JP3013750B2

JP3013750B2 - 原子発振器

Info

Publication number: JP3013750B2
Application number: JP7107638A
Authority: JP
Inventors: 浩史山下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-01
Filing date: 1995-05-01
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: JPH08307263A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光励起法を使用した原子
発振器に係わり、例えば光励起光を放射するルビジウム
ランプや、ルビジウムガスセルおよび太陽電池をマイク
ロ波ユニット内に配置したルビジウム原子発振器等の原
子発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】安定な周波数を得る発振器として、光励
起（ポンピング）法を使用した原子発振器が存在してい
る。

【０００３】図４は、従来提案されたルビジウム原子発
振器の回路構成の要部を表わしたものである。このよう
なルビジウム原子発振器は例えば「ＮＥＣ技報，Vol.4
5,No10,p110 に示されている。ルビジウム原子発振器周
波数逓倍器パネル（周波数逓倍器）１１からは６０ＭＨ
ｚの信号１２が出力される。この信号１２は整合回路１
３を介して光マイクロ波ユニット１４の内部に供給され
るようになっている。光マイクロ波ユニット１４からは
電気信号としての２倍波信号１５が出力され、２倍波増
幅部１６によってその増幅と検出が行われて、周波数制
御信号１７が出力されるようになっている。

【０００４】図５は、この光マイクロ波ユニットの内部
構造を表わしたものである。光マイクロ波ユニット１４
内には、ルビジウムランプ２１が納められた部分２２
と、キャビティ部２３を納めている部分２４とから構成
されている。キャビティ部２３には、図４に示した整合
回路１３を経た６０ＭＨｚの信号１２′の供給を受ける
ステップリカバリダイオード２５と、ルビジウムランプ
２１からの光２６を受光して出力周波数制御光信号を発
生させるルビジウムガスセル２７、およびルビジウムガ
スセル２７の後方に配置され出力周波数制御光信号を光
電変換する太陽電池２８が配置されている。

【０００５】ステップリカバリダイオード２５は、供給
された６０ＭＨｚの信号１２′をマイクロ波に逓倍し、
キャビティ部２３の内部に放出する。また、ルビジウム
ランプ２１から出た光ポンピング光２６はキャビティ部
２３に入射し、ルビジウムガスセル２７を通過した出力
周波数制御光信号は太陽電池２８に到達する。太陽電池
２８は、出力周波数制御光信号を光電変換し、前記した
２倍波信号１５を出力することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のルビ
ジウム原子発振器では、キャビティ部２３内の太陽電池
２８がルビジウムガスセル２７を通過したルビジウムラ
ンプによる光ポンピング光２６を光電変換して電気信号
としての２倍波信号１５を光マイクロ波ユニット１４の
外部に配置された２倍波増幅部１６に供給するようにな
っている。そこで、キャビティ部２３内のマイクロ波の
レベルが変動すると、光マイクロ波ユニット１４から出
力される２倍波信号１５のレベルもこれに追従して変動
する。

【０００７】２倍波増幅部１６は２倍波信号１５の検出
も兼ねているので、２倍波信号１５のレベルが変動する
と、信号の検出や増幅が困難になり、周波数制御信号１
７が不安定となってしまう。この結果として、この提案
のルビジウム原子発振器では、その出力周波数が不安定
になるという問題があった。

【０００８】そこで本発明の目的は、マイクロ波のレベ
ルが変動しても出力周波数が安定に保たれるようにした
原子発振器を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、（イ）所定の周波数の交流信号を逓倍してマイクロ
波を発生させると共に直流信号のレベルによってその信
号レベルを変化させるステップリカバリダイオードと、
（ロ）このステップリカバリダイオードによって発生さ
れたマイクロ波を検出するマイクロ波検出手段と、
（ハ）このマイクロ波検出手段によって検出されたマイ
クロ波の直流レベルを所定の基準値と比較する比較手段
と、（ニ）この比較手段の比較結果に応じてステップリ
カバリダイオードの発生させるマイクロ波の直流レベル
が基準値と等しくなるようにこのステップリカバリダイ
オードに印加される直流成分を加算制御して動作点を変
更しマイクロ波の出力周波数を安定させるレベル調整手
段とを原子発振器に具備させる。

【００１０】すなわち請求項１記載の発明では、ステッ
プリカバリダイオードの発生させたマイクロ波の直流レ
ベルを基準値と比較して、その差分が解消するようにス
テップリカバリダイオードに印加される直流レベルを加
算制御して動作点を変更することで、発生するマイクロ
波の周波数を安定化させることにした。

【００１１】請求項２記載の発明では、（イ）マイクロ
波ユニット内部のキャビティ内に配置され所定の周波数
の信号を逓倍して所定の原子共鳴周波数と同一のマイク
ロ波を発生させると共に印加される直流信号のレベルに
よって出力される信号レベルを変化させるステップリカ
バリダイオードと、（ロ）キャビティ内に発生したマイ
クロ波を検出するアンテナと、（ハ）このアンテナによ
って検出された高周波信号を直流信号に変換するための
ＡＣ−ＤＣ変換手段と、（ニ）このＡＣ−ＤＣ変換手段
によって得られた直流信号とキャビティ内に発生したマ
イクロ波の出力レベルが最適値であるときに得られる直
流信号との差を求める差分検出手段と、（ホ）この差分
検出手段によって得られた差分が解消するためのステッ
プリカバリダイオードの動作点の変更量を求めるマイク
ロ波レベル安定化手段とを原子発振器に具備させる。

【００１２】すなわち請求項２記載の発明では、マイク
ロ波ユニット内部のキャビティ内に配置されたステップ
リカバリダイオードによってルビジウム等の所定の原子
共鳴周波数と同一のマイクロ波を発生させ、これをアン
テナで検出する。そして、これから直流成分を得て、キ
ャビティ内に発生したマイクロ波の出力レベルが最適値
であるときに得られる直流信号との差を求め、この差が
解消するようにステップリカバリダイオードの動作点を
変更する。

【００１３】請求項３記載の発明では、原子共振周波数
は一例としてルビジウムの原子共振周波数であることを
明確にした。

【００１４】請求項４記載の発明では、原子共振周波数
は一例としてセシウムの原子共振周波数であることを明
確にした。

【００１５】請求項５記載の発明では、マイクロ波レベ
ル安定化手段がＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）等の
メモリに書き込まれた直流信号についての最適レベルの
値を用いて、ステップリカバリダイオードの動作点の変
更を行う場合を一例として明確化した。

【００１６】

【実施例】以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例におけるルビジ
ウム原子発振器の回路構成の要部を表わしたものであ
る。この図で図４と同一部分には同一の符号を付してお
り、これらの説明を適宜省略する。本実施例のルビジウ
ム原子発振器でも、ルビジウム原子発振器周波数逓倍器
パネル１１（周波数逓倍器）から６０ＭＨｚの信号１２
が出力され、整合回路１３および加算器３０を介して信
号３１として光マイクロ波ユニット３２の内部のステッ
プリカバリダイオード２５に供給されるようになってい
る。ステップリカバリダイオード２５はこれを逓倍し
て、光マイクロ波ユニット３２およびキャビティ部２３
によって、ルビジウムの原子共鳴周波数と同一の周波数
のマイクロ波３８を発生させる。光マイクロ波ユニット
３２から出力される２倍波信号３３は２倍波増幅部１６
に供給され、これから周波数制御信号３５が出力され
る。

【００１８】ところで、本実施例のルビジウム原子発振
器では光マイクロ波ユニット３２内に絶縁体３６によっ
てその周囲を絶縁されたマイクロ波検出用アンテナ３７
が配置されており、ステップリカバリダイオード２５か
ら放出されるマイクロ波３８の検出を行うようになって
いる。マイクロ波検出用アンテナ３７によって検出され
たマイクロ波検出信号３９は、ＡＣ／ＤＣ変換器４１に
入力されて、その信号に対応した直流信号４２に変換さ
れる。この直流信号４２は増幅部４３で直流レベルの増
幅が行われ、その出力４４はマイクロ波安定化回路４５
に供給される。マイクロ波安定化回路４５は、ステップ
リカバリダイオード２５から放出されるマイクロ波３８
のレベルを安定化させるための直流成分としてのステッ
プリカバリダイオード制御信号４６を作成し、これを加
算器３０に供給して整合回路１３の出力信号４７に加算
し、前記した信号３１が作成される。この信号３１がス
テップリカバリダイオード２５に供給され、その動作点
（直流の逆バイアス電圧）を制御することでマイクロ波
３８のレベルの調整が行われる。

【００１９】図２は、図１に示したマイクロ波安定化回
路を具体的に表わしたものである。マイクロ波安定化回
路４５は、増幅部４３の出力４４を入力してこれをディ
ジタル信号５１に変えるＡＤコンバータ５２と、低周波
信号源５３から出力される低周波５４を計数し、これを
ＡＤコンバータ５２に供給するカウンタ５５と、ディジ
タル信号５１を入力してＲＯＭ（リード・オンリ・メモ
リ）５６に格納されている最適値データ５７との差をと
って差信号５８を出力するＣＰＵ（中央処理装置）５９
と、この差信号５８をアナログレベルのステップリカバ
リダイオード制御信号４６に変換するＤＡコンバータ６
２から構成されている。ＡＤコンバータ５２は所定時間
経過後に、変換したデータを保持する機能を備えてい
る。

【００２０】このような構成のマイクロ波安定化回路４
５では、低周波信号源５３から出力される低周波５４を
入力するカウンタ５５が所定の時間間隔でキャリー信号
（桁上げ信号）６４を送出する。増幅部４３から出力４
４の供給を受けるＡＤコンバータ５２はこのキャリー信
号６４を入力するたびにアナログ−ディジタル変換を行
い、次のキャリー信号が到来するまでこれを保持して、
その値をディジタル信号５１としてＣＰＵ５９に送出す
る。このように間欠的に増幅部４３の出力４４をディジ
タル信号５１に変換することにしたのは、マイクロ波３
８自体の短期的な変動が少ないことによる。

【００２１】ＣＰＵ５９は、このディジタル信号５１の
示す直流成分の値と最適値データ５７の差をとり、ステ
ップリカバリダイオード２５に印加する直流成分の変更
分としての差信号５８をＤＡコンバータ６２に送ってア
ナログ信号に変換する。変換によって得られたステップ
リカバリダイオード制御信号４６は、加算器３０で整合
回路１３の出力信号４７の直流成分と加算され、ステッ
プリカバリダイオード２５に供給される。これにより、
マイクロ波３８に変動が生じてもその出力レベルの調整
が自動的に行われることになる。

【００２２】図３は、本実施例の光マイクロ波ユニット
の構造を表わしたものである。この図で図５と同一部分
には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略
する。キャビティ部２３には、マイクロ波検出用アンテ
ナ３７の周囲にはこれを保護するために絶縁体３６が配
置されている。ルビジウムランプによる光ポンピング光
２６はルビジウムガスセル２７を通過し、太陽電池２８
で光電変換されて２倍波信号３３が光マイクロ波ユニッ
ト３２から出力されることになる。

【００２３】以上説明した実施例では、原子発振器の一
例としてルビジウム原子発振器を説明したが、セシウム
等を用いた他の原子発振器についても本発明を同様に適
用することができることは当然である。

【００２４】また、実施例ではＲＯＭ５６を使用してフ
ィードバック制御を行うようにしたが、その他のフィー
ドバック制御も同様に本発明に適用することができる。
また、最適値を記憶するメモリは読み出し専用のものに
限る必要はなく、書き込みが可能なものであってもよ
い。また、ディップスイッチのように最適値を格納する
他の手段であってもよいことは当然である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように請求項１〜請求項４
記載の発明では、マイクロ波発生手段の発生させたマイ
クロ波を検出し、その直流信号のレベルを所定の基準値
と比較して、その差分が解消するようにマイクロ波発生
手段を制御したので、出力レベルを安定化させることが
でき、出力周波数の安定化を図ることができる。

【００２６】また、請求項５記載の発明によれば、レベ
ル検出手段が所定の周期でキャビティ内に発生したマイ
クロ波の直流信号のレベルを検出するので、制御が煩雑
にならないという利点がある。また、メモリにマイクロ
波の直流信号のレベルの最適値を書き込むようにしてい
るので、検出されたマイクロ波の直流信号のレベルとの
差分の演算を高精度かつ容易に行うことができる。ま
た、メモリによってはその内容を修正することも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるルビジウム原子発振
器の回路構成の要部を表わしたブロック図である。

【図２】本実施例のマイクロ波安定化回路を具体的に表
わしたブロック図である。

【図３】本実施例の光マイクロ波ユニットの構造を表わ
した断面図である。

【図４】従来提案されたルビジウム原子発振器の回路構
成の要部を表わしたブロック図である。

【図５】この光マイクロ波ユニットの内部構造を表わし
た断面図である。

【符号の説明】

１１ルビジウム原子発振器周波数逓倍器パネル１３整合回路１６２倍波増幅部２５ステップリカバリダイオード２７ルビジウムガスセル３０加算器３２光マイクロ波ユニット３７マイクロ波検出用アンテナ３８マイクロ波４１ＡＣ／ＤＣ変換器４５マイクロ波安定化回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周波数の交流信号を逓倍してマイ
クロ波を発生させると共に直流信号のレベルによってそ
の信号レベルを変化させるステップリカバリダイオード
と、このステップリカバリダイオードによって発生されたマ
イクロ波を検出するマイクロ波検出手段と、このマイクロ波検出手段によって検出されたマイクロ波
の直流レベルを所定の基準値と比較する比較手段と、この比較手段の比較結果に応じて前記ステップリカバリ
ダイオードの発生させるマイクロ波の直流レベルが前記
基準値と等しくなるようにこのステップリカバリダイオ
ードに印加される直流成分を加算制御して動作点を変更
しマイクロ波の出力周波数を安定させるレベル調整手段
とを具備することを特徴とする原子発振器。
【請求項２】マイクロ波ユニット内部のキャビティ内
に配置され所定の周波数の信号を逓倍して所定の原子共
鳴周波数と同一のマイクロ波を発生させると共に印加さ
れる直流信号のレベルによって出力される信号レベルを
変化させるステップリカバリダイオードと、前記キャビティ内に発生したマイクロ波を検出するアン
テナと、このアンテナによって検出された高周波信号を直流信号
に変換するためのＡＣ−ＤＣ変換手段と、このＡＣ−ＤＣ変換手段によって得られた直流信号と前
記キャビティ内に発生したマイクロ波の出力レベルが最
適値であるときに得られる直流信号との差を求める差分
検出手段と、この差分検出手段によって得られた差分が解消するため
の前記ステップリカバリダイオードの動作点の変更量を
求めるマイクロ波レベル安定化手段とを具備することを
特徴とする原子発振器。
【請求項３】前記原子共振周波数はルビジウムの原子
共振周波数であることを特徴とする請求項２記載の原子
発振器。
【請求項４】前記原子共振周波数はセシウムの原子共
振周波数であることを特徴とする請求項２記載の原子発
振器。
【請求項５】前記マイクロ波レベル安定化手段は、所
定の周期で前記キャビティ内に発生したマイクロ波の直
流記号のレベルを検出するレベル検出手段と、前記キャ
ビティ内に発生したマイクロ波の直流記号のレベルの最
適値を書き込んだメモリと、このメモリに格納された最
適値と前記レベル検出手段によって検出したマイクロ波
の直流信号レベルとの差分が前記差分検出手段によって
求められたときこの差分が解消するための前記ステップ
リカバリダイオードの動作点の変更量を求める変更量演
算手段とを具備することを特徴とする請求項２記載の原
子発振器。