(57)【要約】【課題】スイープ時間を短時間にする。【解決手段】マイクロ波ＭＷに基づき共鳴信号ＲＳを発生する原子共鳴器１と、原子共鳴器１が発生する共鳴信号ＲＳを増幅する増幅器２と、位相変調信号ＬＷを出力する低周波発振器１０と、共鳴信号ＲＳと位相変調信号ＬＷとに基づき制御電圧ＶＣを出力する周波数制御部４と、制御電圧ＶＣによって発振信号ＯＵＴの周波数が制御される電圧制御発振器８と、発振信号ＯＵＴを位相変調信号ＬＷに基づき逓倍及び位相変調してマイクロ波ＭＷを出力する逓倍位相変調部９と、記憶部２７と、共鳴信号ＲＳの周波数がロックされたロック状態の時に制御電圧ＶＣを所定の時間間隔ＴＳで記憶部２７に同期電圧ＳＶとして記憶させ、共鳴信号ＲＳの周波数がロックされていない非ロック状態の時に制御電圧ＶＣと同期電圧ＳＶとに基づき周波数制御部４に制御信号Ｓ２を出力する制御部２６と、を含むルビジウム原子発振器１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波に基づき共鳴信号を発生する原子共鳴器と、
前記原子共鳴器が発生する前記共鳴信号を増幅する増幅器と、
位相変調信号を出力する低周波発振器と、
前記共鳴信号と前記位相変調信号とに基づき制御電圧を出力する周波数制御部と、
前記制御電圧に基づき発振信号の周波数が制御される電圧制御発振器と、
前記発振信号を前記位相変調信号に基づき逓倍及び位相変調して前記マイクロ波を出力する逓倍位相変調部と、
記憶部と、
前記共鳴信号の周波数がロックされたロック状態の時に前記制御電圧を所定の時間間隔で前記記憶部に同期電圧として記憶させ、前記共鳴信号の周波数がロックされていない非ロック状態の時に前記制御電圧と前記同期電圧とに基づき前記周波数制御部に制御信号を出力する制御部と、
を含み、
前記周波数制御部は、前記非ロック状態の時に前記共鳴信号の周波数の引き込みを行うためのスイープ電圧データを前記制御信号に基づき生成するスイープ電圧データ生成部を含む、
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載のルビジウム原子発振器において、
前記スイープ電圧データ生成部は、
前記制御電圧を上昇させるための前記位相変調信号に同期した正電圧データを生成する正電圧データ生成部と、
前記制御電圧を下降させるための前記位相変調信号に反転同期した負電圧データを生成する負電圧データ生成部と、
前記制御信号に基づき前記正電圧データまたは前記負電圧データを切り替えて前記スイープ電圧データとして出力する第１のスイッチ回路と、
を含む、
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項３】
請求項１または２に記載のルビジウム原子発振器において、
前記制御部は、
前記制御電圧の電圧値が前記同期電圧より低い第１の電圧から前記同期電圧よりも高い第２の電圧に上昇するまでの期間に前記正電圧データを選択する前記制御信号を出力し、
前記制御電圧の電圧値が前記第２の電圧から前記第１の電圧に下降するまでの期間に前記負電圧データを選択する前記制御信号を出力する、
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のルビジウム原子発振器において、
前記周波数制御部は、
前記共鳴信号をデジタルに変換したデジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換部と、
前記デジタル信号に基づいて前記ロック状態か前記非ロック状態かを判定した判定信号を出力する状態判定部と、
前記デジタル信号に含まれる前記位相変調信号の周波数成分を濾過した濾過データを出力するバンドパスフィルターと、
前記判定信号が前記ロック状態の場合に前記濾過データを出力し、前記判定信号が前記非ロック状態の場合に前記スイープ電圧データを出力する第２のスイッチ回路と、
前記第２のスイッチ回路の出力をアナログに変換したアナログ信号を出力するＤ／Ａ変換部と、
前記アナログ信号と前記位相変調信号とを位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器と、
前記周波数制御信号を積分処理して前記制御電圧を生成する積分回路と、
を含む、
ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビジウム原子発振器に関し、さらに詳しくは、非ロック状態が発生した際に、周波数の引き込みを行うためのスイープ電圧の生成を、デジタル的に行う回路技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信網や放送網等のデ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として、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。そのような要請を満たす発振器として、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。また、近年、原子発振器の小型化への要求が高まり、光マイクロ波ユニット（ＯＭＵ：Optical Microwave Unit）も含めて全体を小型化する必要性に迫られている。
【０００３】
ルビジウム原子発振器は、電源立ち上げ時に周波数の引き込みのためのスイープ回路が必要である。即ち、電圧制御水晶発振器の可変範囲に比べ、原子共鳴の光吸収特性が発生する周波数帯域は非常に狭いため（電圧制御水晶発振器の可変範囲は１×１０-5程度、原子共鳴の光吸収特性が発生する周波数帯域は１×１０-7程度）、従来、電圧制御水晶発振器の周波数を、原子共鳴の光吸収特性が発生する周波数に引き込むためにスイープ回路が使われてきた。また、電源を立ち上げてから周波数がロックするまでの時間（同期時間）を短縮することを目的として、様々な技術が用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、電圧制御水晶発振器の逓倍周波数が原子共鳴周波数から充分離れているときにスイープ回路の掃引速度を速くし、電圧制御水晶発振器の逓倍周波数が原子共鳴周波数近傍に達したときにスイープ回路の掃引速度を遅くする方法が記載されている。この技術によれば、電圧制御水晶発振器の逓倍周波数が原子共鳴周波数の近傍になったときにスイープ回路の掃引速度を遅くしているので、周波数同期状態を正確に、且つ迅速に検出することができ、周波数引き込みの動作を早めることができる。
【０００５】
また、特許文献２には、スイープ回路をデジタル化し、スイープ回路を小型化する技術が開示されている。従来のスイープ回路は、いずれも電圧制御水晶発振器の発振周波数の全範囲をカバーするように、広い周波数範囲をスイープしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１３１１２２号公報（図１）
【特許文献２】特開２００８−１３１１２３号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の方法では、スイープ回路の掃引速度を過度に速くすると、周波数同期状態の検出が不安定になるため、掃引速度を全体的に速くすることにも限界があり、従来のスイープ回路では少なくとも数分以上の掃引時間を必要とし、これ以上同期時間の短縮を図ることが困難であるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］
マイクロ波に基づき共鳴信号を発生する原子共鳴器と、前記原子共鳴器が発生する前記共鳴信号を増幅する増幅器と、位相変調信号を出力する低周波発振器と、前記共鳴信号と前記位相変調信号とに基づき制御電圧を出力する周波数制御部と、前記制御電圧に基づき発振信号の周波数が制御される電圧制御発振器と、前記発振信号を前記位相変調信号に基づき逓倍及び位相変調して前記マイクロ波を出力する逓倍位相変調部と、記憶部と、前記共鳴信号の周波数がロックされたロック状態の時に前記制御電圧を所定の時間間隔で前記記憶部に同期電圧として記憶させ、前記共鳴信号の周波数がロックされていない非ロック状態の時に前記制御電圧と前記同期電圧とに基づき前記周波数制御部に制御信号を出力する制御部と、を含み、前記周波数制御部は、前記非ロック状態の時に前記共鳴信号の周波数の引き込みを行うためのスイープ電圧データを前記制御信号に基づき生成するスイープ電圧データ生成部を含む、ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【００１０】
この構成によれば、電圧制御発振器の制御電圧のスイープ範囲を、同期電圧の近傍に限定するため、電源立ち上げ時においてスイープ時間を短縮することができ、電源立ち上げから同期するまでの時間を短縮することができる。
【００１１】
［適用例２］
上記に記載のルビジウム原子発振器において、前記スイープ電圧データ生成部は、前記制御電圧を上昇させるための前記位相変調信号に同期した正電圧データを生成する正電圧データ生成部と、前記制御電圧を下降させるための前記位相変調信号に反転同期した負電圧データを生成する負電圧データ生成部と、前記制御信号に基づき前記正電圧データまたは前記負電圧データを切り替えて前記スイープ電圧データとして出力する第１のスイッチ回路と、を含む、ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【００１２】
この構成によれば、電圧制御発振器の制御電圧のスイープ範囲を、同期電圧の近傍に限定するため、電源立ち上げ時においてスイープ時間を短縮することができ、電源立ち上げから同期するまでの時間を短縮することができる。
【００１３】
［適用例３］
上記に記載のルビジウム原子発振器において、前記制御部は、前記制御電圧の電圧値が前記同期電圧より低い第１の電圧から前記同期電圧よりも高い第２の電圧に上昇するまでの期間に前記正電圧データを選択する前記制御信号を出力し、前記制御電圧の電圧値が前記第２の電圧から前記第１の電圧に下降するまでの期間に前記負電圧データを選択する前記制御信号を出力する、ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【００１４】
この構成によれば、電圧制御発振器の制御電圧のスイープ範囲を、同期電圧の近傍に限定するため、電源立ち上げ時においてスイープ時間を短縮することができ、電源立ち上げから同期するまでの時間を短縮することができる。
【００１５】
［適用例４］
上記に記載のルビジウム原子発振器において、前記周波数制御部は、前記共鳴信号をデジタルに変換したデジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換部と、前記デジタル信号に基づいて前記ロック状態か前記非ロック状態かを判定した判定信号を出力する状態判定部と、前記デジタル信号に含まれる前記位相変調信号の周波数成分を濾過した濾過データを出力するバンドパスフィルターと、前記判定信号が前記ロック状態の場合に前記濾過データを出力し、前記判定信号が前記非ロック状態の場合に前記スイープ電圧データを出力する第２のスイッチ回路と、前記第２のスイッチ回路の出力をアナログに変換したアナログ信号を出力するＤ／Ａ変換部と、前記アナログ信号と前記位相変調信号とを位相検波して周波数制御信号を生成する位相検波器と、前記周波数制御信号を積分処理して前記制御電圧を生成する積分回路と、を含む、ことを特徴とするルビジウム原子発振器。
【００１６】
この構成によれば、電圧制御発振器の制御電圧のスイープ範囲を、同期電圧の近傍に限定するため、電源立ち上げ時においてスイープ時間を短縮することができ、電源立ち上げから同期するまでの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の構成を示すブロック図。
【図２】従来のルビジウム原子発振器の動作を示すタイミング図。
【図３】第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の動作を示すタイミング図。
【図４】変形例１に係るルビジウム原子発振器の制御部の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、ルビジウム原子発振器の実施形態について図面に従って説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
＜ルビジウム原子発振器の構成＞
先ず、第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１に示すように、ルビジウム原子発振器１００は、原子共鳴器（ＯＭＵ：Optical Microwave Unit）１と、増幅器（Ａｍｐ：Amplifier）２と、低周波発振器１０と、周波数制御部４と、電圧制御発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Xtal Oscillator）８と、逓倍位相変調部９と、記憶部であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）２７と、Ａ／Ｄ変換部（Analog Digital Converter）２５と、タイマー１５と、制御部２６と、から構成されている。
【００２１】
ＯＭＵ１は、一般にルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）ランプとＲｂガスセルと光検出器とから構成され、マイクロ波ＭＷで共鳴させたＲｂガスセルにＲｂランプの共鳴光を照射し、Ｒｂガスセルから出力される照射光を光検出器により検出し、共鳴信号ＲＳを出力する。Ａｍｐ２は、共鳴信号ＲＳを増幅し、増幅信号ＡＳを出力する。周波数制御部４は、増幅信号ＡＳと低周波発振器１０が出力する位相変調信号ＬＷとに基づき制御電圧ＶＣを出力する。ＶＣＸＯ８は、制御電圧ＶＣに基づき発振信号ＯＵＴの周波数が制御される。逓倍位相変調部９は、発振信号ＯＵＴを位相変調信号ＬＷに基づき逓倍及び位相変調してマイクロ波ＭＷを出力する。Ａ／Ｄ変換部２５は、制御電圧ＶＣをデジタル信号ＶＤに変換し制御部２６に出力する。
【００２２】
制御部２６は、共鳴信号ＲＳの周波数がロックされたロック状態の時に制御電圧ＶＣをデジタルに変換したデジタル信号ＶＤをタイマー１５が出力する所定の時間間隔である時間間隔ＴＳでＥＥＰＲＯＭ２７に同期電圧ＳＶとして記憶させ、共鳴信号ＲＳの周波数がロックされていない非ロック状態の時にデジタル信号ＶＤと同期電圧ＳＶとに基づき周波数制御部４に制御信号Ｓ２を出力する。
【００２３】
周波数制御部４は、スイープ電圧データ生成部１２と、Ａ／Ｄ変換部３と、状態判定部１１と、バンドパスフィルター１３と、第２のスイッチ回路であるスイッチ回路１４と、Ｄ／Ａ変換部５と、位相検波器６と、積分回路７と、から構成されている。
【００２４】
スイープ電圧データ生成部１２は、非ロック状態の時に共鳴信号ＲＳの周波数の引き込みを行うためのスイープ電圧データＳＤを制御信号Ｓ２に基づき生成する。Ａ／Ｄ変換部３は、増幅信号ＡＳをデジタル信号ＤＳに変換する。状態判定部１１は、デジタル信号ＤＳに基づいてロック状態か非ロック状態かを判定した判定信号Ｓ１を出力する。判定信号Ｓ１は、例えば、ロック状態の場合にＨレベル、非ロック状態の場合にＬレベルに設定される。バンドパスフィルター１３は、デジタル信号ＤＳに含まれる位相変調信号ＬＷの周波数成分を濾過した濾過データＢＤを出力する。
【００２５】
スイッチ回路１４は、判定信号Ｓ１がロック状態（Ｈレベル）の場合に濾過データＢＤを出力（ａ端子とｃ端子が接続）し、判定信号Ｓ１が非ロック状態（Ｌレベル）の場合にスイープ電圧データＳＤを出力（ｂ端子とｃ端子が接続）する。Ｄ／Ａ変換部５は、スイッチ回路１４の出力をアナログに変換したアナログ信号ＡＤを出力する。位相検波器６は、アナログ信号ＡＤと位相変調信号ＬＷとを位相検波して周波数制御信号ＦＳを生成する。積分回路７は、周波数制御信号ＦＳを積分処理して制御電圧ＶＣを生成する。
【００２６】
スイープ電圧データ生成部１２は、正電圧データ生成部１９と、負電圧データ生成部２０と、第１のスイッチ回路であるスイッチ回路２１と、から構成されている。
【００２７】
正電圧データ生成部１９は、制御電圧ＶＣを上昇させるための位相変調信号ＬＷに同期した正電圧データＰＤを生成する。負電圧データ生成部２０は、制御電圧ＶＣを下降させるための位相変調信号ＬＷに反転同期した負電圧データＭＤを生成する。スイッチ回路２１は、制御信号Ｓ２に基づき正電圧データＰＤ（ａ端子）または負電圧データＭＤ（ｂ端子）を切り替えてスイープ電圧データＳＤとして（ｃ端子から）出力する。例えば、制御信号Ｓ２がＨレベルの場合に正電圧データＰＤをスイープ電圧データＳＤとして出力するならば、スイッチ回路２１のａ端子とｃ端子が接続状態となり、制御信号Ｓ２がＬレベルの場合に負電圧データＭＤをスイープ電圧データＳＤとして出力するならば、スイッチ回路２１のｂ端子とｃ端子が接続状態となる。
【００２８】
状態判定部１１は、バンドパスフィルター１６と、レベル検出部１７と、判定部１８と、から構成されている。バンドパスフィルター１６は、デジタル信号ＤＳに含まれる位相変調信号ＬＷの周波数成分を濾過した濾過データＢ２を出力する。レベル検出部１７は、濾過データＢ２からレベル検出信号ＬＶを出力する。判定部１８は、レベル検出信号ＬＶが所定値を超えているか否か（共鳴信号ＲＳがロック状態か否か）を判定し、判定信号Ｓ１を出力する。
【００２９】
＜ルビジウム原子発振器の動作＞
次に、第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の動作について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、従来のルビジウム原子発振器の動作を示すタイミング図である。図３は、第１実施形態に係るルビジウム原子発振器の動作を示すタイミング図である。
【００３０】
図２に示すように、従来（特許文献２）のルビジウム原子発振器では、タイマー１５が出力する時間間隔ＴＳに基づき制御信号Ｓ２を切り替えている。つまり、時点ｔ０から時間間隔ＴＳ後の時点ｔ１までの期間は制御信号Ｓ２をＨレベル、時点ｔ１から時間間隔ＴＳ後の時点ｔ２までの期間は制御信号Ｓ２をＬレベル、のように切り替えている。正電圧データ生成部１９が正電圧データＰＤを電圧Ｖ２〜Ｖ１の間で位相変調信号ＬＷに同期させ出力し、負電圧データ生成部２０が負電圧データＭＤを電圧Ｖ２〜Ｖ３の間で位相変調信号ＬＷに反転同期させ出力している場合、スイープ電圧データＳＤは、時点ｔ０〜ｔ１の期間は正電圧データＰＤとなり、時点ｔ１〜ｔ２の期間は負電圧データＭＤとなる。スイープ電圧データＳＤに伴い、制御電圧ＶＣは電圧Ｖｂ〜Ｖａの間で上昇、下降する。
ここで、スイープ電圧データＳＤはデジタルデータであるが、図２には説明の便宜上アナログ電圧として表示している。
【００３１】
第１実施形態に係るルビジウム原子発振器１００では、制御部２６は、制御電圧ＶＣをデジタルに変換したデジタル信号ＶＤとＥＥＰＲＯＭ２７に記憶された同期電圧ＳＶとに基づき制御信号Ｓ２を切り替えている。同期電圧ＳＶより低い第１の電圧である下限電圧をＳＶ−ΔＶ、同期電圧ＳＶより高い第２の電圧である上限電圧をＳＶ＋ΔＶ、とした場合、制御部２６は、デジタル信号ＶＤが下限電圧ＳＶ−ΔＶから上限電圧ＳＶ＋ΔＶに上昇する期間に制御信号Ｓ２をＨレベルに設定し、デジタル信号ＶＤが上限電圧ＳＶ＋ΔＶから下限電圧ＳＶ−ΔＶに下降する期間に制御信号Ｓ２をＬレベルに設定する。
【００３２】
図３に示すように、時点ｔ０からデジタル信号ＶＤが上限電圧ＳＶ＋ΔＶに達する時点ｔ１までの期間は制御信号Ｓ２をＨレベル、時点ｔ１からデジタル信号ＶＤが下限電圧ＳＶ−ΔＶに達する時点ｔ２までの期間は制御信号Ｓ２をＬレベル、のように切り替えている。図３における時点ｔ０〜ｔ１，ｔ１〜ｔ２の時間間隔は、タイマー１５が出力する時間間隔ＴＳよりも短い時間間隔となる。
【００３３】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３４】
本実施形態では、ＶＣＸＯ８の制御電圧ＶＣのスイープ範囲を、同期電圧ＳＶの近傍に限定するため、電源立ち上げ時においてスイープ時間を短縮することができ、電源立ち上げから同期するまでの時間を短縮することができる。
【００３５】
以上、ルビジウム原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００３６】
（変形例１）ルビジウム原子発振器の変形例１について説明する。図４は、変形例１に係るルビジウム原子発振器の制御部の構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御部２６は、電源電圧ＶＤＤの変動を監視する電源監視回路５０からのアラーム信号ＶＸに基づきロック状態か非ロック状態かを判断するようにしてもよい。電源電圧ＶＤＤがＯＮ状態からＯＦＦ状態（０Ｖ）に低下し始めた時、電源監視回路５０はアラーム信号ＶＸを制御部２６に出力する。この時点から制御部２６は、ＥＥＰＲＯＭ２７にデジタル信号ＶＤを同期電圧ＳＶとして書き込む。次に、電源電圧ＶＤＤがＯＦＦ状態からＯＮ状態に立ち上がる時は、制御部２６は、ＥＥＰＲＯＭ２７に記憶した同期電圧ＳＶに基づき制御信号Ｓ２を出力できるので、スイープ時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…ＯＭＵ、２…Ａｍｐ、３…Ａ／Ｄ変換部、４…周波数制御部、５…Ｄ／Ａ変換部、６…位相検波器、７…積分回路、８…ＶＣＸＯ、９…逓倍位相変調部、１０…低周波発振器、１１…状態判定部、１２…スイープ電圧データ生成部、１３…バンドパスフィルター、１４…スイッチ回路、１５…タイマー、１６…バンドパスフィルター、１７…レベル検出部、１８…判定部、１９…正電圧データ生成部、２０…負電圧データ生成部、２１…スイッチ回路、２５…Ａ／Ｄ変換部、２６…制御部、２７…記憶部、５０…電源監視回路、１００…ルビジウム原子発振器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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