令和2年11月27日
NICT電磁波研究所シンポジウム2020

原子時計チップの開発とその社会実装に向けたシナリオ
国立研究開発法人情報通信研究機構
電磁波研究所 時空標準研究室
原 基揚

Contents
1. 未来展望と開発方針

2. 原子時計チップの開発進捗

3. NICTにおけるその他の先進的取り組み

4. まとめ2

通信システムの展開予想 5G IoTのその先へ
携帯電話の枠を超え、モノのインターネット(IoT)を志向した5GCore network

BackhaulInfrastructure
Base station (Master)

Repeater

インターネットは対象を”ヒト”から“モノ”に変え、そのカバー率を100%とすることを目指している。
その先に求められる通信インフラとは？

Base station(Slave)

User
Edge server3通信システムの展開予想 2030年を見据えてファイバーリンク同期網
光周波数標準

通信基幹系

Core network

BackhaulInfrastructure

高周波基地局の密配置
エッジサーバ密配備(高度演算のクラウド化)

基地局

Base station (Master)

利用帯域の高周波化(mmw→subTHz)

通信規格
Repeater

通信帯域のフレキシブル利用

ユーザアプリケーション
Base station(Slave)

User
Edge server- 基幹系の光化
固定系

固定式防犯カメラの普及
センサネットワークによるインフラ保全・天候監視- 基地局の高周波化、高機能化
ドライブレコーダ普及
エッジサーバを活用した視野拡張、衝突回避
自動車ベース(ミリ波, サブTHzの活用。マルチアンテナによるMIMO,SDMA)
自動運転
スカイカー
エッジサーバを活用した視野拡張、防犯- 個人ベース
ユーザデバイスでは高周波から光まで、シームレスでフレキシブルな
スマートドローン
周波数資源の活用
宅配無人ドローン

その他

アバターロボティクス

高速・大容量・低遅延化の更なる加速
4

通信システムの展開予想 2030年以降の応用展開
ファイバーリンク同期網
光周波数標準

通信基幹系

Core network

BackhaulInfrastructure

高周波基地局の密配置
エッジサーバ密配備(高度演算のクラウド化)

基地局

Base station (Master)

利用帯域の高周波化(mmw→subTHz)

通信規格
Repeater

通信帯域のフレキシブル利用ユーザアプリケーション
Base station(Slave)

固定系

User
Edge server

固定式防犯カメラの普及
センサネットワークによるインフラ保全・天候監視
ドライブレコーダ普及

自動車ベース

エッジサーバを活用した視野拡張、衝突回避
自動運転
スカイカー

個人ベース

エッジサーバを活用した視野拡張、防犯
スマートドローン

その他

宅配無人ドローン
アバターロボティクス

インフラの拡充に伴い、様々なアプリケーションが開花する。
興味深い応用分野はたくさんありますが、全てを話すには時間が足りません・・・

5

近未来予想の一例
例えば) スマートカメラドローンシステム
デバイス間時刻同期(測長・測位)● 無線時刻同期● ドリフトフリークロック(原子時計)
原子時計on Smartphone→ GPS衛星の携行

パーソナルな領域での●視野拡張
●顔認証
●感情判別

CLOUD computing
AI processing
Memorize

Smart drones

Secure gate

もちろん。社会通信インフラの拡充も大切●次世代クラウド●次世代通信

AI画像処理のクラウド化

高速大容量(高周波化)

大容量メモリクラウド

遅延管理(高周波化＋マルチアンテナ)

パーソナル境界でのセキュリティ

6

現状と開発方針GPSの脆弱性を補完する原子時計
船舶・航空機ではパームトップサイズで十分 → パーソナルシステムへの搭載には壁NICTでは原子時計をチップ化する研究開発を進めています。
7

小型原子時計
87Rb>
<87Rb

Atomic resonatorg F=2/3
193.7497 MHz

52P3/271.9112 MHz
229.8519 MHz
302.0739 MHz

F=3

133 Cs<133Cs>266.6501 MHz
g F=2/3

F=2

12.7985 MHz

62P3/2

188.4885 MHz

156.9471 MHz
gF=2/3F=1
72.2180 MHz
gF=2/3F=0(0.93 MHz/G)

384.2305 THz( l=780.2412 nm)

339.7128 MHz

Clocktransition

2.5630 GHz

g F=2/5(0.56 MHz/G)
263.8006 MHz

351.7257 THz(l=852.2473 nm)

F=2
g F=1/2(0.70 MHz/G)

g F=1/4(0.35 MHz/G)

6.8347 GHz

62S1/2

F=49.1926 GHz

4.2717 GHz

RF OSC.

Clocktransition

4.0218 GHz

52S1/2Discriminator→Error signal

F=5250.0916 MHz
g F=4/15(0.37 MHz/G) F=4
201.2871 MHzg F=0(0.00 MHz/G) F=3
151.2247 MHz
g F=-2/3(-0.93 MHz/G) F=25.1709 GHz
g F=-1/2
F=1(-0.70 MHz/G)

g F=-1/4(-0.35 MHz/G) F=3Using a hyper-fine splitting, we obtain an
原子の吸収スペクトルを周波数の標準に活用
atomic resonance in GHz band.

Atoms (e.g., 87Rb)
LasersourcePhotodetector

Currentdriver

Physics package

原子共鳴(物理パッケージ)

CPT resonancefclock/2

fmod

Modulation
Lock-in
Amplifier(discriminator)

Lo-f modulation
fmod → fclock/2
fmod

Digitaldiscriminator

高周波発振器Error signal
fclock/2

RF oscillator

比較(デジタル判別器)

RF oscillator

フィードバック

8Contents
1. 未来展望と開発方針

2. 原子時計チップの開発進捗

3. NICTにおけるその他の先進的取り組み

4. まとめ9

開発の進捗 既存製品のキャッチアップ
MICRO SEMIPHYICS
PACKAGE
物理パッケージ

3.5 cmDetector

アルカリガス

Alkali gas

Laser light source
レーザ光源

検出器

1.2 cmHeaterヒータ

4 cm
Discriminator
判別器

Size：4cmx3.5cmx1.1cm
Power consumption:<120 mW
Physical package:16%
RF control circuit:
40%(VCO+PLL) :(19%+21%)
Lock-in-Amp.:
32%
Regulation and other passive components
: 12%
NIST

AIST

Loop filter
ループフィルタ

Current電流源
sourceMicrowave
oscillator
変調用発振器(for Modulation)

高周波発振器：広いボード占有面積、高い消費電力
デジタル判別系：
広いボード占有面積、高い消費電力
ガスセル(物理パッケージ)：
スタック構造による高すぎるデバイスハイト

10開発の進捗 既存製品のキャッチアップ
高周波発振器：広いボード占有面積、高い消費電力
圧電薄膜を利用したGHz帯機械共振子発振器を開発 （PLL free 技術)

ガスセル(物理パッケージ)：スタック構造による高すぎるデバイスハイト
光MEMS技術を利用したコンパクトなガスセルの開発

デジタル判別系：広いボード占有面積、高い消費電力
圧電薄膜の非線形振動を活用した分周発振器の開発 (Lock-in Amp. Free技術)
世界初のNICTオリジナル技術で原子時計のチップ化技術をリード！

11高周波発振器の小型化 圧電薄膜技術とCMOS技術の活用
Microwave Oscillator<Conventional>

Controlsignal<Our approach>Control
ControlsignalSignalM Frequency divider
Loop
Phase comparator filter

VCO
Tuning cap.

Tuning cap.
Tuning cap.

3.4GHz-bandmechanicalresonator

Microwave oscillator
using a 3.5-GHz-band FBAR

Quartzoscillator
LCoscillator

M. Hara et. al., Rev. Sci. Instrum.
(2018)
M. Hara et. al., IUS2019. (2019)

従来MHz帯のバルク水晶発振器とPLL回路で吸収スペクトルのあるGHz帯に周波数逓倍提案技術
GHz帯の薄膜発振器で吸収スペクトルのあるGHz帯を直接発振小型化・低消費電力化に成功

12高周波発振器の小型化 圧電薄膜技術とCMOS技術の活用
Microwave Oscillator<Conventional>

Control
ControlsignalSignalM Frequency divider
Loop
Phase comparator filter

VCO
Tuning cap.

原子時計への組込実験(周波数安定度評価)

Tuning cap.
Tuning cap.

3.4GHz-bandmechanicalresonator

10-6

Microwave oscillator
using a 3.5-GHz-band FBAR

10-7

Quartzoscillator

BAW発振器(フリーランニング)

10-8
M. Hara et. al., Rev. Sci. Instrum.
(2018)
M. Hara et. al., IUS2019. (2019)yLCoscillator

アラン偏差
アラン分散 ssy

Controlsignal<Our approach>10-910-10TCXO

10-1110-12BAW発振器(原子時計動作)Cs beam standard
OCXO
Rb vapor standard

10-13 -1
10100101102(s)平均時間 tt(s)平均時間

ラックマウント式の原子時計に遜色ない、周波数安定度を確認

13

コンパクトなガスセルの開発 MEMS技術の活用
Conventional
光源(VCSEL)Our approach
光源(VCSEL)

受光器(フォトダイオード)● ガスセルへのMEMSミラー集積化+ 干渉光路の効率設計(薄くても長い光路長)+ 光半導体素子の片面集約→集積化

受光器(フォトダイオード)

ガスセル

ガスセル

-9
1.00E-09

10

L = 6 mm
L = 2 mm

N2＋Ar Buffer (2回目)

アラン偏差N2＋Ar Buffer (1回目)

Allan deviation sy

周波数変動 (ppb)

N2 Buffer (2回目)-10
1.00E-1010反射型セルでは、世界に先駆けて原子時計動作を確認！

N2 Buffer (1回目)
10-11
101 0

1.00E-11

経過時間(s)101101002
10003
1010
Averaging time t [s]

平均時間(s)

1000041014デジタル判別系の省略(1) 非線形効果の活用
CMOS amp.

ハーモニック注入同期型発振器

RF input

FBAR

原理: FBAR発振器の非線形効果

fRF
RRF

Vdc

特徴:

小型・低消費電力
CMOS コンパチ

Balance type oscillator

2nd harmonics injection → divided-2-mode
CMOS

3rd harmonics injection → No response

Output
出力（＋）

RF注入

信号強度

信号強度

Injection INBAW

出力（―）

Output +周波数(GHz)

周波数(GHz)15デジタル判別系の省略(2) 自励発振による判別器の省略

Atomicresonator Atomic resonatorAtomic resonator
Atomic resonator Atomic resonatorAtomic
resonator
Atomicresonator Atomic resonatorAtomic
resonator

Discriminator→Error signal

Photodetector

fclock/2

RFDiscriminator
OSC.
→Error signal

Discriminator
RFamp.
OSC.
RF OSC. Inverting→Error signal

??

amp.
Divider
Inverting amp. Inverting

??
Amp.

f/2

f/2

Divider

Amp. Divider

Amp.

87Rb)
Atoms (e.g.,Self
oscillation Self
like oscillationa quartzSelfosc.?
oscillation
likea quartz likeosc.?a quartz osc.?
87Rb)
CPT atomic clockneeds
a feedCPT
backatomicsignalwithneeds
halfsignal
afclock
feedwith
backhalf
signalwith half
Current
Atoms(e.g.,fclock
Laser
CPT
atomicclock
needs
aclockfeedback
fclockdriversourcePhotodetector

fmod

Lock-in
Amplifier(discriminator)

fclock/2

LasersourceCurrent
driverfmod

Lo-f modulation
fmod → fclock/2
fmod

fclock/2??

f/2

RF oscillator

fclockn0 - fclock/2
n0 + fclock/2

nfclock

1/2

Frequency
dividerfmod → fclock/2

Amplifier16社会展開に向けて
民間セクターの活用には市場の明確化と共に製造コストも重要● テクノロジーダウン（65nm CMOS → 180nm CMOS)
65nm CMOS MEMS発振器(既開発)を180nm CMOSプロセスで再版 脱VDEC● 歩留まりを低下させる部品選別の緩和(スクリーニングフリーテクノロジ)<発振器の初期周波数の可変化>
スイッチング回路の集積化

Vctl
Vdd
R1

Vctl

R2

R3
VC1

M1

Buffer
Amp.

M1

R4

M2

C2

C1

M2

C2

C1

BAW
Vdd Vcoarse

Buffer
Amp.

Cb2

FBAR

Cb1

Output-Output+

C6

Vsw1
Cb2

Selector 1

Output-

Vss

C4

C5

M3

R4

VC2

VC2

Cb1

C3

Vss

R3

VC1

R1

Output+<VCSEL初期波長の可変化>
MEMS+VCSELコンポジット構造の提案

R2

Vdd

Bufferamp.

Vdd Vcoarse

M4Vsw5

Buffe
ramp.

Selector 5C3

Vss

Vout+

C6M3

Vss
Vout-C4

C5

Vss

Sub circuit: selector
Vdd
Vcoarse

M4

Vss

Vsw1

電流注入端子(+)

可動鏡駆動端子(GND)

電流注入用配線（－）
可動鏡駆動端子●サプライチェーンを意識した材料開発
新規RbソースRbN3の国内製造と当該試薬の分解評価

可動鏡駆動端子(下方駆動)
自立構造(メンブレンエリア)●技術支援制度を利用したオープン化
原子時計動作評価系 / CPTシミュレータ

17Contents
1. 未来展望と開発方針

2. 原子時計チップの開発進捗

3. NICTにおけるその他の先進的取り組み

4. まとめ18

原子時計チップ以外にもデバイス間時刻同期(測長・測位)● 無線時刻同期● ドリフトフリークロック(原子時計)
原子時計on Smartphone→ GPS衛星の携行

パーソナルな領域での●視野拡張
●顔認証
●感情判別
CLOUD computing
AI processing
Memorize

Smart drones

Secure gate

● 無線時刻同期 → 無線双方向時刻同期技術(WiWi)● 原子時計チップの今後の開発- ドリフトフリーなクロックが巷にあふれる。
⇒ 自律分散系でありながら、同時に皆でシステムクロックを共有する方法は？
19

無線双方向同期時刻同期技術WiWi(1)時空間同期：個々のデバイスが時刻同期し、互いの位置を把握する状態が維持される。
A
無線双方向時刻比較技術（ワイワイ）

B

時刻差と距離を高精度に計測

ΔTA=(TB-TA)+D
ΔTB=(TA-TB)+D

D=(ΔTA + ΔTB)/2（伝搬時間＝両計測の和）TB - TA =(ΔTA - ΔTB)/2（時刻差＝両計測の差）20

無線双方向同期時刻同期技術WiWi(2)モジュール化・フィールド
テストが進捗
21

原子時計クラスターネットワークのモデリング
将来像
原子時計が巷に溢れる一方、時刻精度のニーズも多様化- ローカルネットワークでの時刻の最尤点推定は？
- 最適な時刻配信は？

時刻配信ネットワークのモデル化・精度評価
WiWi技術と原子時計チップとを前提とし、ローカルネットワークでの時刻推定精度をシミュレーションモデル化

既存技術(CSAC, FPGA, マイクロPC)をベースに実証実験を進め、シミュレーションにフィードバック

22Summary

1. 未来展望と開発方針

光化・高周波化・ソフトウェアによる効率化
GPSの補完・補強としての原子時計の小型化

2. 原子時計チップの開発進捗
MEMS、圧電素子、集積回路技術を駆使した原子時計のチップ化→ よりパーソナルなものに

3. NICTにおけるその他の先進的取り組み
時空間同期技術の確立
社会実装に向けたクラスターモデルの構築と検証

23

Thank you for your attention.

Q&A
24