(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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を検出する光検出部と、前記光検出部の検出結果に応じた電圧信号を出力する検波部と、前記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の出力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する逓倍合成部と、を備える量子干渉装置。【選択図】図１
2017188712.tif 000002
【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前記光を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出結果に応じた電圧信号を出力する検波部と、
前記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の出力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、を備えることを
特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記逓倍合成部は、逓倍率を段階的に変更することにより前記位相変調を行う請求項１
に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記逓倍合成部は、ダイレクトデジタルシンセサイザーを有する請求項１または２に記
載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記逓倍合成部は、フラクショナル位相同期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５】
前記逓倍合成部は、前記デジタル処理におけるステップ数が１００以上１００００以下
である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【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ことを特徴とする原子
発振器。
【請求項７】
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を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出結果に応じた電圧信号を出力する検波部と、
前記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の出力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、を備えることを
特徴とする原子発振器。
【請求項８】
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
る共鳴光対を含む請求項６または７に記載の原子発振器。
【請求項９】
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ことを特徴とする電子
機器。
【請求項１０】
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ことを特徴とする移動
体。
【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と、ルー
プフィルタの電圧に基づいて所定の周波数を発振する電圧制御水晶発振器と、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。従来、このような位相変調逓倍部は、１００〜３００Ｈｚ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を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出結果に応じた電圧信号を出力する検波部と、
前記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の出力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、を備えることを
特徴とする。
このような量子干渉装置によれば、電圧制御型水晶発振器の出力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。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。
【０００８】
本発明の量子干渉装置では、前記逓倍合成部は、逓倍率を段階的に変更することにより
前記位相変調を行うことが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、デジタル処理を用いて電圧制御型水晶発振器の出力
信号を位相変調することができる。
【０００９】
本発明の量子干渉装置では、前記逓倍合成部は、ダイレクトデジタルシンセサイザーを
有することが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ安価な構成で、デジタル処理を用いて電圧制御型水晶発振
器の出力信号を位相変調することができる。
【００１０】
本発明の量子干渉装置では、前記逓倍合成部は、フラクショナル位相同期回路を有する
ことが好ましい。
これにより、比較的簡単かつ安価な構成で、デジタル処理を用いて電圧制御型水晶発振
器の出力信号を位相変調することができる。
【００１１】
本発明の量子干渉装置では、前記逓倍合成部は、前記デジタル処理におけるステップ数
が１００以上１００００以下であることが好ましい。
これにより、アナログ方式に劣らないＳ／Ｎ比で検波部での検波を行うことができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出結果に応じた電圧信号を出力する検波部と、
前記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の出力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、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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】
【００１７】
【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】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１０】本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
【図１１】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】
【００１８】
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。
【００１９】
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の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。
【００２０】
＜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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、検波回路４１と、電圧制御型水晶発振器４２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Cryst
al Oscillators）と、逓倍合成部４３と、発振器４４と、分周器４５と、を有する。
【００２３】
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。
【００２４】
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（受光部）とを有する。
【００２５】
（光源）
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
〈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、検波回路４１と、電圧制御型水晶発振器４
２と、逓倍合成部４３と、発振器４４と、分周器４５と、を有する。
【００３６】
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および検波回路４１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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
検波回路４１、分周器４５から出力される数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数の信号を
用いて増幅器３１の出力信号を同期検波する。この検波回路４１は、分周器４５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
。
【００４０】
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。
【００４１】
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（位相変調周波数）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。
【００４２】
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。ここで、分周器４５の出力信号の周波数は、前述した逓倍合成部４３の出力信
号の位相変調周波数成分と等しい。
【００４３】
光源２２、原子セル２１、光検出器２３、増幅器３１、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。
【００４４】
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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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の出力信号の位相変調周波数成分の周
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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、検波部である検波回路４１と、電圧制御型水晶発振器４２と、逓倍合
成部４３と、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２１を通過した光を検出する。検波回路４１は、光検出器２
３の検出結果に応じた電圧信号を出力する。電圧制御型水晶発振器４２は、検波回路４１
からの電圧信号に応じた周波数の信号を出力する。逓倍合成部４３は、電圧制御型水晶発
振器４２の出力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て周波数逓倍す
るとともに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。
【００５６】
このような原子発振器１によれば、電圧制御型水晶発振器４２の出力信号の位相変調に
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。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。
【００５７】
特に、逓倍合成部４３における位相変調のデジタル処理におけるステップ数を１００以
上１００００以下とすることにより、アナログ方式に劣らないＳ／Ｎ比で検波回路４１で
の検波を行うことができる。
【００５８】
また、逓倍合成部４３は、逓倍率を段階的に変更することにより電圧制御型水晶発振器
４２の出力信号の位相変調を行う。これにより、比較的簡単な構成で、デジタル処理を用
いて電圧制御型水晶発振器４２の出力信号を位相変調することができる。
【００５９】
さらに、逓倍合成部４３は、フラクショナル位相同期回路４３１を有する。これにより
、比較的簡単かつ安価な構成で、デジタル処理を用いて電圧制御型水晶発振器４２の出力
信号を位相変調することができる。
【００６０】
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。
【００６１】
＜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。
【００６２】
図９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。
【００６３】
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
。
【００６４】
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９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。
【００６５】
図９に示す原子発振器１Ａは、逓倍合成部４３Ａを有する回路部１０Ａを備える。逓倍
合成部４３Ａ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４３Ａは、電圧制御型水晶発振器４
２の出力信号を周波数逓倍する位相同期回路４３１Ａと、発振器４４の出力信号に基づい
て位相同期回路４３１Ａ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４３２Ａ
と、を有する。
【００６６】
位相同期回路４３１Ａは、例えば、設定値が可変なダイレクトデジタルシンセサイザー
４３１１（ＤＤＳ）を有しており、ダイレクトデジタルシンセサイザー４３１１の設定値
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、制御部４３２Ａは、例えば、
ＣＰＵであり、発振器４４の出力信号に基づいて、前述したダイレクトデジタルシンセサ
イザー４３１１の設定値を制御することで、位相同期回路４３１Ａの逓倍率をデジタル処
理により段階的に変更する。これにより、逓倍合成部４３Ａは、前述した第１実施形態の
逓倍合成部４３の出力信号と同様の波形を有する信号を出力する。
【００６７】
このように、逓倍合成部４３Ａがダイレクトデジタルシンセサイザー４３１１を有する
ことにより、比較的簡単かつ安価な構成で、デジタル処理を用いて電圧制御型水晶発振器
４２の出力信号を位相変調することができる。
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。
【００６８】
２．電子機器
以下、本発明の電子機器について説明する。
【００６９】
図１０は、本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
図１０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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
３．移動体
図１１は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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】
【００８１】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、２…量子干渉ユニット、１０…回路部、１０Ａ…回
路部、２１…原子セル、２２…光源（光源部）、２３…光検出器（光検出部）、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（検波部）、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、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、３０
０…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、４
３１…フラクショナル位相同期回路、４３１Ａ…位相同期回路、４３２…制御部、４３２
Ａ…制御部、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、４３１１…ダイレク
トデジタルシンセサイザー、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、Δ
Ｅ…エネルギー差、Δｆ…振幅、ω０…周波数、ω１…周波数、ω２…周波数
【図１】
2017188712.tif 000003
【図２】
2017188712.tif 000004
【図３】
2017188712.tif 000005
【図４】
2017188712.tif 000006
【図５】
2017188712.tif 000007
【図６】
2017188712.tif 000008
【図７】
2017188712.tif 000009
【図８】
2017188712.tif 000010
【図９】
2017188712.tif 000011
【図１０】
2017188712.tif 000012
【図１１】
2017188712.tif 000013