振频率的全部位中调整由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，还能够抑制电路规模增大。

本发明正是为了解决所述课题中的至少一部分而完成的，能够作为以下形式或应用例来实现。

[应用例1]

本应用例的原子振荡器具有：原子室，其封入有原子；磁场产生部，其对所述原子室施加磁场；基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL，其接受所述基准信号，生成包含所述原子的共振频率的信号，将所述磁场产生部能够调整的所述共振频率的最大位作为边界位，所述分数N-PLL能够在至少比所述边界位高1位的位中调整所述共振频率。

本应用例的原子振荡器包含原子室、磁场产生部、基准振荡器以及分数N-PLL。这里，分数N-PLL是分数分频方式的PLL（Phase Locked Loop：锁相环）。分数N-PLL通过以时间分割的方式切换分频比（整数值），能够平均地实现分数（包含小数点以下的值的数）的分频。在原子振荡器中，例如在期望10MHz这样的没有尾数的频率的输出信号的情况下，其频率与共振频率不是整数倍的关系。但是，本应用例的原子振荡器包含分数N-PLL，因此，不使用DDS，也能够生成没有尾数的频率的输出信号，不会使输出信号的波形劣化。

但是，为了应对由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，有时需要调整到共振频率的小数点以下的位。此时，当仅通过分数N-PLL调整到GHz量级的共振频率的小数点以下的位时，导致电路规模增大。

因此，本应用例的原子振荡器将磁场产生部能够调整的共振频率的最大位作为边界位，分数N-PLL至少能够调整比共振频率的边界位高的位。此时，能够在需要调整的共振频率的全部位中进行调整，并且，分数N-PLL只要调整磁场产生部无法调整的范围即可，因此，能够抑制电路规模增大。

例如，如果边界位是共振频率的个位，则分数N-PLL可以调整共振频率的十位以上的部分，磁场产生部可以调整共振频率的个位和小数点以下的位。

[应用例2]

在上述应用例的原子振荡器中，也可以是，所述分数N-PLL包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，在设所述小数设定部的比特数为n，相位比较频率为f_PFD，所述共振频率为f_ΔE，所述磁场产生部针对所述共振频率的可调整比率为R_M时，满足式（1），

$\frac{f_{\mathrm{PFD}}}{2^n}\≤f_{\mathrm{\ΔE}}\×R_M.....\left(1\right).$

[应用例3]

在上述应用例的原子振荡器中，也可以是，所述分数N-PLL包含至少25比特的小数设定部。

本应用例的原子振荡器的分数N-PLL可以包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，小数设定部的比特数n满足所述式（1）。此时，分数N-PLL至少能够调整比共振频率的边界位高的位。分数N-PLL能够实现分数的分频，但是，小数设定部设定该分频比中的除了整数部分以外的小数部分。例如，小数设定部可以是n比特的寄存器（能够设定0～2ⁿ-1的值），可以设该寄存器的值除以2ⁿ而得到的值是分频比的小数部分。

另外，相位比较频率是分数N-PLL包含的相位比较器中的频率。并且，可调整比率是表示以与共振频率的比率能够调整的范围的值。例如，在磁场产生部的可调整比率R_M为10^-9的情况下，铯原子的共振频率是大约9GHz，将它们相乘而得到个位的值。此时，磁场产生部能够调整的共振频率的最大位即边界位为个位。

此时，通过使用式（1），能够容易地得到分数N-PLL所需要的小数设定部的比特数n。相反，通过满足式（1），分数N-PLL至少能够调整比共振频率的边界位高的位，因此，不会由于不必要地增大n而增大电路规模。

这里，设相位比较频率f_PFD为10MHz。而且，当设磁场产生部为产生C磁场的线圈时，R_M例如为10^-9。于是，由于铷原子、铯原子的共振频率分别是大约6GHz、大约9GHz，因此，n=25满足式（1）。因此，作为现实的结构，分数N-PLL可以包含25比特的小数设定部。另外，C磁场是指在与激光的行进方向正交的方向上均匀地施加的静磁场。

[应用例4]

在本应用例的原子振荡器的制造方法中，该原子振荡器包含：原子室，其封入有原子；磁场产生部，其是对所述原子室施加磁场的线圈；基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL，其包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，接受所述基准信号而生成具有所述原子的共振频率的信号，其中，所述制造方法包含以下步骤：将所述磁场产生部能够调整的所述共振频率的最大位作为边界位，确定所述分数N-PLL的小数设定部的比特数n，以使所述分数N-PLL能够调整至少比所述边界位高1位的位。

[应用例5]

在本应用例的原子振荡器的制造方法中，该原子振荡器包含：原子室，其封入有原子；磁场产生部，其是对所述原子室施加磁场的线圈；基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL，其包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，接受所述基准信号而生成具有所述原子的共振频率的信号，其中，所述制造方法包含以下步骤：将比所述分数N-PLL能够调整的所述共振频率的最小位低1位的位作为边界位，确定所述磁场产生部的匝数和电流中的至少一方，以使所述磁场产生部至少能够调整所述共振频率的所述边界位以下的位。

[应用例6]

在上述应用例的原子振荡器的制造方法中，也可以是，所述制造方法包含以下步骤：对所述分数N-PLL的n比特的小数设定部赋予初始值；以及调整对所述小数设定部设定的值。

[应用例7]

在上述应用例的原子振荡器的制造方法中，也可以是，所述制造方法包含调整所述磁场产生部的电流的步骤。

在本应用例的原子振荡器的制造方法中，能够确定分数N-PLL的小数设定部的适当比特数n，并且，能够确定决定边界位的磁场产生部的匝数和电流中的至少一方。而且，在组装原子振荡器后，通过适当调整n比特的小数设定部的初始值或调整磁场产生部的电流，能够得到期望的输出信号的频率（以下设为输出频率）。

根据本应用例的原子振荡器的制造方法，能够制造如下的原子振荡器：不会使输出信号的波形劣化，能够在需要调整的共振频率的全部位中调整由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，还能够抑制电路规模增大。

附图说明

图1是示出本实施方式的原子振荡器的结构例的图。

图2是示出本实施方式的PLL电路的结构例的图。

图3是说明线圈的图。

图4的（A）是示出塞曼分裂后的能级的图，图4的（B）是示出分裂后的EIT信号的一例的图。

图5是示出线圈的电流与输出频率之间的关系的图。

图6的（A）是示出缓冲气体的压力与输出频率之间的关系的图，图6的（B）是示出制造时的缓冲气体的压力分布的图。

图7的（A）是示出作为比较例的使用整数分频PLL的原子振荡器的调整范围的图。图7的（B）是示出本实施方式的原子振荡器的调整范围的图。图7的（C）是例示出在本实施方式的原子振荡器中增大n时的调整范围的图。

图8是例示出本实施方式的原子振荡器组装后的调整的图。

图9是本实施方式的原子振荡器的制造方法的流程图。

图10是示出变形例的原子振荡器的结构例的图。

标号说明

10：分频器；20：相位比较器；30：电荷泵；40：环路滤波器；50：压控振荡器；60：分数分频器；200：原子振荡器；210：驱动电路；220：半导体激光器；230：气室；231：线圈；240：光检测器；250：检波电路；252：调制电路；254：低频振荡器；260：检波电路；264：低频振荡器；270：VCXO；280：PLL电路；310：灯激励部；320：灯；330：微波谐振器；331：线圈；332：气室；334：放射用天线；340：光检测器；350：检波电路；354：低频振荡器；360：VCXO；370：PLL电路。

具体实施方式

下面，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不对权利要求书中记载的本发明的内容进行不当限定。并且，以下说明的全部结构不一定是本发明的必要构成要件。

1.原子振荡器

[原子振荡器的结构]

图1是示出利用碱金属原子的EIT现象的本实施方式的原子振荡器200的结构例的图。如图1所示，本实施方式的原子振荡器200构成为包含驱动电路210、半导体激光器220、气室230、线圈231、光检测器240、检波电路250、调制电路252、低频振荡器254、检波电路260、低频振荡器264、压控石英振荡器（VCXO270）、PLL电路280。这里，气室230对应于本发明的原子室，线圈231对应于本发明的磁场产生部，VCXO270对应于本发明的基准振荡器，PLL电路280对应于本发明的分数N-PLL。另外，本实施方式的原子振荡器可以适当省略或变更图1的构成要素（各部）的一部分，也可以成为附加有其它构成要素的结构。

气室230（原子室）在由玻璃等透明部件构成的容器中封入气体状的碱金属原子（钠（Na）原子、铷（Rb）原子、铯（Cs）原子等）。

半导体激光器220产生包含使气室230中包含的碱金属原子引起EIT现象的成为共振光对的2个光波的光。作为半导体激光器220，可以使用端面发光激光器（EdgeEmitting Laser）、垂直谐振腔面发光激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface EmittingLaser）等面发光激光器等。半导体激光器220产生的光入射到气室230。

线圈231产生用于使气室230中包含的碱金属原子引起塞曼分裂的C磁场。这里，C磁场是均匀地施加在与半导体激光器220产生的光的行进方向正交的方向上的静磁场。

光检测器240入射有透射过气室230的光，输出与入射的光的强度对应的检测信号。光检测器240例如可以使用输出与接收到的光的强度对应的检测信号的光电二极管（PD：Photo Diode）来实现。光检测器240的输出信号被输入到检波电路250和检波电路260。

检波电路250使用以数Hz～数百Hz左右的较低频率进行振荡的低频振荡器254的振荡信号，对光检测器240的输出信号进行同步检波。为了检波电路250能够进行同步检波，调制电路252将低频振荡器254的振荡信号（与供给到检波电路250的振荡信号相同的信号）作为调制信号，对检波电路250的输出信号进行调制并输出到驱动电路210。调制电路252可以由频率混合器（混频器）、频率调制（FM：FrequencyModulation）电路、振幅调制（AM：Amplitude Modulation）电路等实现。

检波电路260使用以数Hz～数百Hz左右的较低频率进行振荡的低频振荡器264的振荡信号，对光检测器240的输出信号进行同步检波。然后，根据检波电路260的输出信号的大小，对VCXO270的振荡频率进行微调。在本实施方式的原子振荡器200中，设VCXO270的期望的输出频率F为10MHz。PLL电路280对VCXO270的输出信号进行频率变换并输出到驱动电路210。

驱动电路210设定半导体激光器220的偏置电流，并且，根据调制电路252的输出信号对该偏置电流进行微调，将其供给到半导体激光器220。即，利用通过半导体激光器220、气室230、光检测器240、检波电路250、调制电路252、驱动电路210的反馈环（第1反馈环），对半导体激光器220产生的光的中心波长λ₀（中心频率f₀）进行微调。具体而言，通过第1反馈环，对相当于封入气室230中的碱金属原子的激励能级与一个基态能级之间的能量差的波长λ₁（=v/f₁：v为光的速度）、以及相当于激励能级与另一个基态能级之间的能量差的波长λ₂（=v/f₂）实施反馈控制，以使半导体激光器220的射出光的中心波长λ₀（=v/f₀）与（λ₁+λ₂）/2大致一致（中心频率f₀与（f₁+f₂）/2大致一致）。

驱动电路210还在偏置电流中叠加PLL电路280的输出频率成分（调制频率f_m）的电流（调制电流），将其供给到半导体激光器220。通过该调制电流对半导体激光器220实施频率调制，与中心频率f₀的光一起，产生频率分别向其两侧偏移f_m的频率f₀±f_m、f₀±2f_m、···的光。然后，利用通过半导体激光器220、气室230、光检测器240、检波电路260、VCXO270、PLL电路280、驱动电路210的反馈环（第2反馈环）进行微调，以使频率f₀+f_m的光和频率f₀-f_m的光成为使封入气室230中的碱金属原子产生EIT现象的共振光对，即，使得PLL电路280的输出频率f_m与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差ΔE₁₂的频率（共振频率）f₁₂的1/2准确一致。例如，如果碱金属原子为铯原子，则共振频率f₁₂为9.192631770GHz，因此，PLL电路280的输出频率f_m在与4.596315885GHz一致的状态下稳定。

根据这种结构，理论上，本实施方式的原子振荡器200能够得到期望的输出频率F。但是，在现实中，如后所述，需要对由于气室230的缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差进行调整。另外，在本实施方式的原子振荡器200中，使用分数N-PLL作为PLL电路280，不会如例如使用DDS时那样使输出信号的波形劣化。

[PLL电路]

图2是示出本实施方式的PLL电路280的结构例的图。如图2所示，PLL电路280构成为包含分频器10、相位比较器20、电荷泵30、环路滤波器40、压控振荡器50（VCO）、分数分频器60。另外，在PLL电路280中，分频器10进行整数的分频，分数分频器60进行分数的分频，但是，也可以采用相反的结构。

针对PLL电路280的输入信号（图2的IN）是VCXO270的输出信号，来自PLL电路280的输出信号（图2的OUT）被输出到驱动电路210。并且，输入到相位比较器20的信号的频率即相位比较频率是后面详细说明的式（1）的f_PFD。

分频器10将输入信号（图2的IN）的频率分频成1/R并输出。此时，R为1以上的整数，通过未图示的寄存器的设定值设定成在规定范围内可变。

相位比较器20对分频器10的输出信号的相位和分数分频器60的输出信号的相位进行比较，输出与其相位差对应的信号。具体而言，在分频器10的输出信号的相位提前于分数分频器60的输出信号的相位时，输出与其相位差对应的脉宽的正脉冲信号，在相反的情况下，输出与其相位差对应的脉宽的负脉冲信号。

电荷泵30根据相位比较器20的输出信号，对环路滤波器40内的未图示的电容器进行充电/放电。具体而言，在相位比较器20输出正脉冲信号时，电荷泵30在该电容器中充入与其脉宽对应的电荷，在相位比较器20输出负脉冲信号时，电荷泵30从该电容器放出相当于其脉宽的电荷。

环路滤波器40是使用未图示的电阻或电容器构成的积分电路，使由电荷泵30产生的脉冲状的电流平滑。因此，在相位比较器20输出正脉冲信号时，环路滤波器40的输出电压上升，在相位比较器20输出负脉冲信号时，环路滤波器40的输出电压降低。

压控振荡器50是以与环路滤波器40的电压对应（因此，与相位比较器20的输出信号对应）的频率进行振荡的振荡器。具体而言，在分频器10的输出信号的相位提前于分数分频器60的输出信号的相位时，环路滤波器40的电压上升，压控振荡器50的频率也上升。在相反的情况下，环路滤波器40的电压降低，压控振荡器50的频率也降低。该压控振荡器50的输出信号成为PLL电路280的输出信号（图2的OUT）。

分数分频器60将压控振荡器50的输出信号的频率分频成K/L并输出。K、L为1以上的整数，通过未图示的寄存器的设定值设定成在规定范围内可变。

这里，PLL电路280具有设定分频比即K/L的整数部分的寄存器、以及设定小数部分的寄存器（对应于本发明的小数设定部）。这里，设定小数部分的寄存器为n比特（n为1以上的整数），寄存器的值除以2ⁿ而得到的值为分频比的小数部分。

此时，关于PLL电路280的输出信号的频率的分解能力，使用所述相位比较频率f_PFD，成为f_PFD除以2ⁿ而得到的值。例如，当设f_PFD为10MHz时，在n为10、15、20、25、30、35的情况下，分别能够实现9766Hz、305Hz、9.54Hz、0.298Hz、0.00931Hz、0.000291Hz的频率等级。

例如，在对缓冲气体的制造偏差的影响进行修正的情况下，例如优选可调整到小数点以下3位的频率。在要通过PLL电路280的分频比的设定而调整到小数点以下3位的频率的情况下，需要使n为34（即，使作为小数设定部的寄存器为34位）。但是，当n扩展到34位时，电路规模可能增大。因此，优选考虑本实施方式的原子振荡器200具有的其它调整手段，使小数设定部的比特数n成为能够抑制电路规模增大的适当值。

[基于线圈的频率调整]

图3是说明原子振荡器200包含的线圈231的图。线圈231设置成包围气室230，产生在与半导体激光器220产生的激光LB的行进方向正交的方向上均匀地施加的静磁场（C磁场）。在线圈231中流过大小与未图示的存储器中存储的设定值对应的电流。因此，能够根据电流的大小而产生期望强度的C磁场。

当对气室230施加该C磁场时，碱金属原子的各能级分裂（塞曼分裂）成为2F+1个。例如，如图4的（A）所示，在铯原子的情况下，6S_1/2、F=3的基态能级和6P_3/2、F=3的激励能级分裂成为与磁量子数mF=0、±1、±2、±3对应的7个能级，6S_1/2、F=4的基态能级和6P_3/2、F=4的激励能级分裂成为与磁量子数mF=0、±1、±2、±3、±4对应的9个能级。

公知使碱金属原子引起EIT现象的共振光对的频率（频率差）根据每个磁量子数mF而不同。即，在对气室230施加磁场的状态下，当对半导体激光器220射出的2个光波的频率差进行扫描时，在光检测器240的输出中可观测到多个峰值即多个EIT信号。例如，如图4的（B）所示，在铯原子的情况下，可观测到与磁量子数mF=0、±1、±2、±3对应的7个EIT信号。在图4的（B）中，横轴是扫描的2个光波的频率差，纵轴是光检测器240检测的光的强度。如图4的（B）所示，一般地，由于与mF=0对应的EIT信号的强度最高，因此，对共振光对的频率差进行控制，以产生与mF=0对应的EIT信号。

这里，线圈231的匝数和电流对C磁场的强度造成影响，结果，对气室230的碱金属原子的塞曼分裂的容易度造成影响。特别是对于电流，通过对存储器中存储的设定值进行变更，能够容易地改变线圈231的电流大小。图5是示出线圈231的电流与输出频率之间的关系的图。如图5所示，输出频率与电流的平方成比例。因此，通过对存储器中存储的线圈231的电流的设定值进行变更，能够调整原子振荡器200的输出频率。

这里，作为原子振荡器200需要调整输出频率的理由之一，可举出与注入气室230中的氖（Ne）或氩（Ar）等缓冲气体的压力有关的制造偏差。由于缓冲气体的制造偏差，共振频率的移位量发生偏差，因此，可能无法得到期望的输出频率F（这里是10MHz）。

例如，图6的（A）是示出缓冲气体的压力与输出频率之间的关系的图。设在缓冲气体的压力为P₀的情况下可得到期望的输出频率F。但是，当缓冲气体的压力高于P₀时，输出频率高于F（例如10.1MHz），当缓冲气体的压力低于P₀时，输出频率低于F（例如9.9MHz）。

而且，图6的（B）是示出制造原子振荡器200时的缓冲气体的压力分布的图。即使缓冲气体的压力为P₀的气室230较多，制造偏差也不为零，通常，制造出的原子振荡器200，有的缓冲气体的压力高于P₀，有的缓冲气体的压力低于P₀。

因此，在组装原子振荡器200后（产品制造的调整阶段），需要进行调整以得到期望的输出频率F，在组装原子振荡器200之前（产品制造的设计阶段），需要决定原子振荡器200的规格以便能够可靠地进行调整。即，调整是指改变共振频率以得到期望的输出频率。

线圈231通过匝数和电流的变化而对C磁场的强度造成影响，能够用于调整原子振荡器200的输出频率。因此，在原子振荡器200中，优选考虑基于线圈231的调整，适当选择PLL电路280的小数设定部的比特数n，抑制电路规模增大。

[调整范围的决定]

这里，设针对共振频率的可调整比率为R_M，公知线圈231可调整的范围为R_M=10^-9左右。即，由于共振频率为GHz量级，因此，当设线圈231可调整的所述共振频率的最大位为边界位时，边界位是个位。即，线圈231能够调整共振频率的个位和小数点以下的位。因此，通过设定原子振荡器200的PLL电路280的分频比，至少能够调整共振频率的剩余位（比边界位高的位）即可。

此时，需要PLL电路280能够调整比边界位高的全部位。例如，当设PLL电路280由分频比为整数值的整数分频PLL实现时，如图7的（A）所示，产生无法利用线圈231和PLL电路280调整的位。因此，例如需要额外设置DDS以便能够调整共振频率的全部位。在原子振荡器200中，由于PLL电路280是实现分数分频的分数N-PLL，因此，通过适当选择小数设定部的比特数n，能够利用线圈231和PLL电路280调整共振频率的全部位。

例如，可以如图7的（B）所示，PLL电路280能够对比边界位高1位的位以上的位进行调整。并且，也可以如图7的（C）所示，PLL电路280能够对线圈231可调整的位的一部分进行调整。这种可调整的PLL电路280的小数设定部的比特数n满足式（1）的关系。

$\frac{f_{\mathrm{PFD}}}{2^n}\≤f_{\mathrm{\ΔE}}\×R_M.....\left(1\right)$

这里，f_PFD是相位比较频率，f_ΔE是共振频率，R_M是可调整比率。这里，作为一个例子，当设f_PFD为与VCXO270的期望输出频率F相等的10MHz，R_M为10^-9，f_ΔE为铯原子的共振频率的大约9GHz时，n=25满足式（1）。即，通过使用包含25比特的小数设定部的PLL电路280，就能够对共振频率的全部位进行调整。

如上所述，当想要仅通过PLL电路280调整到小数点以下3位的频率时，需要34比特左右的小数设定部。因此，通过根据考虑到与线圈231之间的关系的式（1），求出适当的小数设定部的比特数n，能够抑制电路规模增大。

特别是在产品制造的设计阶段中利用式（1）。另外，式（1）还是在预测或决定PLL电路280的小数设定部的比特数n的情况下，给出线圈231应该满足的规格的式子。即，可以求出满足式（1）的可调整比率R_M，选择能够实现可调整比率R_M的匝数的线圈231，或确定线圈231的电流的初始值。

而且，在以满足式（1）的方式制造出的原子振荡器200中，在组装后即产品制造的调整阶段中，能够对共振频率的全部位进行调整。具体而言，能够改变PLL电路280的分频比的设定和线圈的电流大小，进行调整以得到期望的输出频率。

图8是例示出本实施方式的原子振荡器组装后的调整的图。示出气室230的缓冲气体压力应该为P₀但是由于制造偏差而成为1.1×P₀、0.9×P₀即压力提高10%时、降低10%时的调整例。在缓冲气体压力不是P₀的情况下，在使25比特的寄存器值（对应于PLL电路280的分频比的小数部分）从缓冲气体压力为P₀时的值（初始值）变更后，对流过线圈的电流进行调整。例如，在气室230的缓冲气体压力高于P₀的情况下减小电流，在相反的情况下增大电流。

如图8所示可知，即使由于制造偏差而使气室230的缓冲气体压力不是P₀，作为输出频率，也能够得到期望的频率（这里是10MHz）。

2.原子振荡器的制造方法

图9是本实施方式的原子振荡器200的制造方法的流程图。首先，确定PLL电路280的小数设定部的比特数n（S10）。然后，确定线圈231的匝数和电流中的至少一方（S12）。此时，根据所述式（1）执行S10、S12。另外，也可以仅执行S10、S12中的一方，顺序也可以相反。例如，在已经决定小数设定部的比特数n的情况下，可以仅进行S12，在已经决定线圈231的规格的情况下，可以仅进行S10。

接着，对n比特的小数设定部赋予初始值（S14）。初始值可以是为了得到期望的输出频率F而通过计算求出的值。另外，也可以在后述S20（组装原子振荡器200）之后执行S14。S10、S12、S14对应于产品制造的设计阶段。

接着，将气室230、线圈231、VCXO270、PLL电路280、其它必要的构成要素分别配置在期望的场所，组装原子振荡器200（S20）。然后，使组装后的原子振荡器200工作（S22）。

结果，在得到期望的输出频率F的情况下（S30：是），由于不需要调整，因此结束一连串的步骤。在未得到期望的输出频率F的情况下（S30：否），对n比特的小数设定部中设定的值进行调整（S40），对线圈231的电流进行调整（S42）。这里，S40是指将图8的小数设定部的寄存器值（25比特）调整成与初始值不同的值，S50对应于对设定线圈231的电流大小的存储器上的设定值进行变更。另外，也可以在S40中调整分频比的整数部分，但是，通常，在多数情况下针对气室230的制造偏差不需要调整到整数部分。

在进行这些调整后，再次返回S22，判断是否得到期望的输出频率F（S30）。另外，S20、S22、S30、S40、S42对应于产品制造的调整阶段。

如上所述，由于本实施方式的原子振荡器200不需要DDS这样的电路，因此不会使输出信号的波形劣化。而且，能够在需要调整的共振频率的全部位中调整由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，还能够抑制电路规模增大。

3.变形例

图10是示出利用碱金属原子的光微波双共振现象的变形例的原子振荡器200的结构例的图。如图10所示，变形例的原子振荡器200构成为包含灯激励部310、灯320、微波谐振器330、线圈331、气室332、放射用天线334、光检测器340、检波电路350、低频振荡器354、压控石英振荡器（VCXO360）、PLL电路370。另外，本实施方式的原子振荡器可以适当省略或变更图10的构成要素（各部）的一部分，也可以成为附加其它构成要素的结构。

气室（原子室）332在由玻璃等透明部件构成的容器中封入气体状的碱金属原子（钠（Na）原子、铷（Rb）原子、铯（Cs）原子等）。气室332收纳在微波谐振器330中。

微波谐振器（空洞谐振器）330以从放射用天线334放射的微波的频率进行激励。

灯320通过灯激励部310而点亮，产生用于激励封入气室332中的碱金属原子的共振光。具体而言，灯320产生相当于封入气室332中的碱金属原子的激励能级与一个基态能级之间的能量差的波长λ₁的光。例如，在气室332中封入铷（Rb）原子的情况下，使用铷灯作为灯320。另外，线圈331与所述线圈231同样产生C磁场，省略详细说明。

光检测器340入射有透射过气室332的光，输出与入射的光的强度对应的检测信号。光检测器340例如可以使用输出与接收到的光的强度对应的检测信号的光电二极管（PD）来实现。光检测器340的输出信号被输入到检波电路350。

检波电路350使用以数Hz～数百Hz左右的较低频率进行振荡的低频振荡器354的振荡信号，对光检测器340的输出信号进行同步检波。然后，根据检波电路350的输出信号的大小，对VCXO360的振荡频率进行微调。VCXO360例如可以以数MHz～数10MHz左右进行振荡。

PLL电路370对VCXO360的输出信号进行频率变换并将其输出到放射用天线334。放射用天线334放射与PLL电路370的输出频率对应的微波。

然后，利用通过气室332、光检测器340、检波电路350、VCXO360、PLL电路370、放射用天线334的反馈环进行微调，以使微波谐振器330以相当于封入气室332中的碱金属原子的2个基态能级的能量差ΔE₁₂的频率（共振频率）f₁₂进行激励。例如，如果碱金属原子为铷原子，则共振频率f₁₂为6.8346826128GHz，因此，PLL电路370的输出频率稳定在与6.8346826128GHz一致的状态。

在变形例的原子振荡器200中，与利用碱金属原子的EIT现象的原子振荡器200同样，使用分数N-PLL作为PLL电路370，例如能够根据式（1）选择适当的小数设定部的比特数n。此时，变形例的原子振荡器200不会使输出信号的波形劣化，能够在需要调整的共振频率的全部位中调整由于缓冲气体的制造偏差而引起的共振频率的移位量的偏差，还能够抑制电路规模增大。

4.其它

本发明包含与在所述实施方式中说明的结构实质相同的结构（例如功能、方法以及结果相同的结构，或者目的和效果相同的结构）。并且，本发明包含置换在实施方式中说明的结构的非本质部分而得到的结构。并且，本发明包含能够发挥与在实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构或者能够实现相同目的的结构。并且，本发明包含向在实施方式中说明的结构附加公知技术而得到的结构。

Claims (9)

1.一种原子振荡器，其中，该原子振荡器具有：

原子室，其封入有原子；

磁场产生部，其对所述原子室施加磁场；

基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及

分数N-PLL，其接受所述基准信号，生成包含所述原子的共振频率的信号，

将所述磁场产生部能够调整的所述共振频率的最大位作为边界位，所述分数N-PLL能够在至少比所述边界位高1位的位中调整所述共振频率。

2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述分数N-PLL包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，

在设所述小数设定部的比特数为n，相位比较频率为f_PFD，所述共振频率为f_ΔE，所述磁场产生部针对所述共振频率的可调整比率为R_M时，满足式（1），

$\frac{f_{\mathrm{PFD}}}{2^n}\≤f_{\mathrm{\ΔE}}\×R_M.....\left(1\right).$

3.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述分数N-PLL包含至少25比特的小数设定部。

4.一种原子振荡器的制造方法，该原子振荡器包含：原子室，其封入有原子；磁场产生部，其是对所述原子室施加磁场的线圈；基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL，其包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，接受所述基准信号而生成具有所述原子的共振频率的信号，其中，所述制造方法包含以下步骤：

将所述磁场产生部能够调整的所述共振频率的最大位作为边界位，确定所述分数N-PLL的小数设定部的比特数n，以使所述分数N-PLL能够调整至少比所述边界位高1位的位。

5.根据权利要求4所述的原子振荡器的制造方法，其中，

所述制造方法包含以下步骤：

对所述分数N-PLL的n比特的小数设定部赋予初始值；以及

调整对所述小数设定部设定的值。

6.根据权利要求4所述的原子振荡器的制造方法，其中，

所述制造方法包含调整所述磁场产生部的电流的步骤。

7.一种原子振荡器的制造方法，该原子振荡器包含：原子室，其封入有原子；磁场产生部，其是对所述原子室施加磁场的线圈；基准振荡器，其由从所述原子室输出的原子共振信号控制，生成基准信号；以及分数N-PLL，其包含确定分频比的小数部分的n比特的小数设定部，接受所述基准信号而生成具有所述原子的共振频率的信号，其中，所述制造方法包含以下步骤：

将比所述分数N-PLL能够调整的所述共振频率的最小位低1位的位作为边界位，确定所述磁场产生部的匝数和电流中的至少一方，以使所述磁场产生部至少能够调整所述共振频率的所述边界位以下的位。

8.根据权利要求7所述的原子振荡器的制造方法，其中，

所述制造方法包含以下步骤：

对所述分数N-PLL的n比特的小数设定部赋予初始值；以及

调整对所述小数设定部设定的值。

9.根据权利要求7所述的原子振荡器的制造方法，其中，

所述制造方法包含调整所述磁场产生部的电流的步骤。