JP2000512441A - ディジタルプロセッサにより制御される小型原子周波数原器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ディジタル制御器（２５）は小型化されたセシウム蒸気原子周波数原器（１）におけるマイクロ波制御信号とレーザ波長制御信号のディザ処理を時間多重化する。新しい共通のチャージ／サンプルおよびダンプ積分器（７５）はレーザ電流とマイクロ波周波数の両方の（＋）と（−）のディザ処理のために光検出器出力を増幅する。ディジタルプロセッサ（２５）により生じるノイズに起因する積分された光検出器出力のエラーを削除するために、そのプロセッサは積分期間においては休止モードに置かれる。さらにエラーを削除するために、セシウム蒸気電気ヒータ（１５）はマイクロ波信号がディザ処理される期間では通電されない。

Description

【発明の詳細な説明】 ディジタルプロセッサにより制御される小型原子周波数原器 発明の背景 発明の分野 この発明は、マイクロ波発振器がレーザダイオードによってポンピングされる 蒸気の超微細周波数に。 同調されるタイプの小型化原子周波数原器に関し、特にデジタルプロセッサを用 いた発振器、レーザダイオードおよび関連する部品の制御に関するものである。 情報の背景 公知のタイプの原子時計は、マイクロ波発振器をセシウムあるいはルビジウム などの蒸気の超微細波長に同調させる。蒸気を通過した光ビームは、原子をその 基底状態から高位の状態へとポンピングしそこから原子は基底状態より上方の超 微細波長にある状態へと落ちる。蒸気の原子を高位の状態へとポンピングするに 際しての光の吸収は、光検出器（photodetector）によって検出される。基底状 態が空乏化すると、蒸気を通過して検出器に到る光が増加する。しかしながら、 マイクロ波信号が超微細波長に同調されると、蒸気の原子をポンピングするにあ たって光が連続的に吸収されるように基底状態が再配置される。このように光信 号に対する検出器の応答は、蒸気原子が高位の状態へとポンピングされる正確な 波長におけるディップ（dip ）を示す。マイクロ波周波数はまた、最大限の光吸収を生成し、よって最小限の 光検出器信号を生成するために正確な超微細周波数になければならない。 安定な光源によれば、フィードバックループにおける光検出器出力回路を用い てマイクロ波発振器が正確に超微細周波数に同調される。ディップしたがって超 微細周波数にロック（lock）させるためにはマイクロ波周波数がディザ処理（di thering）される、すなわちマイクロ波が２つの周波数の間で変調される。フィ ードバック回路は、マイクロ波周波数を駆動し、光検出器のディザ処理された応 答信号が正確な超微細周波数の中央にくるようにする。 レーザビームは、蒸気の原子を励起状態にポンピングする正確な波長にレーザ をロックするためにレーザ波長をディザ処理するフィードバック回路によっても また安定化される。マイクロ波周波数およびレーザ波長を制御するアナログフィ ードバック回路は、２つの信号の変調を減結合（decoupling）するために周波数 多重化（multiplexing）を用いる。このことは、それぞれのフィードバックルー プに対して別々の位相検出器を必要とする。 原子周波数原器を有用性を非常に拡張するため、その大きさと電力の必要性を 減少させるという傾向がある。米国特許第5,192,921号は、気体セルの直径が約 ６ｍｍで１８ｍｍの長さしかない、小型化セルタイプの原子周波数原器を開示し ている。セシウムガスが用いられるとき、上記のような公知のアナログ 回路は、全体積が約２５ｃｍ３よりも小さい周波数原器を生成するためにこのガ スセルと共に用いることができる。しかしながらマイクロ波およびレーザ制御ル ープのためそれぞれのフィードバック信号を抽出するために必要な別々の位相検 出器は、これらのアナログ回路の更なる小型化を制限する。 したがって、制御回路を含んだ全体のサイズが現在得られるものよりも小さい 改良された原子周波数原器に対する需要が存在する。 安定であり信頼でき、合理的なコストで製造することのできる、小さなサイズ のそのような原子周波数原器に対する関連した需要が存在する。 引き出される電力の量および必要な電力の質の両方に対する電力要求度が少な いそのような原子周波数原器に対するさらなる需要が存在する。 発明の要約 これらの需要その他は、光源の波長と、マイクロ波信号の周波数と、蒸気および レーザ温度制御およびＣ−フィールド電流（C-field current）を制御するため のデジタル制御器を組み込んだ原子周波数原器に関する本発明によって満足させ ることができる。 デジタル制御器は、好ましくはレーザダイオードである光源の波長を蒸気の光 学的共振周波数にロックさせるため光制御信号のディザ処理を時間多重化（time multiplex）し、無線周波 数合成器の周波数をマイクロ波の共振周波数にロックさせるためマイクロ波制御 信号のディザ処理を時間多重化する。これはレーザおよびマイクロ波制御ループ を減結合させ、原子周波数原器のためアナログ制御回路に必要な高価な位相検出 器に対する必要性をなくす。ディザ処理の間における、特にマイクロ波信号の場 合における位相検出器の出力の小さな差異を取り込むためのユニークなアプロー チにおいて、検出器信号は、充電／サンプルおよびダンプ積分器において積分さ れる。本発明の例示的な実施態様においては、マイクロ波信号の場合５０の範囲 のゲインが、そしてレーザ信号の場合においては２０の範囲のゲインが実現され る。レーザ信号およびマイクロ波信号のディザ処理が時間多重化されるので、共 通の充電／サンプルおよび放電積分器が用いられ、それは更に時計のサイズとコ ストを減少させる。デジタル信号プロセッサによって生成されるノイズから生じ る誤差を減少させるために、光検出器信号が積分されている間の期間、プロセッ サは休止モードに置かれる。 蒸気の動作温度を維持するための電気ヒーターは、マイクロ波空洞の動作に干 渉するので、デジタル制御器は、マイクロ波信号が積分されていない期間だけこ れらのヒーターに通電する。 図面の簡単な説明 本発明の完全な理解が、次の添付図面を参照して望ましい実施例の以下の記載 を読むことによって得られる。 図１は本発明による原子周波数原器の概略図をブロック図の 形態で示したものである。図２は図１に記載した原子周波数原器によって用いら れる様々の信号の相対的タイミングを図示するタイミング図である。 図３は図１の原子周波数原器の一部分を形成するデジタルプロセッサによって 用いられるメインソフトウェアルーチンのためのフローチャートである。 図４から７は図３のメーンルーチンによって呼び出される割り込みサービスル ーチンのためのフローチャートである。 図８は図１の原子周波数原器のためのレーザ電流制御ループを示す概略図であ る。 図９は図８のレーザ電流制御ループにおいて用いられるレーザ電流制御ソフト ウェアのためのフローチャートである。 図１０は図１の原子周波数原器のためのマイクロ波周波数制御ループを示す概 略図である。 図１１はセシウムヒーター制御ループの概略図である。 図１２はレーザ温度制御ループの概略図である。 図１３は本発明の原子周波数原器を制御するために用いられるソフトウェアの 動作状態を示す状態図である。 好ましい実施態様の説明 本発明の原子周波数原器は小型の、マイクロプロセッサをベースにした、１０ ＭＨｚの発振器である。発振器の安定性は無線周波数（ＲＦ）信号をセシウムガ スの超微細遷移に同調させることによって達成される。原子周波数原器１のハー ドウェ アのブロック図が図１に示されている。原子周波数原器１は物理パッケージ３と 制御回路５を備えている。物理パッケージ３は、ここに引用により組み入れられ る米国特許第5,192,921号に記載されているような小型セシウムセル７を備える 。好ましくは物理パッケージは、これもまた引用により組み入れられる共係属出 願（W.E.58,527）に示されるタイプのものである。レーザダイオード９は、セル ７の中のセシウム蒸気をポンピングするコヒーレントな光のビームを発生する。 セシウム蒸気による光ビームの吸収は、光検出器１１によって検出される。マイ クロ波信号は、蒸気セル７が中に取り付けられるマイクロ波空洞１３によってセ シウム蒸気に結合される。述べたように、マイクロ波信号は、蒸気の基底状態が 再配置されレーザダイオードが連続的にセシウム原子をポンピングできるように 、セシウム蒸気のマイクロ波原子遷移周波数に同調される。蒸気セル７における 必要な蒸気圧を生成するためにそして安定な動作のために蒸気は電気ヒーター１ ５によって加熱される。蒸気の温度はセシウムサーミスタ１７によってモニター される。安定な動作のために、レーザダイオード９の温度もまた制御しなければ ならない。この温度は外気の状態よりも低い可能性もあるので、熱電気クーラー ／ヒーター（TEC）１９が用いられ、レーザダイオード９の温度がレーザサーミ スタ２１によってモニターされる。Ｃ−フィールドコイル２３が、外界の磁界の 影響を最小化する一様な背景磁界を生成する。さらに磁界シールド（図示せず） がセシウムセルを外界からさらに隔離する。 制御回路５の心臓は、１６ビットデジタル信号プロセッサ（DSP）２７および デジタルアプリケーション仕様集積回路（Digital Applications Specific Inte grated Circuit）（DASIC）２９を備えるデジタル制御器２５である。ＤＳＰ２ ７は，デジタルフィルタリングおよび制御のため最適化された専門化したタイプ のマイクロプロセッサである。例示的ＤＳＰはテキサスインスツルメントのＴＭ Ｓ３２０Ｃ５０マイクロプロセッサである。デジタル制御器２５は、ＤＳＰのプ ログラムメモリ３１の中にロードされたソフトウェアの実行を通して、そしてＤ ＡＳＩＣ２９によって生成された制御およびタイミング信号を通して物理パッケ ージ３の動作を支配する。ＤＡＳＩＣ２９は、ＤＳＰ２７に対する割り込みを生 成することを含む幾つかのタイミング機能を行う幾つかのタイマーを備える。Ｄ ＳＰ２７は、それぞれ１６ビットパラレルアドレスおよびデータバス３３、３５ および制御バス３７を通じてＤＡＳＩＣ２９と通信する。ＤＡＳＩＣ２９は、パ ラレルアドレスおよびデータバス３３、３５の上で生成されたメッセージを、Ｒ Ｆ周波数合成器４７、レーザ電流調整器４９、およびＣ−フィールド電流調整器 ５１のデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ４１、４３、４５へのシリアル出 力バス３９上の伝送のため変換することによってＤＳＰ２７に対するインターフ ェースとしての役目を果たす。理解されるように、ＤＳＰ２７は関連する制御パ ラメータのためのセットポイント値（set point values）をそれらのＤ／Ａに提 供する。 ＤＡＳＩＣ２９はまた、ＴＥＣ１９に対する電力パルス幅変調器５３へ制御信 号を提供し、蒸気ヒーター１５に対する電力パルス幅変調器５５のための同様の 制御信号を提供する。 制御回路５はまた、光検出器１１、セシウムサーミスタ１７およびレーザサー ミスタ２１によって生成されるアナログ信号をデジタル制御器２５の中に入力す るための部品を備える。これらの信号はアナログマルチプレクサ（アナログマッ クス）６１に入力され、１６ビットＡ／Ｄコンバータ６３によってデジタル形式 に変換される。デジタル化されるべき信号の選択は、ＤＡＳＩＣ２９によって制 御リード線６５を通ってアナログマックス６１に供給される制御信号によって決 定される。ＤＡＳＩＣ２９は、制御リード線６７を通ってＡ／Ｄコンバータ６３ に制御信号を提供し、選択されたデジタル化信号をシリアル入力バス６９を通っ て受け取る。 アナログレーザサーミスタおよびセシウムサーミスタ信号は、それらがデジタ ル化される前に増幅器７１、７３によって増幅される。レーザ信号がディザ処理 される時においておよびマイクロ波信号がディザ処理される別の時において、２ つのディザ周波数における光検出器信号のレベルの差異は非常に小さくマイクロ 波信号の場合において特にそうである。したがって、光検出器信号は、以下にも っと詳細に記載される新規な積分およびダンプＡ／Ｄ積分器７５によって増幅さ れる。この積分器はまたリード線７７を通じてＤＡＳＩＣ２９によって制御され る。 以上に述べたように、レーザ信号をレーザ吸収波長にロック させた状態に維持し、マイクロ波信号をマイクロ波吸収周波数にロックさせた状 態に維持するために、公知のようにマイクロ信号とレーザ信号は両方ともディザ 処理される。しかしながら本発明によればマイクロ波信号とレーザ信号のディザ 処理は時間多重化される。レーザ信号とマイクロ波信号のディザ処理の時間多重 化のためのタイミング信号およびその他のタイミング信号がＤＡＳＩＣ２９によ り生成される。ＤＡＳＩＣによって生成される関連するタイミング信号が図２に 示されている。基本の時間間隔は、４つのタイムスロット０、１、２、および３ に分割されるフレームである。タイムスロット０および１はそれぞれマイクロ波 信号の正および負のディザ処理に関連し、レーザ信号はタイムスロット２におい て正のディザ波長にスイッチングされ、タイムスロット３において負のディザ波 長にスイッチングされる。正および負にディザ処理されたマイクロ波信号の差異 はレーザ信号に対するそれよりも小さいので、マイクロ波信号は増幅を大きくす るために長い時間にわたって積分される。このようにフレームの継続時間が１０ ｍｓである例示のシステムにおいては、タイムスロット０および１はそれぞれ３ ｍｓであり、タイムスロット２および３はそれぞれ２ｍｓである。タイムスロッ トの相対的継続時間は所望の増幅によって変化させることができる。しかしなが ら、本質的な特徴は、誤差が入り込むことを避けるために、特定の信号の正およ び負のディサ処理のための積分時間が同じでなければならないことである。図２ から示されるように、Ａ／Ｄサンプル信号が制御 リード線６７を通ってＡ／Ｄコンバータ６３に提供されるとき、積分された信号 が読まれる。ＤＡＳＩＣ２９はまた、各々の新しい積分の都度積分器をリセット するためにリード線７７を通って積分器７５に図２に示す積分信号を提供する。 この積分信号がローになると積分器はクリアされる。積分区間を決定するのは、 積分を開始するために積分信号がハイになる時と、次のＡ／Ｄサンプル信号が生 成される時との間の区間である。本発明の例示的実施態様においては、マイクロ 波信号についての積分期間は２ｍｓであり、レーザ信号についての積分期間は１ ｍｓである。 これも以前に述べた通り、正および負のディザ処理に対する光検出器の振幅の 差異は、特にマイクロ波信号の場合において非常に小さいので、ＤＳＰのフルの 動作によって生成されるノイズが測定される光検出器信号の中に誤差を入り込ま せることを防止するために積分期間の間、デジタル信号プロセッサ２５の活動は 減少させられる。このように図２に示されたように、ＤＳＰはそれぞれのタイム スロットの開始時に非常に短い期間オンされるだけである。ＤＳＰにおける責任 は、これらの短い期間の間にその全ての機能が実行され得るということである。 このことは、各フレームの間少なくとも１回全ての作業が実行されるようにスロ ット間に作業を分配することによって容易になる。 図２から気付くことができるように、各々のタイムスロットの開始時に、Ａ／ Ｄサンプル制御信号上にサンプルパルスを発 生させることにより、前のタイムスロットの間に積分された信号がまず読まれる 。次にＤＳＰ２７がオンされ、その作業の実行を開始する。その初期作業の１つ はレーザ及び／又はマイクロ波信号上にディザを設定することである。これは明 らかに積分信号が読まれた後まで起こってはならない。システムが新しいレベル のレーザ及び／又はマイクロ波信号に適合している間、積分信号はローになって 積分器をリセットする。ＤＳＰ２７がその作業を完成し休止した後、積分信号は ハイになり次の積分を開始する。議論されるようにレーザサーミスタ及びセシウ ムサーミスタ信号は、ＤＳＰ２７の異なるオン期間の間に読まれる。 図３は、ＤＳＰ２７の主なソフトウエアルーチン７９のフローチャートを図示 する。始動においてＤＳＰは８１で示されるように休止モードにある。各タイム スロットの始まりにおいてＤＡＳＩＣ２９は、タイムスロットの番号を示す８３ のレジスタを読み出すようにＤＳＰに促す割り込みを送電する。８５、８７およ び８９で決定された電流タイムスロットの番号に応答して、適当なタイムスロッ ト割り込みサービスルーチンは９１、９３、９５または９７で呼び出される。選 ばれた割り込みサービスルーチンからの帰路において、ＤＳＰが８１で休止モー ドに戻る前にタイムスロットレジスタは９９でインクリメントする。 タイムスロット０の割り込みサービスルーチン１０１のフローチャートが図４ に図示されている。ルーチンが呼び出され たとき、Ａ／Ｄコンバータ６３が１０３で読み出され、積分器が１０５でリセッ トされる。ついで、ディザ電流値は１０７でレーザ電流調整器Ｄ／Ａコンバータ ４３に送電されず、正ディザ電流値は１０９でＲＦ周波数合成器Ｄ／Ａコンバー タ４１へ送電される。これに続いてレーザ電流と温度制御アルゴリズムは１１１ で処理され、マイクロ波出力制御アルゴリズムは１１３で処理される。最終的に 、このタイムスロットの間の積分の始まりのサンプル時間が１１５でセットされ る。サンプルタイムはまた、次のタイムスロットを開始させるＤＳＰ２７の割り 込みとして機能する。 タイムスロット１の割り込みサービスルーチン１１７のフローチャートが図５ に図示されている。その正ディザ電流値においてマイクロ波制御信号での光検出 器の信号の積分値を含むであろうＡ／Ｄコンバータ６３を１１９で読み出したあ と、積分器７５は１２１でリセットされる。積分器はリセットされ、１２３で示 すように、ＤＳＰ２７はマイクロ波マイナスディザ電流値をＤ／Ａコンバータ４ １へ送電する。空洞サーミスタ電圧のデジタル値をその後１２５で読み出し、タ イマーが１２９での次の積分のために更新される前に、空洞温度制御アルゴリズ ムは１２７で実行される。 図６はタイムスロット２の割り込みサービスルーチン１３１のフローチャート を図示する。再び、最初の仕事は、この時点でマイナスディザ電流値におけるマ イクロ波での光検出器信号の積分値を含んでいるＡ／Ｄコンバータを１３３で読 み出すこ とである。積分器７５が１３５でリセットされたあと、レーザ電流のプラスディ ザ電流値はレーザ電流調整器４９と結合しているＤ／Ａコンバータ４３へ１３７ で送電される。その時ディザ電流値はＲＦ周波数合成器４７のＤ／Ａコンバータ ４１へ１３９で送信されない。１４１で空洞ヒーターのターンオンタイムが更新 され、ＤＡＳＩＣへ送信される。次いで、タイマーが１４５で次の積分のために 全て更新される前に、マイクロ波周波数合成器アルゴリズムは１４３で実行され る。 ４７におけるタイムスロット３の割り込みサービスルーチンのフローチャート が図７に図示されている。この時実行される唯一の機能は、１４９でＡ／Ｄコン バータを読みだし、１５１で積分器７５をリセットし、１５３でレーザマイナス ディザ電流値をＤ／Ａコンバータ４３へ送電し、および１５５で次の積分のため にタイマーを更新することである。 図８は、本発明によるレーザ電流制御ループをより詳しく図示した概略ダイア グラムである。レーザダイオードにより放射された光の波長は、レーザ電流と温 度の関数である。よって、電流と温度の変動率はセシウム蒸気の光共振器周波数 のレーザ波長をロックするのに使用される。レーザ温度制御は以下の図１２に関 連して議論されている。先に述べたように、ＤＳＰ２７により処理される主なル ーチンは、タイムスロットにより、レーザ電流のための正、負および０のディザ 値を出力する。適当な値は並列バス３５を通じてＤＡＳＩＣ２９へ渡され、直列 形式に変換され、直列バス３９を通じてレーザ電流Ｄ−Ａコン バータ４３へ送信される。このＤ／Ａコンバータ４３は実際には、粗いＤ／Ａコ ンバータ１５７と細かいＤ／Ａコンバータ１５９からなる。これらコンバータ１ ５７と１５９の各々は１２ビットであり、しかし４ビットオーバーラップで、レ ーザ電流の２０ビットセットポイント値がレーザ調整器回路４９中でレーザ電流 出力ドライバ１６１へ供給される。レーザー電流出力ドライバ１６１は、レーザ ダイオード９への電流の供給を内部制御ループ中のＤＳＰ２７により司令された 値に調整するための電流測定フィードバック抵抗器１６３を含むフィードバック ループ中のこのセットポイント値を使用する。 レーザ電流のセットポイント値はセシウム蒸気の光共振器波長にロックされた レーザを維持するために外部制御ループ中で導かれる。この外部制御ループは、 レーザダイオード９により発生した光がそれを通過するセシウムセル７と、セル ７中で蒸気に吸収されないレーザダイオードからの光の量に応答する光検出器１ １を含む。外部制御ループはさらに充電非共振積分器７５、アナログマックス６ １、１６ビットＡ／Ｄコンバータ６３およびデジタル制御器２５を含んでいる。 積分器７５は、抵抗器１６６により供給され積分キャパシタ／６７により分路さ れた演算増幅器／６５の伝統的な組み合わせを含んでいる。Ｄ／Ａコンバータ４ ３へ供給されたセットポイント値が変更されたとき、積分器７５は、次の積分に そなえてスイッチ１６９を開け積分器への入力を停止させ、スイッチ１７１を閉 めてキャパシタ１６７を放電させる制御リード線７７の信号により リセットされる。リセット期間の終わりに、ＤＡＳＩＣ２９はスイッチ１６９を 閉じ、スイッチ１７１を開けて新しい積分を始める。積分器７５のダイナミック レンジを増加させるために、オフセット値は光検出器信号から差増幅器１７３に より減じられる。オフセットは、レーザ信号の正ディザリングの間にできるだけ ０に近づけるように光検出器１１から誘導された信号を維持するために調整され る。このオフセット信号はＤＳＰ２７によりデジタル方式で発生しＤ／Ａコンバ ータ１７５によりアナログ信号へ変換される。 先に議論したように、積分器が読み出されるとき、積分器７５の出力はアナロ グマックス６１により選択される。１６ビットＡ／Ｄコンバータ６３は、変換を 開始するためにリード６７を通してＤＡＳＩＣ２９からの信号により閉じられた サンプリングスイッチ１７７を含む。変換が完了した際、スイッチ１７９は閉じ られ、記憶のためＤＡＳＩＣへデジタル値が送られている。レーザ電流制御ルー チン１８１のフローチャートを図９に図示する。上述のように、このルーチンは 図４のタイムスロット０の割り込みサービスルーチン１１１により処理される。 １８３で示したように、ルーチンは先のフレーム中に記録された（＋）と（−） のディザの記憶されたピーク積分器値を読み出す。レーザ電流の（＋）と（−） のディザ処理の間の検出器信号間の相違は、その後１８５で計算される。この誤 差は１８７で主なルーチンにより使用される０、（＋）および（−）のディザ値 を生じさせるのに使用される。ルーチン１８ １は、Ｄ／Ａコンバータ１７５を通して差増幅器１７３へ使用されるオフセット 値も決定する。この部分またはアルゴリズムは、正ディザがレーザ電流に存在す る間にできるだけ０に近づくように差増幅器１７３の出力を維持する。光検出器 出力の絶対値は重要ではなく、しかしレーザ電流ディザのための光検出器出力に おける差の正確な決定は非常に重要である。先のフレームから正ディザの間の積 分され記憶された光検出器出力が１８９で決定したように０より大なるとき、オ フセットレジスタは１９１で１だけディクリメントする。そうでなければ、１９ ３で１だけディクリメントする。この働きが差増幅器１７３の出力を正レーザデ ィザの間できるだけ０に近づけ、それによって正および負のレーザディザ電流の 両方に対応してアナログ積分器７５のダイナミックレンジを最大化する。このゼ ロにすることにより光検出器１１のａｃカップリングを除去し、大きいｄｃブロ ッキングキャパシタの必要性を未然に回避する。 レーザ電流の全体の制御を要約すると、各フレームのタイムスロット０の始め で、レーザ電流のセットポイント値を０ディザ値にセットする。レーザ電流出力 ドライブ１６１はその時電流レーザ電流をこの値にさせる。タイムスロット０中 のちに、主なルーチンは図９に示すようにレーザ電流と温度ルーチン１８１を呼 び出す。対称な形の光検出器１１の出力は、レーザ吸収ディップの部位でレーザ 電流の関数として、レーザ波長の誤差信号を展開するためにレーザ電流アルゴリ ズムにより使用される。レーザ波長が正確にセシウム吸収ディップ上にあるとき 、 電流ディサは正および負のディサの光検出器出力信号を等しくする。波長誤差状 態下の電流ディサは光検出器の出力信号を等しくしない。出力における相違は誤 差の大きさを示し、相違のしるしは誤差の方向を示す。レーザ電流調整ルーチン はこの誤差を積分し、レーザ電流のレーザ０、（＋）および（−）値を発生させ る。 タイムスロット２の始めにおいて、積分器７５は図６の１３５でのタイムスロ ット２割り込みサービスルーチンによりリセットされる。積分器７５がリセット 状態下にある場合、プラスディザ電流値はレーザ電流出力ドライバ１６１のＤ／ Ａ変換器４３へ送電される。過渡電流がレーザ電流中の変化により生じる間、積 分器はリセット状態下にある。ＤＳＰ２７はその時休止し、積分器中のスイッチ １６９は閉じ、スイッチ１７１は開けられてレーザ電流の正値の光検出器信号の 積分を開始する。この間隔の間、マイクロ波信号はディザ値には設定されない。 加法ノイズを取り除くと同時に一方、積分器７５は正レーザディザの光検出器出 力のｄｃ成分を増幅する。タイムスロット３の始まりにおいて、ＤＡＳＩＣ２９ はＡ／Ｄコンバータ６３が積分器出力の変換を実行することを始動させるＡ／Ｄ サンプル信号を発生させる。ＤＳＰ２７はその時休止状態から脱し、図７の１５ １で積分器をリセットする。マイナスディザ電流値はその時レーザ電流出力ドラ イバ１６１のセットポイントとしてＡ／Ｄコンバータ４３に送電され、過渡電流 が落ち着いたとき、積分器はネガティブレーザ電流ディザに応答して、光検出 器出力を積分し始める。次の０タイムスロットの始まりにおいて、Ａ／Ｄサンプ ル信号が発生し、マイナスレーザディザの積分値の転換を始める。 ｄｃ入力の積分器７５の出力Vinは、Vout＝TxVin／ＲＣ［式中、Ｒは積分器入 力抵抗器１６６の値である］により得られる。典型的な構成には、積分時間Ｔは 約１ｍｓ、Ｒ＝５１００オーム、積分キャパシタ１６７のキャパシタンスである Ｃは、０．０１μＦである。ゆえに、レーザ波長制御の積分器７５のｄｃ利得は ２０である。 図１０は、本発明に係るマイクロ波周波数制御ループのさらなる詳細を示す略 線図である。前述したように、ＤＳＰ２７によって処理される主ルーチンは、レ ーザー電流のディザ処理によってマイクロ波のディザ処理を時間多重化する。し たがって、各フレームのタイムスロット０の間、ＤＳＰ２７は、並列バス３５を 渡ってＤＡＳＩＣ２９に送られるマイクロ波制御信号として（＋）値を生成する 。ＤＡＳＩＣ２９は、このマイクロ波制御信号を直列フォーマットに変換し、こ れを直列バス３９を渡ってマイクロ波周波数シンセサイザＤ／Ａコンバータ４１ に伝達する。Ｄ／Ａコンバータ４１は実際には、１６ビットＤ／Ａ粗コンバータ １９７と、このＤ／Ａ粗コンバータ１９７と約６ビット重複させて２６ビットの デジタル制御信号を供給する１６ビットＤ／Ａ微コンバータ１９９からなる。Ｄ ／Ａコンバータ１９７および１９９のアナログ出力は、組み合わせたアナログ入 力信号をセシウム蒸気に印加されるマイクロ波信号 に変換するＲＦ周波数シンセサイザ４７のためのセットポイント入力として働く 。このＲＦ周波数シンセサイザ４７は、２０ＭＨｚ水晶制御電圧制御発振器（Ｖ ＣＸＯ）２０１を含む。この２０ＭＨｚＶＣＸＯの出力は、１ＧＨｚＶＣＯ２０ ５を駆動する誤差信号を生成するためにフェーズ比較器２０７において２０ＭＨ ｚＶＣＸＯ２０１の出力から出力が減じられる１ＧＨＺ電圧制御発振器（ＶＣＯ ）２０５を含む１ＧＨｚフェーズロックループ２０３のための入力として用いら れる。フェーズロックループ２０３の出力は、増倍係数９を有し約９ＧＨｚのマ イクロ波信号を生成するステップリカバリダイオード（ＳＲＤ）逓倍器の形態の 周波数逓倍器２０９を駆動する。さらに、１ＧＨｚフェーズロックループ２０３ の出力は、安定した１０ＭＨｚクロック出力信号を出力として供給する１０ＭＨ ｚ出力フェーズロックループ２１１を統制するために用いられる。ＲＦ周波数シ ンセサイザ４７によって生成されたマイクロ波信号は、同軸ケーブルを介して、 この分野で公知の方法で物理パッケージ３のマイクロ波空洞１３に印加される。 このマイクロ波信号は、マイクロ波共振周波数に整調されたとき、セシウム蒸気 の基底状態を再配置する。マイクロ波信号のこの整調は、光検出器１１の出力に おけるマイクロ波ディップを生じる。光検出器出力信号は、ＤＡＳＩＣ２９によ り生成される制御信号に応じてスウィチ１６９および１７１の動作を通じてレー ザ電流制御ループと共に上述した方法でチャージ／サンプルおよびダンプ積分器 ７５によって積分される。レーザ電流の場合のよ うに、積分器７５の出力は、Ａ／Ｄコンバータ６３による変換のためのアナログ マックスによる積分器の選択により各積分周期の終わりに読み込まれる。 マイクロ波周波数制御ループの動作を要約すると、タイムスロット０の始めに 、ＤＳＰ２７は覚醒し、図４の１０９で示されるようにマイクロ波制御信号を正 のディザ値に設定する。タイムスロット０間のＤＳＰが作動している短期間の間 、マイクロ波出力制御アルゴリズムは、図４の１１３において次のフレームで用 いるレーザ出力値を計算する。一方、ＤＡＳＩＣ９は、積分器７５をリセットし 、過渡電流が落ち着けば、正のマイクロ波ディザに応じて光検出器信号の積分を 開始する。 タイムスロット１の始めに、正のマイクロ波ディザの積分値は読み込まれ、積 分器はリセットされ、マイクロ波ディザは図５の１２３で負の値に設定される。 ＤＳＰ２７は、その仕事を完了した後、休止状態に入り、負のディザ信号の積分 が開始される。タイムスロット２の始めに、負のディザ信号の積分値は読み込ま れ、次にマイクロ波ディザは０値に設定され、そこにタイムスロット２およびタ イムスロット３を通じて留まる。 マイクロ波周波数制御ループのためのチャージ／サンプルおよびダンプ積分器 ７５の積分時間は、２.５ｍＳである。レーザ制御ループと共に上記に示した式 を用いれば、マイクロ波制御ループの光検出器信号に印加されるｄｃゲインは、 ５０だとわかる。レーザ電流ループの場合のように、積分器７５は、１／Ｔの整 数倍である雑音周波数成分をすべてゼロに積分する。 ホワイトノイズを有する積分器の信号対雑音率が時間の平方根と共に向上するこ ともまた公知である。 図６に示されるタイムスロット２割り込みサービスルーチン１３１の１４３で 実行されるマイクロ波周波数制御アルゴリズムは、電流制御アルゴリズムのため の図９に示されるルーチン１８１と類似である。マイクロ波制御信号のための正 、負、０のディザ値の生成に加えて、このルーチンはＤ／Ａコンバータ１７５を 介して差動増幅器１７３に印加されるバイアスを調整し、制御ループのダイナミ ックレンジを増大させるため負のマイクロ波周波数ディザの積分値をできるだけ ゼロに近づくよう維持する。 セシウム蒸気ヒータ制御ループは、図１１に概要を示している。電力は、ヒー タ電力パルス幅変調器（ＰＷＭ）５５によってヒータ１５に供給される。フィー ドバックは、１００μａ定電流電源２１５によって動力を供給されるセシウムサ ミスタ１７によって得られる。サミスタ１７にかかる電圧は、セシウムセルの温 度の測定値であるが、ｏｐアンプ７３によって増幅され、低域通過ノイズフィル タ２１７によってろ過される。前述したように、シールドの内に位置し電力の必 要条件を最小にする、ヒータによって生成される場がマイクロ波周波数の安定性 を損なう恐れがあるので、マイクロ波信号が測定されているタイムスロットの間 、ヒータ１５は電力を与えられない。したがって、ヒータは、ヒータによって影 響されないレーザディザ処理中の間点灯されるだけである。図５の１２５で示さ れるよ うに、セシウムサミスタ１７上の電圧は、タイムスロット１サービスルーチンに よって読み込まれる。これはマイクロ波周波数が正のディザにあるときに起こる が、ヒータがこの時点で止められる。アナログマックス６１は、デジタルプロセ ッサ２５への入力のためＡ／Ｄコンバータ６３による変換のためセシウムサミス タ電圧を選択する。制御器２５におけるＤＳＰ２７は、このフィードバック電圧 をセットポイント電圧と比較し誤差を生成する。この誤差は次に、ヒータが点灯 される期間を決定するパルス幅変調信号を生成する積分器を組み込むデジタルフ ィルタに印加される。ＤＡＳＩＣ２９は、ヒータ電力ＰＷＭ５５のため、ＤＳＰ によって生成されたこのパルス幅変調信号を単純なｏｎ／ｏｆｆ制御信号に変換 する。この制御信号は、ＤＳＰによって生成されたパルス幅変調信号を負荷した レジスタ、タイマーによってインクリメントされたカウンタ、およびカウントを レジスタと比較する比較器を用いてＤＡＳＩＣによって生成される。カウントが レジスタと一致したとき、制御信号は高くなり、ヒータ電力PWM55を点ける。レ ジスタは、レーザ周波数がディザ処理されているタイムスロット２および３の間 、負荷されているだけである。ヒータが点灯されるこれらのタイムスロットの時 間は、パルス幅変調信号の大きさによって決定される。この信号が大きければ大 きいほど、ヒータが点灯される時間が早くなる。ヒータは、これらのタイムスロ ットのそれぞれの終わりで制御信号を０にリセットすることによって消される。 この簡単な制御手順によって、ヒータ回路 のための独立したＤ／Ａコンバータの必要性がなくなる。ヒータは、通常の動作 中で定期的に点灯されるだけである一方、ウォームアップ時間を短縮するために 、立ち上がり時で連続して点灯することができる。 レーザの温度を制御するＴＥＣのための制御ループは、たった今説明したヒー タのための制御ループと類似である。従って、図１２に示すように、ＤＡＳＩＣ ２９は、ＴＥＣ電力ＰＷＭ５３のために単純なｏｎ／ｏｆｆ制御信号を生成する 。ＴＥＣ電力ＰＷＭ５３が点灯されると、ＴＥＣ１９に電力が供給される。レー ザ９の温度のフィードバックは、セシウムサミスタと同様に、１００μａ定電流 電源２１９によって電力を供給されるレーザサミスタ２１によって提供される。 レーザの温度を示すサミスタ２１にかかる電圧は、ｏｐアンプ７１によって増幅 され、ノイズフィルタ２２１によって濾過される。この電圧は、空洞サミスタが 読み込まれた直後、Ａ／Ｄコンバータ６３によるデジタル化のためアナログマッ クス６１によって選ばれる。ＤＳＰ２７は、この実際の電圧値をセットポイント 値と比較し、セシウムヒータ制御ループと共に説明した方法でｏｎ／ｏｆｆ信号 を生成するＤＡＳＩＣによって用いられるパルス幅変調信号を生成す。 レーザサミスタフィードバック信号は、ウォームアップ中にＴＥＣを制御する ために用いられるのみである。レーザディップが見つけられると、ＤＳＰ２７は 、レーザ電流ループにおいて光検出器信号によって決定されるような実際のレー ザ電流と レーザ電流のためのセットポイント値との間の関数として、ＴＥＣを制御するた めにＤＡＳＩＣ２９によって用いられるＰＷＭ信号を生成する。これは、レーザ 波長が出力とともに幾分変化することから、クロック安定性を増す固定値にレー ザ出力を維持する。 Ｃ−フィールドコイル電流は、デジタル制御器２５によって与えられるデジタ ルセットポイント値に調整され、図１に示されるようにＤ／Ａコンバータ４５に よってアナログ信号に変換される。Ｃ−フィールド電流調整器５１は次に、レー ザ電流制御と共に説明する内部ループに類似のフィードバックループのコイル２ ３のために電流を調整する。 発明の原子周波数標準１のソフトウェアは、実時間での有限状態機械動作とし て説明することができる。ソフトウェア状態推移線図２２３が図１３に示される 。状態は周波数標準の挙動を定義し、図中、円として示される。プログラム論理 は１つの状態から他の状態への推移を決定する。推移は状態間の矢印で示される 。 初期化状態２２５は、周波数標準１への電力印加時に入る状態である。この状 態において、デジタル制御器２５およびその周辺要素が初期化される。初期化状 態の最後でタイマ割込みが可能になり、状態は初期状態２２７に替わる。 初期状態２２７は、物理パッケージ３内の重要成分の温度制御を確立する。初 期状態２２７の間、レーザ温度制御およびセシウムセル温度制御アルゴリズムが 実行される。レーザは、望 まれる動作ポイントよりわずかに上の固定電流で駆動される。Ｃ−フィールド電 流はゼロに設定される。ＲＦ周波数シンセサイザ４７を駆動するＤ／Ａ粗および 微コンバータ１５７，１５９はそれぞれ、最小および中間範囲に設定される。ソ フトウェアは、両方の温度制御アルゴリズムがプログラム可能な限度内にあるレ ーザとセシウムセルの温度誤差を演算した後のみ、レーザディップ発見件状態２ ２９へ移る。 レーザディップ発見状態２３１は、レーザダイオード波長をセシウム吸収ディ ップにほぼ整調する。レーザディップ発見状態２３１の間、レーザ温度制御およ びセシウムガス温度制御アルゴリズムが実行される。レーザ電流は、粗値から下 方に傾斜される。傾斜の間、物理パッケージフォトダイオード電圧は、１６ビッ トＡ／Ｄ６３を介してデジタル制御器２５によって読み込まれる。ロック最小の 検出は、レーザがセシウム吸収ディップにほぼ整調されたことを意味する。ソフ トウェアは、レーザ温度制御アルゴリズムがプログラム可能な限度より小さい誤 差を演算しなければ、および演算するまでレーザロック動作状態に推移しない。 Ｃ−フィールド電流、ＲＦ出力およびＲＦ周波数ドライバは影響されない。 この状態２３１の間、デジタル制御器２５は、波長制御アルゴリズムおよびマ イクロ波ディップ調査アルゴリズム実行の準備に、光検出器差動増幅器の出力を ほぼ最小にするアルゴリズムを実行する。 このアルゴリズムは電流を最小値に傾斜させる。最小値に達 するまでにディップが検出されなければ、誤差が生じたことになる。本設計にお いて、ディップか発見されなければ、ソフトウェアは、レーザディップ発見状態 ２３１に留まる。レーザロック状態２３３は、レーザ電流と温度を制御すること によって、前の状態で発見されたセシウム吸収ディップにレーザ波長を正確に整 調する。レーザーロック状態２３３の間、セシウムガス温度制御アルゴリズムが 実行される。レーザ温度制御アルゴリズムもまた実行されるが、レーザサミスタ フィードバック信号によるよりむしろ、実際のレーザ電流とレーザ電流セットポ イントとの差によって駆動される。これは、レーザ出力を固定する傾向がある。 Ｃ−フィールド電流およびＲＦ周波数ドライバは影響されない。レーザ波長制御 アルゴリズムが実行される。マイクロ波ディップ調査アルゴリズムの準備に光検 出器差動増幅器１２の出力を正確にゼロにするアルゴリズムが実行される。 ソフトウェアは、波長制御アルゴリズムがプログラム可能な限界より小さいレ ーザ電流誤差を演算し、光検出器差動増幅器が正確にゼロになった後のみ、マイ クロ波ディップ発見状態２３５に移る。これらの条件が両方とも約４分間存在し なければならない。マイクロ波ディップ発見状態２３５の間、レーザ温度制御、 セシウムガス温度制御、およびレーザ波長制御アルゴリズムが実行される。 Ｃ−フィールド電流は、プログラム可能な値に設定され、粗ＲＦ周波数シンセ サイザＤ／Ａコンバータ４１は、上方に傾斜 されディザ処理される。ディザ誤差は計算され閾値と比べられる。閾値より大き いいかなる誤差もセシウムガス内のＲＦディップの存在を示している。ソフトウ ェアは、ＲＦディップを検出するとマイクロ波ロック状態２３７に移る。ＲＦデ ィップが発見されないときは、システムはマイクロ波ディップ発見状態２３５に 留まる。 マイクロ波ロック状態２３７は、周波数標準１の安定状態動作状態である。マ イクロ波ロック状態２３７の間、レーザ温度制御、セシウムガス温度制御、およ びレーザ波長制御アルゴリズムが実行される。ＲＦ周波数制御ループがＲＦ周波 数制御Ｄ／Ａコンバータを用いて実行される。周波数制御ループ中の周波数誤差 が所定の閾値を下回ると、ロックインジケータが作動され、周波数標準が完全に 動作可能になる。 発明の特定の実施態様が詳細に説明されてきたが、本開示全体の教示にかんが みて、それら詳細に様々な修正や変更が可能であることが当業者には理解できる であろう。したがって、開示された特別な組み合わせは、説明のためだけであっ て、発明の範囲について何ら制限するものではなく、発明の範囲は付属する請求 の範囲の全範囲およびそのいかなる、すべての均等物に及ぶことを意味する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年８月２６日（１９９７．８．２６） 【補正内容】 明細書 ディジタルプロセッサにより制御される小型原子周波数原器 発明の背景 発明の分野 この発明は、マイクロ波発振器がレーザダイオードによってポンピングされる 蒸気の超微細周波数に同調されるタイプの小型化原子周波数原器に関し、特にデ ジタルプロセッサを用いた発振器、レーザダイオードおよび関連する部品の制御 に関するものである。 情報の背景 公知のタイプの原子時計は、マイクロ波発振器をセシウムあるいはルビジウム などの蒸気の超微細波長に同調させる。蒸気を通過した光ビームは、原子をその 基底状態から高位の状態へとポンピングしそこから原子は基底状態より上方の超 微細波長にある状態へと落ちる。蒸気の原子を高位の状態へとポンピングするに 際しての光の吸収は、光検出器（photodetector）によって検出される。基底状 態が空乏化すると、蒸気を通過して検出器に到る光が増加する。しかしながら、 マイクロ波信号が超微細波長に同調されると、蒸気の原子をポンピングするにあ たって光が連続的に吸収されるように基底状態が再配置される。このように光信 号に対する検出器の応答は、蒸気原子が高位の状態へとポンピングされる正確な 波長におけるディップ（dip バータ４３へ送信される。このＤ／Ａコンバータ４３は実際には、粗いＤ／Ａコ ンバータ１５７と細かいＤ／Ａコンバータ１５９からなる。これらコンバータ１ ５７と１５９の各々は１２ビットであり、しかし４ビットオーバーラップで、レ ーザ電流の２０ビットセットポイント値がレーザ調整器回路４９中でレーザ電流 出力ドライバ１６１へ供給される。レーザー電流出力ドライバ１６１は、レーザ ダイオード９への電流の供給を内部制御ループ中のＤＳＰ２７により司令された 値に調整するための電流測定フィードバック抵抗器１６３を含むフィードバック ループ中のこのセットポイント値を使用する。 レーザ電流のセットポイント値はセシウム蒸気の光共振器波長にロックされた レーザを維持するために外部制御ループ中で導かれる。この外部制御ループは、 レーザダイオード９により発生した光がそれを通過するセシウムセル７と、セル ７中で蒸気に吸収されないレーザダイオードからの光の量に応答する光検出器１ １を含む。外部制御ループはさらに充電非共振積分器７５、アナログマックス６ １、１６ビットＡ／Ｄコンバータ６３およびデジタル制御器２５を含んでいる。 積分器７５は、抵抗器１６６により供給され積分キャパシタ１６７により分路さ れた演算増幅器１６５の伝統的な組み合わせを含んでいる。Ｄ／Ａコンバータ４ ３へ供給されたセットポイント値が変更されたとき、積分器７５は、次の積分に そなえてスイッチ１６９を開け積分器への入力を停止させ、スイッチ１７１を閉 めてキャパシタ１６７を放電させる制御リード線７７の信号により 請求の範囲 １．光共振波長とマイクロ波原子遷移周波数とを含む特定の原子遷移周波数／波 長を有する限定された量の蒸気（７）と、 前記マイクロ波原子遷移周波数を含む周波数範囲のマイクロ波信号を生成し、 前記マイクロ波原子遷移周波数に対して安定した周波数で出力信号を生成する周 波数シンセサイザ手段（４７）と、 前記マイクロ波信号を前記蒸気（７）に結合させる手段（１３）と、 前記光共振波長を含む範囲内の波長で前記蒸気（７）を光学的にポンピングす るレーザダイオード（９）と、 前記レーザダイオードから前記蒸気を通過した光を表わす検出器信号を生成す る検出器手段（１１）と、 前記検出器信号に応答し、前記周波数シンセサイザ（４７）を作動させて前記 マイクロ波信号を前記原子遷移周波数の関数として規定し、前記レーザダイオー ド（９）を作動させて前記光共振波長に対して生成された光の波長を安定化する ためのディジタルプロセッシング手段（２５）を備えた制御手段（５）からなり 、 前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は、前記周波数シンセサイザ（４ ７）に供給されるマイクロ波制御信号を生成し前記マイクロ波制御信号をディザ 処理（１０９、１２３）して前記周波数シンセサイザ（４７）により生成された マイクロ 波信号を前記マイクロ波原子遷移周波数の中心周波数にする手段（２７，２９） と、 前記レーザダイオード（９）に供給される光波長制御信号を生成し前記光制御 信号をディザ処理（１３７，１５３）して前記レーザダイオード（９）により生 成される前記光波長を前記光共振波長の中心波長にする手段（４９）と、 前記マイクロ波制御信号と光制御信号のディザ処理を時間多重化する手段（２ ９）とによって特徴づけられる原子周波数原器（１）。 ２． マイクロ波制御信号と前記光制御信号とをディザ処理する手段（２９）が、 前記マイクロ波信号と前記光制御信号の値を変化させて前記検出器信号の第１と 第２の値を生成し、前記制御手段（５）が、前記検出器信号の前記第１と第２の 値を積分して前記検出器信号の第１および第２積分値を生成する積分器手段（７ ５）と、前記第１および第２積分値を前記ディジタルプロセッシング手段に入力 する手段（６１，６３）とを備える請求項１記載の原子周波数原器。３． 前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は、前記第１および第２の検出 器信号が前記積分器手段（７５）によって積分される間前記ディジタルプロセッ シング手段（２５）の動作と制限し前記検出器信号の第１および第２積分値にお けるノイズを低減させる手段（８１）を備える請求項２記載の原子周波数原器（ １）。４． 前記積分器手段（７５）は、前記マイクロ波制御信号と光 制御信号の両方のディザ処理に応答して第１と第２検出器信号を積分する共通の 積分器からなる請求項２記載の原子周波数原器（１）。５． 前記制御手段（５）は前記検出器信号の第１の値からバイアス信号を減算し て前記検出器信号の変形された第１の値を生成して前記積分器手段（７５）に供 給する手段（１７３）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段２５は前記バ イアス信号を生成して前記検出器信号の変形された第１の値を０に近づける手段 （１７５）を備える請求項２記載の原子周波数原器（１）。６． 前記制御手段（２５）は、前記マイクロ波制御信号かディザ処理される第１ 期間と前記光制御信号がディザ処理される第２期間において前記検出器信号を測 定する手段（７５）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記 検出器信号が第１と第２期間において測定される間だけ前記ディジタルプロセッ シング手段（２５）の動作を制限する手段（８１）を備えてなる請求項１記載の 原子周波数原器（１）。７． 前記制御手段（５）は前記限定された蒸気（７）を加熱する蒸気ヒータ手段 （１５）によって特徴付けられ、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は 前記電気ヒータ手段（１５）が前記マイクロ波制御信号のディザ処理中に通電さ れないように前記電気ヒータ手段の通電を制御する手段を備えてなる請求項１記 載の原子周波数原器（１）。８． 前記制御手段（２５）は前記限定された蒸気（７）を加熱 するための電気ヒータ手段（１５）によりさらに特徴付けられ、前記時間多重化 手段（２９） は前記検出器信号に応答して第１反復期間中に前記マイクロ波信号 を調整し、かつ、前記検出器信号に応答して第２反復期間中に前記光信号を調整し、手段（２９）は、 前記電気ヒータ手段を前記第１反復期間以外の期間に通電 する請求項１記載の原子周波数原器（１）。９． 前記制御手段（５）は前記検出器信号を所定の期間だけ積分して積分検出器 信号を生成する積分手段（７５）と、前記各期間中に生成された積分検出器信号 を前記ディジタルプロセッシング手段（２５）へ入力する手段（６１−６３）と を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記所定期間中に前記デ ィジタルプロセッシング手段を休止モードに置く手段（８１）をさらに備えてな る請求項１記載の原子周波数原器（１）。１０． レーザダイオード（９）を駆動する前記ディジタルプロセッシング手段（ ２５）は前記レーザダイオード（９）に供給する電流を調整し前記光共振波長に 対して、生成される光の波長を安定化する手段（４９）を備えてなる請求項１記 載の原子周波数原器（１）。１１． 前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記レーザダイオード（９ ） の温度を実際のレーザ電流の機能とレーザ電流の参照値として調整する手段（５３ ）をさらに備えてなる請求項１０記載の原子周波数原器（１）。 【図８】【図１０】【図１１】【図１２】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光共振波長とマイクロ波原子遷移周波数とを含む特定の原子遷移周波数／波 長を有する限定された量の蒸気（７）と、 前記マイクロ波原子遷移周波数を含む周波数範囲のマイクロ波信号を生成し、 前記マイクロ波原子遷移周波数に対して安定した周波数で出力信号を生成する周 波数シンセサイザ手段（４７）と、 前記マイクロ波信号を前記蒸気に結合させる手段（１３）と、 前記光共振波長を含む範囲内の波長で前記蒸気を光学的にポンピングするレー ザダイオード（９）と、 前記レーザダイオードから前記蒸気を通過した光を表わす検出器信号を生成す る検出器手段（１１）と、 前記検出器信号に応答し、前記周波数シンセサイザ（４７）を作動させて、前 記マイクロ波信号を前記原子遷移周波数の関数として規定し、前記レーザダイオ ード（９）を作動させて前記光共振波長に対して生成された光の波長を安定化す るためのディジタルプロセッシング手段（２５）を備えた制御手段（５）からな る原子周波数原器（１）。 ２．前記ディジタルプロセッシング手段（２５）が、前記周波数シンセサイザ（ ４７）に供給されるマイクロ波制御信号を生成し前記マイクロ波制御信号をディ ザ処理して前記周波数シンセサイザにより生成されたマイクロ波信号を前記マイ クロ波原子遷移周波数の中心周波数にさせる手段（１４３）と、前記 レーザダイオード（９）に供給される光波長制御信号を生成し前記光制御信号を ディザ処理して前記レーザダイオード（９）により生成された光波長を前記光共 振波長の中心波長にさせる手段（１１１）と、前記マイクロ波制御信号と前記光 制御信号のディザ処理を時間多重化する手段（１０９，１２３，１３７，１５３ ）とからなる請求項１記載の原子周波数原器（１）。 ３．マイクロ波制御信号と前記光制御信号とをディザ処理する手段（１０９，１ ２３，１３７，１５３）が、前記マイクロ波信号と前記光制御信号の値を変化さ せて前記検出器信号の第１と第２の値を生成し、前記制御手段（５）が、前記検 出器信号の前記第１と第２の値を積分して前記検出器信号の第１および第２積分 値を生成する積分器手段（７５）と、前記第１および第２積分値を前記ディジタ ルプロセッシング手段に入力する手段（６１，６３）とを備える請求項２記載の 原子周波数原器。 ４．前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は、前記第１および第２の検出 器信号が前記積分器手段（７５）によって積分される間前記ディジタルプロセッ シング手段（２５）の動作と制限し前記検出器信号の第１および第２積分値にお けるノイズを低減させる手段（８１）を備える請求項３記載の原子周波数原器（ １）。 ５．前記積分器手段（７５）は、前記マイクロ波制御信号と光制御信号の両方の ディザ処理に応答して第１と第２検出器信号を積分する共通の積分器からなる請 求項３記載の原子周波数原器（１）。 ６．前記制御手段（５）は前記検出器信号の第１の値からバイアス信号を減算し て前記検出器信号の変形された第１の値を生成して前記積分器手段（７５）に供 給する手段（１７３）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前 記バイアス信号を生成して前記検出器信号の変形された第１の値を０に近づける 手段（１７５、１９１〜１９５）を備える請求項３記載の原子周波数原器（１） 。 ７．前記制御手段（２５）は、前記マイクロ波制御信号がディザ処理される第１ 期間と前記光制御信号がディザ処理される第２期間において前記検出器信号を測 定する手段（７５）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記 検出器信号が第１と第２期間において測定される間だけ前記ディジタルプロセッ シング手段（２５）の動作を制限する手段（８１）を備えてなる請求項２記載の 原子周波数原器（１）。 ８．前記制御手段（２５）は前記限定された蒸気を加熱する蒸気ヒータ手段（１ ５）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記電気ヒータ手段 （１５）が前記マイクロ波制御信号のディザ処理中に通電されないように前記電 気ヒータ手段の通電を制御する手段を備えてなる請求項２記載の原子周波数原器 （１）。 ９．前記制御手段（２５）は前記限定された蒸気を加熱するための電気ヒータ手 段（１５）を備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記検出器信 号に応答して第１反復期間中に前記マイクロ波信号を調整し、かつ、前記検出器 信号に応 答して第２反復期間中に前記光信号を調整する時間多重化手段（１０９，１２３ ，１３７，１５３）と、前記電気ヒータ手段を前記第１反復期間以外の期間に通 電する手段（２９）とを備えてなる請求項１記載の原子周波数原器（１）。 １０．前記制御手段（２５）は前記検出器信号を所定の期間だけ積分して積分検 出器信号を生成する積分手段（７５）と、前記各期間中に生成された積分検出器 信号を前記ディジタルプロセッシング手段（２５）へ入力する手段（６１〜６３ ）とを備え、前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記所定期間中に前 記ディジタルプロセッシング手段を休止モードに置く手段（８１）をさらに備え てなる請求項１記載の原子周波数原器（１）。 １１．レーザダイオード（９）を駆動する前記ディジタルプロセッシング手段（ ２５）は前記レーザダイオード（９）に供給する電流を調整し、生成される光の 波長を前記光共振波長に対して安定化する手段（１１１）を備えてなる請求項１ 記載の原子周波数原器（１）。 １２．前記ディジタルプロセッシング手段（２５）は前記レーザダイオードの温 度を実際のレーザ電流の機能とレーザ電流の参照値として調整する手段（１１１ ）をさらに備えてなる請求項１１記載の原子周波数原器（１）。