JP6210192B2 - 原子発振器、原子発振器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器、原子発振器の製造方法等に関する。

近年、携帯電話やスマートフォン等の情報機器の高度化・多機能化が進み、データ通信に使用される発振器の周波数精度や周波数安定度に対する要求がますます厳しくなっている。このような高い要求を満たす発振器としてルビジウムやセシウム等の原子の共鳴現象を利用した原子発振器が広く利用されている。

原子発振器としては、原子に共鳴周波数と一致する周波数差の２種類の共鳴光を同時に照射することで生じる電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）を利用するものや原子に励起光を照射するとともに空洞共振器に原子の共鳴周波数と一致するマイクロ波を印加することで生じる光マイクロ２重共鳴現象を利用するものが知られている。いずれの場合も、原子セルを透過する光の強度に応じて電圧制御発振器の発振周波数を制御し、この発振信号を周波数変換することで原子の共鳴周波数の信号を得ている。

ここで、例えば、電圧制御発振器の発振信号を原子発振器の出力信号として正確に所望の周波数（例えば１０ＭＨｚ）にしたい場合、ルビジウム原子の共鳴周波数は６．８３４６８２６１２８ＧＨｚであり、セシウム原子の共鳴周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるため、原子の共鳴周波数は電圧制御発振器の発振周波数の整数倍の関係にはならない。

特許文献１の発明では、コイル及びコンデンサーを用いた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、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を行なう必要が無く、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ので、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る。

特開２００１−３６４０５号公報

ここで、原子発振器は、原子セル（ガスセル）に注入されるネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）等のバッファーガスの圧力について製造ばらつきがある。バッファーガスの製造ばらつきに伴い共鳴周波数のシフト量もばらつくため、出力信号として所望の周波数を得るのに、特許文献１の発明はダイレクトディジタルシンセサイザ（以下、ＤＤＳ）を備える必要がある。しかし、ＤＤＳを用いることで出力信号の波形が劣化する。

本発明は、以上の事を鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、出力信号の波形を劣化させずに、バッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきを、調整が必要な共鳴周波数の全ての桁で調整でき、回路規模の増大も抑えられる原子発振器、原子発振器の製造方法等を提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る原子発振器は、原子が封入されている原子セルと、前記原子セルに磁界を与える磁界発生部と、前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器と、前記基準信号を受け取り、前記原子の共鳴周波数を含む信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬと、を備え、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬは、前記磁界発生部が調整可能な前記共鳴周波数の最大の桁を境界桁として、少なくとも前記境界桁よりも１桁大きい桁を調整可能である。

本適用例に係る原子発振器は、原子セルと、磁界発生部と、基準発振器と、フラクショナルＮ−ＰＬＬと、を含む。ここで、フラクショナルＮ−ＰＬＬは、分数分周方式のＰＬＬ（Phase Locked Loop）である。フラクショナルＮ−ＰＬＬは、分周比（整数値）を時分割で切り替えることにより、平均的に分数（小数点以下の値も含む数）での分周を実現できる。原子発振器では例えば１０ＭＨｚといった端数のない周波数の出力信号を所望する場合に、その周波数と共鳴周波数とが整数倍の関係にならない。しかし、本適用例に係る原子発振器は、フラクショナルＮ−ＰＬＬを含むため、ＤＤＳを用いることなく端数のない周波数の出力信号を生成することができ、出力信号の波形を劣化させない。

ただし、バッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきに対応するのに、共鳴周波数の小数点以下の桁まで調整が必要になることがある。このとき、ＧＨｚオーダーの共鳴周波数の小数点以下の桁までをフラクショナルＮ−ＰＬＬだけで調整すると回路規模の増大につながる。

そこで、本適用例に係る原子発振器は、磁界発生部が調整可能な共鳴周波数の最大の桁を境界桁として、少なくとも共鳴周波数の境界桁よりも上の桁をフラクショナルＮ−ＰＬＬが調整可能であるようにする。このとき、調整が必要な共鳴周波数の全ての桁で調整可能でありながら、フラクショナルＮ−ＰＬＬは磁界発生部が調整できない範囲を調整すればよいので、回路規模の増大を抑えることができる。

例えば、フラクショナルＮ−ＰＬＬは、境界桁が共鳴周波数の１桁であれば、共鳴周波数の１０桁以上の部分をフラクショナルＮ−ＰＬＬが調整し、共鳴周波数の１桁や小数点以下の桁を磁界発生部が調整してもよい。

［適用例２］
上記適用例に係る原子発振器において、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬは、分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、前記小数設定部のビット数をｎ、位相比較周波数をｆ_ＰＦＤ、前記共鳴周波数をｆ_ΔＥ、および前記磁界発生部の前記共鳴周波数に対する調整可能比率をＲ_Ｍとしたとき、式（１）を満たしてもよい。

［適用例３］
上記適用例に係る原子発振器において、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬは少なくとも２５ビットの小数設定部を含んでもよい。

本適用例に係る原子発振器のフラクショナルＮ−ＰＬＬは、分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、小数設定部のビット数のｎは前記の式（１）を満たしてもよい。このとき、少なくとも共鳴周波数の境界桁よりも上の桁をフラクショナルＮ−ＰＬＬが調整することができる。フラクショナルＮ−ＰＬＬは分数での分周を実現できるが、その分周比のうちの整数部分を除く小数部分を設定するのが小数設定部である。例えば、小数設定部はｎビットのレジスター（０〜２^ｎ−１の値を設定可能）であってもよく、そのレジスターの値を２^ｎで割って得られる値が分周比の小数部分であってもよい。

なお、位相比較周波数とはフラクショナルＮ−ＰＬＬが含む位相比較器における周波数である。また、調整可能比率とは共鳴周波数に対する比率で調整可能な範囲を示す値である。例えば、磁界発生部の調整可能比率であるＲ_Ｍが１０^−９である場合、セシウム原子の共鳴周波数は約９ＧＨｚであり、これらを乗じて１桁の値が得られる。このとき、磁界発生部が調整可能な共鳴周波数の最大の桁である境界桁は１桁になる。

このとき、式（１）を用いることによって、フラクショナルＮ−ＰＬＬに必要な小数設定部のビット数のｎを容易に得ることができる。逆に、式（１）を満たすことで、少なくとも共鳴周波数の境界桁よりも上の桁をフラクショナルＮ−ＰＬＬが調整することができるので、不必要にｎを大きくすることで回路規模を増大させることがない。

ここで、位相比較周波数であるｆ_ＰＦＤを１０ＭＨｚとする。そして、磁界発生部がＣ磁界を発生するコイルであるとするとＲ_Ｍは例えば１０^−９である。すると、ルビジウム原子、セシウム原子の共鳴周波数はそれぞれ約６ＧＨｚ、約９ＧＨｚであるので、ｎ＝２５は式（１）を満たす。したがって、現実的な構成として、フラクショナルＮ−ＰＬＬは、２５ビットの小数設定部を含んでもよい。なお、Ｃ磁界とは、レーザー光の進行方向と直交する方向に一様に印加される静磁界をいう。

［適用例４］
本適用例に係る原子発振器の製造方法は、原子が封入されている原子セル、前記原子セルに磁界を与えるコイルである磁界発生部、前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器、および分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、前記基準信号を受け取って前記原子の共鳴周波数を有する信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬを含む原子発振器の製造方法であって、前記磁界発生部が調整可能な前記共鳴周波数の最大の桁を境界桁として、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬが少なくとも前記境界桁よりも１桁大きい桁を調整可能であるように、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬの小数設定部のビット数のｎを定める工程、を含む。

［適用例５］
本適用例に係る原子発振器の製造方法は、原子が封入されている原子セル、前記原子セルに磁界を与えるコイルである磁界発生部、前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器、および分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、前記基準信号を受け取って前記原子の共鳴周波数を有する信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬを含む原子発振器の製造方法であって、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬが調整可能な前記共鳴周波数の最小の桁よりも１桁下の桁を境界桁として、前記磁界発生部が少なくとも前記共鳴周波数の前記境界桁以下の桁を調整可能であるように、前記磁界発生部の巻き数および電流のうち少なくとも１つを定める工程、を含む。

［適用例６］
上記適用例に係る原子発振器の製造方法において、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬのｎビットの小数設定部に初期値を与える工程と、前記小数設定部に設定された値を調整する
工程と、を含んでもよい。

［適用例７］
上記適用例に係る原子発振器の製造方法において、前記磁界発生部の電流を調整する工程を含んでもよい。

本適用例に係る原子発振器の製造方法は、フラクショナルＮ−ＰＬＬの小数設定部の適切なビット数のｎを定めることができ、また、境界桁を決定する磁界発生部の巻き数および電流のうち少なくとも１つを定めることができる。そして、原子発振器を組み立てた後には、ｎビットの小数設定部の初期値を適宜調整すること、または磁界発生部の電流を調整することで所望の出力信号の周波数（以下、出力周波数とする）が得られる。

本適用例に係る原子発振器の製造方法によれば、出力信号の波形を劣化させずに、バッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきを、調整が必要な共鳴周波数の全ての桁で調整でき、回路規模の増大も抑えられる原子発振器を製造することができる。

本実施形態の原子発振器の構成例を示す図。 本実施形態のＰＬＬ回路の構成例を示す図。 コイルを説明する図。 図４（Ａ）はゼーマン分裂したエネルギー準位を示す図であり、図４（Ｂ）は分裂したＥＩＴ信号の一例を示す図。 コイルの電流と出力周波数との関係を示す図。 図６（Ａ）はバッファーガスの圧力と出力周波数との関係を示す図であり、図６（Ｂ）は製造時のバッファーガスの圧力の分布を示す図。 図７（Ａ）は比較例である整数分周ＰＬＬを用いた原子発振器の調整範囲を示す図。図７（Ｂ）は本実施形態の原子発振器の調整範囲を示す図。図７（Ｃ）は本実施形態の原子発振器でｎを増やした場合の調整範囲を例示する図。 本実施形態の原子発振器の組み立て後の調整を例示する図。 本実施形態の原子発振器の製造方法のフローチャート。 変形例の原子発振器の構成例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．原子発振器
［原子発振器の構成］
図１は、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用した本実施形態の原子発振器２００の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の原子発振器２００は、駆動回路２１０、半導体レーザー２２０、ガスセル２３０、コイル２３１、光検出器２４０、検波回路２５０、変調回路２５２、低周波発振器２５４、検波回路２６０、低周波発振器２６４、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ２７０）、ＰＬＬ回路２８０を含んで構成されている。ここで、ガスセル２３０は本発明の原子セルに対応し、コイル２３１は本発明の磁界発生部に対応し、ＶＣＸＯ２７０は本発明の基準発振器に対応し、ＰＬＬ回路２８０は本発明のフラクショナルＮ−ＰＬＬに対応する。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

ガスセル２３０（原子セル）は、ガラス等の透明部材でできた容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。

半導体レーザー２２０は、ガスセル２３０に含まれるアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる２光波を含む光を発生させる。半導体レーザー２２０としては、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどを用いることができる。半導体レーザー２２０が発生させた光は、ガスセル２３０に入射する。

コイル２３１は、ガスセル２３０に含まれるアルカリ金属原子にゼーマン分裂を起こさせるためのＣ磁界を発生させる。ここで、Ｃ磁界とは、半導体レーザー２２０が発生させた光の進行方向と直交する方向に一様に印加される静磁界である。

光検出器２４０は、ガスセル２３０を透過した光が入射し、入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器２４０は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）を用いて実現することができる。光検出器２４０の出力信号は検波回路２５０と検波回路２６０に入力される。

検波回路２５０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２５４の発振信号を用いて光検出器２４０の出力信号を同期検波する。変調回路２５２は、検波回路２５０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２５４の発振信号（検波回路２５０に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として検波回路２５０の出力信号を変調して駆動回路２１０に出力する。変調回路２５２は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。

検波回路２６０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２６４の発振信号を用いて光検出器２４０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路２６０の出力信号の大きさに応じて、ＶＣＸＯ２７０の発振周波数が微調整される。本実施形態の原子発振器２００では、ＶＣＸＯ２７０の所望の出力周波数Ｆは１０ＭＨｚであるとする。ＰＬＬ回路２８０は、ＶＣＸＯ２７０の出力信号を周波数変換して駆動回路２１０に出力する。

駆動回路２１０は、半導体レーザー２２０のバイアス電流を設定するとともに、変調回路２５２の出力信号に応じて当該バイアス電流を微調整して半導体レーザー２２０に供給する。すなわち、半導体レーザー２２０、ガスセル２３０、光検出器２４０、検波回路２５０、変調回路２５２、駆動回路２１０を通るフィードバックループ（第１のフィードバックループ）により、半導体レーザー２２０が発生させる光の中心波長λ₀（中心周波数ｆ₀）が微調整される。具体的には、第１のフィードバックループにより、ガスセル２３０に封入されているアルカリ金属原子の励起準位と一方の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₁（＝ｖ／ｆ₁：ｖは光の速度）、励起準位と他方の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₂（＝ｖ／ｆ₂）に対して、半導体レーザー２２０の出射光の中心波長λ₀（＝ｖ／ｆ₀）が（λ₁＋λ₂）／２とほぼ一致する（中心周波数ｆ₀が（ｆ₁＋ｆ₂）／２とほぼ一致する）ようにフィードバック制御がかかる。

駆動回路２１０は、さらに、バイアス電流に、ＰＬＬ回路２８０の出力周波数成分（変調周波数ｆ_m）の電流（変調電流）を重畳して半導体レーザー２２０に供給する。この変調電流により、半導体レーザー２２０に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ₀の光ととも
に、その両側にそれぞれ周波数がｆ_mだけずれた周波数ｆ₀±ｆ_m、ｆ₀±２ｆ_m、・・・の光を発生させる。そして、半導体レーザー２２０、ガスセル２３０、光検出器２４０、検波回路２６０、ＶＣＸＯ２７０、ＰＬＬ回路２８０、駆動回路２１０を通るフィードバックループ（第２のフィードバックループ）により、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光がガスセル２３０に封入されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように、すなわち、ＰＬＬ回路２８０の出力周波数ｆ_mがアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ₁₂に相当する周波数（共鳴周波数）ｆ₁₂の１／２に正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、共鳴周波数ｆ₁₂が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、ＰＬＬ回路２８０の出力周波数ｆ_mが４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。

このような構成により、本実施形態の原子発振器２００は、理想的には所望の出力周波数Ｆを得ることができる。しかし、現実には、後述するようにガスセル２３０のバッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきを調整する必要がある。なお、本実施形態の原子発振器２００では、ＰＬＬ回路２８０としてフラクショナルＮ−ＰＬＬを用いており、例えばＤＤＳを用いる場合のように出力信号の波形を劣化させることはない。

［ＰＬＬ回路］
図２は、本実施形態のＰＬＬ回路２８０の構成例を示す図である。図２に示すように、ＰＬＬ回路２８０は、分周器１０、位相比較器２０、チャージポンプ３０、ループフィルター４０、電圧制御発振器５０（ＶＣＯ）、フラクショナル分周器６０を含んで構成されている。なお、ＰＬＬ回路２８０では、分周器１０が整数での分周を行い、フラクショナル分周器６０が分数での分周を行うが、逆の構成も可能である。

ＰＬＬ回路２８０への入力信号（図２のＩＮ）はＶＣＸＯ２７０の出力信号であり、ＰＬＬ回路２８０からの出力信号（図２のＯＵＴ）は駆動回路２１０に出力される。また、位相比較器２０に入力される信号の周波数である位相比較周波数が、後に詳細説明する式（１）のｆ_ＰＦＤである。

分周器１０は、入力信号（図２のＩＮ）の周波数を１／Ｒに分周して出力する。このとき、Ｒは１以上の整数であって、不図示のレジスターの設定値により所定の範囲で可変に設定される。

位相比較器２０は、分周器１０の出力信号の位相とフラクショナル分周器６０の出力信号の位相とを比較し、その位相差に応じた信号を出力する。具体的には、分周器１０の出力信号の位相がフラクショナル分周器６０の出力信号の位相よりも早い時はその位相差に応じたパルス幅の正パルス信号を出力し、逆の場合にはその位相差に応じたパルス幅の負パルス信号を出力する。

チャージポンプ３０は、位相比較器２０の出力信号に応じて、ループフィルター４０内の不図示のコンデンサーをチャージ／ディスチャージする。具体的には、チャージポンプ３０は、位相比較器２０が正パルス信号を出力する時はそのパルス幅に応じた電荷を当該コンデンサーにチャージし、位相比較器２０が負パルス信号を出力する時はそのパルス幅に相当する電荷を当該コンデンサーからディスチャージする。

ループフィルター４０は、不図示の抵抗やコンデンサーを用いて構成された積分回路であり、チャージポンプ３０により発生するパルス状の電流を平滑化する。従って、位相比較器２０が正パルス信号を出力する時はループフィルター４０の出力電圧が上昇し、位相比較器２０が負パルス信号を出力する時はループフィルター４０の出力電圧が低下する。

電圧制御発振器５０は、ループフィルター４０の電圧に応じた（従って、位相比較器２０の出力信号に応じた）周波数で発振する発振器である。具体的には、分周器１０の出力信号の位相がフラクショナル分周器６０の出力信号の位相よりも早い時はループフィルター４０の電圧が上昇し、電圧制御発振器５０の周波数も上昇する。逆の場合にはループフィルター４０の電圧が低下し、電圧制御発振器５０の周波数も低下する。この電圧制御発振器５０の出力信号が、ＰＬＬ回路２８０の出力信号（図２のＯＵＴ）となっている。

フラクショナル分周器６０は、電圧制御発振器５０の出力信号の周波数をＫ／Ｌに分周して出力する。Ｋ、Ｌは１以上の整数であって、不図示のレジスターの設定値により所定の範囲で可変に設定される。

ここで、ＰＬＬ回路２８０は、分周比であるＫ／Ｌの整数部分を設定するレジスターと、小数部分を設定するレジスター（本発明の小数設定部に対応）を有する。ここで、小数部分を設定するレジスターはｎビット（ｎは１以上の整数）であって、レジスターの値を２^ｎで割って得られる値が分周比の小数部分となる。

このとき、ＰＬＬ回路２８０の出力信号の周波数の分解能は、前記の位相比較周波数であるｆ_ＰＦＤを用いて、ｆ_ＰＦＤを２^ｎで割った値となる。例えば、ｆ_ＰＦＤを１０ＭＨｚとすると、ｎが１０、１５、２０、２５、３０、３５の場合には、それぞれ９７６６Ｈｚ、３０５Ｈｚ、９．５４Ｈｚ、０．２９８Ｈｚ、０．００９３１Ｈｚ、０．０００２９１Ｈｚの周波数ステップが可能である。

例えば、バッファーガスの製造ばらつきの影響を修正する場合、例えば小数点以下３桁までの周波数を調整できることが好ましい。仮に、ＰＬＬ回路２８０の分周比の設定によって、小数点以下３桁までの周波数を調整しようとする場合、ｎを３４にする（すなわち、小数設定部であるレジスターを３４ビットにする）必要がある。しかし、ｎを３４ビットまで拡張すると、回路規模が大きくなる可能性がある。そこで、本実施形態の原子発振器２００が有する他の調整手段を考慮して、小数設定部のビット数のｎを、回路規模の増大も抑えられる適切な値にすることが好ましい。

［コイルによる周波数調整］
図３は、原子発振器２００が含むコイル２３１を説明する図である。コイル２３１はガスセル２３０を囲むように設けられており、半導体レーザー２２０が発生させたレーザー光ＬＢの進行方向と直交する方向に一様に印加される静磁界（Ｃ磁界）を発生させる。コイル２３１には、不図示のメモリーに記憶された設定値に応じた大きさの電流が流れる。そのため、電流の大きさに応じて所望の強度のＣ磁界を発生させることができる。

このＣ磁界がガスセル２３０にかかると、アルカリ金属原子の各エネルギー準位が２Ｆ＋１個に分裂（ゼーマン分裂）する。例えば、図４（Ａ）に示すように、セシウム原子の場合、６Ｓ_１/２，Ｆ＝３の基底準位や６Ｐ_３/２，Ｆ＝３の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応する７つの準位に分裂し、６Ｓ_１/２，Ｆ＝４の基底準位や６Ｐ_３/２，Ｆ＝４の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３，±４に対応する９つの準位に分裂する。

アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対の周波数（周波数差）は、磁気量子数ｍＦ毎に異なることが知られている。すなわち、ガスセル２３０に磁界がかかった状態では、半導体レーザー２２０が出射する２光波の周波数差をスイープすると、光検出器２４０の出力に複数のピーク、すなわち複数のＥＩＴ信号が観測される。例えば、図４（Ｂ）に示すように、セシウム原子の場合、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応
する７つのＥＩＴ信号が観測される。図４（Ｂ）において、横軸はスイープする２光波の周波数差であり、縦軸は光検出器２４０が検出する光の強度である。図４（Ｂ）に示すように、一般に、ｍＦ＝０に対応するＥＩＴ信号の強度が最も高いので、ｍＦ＝０に対応するＥＩＴ信号が発生するように、共鳴光対の周波数差が制御される。

ここで、コイル２３１の巻き数および電流は、Ｃ磁界の強さに影響し、その結果、ガスセル２３０のアルカリ金属原子のゼーマン分裂のしやすさにも影響する。特に電流については、メモリーに記憶される設定値を変更することで、コイル２３１の電流の大きさを容易に変えることができる。図５は、コイル２３１の電流と出力周波数との関係を示す図である。図５のように、出力周波数は電流の２乗に比例する。そのため、メモリーに記憶されるコイル２３１の電流の設定値を変更することで、原子発振器２００の出力周波数を調整することが可能である。

ここで、原子発振器２００に出力周波数の調整が必要な理由の１つとして、ガスセル２３０に注入されるネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）等のバッファーガスの圧力について製造ばらつきが挙げられる。バッファーガスの製造ばらつきによって、共鳴周波数のシフト量がばらつくため、所望の出力周波数Ｆ（ここでは１０ＭＨｚ）が得られない可能性がある。

例えば、図６（Ａ）はバッファーガスの圧力と出力周波数との関係を示す図である。バッファーガスの圧力がＰ_０の場合に、所望の出力周波数Ｆが得られるものとする。しかし、バッファーガスの圧力がＰ_０よりも高くなると出力周波数はＦよりも高く（例えば、１０．１ＭＨｚ）なり、バッファーガスの圧力がＰ_０よりも低くなると出力周波数はＦよりも低く（例えば、９．９ＭＨｚ）なる。

そして、図６（Ｂ）は原子発振器２００の製造時のバッファーガスの圧力の分布を示す図である。バッファーガスの圧力がＰ_０となるガスセル２３０が多いとしても、製造ばらつきはゼロではなく、バッファーガスの圧力がＰ_０より高いものも、低いものも製造されるのが通常である。

そのため、原子発振器２００を組み立てた後（製品製造における調整段階）では所望の出力周波数Ｆが得られるように調整をする必要があり、原子発振器２００を組み立てる前（製品製造における設計段階）では確実に調整が可能であるように、原子発振器２００の仕様を決める必要がある。

コイル２３１は、巻き数および電流の変化によってＣ磁界の強さに影響を与えるので、原子発振器２００の出力周波数の調整に用いることが可能である。そのため、原子発振器２００では、コイル２３１による調整を考慮して、ＰＬＬ回路２８０の小数設定部のビット数のｎを適切に選択し、回路規模の増大も抑えることが好ましい。

［調整範囲の決定］
ここで、コイル２３１によって調整可能な範囲は、共鳴周波数に対する調整可能比率をＲ_ＭとしてＲ_Ｍ＝１０^−９程度であることが知られている。すなわち、共鳴周波数はＧＨｚオーダーであるため、コイル２３１調整可能な前記共鳴周波数の最大の桁を境界桁とすると、境界桁は１桁となる。つまり、コイル２３１は、共鳴周波数の１桁および小数点以下の桁を調整することが可能である。そのため、原子発振器２００のＰＬＬ回路２８０の分周比の設定によって、少なくとも共鳴周波数の残りの桁（境界桁よりも上の桁）を調整可能であるようにすればよい。

このとき、ＰＬＬ回路２８０は境界桁よりも上の桁の全てを調整可能である必要がある
。例えば、ＰＬＬ回路２８０を仮に分周比が整数値である整数分周ＰＬＬで実現したとすると、図７（Ａ）のようにコイル２３１とＰＬＬ回路２８０とで調整しきれない桁が生じる。そのため、例えば別途ＤＤＳを設けて共鳴周波数の全ての桁を調整できるようにする必要が生じてしまう。原子発振器２００では、ＰＬＬ回路２８０が分数での分周を実現するフラクショナルＮ−ＰＬＬであるため、小数設定部のビット数のｎを適切に選択することで、コイル２３１とＰＬＬ回路２８０とで共鳴周波数の全ての桁について調整できる。

例えば、図７（Ｂ）のように、ＰＬＬ回路２８０は境界桁よりも１つ上の桁以上の桁を調整可能であってもよい。また、図７（Ｃ）のように、ＰＬＬ回路２８０は、コイル２３１で調整可能な桁の一部についても調整可能であってもよい。このような、調整を可能にするＰＬＬ回路２８０の小数設定部のビット数のｎは、式（１）の関係を満たす。

ここで、ｆ_ＰＦＤは位相比較周波数であり、ｆ_ΔＥは共鳴周波数であり、Ｒ_Ｍは調整可能比率である。ここで、１つの例として、ｆ_ＰＦＤをＶＣＸＯ２７０の所望の出力周波数Ｆと等しい１０ＭＨｚ、Ｒ_Ｍを１０^−９、ｆ_ΔＥをセシウム原子の共鳴周波数の約９ＧＨｚとすると、ｎ＝２５は式（１）を満たす。すなわち、２５ビットの小数設定部を含むＰＬＬ回路２８０を用いることで、共鳴周波数の全ての桁について調整が可能になる。

前記のように、ＰＬＬ回路２８０だけで小数点以下３桁までの周波数を調整しようとすると、３４ビット程度の小数設定部が必要であった。そのため、コイル２３１との関係を考慮した式（１）に基づいて、適切な小数設定部のビット数のｎを求めることにより、回路規模の増大を抑えることができる。

式（１）は特に製品製造における設計段階において利用される。なお、式（１）はＰＬＬ回路２８０の小数設定部のビット数のｎが予測または決定されている場合に、コイル２３１が満たすべき仕様を与える式でもある。つまり、式（１）を満たす調整可能比率Ｒ_Ｍを求めて、調整可能比率Ｒ_Ｍを実現できる巻き数のコイル２３１を選択したり、コイル２３１の電流の初期値を定めたりしてもよい。

そして、式（１）を満たすように製造された原子発振器２００では、組み立て後、すなわち製品製造における調整段階において、共鳴周波数の全ての桁について調整が可能である。具体的には、ＰＬＬ回路２８０の分周比の設定と、コイルの電流の大きさを変化させて、所望の出力周波数が得られるように調整できる。

図８は、本実施形態の原子発振器の組み立て後の調整を例示する図である。ガスセル２３０のバッファーガス圧力がＰ_０であるべきところ、製造ばらつきによって１．１×Ｐ_０、０．９×Ｐ_０すなわち１０％圧力が高くなった場合、低くなった場合の調整例を示している。バッファーガス圧力がＰ_０でない場合には、２５ビットのレジスター値（ＰＬＬ回路２８０の分周比の小数部分に対応）を、バッファーガス圧力がＰ_０の場合の値（初期値）から変更した上で、コイルに流す電流を調整する。例えば、ガスセル２３０のバッファーガス圧力がＰ_０より高い場合には電流を小さくし、逆の場合には電流を大きくする。

図８に示すように、製造ばらつきによってガスセル２３０のバッファーガス圧力がＰ_０でなくても、出力周波数として所望の周波数（ここでは、１０ＭＨｚ）が得られることがわかる。

２．原子発振器の製造方法
図９は、本実施形態の原子発振器２００の製造方法のフローチャートである。まず、ＰＬＬ回路２８０の小数設定部のビット数のｎを定める（Ｓ１０）。そして、コイル２３１の巻き数および電流のうち少なくとも１つを定める（Ｓ１２）。このとき、Ｓ１０とＳ１２は前記の式（１）に基づいて実行される。なお、Ｓ１０とＳ１２の一方だけが実行されてもよいし、順序が逆であってもよい。例えば、小数設定部のビット数のｎが既に決まっている場合にはＳ１２だけが行われてもよいし、コイル２３１の仕様が既に決まっている場合にはＳ１０だけが行われてもよい。

次に、ｎビットの小数設定部に初期値を与える（Ｓ１４）。初期値は、所望の出力周波数Ｆが得られるように計算で求められた値であってもよい。なお、Ｓ１４は、後述するＳ２０（原子発振器２００の組み立て）の後に実行されてもよい。Ｓ１０、Ｓ１２およびＳ１４は、製品製造における設計段階に対応する。

次に、ガスセル２３０、コイル２３１、ＶＣＸＯ２７０、ＰＬＬ回路２８０、その他必要な構成要素をそれぞれ所望の場所に配置して原子発振器２００を組み立てる（Ｓ２０）。そして、組み立てた原子発振器２００を動作させる（Ｓ２２）。

その結果、所望の出力周波数Ｆが得られた場合には（Ｓ３０Ｙ）、調整が不要であるので一連の工程を終了する。所望の出力周波数Ｆが得られなかった場合には（Ｓ３０Ｎ）、ｎビットの小数設定部に設定された値を調整し（Ｓ４０）、コイル２３１の電流を調整する（Ｓ４２）。ここで、Ｓ４０は図８の小数設定部のレジスター値（２５ｂｉｔ）を初期値と違う値に調整することであり、Ｓ５０はコイル２３１の電流の大きさを設定するメモリー上の設定値を変更することが対応する。なお、Ｓ４０で分周比の整数部分を調整してもよいが、通常、ガスセル２３０の製造ばらつきに対しては整数部分までの調整は不要である場合が多い。

これらの調整をした後に、再びＳ２２に戻って所望の出力周波数Ｆが得られるか（Ｓ３０）の判断がされる。なお、Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ３０、Ｓ４０およびＳ４２は、製品製造における調整段階に対応する。

以上のように、本実施形態の原子発振器２００は、ＤＤＳといった回路が不要であるため出力信号の波形を劣化させない。そして、バッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきを、調整が必要な共鳴周波数の全ての桁で調整でき、回路規模の増大も抑えられる。

３．変形例
図１０は、アルカリ金属原子の光マイクロ２重共鳴現象を利用した変形例の原子発振器２００の構成例を示す図である。図１０に示すように、変形例の原子発振器２００は、ランプ励振部３１０、ランプ３２０、マイクロ波共振器３３０、コイル３３１、ガスセル３３２、放射用アンテナ３３４、光検出器３４０、検波回路３５０、低周波発振器３５４、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ３６０）、ＰＬＬ回路３７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１０の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

ガスセル（原子セル）３３２は、ガラス等の透明部材でできた容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。ガスセル３３２は、マイクロ波共振器３３０に収容されている。

マイクロ波共振器（空洞共振器）３３０は、放射用アンテナ３３４から放射されるマイクロ波の周波数で励振する。

ランプ３２０は、ランプ励振部３１０によって点灯し、ガスセル３３２に封入されているアルカリ金属原子を励起するための共鳴光を発生させる。具体的には、ランプ３２０は、ガスセル３３２に封入されているアルカリ金属原子の励起準位と一方の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₁の光を発生させる。例えば、ガスセル３３２にルビジウム
（Ｒｂ）原子が封入されている場合はランプ３２０としてルビジウムランプが用いられる。なお、コイル３３１は前記のコイル２３１と同様にＣ磁界を発生させるものであり詳細な説明を省略する。

光検出器３４０は、ガスセル３３２を透過した光が入射し、入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器３４０は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）を用いて実現することができる。光検出器３４０の出力信号は検波回路３５０に入力される。

検波回路３５０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器３５４の発振信号を用いて光検出器３４０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路３５０の出力信号の大きさに応じて、ＶＣＸＯ３６０の発振周波数が微調整される。ＶＣＸＯ３６０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振してもよい。

ＰＬＬ回路３７０は、ＶＣＸＯ３６０の出力信号を周波数変換して放射用アンテナ３３４に出力する。放射用アンテナ３３４は、ＰＬＬ回路３７０の出力周波数に応じたマイクロ波を放射する。

そして、ガスセル３３２、光検出器３４０、検波回路３５０、ＶＣＸＯ３６０、ＰＬＬ回路３７０、放射用アンテナ３３４を通るフィードバックループにより、マイクロ波共振器３３０が、ガスセル３３２に封入されているアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ₁₂に相当する周波数（共鳴周波数）ｆ₁₂で励振するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がルビジウム原子であれば、共鳴周波数ｆ₁₂が６．８３４６８２６１２８ＧＨｚなので、ＰＬＬ回路３７０の出力周波数が６．８３４６８２６１２８ＧＨｚと一致した状態で安定する。

変形例の原子発振器２００でも、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用した原子発振器２００と同じように、ＰＬＬ回路３７０としてフラクショナルＮ−ＰＬＬを用いて、例えば式（１）に基づいて適切な小数設定部のビット数のｎを選択することができる。このとき、変形例の原子発振器２００は、出力信号の波形を劣化させずに、バッファーガスの製造ばらつきによる共鳴周波数のシフト量のばらつきを、調整が必要な共鳴周波数の全ての桁で調整でき、回路規模の増大も抑えられる。

４．その他
本発明は、前記の実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０ 分周器、２０ 位相比較器、３０ チャージポンプ、４０ ループフィルター、５０ 電圧制御発振器、６０ フラクショナル分周器、２００ 原子発振器、２１０ 駆動回路、２２０ 半導体レーザー、２３０ ガスセル、２３１ コイル、２４０ 光検出器、２５０ 検波回路、２５２ 変調回路、２５４ 低周波発振器、２６０ 検波回路、２６４ 低周波発振器、２７０ ＶＣＸＯ、２８０ ＰＬＬ回路、３１０ ランプ励振部、３２０ ランプ、３３０ マイクロ波共振器、３３１ コイル、３３２ ガスセル、３３４ 放射用アンテナ、３４０ 光検出器、３５０ 検波回路、３５４ 低周波発振器、３６０ ＶＣＸＯ、３７０ ＰＬＬ回路

Claims (7)

1. 原子が封入されている原子セルと、
   前記原子セルに磁界を与える磁界発生部と、
   前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器と、
   前記基準信号を受け取り、前記原子の共鳴周波数を含む信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬと、
   を備え、
   前記フラクショナルＮ−ＰＬＬは、
   前記磁界発生部が調整可能な前記共鳴周波数の最大の桁を境界桁として、少なくとも前記境界桁よりも１桁大きい桁を調整可能であり、かつ、
   分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、
   位相比較周波数をｆ _ＰＦＤ 、前記共鳴周波数をｆ _ΔＥ 、および前記磁界発生部の前記共鳴周波数に対する調整可能比率をＲ _Ｍ としたとき、式（１）を満たす、原子発振器。
   

   
2. 前記フラクショナルＮ−ＰＬＬの前記小数設定部のビット数ｎは、少なくとも２５ビットである、請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記調整可能比率Ｒ _Ｍ は１０ ^−９ である、請求項１又は２に記載の原子発振器。
4. 原子が封入されている原子セル、前記原子セルに磁界を与えるコイルである磁界発生部、前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器、および分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、前記基準信号を受け取って前記原子の共鳴周波数を有する信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬを含む原子発振器の製造方法であって、
   前記磁界発生部が調整可能な前記共鳴周波数の最大の桁を境界桁として、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬが少なくとも前記境界桁よりも１桁大きい桁を調整可能であるように、かつ、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬの位相比較周波数をｆ _ＰＦＤ 、前記共鳴周波数をｆ _ΔＥ 、および前記磁界発生部の前記共鳴周波数に対する調整可能比率をＲ _Ｍ としたとき、式（１）を満たすように、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬの小数設定部のビット数のｎを定める工程、
   を含む、原子発振器の製造方法。
   

   
5. 原子が封入されている原子セル、前記原子セルに磁界を与えるコイルである磁界発生部、前記原子セルから出力される原子共鳴信号に基づいて制御され、基準信号を生成する基準発振器、および分周比の小数部分を定めるｎビットの小数設定部を含み、前記基準信号を受け取って前記原子の共鳴周波数を有する信号を生成するフラクショナルＮ−ＰＬＬを含む原子発振器の製造方法であって、
   前記フラクショナルＮ−ＰＬＬが調整可能な前記共鳴周波数の最小の桁よりも１桁下の桁を境界桁として、前記磁界発生部が少なくとも前記共鳴周波数の前記境界桁以下の桁を調整可能であるように、かつ、前記フラクショナルＮ−ＰＬＬの位相比較周波数をｆ _ＰＦＤ 、前記共鳴周波数をｆ _ΔＥ 、および前記磁界発生部の前記共鳴周波数に対する調整可能比率をＲ _Ｍ としたとき、式（１）を満たすように、前記磁界発生部の巻き数および電流のうち少なくとも１つを定める工程、
   を含む、原子発振器の製造方法。
   

   
6. 前記フラクショナルＮ−ＰＬＬのｎビットの小数設定部に初期値を与える工程と、
   前記小数設定部に設定された値を調整する工程と、
   を含む、請求項４または５に記載の原子発振器の製造方法。
7. 前記磁界発生部の電流を調整する工程を含む、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の原子発振器の製造方法。

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