(57)【要約】【課題】原子発振装置の小型化及び位相雑音特性の改善を図る。【解決手段】オーブン水晶発振器１０は、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とする。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化する。原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する。【選択図】　　　　図１
2004048454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子を励起して発振する原子発振装置において、
制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とするオーブン水晶発振器と、
前記発振信号を入力クロックとして用い、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、前記信号に位相変調をかけた変調信号を出力する信号発生部と、前記信号発生部からの出力周波数を逓倍化するＰＬＬ部と、から構成されて、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部と、
前記周波数合成部の出力信号からマイクロ波を発生させ、前記マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する原子共鳴器と、
前記共鳴信号を同期検波して前記制御電圧を生成する周波数制御部と、
を有することを特徴とする原子発振装置。
【請求項２】
前記信号発生部は、前記発振信号を入力クロックとして、周波数設定にもとづき、出力周波数を原子共鳴周波数の整数比となるように制御するＤＤＳと、前記ＤＤＳからの出力信号の波形整形を行うＬＰＦと、波形整形後の信号に、前記周波数制御部で生成された低周波信号で位相変調を与えて前記変調信号を生成する変調器と、から構成されることを特徴とする請求項１記載の原子発振装置。
【請求項３】
前記信号発生部は、前記発振信号を入力クロックとして、周波数設定にもとづき、出力周波数を原子共鳴周波数の整数比となるように制御し、かつ位相設定データにより位相変調を与えた前記変調信号を生成するＤＤＳと、前記周波数制御部で生成された低周波信号をＡ／Ｄ変換して前記位相設定データを生成するＡ／Ｄ変換部と、前記ＤＤＳからの出力信号の波形整形を行うＬＰＦと、から構成されることを特徴とする請求項１記載の原子発振装置。
【請求項４】
前記周波数制御部は、前記共鳴信号をＡ／Ｄ変換してディジタル共鳴信号を生成するＡ／Ｄ変換部と、前記ディジタル共鳴信号にもとづき、制御データ及び前記位相設定データを出力するようにプログラミングされたディジタル処理部と、前記制御データをＤ／Ａ変換して前記制御電圧を生成するＤ／Ａ変換部と、から構成されることを特徴とする請求項３記載の原子発振装置。
【請求項５】
原子を励起して発振する原子発振装置において、
制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とするオーブン水晶発振器と、
前記発振信号に低周波信号で位相変調を与えて変調信号を出力する変調器と、発振器からの出力信号を分周して分周信号を生成し、分周信号を入力クロックとして、前記発振信号と同一周波数を出力する信号発生部をＰＬＬループ内に含み、前記変調信号を逓倍化するＰＬＬ部と、から構成されて、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部と、
前記周波数合成部の出力信号からマイクロ波を発生させ、前記マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する原子共鳴器と、
前記共鳴信号を同期検波して前記制御電圧を生成する周波数制御部と、
を有することを特徴とする原子発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子発振装置に関し、特にルビジウム原子を励起して発振する原子発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ルビジウム原子発振装置は、安定度の高いルビジウム（Ｒｂ）原子の共鳴周波数で周波数を安定化させたもので、その出力周波数は、ルビジウム原子によって制御されるため、極めて安定な周波数を得ることができる。このため、放送用基準源、ディジタル同期網、移動体通信網のクロック源等、幅広い分野で利用されている。
【０００３】
図１２はルビジウム原子発振装置の基本構成を示す図である。ルビジウム原子発振装置１００は、スレーブ発振器１０１、周波数合成部１０２、原子共鳴器１０３、周波数制御部１０４から構成される。
【０００４】
スレーブ発振器１０１は、水晶発振器であり、周波数制御部１０４から出力される制御電圧を受けて発振信号を外部へ出力すると共に、周波数合成部１０２へ送信する。周波数合成部１０２は、発振信号に対して、周波数制御部１０４から出力される低周波信号により位相変調を与え、周波数合成（逓倍化を含む）により、ルビジウム原子の共鳴周波数（ルビジウム原子固有の周波数）６．８３４６８…ＧＨｚを生成する。
【０００５】
原子共鳴器１０３は、周波数合成部１０２からの出力信号を受信して共鳴信号を出力する。周波数制御部１０４は、低周波信号を生成して周波数合成部１０２へ送信し、また、受信した共鳴信号をこの低周波信号により同期検波して制御電圧を生成し、スレーブ発振器１０１へ送信する。
【０００６】
このように、ルビジウム原子発振装置１００では、ルビジウムの原子共鳴器１０３の出力（共鳴信号）から、スレーブ発振器１０１の出力を引き出しているので、ルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明したルビジウム原子発振装置１００を実際に使用する場合は、発振信号の周波数は、ルビジウム原子発振装置１００をクロック源として用いる周辺装置が利用しやすい値にする必要がある。
【０００８】
このため、従来では、ルビジウム原子発振装置１００内部に、出力周波数を可変制御できるダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ：Ｄｉｒｅｃｔ　ＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）を設けて、発振信号にもとづき、ディジタル的に周波数を合成して、ＤＤＳの出力を外部出力としている。
【０００９】
図１３はＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置を示す図である。ＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置２００は、スレーブ発振器２０１、周波数合成部２０２、原子共鳴器２０３、周波数制御部２０４、ＤＤＳ２０５から構成される（図１２と異なる箇所は、ＤＤＳ２０５を設けたことであり、その他の構成は同じである）。ＤＤＳ２０５は、スレーブ発振器２０１からの発振信号を受信して、外部発振信号（周辺装置が利用しやすい周波数の値）を出力する。
【００１０】
ここで、例えば、１０ＭＨｚの外部発振信号を発生させようとした場合、サンプリング定理により、理論上は１０ＭＨｚの２倍、実用上では３または４倍以上の発振信号をスレーブ発振器２０１から出力させて、ＤＤＳ２０５へ入力しなければならない。
【００１１】
一方、図１２に基本構成を示したルビジウム原子発振装置１００の位相雑音特性について見ると、制御ループ帯域のキャリアオフセット周波数以上では、原子共鳴器１０３を制御するスレーブ発振器１０１の位相雑音特性がそのまま現れる。したがって、ルビジウム原子発振装置１００の位相雑音特性を良好にするためには、スレーブ発振器１０１として、本来位相雑音特性の優れたオーブン水晶発振器（ＯＣＸＯ：Ｏｖｅｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｘ’ｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を用いるのが望ましい。
【００１２】
ところが、１０ＭＨｚの３から４倍の周波数を発生できるＯＣＸＯとなると、汎用品ではないため形状が大きくなってしまい、また周波数が高くなるほど位相雑音特性も劣化する傾向にある。このような理由から、従来では、スレーブ発振器には位相雑音特性が特に優れていないＶＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｘ’ｔａｌ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を採用しており、位相雑音特性を犠牲にして小型化を優先する構成をとっている。
【００１３】
図１４はＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置の構成を示す図である。従来のルビジウム原子発振装置２００ａは、ＶＣＸＯ２０１ａ、周波数合成部２０２、原子共鳴器２０３、周波数制御部２０４、ＤＤＳ２０５、波形整形部２０６から構成される。ルビジウム原子発振装置２００ａは、図１３に示したルビジウム原子発振装置２００に対して、スレーブ発振器２０１にＶＣＸＯを用い、また、ＤＤＳ２０５の出力に波形整形部２０６を付加している。
【００１４】
次に波形整形部２０６が付加されている理由について説明する。近年になって高い位相雑音特性が要求されてきているが、スレーブ発振器にＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置２００ａで、高い位相雑音特性を実現しようとすると、ＶＣＸＯ２０１ａからの出力を、極力低い周波数にして、ＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音を小さくする必要がある。
【００１５】
また、ＤＤＳ２０５の出力信号の波形品位は、入力クロックと出力クロックとの周波数比（入力クロック／出力クロック）により決定するが（周波数比が大きいほど波形劣化は少ない）、位相雑音特性を高めようとして、ＶＣＸＯ２０１ａからの出力周波数を低い値にすると（すなわち、ＤＤＳ２０５の入力クロックを低い値にすると）、周波数比が小さくなるため、波形が劣化してくる。
【００１６】
すると、波形劣化を改善するために、ＤＤＳ２０５の後段に波形整形部２０６として、複数段のＬＰＦを設置したり、またはＰＬＬ回路を設置するなどの対策を施す必要があり、小型化を阻害することになっていた。
【００１７】
以上説明したように、従来では、小型化するためにスレーブ発振器にＶＣＸＯを使用していたが、この構成状態で位相雑音特性を改善しようとすると、そのための回路部品を付加しなければならず、小型化と位相雑音特性の改善対策とに矛盾が生じてしまう。このように従来のルビジウム原子発振装置２００ａの構成では、小型でかつ良好な位相雑音特性を得ることは困難であった。
【００１８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、小型で位相雑音特性に優れた原子発振装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、原子を励起して発振する原子発振装置１において、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とするオーブン水晶発振器１０と、発振信号を入力クロックとして用い、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する信号発生部２１と、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化するＰＬＬ部２２と、から構成されて、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部２０と、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する原子共鳴器３０と、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する周波数制御部４０と、を有することを特徴とする原子発振装置１が提供される。
【００２０】
ここで、オーブン水晶発振器１０は、制御電圧にもとづき発振した、原子共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を装置出力とする。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、信号に位相変調をかけた変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を逓倍化する。原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の原子発振装置の原理図である。本発明の原子発振装置１は、ルビジウム原子を励起してクロックを発振する発振装置であり、オーブン水晶発振器１０（以下、ＯＣＸＯ１０）、周波数合成部２０、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。
【００２２】
ＯＣＸＯ１０は、周波数制御部４０からの制御電圧を受けて発振信号を出力する（原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の安定度と同等に安定化した発振出力である）。この発振信号は、装置外部へ出力される共に、周波数合成部２０へ送信される。
【００２３】
なお、ＯＣＸＯとは、恒温槽入り水晶発振器のことである。ＯＣＸＯは、水晶発振器内部に恒温槽を内蔵し、内部の温度を高温（＋７０℃〜８０℃）に安定させることにより、水晶振動子の周波数変化を極力小さくし、それにより極めて高い安定度の周波数を出力する（水晶発振器の中では最も高安定である）。
【００２４】
周波数合成部２０は、信号発生部２１、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）部２２から構成される。信号発生部２１は、発振信号を入力クロックとして、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数を持つ信号を生成し、また、この信号に位相変調をかけて変調信号を出力する。ＰＬＬ部２２は、信号発生部２１からの出力周波数を、原子共鳴周波数の値まで逓倍化する。
【００２５】
原子共鳴器３０は、周波数合成部２０の出力信号からマイクロ波を発生させ、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。周波数制御部４０は、共鳴信号を同期検波して制御電圧を生成し、ＯＣＸＯ１０へ送信する。
【００２６】
次に従来のルビジウム原子発振装置２００ａと本発明の原子発振装置１による位相雑音特性の違いについて説明する。図２はルビジウム原子発振装置１００の伝達特性を示す図である。縦軸は伝達関数Ｆ（ｓ）、横軸は周波数（Ｈｚ）であり、図１２に基本構成を示したルビジウム原子発振装置１００の制御ループの伝達特性を示している。
【００２７】
制御ループとは、スレーブ発振器１０１→周波数合成部１０２→原子共鳴器１０３→周波数制御部１０４→スレーブ発振器１０１の部分のループのことである。図に示すように、制御ループの伝達特性はローパス応答を示す。また、３ｄＢ低下位置の周波数は１０Ｈｚ付近となる。
【００２８】
図３は位相雑音を示す図である。縦軸が位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、スレーブ発振器１０１にＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置２００ａ（図１４）の位相雑音を示している。
【００２９】
座標内にＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音と、原子共鳴器２０３の位相雑音とをプロットすると、図中の斜線部分がルビジウム原子発振装置２００ａ全体の位相雑音となる。制御ループ帯域内（キャリアオフセット周波数１０Ｈｚを境に左側）には、原子共鳴器２０３の位相雑音が現れ、制御ループ帯域外（キャリアオフセット周波数１０Ｈｚを境に右側）には、スレーブ発振器１０１の位相雑音（この場合、ＶＣＸＯ２０１ａの位相雑音）が現れる。
【００３０】
図４は位相雑音を示す図である。縦軸が位相雑音（ｄＢｃ／Ｈｚ）、横軸が周波数（Ｈｚ）であり、スレーブ発振器１０１にＯＣＸＯを用いた本発明の原子発振装置１の位相雑音を示している。
【００３１】
座標内にＯＣＸＯ１０の位相雑音と、原子共鳴器３０の位相雑音とをプロットすると、図中の斜線部分が原子発振装置１全体の位相雑音となる。制御ループ帯域内には、原子共鳴器３０の位相雑音が現れ、制御ループ帯域外には、スレーブ発振器１０１の位相雑音（この場合、ＯＣＸＯ１０の位相雑音）がそのまま現れる。
【００３２】
図３、図４からわかるように、スレーブ発振器にＯＣＸＯを用いている本発明の原子発振装置１の方が、従来のルビジウム原子発振装置２００ａよりも位相雑音を示す面積が小さくなっており、位相雑音特性が改善されていることがわかる。
【００３３】
次に原子発振装置１の構成及び動作について詳しく説明する。図５は原子発振装置の構成を示す図である。原子発振装置１−１は、図１に示した原子発振装置１を具体的に構成した第１の実施の形態である。
【００３４】
第１の実施の形態の原子発振装置１−１は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−１、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部２０−１は、信号発生部２１ａ、ＰＬＬ部２２から構成され、周波数制御部４０は、低周波発振器４１ａ、増幅器４２ａ、同期検波器４３ａ、積分器４４ａから構成される。
【００３５】
さらに、信号発生部２１ａは、ＤＤＳ２１ａ−１、ＬＰＦ２１ａ−２、変調器２１ａ−３から構成され、ＰＬＬ部２２は、ＰＬＬ回路２２ａ、逓倍器（以下、ＦＥＴ−ＭＵＬＴと呼ぶ）２２ｂから構成される。
【００３６】
ＯＣＸＯ１０は、１０ＭＨｚまで出力可能な発振器である（このレベルのクロック周波数であれば、汎用品として存在するため、形状は小型であり、位相雑音特性も良好である）。ＯＣＸＯ１０は、制御電圧を受けて、１０ＭＨｚの発振信号を原子発振装置１−１の出力として装置外部へ出力すると共に、信号発生部２１ａへ送信する。
【００３７】
信号発生部２１ａ内のＤＤＳ２１ａ−１は、発振信号（１０ＭＨｚ）を入力クロックとして受信し、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数（例えば、２．２７８２ＭＨｚ（３０００分周））の信号を出力する。
【００３８】
ここで、ＤＤＳの基本動作について説明する。ＤＤＳは、アドレス演算器、波形メモリを有している。波形メモリには、正弦波のディジタルデータが書き込まれており、アドレス演算器が入力クロックを用いてアドレスを発生することで正弦波を発生させる。また、アダーを加えることで任意の周波数の正弦波を発生させることができる。なお、ＤＤＳ内部でＤ／Ａ変換されるので、ＤＤＳの出力はアナログ信号である。
【００３９】
一方、ＬＰＦ２１ａ−２は、ＤＤＳ２１ａ−１の出力信号（２．２７８２ＭＨｚ）を波形整形する。ＤＤＳ２１ａ−１の出力信号の波形品位は、入力信号と出力信号との周波数比（入力信号／出力信号）により決定するが、この場合、周波数比が十分に大きいため（１０／２．２７８２…＝４．３８であり、出力すべき周波数に対して入力周波数は十分に大きい、すなわち、サンプリング定理を十分に満たす）、波形劣化は少なく、ここでのＬＰＦ２１ａ−２は段数の少ない簡易な構成をとれる。
【００４０】
変調器２１ａ−３は、ＬＰＦ２１ａ−２の出力信号に対して、周波数制御部４０で生成された低周波信号により位相変調を与えて、変調信号（２．２７８２…ＭＨｚ）を生成する。
【００４１】
ＰＬＬ回路２２ａは、位相比較器（ＰＤ）２２ａ−１、ループフィルタ２２ａ−２、ＶＣＯ（ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）２２ａ−３、Ｎ分周器２２ａ−４から構成される。ＰＬＬ回路２２ａは、基準周波数とする変調信号と、ＶＣＯ２２ａ−３からの出力と、の位相差が一定になるようにフィードバック制御をかけて発振させて、変調信号に同期した発振出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を生成する。
【００４２】
なお、ＰＤ２２ａ−１は、変調信号と、Ｎ分周器２２ａ−４の出力信号との位相差を出力し、ループフィルタ２２ａ−２は、ＰＤ２２ａ−１からの出力を平均化する。ＶＣＯ２２ａ−３は、平均化された信号に応じて出力周波数を制御し、Ｎ分周器２２ａ−４は、ＶＣＯ２２ａ−３からの出力信号をＮ分周（１／Ｎ）して、分周信号をＰＤ２２ａ−１へ送信する。ここのＮの値は、Ｎ＝２．２７８２…ＧＨｚ／２．２７８２…ＭＨｚ＝１０００である。
【００４３】
ＦＥＴ−ＭＵＬＴ２２ｂは、ＰＬＬ回路２２ａからの出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を３逓倍して、ルビジウム原子の共鳴周波数である６．８３４６８…ＧＨｚを出力する。
【００４４】
ＦＥＴ−ＭＵＬＴ２２ｂの出力は、原子共鳴器３０内の空胴共振器にアンテナで結合されることで、空胴共振器内にマイクロ波が発生する。そして、原子共鳴器３０は、マイクロ波と原子共鳴周波数との周波数差に応じて変化する放電ランプ光量にもとづく共鳴信号を出力する。なお、原子共鳴器３０の構成及び動作の詳細については図６、図７で後述する。
【００４５】
周波数制御部４０内の低周波発振器４１ａは、低周波信号を生成して変調器２１ａ−３と、同期検波器４３ａへ送信する。増幅器４２ａは、共鳴信号を増幅し、同期検波器４３ａは、増幅された共鳴信号を低周波信号により同期検波して誤差信号を生成する。積分器４４ａは、この誤差信号を直流電圧に変換して、制御電圧として、ＯＣＸＯ１０へ送信する。
【００４６】
このように、周波数制御部４０では、共鳴信号を受信して、ＯＣＸＯ１０の出力周波数がルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化するような制御電圧を生成して、この制御電圧をＯＣＸＯ１０へ与えている。すなわち、原子発振装置１−１では、ルビジウムの原子共鳴器３０の出力（共鳴信号）から、ＯＣＸＯ１０の出力を引き出しているので、ルビジウム原子の共鳴周波数の安定度と同等に安定化した発振信号を得ることができる。
【００４７】
ここで、図１４に示したような、ＤＤＳ２０５の出力（１０ＭＨｚ）を装置出力とし、かつＤＤＳ２０５の入力（スレーブ発振器の出力）を基準信号として、この基準信号から原子共鳴周波数を発生させる従来のルビジウム原子発振装置２００ａの構成では、スレーブ発振器には、ＯＣＸＯを用いることができず（なぜなら、この構成では、ＤＤＳ２０５の入力に１０ＭＨｚの３、４倍の信号を入力しなければならず、１０ＭＨｚの３、４倍の信号を発振できるＯＣＸＯは形状が大きくなるから）、位相雑音特性の劣るＶＣＸＯを用いていた。また、ＶＣＸＯを設けた場合に、位相雑音特性を改善しようとすると、波形整形のための付加回路が必要であった。
【００４８】
一方、本発明ではＤＤＳの出力を装置出力とするのではなく、スレーブ発振器から装置出力を直接得るようにし、かつＤＤＳを原子発振のループ内に組み込んで、ＤＤＳ２１ａ−１の出力を原子共鳴周波数を発生させる基準信号とした。これにより、スレーブ発振器に位相雑音特性の優れたＯＣＸＯを用いることができ、また、このＯＣＸＯは出力が１０ＭＨｚが上限なので、小型の汎用品を使用することができる。さらに、波形整形するための付加回路も不要となる。
【００４９】
次に原子共鳴器３０の構成及び動作について説明する。図６は原子共鳴器３０の構成を示す図である。原子共鳴器３０は、励振回路３１と、共鳴信号出力部３２から構成される。共鳴信号出力部３２は、空胴共振器３２ａ、共鳴セル３２ｂ、光検出器（フォトダイオード）３２ｃ、プリアンプ３２ｄ、励振アンテナ３２ｅから構成される。
【００５０】
次に動作について説明する。周波数合成部２０から出力された原子共鳴周波数は、空胴共振器３２ａ内に設けた励振アンテナ３２ｅに加えることにより、空胴共振器３２ａ内にはマイクロ波が発生する。この空胴共振器３２ａは、ルビジウム原子の共鳴周波数６．８３４６８ＧＨｚに同調されている。また、空胴共振器３２ａ内部には、ルビジウム蒸気が封入された共鳴セル３２ｂが内蔵されている。
【００５１】
励振回路３１から発出された放電ランプ光（ルビジウムランプ光）は、共鳴セル３２ｂ内のルビジウム蒸気に照射される。すると、ルビジウムランプ光は、ルビジウム蒸気の中を通り抜け、透過量（放電ランプ光量）が光検出器３２ｃで検出される。
【００５２】
また、入力したマイクロ波の周波数が、ルビジウム原子の共鳴周波数と一致したときには、原子共鳴が起こり、ルビジウム蒸気によるルビジウムランプ光の吸収量が増大して、光検出器３２ｃの出力が低下する（検出されるルビジウムランプ光量が減少する）。
【００５３】
ここで、マイクロ波は位相変調されている。この位相変調されたマイクロ波と、ルビジウム共鳴周波数が一致したときに、光検出器３２ｃの出力が最も低下するのであるから、このときの光検出器３２ｃは、入力したマイクロ波と同じ信号（マイクロ波周波数とルビジウム共鳴周波数との周波数ずれのない信号）を検出することになる。
【００５４】
また、光検出器３２ｃの出力が最も低下する以外の場合というのは、マイクロ波の周波数がルビジウム原子固有の周波数を基準にして、正または負のいずれかにずれていることであり、この場合、光検出器３２ｃからの信号は、ルビジウム共鳴周波数を中心に位相がπずれている。
【００５５】
このような検出がなされて、光検出器３２ｃから出力される交流信号は、プリアンプ３２ｄによって増幅され、共鳴信号として出力される。この共鳴信号は、周波数制御部４０で、マイクロ波を位相変調したときの低周波で同期検波され、直流の制御電圧となって出力される。
【００５６】
図７は周波数のずれと制御電圧との関係を説明するための図である。マイクロ波周波数ｆとルビジウム共鳴周波数ｆ０とに対し、ｆ＜ｆ０の場合は正、ｆ＝ｆ０の場合はゼロ、ｆ０＜ｆの場合は負の制御電圧が生成される。この制御電圧でＯＣＸＯ１０を制御すれば、ＯＣＸＯ１０の出力周波数は、常にｆ０に保たれて、ルビジウム共鳴周波数の安定度と同じ周波数安定度を得ることができる。
【００５７】
次に原子発振装置１の第２の実施の形態について説明する。図８は原子発振装置の構成を示す図である。第１の実施の形態では、ＤＤＳ２１ａ−１の出力に変調器２１ａ−３を用いて、位相変調を与えたが、第２の実施の形態の原子発振装置１−２では、ＤＤＳ２１ｂ−１で直接、位相変調をかけるものである。以下、第１の実施の形態と同じ構成要素には同符号を付けて、第１の実施の形態と異なる点を中心にして第２の実施の形態について説明する。
【００５８】
第２の実施の形態の原子発振装置１−２は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−２、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部２０−２は、信号発生部２１ｂ、ＰＬＬ部２２から構成され、信号発生部２１ｂは、ＤＤＳ２１ｂ−１、ＬＰＦ２１ｂ−２、Ａ／Ｄ部２１ｂ−４から構成される。
【００５９】
信号発生部２１ｂ内のＤＤＳ２１ｂ−１は、ＯＣＸＯ１０からの発振信号（１０ＭＨｚ）を入力クロックとして受信し、ルビジウム原子共鳴周波数（６．８３４６８…ＧＨｚ）の整数比となる周波数（例えば、２．２７８２ＭＨｚ（３０００分周））の信号を出力する。
【００６０】
ここで、第２の実施の形態では、ＤＤＳ２１ｂ−１の位相シフト機能（出力周波数と同様、出力の位相を位相設定データで可変できる機能である）を用いて、ＤＤＳ２１ｂ−１で直接位相変調をかける。
【００６１】
具体的には、Ａ／Ｄ部２１ｂ−４は、周波数制御部４０内の低周波発振器４１ａからの低周波信号を受信してディジタル信号に変換し、このディジタル信号を位相設定データとしてＤＤＳ２１ｂ−１へ入力する。ＤＤＳ２１ｂ−１は、この位相設定データにもとづき、出力位相を設定する。これによりＤＤＳ２１ｂ−１の出力は、低周波発振器４１ａの出力周波数で位相変調がかけられた状態となる。なお、その他の動作は第１の実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００６２】
次に原子発振装置１の第３の実施の形態について説明する。図９は原子発振装置の構成を示す図である。第３の実施の形態では、第２の実施の形態の周波数制御部４０内部の処理をディジタル化したものである。以下、第２の実施の形態と同じ構成要素には同符号を付けて、第２の実施の形態と異なる点を中心にして第３の実施の形態について説明する。
【００６３】
第３の実施の形態の原子発振装置１−３は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部２０−３、原子共鳴器３０、周波数制御部４０−３から構成される。周波数合成部２０−３は、信号発生部２１ｃ、ＰＬＬ部２２から構成され、信号発生部２１ｃは、ＤＤＳ２１ｃ−１、ＬＰＦ２１ｃ−２から構成される。また、周波数制御部４０−３は、Ａ／Ｄ部４５、ディジタル処理部（マイコンやＤＳＰ等）４６、Ｄ／Ａ部４７で構成される。その他の構成要素は第２の実施の形態と同様である。
【００６４】
周波数制御部４０−３内のＡ／Ｄ部４５は、原子共鳴器３０から共鳴信号を受信すると、Ａ／Ｄ変換してディジタル共鳴信号に変換する。ディジタル処理部４６は、内部で生成したディジタルの低周波信号（位相設定データ）をＤＤＳ２１ｃ−１へ送信すると共に、ディジタル共鳴信号を位相設定データにより同期検波してディジタルの制御データを生成する。Ｄ／Ａ部４７は、この制御データをアナログ信号に変換して直流電圧にし、制御電圧として、ＯＣＸＯ１０へ送信する。なお、その他の動作は第２の実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００６５】
次にＤＤＳをＰＬＬのループ内に組み込んだ場合の原子発振装置について説明する。図１０は原子発振装置の原理図である。原子発振装置１ａは、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部５０、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。図１で上述した原子発振装置１と異なる点は周波数合成部５０だけなので、以降の説明では、同じ構成要素には同符号を付けて、周波数合成部５０を中心に説明する。
【００６６】
周波数合成部５０は、変調器５１と、信号発生部５２ａをＰＬＬループ内に含むＰＬＬ部５２とから構成される。変調器５１は、ＯＣＸＯ１０の発振信号に低周波信号で位相変調を与えて変調信号を出力する。ＰＬＬ部５２は、ＶＣＯからの出力信号を分周して分周信号を生成し、分周信号を入力クロックとして、発振信号と同一周波数を出力する信号発生部５２ａをＰＬＬループ内に含み、変調信号を逓倍化する。
【００６７】
次に原子発振装置１ａの構成及び動作について詳しく説明する。図１１は原子発振装置の構成を示す図である。原子発振装置１ａ−１は、図１０に示した原子発振装置１ａを具体的に構成した第１の実施の形態である。
【００６８】
第１の実施の形態の原子発振装置１ａ−１は、ＯＣＸＯ１０、周波数合成部５０−１、原子共鳴器３０、周波数制御部４０から構成される。周波数合成部５０−１は、変調器５１、ＰＬＬ部５２から構成され、ＰＬＬ部５２は、ＰＬＬ回路５２ａとＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂから構成される。
【００６９】
ＯＣＸＯ１０は、制御電圧を受けて、１０ＭＨｚの発振信号を原子発振装置１ａ−１の出力として装置外部へ出力すると共に、変調器５１へ送信する。変調器５１は、低周波信号により位相変調を与えて、変調信号（１０ＭＨｚ）を生成する。
【００７０】
ＰＬＬ回路５２ａは、位相比較器（ＰＤ）５２ａ−１、ループフィルタ５２ａ−２、ＶＣＯ５２ａ−３、信号発生部５２−１から構成され、信号発生部５２−１は、プリスケーラ（分周器）５２ａ−４、ＤＤＳ５２ａ−５、ＬＰＦ５２ａ−６から構成される。
【００７１】
ＰＬＬ回路５２ａは、基準周波数とする変調信号と、ＶＣＯ５２ａ−３からの出力と、の位相差が一定になるようにフィードバック制御をかけて発振させて、変調信号に同期した発振出力（２．２７８２…ＧＨｚ）を生成する。
【００７２】
また、ＶＣＯ５２ａ−３の出力は、プリスケーラ５２ａ−４にも入力される。プリスケーラ５２ａ−４は、入力信号を後段のＤＤＳ５２ａ−５がクロック周波数として動作可能な周波数（上限が１００ＭＨｚ程度）まで分周する。
【００７３】
ＤＤＳ５２ａ−５は、プリスケーラ５２ａ−４の出力を入力クロックとし、出力周波数は、ＯＣＸＯ１０と同値である１０ＭＨｚに設定する。なお、ＤＤＳ５２ａ−５の入力周波数は、上限が１００ＭＨｚ程度で、出力周波数との比は十分大きいため、ＤＤＳ５２ａ−５後段に配置されるＬＰＦ５２ａ−６は、段数の少ない簡易なもので構成できる。なお、その他の動作は上述した実施の形態と同様なので説明は省略する。
【００７４】
このように、ＰＬＬループ内にＤＤＳ５２ａ−５を設けるような構成にしても、同様な効果として、スレーブ発振器としてＶＣＸＯではなくＯＣＸＯを用いて原子発振制御を行うことができ、装置を小型化し、かつ位相雑音特性の改善を図ることが可能になる。
【００７５】
なお、原子発振装置１ａ−１では、ＶＣＯ５２ａ−３の出力周波数が２．２７８２…ＧＨｚとしたので、ＶＣＯ５２ａ−３の後段にはＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂを設けることで３逓倍して原子共鳴周波数を生成しているが、出力周波数が直接ルビジウム原子の共鳴周波数６．８３４６…ＧＨｚのＶＣＯを用いれば、ＦＥＴ−ＭＵＬＴ５２ｂは不要となる（ただし、プリスケーラ５２ａ−４の分周数は大きくなる）。
【００７６】
以上説明したように、本発明によれば、ＤＤＳの出力を基準信号にして、周波数分周・合成後に逓倍化して、原子共鳴周波数を発生させ、スレーブ発振器に、出力周波数１０ＭＨｚといった汎用的な小型のＯＣＸＯを用いる構成とした。これにより、従来のような波形整形を行う付加回路が不要となり、ＯＣＸＯ自体が小型なために、装置全体を小型化することができ、かつ位相雑音特性に優れたルビジウム原子発振装置を実現することが可能になる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の原子発振装置は、原子共鳴周波数の信号を出力する周波数合成部内に、発振信号を入力クロックとして、原子共鳴周波数の整数比となる周波数を持つ信号を出力し、この信号に位相変調をかけた変調信号を出力する信号発生部と、信号発生部からの出力周波数を逓倍化するＰＬＬ部とを含ませ、また、制御電圧を受けて発振信号を出力する水晶発振器に、オーブン水晶発振器を用いる構成とした。これにより、スレーブ発振器としてＶＣＸＯではなくＯＣＸＯを用いて原子発振制御を行うことができるので、装置を小型化し、かつ位相雑音特性の改善を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発振装置の原理図である。
【図２】ルビジウム原子発振装置の伝達特性を示す図である。
【図３】位相雑音を示す図である。
【図４】位相雑音を示す図である。
【図５】原子発振装置の構成を示す図である。
【図６】原子共鳴器の構成を示す図である。
【図７】周波数のずれと制御電圧との関係を説明するための図である。
【図８】原子発振装置の構成を示す図である。
【図９】原子発振装置の構成を示す図である。
【図１０】原子発振装置の原理図である。
【図１１】原子発振装置の構成を示す図である。
【図１２】ルビジウム原子発振装置の基本構成を示す図である。
【図１３】ＤＤＳを設けたルビジウム原子発振装置を示す図である。
【図１４】ＶＣＸＯを用いた従来のルビジウム原子発振装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　原子発振装置
１０　オーブン水晶発振器
２０　周波数合成部
２１　信号発生部
２２　ＰＬＬ部
３０　原子共鳴器
４０　周波数制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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