JP2001036405A

JP2001036405A - 原子発振器

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Publication number: JP2001036405A
Application number: JP11207395A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Atami; 健熱海; Hideyuki Matsuura; 秀行松浦; Yoshibumi Nakajima; 義文中島; Yoshito Furuyama; 義人古山; Hiroshi Nakamuta; 浩志中牟田; Minoru Sakai; 稔堺
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-02-09
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP3780123B2; US6300841B1

Abstract

(57)【要約】【課題】低次の周波数逓倍が原子共鳴周波数に一致す
る高周波信号を基準発振器の出力周波数信号から生成で
きるようにすることで、回路規模の縮小，製造期間の短
縮及び製造コスト削減を図れるようにする。【解決手段】高周波変換回路４によって、基準発振器
３の出力を、低逓倍次数による逓倍が原子の共鳴周波数
信号となる高周波信号に変換し、この高周波信号を低逓
倍次数を有する能動型低次逓倍器５にて逓倍することに
より、基準発振器３の出力周波数を原子共振器１用の共
鳴周波数に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

（目次）発明の属する技術分野従来の技術（図６〜図８）発明が解決しようとする課題課題を解決するための手段（図１）発明の実施の形態（図２〜図５）発明の効果

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放送用基準源やデ
ィジタル同期網のクロック源等に用いて好適な、原子発
振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来のルビジウム原子発振器の構
成を示すブロック図で、この図６に示すルビジウム原子
発振器（以下、単に「原子発振器」ともいう）１０１
は、大きく分けて、高周波（ＨＦ）部１０２，オプティ
カルマイクロウェーブユニット（ＯＭＵ）１０３及び低
周波（ＬＦ）部１０４という３つのブロックから成って
いる。

【０００３】ここで、高周波（ＨＦ）部１０２は、外部
供給用の出力周波数信号（つまり、原子発振器出力）を
生成するとともに、この出力周波数信号から、ＯＭＵ１
０３内で発生させるべきマイクロ波〔ルビジウム原子の
共鳴（遷移）周波数信号（ｆｒ：約６．８３４６ＧＨ
ｚ）〕の基となる信号を生成するためのもので、このた
めに、例えば、基準発振器としての電圧制御水晶発振器
（ＶＣＸＯ）１２０，ＬＣタンク回路１２１，１２３，
位相変調回路１２２，振幅変調回路１２４，整合回路１
２５及び周波数シンセサイザ１２６等をそなえて構成さ
れている。

【０００４】そして、上記のＶＣＸＯ１２０は、原子発
振器出力となる外部供給用の出力周波数信号（例えば、
１０ＭＨｚ）を発生するためのものであり、ＬＣタンク
（共振）回路（以下、単に「タンク回路」という）１２
１，１２３は、それぞれ、例えば、図示しないトランジ
スタ増幅器とコイル（Ｌ）及びコンデンサ（Ｃ）による
タンクフィルタとを用いて構成され、トランジスタ増幅
器のバイアスを変化させて入力周波数信号を歪ませて、
タンクフィルタによりその信号から逓倍波成分を抽出す
ることで、入力周波数信号を周波数逓倍（ここでは、３
逓倍）するためのもので、これらのタンク回路１２１，
１２３によって、ＶＣＸＯ１２０の出力周波数信号（１
０ＭＨｚ）が１０ＭＨｚ→３０ＭＨｚ→９０ＭＨｚとい
う具合に、順次、周波数逓倍（以下、単に「逓倍」とい
う）されるようになっている。

【０００５】また、位相変調回路１２２は、タンク回路
１２１の出力（３０ＭＨｚ）に対して、後述するＬＦ部
１０４の低周波発振器１４１の出力（位相変調信号ｆ
ｍ：例えば、１５５Ｈｚ）を用いて位相変調（周波数変
調でもよい）を施すためのものであり、振幅変調回路１
２４は、タンク回路１２３の出力（９０ＭＨｚ）を周波
数シンセサイザ１２６の出力（約５．３１０１ＭＨｚ）
により振幅変調するためのものである。

【０００６】なお、上記の周波数シンセサイザ１２６
は、周知のように、ＰＬＬ(Phase Locked Loop) 回路の
一種で、上記の振幅変調用の周波数信号（振幅変調信
号：約５．３１０１ＭＨｚ）を発生するための電圧制御
発振器（ＶＣＯ：図示省略）をそなえており、このＶＣ
Ｏの出力がＶＣＸＯ１２０の出力に（位相）同期するよ
う位相比較が行なわれてＶＣＯの出力周波数（振幅変調
周波数）制御が行なわれるようになっている。また、可
変分周器（プログラマブル分周器）も有しており、外部
からの周波数設定情報により、上記振幅変調周波数の微
調整も可能になっている。

【０００７】さらに、整合回路１２５は、ＨＦ部１０２
とＯＭＵ１０３とのインピーダンス整合をとるもので、
この整合回路１２５を介して、上記の振幅変調回路１２
４で振幅変調を施された信号（９０ＭＨｚ）が上記の共
鳴周波数信号の基となる高周波信号としてＯＭＵ１０３
に入力されるようになっている。次に、ＯＭＵ（原子共
振器：筐体）１０３は、内部にルビジウム原子の共鳴
（遷移）周波数となるマイクロ波を発生することにより
内部のルビジウム原子が共鳴（遷移）したときの信号
（原子共鳴信号）を検出して出力するためのもので、こ
のために、図６では、ルビジウムランプ１３１と、ルビ
ジウム原子を封入（充填）した共鳴セル１３３，バラク
タダイオード１３４及びフォトダイオード（ＰＤ）１３
５を有する空洞共振器１３２と、プリアンプ（ＰＡ）１
３３とをそなえて構成されている。なお、本ＯＭＵ１０
３には、周辺回路からの磁気等の影響によりルビジウム
原子の共鳴に影響がでることを防止するための磁気シー
ルド加工１３０が施されている。

【０００８】ここで、上記のルビジウムランプ１３１
は、エキサイタ１３１１の出力（励振周波数信号）によ
りコイル１３１２を励振させることで発光（高周波放
電）する発光ランプで、その光は空洞共振器１３２内の
共鳴セル１３３に照射されるようになっている。また、
バラクタダイオード（高次逓倍器）１３４は、上記の整
合回路１２５の出力（位相変調及び振幅変調を施された
高周波信号：９０ＭＨｚ）を高次（ここでは、７６）逓
倍することにより、９０×７６＝６．８４０ＧＨｚを中
心として両サイドに振幅変調成分±５．３１０１ＭＨｚ
を有するマイクロ波（共鳴周波数信号）を空洞共振器１
３２内に発生させるためのもので、このマイクロ波周波
数の低域側（６．８４０ＧＨｚ−５．３１０１ＭＨｚ＝
６．８３４６ＧＨｚ）がルビジウム原子の共鳴周波数近
傍の値となる。なお、空洞共振器１３２は、約６．８Ｇ
Ｈｚに同調している（約６．８ＧＨｚのマイクロ波によ
り共振が起こるように設計されている）。

【０００９】つまり、従来のルビジウム原子発振器１０
１では、要求される出力周波数（つまり、ＶＣＸＯ１２
０の出力周波数）が１０ＭＨｚという端数の無い出力周
波数であるため、タンク回路１２１，１２３やバラクタ
ダイオード１３４を用いてその出力周波数（１０ＭＨ
ｚ）を単純に逓倍するだけではルビジウム原子の共鳴周
波数（約６．８３４６ＧＨｚ）を生成できないため、上
述のごとくＯＭＵ１０３への入力信号に振幅変調を施し
てその振幅変調成分を利用するようになっているのであ
る。

【００１０】そして、ＰＤ１３５は、共鳴セル１３３を
通過してくるルビジウムランプ１３１の光を受光してそ
の受光光量に応じた電気信号を原子共鳴信号として出力
するためのもので、例えば、上記のバラクタダイオード
１３４により発生したマイクロ波周波数がルビジウム原
子の共鳴周波数（約６．８３４６ＧＨｚ）に一致すると
原子共鳴が起こり共鳴セル１３３内のルビジウム原子に
よりルビジウムランプ１３１からの光が吸収されて受光
光量が減少することになる。

【００１１】従って、このＰＤ１３５から出力される電
気信号（原子共鳴信号）は、空洞共振器１３２内で発生
しているマイクロ波周波数のルビジウム原子の共鳴周波
数（約６．８３４６ＧＨｚ）からのずれ（周波数誤差）
についての情報を有していることなる。なお、プリアン
プ１３６は、このＰＤ１３５の出力を適当なレベルに前
置増幅するためのものである。

【００１２】次に、ＬＦ部１０４は、上記のＯＭＵ１０
３から出力される原子共鳴信号から上記の周波数誤差情
報（誤差信号）を検出してその誤差信号が最小（理想で
は０）となるようにＶＣＸＯ１２０の出力周波数を制御
するサーボ回路として機能するもので、例えば、低周波
発振器（ＶＣＯ）１４１，増幅器１４２，同期検波器１
４３及び積分器１４４をそなえて構成されている。

【００１３】ここで、低周波ＶＣＯ１４１は、上記の位
相変調回路１２２用の位相変調信号ｆｍを生成するもの
であり、増幅器１４２は、上記のＯＭＵ１０３からの原
子共鳴信号を適当なレベルにまで増幅するものであり、
同期検波器１４３は、この増幅器１４２で増幅された原
子共鳴信号に対して、上記の低周波ＶＣＯ１４１の出力
（位相変調信号ｆｍ）で同期検波を施すことにより誤差
信号を検出するものである。

【００１４】そして、積分器１４４は、この同期検波器
１４３で検出された誤差信号を積分することにより直流
電圧値に変換するもので、この直流電圧値がＶＣＸＯ１
２０の出力周波数制御（補正）用の制御電圧として供給
（印加）されるようになっている。以下、上述のごとく
構成された従来の原子発振器１０１の動作について説明
する。

【００１５】まず、ＶＣＸＯ１２０の出力（１０ＭＨ
ｚ）は、ルビジウム原子発振器１０１の出力となるとと
もに、ＨＦ部１０２のタンク回路１２１と、周波数シン
セサイザ１２６とにそれぞれ入力され、周波数シンセサ
イザ１２６ではＶＣＸＯ１２０の出力周波数に位相同期
した信号（約５．３１０１ＭＨｚ）を振幅変調回路１２
４用の振幅変調信号として生成する。

【００１６】一方、タンク回路１２１では、入力信号
（１０ＭＨｚ）を３逓倍（×３＝３０ＭＨｚ）して出力
する。このタンク回路１２１の出力は、位相変調回路１
２２に入力され、ＬＦ部１０４における低周波ＶＣＯ１
４１の出力（位相変調信号ｆｍ）により位相変調が施さ
れる。この位相変調回路１２２の出力は、タンク回路１
２３で、さらに３逓倍（×３＝９０ＭＨｚ）された後、
振幅変調回路１２４で上記の周波数シンセサイザ１２６
の出力（振幅変調信号）により振幅変調が施され、整合
回路１２５を経由してＯＭＵ１０３に入力される。

【００１７】ＯＭＵ１０３では、整合回路１２５からの
入力信号が空洞共振器１３２内のバラクタダイオード１
３４にて７６逓倍され、これにより、空洞共振器１３２
内に約６．８４０ＧＨｚのマイクロ波が発生し、空洞共
振器１３２内で共振が起こる。ここで、バラクタダイオ
ード１３４により発生しているマイクロ波周波数の両サ
イドに現れる振幅変調成分の低域側がルビジウム原子の
共鳴周波数（６．８３４６ＧＨｚ）と一致していれば、
原子共鳴が起こり共鳴セル１３３内のルビジウム原子に
よりルビジウムランプ１３１からの光が吸収されてＰＤ
１３５で検出される光量が大幅に減少する（図７のＡ点
参照）。

【００１８】一方、上記の振幅変調成分の低域側がルビ
ジウム原子の共鳴周波数（６．８３４６ＧＨｚ）から少
しでも外れていると、図７に示すように、共鳴周波数に
対してＱ値が非常に小さい（例えば、５００Ｈｚ）た
め、ＰＤ１３５で検出される光量は急激に増加すること
になる（図７のＢ点，Ｃ点参照）。このようにＰＤ１３
５で検出された光量（電気信号）は、プリアンプ１３６
を介してＬＦ部１０４に入力されるが、このときのプリ
アンプ１３６の出力は、空洞共振器１３２内で発生して
いるマイクロ波に位相変調が施されているため、共鳴周
波数（６．８３４６ＧＨｚ）の近傍では、例えば図８の
（ａ）に模式的に示すように、その共鳴周波数を中心と
して位相が１８０度反転する信号（原子共鳴信号）とな
っている。なお、この図８の（ａ）に示すＡ〜Ｃは、そ
れぞれ、図７に示すＡ〜Ｃ点におけるマイクロ波周波数
のときのプリアンプ１３６の出力波形を表している。

【００１９】ＬＦ部１０４では、このプリアンプ１３６
の出力（原子共鳴信号）を増幅器１４２にて適当なレベ
ルに変換した後、同期検波器１４３にて低周波発振器１
４３からの位相変調周波数ｆｍ〔例えば、図８の（ｂ）
参照〕で同期検波することにより誤差信号〔図８の
（ｃ）参照〕を発生する。この誤差信号を積分器１４４
で積分して直流電圧に変換すると、例えば、上記のＡ点
（つまり、周波数誤差の無い状態）では０、Ｂ点側（つ
まり、マイクロ波周波数の方が共鳴周波数よりも高い状
態）では「−」、Ｃ点側（つまり、マイクロ波周波数の
方が共鳴周波数よりも低い状態）では「＋」の電圧値が
それぞれ発生し、これがＶＣＸＯ１２０の制御電圧とし
て印加される。

【００２０】これにより、ＶＣＸＯ１２０の出力周波数
は、空洞共振器１３２内で発生させるマイクロ波周波数
（振幅変調成分の低域側）がルビジウム原子の共鳴周波
数（６．８３４６ＧＨｚ）と一致するように制御（補
正）される。つまり、ＶＣＸＯ１２０の出力周波数は、
ルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化さ
れる。従って、ルビジウム原子発振器１０１として極め
て高安定な出力周波数を得ることができる。

【００２１】なお、上述した例では、タンク回路１２
１，１２３の逓倍次数をそれぞれ“３”とし、バラクタ
ダイオード１３４の逓倍次数を“７６”とする（つま
り、ＶＣＸＯ１２０の出力を９逓倍した９０ＭＨｚの信
号に振幅変調を施して７６逓倍する）ことで、ルビジウ
ム原子の共鳴周波数を生成しているが、例えば、タンク
回路１２１，１２３の一方の逓倍次数を“２”、他方を
“３”とし、バラクタダイオード１３４の逓倍次数を
“１４４”としても（ＶＣＸＯ１２０の出力を６逓倍し
た６０ＭＨｚの信号に振幅変調を施して１４４逓倍して
も）同様に共鳴周波数を生成できる。

【００２２】また、ルビジウム原子発振器１０１には、
その出力周波数（つまり、ＶＣＸＯ１２０の出力周波
数）として５ＭＨｚ等の１０ＭＨｚ以外の他の出力周波
数（ただし、一般に端数の無い周波数）のものも存在す
るが、どのような出力周波数のものでも、最終的に空洞
共振器１３２で発生させるマイクロ波周波数がルビジウ
ム原子の共鳴周波数と一致するよう、タンク回路１２
１，１２３，バラクタダイオード１３４の各逓倍次数が
適宜に変更された構成になるだけである。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の原子発振器１０１では、ＶＣＸＯ１２０の出
力を逓倍するのに、コイル（Ｌ）やコンデンサ（Ｃ）を
用いて入力信号から逓倍波成分を抽出するタンク回路１
２１，１２３を適用しているため、所望の逓倍次数に応
じた調整（チューニング）が製造時に個々に必要にな
り、製造期間の遅延や製造コストの増大を招いてしま
う。

【００２４】また、バラクタダイオード１３４による逓
倍は、このバラクタダイオード１３４が受動素子である
ことや、逓倍次数が“７６”や“１４４”と非常に大き
い等の理由から、マイクロ波を所望のレベルで空洞共振
器１３４内に発生させるためには、ＨＦ部１０２の整合
回路１２５にシビアな調整が必要となる。また、バラク
タダイオード１３４自体、高価な部品である。このた
め、さらに製造期間の遅延や製造コストの増大を招いて
しまうことになる。

【００２５】さらに、従来の原子発振器１０１では、Ｖ
ＣＸＯ１２０の出力周波数の整数倍が、直接、ルビジウ
ム原子の共鳴周波数（６．８３４６ＧＨｚ）と合致しな
いため、別途、周波数シンセサイザ１２６及び振幅変調
回路１２４を必要としているが、最適なルビジウム原子
の共鳴周波数信号を発生させるためには、振幅変調回路
１２４に対してもシビアな変調度調整が必要になる。

【００２６】このように、従来のルビジウム原子発振器
１０１では、ＶＣＸＯ１２０の出力周波数をルビジウム
原子の共鳴周波数に変換する構成が複雑で、しかも、調
整も容易でないため、回路規模の縮小，製造期間の短縮
及び製造コスト削減の点で非常に不利である。本発明
は、このような課題に鑑み創案されたもので、低次の周
波数逓倍が原子共鳴周波数に一致する高周波信号を基準
発振器の出力周波数信号から生成できるようにすること
で、回路規模の縮小，製造期間の短縮及び製造コスト削
減を図れるようにした、原子発振器を提供することを目
的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理ブロ
ック図で、この図１に示す本発明の原子発振器１は、原
子共振器２，基準発振器３，高周波変換回路４及び能動
型低次逓倍器５をそなえて構成されている。ここで、原
子共振器２は、所望の原子を有しその原子を共鳴させる
ための共鳴周波数信号を入力されることにより周波数誤
差情報を有する原子共鳴信号を出力するものであり、基
準発振器３は、外部供給用の出力周波数を発生するとと
もに上記の原子共鳴信号の周波数誤差情報が最小となる
ようにその出力周波数が制御されるものである。

【００２８】また、高周波変換回路４は、基準発振器３
の出力を、低逓倍次数による周波数逓倍（以下、単に
「逓倍」という）が上記の共鳴周波数信号となる高周波
信号に変換するためのものであり、能動型低次逓倍器５
は、上記の低逓倍次数を有し、この高周波変換回路４か
らの高周波信号を能動的に逓倍することにより上記の原
子共振器２用の共鳴周波数信号を生成するものである。

【００２９】上述のごとく構成された本発明の原子共振
器１では、高周波変換回路４において、基準発振器３の
出力が、低逓倍次数による逓倍が共鳴周波数信号となる
高周波信号に変換され、この高周波信号が低逓倍次数を
有する低次逓倍器５にて能動的に逓倍されることにより
原子共振器２用の共鳴周波数信号が生成される。つま
り、バラクタダイオード等の受動的な高逓倍次数の逓倍
回路を用いずに、基準発振器３の出力周波数をルビジウ
ム原子の共鳴周波数信号に変換することができる（請求
項１）。

【００３０】ここで、本原子発振器１は、基準発振器３
の出力周波数を所望の原子発振器出力周波数に変換する
出力周波数変換部をそなえていてもよく、これにより、
基準発振器３の出力周波数を上記の共鳴周波数信号の周
波数を考慮して選定しても、所望の出力周波数を外部に
供給することができる（請求項２）。なお、上記の低逓
倍次数は、３又は４とすれば逓倍特性の良い能動型低次
逓倍器を適用することができる（請求項３）。

【００３１】また、上記の高周波変換回路４は、上記の
高周波信号を生成する高周波発振器と、この高周波発振
器の出力と基準発振器３の出力とを位相比較する位相比
較器と、この位相比較器の位相比較結果をフィルタリン
グして上記の高周波発振器の出力を基準発振器３の出力
に位相同期させるための上記高周波発振器用の制御信号
を生成するループフィルタとをそなえて成る、高周波Ｐ
ＬＬ回路として構成されていてもよい。

【００３２】このように、基準発振器の出力の高周波信
号への変換に高周波発振器を用いれば、従来のように、
コイルやコンデンサによる逓倍回路を用いる必要が無
い。また、上記の高周波発振器の出力は常に基準発振器
３の出力に高精度に位相同期するので、高安定な高周波
信号、ひいては、共鳴周波数信号を得ることができる
（請求項４）。

【００３３】さらに、本原子発振器１は、上記の基準発
振器３の出力を分周するとともに所定の低周波変調信号
により変調する分周・変調部と、上記の原子共鳴信号を
前記の低周波変調信号で同期検波することにより上記の
周波数誤差情報を検出して基準発振器３の出力周波数制
御用の制御信号を生成する同期検波部とをそなえていて
もよい。

【００３４】これにより、簡素な構成で、共鳴周波数信
号の周波数誤差情報を検出して、この周波数誤差情報が
最小となるように基準発振器３の出力周波数を制御する
ことができる（請求項５）。ここで、上記の分周・変調
部は、基準発振器３の出力を分周する第１分周器と、こ
の第１分周器の出力を上記の低周波変調信号により位相
変調する位相変調器とをそなえていてもよい。このよう
にすれば、基準発振器３の出力を分周して周波数を下げ
た状態で位相変調を行なうことができるので、位相変調
が容易になる（請求項６）。

【００３５】また、上記の分周・変調部は、外部からの
プログラム設定に基づき、上記の低周波変調信号のクロ
ック周期に応じて基準発振器３の出力周波数のクロック
周期を変化させることにより基準発振器３の出力に対し
て分周と位相変調とを施すプログラマブル分周器をそな
えていてもよい。これにより、基準発振器３に対して分
周と位相変調とを施すのに、分周器と位相変調器とを個
別にそなえる必要が無い（請求項７）。

【００３６】さらに、本原子発振器１は、基準発振器３
の出力を分周して上記の低周波変調信号を生成する第２
分周器をそなえていてもよく、このようにすれば、上記
の低周波変調信号生成用の発振器を個別にそなえること
なく、高安定な低周波変調信号を得ることができる（請
求項８）。また、本原子発振器１は、原子共振器２用の
発光ランプと、基準発振器３の出力を分周してこの発光
ランプ用の駆動信号を生成する第３分周器とをそなえて
いてもよく、このようにすれば、上記発光ランプ用の駆
動源（発振器等）を個別にそなえることなく、高安定な
発光ランプ用の駆動信号を得ることができる（請求項
９）。

【００３７】さらに、上記の高周波ＰＬＬ回路における
高周波発振器は、リング発振器として構成されていても
よく、このようにすれば、高周波発振器をディジタル化
することができ、ＬＳＩの構成要素に含めることができ
る（請求項１０）。また、上記の高周波ＰＬＬ回路にお
けるループフィルタは、ディジタルフィルタにより構成
されていてもよく、このようにすれば、上記のループフ
ィルタもＬＳＩの構成要素に含めることができる（請求
項１１）。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。（Ａ）一実施形態の説明図２は本発明の一実施形態としてのルビジウム原子発振
器の構成を示すブロック図であるが、この図２に示す本
実施形態のルビジウム原子発振器（以下、単に「原子発
振器」ともいう）１も、従来のものと同様に、大きく分
けて、ＯＭＵ２，高周波（ＨＦ）部９及び低周波（Ｌ
Ｆ）部１０という３つのブロックから成っている。

【００３９】そして、ＯＭＵ２は、従来と同様に、エキ
サイタ１３１１及びコイル１３１２をそなえて成るルビ
ジウムランプ（発光ランプ）１３１と、ルビジウム原子
を封入した共鳴セル１３３及びこの共鳴セル１３３を通
過してくるルビジウムランプ１３１の光を受光するため
のフォトダイオード（ＰＤ）１３５を内蔵した空洞共振
器１３２と、ＰＤ１３５からの信号を前置増幅して原子
共鳴信号を出力するプリアンプ１３６とをそなえて構成
されている。なお、図６により前述したバラクタダイオ
ード１３４は後述する理由により省略されている。

【００４０】また、ＬＦ部（同期検波部）１０も、従来
と同様に、低周波発振器（ＶＣＯ）１４１，増幅器１４
２，同期検波器１４３及び積分器１４４をそなえて構成
され、上記のＯＭＵ２（プリアンプ１３６）から出力さ
れる原子共鳴信号を低周波ＶＣＯ１４１の出力（位相変
調信号）で同期検波することにより、空洞共振器１３２
で発生しているマイクロ波のルビジウム原子の共鳴周波
数（約６．８３４６ＧＨｚ）からのずれ〔周波数誤差情
報（誤差信号）〕を検出して、その誤差信号が最小（理
想では０）となるようにＶＣＸＯ３の出力周波数を制御
するサーボ回路として機能する。

【００４１】一方、本実施形態のＨＦ部９は、従来のも
のとは異なり、基準発振器としての電圧制御水晶発振器
（ＶＣＸＯ）３，高周波ＰＬＬ回路４，ＦＥＴ乗算器
５，１／Ｎ分周器６，位相変調器７及び出力シンセサイ
ザ回路８をそなえて構成され、高周波ＰＬＬ回路４は、
さらに、高周波発振器（ＶＣＯ）４１，１／Ｍ分周器４
２，位相比較器４３，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４４
をそなえて構成され、出力シンセサイザ回路８は、さら
に、ダイレクトディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）８１
とＬＰＦ８２とをそなえて構成されている。なお、上記
のＮ，Ｍはそれぞれ整数で、Ｎ＜Ｍである。

【００４２】ここで、上記のＶＣＸＯ３も、外部供給用
の出力周波数ｆ₁を発生するとともに、低周波部１０の
同期検波器１４３により検出される、ＯＭＵ２からの原
子共鳴信号の誤差信号（周波数誤差情報）が最小となる
ようにその出力周波数ｆ₁が制御されるものであるが、
本実施形態では、ＦＥＴ乗算器５の逓倍次数をＰ（ただ
し、Ｐは整数で、本実施形態では後述するように、３も
しくは４という低次の整数である）、ルビジウム原子の
共鳴周波数（約６．８３４６ＧＨｚ）をｆ₃とした場合
に、次式（１）で表される出力周波数ｆ₁を発生するよ
うになっている。

【００４３】ＶＣＸＯ３の出力周波数ｆ₁＝（ｆ₃×Ｎ）／（Ｐ×Ｍ）・・・（１）また、１／Ｎ分周器（第１分周器）６（以下、単に「分
周器６」と表記することもある）は、後段の位相変調器
７での位相変調を容易にするために、このＶＣＸＯ３の
出力を１／Ｎに分周するものであり、位相変調器７は、
従来と同様、同期検波器１４３での同期検波のために、
この１／Ｎ分周器６の出力に対し、ＬＦ部１０の低周波
ＶＣＯ１４１で生成される低周波の位相変調信号ｆｍ
（例えば、１５５Ｈｚ）を用いて位相変調を施すもので
ある。

【００４４】つまり、これらの１／Ｎ分周器６及び位相
変調器７は、ＶＣＸＯ３の出力を分周するとともに低周
波ＶＣＯ１４１の出力（低周波変調信号）により変調す
る分周・変調部を構成している。さらに、高周波ＰＬＬ
回路４において、１／Ｍ分周器４２（以下、単に「分周
器４２」とも表記する）は、高周波ＶＣＯ４１の出力
（周波数ｆ₂）を１／Ｍに分周するもので、これによ
り、位相比較器４３での位相比較対象の各信号（位相変
調器７の出力と分周器４２の出力）の周波数（比較周波
数）が略同一の値に調整されることになる。

【００４５】また、位相比較器４３は、上記の比較周波
数で、高周波ＶＣＯ４１の出力とＶＣＸＯ３の出力とを
位相比較するものであり、ＬＰＦ（ループフィルタ）４
４は、この位相比較器４３の位相比較結果をフィルタリ
ングして高周波ＶＣＯ４１の出力をＶＣＸＯ３出力に位
相同期させるための高周波ＶＣＯ４１用の制御信号を生
成するものである。

【００４６】これにより、高周波ＶＣＯ４１の出力がＶ
ＣＸＯ３の出力に位相同期するとともに、その出力周波
数ｆ₂が、分周器６，４２の分周数Ｎ，Ｍから、ＶＣＸ
Ｏ３の出力周波数ｆ₁＝（ｆ₃×Ｎ）／（Ｐ×Ｍ）のＭ
／Ｎ倍、即ち、ｆ₃／Ｐとなる。つまり、本高周波ＰＬ
Ｌ回路４は、ＶＣＸＯ３の出力を、低逓倍次数Ｐによる
逓倍がルビジウム原子の共鳴周波数ｆ₃となる高周波信
号〔周波数ｆ₂（＝ｆ₃／Ｐ）〕に変換する高周波変換
回路として機能し、本実施形態では、この高周波ＰＬＬ
回路４とＶＣＸＯ３及び分周器６とで、分周器６，４２
の分周数Ｎ，Ｍを自由に選定することによりＶＣＸＯ３
の出力周波数を自由にＭ／Ｎ倍に逓倍できる周波数逓倍
・シンセサイザ回路１１が形成されている。

【００４７】次に、上記のＦＥＴ乗算器（FET MULT：能
動型低次逓倍器）５は、ＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）を用いて構成された増幅器（図示省略）を有し、こ
の増幅器により入力信号に対して生じる高調波成分を利
用して入力信号を周波数逓倍する能動型の逓倍回路で、
ここでは、低逓倍次数Ｐを有し上記の高周波ＰＬＬ回路
４の出力〔高周波信号：周波数ｆ₂（＝ｆ₃／Ｐ）〕を
Ｐ逓倍することにより、ルビジウム原子の共鳴周波数信
号（周波数ｆ₃）（空洞共振器１３２用のマイクロ波）
を生成できるようになっている。

【００４８】なお、このＦＥＴ乗算器５の出力は、アン
テナ結合器等の所望の結合部材（図示省略）により空洞
共振器１３２内と空間的に結合されており、これによ
り、従来のように“７６”や“１４４”といった高次の
逓倍次数のバラクタダイオード１３４（図６参照）を空
洞共振器１３２内に設けなくても、ルビジウム原子の共
鳴周波数信号を直接的に空洞共振器１３２内に発生させ
ることが可能となる。

【００４９】また、出力シンセサイザ回路（出力周波数
変換部）８は、ＶＣＸＯ３の出力周波数ｆ₁を所望のル
ビジウム原子発振器出力周波数に変換することのできる
もので、これにより、放送用基準源やディジタル同期網
のクロック源等に好適な５ＭＨｚ，１０ＭＨｚ等の端数
のない原子発振器出力周波数を得ることができるように
なっている。

【００５０】具体的には、ＤＤＳ８１に対して出力周波
数設定データとして、原子発振器出力として希望する任
意の端数の無い周波数値を設定しておき、このＤＤＳ８
１にＶＣＸＯ３の出力を基準クロックとして入力するこ
とにより、この基準クロックに周波数同期した上記出力
周波数設定データに応じた周波数信号を発生させるよう
にする。ここで、ＤＤＳ８１の出力波形は図２中の符号
８３に示すように、階段（ステップ）状の波形であるた
め、ＬＰＦ８２にてこの波形を図２中の符号８４に示す
ように整形してルビジウム原子発振器１の出力とする。

【００５１】以下、上述のごとく構成された本実施形態
のルビジウム原子発振器１の動作について、具体的な数
値例を挙げて説明する。例えば、上記のＭ＝１５３６，
Ｎ＝６３，Ｐ＝３とすると、ＶＣＸＯ３の出力周波数ｆ
₁は、上記の式（１）により、ｆ₁≒９３．４４３ＭＨ
ｚとなり、高周波ＶＣＯ４１の出力周波数ｆ₂は、６．
８３４６・・・ＧＨｚ／３≒２．２７８２ＧＨｚとな
る。

【００５２】ＶＣＸＯ３の出力は、１／６３分周器６と
出力シンセサイザ回路８とにそれぞれ入力され、１／６
３分周器６に入力されたＶＣＸＯ３の出力は１／６３分
周されたのち位相変調器７に入力され、位相変調器７で
低周波ＶＣＯ１４１の出力（位相変調信号：１５５Ｈ
ｚ）により位相変調を受ける。この位相変調器７の出力
信号は、高周波ＰＬＬ回路４の基準信号として位相比較
器４３に入力され、位相比較器４３は、この基準信号
（９３．４４３ＭＨｚ／６３≒１．４８３ＭＨｚ）と、
高周波ＶＣＯ４１の出力（２．２７８２ＧＨｚ）を分周
器４２で１／１５３６に分周した信号（２．２７８２Ｇ
Ｈｚ／１５３６≒１．４８３ＭＨｚ）との位相比較を行
なう。

【００５３】位相比較器４３の出力（位相誤差信号）
は、ＬＰＦ４４に入力されて高周波成分が除去されて高
周波ＶＣＯ４１の制御電圧として高周波ＶＣＯ４１に供
給される。これにより、高周波ＶＣＯ４１の出力は、Ｖ
ＣＸＯ３の出力周波数（９３．４４３ＭＨｚ）の１５３
６／６３倍の周波数、即ち、約２．２７８２ＧＨｚで、
位相変調を施されたＶＣＸＯ３の出力に位相同期（ロッ
ク）する。

【００５４】そして、この高周波ＶＣＯ４１の出力は、
ＦＥＴ乗算器５に入力され、３逓倍されて、ルビジウム
原子の共鳴周波数（約６．８３４６ＧＨｚ）となる。こ
のＦＥＴ乗算器５の出力は、上記の結合部材を介して空
洞共振器１３２内と空間的に結合され、これにより、共
鳴セル１３３内において原子共鳴を引き起こさせるため
のマイクロ波（共鳴周波数信号）が空洞共振器１３２内
に発生する。

【００５５】以降、従来と同様に、共鳴セル１３３を通
過するルビジウムランプ１３１の光量がＰＤ１３５にて
検出されて、上記のマイクロ波周波数とルビジウム原子
の共鳴周波数との周波数誤差情報を有する原子共鳴信号
がＯＭＵ２から出力され、この原子共鳴信号を基に、Ｌ
Ｆ部１０が、ＶＣＸＯ３の制御電圧を発生する。これに
より、ＶＣＸＯ３の出力周波数がルビジウム原子の共鳴
周波数の安定度と同等に安定化される。

【００５６】ところで、出力シンセサイザ回路８へ入力
されたＶＣＸＯ３の出力（９３．４４３ＭＨｚ）は、Ｄ
ＤＳ８１により、出力周波数設定データに従ってルビジ
ウム原子発振器１の出力となる１０ＭＨｚ等の端数の無
い周波数に変換されたのち、ＬＰＦ８２にて波形整形さ
れて、外部装置へ供給される。以上のように、本実施形
態のルビジウム原子発振器１によれば、高周波ＰＬＬ回
路４により、低逓倍次数（３）による逓倍がルビジウム
原子の共鳴周波数となるＶＣＸＯ３の出力に高安定に位
相同期した高周波信号を生成し、この高周波信号をＦＥ
Ｔ乗算器５にて３逓倍することで、ＯＭＵ２（空洞共振
器１３２）用の共鳴周波数信号を生成するので、ＬＣタ
ンク回路や高価なバラクタダイオード等の受動型の逓倍
回路を用いない回路構成で、ＶＣＸＯ３の出力周波数を
ルビジウム原子の共鳴周波数に精度良く変換することが
できる。

【００５７】従って、従来必要であった整合回路が不要
になって、上記の低次逓倍器と原子共振器との間のイン
ピーダンス整合等の調整（チューニング）を行なう必要
が無くなる（回路の無調整化が可能になる）。また、従
来のように振幅変調を利用してルビジウム原子の共鳴周
波数を作成する必要も無い。これにより、本原子発振器
１の小型化，製造期間短縮及び製造コスト削減が可能と
なり、従来よりも、小型で安価な原子発振器１を早期に
提供することができる。

【００５８】また、本原子発振器１では、位相変調器７
の前段に分周器６を設けることで、ＶＣＸＯ３の出力を
分周して周波数を下げた状態で位相変調を行なうので、
位相変調が容易になり、ＶＣＸＯ３の出力に対する位相
変調を確実に施すことができるようにもなっている。さ
らに、出力シンセサイザ回路８をそなえることで、ＶＣ
ＸＯ３の出力周波数を、ルビジウム原子の共鳴周波数を
考慮して上述のごとく端数の有る周波数として選定して
いても、１０ＭＨｚ，５ＭＨｚといった外部装置に要求
される端数の無い所望の出力周波数に変換できるので、
原子発振器１として必要な所望の出力周波数を高安定に
出力することが可能である。

【００５９】なお、上記のＦＥＴ乗算器５の逓倍次数
（Ｐ）は、“４”でもよく、この場合、ＶＣＸＯ３の出
力周波数ｆ₁は、ｆ₁＝（６．８３４６・・・ＧＨｚ×
６３）／（４×１５３６）≒７０．０８１ＭＨｚとすれ
ばよく、高周波ＶＣＯ４１の出力周波数ｆ₂は、ｆ₂＝
６．８３４６・・・ＧＨｚ／４≒１．７０８７ＧＨｚと
なる。

【００６０】このように、ＦＥＴ乗算器５の逓倍次数を
“３”又は“４”とすれば、逓倍特性の良いＦＥＴ乗算
器５を適用することができるので、高周波ＰＬＬ回路４
の出力（高周波信号）の逓倍時の損失等を最小限に抑え
ることができ、本原子発振器１の性能向上に大いに寄与
することになる。ただし、ＦＥＴ乗算器５の逓倍次数
（Ｐ）は上記の“３”や“４”に限定されるものではな
く、例えば、Ｐ＝２，５，６等の他の次数（ただし、整
数１桁がよい）としてもよく、Ｐ＝２であれば高周波Ｖ
ＣＯ４１の出力周波数ｆ₂は約３．４１７３ＧＨｚ、Ｐ
＝５であれば出力周波数ｆ₂は約１．３６６９ＧＨｚ、
Ｐ＝６であれば出力周波数ｆ₂は約１．１３９１ＧＨｚ
となる（つまり、高周波ＶＣＯ４１の出力周波数ｆ₂が
１〜４ＧＨｚの範囲であれば、逓倍次数（Ｐ）は２〜６
になる）。

【００６１】（Ｂ）変形例の説明図３は上述したルビジウム原子発振器１の変形例を示す
ブロック図であるが、この図３に示す原子発振器１′
は、図２により上述したものに比して、ＨＦ部９におい
て、前記の１／Ｎ分周器６及び位相変調器７に代えてプ
ログラマブル分周器６７が設けられるとともに、１／Ｅ
分周器１２，１／Ｔ分周器１３（Ｅ，Ｔはそれぞれ整数
で、Ｔ＞Ｅ）が追加されている点が主に異なる。

【００６２】ここで、１／Ｅ分周器（第２分周器）１２
（以下、単に「分周器１２」ともいう）は、ＶＣＸＯ３
の出力を１／Ｅに分周して、前述した原子発振器１にお
いて低周波ＶＣＯ１４１が発生していた低周波の位相変
調信号を生成するもので、これにより、本変形例では、
ＬＦ部１０において前記の低周波ＶＣＯ１４１が不要に
なっている。なお、上述した実施形態と同様に、ＶＣＸ
Ｏ３の出力周波数ｆ₁を約９３．４４３ＭＨｚとし、上
記の位相変調信号の周波数を１５５Ｈｚと仮定すると、
上記の分周数Ｅは約６０２，８５８となる。

【００６３】また、１／Ｔ分周器（第３分周器）１３
（以下、単に「分周器１３」ともいう）は、ＶＣＸＯ３
の出力を１／Ｔに分周してＯＭＵ２におけるルビジウム
ランプ１３１用の励振信号（駆動信号）を生成するため
のもので、これにより、本変形例では、前記のエキサイ
タ１３１１も不要になっている。なお、一般的に、ルビ
ジウムランプ１３１用の励振信号の周波数は５０ＭＨｚ
程度であるので、この場合も、ＶＣＸＯ３の出力周波数
ｆ₁を約９３．４４３ＭＨｚと仮定すれば、上記の分周
数Ｔは２となる。

【００６４】また、プログラマブル分周器６７（単に
「分周器６７」と表記することもある）は、前記の１／
Ｎ分周器６と位相変調器７との機能（分周・変調部とし
ての機能）を実現するもので、具体的には、ＶＣＸＯ３
の出力周波数ｆ₁の１周期分を１ビット（１００ＭＨｚ
であれば１０ｎｓｅｃ）とした場合に、位相変調周波数
（１／Ｅ分周器１２の出力）に応じて、１／Ｎ分周した
ＶＣＸＯ３のクロックに対してビット加減算を施すこと
で、ＶＣＸＯ３の出力に対して１／Ｎ分周と位相変調と
を施すことができるようになっている。

【００６５】例えば、説明の簡単化のため、ＶＣＸＯ３
の出力周波数ｆ₁を１００ＭＨｚ、高周波ＰＬＬ回路４
での比較周波数を１０ＭＨｚ（つまり、分周数Ｎ＝１
０）と仮定すると、このプログラマブル分周器６７で
は、図４に示すように、位相変調信号（１／Ｅ分周器１
２の出力：）がＨ状態の間（時点Ｔ１〜Ｔ２参照）、
ＶＣＸＯ３の出力周波数ｆ₁を１／１０に分周した周波
数信号（）のクロック（分周クロック）に１ビットを
加算することにより、その出力（）の立ち上がりが１
ビット分遅れるようにし、逆に、位相変調信号（）が
Ｌ状態の間（時点Ｔ２〜Ｔ３参照）、周波数信号（）
のクロックから１ビットを減算することにより、その出
力（）の立ち上がりが１ビット分早くなるようにす
る。

【００６６】このようにして、ディジタル的に分周クロ
ック（）の立ち上がりや立ち下がりの位相を変えるこ
とで、ＶＣＸＯ３の出力に対する１／Ｎ分周と位相変調
とが実施される。なお、この図４では、単純に、分周ク
ロック（）の１周期毎に１ビットを操作（加減算）し
ているが、より変調度を深くしたい場合は１周期毎に２
ビット以上を操作すればよいし、逆に、より変調度を浅
くしたい場合は２周期、もしくは、それ以上の周期毎に
１ビットを操作すればよい。また、このようなビット操
作についての設定、即ち、分周数及び位相変調度につい
ての設定は、外部からのプログラム設定によって行なわ
れる。

【００６７】つまり、本プログラマブル分周器６７は、
外部からのプログラム設定に基づき、低周波の位相変調
信号のクロック周期に応じてＶＣＸＯ３の出力周波数ｆ
₁の（分周）クロック周期を変化させることによりＶＣ
ＸＯ３の出力に対して分周と位相変調とを施すようにな
っているのである。なお、本変形例においても、このプ
ログラマブル分周器６７と高周波ＰＬＬ回路４とＶＣＸ
Ｏ３とで周波数逓倍・シンセサイザ回路１１が形成され
ている。

【００６８】従って、図２により前述した原子発振器１
のように分周器６と位相変調器７とを個別にそなえる必
要が無く、図２により上述した原子発振器１と同様の利
点が得られるほか、さらにＨＦ部９の回路規模、ひいて
は、原子発振器１′の規模を削減することができる。ま
た、本変形例では、１／Ｅ分周器１２により、ＶＣＸＯ
３の出力から位相変調信号を生成するので、前記の低周
波ＶＣＯ１４１が不要であり、さらなる回路規模の削減
に寄与する。また、ＶＣＸＯ３の出力はルビジウム原子
の共鳴周波数と同等に安定化されるので、高安定な位相
変調信号を生成でき、これにより、同期検波器１４３に
よる誤差信号の検出も安定化されて、さらにＶＣＸＯ３
の出力を安定化させることができる。

【００６９】さらに、本変形例では、１／Ｔ分周器１３
により、ルビジウムランプ１３１用の励振信号もＶＣＸ
Ｏ３の出力から生成するので、エキサイタ１３１１が不
要であり、ルビジウムランプ１３の小型化を図ることが
できるとともに、その発光条件も安定化させることがで
きる。ここで、一般に、ルビジウム原子発振器では、ル
ビジウム原子の共鳴周波数（６．８３４ＧＨｚ）に対し
て低周波の発振器（ＶＣＸＯ３に相当）の出力（基本周
波数）から共鳴周波数（６．８３４６ＧＨｚ）を生成
（変換）するため、その変換途中で、様々な周波数の電
波が生成されることになる。従って、偶然、共鳴周波数
６．８３４６ＧＨｚと同じ周波数の電波が生成されてし
まうこともあり、この不要波で異常が起きる場合があ
る。

【００７０】特に、励振信号の周波数（以下、励振周波
数という）と基本周波数の逓倍によって決まる不要波
は、励振周波数に大きく依存する。このため、図２によ
り前述した原子発振器１のようにエキサイタ１３１１に
より励振周波数をＶＣＸＯ３と独立して生成すると、一
般に、その励振周波数の周波数安定度が悪いため、たま
たまルビジウム原子の共鳴周波数に一致することがあ
り、励振周波数と基本周波数とによりスプリアスが発生
することがある。

【００７１】従って、上述したように励振周波数をＶＣ
ＸＯ３の出力から生成することで、不要なスプリアス周
波数を特定することができるようになり、ルビジウム原
子の共鳴周波数に一致する周波数の発生を設計上防止す
ることが可能になり、高性能なルビジウム原子発振器
１′を提供することができる。ところで、本変形例にお
ける分周器１２，１３，４２及び６７は、それぞれＩＣ
(Integrated Circuit)として同一プロセスで作成するこ
とができ、また、高周波ＰＬＬ回路４の位相比較器４３
についても、一般的なＰＬＬ−ＩＣとして構成できるの
で、これらの分周器１２，１３，４２及び６７と同一プ
ロセスで設計することができる。さらに、出力シンセサ
イザ回路８もＩＣとして同一プロセスで作成可能であ
る。

【００７２】また、高周波ＶＣＯ４１についても、マイ
クロストリップライン型オシレータとして構成したり、
例えば図５に示すように、それぞれ必要な出力周波数に
見合った数のＦＥＴ１５ａ，１５ｂとインバータ素子１
６とを用い、相互に直列接続されたインバータ素子１６
の遅延により発振する、リングオシレータ（リング発振
器）として構成したりすれば、ＩＣ化が可能である。な
お、この図５においてＶ_DDは電源端子、Ｖ_SSはグラウン
ド（ＧＮＤ）端子、１７はリングオシレータの発振周波
数調整用の電圧端子をそれぞれ表す。

【００７３】さらに、ＬＰＦ４２については、ＶＣＸＯ
３の出力周波数ｆ₁が安定、且つ、ＬＰＦ４２のカット
オフ周波数に比べて十分大きいため、このＶＣＸＯ３の
出力周波数に同期したカットオフ周波数を設定できるデ
ィジタルフィルタ〔ＦＩＲ(Finite Impulse Response)
フィルタやＩＩＲ(Infinite Impulse Response) フィル
タ等〕を使用することが可能である。

【００７４】以上により、図３中に枠１４で示す部分を
１チップのＬＳＩ（大規模集積回路）で構成することが
でき、従来よりも、ＨＦ部９を超小型化することができ
て、さらに小型で安価な原子発振器１′を早期に提供す
ることが可能となる。なお、上記の例では、位相変調信
号を生成するための分周器１２と励振信号を生成するた
めの分周器１３との双方を有した構成になっているが、
本発明はこれに限定されず、いずれか一方のみを有する
構成にしてもよいし、双方を省略した構成（つまり、図
２に示す原子発振器１にプログラマブル分周器６７のみ
を適用した構成）にしてもよい。

【００７５】また、これらの分周器１２又は１３もしく
はその両方は、図２に示す原子発振器１に適用してもよ
く、このようにすれば、図２に示す原子発振器１におい
ても、本変形例と同様の作用効果が得られる。（Ｃ）その他上述した実施形態及びその変形例では、ＶＣＸＯ３の出
力周波数ｆ₁をルビジウム原子の共鳴周波数に変換する
のに高周波ＶＣＯ４１をそなえた高周波ＰＬＬ回路４を
用いているが、本発明はこれに限定されず、例えば、Ｆ
ＥＴ乗算器５を多段に接続したものを用いてもよい。た
だし、この場合、ＦＥＴ乗算器５の数が増えて逓倍段数
が増えるため、回路規模が増大するばかりでなく特性も
劣化するので、上述した例のように、高周波ＰＬＬ回路
４を用いた方が、高安定な共鳴周波数が得られ高性能な
原子発振器１（１′）を提供できる。

【００７６】また、出力シンセサイザ回路８は、ルビジ
ウム原子発振器１（１′）の出力周波数が端数をもつ値
になっていてもよい場合には省略してもよい。さらに、
ＯＭＵ２やＬＦ部１０の構成は、図２や図３に示す構成
に限定されるものではなく、少なくとも、原子共鳴信号
を得て、この原子共鳴信号を基にＶＣＸＯ３の出力周波
数ｆ₁を制御・安定化できる構成になっていればよい。

【００７７】また、上述した例では、ルビジウム原子を
利用したルビジウム原子発振器に本発明を適用した場合
について説明したが、本発明はこれに限定されず、例え
ば、セシウム原子を利用したセシウム原子発振器に適用
することも可能である。そして、本発明は上述した実施
形態及びその変形例に限定されるものではなく、上記以
外にも、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の原子発振
器によれば、高周波変換回路によって、基準発振器の出
力を、低逓倍次数による逓倍が原子の共鳴周波数信号と
なる高周波信号に変換し、この高周波信号を低逓倍次数
を有する能動型低次逓倍器にて逓倍することにより、基
準発振器の出力周波数を原子共振器用の共鳴周波数に変
換することができるので、従来のようにコイル及びコン
デンサを用いたＬＣタンク回路やバラクタダイオード等
の受動的な逓倍回路を用いずに、所望の共鳴周波数信号
を得ることができる。従って、上記の低次逓倍器と原子
共振器との間のインピーダンス整合等の調整（チューニ
ング）を行なう必要が無く（回路の無調整化が可能にな
り）、また、従来のように振幅変調を利用してルビジウ
ム原子の共鳴周波数を作成する必要も無い。これによ
り、本原子発振器の小型化，製造期間短縮及び製造コス
ト削減が可能となり、従来よりも、小型で安価な原子発
振器を早期に提供することができる（請求項１）。

【００７９】また、上記の基準発振器の出力周波数を所
望の原子発振器出力周波数に変換する出力周波数変換部
をそなえれば、基準発振器の出力周波数を上記の共鳴周
波数信号の周波数を考慮して選定しても、所望の出力周
波数を外部に供給することができるので、ユーザのニー
ズに応じた出力周波数を高安定に出力できる原子発振器
を提供することができる（請求項２）。

【００８０】なお、上記の低逓倍次数は、３又は４とす
れば逓倍特性の良い能動型低次逓倍器を適用することが
できるので、上記の高周波信号の逓倍時の損失等を最小
限に抑えることができ、本原子発振器の性能向上に大い
に寄与する（請求項３）。また、上記の高周波変換回路
を、高周波発振器と位相比較器とループフィルタとをそ
なえて成る高周波ＰＬＬ回路として構成すれば、基準発
振器の出力周波数から上記の高周波信号を生成する際に
も、従来のようにコイルやコンデンサによる逓倍回路を
用いる必要が無いので、高周波変換回路についても回路
の無調整化及び回路規模の縮小が可能となり、さらに、
本原子発振器の小型化，製造期間短縮及び製造コスト削
減を図ることができる。また、上記の高周波発振器の出
力は常に基準発振器の出力に高精度に位相同期するの
で、高安定な高周波信号、ひいては、共鳴周波数信号を
得ることができ、本原子発振器の性能向上にも大いに寄
与する（請求項４）。

【００８１】さらに、本原子発振器は、上記の基準発振
器の出力を分周するとともに所定の低周波変調信号によ
り変調する分周・変調部と、上記の原子共鳴信号を前記
の低周波変調信号で同期検波することにより上記の周波
数誤差情報を検出して基準発振器の出力周波数制御用の
制御信号を生成する同期検波部とをそなえれば、簡素な
構成で、共鳴周波数信号の周波数誤差情報を検出して、
この周波数誤差情報が最小となるように基準発振器の出
力周波数を制御することができるので、基準発振器の出
力周波数を原子の共鳴周波数の安定度と同等に高安定化
でき、小型で高性能且つ安価な原子発振器を提供できる
（請求項５）。

【００８２】ここで、上記の分周・変調部は、基準発振
器の出力を分周する第１分周器と、この第１分周器の出
力を上記の低周波変調信号により位相変調する位相変調
器とをそなえれば、基準発振器の出力を分周して周波数
を下げた状態で位相変調を行なうことができるので、位
相変調が容易になり、基準発振器の出力に対する位相変
調を確実に施すことができる（請求項６）。

【００８３】また、上記の分周・変調部は、外部からの
プログラム設定に基づき、上記の低周波変調信号のクロ
ック周期に応じて基準発振器の出力周波数のクロック周
期を変化させることにより基準発振器の出力に対して分
周と位相変調とを施すプログラマブル分周器をそなえて
いてもよく、このようにすれば、基準発振器に対して分
周と位相変調とを施すのに、分周器と位相変調器とを個
別にそなえる必要が無いので、本原子発振器のさらなる
小型化を図ることができる（請求項７）。

【００８４】さらに、本原子発振器は、上記の基準発振
器の出力を分周して上記の低周波変調信号を生成する第
２分周器をそなえていてもよく、このようにすれば、上
記の低周波変調信号生成用の発振器を個別にそなえるこ
となく、高安定な低周波変調信号を得ることができるの
で、本原子発振器のさらなる小型化，性能向上に大いに
寄与する（請求項８）。

【００８５】また、本原子発振器は、上記の原子共振器
用の発光ランプと、上記の基準発振器の出力を分周して
この発光ランプ用の駆動信号を生成する第３分周器とを
そなえていてもよく、このようにすれば、上記発光ラン
プ用の駆動源（発振器等）を個別にそなえることなく、
高安定な発光ランプ用の駆動信号を得ることができるの
で、本原子発振器のさらなる小型化，性能向上に大いに
寄与する（請求項９）。

【００８６】さらに、上記の高周波ＰＬＬ回路における
高周波発振器は、リング発振器として構成されていても
よく、このようにすれば、高周波発振器をディジタル化
することができ、ＬＳＩの構成要素に含めることができ
る。また、上記の高周波ＰＬＬ回路におけるループフィ
ルタは、ディジタルフィルタにより構成されていてもよ
く、このようにすれば、上記のループフィルタもＬＳＩ
の構成要素に含めることができる。つまり、ＬＳＩ化可
能部分を増やすことができるので、本原子発振器の大幅
な小型化が実現可能である（請求項１０，１１）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理ブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態としてのルビジウム原子発
振器の構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示すルビジウム原子発振器の変形例を示
すブロック図である。

【図４】図３に示すプログラマブル分周器の動作を説明
するためのタイムチャートである。

【図５】図３に示す高周波ＶＣＯの構成例（リングオシ
レータ）を示すブロック図である。

【図６】従来のルビジウム原子発振器の構成例を示すブ
ロック図である。

【図７】ルビジウム原子の原子共鳴によるルビジウムラ
ンプ光の吸収を説明するための図である。

【図８】（ａ）〜（ｃ）はいずれも同期検波による誤差
信号の検出概念を説明するための図である。

【符号の説明】

１，１′ 原子発振器（ルビジウム原子発振器）２原子共振器（ＯＭＵ）３基準発振器（電圧制御水晶発振器：ＶＣＸＯ）４高周波変換回路（高周波ＰＬＬ回路）５能動型低次逓倍器（ＦＥＴ乗算器）６１／Ｎ分周器７位相変調器８出力シンセサイザ回路（出力周波数変換部）９高周波（ＨＦ）部１０低周波（ＬＦ）部（同期検波部）１１周波数逓倍・シンセサイザ回路１２１／Ｅ分周器（第１分周器）１３１／Ｔ分周器（第２分周器）１５ａ，１５ｂＦＥＴ１６インバータ素子１７発振周波数調整用の電圧端子４１高周波発振器（ＶＣＯ）４２１／Ｍ分周器４３位相比較器４４ローパスフィルタ（ＬＰＦ：ループフィルタ）６７プログラマブル分周器（分周・変調部）８１ダイレクトディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）８２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３０磁気シールド加工１３１ルビジウムランプ（発光ランプ）１３２空洞共振器１３３共鳴セル１３５フォトダイオード（ＰＤ）１３６プリアンプ１４１低周波発振器（ＶＣＯ）１４２増幅器１４３同期検波器１４４積分器１３１１エキサイタ１３１２コイルＶ_DD 電源端子Ｖ_SS グラウンド（ＧＮＤ）端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松浦秀行宮城県仙台市青葉区一番町１丁目２番25号富士通東北ディジタル・テクノロジ株式会社内 (72)発明者中島義文宮城県仙台市青葉区一番町１丁目２番25号富士通東北ディジタル・テクノロジ株式会社内 (72)発明者古山義人神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者中牟田浩志神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者堺稔神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 5J106 AA01 BB02 CC01 CC09 CC21 CC41 CC52 CC54 DD02 DD05 GG01 HH01 KK12 KK32 KK36 KK38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望の原子を有し該原子を共鳴させるた
めの共鳴周波数信号を入力されることにより周波数誤差
情報を有する原子共鳴信号を出力する原子共振器と、外部供給用の出力周波数を発生するとともに該原子共鳴
信号の周波数誤差情報が最小となるように該出力周波数
が制御される基準発振器と、該基準発振器の出力を、低逓倍次数による周波数逓倍が
該共鳴周波数信号となる高周波信号に変換するための高
周波変換回路と、該低逓倍次数を有し該高周波変換回路からの該高周波信
号を能動的に周波数逓倍することにより該原子共振器用
の該共鳴周波数信号を生成するための能動型低次逓倍器
とをそなえていることを特徴とする、原子発振器。
【請求項２】該基準発振器の出力周波数を所望の原子
発振器出力周波数に変換する出力周波数変換部をそなえ
ていることを特徴とする、請求項１記載の原子発振器。
【請求項３】該低逓倍次数が、３又は４であることを
特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の原子発振
器。
【請求項４】該高周波変換回路が、該高周波信号を生成する高周波発振器と、該高周波発振
器の出力と該基準発振器の出力とを位相比較する位相比
較器と、該位相比較器の位相比較結果をフィルタリング
して該高周波発振器の出力を該基準発振器の出力に位相
同期させるための該高周波発振器用の制御信号を生成す
るループフィルタとをそなえて成る、高周波ＰＬＬ回路
として構成されていることを特徴とする、請求項１〜３
のいずれか１項に記載の原子発振器。
【請求項５】該基準発振器の出力を分周するとともに
所定の低周波変調信号により変調する分周・変調部と、該原子共鳴信号を該低周波変調信号で同期検波すること
により該周波数誤差情報を検出して該基準発振器の出力
周波数制御用の制御信号を生成する同期検波部とをそな
えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１
項に記載の原子発振器。
【請求項６】該分周・変調部が、該基準発振器の出力を分周する第１分周器と、該第１分周器の出力を該低周波変調信号により位相変調
する位相変調器とをそなえていることを特徴とする、請
求項５記載の原子発振器。
【請求項７】該分周・変調部が、外部からのプログラム設定に基づき、該低周波変調信号
のクロック周期に応じて該基準発振器の出力周波数のク
ロック周期を変化させることにより該基準発振器の出力
に対して分周と位相変調とを施すプログラマブル分周器
をそなえていることを特徴とする、請求項５記載の原子
発振器。
【請求項８】該基準発振器の出力を分周して該低周波
変調信号を生成する第２分周器をそなえていることを特
徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の原子発
振器。
【請求項９】該原子共振器用の発光ランプと、該基準発振器の出力を分周して該発光ランプ用の駆動信
号を生成する第３分周器とをそなえていることを特徴と
する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の原子発振
器。
【請求項１０】該高周波ＰＬＬ回路における該高周波
発振器が、リング発振器として構成されていることを特
徴とする、請求項４記載の原子発振器。
【請求項１１】該高周波ＰＬＬ回路における該ループ
フィルタが、ディジタルフィルタにより構成されている
ことを特徴とする、請求項４又は請求項１０に記載の原
子発振器。