JP3172777B2 - 原子発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ金属原子の光
・マイクロ波二重共鳴現象を利用した原子発振器に係わ
り、特に、光・マイクロ波二重共鳴現象を生じるマイク
ロ波の電磁界強度を一定値に制御した原子発振器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ルビジウムやセシウム等のアルカリ金属
原子における光・マイクロ波二重共鳴現象を利用した原
子発振器は、小型、高性能の周波数標準器として、通
信、放送、航法、ＧＰＳ衛星等の多岐分野に応用されて
いる。

【０００３】例えばルビジウムガスを用いた原子発振器
は図５に示すように構成されている。すなわち、励起用
光源１から出力された例えばルビジウムランプ等の光２
は、ルビジウムガス３が封入されたガスセル４とこのガ
スセル４を取巻くマイクロ波キャビティ５とからなる光
・マイクロ波二重共鳴部６を透過して受光器７に入射す
る。そして、この光は受光器７によって光・マイクロ波
二重共鳴検出信号ａに変換される。マイクロ波キャビテ
ィ５にはマイクロ波発生部８から出力されたマイクロ波
ｂが印加されている。

【０００４】マイクロ波発生部８は、電圧制御水晶発振
器８ａと周波数合成・逓倍器８ｂとで構成されている。
電圧制御水晶発振器８ａは制御端子に印加されている制
御信号ｃの電圧に対応した周波数の信号を出力する。電
圧制御水晶発振器８ａは例えば１０ＭHz程度の信号を、
標準周波数信号として外部へ出力すると共に周波数合成
・逓倍器８ｂへ送出する。周波数合成・逓倍器８ｂは入
力した周波数を、逓倍すると共に、低周波発振器９から
出力される周波数ｆ_m の低周波信号ｄでもって僅かに周
波数変調する。そして、この周波数変調されたマイクロ
波ｂが前記マイクロ波キャビティ５へ印加される。

【０００５】その結果、前記受光器７から出力される光
・マイクロ波二重共鳴検出信号ａも周波数ｆ_m でもって
周波数変調される。この光・マイクロ波二重共鳴検出信
号ａは増幅器１０で増幅された後、同期検波回路１１に
おいて周波数ｆ_m を有する前記低周波信号ｄでもって同
期検波される。同期検波回路１１の出力信号ｅは次のサ
ーボ回路１２へ入力される。サーボ回路１２は同期検波
回路１１の出力信号ｅが零になるようにマイクロ波発生
部８の電圧制御発振器８ａへ制御信号ｃを帰還する。

【０００６】この時、マイクロ波ｂが周波数ｆ_m でもっ
て周波数変調されていると、受光器７の出力信号ａを増
幅し、周波数ｆ_m でもって同期検波することにより、図
６に示すような、二重共鳴スペクトルの微分波形が得ら
れる。したがって、マイクロ波周波数ｆをこの微分波形
のゼロクロス点（すなわち二重共鳴スペクトルのピーク
点）になるようにサーボ制御することにより、マイクロ
波周波数ｆを二重共鳴を生じる周波数ｆ₀ に一致させる
ことが可能である。よって、この時点における電圧制御
水晶発振器８ａの出力周波数を、二重共鳴マイクロ波周
波数ｆ₀ と同じく、周波数安定度の高い標準周波数ｆ_S
として利用できる。

【０００７】このような構成の原子発振器において、ガ
スセル４内おいて、光・マイクロ波二重共鳴現象を効率
的に生起させるためには、ガスセル４内に封入されたル
ビジウムガス３の蒸気圧を高める必要がある。また、ガ
スセル４内の温度が変化すると、光・マイクロ波二重共
鳴現象が生じるマイクロ波の周波数、すなわち二重共鳴
周波数ｆ₀ がシフトする温度シフト現象が発生する。

【０００８】したがって、一般に、図５に示すように、
ヒータ１３と温度制御器１４を用いて、ガスセル４の外
側を囲むマイクロ波キャビティ５内の温度を５０℃〜８
０℃の一定値に制御している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
原子発振器においては、マイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波電磁界の強度、すなわちマイクロ波の励
振電力の大きさによってガスセル４内における二重共鳴
マイクロ波周波数ｆ₀ がシフトする現象が生じることが
知られている。これはパワーシフトと呼ばれている。

【００１０】図７はマイクロ波キャビティ５に印加され
るマイクロ波の励振電力Ｐ_M を変化させた場合における
ガスセル４の二重共鳴マイクロ波周波数ｆ₀ の変化を示
す測定例である。図７からも理解できるように、マイク
ロ波の励振電力Ｐ_M が変化すると、二重共鳴マイクロ波
周波数ｆ₀ も大きく変化する。その結果、この二重共鳴
マイクロ波周波数ｆ₀ に対応して決定されるマイクロ波
発生部８から外部へ出力される標準周波数ｆ_S が変動す
る懸念がある。

【００１１】そこで、パワーシフトによる周波数安定度
の劣化を防止するには、マイクロ波の励振電力を一定に
制御する必要がある。しかし、実際にはマイクロ波発生
部８の周囲温度の変化等でマイクロ波ｂの出力レベルが
変動する。また、マイクロ波発生部８の出力レベルを一
定にするためのレベル制御回路を設けても、レベルを検
出するために、ダイオード検波器などを用いる必要があ
るので、そのダイオードの温度特性の影響を免れない。

【００１２】このように、たとえ、ヒータ１３と温度制
御器１４を設けてマイクロ波キャビティ５内の温度を一
定に制御したり、レベル制御回路をマイクロ波発生部８
内に設けてマイクロ波の出力レベルを一定に制御しよう
としたとしても、実際のマイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波の電磁界強度が一定値を維持するとは限
らないので、パワーシフトが発生する懸念がある。よっ
て、この原子発振器によって得られる標準周波数ｆ_S に
おける高い周波数安定度が得られない問題がある。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、ガスセルを含むマイクロ波電磁界が発生す
る空間におけるマイクロ波電磁界を、その空間内で直接
検出することによって、当該空間におけるマイクロ波電
磁界を常に一定値に制御でき、たとえ周囲温度が変化し
たとしても、二重共鳴マイクロ波周波数におけるパワー
シフトの発生を極力防止でき、常に安定した標準周波数
を得ることかできる原子発振器を提供することを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に、本発明は、励起用の光を出力する励起用光源と、ア
ルカリ金属原子のガスを封入したガスセルと、このガス
セルを含む空間にマイクロ波電磁界を発生させるマイク
ロ波発生部と、前記空間及びガスの温度を一定に制御す
る温度制御手段とを備え、ガスに光およびマイクロ波を
同時に作用させて、光・マイクロ波二重共鳴が生じる周
波数にマイクロ波の周波数を一致させる原子発振器にお
いて、温度制御された前記空間内にマイクロ波電磁界の
強度を検出する検出器を配設し、この検出器で検出され
た電磁界強度が一定になるように、マイクロ波発生部の
出力を制御するようにしている。

【００１５】

【作用】このように構成された原子発振器においては、
励起用光源からの光とマイクロ波発生部からのマイクロ
波が同時に入射して光・マイクロ波二重共鳴が生起され
るガスセルを囲む空間内に、マイクロ波電磁界の強度を
検出する検出器が配設されている。

【００１６】そして、この検出器で検出されたマイクロ
波電磁界の強度はマイクロ波制御手段へ入力される。こ
のマイクロ波制御手段は、検出された電磁界強度が一定
値になるように、マイクロ波発生部の出力を制御する。

【００１７】このように、マイクロ波二重共鳴が生起さ
れるガスセルを囲む空間における電磁界強度を直接制御
しているので、たとえマイクロ波発生部の周囲温度が変
化しても、常に二重共鳴マイクロ周波数を一定値に制御
できる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。図１は実施例の原子発振器の概略構成を示すブロッ
ク構成図である。なお、実施例の原子発振器はルビジウ
ムを用いた原子発振器である。また、図５に示す従来の
原子発振器と同一部分には同一符号が付してある。した
がって、重複する部分の詳細説明は省略されている。

【００１９】例えばレーザ光源等からなる励起光源１か
ら出力されたレーザ光ｈは、ルビジウムガス３が封入し
たガスセル４とガスセル４を取り巻くマイクロ波キャビ
ティ５とからなる光・マイクロ波二重共鳴部６を透過し
て受光器７へ入射する。受光器７は、光・マイクロ波二
重共鳴部６のガスセル４を透過したレーザ光ｈを光・マ
イクロ波二重共鳴検出信号ａに変換する。

【００２０】光・マイクロ波二重共鳴部６は例えば図２
に示すように構成されている。両端閉塞の円筒体形状を
有したマイクロ波キャビティ５の一方の内面５ａの中央
位置にレーザ光ｈが入射するための入射孔５ｂが穿設さ
れている。また、軸心に沿って、やはり円筒状の両端閉
塞のガラス管にルビジウムガス３を封入したガスセル４
が配設されている。

【００２１】さらに、入射孔５ｂが穿設された内面５ａ
に、このマイクロ波キャビティ５内にマイクロ波電磁界
を発生させるためのアンテナループ１５が取付けられて
いる。また、この内面５ａにおけるアンテナループ１５
の反対側位置には、このマイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波電磁界強度を検出するダイオード検波器
１６が取付けられている。

【００２２】具体的には、ダイオード検波器１６の一端
は前記内面５ａに接地され、他端は貫通コンデンサ１７
を介してマイクロ波キャビティ５外へ導出されている。
なお、検出するマイクロ波の周波数が６．８ＧHz近傍に
おいては、ダイオードのパッケージ内のボンディングワ
イヤやリード線等がアンテナとして働き、貫通コンデン
サ１７から十分マイクロ波電磁界強度を検出できる。逆
に、大きな検出用アンテナを取付けると、このアンテナ
の存在によって、マイクロ波キャビティ５内の電磁界が
乱れ、二重共鳴現象に悪影響を与える懸念がある。

【００２３】マイクロ波発生部８は、図５に示した従来
の原子発振器と同様に、電圧制御水晶発振器８ａと周波
数合成・逓倍器８ｂとで構成されている。電圧制御水晶
発振器８ａは制御端子に印加されている制御信号ｃの電
圧に対応した周波数の信号を出力する。電圧制御水晶発
振器８ａは例えば１０ＭHz程度の信号を、標準周波数信
号として外部へ出力すると共に周波数合成・逓倍器８ｂ
へ送出する。

【００２４】周波数合成・逓倍器８ｂは入力した周波数
を逓倍して、前記光・マイクロ波二重共鳴部６における
二重共鳴マイクロ波周波数ｆ₀ 近傍の約６．８ＧHzの周
波数ｆを有するマイクロ波ｉを発生する。また、周波数
合成・逓倍器８ｂはこのマイクロ波ｉを低周波発振器９
から出力される周波数ｆ_m の低周波信号ｄでもって僅か
に周波数変調する。マイクロ波発生部８から出力された
マイクロ波ｉは次のマイクロ波制御手段としてのレベル
制御回路１８を介して図２に示すアンテナループ１５に
印加される。

【００２５】レベル制御回路１８は例えば図３に示すよ
うに構成されている。ダイオード検波器１６から出力さ
れたマイクロ波電磁界強度を示す検出信号ｊは増幅器１
８ａで一定の増幅率で増幅されたのち、差動増幅器１８
ｂの（＋）側入力端子に入力される。差動増幅器１８ｂ
の（−）側入力端子には可変電圧源１８ｃからの設定電
圧が入力されている。差動増幅器１８ｂは検出信号ｊの
信号レベルの設定電圧からの偏差を示す偏差電圧信号ｋ
を電圧制御可変減衰器１８ｅの制御端子へ印加する。

【００２６】電圧制御可変減衰器１８ｅは、例えばＰＩ
Ｎダイオード等を用いて構成され、偏差電圧信号ｋが０
になるようにマイクロ波ｉの信号レベルを制御する。よ
って、このレベル制御回路１８は、マイクロ波キャビテ
ィ５内のマイクロ波電磁界強度を可変電圧源１８ｃにて
設定された値に制御する。

【００２７】一方、マイクロ波ｉは前記低周波信号ｄで
もって周波数変調されているので、受光器７から出力さ
れる光・マイクロ波二重共鳴検出信号ａも周波数ｆ_m で
もって周波数変調されている。この光・マイクロ波二重
共鳴検出信号ａは増幅器１０で増幅された後、同期検波
回路１１において周波数ｆ_m を有する前記低周波信号ｄ
でもって同期検波される。サーボ回路１２は同期検波回
路１１の出力信号ｅが零になるようにマイクロ波発生部
８の電圧制御発振器８ａへ制御信号ｃを帰還する。

【００２８】よって、マイクロ波発生部８から出力され
るマイクロ波の周波数ｆは二重共鳴が生じる周波数ｆ₀
に一致する。その結果、周波数合成・逓倍器８ｂにより
マイクロ波周波数ｆと一定の関係にある電圧制御水晶発
振器８ａから出力される標準周波数信号の周波数ｆ_S も
一定に保たれる。

【００２９】このように構成された原子発振器において
は、励起用光源１からのレーザ光ｈとマイクロ波発生部
８からレベル制御回路１８を経由したマイクロ波ｉが同
時に入射して光・マイクロ波二重共鳴が生起されるガス
セル４を囲むマイクロ波キャビティ５（空間）内に、マ
イクロ波電磁界の強度を検出するダイオード検波器１６
が取付けられている。そして、このダイオード検波器１
６で検出されたマイクロ波電磁界の強度は検出信号ｊと
してレベル制御回路１８へ入力される。このレベル制御
回路１８は、検出されたマイクロ波電磁界強度が可変電
圧源１８ｃで設定された最適値になるように、マイクロ
波発生部８の出力マイクロ波ｉを制御する。

【００３０】このように、マイクロ波二重共鳴が生起さ
れるガスセル４を囲むマイクロ波キャビティ５内におけ
るマイクロ波電磁界強度を直接制御しているので、たと
えマイクロ波発生部８の周囲温度が変化しても、パワー
シフトの発生を未然に抑制でき、二重共鳴マイクロ周波
数ｆ₀ を常に一定値に制御できる。

【００３１】したがって、この原子発振器にて得られる
標準周波数ｆ_S の周波数安定度を大幅に向上できる。

【００３２】図４は本発明の他の実施例に係わる原子発
振器の概略構成を示すブロック図である。図１に示す実
施例と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の
詳細説明を省略する。

【００３３】この実施例においては、サーキュレータ１
９が使用されている。また、マイクロ波キャビティ５内
には、従来の原子発振器と同様に、アンテナループ１５
のみが取付けられている。そして、このアンテナループ
１５は、マイクロ波電磁界の発生機能とマイクロ波電磁
界強度の検出機能とを兼用する。

【００３４】マイクロ波発生部８からレベル制御回路１
８を介して出力されたマイクロ波ｉは、サーキュレータ
１９の第１のポート１９ａから第２のポート１９ｂを介
してマイクロ波キャビティ５内のアンテナループ１５に
印加され、このマイクロ波キャビティ５内にマイクロ波
電磁界を発生させる。マイクロ波キャビティ５内に発生
したマイクロ波電磁界は再びアンテナループ１５に起電
力を誘起させる。この起電力はサーキュレータ１９の第
２のポート１９ｂから第３のポート１９ｃを介してダイ
オード検波器２０へ入力される。

【００３５】ダイオード検波器２０はこの起電力を検波
して、マイクロ波電磁界の強度を示す検出信号ｍとして
レベル制御回路１８の制御端子へ入力する。したがっ
て、レベル制御回路１８は、図１に示した実施例と同様
に、検出信号ｍを用いて、サーキュレータ１９を介して
マイクロ波キャビティ５へ印加されるマイクロ波ｉの信
号レベルを一定値に制御する。

【００３６】光・マイクロ波二重共鳴部６は、ヒータ１
３と温度制御器１４によって、一定温度に維持されてお
り、ダイオード検波器２０もマイクロ波キャビティ５と
同様に一定温度に維持されている。したがって、この実
施例においても、図１の実施例と同様に周囲温度の影響
を受けることなく、マイクロ波キャビティ５内のマイク
ロ波電磁界の強度を一定に維持することが可能である。

【００３７】よって、図１の実施例と同様に、パワーシ
フトの発生を抑制でき、出力される標準周波数ｆ_S の周
波数安定度を向上できる。

【００３８】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。例えば、セシウム等の他のアルカリ
金属原子のガスを用いた原子発振器であってもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の原子発振
器においては、ガスセルを含むマイクロ波電磁界が発生
する例えばマイクロ波キャビテイ等の空間におけるマイ
クロ波電磁界をその空間内において直接検出して、この
検出値でもってこの空間に印加されるマイクロ波の強度
を制御している。したがって、当該空間におけるマイク
ロ波電磁界を常に一定値に制御でき、たとえ周囲温度が
変化したとしても、二重共鳴マイクロ波周波数における
パワーシフトの発生を極力防止でき、この原子発振器か
ら出力される標準周波数における周波数安定度を大幅に
向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わる原子発振器の概略
構成を示すブロック図、

【図２】 同実施例における光・マイクロ波二重共鳴部
の構成を示す切欠斜視図、

【図３】 同実施例におけるレベル制御回路を示すブロ
ック図、

【図４】 本発明の他の実施例に係わる原子発振器の概
略構成を示すブロック図、

【図５】 従来の原子発振器の概略構成を示すブロック
図、

【図６】 同期検波回路の出力信号波形図、

【図７】 マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励
振電力と二重共鳴マイクロ波周波数との関係を示す図、

【符号の説明】

３…ルビジウムガス、４…ガスセル、５…マイクロ波キ
ャビティ、６…光・マイクロ波二重共鳴部、７…受光
器、８…マイクロ波発生部、８ａ…電圧制御水晶発振
器、８ｂ…周波数合成・逓倍器、９…低周波発振器、１
０…増幅器、１１…同期検波回路、１２…サーボ回路、
１３…ヒータ、１４…温度制御器、１５…アンテナルー
プ、１６，２０…ダイオード検波器、１７…貫通コンデ
ンサ、１８…レベル制御回路、１９…サーキュレータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03L 7/26 H01S 1/00 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起用の光を出力する励起用光源(1)
   と、アルカリ金属原子のガス(3) を封入したガスセル
   (4) と、このガスセルを含む空間(5) にマイクロ波電磁
   界を発生させるマイクロ波発生部(8) と、前記空間及び
   ガスの温度を一定に制御する温度制御手段(13,14) とを
   備え、前記ガスに前記光およびマイクロ波を同時に作用
   させて、光・マイクロ波二重共鳴が生じる周波数に前記
   マイクロ波の周波数を一致させる原子発振器において、 前記温度制御された空間内に配設され、前記マイクロ波
   電磁界の強度を検出する検出器(16)と、この検出器で検
   出された電磁界強度が一定になるように、前記マイクロ
   波発生部の出力を制御するマイクロ波制御手段(18)とを
   備えた原子発振器。