(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源部と、
前記原子セルを通過した光の強度に応じた信号を出力する光検出部と、
電圧信号に応じた周波数の信号を出力する電圧制御型発振器と、
発振器と、
前記電圧制御型発振器からの信号を、前記アルカリ金属原子の基底準位間の遷移周波数に応じた周波数に周波数逓倍するとともに、前記発振器からの信号に基づいてデジタル処理を用いて位相変調して、段階的に変化する周波数成分を有するマイクロ波信号を生成する逓倍合成部と、
前記マイクロ波信号を用いて前記光源部を制御する駆動回路と、
デジタル処理を用いて、前記光検出部からの信号の、前記位相変調の周波数に応じた周波数成分を周波数が高くなる側に周波数変換した信号を出力する周波数変換部と、
前記周波数変換部からの信号を前記発振器からの信号を用いて検波し、検波結果に応じた前記電圧信号を出力する検波部と、を備える、量子干渉装置。
【請求項２】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源部と、
前記原子セルを通過した光の強度に応じた信号を出力する光検出部と、
電圧信号に応じた周波数の信号を出力する電圧制御型発振器と、
発振器と、
前記発振器からの信号を周波数分周する分周器と、
前記電圧制御型発振器からの信号を、前記アルカリ金属原子の基底準位間の遷移周波数に応じた周波数に周波数逓倍するとともに、前記分周器からの信号を用いて位相変調して、マイクロ波信号を生成する逓倍合成部と、
前記マイクロ波信号を用いて前記光源部を制御する駆動回路と、
デジタル処理を用いて、前記光検出部からの信号の、前記位相変調の周波数に応じた周波数成分を周波数が高くなる側に周波数変換した信号を出力する周波数変換部と、
前記周波数変換部からの信号を前記発振器からの信号を用いて検波する検波部と、を備える、量子干渉装置。
【請求項３】
前記周波数変換部は、フーリエ変換回路を有する請求項１または２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記周波数変換部は、前記検波部での検波対象となる信号の周波数を１ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数に変換する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備える、原子発振器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備える、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、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（例えば、特
許文献１参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のルビジウム原子発振器は、ルビジウム原子の共振周波数に
より励振する光マイクロ波ユニットと、光マイクロ波ユニットを透過した光の強度を検出
する光検出部と、光検出部の出力を増幅するアンプと、アンプに現れる周波数誤差信号の
位相を検波する位相検波器と、位相検波器の出力信号を積分するループフィルターと、ル
ープフィルターの電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御型水晶発振器と、マイ
クロ波の位相を変調するための低周波信号を与える発振回路と、電圧制御型水晶発振器の
発振信号を位相変調すると共にマイクロ波に逓倍する位相変調逓倍部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５８８６２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のルビジウム原子発振器において、位相変調逓倍部における位相変調
の周波数は、光に対するルビジウム原子の応答速度に基づく制約があるため、１００Ｈｚ
オーダーと低くなっている。それに伴って、従来、位相検波器やループフィルターは、１
００〜３００Ｈｚの低周波帯域の同調回路、バンドパスフィルタ、バンドリジェクト回路
等のアナログ部品を用いて構成されている。一般に、低周波帯域のアナログ部品は、高周
波帯域のアナログ部品に比べて大きくなる。そのため、従来の原子発振器では、小型化が
難しいという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、周波数特性を優れたものとしつつ、小型化を図ることができる量子干
渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源部と、
前記原子セルを通過した前記光の強度に応じた信号を出力する光検出部と、
デジタル処理を用いて前記光検出部からの信号を周波数が高くなる側に周波数変換した
信号を出力する周波数変換部と、
前記周波数変換部からの信号を検波する検波部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような量子干渉装置によれば、周波数変換部が光検出部からの信号を周波数が高く
なる側に周波数変換するため、検波部を構成するアナログ部品の周波数帯域を高くするこ
とができ、その結果、量子干渉装置の小型化を図ることができる。また、周波数変換部の
周波数変換にデジタル処理を用いるため、周波数変換部においてアナログ部品の数を減ら
すことができ、この点でも、量子干渉装置の小型化を図ることができる。また、周波数変
換部での周波数変換により、検波部での検波対象となる周波数成分と他の周波数成分との
周波数差を大きくすることができる。そのため、検波部の構成を簡単化しつつ、検波部で
の検波を高精度に行うことができる。このようなことから、周波数特性を優れたものとし
つつ、小型化を図ることができる量子干渉装置を提供することができる。
【０００９】
本発明の量子干渉装置では、電圧信号に応じた周波数の信号を出力する電圧制御型水晶
発振器と、
前記電圧制御型水晶発振器からの信号を前記アルカリ金属原子の基底準位間の遷移周波
数に応じた周波数に周波数逓倍するとともに位相変調してマイクロ波信号を生成する逓倍
合成部と、を備え、
前記周波数変換部は、前記位相変調の周波数に応じた周波数成分を周波数変換すること
が好ましい。
これにより、逓倍合成部の位相変調の周波数よりも高い周波数で検波部での検波を行う
ことができる。
【００１０】
本発明の量子干渉装置では、発振器を備え、
前記逓倍合成部は、前記発振器からの信号に基づいてデジタル処理を用いて位相変調し
て、段階的に変化する周波数成分を有する前記マイクロ波信号を生成し、
前記検波部は、前記発振器からの信号を用いて前記検波を行うことが好ましい。
これにより、電圧制御型水晶発振器からの信号の位相変調にデジタル処理を用いるため
、低周波帯域のアナログ部品の数を減らすことができ、その結果、量子干渉装置の小型化
を図ることができる。また、マイクロ波信号が段階的に変化する周波数成分を有するため
、周波数を二値的に変化させる場合に比べて優れたＳ／Ｎ比で検波部での検波を行うこと
ができ、その結果、優れた短期周波数安定度を実現することができる。
【００１１】
本発明の量子干渉装置では、発振器と、
前記発振器からの信号を周波数分周する分周器と、を備え、
前記逓倍合成部は、前記分周器からの信号を用いて前記位相変調を行い、
前記検波部は、前記発振器からの信号を用いて前記検波を行うことが好ましい。
これにより、逓倍合成部の構成を簡単化しつつ、検波部で同期検波を行うことができる
。
【００１２】
本発明の量子干渉装置では、前記周波数変換部は、フーリエ変換回路を有することが好
ましい。
これにより、周波数変換部での周波数変換を高精度に行うことができる。
【００１３】
本発明の量子干渉装置では、前記周波数変換部は、前記検波部での検波対象となる信号
の周波数を１ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数に変換することが好ましい。
これにより、検波部を構成するアナログ部品の周波数帯域を必要十分に高くすることが
でき、その結果、量子干渉装置の小型化を効果的に図ることができる。
【００１４】
本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような原子発振器によれば、周波数特性を優れたものとしつつ、小型化を図ること
ができる。
【００１５】
本発明の原子発振器は、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源部と、
前記原子セルを通過した前記光の強度に応じた信号を出力する光検出部と、
デジタル処理を用いて前記光検出部からの信号を周波数が高くなる側に周波数変換した
信号を出力する周波数変換部と、
前記周波数変換部からの信号を検波する検波部と、を備えることを特徴とする。
このような原子発振器によれば、周波数特性を優れたものとしつつ、小型化を図ること
ができる。
【００１６】
本発明の原子発振器では、前記光源部が出射する前記光は、前記アルカリ金属原子に電
磁誘起透過現象を生じさせる共鳴光対を含むことが好ましい。
これにより、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器に比べて、
大幅に小型化を図ることができる。
【００１７】
本発明の電子機器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような電子機器によれば、量子干渉装置の周波数特性を優れたものとしつつ小型化
を図ることができる。
【００１８】
本発明の移動体は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような移動体によれば、量子干渉装置の周波数特性を優れたものとしつつ小型化を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【図２】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３】光源部から出射される第１光および第２光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器が備える逓倍合成部の出力信号の周波数を説明するグラフである。
【図５】逓倍合成部の出力信号とＥＩＴ信号との関係を説明するグラフである。
【図６】図５中のＡで示す範囲に逓倍合成部の出力信号の周波数帯域があるときの光検出部の出力信号を説明するグラフである。
【図７】図５中のＢで示す範囲に逓倍合成部の出力信号の周波数帯域があるときの光検出部の出力信号を説明するグラフである。
【図８】図５中のＣで示す範囲に逓倍合成部の出力信号の周波数帯域があるときの光検出部の出力信号を説明するグラフである。
【図９】図１に示す原子発振器が備える周波数変換部における周波数変換を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
【図１２】本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す好
適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明
する。なお、以下では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明の量子干渉装置およ
び原子発振器を適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、原子発振器の他、例
えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能であり、また、本発明の原子発振器は
、例えば、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能である。
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模
式図である。図２は、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３は
、光源部から出射される第１光および第２光の周波数差と、光検出部で検出される光の強
度との関係を示すグラフである。
【００２３】
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果の一つであるＣＰＴ（Coherent Population 
Trapping）を利用した発振器であり、周波数精度の高いクロック信号を出力することがで
きる。
【００２４】
図１に示すように、原子発振器１は、量子干渉ユニット２と、量子干渉ユニット２に電
気的に接続されている回路部１０とを有する。量子干渉ユニット２は、光を出射する光源
２２（光源部）と、例えばルビジウム原子やセシウム原子等のアルカリ金属原子が封入さ
れた原子セル２１（ガスセル）と、光検出器２３（光検出部）と、を有する。回路部１０
は、増幅器３１、検波回路３２と、変調回路３３と、低周波発振器３４と、駆動回路３５
と、周波数変換部５と、検波回路４１と、電圧制御型水晶発振器４２（ＶＣＸＯ：Voltag
e Controlled Crystal Oscillators）と、逓倍合成部４３と、発振器４４と、を有する。
【００２５】
この原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して波長の異なる２つの共鳴光を同時に照
射すると、２つの共鳴光がアルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透過（ＥＩＴ：
Electromagnetically Induced Transparency）現象を利用している。かかる原子発振器１
は、このＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を用いて、電圧制御型
水晶発振器４２（ＶＣＸＯ）の出力信号を所定の周波数で安定させる。そして、原子発振
器１は、電圧制御型水晶発振器４２（ＶＣＸＯ）の出力信号を所望の周波数のクロック信
号として出力する。
【００２６】
以下、原子発振器１の各部を順次説明する。
〈量子干渉ユニット〉
図１に示す量子干渉ユニット２は、前述したように、光源２２（光源部）と、原子セ
ル２１（ガスセル）と、光検出器２３（光検出部）とを有する。
【００２７】
（光源部）
光源２２は、原子セル２１内のアルカリ金属原子を励起させる第１共鳴光および第２共
鳴光を含む光を出射する機能を有する。光源２２から出射した光は原子セル２１に入射す
る。
【００２８】
光源２２としては、前述した光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例え
ば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser
）等の半導体レーザー等を用いることができる。
【００２９】
（原子セル）
原子セル２１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属（
アルカリ金属原子）が封入されている。また、原子セル２１内には、必要に応じて、アル
ゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてガス状のアルカリ金属と
ともに封入されていてもよい。
【００３０】
図２に示すように、アルカリ金属原子は、異なる２つの基底準位（第１基底準位および
第２基底準位）と、励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。第１基底準
位は、第２基底準位よりも低いエネルギー準位である。
【００３１】
ここで、第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数ω１を有する共鳴
光（第１共鳴光）、および、第２の基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する周波
数ω１を有する共鳴光（第１共鳴光）を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると
光吸収が起きる。これに対し、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）を同時に照射す
ると、第１共鳴光および第２共鳴光の双方がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する電
磁誘起透過（ＥＩＴ）現象が生じる。すなわち、このＥＩＴ現象は、第１共鳴光および第
２共鳴光をアルカリ金属原子に同時に照射し、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周
波数ω２との周波数差（ω１−ω２）が、第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差
ΔＥに相当する周波数ω０に一致したときに起きる。したがって、図３に示すように、周
波数差（ω１−ω２）に応じて第１共鳴光および第２共鳴光のアルカリ金属原子における
光吸収率（光透過率）は変化し、周波数差（ω１−ω２）が周波数ω０に一致したときに
ＥＩＴ現象が起き、アルカリ金属原子を透過した第１共鳴光および第２共鳴光の強度が急
峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。このＥＩＴ信号は、アルカリ
金属原子の種類によって決まった固有値をもっている。それゆえ、このようなＥＩＴ信号
を基準として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。
【００３２】
例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合、エネルギー差ΔＥに相当する周
波数ω０は９．１９２６ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差（ω１−ω２）が
９．１９２６ＧＨｚである２種類の光を同時に照射すると、ＥＩＴ信号が検出される。
【００３３】
原子セル２１は、原子セル２１の温度を検出する温度センサー（図示せず）の検出結果
に基づいて駆動されるヒーター（図示せず）により加熱されている。これにより、原子セ
ル２１中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。また、原子セル
２１の近傍には、例えば、通電によりアルカリ金属に磁場を印加するコイル等を有する磁
場発生部（図示せず）が設けられている。この磁場発生部からの磁場によって、アルカリ
金属原子の縮退している異なる複数のエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により
拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度
を高めることができる。
【００３４】
また、上述した光源２２と原子セル２１との間には、波長板、減光フィルター、レンズ
、偏光板等の光学部品が配置されていてもよい。
【００３５】
（光検出部）
光検出器２３は、原子セル２１内を透過した光（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で
構成された共鳴光対）を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。
【００３６】
光検出器２３としては、前述した光の強度を検出し得るものであれば、特に限定されな
いが、例えば、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。
【００３７】
〈回路部〉
図１に示す回路部１０は、前述したように、増幅器３１、検波回路３２と、変調回路３
３と、低周波発振器３４と、駆動回路３５と、周波数変換部５と、検波回路４１と、電圧
制御型水晶発振器４２と、逓倍合成部４３と、発振器４４と、分周器４５と、を有する。
【００３８】
増幅器３１は、光検出器２３の出力信号を増幅する。増幅器３１の出力信号は、検波回
路３２および周波数変換部５のそれぞれに入力される。
検波回路３２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３４の出
力信号（発振信号）を用いて増幅器３１の出力信号を同期検波する。変調回路３３は、検
波回路３２による検波を可能とするために、低周波発振器３４の出力信号（発振信号）を
変調信号として検波回路３２の出力信号を変調する。
【００３９】
駆動回路３５は、変調回路３３の出力信号に応じてバイアス電流を微調整して、光源２
２に供給するバイアス電流を設定する（光源２２から出射する光の中心波長を設定する）
。すなわち、光源２２、原子セル２１、光検出器２３、検波回路３２、変調回路３３およ
び駆動回路３５を通るフィードバックループにより光源２２が出射する光の中心波長が制
御（微調整）されて安定する。なお、このフィードバックループは、アナログ処理のみで
行ってもよいが、デジタル処理を用いることができる。
【００４０】
また、駆動回路３５は、前述したように微調整したバイアス電流に、後述する逓倍合成
部４３の出力信号の周波数成分の電流（変調電流）を重畳して光源２２に供給する。変調
電流により、光源２２から出射される光に周波数変調がかかると、バイアス電流に応じた
中心周波数の光とともに、その両側にサイドバンド光としてそれぞれ周波数が変調電流の
周波数ずつずれた周波数の複数組の光が発生する。
【００４１】
周波数変換部５は、増幅器３１の出力信号を周波数が高くなる側に周波数変換する。特
に、周波数変換部５は、デジタル処理を用いて周波数変換する。具体的には、周波数変換
部５は、フーリエ変換回路５１を有し、このフーリエ変換回路５１が増幅器３１の出力信
号をフーリエ変換する処理を経て周波数変換する。なお、周波数変換部５に関する事項に
ついては、後に詳述する。
【００４２】
検波回路４１は、発振器４４の出力信号を用いて周波数変換部５の出力信号を同期検波
する。この検波回路４１は、発振器４４の出力信号を用いて増幅器３１の出力信号を同期
検波する位相検波器４１１と、位相検波器４１１の出力信号が入力されるローパスフィル
ター４１２（ループフィルター）と、を有する。ローパスフィルター４１２は、光検出器
２３の検出結果に応じた電圧信号を出力する。そして、ローパスフィルター４１２の出力
信号は、電圧制御型水晶発振器４２に入力される。
【００４３】
電圧制御型水晶発振器４２は、検波回路４１の出力信号の大きさに応じて、電圧制御型
水晶発振器４２（ＶＣＸＯ）の発振周波数が微調整される。電圧制御型水晶発振器４２（
ＶＣＸＯ）の発振周波数は、特に限定されないが、例えば、１０ＭＨｚ程度である。電圧
制御型水晶発振器４２の出力信号は、逓倍合成部４３に入力されるとともに、原子発振器
１の出力信号として用いられる。
【００４４】
逓倍合成部４３は、電圧制御型水晶発振器４２の出力信号の周波数を逓倍するとともに
位相変調してマイクロ波信号を出力する。この逓倍合成部４３は、電圧制御型水晶発振器
４２の出力信号を周波数逓倍するフラクショナル位相同期回路４３１（Ｆ−ＰＬＬ）と、
発振器４４の出力信号に基づいてフラクショナル位相同期回路４３１の逓倍率をデジタル
処理により段階的に変更する制御部４３２と、を有する。このように、逓倍合成部４３は
、逓倍率が可変であり、逓倍率を段階的に変更する。これにより、電圧制御型水晶発振器
４２の出力信号を位相変調する。このような逓倍合成部４３の出力信号は、前述した光源
２２の光の周波数変調のための周波数成分（マイクロ波成分）と、検波回路４１による検
波を可能とするための周波数成分（検波周波数成分）と、を含む。そして、逓倍合成部４
３の出力信号は、駆動回路３５に入力される。なお、逓倍合成部４３に関する事項は、後
に詳述する。
【００４５】
発振器４４は、１０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の周波数で発振する。そして、発振器４
４の出力信号は、制御部４３２および位相検波器４１１のそれぞれに入力される。
【００４６】
光源２２、原子セル２１、光検出器２３、増幅器３１、周波数変換部５、検波回路４１
、電圧制御型水晶発振器４２、逓倍合成部４３および駆動回路３５を通るフィードバック
ループにより光源２２が出射する１組のサイドバンド光が、アルカリ金属原子にＥＩＴ現
象を発生させる共鳴光対になるように制御（微調整）される。
【００４７】
上述したように、ＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器
２３で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として利用して、電圧制御型水晶発振器４２の
出力信号を所定の周波数で安定させる。そして、電圧制御型水晶発振器４２の出力信号は
、外部に出力される。その際、電圧制御型水晶発振器４２の出力信号は、必要に応じて、
例えばＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）等の周波数変換回路（図示せず）によって
所定の周波数変換率で所望の周波数に周波数変換してもよい。
【００４８】
（逓倍合成部）
以下、逓倍合成部４３およびこれに関連する事項について詳述する。
図４は、図１に示す原子発振器が備える逓倍合成部の出力信号の周波数を説明するグラ
フである。
【００４９】
逓倍合成部４３が備えるフラクショナル位相同期回路４３１は、例えば、分周比が可変
なプログラマブル分周器を有しており、その分周器の分周比を変更することで逓倍率が変
更可能となっている。そして、逓倍合成部４３が備える制御部４３２は、例えば、ＣＰＵ
であり、発振器４４の出力信号に基づいて、前述したプログラマブル分周器の分周比を制
御することで、フラクショナル位相同期回路４３１の逓倍率をデジタル処理により段階的
に変更する。
【００５０】
フラクショナル位相同期回路４３１の出力信号、すなわち、逓倍合成部４３の出力信号
は、前述したように、光源２２の光の周波数変調のための周波数成分（マイクロ波成分）
と、検波回路４１による検波を可能とするための周波数成分と、を含む。このような逓倍
合成部４３の出力信号の周波数は、図４中の実線ａで示すように、光源２２の光の周波数
変調のための周波数成分の周波数ｆ０を中心として、振幅Δｆ、周期Ｔで周期的に変化す
る。特に、逓倍合成部４３の出力信号の周波数は、発振器４４の出力信号に基づいて、段
階的に変化する。また、逓倍合成部４３の出力信号の周波数は、図４中の一点鎖線ｂで示
すサイン波形に沿うように変化している。
【００５１】
分周器４５の出力信号の周波数をｆｂとしたとき、周期Ｔは、分周器４５の出力信号の
周期１／ｆｂに等しい。すなわち、逓倍合成部４３の出力信号の検波周波数成分の周波数
は、分周器４５の出力信号の周波数ｆｂと等しい。これにより、逓倍合成部４３の出力信
号に基づく光検出器２３の出力信号の変化を検波回路４１で同期検波することができる。
また、周波数ｆｂは、発振器４４の出力信号の周波数をｆａとし、分周器４５の分周比を
Ｎ１としたとき、ｆａ／Ｎ１である。
【００５２】
このような逓倍合成部４３の出力信号の周期Ｔ内における周波数の変更回数Ｎ（ステッ
プ数）は、分周器４５の分周比Ｎ１に等しい。図４では、説明の便宜上、逓倍合成部４３
の出力信号の周波数が１周期あたり１０段階で変化するよう図示しているが、逓倍合成部
４３の出力信号の周期Ｔ内における周波数の変更回数Ｎ（ステップ数）は、半周期あたり
２段階以上であればよく、任意である。ただし、ＳＮ比を高める観点から、かかる変更回
数は、１００回以上１００００回以下であることが好ましい。
【００５３】
以上説明したような逓倍合成部４３の出力信号を用いた光源２２の光は、原子セル２１
を通過し、光検出器２３で検出される。その際、光検出器２３の出力信号（電流信号）に
は、前述したアルカリ金属の第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当す
る周波数ω０に対する周波数ｆ０のずれ（誤差）に応じた波形の変化が誤差信号として現
れる。
【００５４】
図５は、逓倍合成部の出力信号とＥＩＴ信号との関係を説明するグラフである。図６は
、図５中のＡで示す範囲に逓倍合成部の出力信号の周波数帯域があるときの光検出部の出
力信号を説明するグラフである。図７は、図５中のＢで示す範囲に逓倍合成部の出力信号
の周波数帯域があるときの光検出部の出力信号を説明するグラフである。図８は、図５中
のＣで示す範囲に逓倍合成部の出力信号の周波数帯域があるときの光検出部の出力信号を
説明するグラフである。
【００５５】
逓倍合成部４３の出力信号の周波数帯域（周波数の掃引範囲）が、図５中に示す範囲Ａ
のように周波数ω０に対して一方側（低周波数側）にあるとき、光検出器２３の出力信号
（誤差信号）は、図６に示すように、前述した周期Ｔで周期的に変化する。また、逓倍合
成部４３の出力信号の周波数帯域が、図５中に示す範囲Ｂのように周波数ω０に対して他
方側（高周波数側）にあるとき、光検出器２３の出力信号は、図７に示すように、前述し
た範囲Ａにあるときとは位相が１８０度ずれた状態で、周期Ｔで周期的に変化する。した
がって、逓倍合成部４３の出力信号の周波数帯域が周波数ω０に対して一方側にあるかま
たは他方側にあるかを、光検出器２３の出力信号に基づいて判断することができる。
【００５６】
また、逓倍合成部４３の出力信号の周波数帯域が、図５中に示す範囲Ｃのように周波数
ω０を含むとき、光検出器２３の出力信号は、図８に示すようになる。特に、逓倍合成部
４３の出力信号の周波数ｆ０が周波数ω０に一致するとき、光検出器２３の出力信号は、
図８に示すように、前述した周期Ｔの半分の周期Ｔ／２で周期的に変化する。したがって
、逓倍合成部４３の出力信号の周波数帯域が周波数ω０に対して一方側または他方側にあ
るかまたは周波数ω０を含むかを、光検出器２３の出力信号に基づいて判断することがで
きる。また、周期Ｔ／２ごとの波形が互いに等しくなっていれば、逓倍合成部４３の出力
信号の周波数ｆ０が周波数ω０に一致していると判断することができる。
【００５７】
以上のように周波数ω０に対する周波数ｆ０のずれ（誤差）に応じて波形が変化する誤
差信号を用いて、逓倍合成部４３の出力信号の周波数ｆ０が周波数ω０に一致するように
、検波回路４１が電圧制御型水晶発振器４２の制御電圧を制御することで、所望の周波数
ｆの出力信号を得ることができる。
以上説明したような光検出器２３の出力信号（誤差信号）は、増幅器３１で増幅された
後に、周波数変換部５で周波数変換される。
【００５８】
（周波数変換部）
以下、周波数変換部５およびこれに関連する事項について詳述する。
図９は、図１に示す原子発振器が備える周波数変換部における周波数変換を説明する図
である。
【００５９】
周波数変換部５は、前述したように、デジタル処理を用いて増幅器３１の出力信号（以
下、「誤差信号」とも言う）を周波数が高くなる側に周波数変換する。より具体的には、
図９に示すように、誤差信号の周波数をｆｂからｆａに変換する。これにより、検波回路
４１が周波数ｆａで誤差信号を同期検波することができる。
【００６０】
ここで、周波数変換部５は、誤差信号の強度変化を抑えつつ、周波数変換を行う。また
、周波数変換部５は、周波数変換に伴って、誤差信号の所望の周波数成分と他の周波数成
分との周波数差を大きくする。これにより、検波回路４１の検波精度を高めることができ
る。
本実施形態では、前述したように、周波数変換部５は、フーリエ変換回路５１を有し、
このフーリエ変換回路５１が増幅器３１の出力信号をフーリエ変換する処理を経て周波数
変換する。このフーリエ変換回路５１は、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うも
のであり、ハードウエアに限定されず、アルゴリズムやソフトウエアを用いて構成するこ
とができる。また、フーリエ変換回路５１は、アナログ処理だけでなく、デジタル処理を
用いることもできる。
【００６１】
以上説明したような量子干渉装置の一種である原子発振器１は、前述したように、アル
カリ金属原子が封入されている原子セル２１と、光源部である光源２２と、光検出部であ
る光検出器２３と、周波数変換部５と、検波部である検波回路４１と、を備える。ここで
、光源２２は、アルカリ金属原子を励起する光を出射する。光検出器２３は、原子セル２
１を通過した光の強度に応じた信号を出力する。周波数変換部５は、デジタル処理を用い
て光検出器２３からの信号を周波数が高くなる側に周波数変換した信号を出力する。検波
回路４１は、周波数変換部５からの信号を検波する。
【００６２】
このような原子発振器１によれば、周波数変換部５が光検出器２３からの信号を周波数
が高くなる側に周波数変換するため、検波回路４１を構成するアナログ部品の周波数帯域
を高くすることができ、その結果、原子発振器１の小型化を図ることができる。また、周
波数変換部５の周波数変換にデジタル処理を用いるため、周波数変換部５においてアナロ
グ部品の数を減らすことができ、この点でも、原子発振器１の小型化を図ることができる
。また、周波数変換部５での周波数変換により、検波回路４１での検波対象となる周波数
成分と他の周波数成分との周波数差を大きくすることができる。そのため、検波回路４１
の構成を簡単化しつつ、検波回路４１での検波を高精度に行うことができる。このような
ことから、周波数特性を優れたものとしつつ、小型化を図ることができる原子発振器１を
提供することができる。
【００６３】
また、原子発振器１は、電圧信号に応じた周波数の信号を出力する電圧制御型水晶発振
器４２と、電圧制御型水晶発振器４２からの信号をアルカリ金属原子の基底準位間の遷移
周波数に応じた周波数に周波数逓倍するとともに位相変調してマイクロ波信号を生成する
逓倍合成部４３と、を備える。そして、周波数変換部５は、誤差信号の周波数、すなわち
、位相変調の周波数に応じた周波数成分を周波数変換する。これにより、逓倍合成部４３
の位相変調の周波数よりも高い周波数で検波回路４１での検波を行うことができる。
【００６４】
また、原子発振器１は、発振器４４を備え、逓倍合成部４３は、発振器４４からの信号
に基づいてデジタル処理を用いて位相変調して、段階的に変化する周波数成分を有するマ
イクロ波信号を生成する。そして、検波回路４１は、発振器４４からの信号を用いて検波
を行う。これにより、電圧制御型水晶発振器４２からの信号の位相変調にデジタル処理を
用いるため、低周波帯域のアナログ部品の数を減らすことができ、その結果、原子発振器
１の小型化を図ることができる。また、マイクロ波信号が段階的に変化する周波数成分を
有するため、周波数を二値的に変化させる場合に比べて優れたＳ／Ｎ比で検波回路４１で
の検波を行うことができ、その結果、優れた短期周波数安定度を実現することができる。
【００６５】
また、周波数変換部５は、フーリエ変換回路５１を有することにより、周波数変換部５
での周波数変換を高精度に行うことができる。
【００６６】
ここで、周波数変換部５は、検波部である検波回路４１での検波対象となる信号の周波
数を１ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の周波数に変換することが好ましい。これにより、検
波回路４１を構成するアナログ部品の周波数帯域を必要十分に高くすることができ、その
結果、原子発振器１の小型化を効果的に図ることができる。
【００６７】
また、原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。すなわち、光源２
２が出射する光は、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を生じさせる共鳴光対を含む。
これにより、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器に比べて、大
幅に小型化を図ることができる。
【００６８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００６９】
図１０は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す
模式図である。
【００７０】
本実施形態は、逓倍合成部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である
。
【００７１】
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、第１実施形態との相違点を中心に説明し
、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１０において、前述した実施形態
と同様の構成については、同一符号を付している。
【００７２】
図１０に示す原子発振器１Ａは、逓倍合成部４３Ａおよび分周器４５を有する回路部１
０Ａを備える。この回路部１０Ａでは、発振器４４の出力信号は、位相検波器４１１およ
び分周器４５のそれぞれに入力される。分周器４５は、出力信号が数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度
の低い周波数となるように、発振器４４の出力信号を分周する。
【００７３】
逓倍合成部４３Ａは、変調回路４３３と、位相同期回路４３４（ＰＬＬ）と、を有する
。
【００７４】
変調回路４３３は、検波回路４１による検波を可能とするために、分周器４５の出力信
号を変調信号として電圧制御型水晶発振器４２の出力信号を変調する。
【００７５】
位相同期回路４３４は、一定の周波数変換率（逓倍比）で変調回路４３３の出力信号を
変換してマイクロ波信号を出力する。
【００７６】
このように、本実施形態の原子発振器１は、発振器４４と、発振器４４からの信号を周
波数分周する分周器４５と、を備える。そして、逓倍合成部４３Ａは、分周器４５からの
信号を用いて位相変調を行う。また、検波部である検波回路４１は、発振器４４からの信
号を用いて検波を行う。これにより、逓倍合成部４３Ａの構成を簡単化しつつ、検波回路
４１で同期検波を行うことができる。
以上説明したような第２実施形態によっても、周波数特性を優れたものとしつつ、小型
化を図ることができる。
【００７７】
２．電子機器
以下、本発明の電子機器について説明する。
【００７８】
図１１は、本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
図１１に示す測位システム１００（電子機器）は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３
００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
【００７９】
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置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３
０１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。
【００８０】
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の原子発振器
１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。
【００８１】
ＧＰＳ受信装置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、基地局装置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。
【００８２】
以上説明したような測位システム１００によれば、量子干渉装置の一種である原子発振
器１の周波数特性を優れたものとしつつ小型化を図ることができる。
【００８３】
３．移動体
図１２は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【００８４】
この図において、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（エンジン）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１が内蔵
されている。
【００８５】
以上説明したような移動体１５００によれば、量子干渉装置の一種である原子発振器１
の周波数特性を優れたものとしつつ小型化を図ることができる。
【００８６】
なお、本発明の原子発振器（量子干渉装置）を備える電子機器は、前述したものに限定
されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチ
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、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適
用することができる。
【００８７】
以上、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、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い。
【００８８】
また、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体は、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。
【００８９】
また、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体は、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。
前述した実施形態では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明の原子発振器を適
用した例を説明したが、本発明の原子発振器は、例えば、二重共鳴現象を利用した原子発
振器にも適用可能である。この場合、逓倍合成部で生成したマイクロ波信号を用いて、ア
ルカリ金属原子に印加するマイクロ波を発生させればよい。
【符号の説明】
【００９０】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、２…量子干渉ユニット、５…周波数変換部、１０…
回路部、１０Ａ…回路部、２１…原子セル、２２…光源、２３…光検出器、３１…増幅器
、３２…検波回路、３３…変調回路、３４…低周波発振器、３５…駆動回路、４１…検波
回路、４２…電圧制御型水晶発振器、４３…逓倍合成部、４３Ａ…逓倍合成部、４４…発
振器、４５…分周器、５１…フーリエ変換回路、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ
衛星、３００…基地局装置、３０１…アンテナ、３０２…受信装置、３０３…アンテナ、
３０４…送信装置、４００…ＧＰＳ受信装置、４０１…アンテナ、４０２…衛星受信部、
４０３…アンテナ、４０４…基地局受信部、４１１…位相検波器、４１２…ローパスフィ
ルター、４３１…フラクショナル位相同期回路、４３２…制御部、４３３…変調回路、４
３４…位相同期回路、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、Ａ…範囲、
Ｂ…範囲、Ｃ…範囲、Ｎ…変更回数、Ｔ…周期、ａ…実線、ｂ…一点鎖線、ｆ…周波数、
ｆ０…周波数、ｆａ…周波数、ｆｂ…周波数、ΔＥ…エネルギー差、Δｆ…振幅、ω０…
周波数、ω１…周波数、ω２…周波数
【図１】
0006686640.tif 000002
【図２】
0006686640.tif 000003
【図３】
0006686640.tif 000004
【図４】
0006686640.tif 000005
【図５】
0006686640.tif 000006
【図６】
0006686640.tif 000007
【図７】
0006686640.tif 000008
【図８】
0006686640.tif 000009
【図９】
0006686640.tif 000010
【図１０】
0006686640.tif 000011
【図１１】
0006686640.tif 000012
【図１２】
0006686640.tif 000013