(57)【要約】【課題】消費電力を減少させた原子発振器を提供すること。【解決手段】原子発振器３は、金属原子と、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、前記光源に入力する高周波電力を増幅する増幅器と、前記増幅器と前記光源との間に接続されているアイソレーターとを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子と、
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、
前記光源に入力する高周波電力を増幅する増幅器と、
前記増幅器と前記光源との間に接続されているアイソレーターとを備えていることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
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１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記光源は垂直共振器面発光レーザーであることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記光源と前記アイソレーターとの間にバイアス回路が接続され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。
【請求項５】
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１から４のいずれか一項に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記アイソレーターはサーキュレーターと終端抵抗とを有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の原子発振器。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路でマイクロ波を生成し、原子共鳴器（光源）へ入力させる原子発振器が知られていた。通常、ＰＬＬ回路で生成されたマイクロ波は、増幅器で増幅され、光源へ入力される。この増幅器を保護する目的で、特許文献２に記載されているような減衰器が、増幅器と光源の間に接続されている。
【０００４】
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、さらなる低消費電力化が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４４１２０号公報
【特許文献２】特開平１１−１７７３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の減衰器を備えた特許文献１に記載の原子発振器は、減衰器で減衰される高周波電力を、前段に接続されている増幅器で補う必要があり、低消費電力化を図るのが困難であるという課題があった。詳しくは、従来、光源の入力インピーダンスの不整合により生じる反射波が増幅器へ流入し、増幅器の増幅効率を低下させたり、増幅器を損傷させたりすることを防止するために、増幅器と光源との間に減衰器が接続されていた。この減衰器は、増幅器の出力端子から光源の入力端子へ送信された送信波が光源の入力端で反射され、増幅器の出力端子に流入する反射波の高周波電力を減衰させることで、増幅器を保護する機能を有している。しかし、この減衰器は、増幅器から光源へ出力されたマイクロ波（送信波）の高周波電力も減衰させてしまうため、減衰器で減衰される高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要があり、これが原子発振器の消費電力を増加させる一因であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］本適用例に係る原子発振器は、金属原子と、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、前記光源に入力する高周波電力を増幅する増幅器と、前記増幅器と前記光源との間に接続されているアイソレーターとを備えていることを特徴とする。
【０００９】
本適用例によれば、原子発振器は、高周波電力を入力端子（増幅器）から出力端子（光源）へ一方向にのみ伝送し、逆方向には伝送しないアイソレーターが増幅器と光源との間に接続されている。これにより、光源の入力端で生じた反射波が、増幅器に流入することを防止できるため、減衰器が不要となる。したがって、減衰器で減衰されていた送信波の高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要がなくなることにより、消費電力を減少させた原子発振器を提供することができる。
【００１０】
［適用例２］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。
【００１１】
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、増幅器と光源との間にアイソレーターが接続されている。半導体レーザーは、波長と位相との揃ったコヒーレントな光を出射させることができるため、原子発振器の周波数安定度を向上させる効果が得られる。アイソレーターは、光源の入力端で生じた反射波が、増幅器に流入することを防止できるため、増幅器を保護するための減衰器が不要となり、減衰器で減衰されていた送信波の高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要がなくなる。したがって、消費電力を減少させ、周波数安定度を向上させた原子発振器を提供することができる。
【００１２】
［適用例３］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ることが好ましい。
【００１３】
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）の光源を有し、増幅器と光源との間にアイソレーターが接続されている。ＶＣＳＥＬは、端面発光型レーザーと比べて、低い消費電流で高い光出力を得られ、低コストであるため、原子発振器の消費電力、およびコストを低下させる効果が得られる。アイソレーターは、光源の入力端で生じた反射波が、増幅器に流入することを防止できるため、増幅器を保護するための減衰器が不要となり、減衰器で減衰されていた送信波の高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要がなくなる。したがって、消費電力を減少させ、コストを低下させた原子発振器を提供することができる。
【００１４】
［適用例４］上記適用例に記載の原子発振器は、前記光源と前記アイソレーターとの間にバイアス回路が接続されていることが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、原子発振器には、増幅器と光源との間にアイソレーターが接続され、光源とアイソレーターとの間に、光源に加える直流バイアス電流を設定するバイアス回路が接続されている。バイアス回路は、直流バイアス電流を調整し、光源から出射されるレーザー光の中心波長を制御することで、金属原子を安定的に原子共鳴させることができるため、原子発振器の周波数安定度を向上させる効果が得られる。アイソレーターは、光源の入力端で生じた反射波が、増幅器に流入することを防止できるため、増幅器を保護するための減衰器が不要となり、減衰器で減衰されていた送信波の高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要がなくなる。したがって、消費電力を減少させ、周波数安定度を向上させた原子発振器を提供することができる。
【００１６】
［適用例５］上記適用例に記載の原子発振器は、前記金属原子はセシウムであることが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、原子発振器は、セシウムの金属原子を有し、アイソレーターが増幅器と光源との間に接続されている。金属原子にセシウムを用いることで周波数精度の高い原子発振器を構成することができる。アイソレーターは、光源の入力端で生じた反射波が、増幅器に流入することを防止できるため、増幅器を保護するための減衰器が不要となり、減衰器で減衰されていた送信波の高周波電力を、予め前段の増幅器で増幅する必要がなくなる。したがって、消費電力を減少させ、周波数精度を向上させた原子発振器を提供することができる。
【００１８】
［適用例６］上記適用例に記載の原子発振器は、前記アイソレーターはサーキュレーターと終端抵抗とを有していることが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、原子発振器に備えられているアイソレーターは、サーキュレーターと終端抵抗とを有している。サーキュレーターは、３つの端子を備え、第１端子から入力された高周波電力を第２端子のみに伝送し、第２端子から入力された高周波電力を第３端子のみに伝送し、第３端子から入力された高周波電力を第１端子のみに伝送する機能を有している。例えば、第１端子を入力端子とし、第２端子を出力端子として、第３端子に終端抵抗を接続すると、入力端子から入力された高周波電力は出力端子のみに伝送され、出力端子から入力された高周波電力は終端抵抗で熱に変換されて大気中に放熱される。そして、終端抵抗の入力端では高周波電力は反射されないため、出力端子から入力された高周波電力は入力端子へ伝送されない。したがって、適用例１と同じ効果が得られるため、消費電力を減少させた原子発振器を提供することができる。
【００２０】
［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。
【００２１】
本適用例によれば、消費電力を減少させた原子発振器を備えているので、低消費電力の電子機器を提供することができる。
【００２２】
［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。
【００２３】
本適用例によれば、消費電力を減少させた原子発振器を備えているので、低消費電力の移動体を提供することができる。
【００２４】
［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。
【００２５】
本適用例によれば、消費電力を減少させた原子発振器を備えているので、低消費電力のＧＰＳモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図２】量子干渉装置の構成を示す概略図。
【図３】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。
【図４】光源および光検出部における、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。
【図５】変形例に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】従来技術による原子発振器の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
＜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から出力される高周波電力を増幅させる増幅器６と、増幅器６からの出力を一方向へ伝送させるアイソレーター３０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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、または電磁誘起透過現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
［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ら励起状態に励起し得るものである。
【００３８】
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（以下、ＶＣＳＥＬと記す）が用いられている。
半導体レーザーは、波長と位相との揃ったコヒーレントな光を発光させることができるため、原子発振器３の周波数安定度を向上させる効果が得られる。
ＶＣＳＥＬは、半導体ウエハー面に平行な方向のへき開面からレーザー光を出射させる端面発光型レーザーと異なり、半導体ウエハー面に垂直な方向にレーザー光を出射させる。ＶＣＳＥＬはへき開面に発光面を有さないため、チップの歩留りを大幅に向上させられ、ウエハーの表面からレーザー光を出射するため、製造から検査までウエハーレベルで行える。このため、ＶＣＳＥＬは低コストであり、原子発振器のコストを低下させることができる。また、ＶＣＳＥＬは、端面発光型レーザーと比較し、発光層の体積が非常に小さく、半導体レーザーを発振させるための電流値が低いため、低消費電力で高い光出力を得ることができる。このため、ＶＣＳＥＬは光源１３の小型化と、原子発振器３のコスト、および消費電力を低下させることができる。
【００３９】
［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の光路上ａ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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
［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。
【００４４】
次に、図１に戻り、原子発振器３についての説明を続ける。
ＰＬＬ回路２０からは、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ＶＣＳＥＬに変調を与えるマイクロ波が生成される。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がＰＬＬ回路２０で生成される。ＰＬＬ回路２０から出力されたマイクロ波は、ＶＣＳＥＬに入力される高周波電力が０ｄＢｍとなるように、増幅器６で増幅度の出力調整がなされる。ＶＣＳＥＬは、１００〜１５０Ω程度の入力インピーダンスを有している。一方、図示しない原子発振器の伝送線路はインピーダンス５０Ωで設計されているため、ＶＣＳＥＬはインピーダンスの不整合な状態で伝送線路に接続されている。このため、増幅器６の出力端子から出力されたマイクロ波の高周波電力がＶＣＳＥＬの入力端子で反射され、反射波となって増幅器６の出力端子へ到達すると、増幅器の増幅効率を低下させたり、増幅器を損傷させたりする。
【００４５】
一般的に、高周波電力の反射を防ぐ手法として、不整合な電子部品に整合回路を設けてインピーダンス整合を図る方法がある。しかし、原子発振器３の伝送周波数が４ＧＨｚ帯のマイクロ波であり、インピーダンス整合回路を設けることは現実的でなかった。詳しくは、４ＧＨｚ帯のマイクロ波は回路基板上での波長が数ｃｍ程度と短くなることにより、インピーダンス変換素子の僅かな実装位置ずれによる回路基板上のパターン長の変化やインピーダンス変換素子の個体差が無視できなくなる。インピーダンス変換素子や回路基板内に生じるストレー・キャパシタンス、リーケージ・インダクタンスがインピーダンス変換に大きく影響したり、回路基板内で結合して異常発振を生じさせたりする。これらの理由により、マイクロ波帯で動作させる電子部品にインピーダンス整合回路を設けることは困難であった。
【００４６】
図９に、従来技術による原子発振器のブロック図を示す。
上述したように、ＶＣＳＥＬにインピーダンス変換回路を設けることが困難なため、従来技術では、原子発振器７０は減衰器６０を通過するマイクロ波の高周波電力を略−１０ｄＢに減衰させる減衰器６０を備えていた。減衰器６０は直列抵抗Ｒｓ１と並列抵抗Ｒｐ１，Ｒｐ２を、所謂π型に接続することで容易に構成できる。減衰器６０は、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ＶＣＳＥＬで反射された反射波の高周波電力を減衰させることで、増幅器６を保護する機能を有している。しかし、この減衰器６０は、増幅器６からＶＣＳＥＬへ送信されたマイクロ波（送信波）の高周波電力も減衰させてしまうため、減衰器６０で減衰される送信波の高周波電力を、予め増幅器６で増幅する必要があり、原子発振器７０の消費電力を増加させていた。逆に、原子発振器７０の消費電力を抑えるために、減衰器６０の減衰量を低下させると、反射波の高周波電力が減衰器６０で十分に減衰されずに増幅器６に流入する。これにより、増幅器６から出力されるマイクロ波（送信波）のノイズレベルを増大させ、ＣＮ（Carrier Noise）比を劣化させることより、原子発振器７０の短期安定度が悪くなるため、原子発振器７０の低消費電力化が困難であった。
【００４７】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、原子発振器３は、光源１３（図２参照）としてのＶＣＳＥＬを有する量子干渉装置１０と増幅器６との間に、アイソレーター３０を備え、光源１３（図２参照）とアイソレーター３０との間にバイアス回路８を備えている。アイソレーター３０は、２端子の電子部品であり、入力端子３２に増幅器６が接続され、出力端子３３にバイアス回路８が接続されている。アイソレーター３０は、入力端子３２から入力された信号は出力端子３３へ伝送し、逆方向の信号は伝送しない機能を有している。これにより、増幅器６から出力されアイソレーター３０の入力端子３２に入力されたマイクロ波（送信波）の高周波電力は、−０．５ｄＢの僅かな損失で出力端子３３からバイアス回路８へ伝送され、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ＶＣＳＥＬに入力される。この時、ＶＣＳＥＬの入力端で反射され、バイアス回路８を通ってアイソレーター３０の出力端子３３から流入した反射波の高周波電力は、アイソレーター３０内で殆ど消費され、入力端子３２から流出される高周波電力は２０ｄＢ以下に減衰されている。
【００４８】
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、高周波電力を増幅器６からバイアス回路８へ一方向にのみ伝送し、逆方向には伝送しないアイソレーター３０を、光源１３（図２参照）としてのＶＣＳＥＬを有する量子干渉装置１０と増幅器６との間に備えている。原子発振器３は、アイソレーター３０を備えることで、増幅器６から出力されたマイクロ波（送信波）の高周波電力を、殆ど損失させることなくＶＣＳＥＬ（光源１３）へ伝送させることができる。したがって、従来技術の減衰器６０（図９参照）を用いた原子発振器７０（図９参照）に比べ、増幅器６での増幅度を低く設定できるため、消費電力を減少させた原子発振器３を提供することができる。また、原子発振器３は、ＶＣＳＥＬの入力端で生じ、増幅器６へ流入する反射波の高周波電力を従来技術に比べ大幅に減衰させることができるため、増幅器６の動作が安定し、原子発振器３の短期安定度を向上させることができるという効果も得ることができる。
【００４９】
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。
【００５０】
（変形例）
図５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、バイアス回路８と増幅器６との間にアイソレーター３０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、サーキュレーター４２と終端抵抗Ｒ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。
【００５１】
原子発振器５０は、サーキュレーター４２と終端抵抗Ｒとを有したアイソレーター４０を備えている。サーキュレーター４２は、３端子の電子部品であり、第１端子４５に増幅器６が接続され、第２端子４６にバイアス回路８が接続され、第３端子４７に終端抵抗Ｒが接続されている。サーキュレーター４２は、第１端子４５から入力された高周波電力を第２端子４６のみに伝送し、第２端子４６から入力された高周波電力を第３端子４７のみに伝送し、第３端子４７から入力された高周波電力を第１端子４５のみに伝送する機能を有している。これにより、増幅器６から出力され、サーキュレーター４２の第１端子４５に入力されたマイクロ波（送信波）の高周波電力は、僅かな損失で第２端子４６からバイアス回路８へ伝送され、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ＶＣＳＥＬに入力される。この時、ＶＣＳＥＬの入力端で反射され、バイアス回路８を通ってサーキュレーター４２の第２端子４６から流入した反射波の高周波電力は、第３端子４７に伝送される。第３端子４７に接続されている終端抵抗器Ｒは、図示しない原子発振器の伝送線路と同じインピーダンス５０Ωで終端されているため、高周波電力は終端抵抗Ｒの入力端での反射を生じることなく、終端抵抗Ｒに吸収されてしまうので、第１端子４５には伝送されない。終端抵抗Ｒに吸収された高周波電力は熱に変換され、最終的には大気中に放熱される。
【００５２】
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、サーキュレーター４２と終端抵抗Ｒとを有したアイソレーター４０を光源１３としてのＶＣＳＥＬを有する量子干渉装置１０と増幅器６との間に備えている。原子発振器５０は、アイソレーター４０を備えることにより、増幅器６から出力されたマイクロ波の高周波電力を、殆ど損失させることなくＶＣＳＥＬ（光源）へ伝送させることができる。したがって、従来技術の減衰器６０（図９参照）を用いた原子発振器７０（図９参照）に比べ、増幅器６での増幅度を低く設定できるため、消費電力を減少させた原子発振器３を提供することができる。また、原子発振器５０は、ＶＣＳＥＬの入力端で生じ、増幅器６へ流入する反射波の高周波電力を従来技術に比べ大幅に減衰させることができるため、増幅器６の動作が安定し、原子発振器５０の短期安定度を向上させることができるという効果も得ることができる。
【００５３】
＜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。
【００５４】
まず、図６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６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。
【００５５】
図６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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、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。
【００５８】
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、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。
【００５９】
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。
【００６０】
＜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。
【００６１】
以下、本発明に係る移動体の一例について、図７を用いて説明する。図７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。
【００６２】
図７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。
【００６３】
＜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。
【００６４】
図８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８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。
【００６５】
図８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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
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）、３０，４０…アイソレーター、４２…サーキュレーター、５０…原子発振器、６０…減衰器、７０…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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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