(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンピング方式の原子発振器において、
マイクロ波共振器としてスロット線路共振器を、原子が励振される位置に配置したことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
該スロット線路共振器が、該誘電体基板を挟んでスロット線路に直交するようにマイクロ波を入力するマイクロストリップ線路を形成したことを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項２において、
該スロット線路共振器上に該原子を封入した容器を搭載し、該スロット線路共振器及び容器を、ポンピング光通過孔及び受光素子を有する金属ケースで覆ったことを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項２において、
該誘電体基板と同じ材料でできておりポンピング光通過孔を有すると共に該原子を封入した容器を該スロット線路共振器と一体形成したことを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
請求項２において、
該スロット線路及びポンピング光通過孔を除いて外面を金属導体でメタライズしたガラス容器をプリント板上に搭載し、該プリント板の裏面に該マイクロストリップ線路を形成したことを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子発振器に関し、特に光ポンピング方式のパッシブ型原子発振器に関するものである。
近年、情報のディジタルネットワーク化が進み、これに伴い、高精度・高安定なクロック源が必要不可欠となっている。そのクロック源としては、ルビジウム原子発振器等の原子発振器が注目されているが、装置への実装形態から、小型化・薄型化が期待されている。
【０００２】
【従来の技術】
従来から知られている原子発振器として光−マイクロ波共鳴装置を備えたルビジウム原子発振器が図7に概略的に示されている。
この原子発振器は、ポンピング光源16、この光源16からのポンピング光を入射させる光通過孔15a,15bを備えた円柱空胴共振器40、この空胴共振器40を小型化するために共振器内部に内包されるドーナツ型の誘電体41、この誘電体41にさらに内包されるルビジウム原子を封入したガスセル42、このガスセル42を通過したポンピング光を検出する光検出器14、この光検出器14の出力を検波して一定の周波数を得るための周波数制御回路17、周波数制御回路17からのマイクロ波を入力して空胴共振器40内にマイクロ波を励振するためのアンテナ43、空胴共振器40の共振周波数をルビジウム原子の共鳴周波数に同調するための同調ネジ44、ガスセル42の温度を、サーミスタ等の感熱素子21で検出しヒーター抵抗18を流れる電流を制御することにより一定に保つための温度制御回路19、及びこの温度制御回路19によって制御されるトランジスタ20から構成されている。
【０００３】
動作において、マイクロ波空胴共振器40が、周波数制御回路17からアンテナ43を経てルビジウム原子の共鳴周波数である6834.682・・・・MHzにて励振されると、ガスセル42内のルビジウム原子はポンピング光源16から入射された光を吸収する。この現象は光検出器14の出力低下により確認できる。
【０００４】
従って、マイクロ波空胴共振器40が励振する上記のマイクロ波周波数を、光検出器14の出力が低下するマイクロ波周波数に周波数制御回路17が制御することで、ルビジウム原子の共鳴周波数に同期した高安定な周波数の出力信号を得ることができる。
【０００５】
このような従来例では、ガスセル42を内包する誘電体41を共振器40内に設ける必要があることから、利用し易い空胴共振器40が用いられて来た。この空胴共振器40も小型化を実現するために様々な試みが成され、使用共振モードの変更や、高誘電物資充填等の工夫が行われて来た。
【０００６】
図7に示した従来例では、円柱空胴共振器の基本モードであるTE111を利用し、アルミナセラミック誘電体41を内蔵することにより、直径16mm、長さ25mmの空胴共振器40を実現している。この空胴共振器40を利用して、近年では厚さ（高さ）23mm（95cc）のルビジウム原子発振器が市販されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、市場は更なる小型化、低コスト化を求めており、上記のような従来の空胴共振器を利用した原子発振器では、以下に述べるように対応が困難となっている。
【０００８】
市場の要求を満たすには、大きな空間を必要とする空胴共振器に代わるマイクロ波共振器が必要であり、その一例として、「半同軸共振器」を用いたルビジウム原子発振器（厚さ18mm）が海外メーカーより提供され始めている。
しかしながら、この半同軸共振器は機構精度が直接共振周波数に影響を与えるため、周波数調整機構が付加されるのが普通である。このため、機構構造が複雑になり、価格が高くなってしまう。
【０００９】
また、共振周波数の調整が必要であり、調整工数等の増加によるコストが増大する。更に、共振器への励振は機構的なアンテナまたはプローブが必要となり、この点でも機構が複雑になりコスト増要因となる。
従って本発明は、小型化が可能であり、かつ共振周波数調整が不要で、アンテナやプローブを必要としない安価な光ポンピング方式の原子発振器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図１に良く知られているスロット線路の電磁界分布図を示す。高誘電体基板1上に金属導体2が形成（メタライズ）されている。そして、或るスリット間隔で金属導体2が剥離（除去）されてスロット線路3が形成されると、接地電位の金属導体2の端部には電界が集中し伝送線路を形成する。その電磁界分布は図示の磁力線4と電気力線5になり、方形導波管の基本モードであるTE10に類似したモードとなる。
【００１１】
一方、マイクロ波帯の回路ではマイクロストリップ線路が良く用いられる。これは、線路断面構造が簡単であること、また、接地導体が誘電体裏面に配置されており、電磁界の多くは誘電体内部に分布するため、分散特性が小さくなり、通過損失が少なく、クロストーク等も比較的少ないので集積化が容易であることに因っている。
【００１２】
このようなマイクロストリップ線路を用いたマイクロ波共振器も実現されているが、上記のように磁界が外部に影響しないという特徴があるため、原子発振器には応用が難しいという点がある。
これに対し、スロット線路の電磁界は上記のとおり広範囲に分布し、分散特性が大きい特徴を有する。これは通過損失が大きく、クロストーク等の不要結合の防止を考慮する必要があり、伝送線路としては利用し難いことを意味する。
【００１３】
しかしながら、「原子発振器のマイクロ波共振器への応用」という別の観点からすると、スロット線路には下記に示す多くの利点がある。
▲１▼「分散特性が大きい」→原子との磁気結合が容易である。
▲２▼「TE波である」→磁界の分布のみが線路軸（伝搬方向）に沿って存在するので光ポンピング領域を広く確保することが可能になる。
【００１４】
▲３▼「MMIC化が容易」→共振周波数は基本的にはスロット線路の長さで決定されるため、共振周波数の無調整化が可能である。
▲４▼「異種線路との結合が容易」→マイクロストリップ線路等の結合が容易であるため、入出力結合回路も含めてMMIC化が簡単に実現できる。
【００１５】
そこで、本発明では、マイクロ波共振器としてスロット線路を用いた共振器を、原子が励振される位置に配置することで、小型／薄型で、かつ、共振周波数調整が必要無い低コストな原子発振器の実現を可能にしている。
図2にスロット線路を用いた共振器の構成例を示す。このスロット線路共振器10は、好ましくは誘電体基板1の上面に金属導体2がメタライズされており、その導体面に例えば幅Ｗ、長さλs/2のスロット線路3が剥離形成されている。なお、λs はスロット線路での実効誘電率から算出される例えばルビジウム原子の共鳴周波数6834.682・・・MHzに相当する1波長を示す。
【００１６】
また、誘電体基板1の裏面にはスロット線路3の中心を通り、スロット線路3から例えばλm/4の点にオープン端を形成するマイクロストリップ線路6が、互いに直交するように設置されている。なお、λm はマイクロストリップ線路6での実効誘電率から算出される例えばルビジウム原子の共鳴周波数6834.682・・・MHzに相当する1波長を示す。
【００１７】
いま、このマイクロストリップ線路6からマイクロ波が入力されると、マイクロストリップ線路6とスロット線路3とのクロスジャンクション（交差）部で電磁界の結合が生じ、マイクロストリップ線路6を伝播していたマイクロ波がスロット線路3へと伝播される。
【００１８】
この電磁界結合は好ましくはルビジウム原子の共鳴周波数である6834.682・・・MHzで効率よく結合する寸法になっており、またスロット線路3はその周波数で共振するように設定されている。この共振時の電磁界分布は図3に示す磁力線4と電気力線5になる。
【００１９】
このようにしてスロット線路共振器10を誘電体1の厚さにほぼ依存した薄型の構造にすることができる。
そして、このスロット線路共振器10の上に該原子を封入した容器（ガスセル）を搭載し、該スロット線路共振器10及び容器を、ポンピング光通過孔及び受光素子を有する金属ケースで覆うことにより薄型の原子発振器を得ることができる。
【００２０】
また、上記の誘電体基板1と同じ材料でできておりポンピング光通過孔を設けて該原子を封入した容器を該スロット線路共振器10と一体形成することもできる。
また、上記のマイクロストリップ線路は、容器の裏面又は別のプリント板上に形成されており、該容器を該プリント板上に搭載することにより該マイクロストリップ線路と該スロット線路とで該スロット線路共振器を形成することができる。
【００２１】
さらに、上記の容器の内部を金属導体でメタライズし且つその上側をガラスコーティングして電磁波シールドと原子との化学反応を抑制することが好ましい。さらに、上記のスロット線路及びポンピング光通過孔を除いて外面を金属導体でメタライズしたガラス容器をプリント板上に搭載し、該プリント板の裏面に該マイクロストリップ線路を形成してもよい。
【００２２】
上記のメタライズした容器の外周には加熱用のヒーター抵抗をパターン形成することができる。
上記の誘電体は例えばアルミセラミックである。
上記の原子としては、ルビジウム又はセシウムを用いることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図4に本発明に係る原子発振器の実施例(1)を示す。同図(1)はX-Y断面を示し、同図(2)はX-Z断面、そして同図(3)は斜視図を示している。
この実施例においては、図2に示したように、スロット線路3と外部結合回路として利用するマイクロストリップ線路6とが誘電体基板1の両面でクロスジャンクションを形成するように従来から良く知られているフォトエッチング技術により容易に形成される。
【００２４】
このスロット線路共振器10の共振磁界が分布する領域にルビジウム原子11を封入した光透過性の容器であるガスセル12を図示の如く設置する。この実施例では、磁界との密結合を考慮し、スロット線路3の上に載せる形態をとっているが、磁界との結合が十分であればスロット線路3を形成する金属導体2から浮かせてもよい。この場合は当然、ガスセル12を形成するガラスの比誘電率を加味してスロット線路3の設定を行う。
【００２５】
スロット線路共振器10及びガスセル12は金属ケース13で覆い、不要光の入射防止、不要電波、及び外部磁気からの影響を防止する。
この金属ケース13にはポンピング光源16からのポンピング光を導入するための光通過孔14が設けられており、また、その光強度をモニターするための受光素子15が取付けられている。受光素子15の出力は周波数制御回路17に与えられ、この周波数制御回路17からのマイクロストリップ線路6にマイクロ波が与えられて図7の従来例と同様の共振周波数制御が実行される。
【００２６】
さらに、ガスセル12を加熱しサーミスタ21により一定温度に制御するために温度制御回路19が設けられトランジスタ20を制御することによりヒーター抵抗である面発熱シート18の電流を制御している。
温度制御回路19の加熱回路としては面発熱シート18を直接金属ケース13に貼り付けても良いし、誘電体基板1を加熱しても良い。いずれにしても誘電体基板上に接続ランドを設ければ容易に付加できる。
【００２７】
なお、図示していないが、ルビジウム原子の遷移エネルギーバンドを明確に分離するための静磁場印加回路が設けられる。この静磁場印加回路は磁場によるルビジウム原子の超微細構造(σ遷移)を得るために、スロット線路共振器10が作る磁界と平行に静磁界を印加するものとして良く知られている。
【００２８】
このように本発明によれば、マイクロ波共振器が誘電体基板上に、フォトエッチング技術によるパターン形成にて行える。つまり、これまでの機構部品に依存した共振器に比較して、非常に薄く実現できることになる。従って、従来例と比較して薄型の製品提供が可能になる。
【００２９】
但し上記の実施例では、製品の厚さを決定する要因として、ガスセル12を形成するガラス容器のガラス厚みが占める割合が大きくなって来る。
そこで、図5に示す実施例(2)では、上記のようなガスセルを無くしている。
すなわち、同図(1)に示すように、アルミナセラミックを用いたパッケージ22にはポンピング光を入射する孔23aとモニターする孔23bが設けてあり、それらの孔23a,24bにはそれぞれガラス24a,24bが融着されている。このガラス24a,24bはアルミナセラミックと熱膨張係数が同程度なコバールガラスが適している。
【００３０】
パッケージ22は底部220の裏面（同図(2)に示すプリント板28に接触する面）を除き、金属導体がメタライズされており、底部220の上面には金属導体2中にスロット線路3が設けられ、ルビジウムの共鳴周波数で共振する共振器が形成されている。
【００３１】
また、このパッケージ22にはプリント板28への実装用に固定機構が設けてあり、図ではネジ止めを想定し、ネジ穴を設けた突起25を4角に設置している。実装を半田付けで行う場合は半田リードを設けておけば良い。
また、パッケージ22には導管26が設けられ、ルビジウムガスの導入時に利用する。
【００３２】
パッケージ22にはフタ27が被せられ、パッケージ内部が閉じられるようにしている。このフタ27もアルミナセラミックを材料とし金属導体でメタライズしたものを用いる。これは、パッケージ22の材質と膨張係数を合わせる目的と、EMI対策として、導電性を具備させるためである。
【００３３】
パッケージ22の内部とフタ27の内側にはガラスコーティングを施した後、両者をガラス融着で貼り合わせる。内部にガラスコーティングする理由は、材質であるアルミナセラミック及び金等と、ルビジウム原子との化学反応を抑制するためである。
【００３４】
この後、導管26よりルビジウムガスを導入し、導管26を封止する。
封止して完成したものは図7に示した従来例の「ガスセル」に相当するものとなる。これをプリント板28上に実装する。
この時、プリント板28上にマイクロ波励振用の結合回路であるマルクロストリップ線路6を、パッケージ22の裏面に対応する位置（同図(2)に点線で示す。）に予め形成しておく。パッケージ22の底面部は金属導体でメタライズされていないので誘電体基板1を介してマイクロストリップ線路6とのクロスジャンクション部を形成し、パッケージ内部へのマイクロ波励振を可能にしている。
【００３５】
なお、図5の実施例では、マイクロストリップ線路6（同図(2)）とスロット線路3（同図(1)）を別の基板上に形成したが、パッケージ22の底面にマイクロストリップ線路6を形成しても良い。
また、パッケージ22の外面のメタライズ部分は回路パターンとしての利用も可能になる。たとえば抵抗体をプリントしておけば、図4(1)に示した温度制御回路19に接続されるヒーターとしての機能を付加することも容易に実現できる。
【００３６】
図6に本発明の更に別の実施例(3)を示す。この実施例では、同図(1)に示すガラスセル30の全外面を金属導体でメタライズし、底部300の裏面においてスロット線路3を剥離し、側面310a,310bの光通過孔31a,31bのみ金属導体を剥離しておく。
【００３７】
そして、プリント板28の裏面に同図(2)に示す如くストリップ線路6を形成した後、プリント板28上に、点線で示す如くガラスセル30を実装すればそれだけでガラスセル30の内部をマイクロ波で励振することができる。
なお、上記の実施例(2)及び(3)においては、図4に示したポンピング光源16や受光素子15、周波数制御回路17、温度制御回路19、及び感熱素子がパッケージ22の外側に設けられることは言うまでもない。
【００３８】
（付記１）
光ポンピング方式の原子発振器において、
マイクロ波共振器としてスロット線路共振器を、原子が励振される位置に配置したことを特徴とする原子発振器。
【００３９】
（付記２）付記１において、
該スロット線路共振器が、該誘電体基板を挟んでスロット線路に直交するようにマイクロ波を入力するマイクロストリップ線路を形成したことを特徴とする原子発振器。
【００４０】
（付記３）付記２において、
該スロット線路共振器上に該原子を封入した容器を搭載し、該スロット線路共振器及び容器を、ポンピング光通過孔及び受光素子を有する金属ケースで覆ったことを特徴とする原子発振器。
【００４１】
（付記４）付記２において、
該誘電体基板と同じ材料でできておりポンピング光通過孔を有すると共に該原子を封入した容器を該スロット線路共振器と一体形成したことを特徴とする原子発振器。
【００４２】
（付記５）付記４において、
該マイクロストリップ線路を該容器の裏面又は別のプリント板上に設け、該容器を該プリント板上に搭載することにより該マイクロストリップ線路と該スロット線路とで該スロット線路共振器を形成するようにしたことを特徴とする原子発振器。
【００４３】
（付記６）付記５において、
該容器の内部を金属導体でメタライズし、さらにガラスコーティングしたことを特徴とする原子発振器。
（付記７）付記２において、
該スロット線路及びポンピング光通過孔を除いて外面を金属導体でメタライズしたガラス容器をプリント板上に搭載し、該プリント板の裏面に該マイクロストリップ線路を形成したことを特徴とする原子発振器。
【００４４】
（付記８）付記７において、
該容器の外周に加熱用のヒーター抵抗をパターン形成したことを特徴とする原子発振器。
（付記９）付記２において、
該誘電体がアルミナセラミックであることを特徴とする原子発振器。
（付記１０）付記１において、
該原子がルビジウムであることを特徴とした原子発振器。
【００４５】
（付記１１）付記１において、
該原子がセシウムであることを特徴とした原子発振器。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明に係る原子発振器によれば、マイクロ波共振器としてスロット線路共振器を、原子が励振される位置に配置したので、マイクロ波共振器を基板上のパターン形成にて簡単に実現できる。これは「薄い共振器」の実現が可能であることを示している。
【００４７】
また、このスロット線路共振器の共振周波数はパターン形成によるスロット線路長により決定されるため、スロット線路の実効誘電率のバラツキを抑えれば無調整で所望の共振周波数が得られる。
その寸法例としては、ルビジウム原子の共鳴周波数6834GHz帯での共振を得る場合、レジン系の基板材（比誘電率εr＝3.6）を用いた場合、スロット線路長は16mm前後、アルミナセラミック（εr＝9.5）を用いた場合にはスロット線路長は12mm前後で実現できる。
【００４８】
また、セシウム原子の共鳴周波数9192MHz帯での共振を得るにはレジン系の基板材（εr＝3.6）を用いた場合、スロット線路長は12mm前後、アルミナセラミック（εr＝9.5）を用いた場合にはスロット線路長は9mm前後で実現でき、小型化が可能となる。
【００４９】
従って、上記の実施例(1)及び(2)では、金属ケース13又はパッケージ22のサイズが20×15×5mmで済み、実施例(3)ではガラスセル30
のサイズが20×15×4mmで済むことになる。これは、特に厚さ（高さ）において、図7に示した空胴共振器より大幅に薄型化されていることが分かる。
【００５０】
さらに、本発明のスロット線路共振器はマイクロストリップ線路等の異種線路との結合が容易であり、入出力結合回路がパターン設計により行える。従って、装置としてのコスト削減に寄与できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原子発振器に用いるスロット線路の原理を説明するための図である。
【図２】本発明に係る原子発振器に用いるスロット線路共振器の構成例を示した斜視図である。
【図３】本発明に係る原子発振器に用いるスロット線路共振器の共振時の電磁界分布図である。
【図４】本発明に係る原子発振器の実施例(1)を示した図である。
【図５】本発明に係る原子発振器の実施例(2)を示した図である。
【図６】本発明に係る原子発振器の実施例(3)を示した図である。
【図７】従来例を示した図である。
【符号の説明】
1  誘電体基板
2  金属導体
3  スロット線路
4  磁力線
5  電気力線
6  マイクロストリップ線路
10  スロット線路共振器
11  ルビジウム原子
12  ガスセル
13  金属ケース
14,23a,23b,31a,31b  光通過孔
15  受光素子
16  ポンピング光源
17  周波数制御回路
18  ヒーター
19  温度制御回路
22  パッケージ
220  底部
24a,24b  ガラス
25  突起部
26  導管
27  フタ
28  プリント板
30  ガラスセル
300  底部
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【図１】
0003811079.tif 000002
【図２】
0003811079.tif 000003
【図３】
0003811079.tif 000004
【図４】
0003811079.tif 000005
【図５】
0003811079.tif 000006
【図６】
0003811079.tif 000007
【図７】
0003811079.tif 000008