JP6232777B2 - 原子発振器、電子機器、移動体、およびｇｐｓモジュール - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器、それを用いた電子機器、移動体、およびＧＰＳモジュールに関する。

ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。

いずれの方式の原子発振器においても、アルカリ金属がガスセル内に緩衝ガスとともに封入されており、このガスセルに入射した光が、アルカリ金属にどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することによって原子共鳴を検知し、検知された原子共鳴を制御系によって基準信号として出力する。従来、例えば、特許文献１に記載されているように、ガスセルを備えた原子共鳴器へ入射するマイクロ波周波数を出力する電圧制御発振器を有するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を備えた原子発振器が知られていた。

また、ＣＰＴを利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器に比し小型であることから、様々な電子機器へ原子発振器を組み込むことが期待されており、さらなる低価格化、低消費電力化が望まれている。

特開２０１１−２４４１２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の原子発振器には、マイクロ波帯を直接発振する電圧制御発振器が用いられており、低消費電力化と製造コストの低減を図るのが困難であるという課題があった。詳しくは、一般的に、発振器は、発振周波数が高周波数になるほど伝送線路などの回路素子での損失が大きくなり、それに伴って共振回路のＱファクターが劣化して、出力電力が低下する。出力電力の低下は、発振器の後段に設けられている増幅器で補う必要があり、これにより原子発振器の消費電力が増加する。また、所望の特性を実現するために高精度な製造・組立て実装技術も必要となり、高周波になるほど、電圧制御発振器の調達コストが上昇する。

本発明は、上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、以下の形態また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。

本適用例によれば、原子発振器は、量子干渉装置と、量子干渉装置に入射する所定周波数を生成するＰＬＬ回路と、増幅器とを備えている。ＰＬＬ回路の発振器は、一般的に、発振周波数が高くなるほど、共振回路のＱファクターが低下し、出力電力が低下する。出力電力の低下は、発振器の後段に設けられている増幅器で補う必要があり、これにより消費電力が増加する。また、高い周波数を発振させることができる発振器ほど価格が高く、原子発振器の製造コストが上昇する。そこで、本適用例では、ＰＬＬ回路に、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備えているため、従来の発振器より、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。したがって、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の原子発振器は、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が好ましい。

本適用例によれば、原子発振器は、ＰＬＬ回路に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備えているため、逓倍器から出力される周波数成分は、所定周波数の１／ｎのｍ倍（ｍ＝１、２、３、・・・）となる。発明者は、所定周波数の１／２の周波数が量子干渉装置に入力されると、原子発振器の周波数安定度が劣化することを実験により見出している。そこで、本実施形態では、さらに、ＰＬＬ回路から量子干渉装置までの間に、所定周波数を通過させ、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。これにより、周波数安定度を劣化させることなく、消費電力を減少させ、製造コストを抑制した原子発振器を提供することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の原子発振器は、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以上であることが好ましい。

本適用例によれば、原子発振器には、フィルター部から、所定周波数で出力される電力と、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電力との相対比較で１５ｄＢ以上となるフィルター部が接続されているため、所望の周波数安定度を有し、消費電力を減少させ、製造コストを抑制した原子発振器を提供することができる。

［適用例４］上記適用例に記載の原子発振器は、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、を有していることが好ましい。

本適用例によれば、原子発振器に備えられている量子干渉装置は、金属原子と、セルと、光源と、光検出部とを有している。ＰＬＬ回路の発振器は、一般的に、発振周波数が高くなるほど、共振回路のＱファクターが低下し、出力電力が低下する。出力電力の低下は、発振器の後段に設けられている増幅器で補う必要があり、これにより消費電力が増加する。また、高い周波数を発振させることができる発振器ほど価格が高く、原子発振器の製造コストが上昇する。そこで、本適用例では、ＰＬＬ回路に、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備えているため、従来の発振器より、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。したがって、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を提供することができる。

［適用例５］上記適用例に記載の原子発振器は、前記光源は半導体レーザーであることが好ましい。

本適用例によれば、原子発振器は、半導体レーザーの光源を有し、ＰＬＬ回路に、従来の発振器より、発振周波数が１／ｎに低い周波数で発振する発振器を用いているため、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を提供することができる。

［適用例６］上記適用例に記載の原子発振器は、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が好ましい。

本適用例によれば、原子発振器は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）の光源と、セシウムの金属原子とを有し、ＰＬＬ回路に、従来の発振器より、発振周波数が１／ｎに低い周波数で発振する発振器を用いているため、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を提供することができる。

［適用例７］本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の原子発振器を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を備えているので、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な電子機器を提供することができる。

［適用例８］本適用例に係る移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の原子発振器を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を備えているので、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な移動体を提供することができる。

［適用例９］本適用例に係るＧＰＳ（Global Positioning System）モジュールは、上記適用例のいずれか一例に記載の原子発振器を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能な原子発振器を備えているので、消費電力を減少させ、製造コストを抑制することが可能なＧＰＳモジュールを提供することができる。

実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。 量子干渉装置の構成を示す概略図。 ガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図。 光源および光検出部について、光源からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフ。 逓倍器から出力される周波数特性を示す図。 所定周波数、および所定周波数の１／２の周波数で出力される出力電力の差と、周波数安定度との関係を示す表。 フィルター部（ノッチフィルター）の周波数特性を示す図。 フィルター部から出力されるマイクロ波の周波数特性を示す図。 変形例に係る原子発振器の構成を示すブロック図。 フィルター部（バンドパスフィルター）の周波数特性を示す図。 フィルター部から出力されるマイクロ波の周波数特性を示す図。 本発明に係る実施形態の原子発振器を用いた電子機器としてのクロック伝送システムの一例を示す概略構成図。 本発明に係る実施形態の原子発振器を備える移動体（自動車）の構成を示す斜視図。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明に係る実施形態の電子機器を用いた場合の概略構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせている。

＜原子発振器＞
（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。

ＰＬＬ回路２０は、発振器（ＶＣＸＯ）５の出力周波数を１／Ｒに分周する１／Ｒ分周器２１と、発振器（ＶＣＸＯ）５に同期した周波数を生成する発振器（ＶＣＯ）２４と、発振器（ＶＣＯ）２４から出力される周波数をｎ逓倍する逓倍器２５と、逓倍器２５から出力される周波数を１／Ｍに分周する１／Ｍプリスケーラー２６と、１／Ｍプリスケーラー２６から出力される周波数をＫ／Ｌに分周するＫ／Ｌ分周器２７と、１／Ｒ分周器２１の出力とＫ／Ｌ分周器２７の出力との位相差を出力する位相比較器２２と、位相比較器２２の出力に基づいて直流分を取り出すＬＰＦ２３と、を備えている。

図２は、量子干渉装置の構成を示す図である。図３は、図２に示す量子干渉装置のガスセル内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図４は、図２に示す原子発振器の光射出部（光源）および光検出部における、光射出部（光源）からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。

図２に示すように、量子干渉装置１０は、ガスセル１１と、光源１３を有する光射出部１２と、光検出部１４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。

このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、および共鳴光２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、および共鳴光２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光１の周波数ω１と、共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態α、および基底状態βから励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、および共鳴光２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ（Coherent Population Trapping）現象、または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。

光源１３は、ガスセル１１に向けて、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。例えば、光源１３のバイアス電流に高周波信号を重畳させ（変調を掛けて）、その周波数を変化することによって共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２とを同時に変化させることができ、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部１４の検出強度は、図４に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。

以下、量子干渉装置１０の各部を順次説明する。
［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。

ここで、ガスセル１１の各窓部１８，１９は、前述した光源１３からの励起光に対する透過性を有している。そして、一方の窓部１８は、ガスセル１１内へ入射する励起光が透過するものであり、他方の窓部１９は、ガスセル１１内から射出した励起光が透過するものである。

この窓部１８，１９を構成する材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス、水晶等が挙げられる。また、ガスセル１１の本体部１７を構成する材料は、例えば磁性体のような磁場を乱すものや封入している金属原子と容易に反応してしまうもの以外であれば、特に限定されず、金属材料、樹脂材料等であってもよく、窓部１８，１９と同様にガラス材料、水晶、シリコン等であってもよい。そして、各窓部１８，１９は、本体部１７に対して気密的に接合されている。これにより、ガスセル１１の内部空間を気密空間とすることができる。ガスセル１１の本体部１７と窓部１８，１９との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。

［光射出部］
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。

この光源１３としては、前述したような励起光を射出し得るものであれば、特に限定されないが、本実施形態では、半導体レーザーの一種である垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が用いられている。

［光学部品］
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。

光学部品１５は、λ／４波長板である。これにより、光源１３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。

光学部品１６は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源１３の出力が大きい場合でも、ガスセル１１に入射する励起光を所望の光量とすることができる。光学部品１５を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品１６により調整することができる。

なお、光源１３とガスセル１１との間には、波長板および減光フィルターの他に、レンズ、偏光板等の他の光学部品が配置されていてもよい。また、光源１３からの励起光の強度の調整（減少）が不要であれば、光学部品１６を省略することができる。

［光検出部］
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。

次に、図１に戻り、ＰＬＬ回路２０に備えられている発振器（ＶＣＯ）２４、および逓倍器２５と、フィルター部３０とについて説明する。
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。

４．５９６３ＧＨｚを発振可能な発振器は、発振周波数が高いため、伝送線路などの回路素子での損失が大きくなり、それに伴って共振回路のＱファクターが劣化して、出力電力が低くなる。出力電力の低下は、発振器の後段に設けられている増幅器６で補う必要があり、これにより消費電力が増加する。また、所望の特性を実現するために高精度な製造・組立て実装技術も必要となり、高周波数になるほど、発振器（ＶＣＯ）２４の調達コストが上昇する。さらに、４．５９６３ＧＨｚを発振可能な発振器（ＶＣＯ）２４は、市場での流通量が少なくコスト増加の一因となっている。そこで、本実施形態では、逓倍器２５に、２逓倍（ｎ＝２）の逓倍器が用いられているため、発振器（ＶＣＯ）２４には、２．２９８１６ＧＨｚ（所定周波数の１／２）を発振させる発振器を用いることができる。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ことができる。

また、ＰＬＬ回路２０と、増幅器６との間には、逓倍器２５から出力される所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）を通過させ、所定周波数の１／２の周波数（２．２９８１６ＧＨｚ）を減衰させるフィルター部３０が接続されている。なお、フィルター部３０は、増幅器６と逓倍器２５との間に接続されているのが望ましいが、量子干渉装置１０と逓倍器２５との間のいずれかの場所に接続されていてもよい。ただし、量子干渉装置１０に備えられている光源１３（図２参照）としてのＶＩＣＳＥＬ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、量子干渉装置１０との間に、フィルター部を接続する場合は、電流通過型のフィルターとする必要がある。

図５は、逓倍器２５から出力される周波数特性を示す図である。逓倍器２５では、発振器（ＶＣＯ）２４での発振周波数２．２９８１６ＧＨｚを２逓倍して、セシウムの遷移周波数の１／２である４．５９６３ＧＨｚ（所定周波数）が生成される。しかし、逓倍器２５からは、４．５９６３ＧＨｚ以外に、２．２９８１６ＧＨｚのｍ倍（ｍ＝１、２、３、・・・）に相当する周波数成分が出力される。本実施形態に用いた発振器（ＶＣＯ）２４と、逓倍器２５によれば、所定周波数の１／２の周波数（２．２９８１６ＧＨｚ）で出力される出力電力は、所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）で出力される出力電力との相対比較で、約−１０ｄＢであった。同様に、所定周波数の１．５倍（６．８９４４８ＧＨｚ：２．２９８１６ＧＨｚ×３）の周波数で出力される出力電力は、約−１５ｄＢであった。

図６は、所定周波数、および所定周波数の１／２の周波数で出力される出力電力の差と、周波数安定度との関係を示す表である。発明者は、所定周波数の１／２の周波数が量子干渉装置１０に入力されると、原子発振器３の周波数安定度が低下することを実験により見出している。図６によれば、所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）で出力される出力電力が、所定周波数の１／２（２．２９８１６ＧＨｚ）の周波数で出力される出力電力との相対比較で、１５ｄＢ以上であれば、所望の周波数安定度が得られることが分かる。さらには、周波数安定度の劣化が認められない２０ｄＢ以上であることが望ましい。なお、所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）と、所定周波数の１．５倍（６．８９４４８ＧＨｚ）との実験においても、同様な結果が得られた。図６より、所定周波数の１／２（２．２９８１６ＧＨｚ）の周波数で出力される電力を、フィルター部３０にて、５ｄＢ以上減衰させることで、所望の周波数安定度を有した原子発振器が実現できる。

図７は、フィルター部（ノッチフィルター）の周波数特性を示す図である。
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。

図８は、フィルター部３０から出力されるマイクロ波の周波数特性を示す図である。ノッチフィルターを有するフィルター部３０を逓倍器２５と増幅器６との間に接続することで、図８に示すように、所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）で出力される出力電力を、所定周波数の１／２の周波数（２．２９８１６ＧＨｚ）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。

以上述べたように、本実施形態に係る原子発振器３によれば、以下の効果を得ることができる。
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。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例）
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から所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）で出力される出力電力は、所定周波数の１／２（２．２９８１６ＧＨｚ）、および所定周波数の１．５倍（６．８９４４８ＧＨｚ）で出力される出力電力との相対値で、２０ｄＢ以上大きいことが望ましい。この特性を実現するためには、フィルター部４０に、所定周波数を通過させ、所定周波数の１／２の周波数で出力される出力電力を１０ｄＢ以上、所定周波数の１．５倍の周波数で出力される出力電力を５ｄＢ以上減衰させるバンドパスフィルターを用いる必要がある。そこで、本変形では、フィルター部４０に、複数の共振子を梯子状に接続したラダー型のバンドパスフィルターが用いられている。

図１０は、フィルター部（バンドパスフィルター）４０の周波数特性を示す図である。
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。

図１１は、フィルター部４０から出力されるマイクロ波の周波数特性を示す図である。バンドパスフィルターを有するフィルター部４０を逓倍器２５と増幅器６との間に接続することで、図１１に示すように、所定周波数（４．５９６３ＧＨｚ）で出力される出力電力を、所定周波数の１／２の周波数（２．２９８１６ＧＨｚ）、および所定周波数の１．５倍（６．８９４４８ＧＨｚ）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。

以上述べたように、本変形例に係る原子発振器５０によれば、以下の効果を得ることができる。
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。

＜電子機器＞
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。

まず、図１２を用いて、本発明に係る原子発振器を用いたクロック伝送システムについて説明する。図１２は、本発明に係る原子発振器を用いたクロック伝送システムの一例を示す概略構成図である。

図１２に示すクロック伝送システム５００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。

このクロック伝送システム５００は、Ａ局（Ｎ系）のＣＳＭ（Clock Supply Module（クロック供給装置））５０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置５０２と、Ｂ局（Ｅ系）のクロック供給装置５０３およびＳＤＨ装置５０４と、Ｃ局のクロック供給装置５０５およびＳＤＨ装置５０６，５０７とを備える。クロック供給装置５０１は、原子発振器３を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０１内の原子発振器３は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８，５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０２は、クロック供給装置５０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。クロック供給装置５０３は、原子発振器３を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。このクロック供給装置５０３内の原子発振器３は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８，５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０４は、クロック供給装置５０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０１，５０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。

ここで、クロック供給装置５０５は、通常、クロック供給装置５０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置５０６は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置５０７は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。

＜移動体＞
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。

以下、本発明に係る移動体の一例について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明に係る原子発振器を備える移動体（自動車）の構成を示す斜視図である。

図１３に示す移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器３が内蔵されている。そして、原子発振器３からの発振信号に基づいて、例えば、図示しない制御部が動力源の駆動を制御する。

＜ＧＰＳモジュール＞
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。

図１４を用いて、本発明に係る原子発振器を用いているＧＰＳ衛星を利用した測位システムについて説明する。図１４は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明に係る原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１４に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、ＧＰＳ受信装置３００と、基地局装置４００とで構成されている。ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。ＧＰＳ受信装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報を、アンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明に係る実施形態の原子発振器３と図示しない受信回路とを有するＧＰＳモジュール３１０を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。基地局装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報を、アンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、ＧＰＳ受信装置３００からの測位情報を、アンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。なお、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）の一例として、ＧＰＳ衛星システムにて説明したが、ＧＬＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System）やＧａｌｉｌｅｏなど、他の衛星システムにも適用することができる。

なお、本発明の原子発振器を組み込む電子機器または移動体は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、デジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

以上、本発明の原子発振器、電子機器、移動体、およびＧＰＳモジュールについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、例えば、前述した実施形態の各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。

３…原子発振器、４…周波数制御器、５…発振器（ＶＣＸＯ）、６…増幅器、８…バイアス回路、１０…量子干渉装置、１１…ガスセル、１２…光射出部、１３…光源、１４…光検出部、１５，１６…光学部品、１７…本体部、１８，１９…窓部、２０…ＰＬＬ回路、２４…発振器（ＶＣＯ）、２５…逓倍器、３０，４０…フィルター部、５０…原子発振器、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、３００…ＧＰＳ受信装置、３０１…アンテナ、３０２…受信装置、３０３…アンテナ、３０４…送信装置、３１０…ＧＰＳモジュール、４００…基地局装置、４０１…アンテナ、４０２…衛星受信部、４０３…アンテナ、４０４…基地局受信部、５００…クロック伝送システム、５０１…クロック供給装置、５０２…ＳＤＨ装置、５０３…クロック供給装置、５０４…ＳＤＨ装置、５０５…クロック供給装置、５０６，５０７…ＳＤＨ装置、５０８，５０９…マスタークロック、１５００…移動体。

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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