「センサ端末同期用原子時計(ULPAC:Ultra-Low
Power Atomic Clock)の研究開発」成果発表
国立研究開発法人産業技術総合研究所
計量標準総合センター物理計測標準研究部門/NMEMS技術研究機構
柳町 真也
2018年10月18日幕張メッセ
MEMSセンシング&ネットワークシステム展2018

《開発テーマ概要》【センサ端末同期用原子時計の研究目的】
RIMSへの適用仕様
初期設定周波数確度≦ 1×10-11
周波数ドリフト≦ 1.2×10-14/日
温度依存性 -10℃~70℃≦ 5.0×10-10
磁場依存性 ≦ 2Gauss≦ 9.0×10-11 /Gauss
消費電力 ≦ 1mW
サイズ ≦ 15×15×5mm3【現状】《同期が必要》【将来】《10年間同期が不要》
実
現可能性の検証： 原子時計1

《開発テーマ概要》【本プロジェクトでの目標設定】【原子固有の周波数の読み取る装置構成】

時協
刻定
同世期界
か時らと10の年誤後差の[秒]消費電力 [mW]【時刻精度向上における技術課題】
ガスセル内分圧変動（拡散、温度）

PD

Ar
N2

Cs（蒸気）

・ACシュタルクシフトが光強度に依存
・1次光の比率が変調度に依存

加熱

拡散空気(He)VCSEL励起光変動（強度、変調度）

Cs（液体）
ガラス加工方式ガスセル

周波数シフトの変動‐3次 ‐2次 ‐1次 0次 1次 2次 3次(搬送波λ=894.6nm)

変調したVCSELからの出射光分布 サーミスタ

ライトシフトの変動

VCSEL

2

《研究推進体制》
参画機関
国立研究開発法人
国立大学法人
産業技術総合研究所 京都大学

一般財団法人マイクロマシンセンター 株式会社リコー

国立大学法人
東京工業大学

公立大学法人
首都大学東京技術開発項目

時刻同期性能の向上

低消費電力化

小型・低コスト化

課題

周波数ドリフトの低減

制御回路、及び量子部
温度維持電力の低減

構成部品の高歩留化、組み立技術の高度化

・ガスセル内環境安定化技
術の開発
・サーミスタ、VCSEL等量子部構成部品の安定性検討

・低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発
・PLL回路を用いない制御回路の開発

取り組み

・高断熱型量子部の開発
・ガスセル内環境計測・発振周波数補正技術の開発
・量子部温度制御技術の開発
・VCSELエージング処理

・ガラス加工方式ガスセルの小型化

・高断熱型量子部の開発
・VCSELの高歩留化
・低ガス透過性材料を用いたウェハー加工方式ガスセルの開発
・制御回路のCMOS集積化

・アルカリ原子励起用フォトニック結晶レーザーの基礎検討

3

《プロトタイプ基盤技術：時刻精度向上》[成果] 高純度ガスセルと波長調整ＶＣＳＥＬの制御条件最適化で1.0×10-12/日以下を実現
123

3回繰り返し

4

上部
DBR
共振器

分析用高清浄セル
Φ5mm×9mm

高純度ガスセル2mm×2mm×2mm

共振波長マッピング

小型高純度ガスセルの開発

レーザ描画用
自動生成パターン

波長調整層一層除去

下部DBR
DBRペア数を調整

ＶＣＳＥＬ波長調整技術による最適波長化

1.0

規格化周波数偏差

規 0.5
N2単体格化 0.0
N2/Ar : 混合比2.55
周
動作温度-0.5
波【ガスセル温度特性評価結果】
Ar単体数 -1.0
偏差 -1.5x10-64050

60708090100

ガスセル温度(℃)
ガスセル温度[℃]

混合バッファガスによる温度依存性の改善

平成29年度原子時計プロトタイプの性能

4現時点での進捗状況《プロトタイプ製作》
ULPACプロトタイプの開発目標
2016年度目標（実績）
10ms/6ヵ月（10ms/6ヵ月）

2017年度目標（実績）
10ms/8ヵ月（10ms/14ヵ月）

2018年度目標

消費電力

120mW
（114mW）

90mW（75mW）

60mW

サイズ

40×40×18mm340×35×11mm330×30×11mm3

時刻精度

プロトタイプ2017の制御基板

10ms/12ヵ月

プロトタイプ2018の制御基板

量子部

マイコン

CMOS
集積回路

ADC

28.0mm33.0mm

TCXO

量子部
マイコン
28.0mm

38.0mm

CMOS
集積回路

現時点での進捗状況《基盤技術：評価技術》[成果]屋外連続稼働実験で課題を抽出（環境温度影響など） 規格
磁気センサ
加速度センサ 温湿度センサ

分解能0.1μｓで評価

恒温槽で５℃置きの周波数偏1.0 差を評価(温度補正機能付)化
周波 0.0数
3×10-10
偏 -1.0(目標仕様≦ 10×10-10)
差-2.0×10-9 -1010305070
環境温度 [℃]

原子時計
プロトタイプGPSレシーバ

2.0

平成29年度原子時計プロト（40×35×11mm3）(a) 温度依存性の評価結果

GPS(1PPS)基準の原子時計評価装置
I3 環境温度
2520[℃]

1510(b) つくば市の気温変動（18年間）

50-5051015202530351ms以下[日]

設置環境温度の変動

2個/箇所×４箇所
屋外実証実験（2017年12月～）(c) つくば市の18年間の気温変動の時刻精度への影響予測

温度変化の時刻精度への影響 8《プロトタイプ屋外評価》《GPSから取得する正確な時刻と比較検証》
環境温度の変化
60604040

温度 [℃]

環境温度 [℃]505030302020Temp

101000ULPACとTCXOの比較(時刻偏差)-10-100.20

0

時刻誤差
時刻偏差[秒][s]

0.00.00

50100150

200

250

経過時間 [Day] (2017/12/27- 2018/08/19)

0.06秒

-0.20

-0.4
-0.40

ULPAC(H28)

-0.60

-0.8
-0.80

TCXO dTime

-1.00

-1.2
-1.20

ULPAC dTime

高精度TCXO

-1.40

-1.6
-1.60

1.5秒
00

5050

100100150
150

200200経過時間[日]
経過時間[Day] (2017/12/27-2018/08/19)

250250

屋外連続稼働(H29.12.27～H30.08.07)
9

《将来技術：時刻精度向上》
１．低ガス透過型拡散結合方式ガスセル[成果]サファイア製ガスセルでCPT共鳴観測

２．デュアルガス補正法[成果]リアルタイム補正で８倍の時刻精度

0.0

frequency variation

周波数
偏差材料

透過定数(相対値)

石英1

パイレックス

0.1

サファイア＜ 5×10-4-0.5

パイレックス・Ne-7.0×10-11 /日

-1.0

-1.5

'7kPa''7.80kPa_pylex_Ne'

-2.0

石英・Ne
-3.5×10-10 /日-2.5-3.0x10

-90

100

200

300

400

500

600

elapsed time (1000 s)

経過時間×1000s

ガスセル材料（透過定数）の周波数への影響

デスクトップ型デュアルガス補正のリアルタイム処理系《リアルタイムの周波数補正式》

𝜈𝜈02 − Δ 𝐶𝑃𝑇2 𝜈01 デュアルガスセルで
𝜈𝐶𝑃𝑇1
リアルタイムに測定∆𝜈1 =𝛽2′𝜈𝐶𝑃𝑇2
計測前の測定でΔ− ′𝜈𝐶𝑃𝑇1
𝛽1 決定可能6.20x10Rb-3CPT共鳴-1.0 × 10-12/日

Signal (Arb. U.)

6.18
6.16

Cs

6.14
6.12
6.10
6.08
6.06
48000

50000

52000

54000

56000

58000

60000

62000

Detuning frequency (Hz)サファイア製ガスセル

Cs-CPT共鳴観測

周波数掃引（繰り返し）

デュアルガス補正後

Cs・Rb-CPT共鳴同時観測 Cs-CPT共鳴周波数 10

《将来技術：低消費電力化》
３．フォトニック結晶レーザ[成果]SiCフォトニック結晶製造技術立上げ

４．原子時計の間欠駆動制御[成果]間欠駆動シミュレータ立上げ

１） Si → SiC による短波長化（894nm）
低欠陥SiCフォトニック結晶製作技術[休止時]
TCXOのフリーランにより周波数を刻む

稼働：300秒120mW[稼働時]
量子部は、瞬時に再現性良く立ち上がると仮定

休止：3300秒
7mW

解析モデル/条件
Q値：57万アラン
標準偏差Allan standard deviation

フォトニック結晶レーザの適用イメージ

1010-1010-1110-12実験

10SiCフォトニック結晶

Q値観測結果TCXOのフリーランの影響を推定可能なことを確認

解析-90101102103104

Averaging time (s)

平均化時間

105106稼働時120 mWでも 30mW 以 下 に できる可能性

間欠駆動におけるアラン標準偏差の推定

11《現時点で可能性のある応用例》
本プロジェクトでは、電源を有する施設であれば、NTP（Network Time Protocol）による数分から数十分おきの同期で維持する10mｓの精度を同期無しに１年間保証できる原子時計を開発した。これは、ビルなどの建造物における震災時の建物健全性診断に使う振動計ネットワークの時刻同期を１年間不要にできるレベルにある。

『建物健全性診断システム』
振動データ：原子時計搭載センサ端末

自動解析

自動解析

自動解析

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本研究は国立研究開発法人新エネル
ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託研究業務の結果得られた成果です。

ご清聴ありがとうございます。
より詳細はパネル展示スペースにてご説明申し上げます。

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