JP4983350B2

JP4983350B2 - ルビジウム原子発振器

Info

Publication number: JP4983350B2
Application number: JP2007098000A
Authority: JP
Inventors: 孝明田中; 雅史服部; 恒則柴田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: JP2008258862A

Description

本発明は、ルビジウム原子発振器に関し、さらに詳しくは、ノッチフィルタを削減して
位相検波器を低価格で実現する回路技術に関するものである。

近年、通信網や放送網等のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、伝送装置の
クロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用されるクロック源等に、高精度・高安定
な発振器が必要不可欠なものとなっている。そのような発振器として、発振周波数の精度
・安定度が高いルビジウム原子発振器が多く用いられている。このルビジウム原子発振器
は、ルビジウム光源からの入射光のマイクロ波周波数に応じた光吸収特性を利用して発振
周波数を制御するものである。
図４は従来のルビジウム原子発振器の構成を示す図である。このルビジウム原子発振器
１００は、ルビジウム原子の共振周波数により励振する光マイクロ波ユニット（ＯＭＵ）
３１と、ＯＭＵ３１を透過した光の強度を検出する光検出部３２と、Ａｍｐ３３に現れる
周波数誤差信号に含まれる２２２Ｈｚの周波数成分を阻止するノッチフィルタ３９と、１
１１Ｈｚのみを通過させるＢＰＦ４０と、ＯＭＵ３１に現れる周波数誤差信号の位相を検
波する位相検波器３４と、位相検波器３４の出力信号を積分するループフィルタ３５と、
ループフィルタ３５の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御水晶発振器（ＶＣ
ＸＯ）３６と、マイクロ波の位相を変調するための低周波信号を与える発振回路３７と、
ＶＣＸＯ３６の発振信号を位相変調すると共にマイクロ波に逓倍する位相変調逓倍部３８
と、を備えて構成されている。尚、ルビジウム原子発振器の動作については公知であるの
で、ここでは説明を省略する。

図５は図４の各点における波形を表すタイミングチャートである。縦軸に各点の信号名
を表し、横軸に時間を表す。ａ点の波形は、発振回路３７から出力される１１１Ｈｚの位
相検波信号（方形波）であり、この位相検波信号は位相検波器３４に入力される。ｂ点の
波形は、ＢＰＦ４０から出力される誤差信号であり、１１１Ｈｚの正弦波である。その信
号は、同期ポイントに近づくに従ってレベルが低下する信号である。ｃ点の波形は、位相
検波器３４がｂ点の誤差信号を片側検波して位相検波出力となる。その波形をループフィ
ルタ３５により積分することにより、ｄ点の直流電圧が生成される。この直流電圧に基づ
いてＶＣＸＯ３６の周波数を決定し、最終的に所定の周波数にロックされる。
図６はノッチフィルタの構成を示す図である。ノッチフィルタ３９は、位相検波器３４
が片側検波のため、位相検波器３４で２２２Ｈｚ成分（＝発振回路３７の周波数の２倍の
周波数成分＝マイクロ波の位相変調周波数の２倍の周波数成分）が位相検波されて直流成
分として出力されると、ＶＣＸＯ３６の制御電圧に誤差を生じてしまうのを防止するため
に必要である。しかし、１１１Ｈｚと２２２Ｈｚは非常に近接しているため、図７に示す
ようにノッチフィルタ３９のフィルタ特性として非常に急峻な特性が要求される。

尚、特許文献１には、鋸歯状の電圧を出力する掃引電圧発生器及び切替器を備え、共鳴
検出器出力より原子共鳴信号が出力されないときは、切替器では掃引電圧発生器の出力を
選択し、掃引電圧発生器の出力電圧の変化によりＶＣＸＯの周波数を変化させ、共鳴検出
器より２倍波成分が出力されると、切替器により積分器の出力を選択すると同時に積分器
の動作を行わせるように構成する原子発振器について開示されている。
特開平０１−２８０９２５号公報

しかしながら、ノッチフィルタ３９を使用する場合、１１１Ｈｚと２２２Ｈｚが近接し
ているため、ノッチフィルタ３９の特性を急峻としなければならない。しかも、ノッチフ
ィルタ３９は図６に示すとおり、Ｃ・Ｒで構成されているため、急峻な特性を実現するた
めには、特殊な定数の部品を使用しなければならず、且つ特性の安定化のために温度特性
の優れた部品を使用することが要求される。その結果、部品コストが高価となり、調整も
複雑となるといった問題がある。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、選択増幅器にノッチフィルタを使用し
ており、上記従来技術と同様の問題を抱えている。
本発明は、かかる課題に鑑み、ノッチフィルタとＢＰＦを削除して、デジタル的に位相
検波を行なうことにより、回路構成を単純化して部品コストを低減すると共に、回路の小
型化を実現したルビジウム原子発振器を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、ルビジウム原子の共振周波数により励振する光
マイクロ波ユニットに現れる周波数誤差信号の位相を検波する位相検波器を備えたルビジ
ウム原子発振器であって、前記位相検波器は、前記周波数誤差信号の位相を正相と逆相に
変換する位相変換手段と、該位相変換手段により変換された正相及び逆相の夫々の周波数
誤差信号を断接する断接手段と、該夫々の断接手段から出力される信号を合成する合成手
段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の位相検波器にノッチフィルタを不要とするためには、ループフィルタにより積
分するときに互いに差分を積分する構成にする必要がある。そこで本発明では、周波数誤
差信号の位相を正相と逆相に変換する位相変換手段と、夫々を１８０°異なるタイミング
でスイッチングする断接手段と、それらの信号を合成する合成手段と、を備えて構成する
ものである。これにより、ノッチフィルタを不要とし、ルビジウム原子発振器が完全に同
期した場合、差分が相殺されてＶＣＸＯの制御電圧の誤差を低減することができる。

また、前記位相検波器は、前記ルビジウム原子発振器が完全に同期した場合、該位相検
波器に入力される前記周波数誤差信号に含まれる２倍の周波数成分（＝マイクロ波の位相
変調周波数の２倍の周波数成分）を相殺するような波形を前記合成手段から出力すること
を特徴とする。
本発明の、特に位相検波器は、従来のノッチフィルタやＢＰＦを使用せずに、位相検波
信号を生成するものである。即ち、周波数誤差信号の位相を正相と逆相に変換し、変換さ
れた各信号を周波数誤差信号が１８０°位相が異なるタイミングでスイッチングして合成
する。その結果、完全に同期した状態では周波数誤差信号には２２２Ｈｚの周波数成分が
含まれるが、合成した信号は対称となるため、ループフィルタにより積分されると互いに
打ち消し合って２２２Ｈｚの成分が出力されない。これにより、２２２Ｈｚ成分が位相検
波により直流成分として出力することが防止できて、ＶＣＸＯの制御電圧の誤差を低減す
ることができる。

また、前記断接手段は、前記位相変換手段により変換された正相及び逆相の夫々の周波
数誤差信号を１８０°位相が異なる検波基準信号により交互に断接されることを特徴とす
る。
周波数誤差信号には、２２２Ｈｚの周波数成分が含まれた状態で位相検波器に入力され
、ロック状態に近づくにつれて、周波数誤差信号はレベルが揃った２２２Ｈｚの波形に近
づいてくる。そして、完全に同期した状態では２２２Ｈｚの波形はレベルが対称的な波形
となる。しかし、各波形の位相は揃った状態なので、このまま、ループフィルタにより積
分すると、ＶＣＸＯの制御電圧に誤差が含まれた信号となってしまう。そこで本発明では
、周波数誤差信号を正相と逆相に変換して検波し、変換された正相及び逆相の夫々の周波
数誤差信号を１８０°位相が異なる検波基準信号により交互に断接するものである。これ
により、完全に同期した状態では、検波出力が完全に対称となり、ループフィルタで積分
することにより、各期間での積分値を相殺することができる。

また、前記合成手段の出力は、前記位相検波器の出力信号を積分するループフィルタに
入力されることを特徴とする。
ループフィルタは、一種の積分回路である。従って、１周期の波形のレベルと極性によ
り積分値が決定される。本発明では、完全に同期した場合は、１周期の波形のレベルが全
く同じで極性が反転した波形となり、互いに打ち消し合って積分値が相殺される。これに
より、位相検波器を除き従来の回路構成をそのまま使用することができる。

また、前記断接手段は、アナログスイッチにより構成されていることを特徴とする。
正相と逆相の周波数誤差信号を、発振回路の１１１Ｈｚの信号でスイッチングするため
には、スイッチング動作速度が速く、且つ信号波形が劣化せず低損失でスイッチングされ
ることが好ましい。この要求に応えるスイッチング素子としては、アナログスイッチが最
も適している。これにより、高速で且つ波形歪なく正相と逆相の周波数誤差信号をスイッ
チングすることができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明のルビジウム原子発振器の構成を示す図である。このルビジウム原子発振
器５０は、ルビジウム原子の共振周波数により励振する光マイクロ波ユニット（ＯＭＵ）
１と、ＯＭＵ１を透過した光の強度を検出する光検出部２と、Ａｍｐ３に現れる周波数誤
差信号の位相を検波する位相検波器４と、位相検波器４の出力信号を積分するループフィ
ルタ５と、ループフィルタ５の電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御水晶発振
器（ＶＣＸＯ）６と、マイクロ波の位相を変調するための低周波信号を与える発振回路７
と、ＶＣＸＯ６の発振信号を位相変調すると共にマイクロ波に逓倍する位相変調逓倍部８
と、を備えて構成されている。
また、位相検波器４は、周波数誤差信号の位相を正相に変換する非反転増幅器（位相変
換手段）９と、逆相に変換する反転増幅器（位相変換手段）１０と、非反転増幅器９と反
転増幅器１０により変換された正相の周波数誤差信号を断接するＳＷ（断接手段）１３と
、逆相の周波数誤差信号を断接するＳＷ（断接手段）１４と、夫々のＳＷから出力される
信号を合成する合成器（合成手段）１１と、を備えて構成されている。

尚、発振回路７にはＳＷ１３とＳＷ１４を駆動する駆動回路が備えられている。また、
インバータ１２は発振回路７の信号ａの位相を１８０°反転するための回路であり、説明
の便宜上記載してある。また、ＳＷ１３とＳＷ１４は一般には、アナログスイッチにより
構成され、本実施形態では、説明を簡略化するためにＳＷで表し、発振回路の波形がハイ
の場合にＳＷが閉じるように働くものとする。即ち、正相と逆相の周波数誤差信号を、発
振回路７の１１１Ｈｚの信号でスイッチングするためには、スイッチング動作速度が速く
、且つ信号波形が劣化せず低損失でスイッチングされることが好ましい。この要求に応え
るスイッチング素子としては、アナログスイッチが最も適している。
これにより、高速で且つ波形歪なく正相と逆相の周波数誤差信号をスイッチングするこ
とができる。また、ルビジウム原子発振器の動作については公知であるので、ここでは説
明を省略する。
即ち、本実施形態の位相検波器にノッチフィルタを不要とするには、ループフィルタ５
により積分するときに互いに差分を積分する構成にする必要がある。

そこで本実施形態では、周波数誤差信号の位相を正相と逆相に変換する非反転増幅器９
及び反転増幅器１０と、夫々を１８０°異なるタイミングでスイッチングするＳＷ１３、
ＳＷ１４と、それらの信号を合成する合成器１１と、を備えて構成するものである。これ
により、ノッチフィルタを不要とし、ルビジウム原子発振器が完全に同期した場合、差分
が相殺されてＶＣＸＯ６の制御電圧の誤差を低減することができる。
言い換えると、位相検波器４は、ルビジウム原子発振器５０が完全に同期した場合、位
相検波器４に入力される周波数誤差信号に含まれる特定の周波数成分（＝マイクロ波の位
相変調周波数の２倍の周波数成分）を相殺するような波形を合成器１１から出力するもの
であり、特に位相検波器４は、従来のノッチフィルタやＢＰＦを使用せずに、位相検波信
号を生成するものである。即ち、周波数誤差信号の位相を正相と逆相に変換し、変換され
た各信号を周波数誤差信号が１８０°位相が異なるタイミングでスイッチングして合成す
る。
その結果、完全に同期した状態では周波数誤差信号には２２２Ｈｚの周波数成分が含ま
れるが、合成した信号は対称となるため、ループフィルタにより積分されると互いに打ち
消し合って２２２Ｈｚの成分が出力されない。これにより、２２２Ｈｚ成分が位相検波に
より直流成分として出力することが防止できて、ＶＣＸＯ６の制御電圧の誤差を低減する
ことができる。

図２は本発明の位相検波器の動作を説明するための、各部の波形を示すタイミングチャ
ートである。尚、図２では、同期する直前の波形を代表的に表している。縦軸に信号名、
横軸に時間を表す。ａ点は、発振回路７から出力される検波基準信号である１１１Ｈｚの
矩形波である。そして検波基準信号がハイレベルのときＳＷ１３がＯＮとなり、基準信号
がローレベルのときＳＷ１４がＯＮとなる。ｂ点は、光検出部２から出力された周波数誤
差信号が非反転増幅器９により増幅された出力である検波入力１の波形である。
即ち、各周期Ｔには波形Ａ〜Ｆが反転されずに増幅されて出力される。そのとき各周期
ｔにはＡ’〜Ｆ’が反転されずに増幅されて出力される。従って、波形Ｆでは同期がとれ
るので波形ＦとＦ’のレベルは殆ど同じになる。ｃ点は、光検出部２から出力された周波
数誤差信号が反転増幅器１０により反転増幅された出力である検波入力２の波形である。
即ち、各周期Ｔ毎に波形Ａ〜Ｆが反転増幅されて出力される。
そのとき各周期ｔ毎にＡ’〜Ｆ’が反転増幅されて出力される。従って、波形Ｆ’では
同期がとれるので波形ＦとＦ’のレベルは殆ど同じになる。ｄ点は、ｂ点の検波入力１の
波形をａ点の検波基準信号の各周期ＴのタイミングでＳＷ１３をスイッチングしたときの
波形である。従って、ｂ点の検波入力１の波形から各周期ｔの波形がクリップされ、波形
Ａ〜Ｆのみが出力されて合成器１１に入力される。ｅ点は、ｃ点の検波入力２の波形をａ
点の検波基準信号の各周期ｔのタイミングでＳＷ１４をスイッチングしたときの波形であ
る。従って、ｃ点の検波入力２の波形から各周期Ｔの波形がクリップされ、波形Ａ’〜Ｆ
’のみが出力されて合成器１１に入力される。ｆ点は、ｄ点とｅ点の波形を合成した合成
器１１の出力である。

即ち、波形Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’・・・・・Ｆ、Ｆ’の波形が出力される。この波形から
、波形Ａ、Ａ’ではレベルの差が大きいが、同期が取れるに従ってＦ、Ｆ’のようにレベ
ルの差はなくなってくる。ｇ点は、ループフィルタ５により、ｆ点の波形を積分した波形
である。即ち、周期Ｔａでは波形ＡとＡ’のレベルの差が大きいので積分値は大きくなる
。そして徐々に波形の差が小さくなって、同期が完全にとれると、周期Ｔｆのように波形
Ｆ、Ｆ’のレベルの差はなくなる。従って、そのときはループフィルタ５の出力ｇはロッ
ク電圧に安定する。
即ち、周波数誤差信号には、２２２Ｈｚの周波数成分が含まれた状態で位相検波器４に
入力され、ロック状態に近づくにつれて、周波数誤差信号はレベルが揃った２２２Ｈｚの
波形に近づいてくる。そして、完全に同期した状態では２２２Ｈｚの波形はレベルが対称
的な波形となる。
しかし、各波形の位相は揃った状態なので、このまま、ループフィルタにより積分する
と、ＶＣＸＯ６の制御電圧に誤差が含まれた信号となってしまう。そこで本実施形態では
、周波数誤差信号を正相と逆相に変換して検波し、変換された正相及び逆相の夫々の周波
数誤差信号を１８０°位相が異なる検波基準信号ａにより交互に断接するものである。こ
れにより、完全に同期した状態では、検波出力ｆが完全に対称となり、ループフィルタ５
で積分することにより、各期間での積分値を相殺することができる。

図３はルビジウム原子発振器５０が完全に同期したときの位相検波器４の各部の波形を
示す図である。縦軸に信号名、横軸に時間を表す。ルビジウム原子発振器５０が完全に同
期すると、位相検波器４への入力波形は、２２２Ｈｚの周波数成分を含んだ波形となる。
そして、その波形はＳＷ１３により検波され、１８０°位相が異なるタイミングでＳＷ
１４により検波される。このとき、ＳＷ１３とＳＷ１４の波形は互いに極性が逆でレベル
が同じになる。その波形が合成器１１に入力されて合成されると、その出力波形は、Ａと
Ａ’、ＢとＢ’のレベルが同じになるので、それをループフィルタ５で積分すると、周期
Ｔ１、とＴ２の積分値が等しくて極性が逆なので、相殺されて制御電圧がロック電圧とな
る。
即ち、合成器１１の出力は、位相検波器４の出力信号を積分するループフィルタ５に入
力される。ループフィルタ５は、一種の積分回路である。従って、１周期の波形のレベル
と極性により積分値が決定される。
本実施形態では、完全に同期した場合は、１周期の波形のレベルが全く同じで極性が反
転した波形となり、互いに打ち消し合って積分値が相殺される。これにより、位相検波器
４を除き従来の回路構成をそのまま使用することができる。

本発明のルビジウム原子発振器の構成を示す図である。本発明の位相検波器の動作を説明するための、各部の波形を示すタイミングチャートである。ルビジウム原子発振器５０が完全に同期したときの位相検波器４の各部の波形を示す図である。従来のルビジウム原子発振器の構成を示す図である。図４の各点における波形を表すタイミングチャートである。ノッチフィルタの構成を示す図である。ノッチフィルタのフィルタ特性を示す図である。

符号の説明

１ＯＭＵ、２光検出部、３Ａｍｐ、４位相検波器、５ループフィルタ、６
ＶＣＸＯ、７発振回路、８位相変調逓倍部、９非反転増幅器、１０反転増幅器、
１１合成器、１２インバータ、１３、１４ＳＷ、５０ルビジウム原子発振器

Claims

所定の周波数にて位相変調されたマイクロ波を入力する光マイクロ波ユニットと、前記光マイクロ波ユニットを透過した光の強度を検出する光検出手段と、前記光検出手段の出力に現れる周波数誤差信号の位相を検波する位相検波器と、前記位相検波器に検波基準信号を供給する発信手段と、を備えたルビジウム原子発振器であって、
前記位相検波器は、前記周波数誤差信号の位相と同相の第１の周波数誤差信号を出力する第１の位相変換手段と、前記周波数誤差信号の位相と逆相の第２の周波数誤差信号を出力する第２の位相変換手段と、前記検波基準信号に基づき前記第１の周波数誤差信号を断接する第１の断接手段と、前記検波基準信号に基づき前記第２の周波数誤差信号を断接する第２の断接手段と、前記第１の断接手段及び前記第２の断接手段から出力される信号を合成する合成手段と、を備え、
前記第１の断接手段及び前記第２の断接手段のそれぞれは、前記ルビジウム原子発振器が同期する直前の前記第１の周波数誤差信号が極小となるタイミングにて断状態と接続状態とが交互に切り替えられるものであり、
前記第１の断接手段を接続状態としたときには前記第２の断接手段を断状態とし、前記第１の断接手段を断状態としたときには前記第２の断接手段を接続状態とすることを特徴とするルビジウム原子発振器。
前記位相検波器は、前記ルビジウム原子発振器が完全に同期した場合、該位相検波器に入力される前記周波数誤差信号に含まれる特定の周波数成分を相殺するような波形を前記合成手段から出力するものであり、前記特定の周波数成分は、前記マイクロ波の位相変調周波数の２倍の周波数成分であることを特徴とする請求項１記載のルビジウム原子発振器。
前記第１の断接手段と前記第２の断接手段は、互いに１８０°位相が異なる前記検波基準信号により断接されることを特徴とする請求項１又は２に記載のルビジウム原子発振器。
前記合成手段の出力は、前記位相検波器の出力信号を積分するループフィルタに入力されることを特徴とする請求項１又は２に記載のルビジウム原子発振器。
前記断接手段は、アナログスイッチにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のルビジウム原子発振器。