JP6232777B2 - 原子発振器、電子機器、移動体、およびgpsモジュール - Google Patents
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Description
(実施形態)
まず、原子発振器3の原理について、図1から図4を用いて簡単に説明する。
図1は、実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。この原子発振器3は、原子共鳴周波数と入力されたマイクロ波との差を周波数誤差信号として出力する量子干渉装置10と、原子共鳴周波数に同期した周波数の信号を出力する電圧制御水晶発振器(以下、発振器(VCXO)と記す)5と、周波数誤差信号に応じた制御信号を生成し、発振器(VCXO)5を制御する周波数制御器4と、発振器(VCXO)5の出力信号を基準信号として、電圧制御発振器(以下、発振器(VCO)と記す)24からの出力との位相差が一定になるように、ループ内の発振器(VCO)24にフィードバック制御をかけて発振をさせるPLL回路20と、PLL回路20から出力されるマイクロ波をフィルタリングするフィルター部30と、フィルター部30から出力される出力電力を増幅させる増幅器6と、量子干渉装置10に加える直流バイアス電流を設定するバイアス回路8とを備えている。
ガスセル11内には、アルカリ金属(金属原子)の一例として、ガス状のセシウムが、封入されている。他のアルカリ金属としては、ルビジウム、ナトリウム等を使用することができる。アルカリ金属は、図3に示すように、3準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる2つの基底状態(基底状態α,β)と、励起状態との3つの状態をとり得る。ここで、基底状態αは、基底状態βよりも低いエネルギー準位である。なお本実施形態では、光学部品15,16を備えているが、必要により用いればよい。
[ガスセル]
ガスセル11内には、アルカリ金属(金属原子)として、ガス状のセシウムが封入されている。ガスセル11は、柱状の貫通孔を有する本体部17と、その貫通孔の両開口を封鎖する1対の窓部18,19とを有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間が形成される。
光射出部12は、ガスセル11中のアルカリ金属原子を励起する励起光を射出する機能を有する。より具体的には、光射出部12は、前述したような周波数の異なる2種の光(共鳴光1および共鳴光2)を射出するものである。共鳴光1の周波数ω1は、ガスセル11中のアルカリ金属を前述した基底状態αから励起状態に励起し得るものである。また、共鳴光2の周波数ω2は、ガスセル11中のアルカリ金属を前述した基底状態βから励起状態に励起し得るものである。
図2に示すように、複数の光学部品15,16は、それぞれ、前述した光射出部12(光源13)とガスセル11との間における励起光LLの光路a上に設けられている。本実施形態では、光源13側からガスセル11側へ、光学部品15、光学部品16がこの順に配置されている。
光検出部14は、ガスセル11内を透過した励起光LL(共鳴光1、共鳴光2)の強度を検出する機能を有する。この光検出部14としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器(受光素子)を用いることができる。
PLL回路20には、発振器(VCO)24の出力をn逓倍させる逓倍器25が備えられており、発振器(VCO)で発振された発振周波数をn逓倍することで、光源13(図2参照)としてのVCSELに変調を与える所定周波数が生成される。これにより、発振器(VCO)24には、所定周波数より発振周波数が、1/nに低い周波数で発振する発振器を使用することができる。本実施形態では、金属原子にセシウムを用いており、セシウムの遷移周波数の1/2である4.5963GHz(所定周波数)がPLL回路20で生成される。
上述の様に、フィルター部30に求められる性能は、通過させる周波数が、所定周波数(4.5963GHz)で、減衰させる周波数が、所定周波数の1/2(2.29816GHz)と、共に1ポイントであり、減衰量も5dBと比較的低い減衰量である。そこで、本実施形態では、フィルター部30に、インダクターLとキャパシターCの直列共振を利用した最も単純な構成であるノッチフィルター(バンドリジェクションフィルター)を用いている。所定周波数の1/2(2.29816GHz)で共振を生じせるインダクターLとキャパシターCが選択され、伝送線路とグランドとの間に、直列接続されている。インダクターLとキャパシターCとの共振周波数(所定周波数の1/2)において、伝送線路とグランド間とのインピーダンスが低くなるため、図7に示すように、所定周波数の1/2(2.29816GHz)で、減衰極を有する周波数特性が得られる。なお、本実施形態は一例であり、これに限定するものではない。所定周波数の1/2の周波数を減衰させる方法として、インダクターとキャパシターを用いて構成したハイパスフィルターを構成して接続してもよい。
原子発振器3は、PLL回路20に発振器(VCO)24から出力される発振周波数をn逓倍させる逓倍器25を備えている。これにより、増幅器6での消費電力と、発振器(VCO)24の調達コストとを抑制するができるため、消費電力を減少させ、製造コストを抑制した原子発振器3を提供することができる。さらに、量子干渉装置10とPLL回路20との間に、フィルター部30が接続されているため、所定周波数で出力される出力電力を、所定周波数の1/2、および所定周波数の1.5倍の周波数で出力される出力電力との相対比較で、15dB以上とすることができる。これにより、所望の周波数安定度を有した原子発振器3を提供することができる。
図9は、変形例に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
上記実施形態では、図1のように、フィルター部30に、ノッチフィルターを設けたものとして説明したが、この構成に限定するものではない。本変形例では、フィルター部40に、バンドパスフィルターが設けられている。
以下、変形例に係る原子発振器50について説明する。なお、実施形態と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
フィルター部40は、直列腕共振子S1と並列腕共振子P1,P2を備えたバンドパスフィルターを有している。直列腕共振子S1の共振周波数と、並列腕共振子P1,P2の反共振周波数を所定周波数(4.5963GHz)に略一致させることで、図10に示すように、所定周波数を通過させ、直列腕共振子S1の反共振周波数と、並列腕共振子P1,P2の共振周波数とに減衰極を有する周波数特性が得られる。直列腕共振子S1、および並列腕共振子P1,P2は、圧電基板と、圧電基板の上に形成されたIDT(Inter Digital transducer)電極とを有する弾性波共振子や、上電極と、下電極と、上電極と下電極とに挟まれた圧電薄膜とを有する圧電薄膜共振子などを使用することができる。さらに、PLL回路20と共に、集積化されていても良い。なお、使用する共振子の数量や接続方法は、一例であり、これに限定されるものではない。また、フィルター部40に、LCフィルター、空洞共振器フィルター、ヘリカルフィルター、誘電体フィルターなどを接続してもよい。
原子発振器50は、PLL回路20に発振器(VCO)24から出力される発振周波数をn逓倍させる逓倍器25を備えている。これにより、増幅器6での消費電力と、発振器(VCO)24の調達コストとを抑制するができるため、消費電力を減少させ、製造コストを抑制した原子発振器50を提供することができる。さらに、量子干渉装置10とPLL回路20との間に、フィルター部40が接続されているため、所定周波数で出力される出力電力を、所定周波数の1/2、および所定周波数の1.5倍の周波数で出力される出力電力との相対比較で、20dB以上とすることができる。これにより、周波数安定度に優れた原子発振器50を提供することができる。
以上説明したような本発明の原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような本発明の原子発振器を備える電子機器は、優れた信頼性を有する。以下、本発明の原子発振器を備える電子機器の一例について説明する。なお、以下の説明では、実施形態の原子発振器3を用いた例で説明する。
また、前述したような本発明に係る原子発振器は、各種移動体に組み込むことができる。このような本発明の原子発振器を備える移動体は、優れた信頼性を有する。なお、以下の説明では、実施形態の原子発振器3を用いた例で説明する。
また、前述したような本発明に係る原子発振器は、GPSモジュールに組み込むことができる。このような本発明の原子発振器を備えるGPSモジュールは、優れた信頼性を有する。なお、以下の説明では、実施形態の原子発振器3を用いた例で説明する。
Claims (9)
- 原子共鳴周波数と入力されたマイクロ波との差を周波数誤差信号として出力する量子干渉装置と、
前記原子共鳴周波数に同期した周波数の信号を出力する電圧制御水晶発振器と、
発振器、および前記発振器から出力される発振周波数をn逓倍させる逓倍器を有し、前記電圧制御水晶発振器の出力信号を基準信号として、前記発振器からの出力との位相差が一定になるように、前記発振器にフィードバック制御をかけて発振をさせるPLL回路と、
前記PLL回路から出力されるマイクロ波を増幅させる増幅器と、を備えていることを特徴とする原子発振器。 - 前記PLL回路から前記量子干渉装置までの間に、前記逓倍器から出力される所定周波数を通過させ、前記所定周波数の1/2の周波数を減衰させるフィルター部が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の原子発振器。
- 前記フィルター部から前記所定周波数で出力される出力電力は、前記所定周波数の1/2、および前記所定周波数の1.5倍の周波数で出力される出力電力との相対比較で、15dB以上であることを特徴とする請求項2に記載の原子発振器。
- 前記量子干渉装置は、
金属原子と、
前記金属原子が封入されているガスセルと、
前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む光を照射する光源と、
前記金属原子を通過した前記光を検出する光検出部と、を有していることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の原子発振器。 - 前記光源は半導体レーザーであることを特徴とする請求項4に記載の原子発振器。
- 前記光源は垂直共振器面発光レーザーであり、前記金属原子はセシウムであることを特徴とする請求項4に記載の原子発振器。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の原子発振器を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の原子発振器を備えていることを特徴とする移動体。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の原子発振器を備えていることを特徴とするGPSモジュール。
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