(57)【要約】【課題】外部から入力される信号に基づいて、出力周波数を短期間で調整することが可能な原子発振器を提供すること。【解決手段】本実施形態の原子発振器は、出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器であって、原子発振器の外部から原子発振器に対して出力周波数を調整する信号が入力された場合、信号に基づいてフィードバック制御の目標値を変更する制御と、信号に基づいて出力値を調整する制御とを行うことで、出力周波数を調整する制御装置を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器であって、
前記原子発振器の外部から前記原子発振器に対して前記出力周波数を調整する信号が入力された場合、前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更する制御と前記信号に基づいて前記出力値を調整する制御とを行うことで、前記出力周波数を調整する制御装置を有することを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記制御装置は、前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更した後、前記信号に基づいて前記出力値を調整す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】
出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器であって、
前記原子発振器の外部から前記原子発振器に対して前記出力周波数を調整する信号が入力された場合、前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更する制御と前記フィードバック制御の制御間隔が短くなるように変更する制御とを行うことで、前記出力周波数を調整する制御装置を有することを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
前記制御装置は、前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更した後、前記フィードバック制御の制御間隔が短くなるように変更することを特徴とする請求項３に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記信号が入力された場合、前記制御間隔を第１の値から前記第１の値よりも小さい第２の値に変更し、
前記信号が入力されていない場合、前記制御間隔を前記第１の値に設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記信号は、前記原子発振器よりも周波数安定度の高い周波数発振器により生成されることを特徴する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の原子発振器。
【請求項７】
出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器の制御方法であって、
前記フィードバック制御を行うステップと、
前記原子発振器の外部から前記原子発振器に対して前記出力周波数を調整する信号が入力されたか否かを判定するステップと、
前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更するステップと、
前記信号に基づいて前記出力値を調整するステップと
を有し、
前記信号が入力されたか否かを判定するステップにおいて、前記信号が入力されたと判定された場合、前記フィードバック制御の目標値を変更するステップ及び前記出力周波数を調整するステップを実行することを特徴とする原子発振器の制御方法。
【請求項８】
出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器の制御方法であって、
前記原子発振器の外部から前記原子発振器に対して前記出力周波数を調整する信号が入力されたか否かを判定するステップと、
前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更するステップと、
前記フィードバック制御の制御間隔が短くなるように変更するステップと
を有し、
前記信号が入力されたか否かを判定するステップにおいて、前記信号が入力されたと判定された場合、前記フィードバック制御の目標値を変更するステップ及び前記制御間隔を変更するステップを実行することを特徴とする原子発振器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器及び原子発振器の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルカリ金属原子の超微細準位間の遷移を利用し、正確に時間を計測する原子時計（原子発振器）が知られている。
【０００３】
原子発振器は、原子の共鳴周波数と内蔵する水晶発振器の発振周波数とを比較して両者が一致するように制御するフィードバック制御を行うことにより水晶発振器の発振周波数を調整している発振器である。
【０００４】
また、原子発振器は、例えば当該原子発振器よりも高精度・高安定な周波数標準器の信号等の外部から入力される信号に基づいて、経年変化等によって生じる原子の共鳴周波数を変更することで、水晶発振器の発振周波数を調整する機能を有するものも存在する。
【０００５】
このような原子発振器は、例えば小型化することで短期間における周波数安定度が低下するといった課題がある。そこで、従来では、水晶発振器として高精度水晶発振器を用いると共に、フィードバック制御の制御間隔を長くする、又はフィードバック制御を間欠的に実行する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【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、外部から入力される信号に基づいて原子の共鳴周波数を変更する原子発振器では、外部から入力された信号に基づいて原子の共鳴周波数を変更した後、フィードバック制御により水晶発振器の発振周波数が調整されることになる。
【０００７】
このため、フィードバック制御の制御間隔が長い場合、又はフィードバック制御が間欠的に実行される場合、フィードバック制御が実行されていない間、水晶発振器の発振周波数が調整されないため、原子発振器の出力周波数が長時間調整されないことがある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、外部から入力される信号に基づいて、出力周波数を短期間で調整することが可能な原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の原子発振器は、出力の目標値と実際の出力値とを比較して出力値が目標値に一致するように制御するフィードバック制御を用いて出力周波数が調整される原子発振器であって、前記原子発振器の外部から前記原子発振器に対して前記出力周波数を調整する信号が入力された場合、前記信号に基づいて前記フィードバック制御の目標値を変更する制御と、前記信号に基づいて前記出力値を調整する制御とを行うことで、前記出力周波数を調整する制御装置を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本実施形態によれば、外部から入力される信号に基づいて、出力周波数を短期間で調整することが可能な原子発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る原子発振器の概略構成図である。
【図２】実施形態１に係る原子発振器の制御方法のフローチャートである。
【図３】実施形態２に係る原子発振器の制御方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１３】
本実施形態では、本発明の一例として、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子発振器について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法等の他の方式の原子発振器であっても同様である。
【００１４】
（原子発振器の構成）
まず、本実施形態に係る原子発振器の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る原子発振器の概略構成図である。
【００１５】
本実施形態に係る原子発振器は、ＣＰＴ方式の原子発振器であり、半導体レーザ１０、ガスセル２０、コイル３０、光検出器４０、検波回路５０、６０、水晶発振器７０、マイクロ波シンセサイザ８０、駆動回路９０、制御装置１００を有する。原子発振器は、半導体レーザ１０を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、このサイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光をガスセル２０に入射させる。これにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものである。
【００１６】
半導体レーザ１０は、ガスセル２０にレーザ光を照射する光源の一例である。半導体レーザ１０としては、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いることができる。
【００１７】
ガスセル２０は、ガラス等で形成された容器内に、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等のアルカリ金属原子が封入されたものである。また、ガスセル２０の容器内には、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）等のバッファガスが封入されていてもよい。
【００１８】
コイル３０は、ガスセル２０に一様な磁界を印加することで、ガスセル２０に封入されたアルカリ金属原子をゼーマン分裂させる。
【００１９】
光検出器４０は、半導体レーザ１０によりガスセル２０に照射されたレーザ光のうち、ガスセル２０を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器４０の検出信号は検波回路５０、６０に入力される。光検出器４０としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。
【００２０】
検波回路５０は、半導体レーザ１０の発光波長をアルカリ金属原子の励起に必要な波長（中心周波数ｆ０）に制御するための回路である。
【００２１】
水晶発振器７０は、検波回路６０の信号の大きさに応じて、発振周波数が調整される基準発振器の一例である。水晶発振器７０としては、温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）等の高精度水晶発振器を用いることができる。
【００２２】
マイクロ波シンセサイザ８０は、水晶発振器７０の出力（例えば１０ＭＨｚ）をリファレンスとしてマイクロ波（周波数ｆｍ）を生成する。このマイクロ波を半導体レーザ１０の駆動回路９０に重畳することで、中心周波数ｆ０の光に加え、ｆ０±ｆｍ、ｆ０±２ｆｍ、・・・の光が発生する。ＣＰＴ現象を起こすための共鳴光対としてｆ０±ｆｍの光を用いた場合、ｆｍはアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（共鳴周波数）の１／２に一致するようにフィードバック制御される。
【００２３】
例えば、アルカリ金属原子としてＣｓを用いた場合、共鳴周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、マイクロ波の出力周波数ｆｍは４．５９６３１５８８５ＧＨｚとなるよう制御される。すなわち、マイクロ波のリファレンスとなっている水晶発振器７０の発振周波数がフィードバック制御されることになる。
【００２４】
制御装置１００は、原子発振器の各部を制御する装置であり、制御装置１００の制御の下、原子発振器が動作し、例えば後述の原子発振器の制御方法が実施される。
【００２５】
制御装置１００は、原子発振器の外部から原子発振器に対して出力周波数を調整する信号が入力された場合、入力された信号に基づいてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する制御と入力された信号に基づいて水晶発振器７０の発振周波数を調整する制御とを行う。
【００２６】
また、制御装置１００は、原子発振器の外部から原子発振器に対して出力周波数を調整する信号が入力された場合、入力された信号に基づいてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する制御とフィードバック制御の制御間隔が短くなるように変更する制御とを行う。
【００２７】
なお、アルカリ金属原子の共鳴周波数はフィードバック制御における目標値の一例であり、水晶発振器７０の発振周波数はフィードバック制御における実際の出力値の一例である。
【００２８】
原子発振器の外部から入力される信号としては、例えば周波数標準やＧＰＳ（Global Positioning System）等の原子発振器よりも周波数安定度の高い周波数発振器により生成される信号を用いることができる。
【００２９】
アルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する方法としては、半導体レーザ１０の光強度、コイル３０によりガスセル２０に印加される磁界、マイクロ波シンセサイザ８０により出力されるマイクロ波の出力レベル等を変更する方法が挙げられる。また、マイクロ波シンセサイザ８０の逓倍比を変化させることで、フィードバック制御の目標値からずらすようにして調整することも可能である。また、ずれ量がゼロになるようにフィードバック制御を行うのではなく、ずれ量の目標値を調整することで、原子発振器の出力周波数を調整することも可能である。
【００３０】
また、原子発振器の周波数を変更する方法としては、例えば原子発振器の周波数調整用ピンに印加する電圧を変化させるというアナログ的な手法、原子発振器とシリアル通信等により周波数の変更を行うというデジタル的な手法、周波数標準やＧＰＳ等の原子発振器よりも周波数安定度の高い周波数発振器により生成される信号を原子発振器に入力することで同期させる方法等の方法であってもよい。
【００３１】
（原子発振器の制御方法）
［実施形態１］
次に、原子発振器の制御方法の一例について、図２を参照しながら説明する。図２は、実施形態１に係る原子発振器の制御方法のフローチャートである。より具体的には、図２（ａ）は原子発振器の出力周波数のフィードバック制御を説明するフローチャートであり、図２（ｂ）は原子発振器の出力周波数のフィードフォワード制御を説明するフローチャートである。
【００３２】
実施形態１に係る原子発振器の制御方法は、原子発振器の出力周波数のフィードバック制御と、原子発振器の出力周波数のフィードフォワード制御とを有する制御方法である。
【００３３】
フィードバック制御について、図２（ａ）を参照しながら説明する。
【００３４】
まず、アルカリ金属原子の共鳴周波数と水晶発振器７０の発振周波数との間のずれ量を検波回路６０により算出する（ステップＳ１０１）。
【００３５】
続いて、ステップＳ１０１で算出されたずれ量を補正するように水晶発振器７０の発振周波数を制御する（ステップＳ１０２）。
【００３６】
フィードバック制御では、所定の制御間隔でステップＳ１０１とステップＳ１０２とを繰り返し行うことで、アルカリ金属原子の共鳴周波数で制御された安定した出力周波数を得ることができる。
【００３７】
制御間隔としては、特に限定されるものではなく、１ｓ以下の比較的短い時間であってもよく、１２８ｓ以上の比較的長い時間であってもよく、これらの間の時間であってもよい。中でも、水晶発振器７０として高精度水晶発振器を用いた場合には、短期間における周波数安定度を高めることができるという観点から、例えば１２８ｓ以上とすることが好ましい。
【００３８】
フィードフォワード制御について、図２（ｂ）を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、制御装置１００は、外部から周波数調整の要求があるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。
【００４０】
ステップＳ１１１において、外部から周波数調整の要求がないと判定された場合、ステップＳ１１１を繰り返す。この間、原子発振器は、フィードバック制御によりその出力周波数が制御されている。
【００４１】
ステップＳ１１１において、外部から周波数調整の要求があると判定された場合、制御装置１００は、その周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する（ステップＳ１１２）。次いで、制御装置１００は、周波数調整量に応じて水晶発振器７０の発振周波数をフィードフォワード制御（ステップＳ１１３）した後、ステップＳ１１１へ戻る。水晶発振器７０の発振周波数の制御量は、外部からの周波数調整量から推測可能であり、原子共鳴からのフィードバック制御がなくても正しく周波数を調整することができる。
【００４２】
フィードフォワード制御は、割り込み処理で動作させることで外部からの周波数調整の要求があった際に即座に原子発振器の出力周波数を調整することができる。よって、フィードバック制御の制御間隔が長い場合やフィードバック制御が間欠的に実行される場合であっても、原子発振器の出力周波数をフィードフォワード制御により即座に調整することができる。
【００４３】
なお、原子発振器の出力周波数のフィードバック制御を行っている時に外部から周波数調整の要求による割り込み処理が発生した場合、フィードバック制御を一旦リセットさせることでフィードフォワード制御を組み合わせた場合でも正しく動作させることができる。すなわち、フィードフォワード制御により水晶発振器７０の発振周波数を変更した後、アルカリ金属原子の共鳴周波数とのずれ量を改めて算出し、そのずれ量に基づいて、水晶発振器７０の発振周波数をフィードバック制御すればよい。
【００４４】
また、図２（ｂ）では、周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更（ステップＳ１１２）した後、周波数調整量に応じて水晶発振器７０の発振周波数を制御する（ステップＳ１１３）場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する（ステップＳ１１２）と同時に、周波数調整量に応じて水晶発振器７０の発振周波数を制御（ステップＳ１１３）してもよい。また、周波数調整量に応じて水晶発振器７０の発振周波数を制御（ステップＳ１１３）した後、周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更（ステップＳ１１２）してもよい。
【００４５】
以上に説明したように、実施形態１に係る原子発振器は、原子発振器の外部から原子発振器に対して出力周波数を調整する信号が入力された場合、入力された信号に基づいてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する制御と、入力された信号に基づいて水晶発振器７０の発振周波数を調整する制御とを行う。このため、フィードバック制御の制御間隔が長い場合、又はフィードバック制御が間欠的に実行される場合であっても、水晶発振器７０の発振周波数を短期間で調整することができる。結果として、外部から入力される信号に基づいて、原子発振器の出力周波数を短期間で調整することができる。
【００４６】
［実施形態２］
次に、原子発振器の制御方法の他の例について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施形態２に係る原子発振器の制御方法のフローチャートである。より具体的には、図３（ａ）は原子発振器の出力周波数のフィードバック制御を説明するフローチャートであり、図３（ｂ）は原子発振器の出力周波数のフィードフォワード制御を説明するフローチャートである。
【００４７】
実施形態２に係る原子発振器の制御方法は、原子発振器の出力周波数のフィードバック制御と、原子発振器の出力周波数のフィードフォワード制御とを有する制御方法である。
【００４８】
フィードバック制御について、図３（ａ）を参照しながら説明する。
【００４９】
まず、アルカリ金属原子の共鳴周波数と水晶発振器７０の発振周波数との間のずれ量を検波回路６０により算出する（ステップＳ２０１）。
【００５０】
続いて、ステップＳ２０１で算出されたずれ量を補正するように水晶発振器７０の発振周波数を制御する（ステップＳ２０２）。
【００５１】
フィードバック制御では、所定の制御間隔でステップＳ２０１とステップＳ２０２とを繰り返し行うことで、アルカリ金属原子の共鳴周波数で制御された安定した出力周波数を得ることができる。
【００５２】
制御間隔としては、特に限定されるものではなく、１ｓ以下の比較的短い時間であってもよく、１２８ｓ以上の比較的長い時間であってもよく、これらの間の時間であってもよい。中でも、水晶発振器７０として高精度水晶発振器を用いた場合には、短期間における周波数安定度を高めることができるという観点から、例えば１２８ｓ以上とすることが好ましい。
【００５３】
フィードフォワード制御について、図３（ｂ）を参照しながら説明する。
【００５４】
まず、制御装置１００は、外部から周波数調整の要求があるか否かを判定する（ステップＳ２１１）。
【００５５】
ステップＳ２１１において、外部から周波数調整の要求があると判定された場合、制御装置１００は、その周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する（ステップＳ２１２）。次いで、制御装置１００は、フィードバック制御の制御間隔を例えば最短に変更（ステップＳ２１３）した後、ステップＳ２１１へ戻る。
【００５６】
制御間隔の変更方法としては、例えばフィードバック制御の制御間隔が長い場合、フィードバック制御の間隔を第１の値から第１の値よりも小さい第２の値に変更する方法が挙げられる。また、例えばフィードバック制御が間欠的に実行される場合、動作を停止している半導体レーザ１０、ガスセル２０、コイル３０、光検出器４０等の原子共鳴部やマイクロ波シンセサイザ８０等を即座に再稼働させる方法が挙げられる。
【００５７】
ステップＳ２１１において、外部から周波数調整の要求がないと判定された場合、制御装置１００は、フィードバック制御の制御間隔が最短に変更されているか否かを判定する（ステップＳ２１４）。
【００５８】
ステップＳ２１４において、フィードバック制御の制御間隔が最短に変更されていると判定された場合、制御装置１００は、フィードバック制御の制御間隔を元の値に設定（ステップＳ２１５）した後、ステップＳ２１１へ戻る。ステップＳ２１４において、フィードバック制御の制御間隔が最短に変更されていないと判定された場合、ステップＳ２１１へ戻る。このため、周波数調整の要求があったときのみフィードバック制御の制御間隔が最短となるので、即座に原子発振器の出力周波数を調整することができる。
【００５９】
なお、図３（ｂ）では、周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更（ステップＳ２１２）した後、フィードバック制御の制御間隔を最短に変更する（ステップＳ２１３）場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する（ステップＳ２１２）と同時に、フィードバック制御の制御間隔を最短に変更（ステップＳ２１３）してもよい。また、フィードバック制御の制御間隔を最短に変更（ステップＳ２１３）した後、周波数調整量に応じてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更（ステップＳ２１２）してもよい。
【００６０】
また、ステップＳ２１３において、フィードバック制御の制御間隔を最短に変更する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。ステップＳ２１３においては、フィードバック制御の制御間隔を第１の値から第１の値よりも小さい第２の値に変更する形態であってもよい。
【００６１】
また、フィードバック制御の制御間隔を変更することに加えて、実施形態１と同様に、水晶発振器７０の発振周波数をフィードフォワード制御するようにしてもよい。これにより、より早く正確に原子発振器の出力周波数を調整することができる。
【００６２】
以上に説明したように、実施形態２に係る原子発振器は、原子発振器の外部から原子発振器に対して出力周波数を調整する信号が入力された場合、入力された信号に基づいてアルカリ金属原子の共鳴周波数を変更する制御と、フィードバック制御の制御間隔が短くなるように変更する制御とを行う。このため、フィードバック制御の制御間隔が長い場合、又はフィードバック制御が間欠的に実行される場合であっても、水晶発振器７０の発振周波数を短期間で調整することができる。結果として、外部から入力される信号に基づいて、原子発振器の出力周波数を短期間で調整することができる。
【００６３】
以上、原子発振器及び原子発振器の制御方法を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０        半導体レーザ
２０        ガスセル
３０        コイル
４０        光検出器
５０、６０  検波回路
７０        水晶発振器
８０        マイクロ波シンセサイザ
９０        駆動回路
１００      制御装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６５】
【特許文献１】特開２０１０−１８３３２３号公報
【図１】
2016213608.tif 000003
【図２】
2016213608.tif 000004
【図３】
2016213608.tif 000005