†Csビーム型原子時計=Csを加熱によってビーム状に放射させ、時計遷移に相当するマイクロ波を、インターバルを置いて2回、相互作用させる。これによってラムゼー共振を誘起し、Csの時計周波数(約9.12GHz)を狭線幅に取得する。周波数安定度は10−12台である。
†水素メーザー原子周波数標準=中性水素原子メーザーを用いた周波数標準。約1.42 GHzで発振し、10−13程度の高い周波数安定度を得る。
†原子泉型周波数標準=マイクロ波を作用させた冷却原子を噴水状に打ち上げて、自由落下させたのち、再度、マイクロ波を照射する。Csビーム方式よりマイクロ波との相互作用のインターバルを長く確保できるため超狭線幅な共振が実現され、10−15オーダーの優れた周波数安定度が得られる。
詳細は後述するが、原子時計の小型化の契機となったのは、1993年のCPT(Coherent Population Trapping)共鳴を利用した周波数標準器の提案1)である(別掲記事「CPT共鳴とそれを活用した周波数標準」を参照)。
本方式は原子からの時計遷移を原子への変調レーザーの照射のみで取得することができるため、原子ビームを生成する加熱炉やマイクロ波干渉を得る導波管など、微細化が困難な装置類を原子時計から除去できる可能性が示された。
そして、2000年代に入り、MEMSパッケージやレーザー受発光素子のチップ化・低コスト化が成熟し、米国国立標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology:NIST)を中心にCPT方式を用いた小型原子時計の実装が報告され、モジュールデバイスとして市販されるに至った2)3)。
このMEMS技術を活用したNISTの報告は世界に大きな衝撃を与えた。
小型原子時計モジュールは、国防的な意図を持った大規模プロジェクトの下、開発が進められたが、今後は、当該技術に集積回路技術や微細加工技術を詰め込み、格段の小型・低コスト化を図って民生用途の市場へ浸透・拡散を図るフェーズへとシフトチェンジしていくだろう。
そして、このフェーズは我が国が得意としてきた精緻(せいち)なキャッチアップ戦略と整合する。
チップ化への道しるべ
CPT方式を用いた小型原子時計モジュールの開発は、NISTから欧州、中国そして日本へと波及した注1)。
情NICTにおいても、ここからさらに小型化を推進し、オンチップレベルにまで集積化する研究を進めている。
注1)各国での小型原子モジュールの研究状況については参考文献4)5)6)を参照されたい。また、小型化のシナリオについては、参考文献7)が参考になる。
CPT原子時計のシステムブロックを図2(a)に示す。
原子時計はガスセルを含む量子光学系①と高周波発振系③、そして、量子光学系からスペクトルを得て高周波発振器へ周波数補正用のエラー信号を供給するデジタル判別系②の3つのシステムからなる。
この3つの中で、高周波発振器とデジタル判別器とが消費電力とボード面積の70%近くを占有することが知られている7)。
特に、高周波発振器は水晶発振器などの多数のオフチップ部品から構成されていることから、小型化・低消費電力化の余地が大きいと考えられる。
そこで、我々は、水晶発振器とPLL(Phase Locked Loop)ベースの周波数逓倍器からなる従来の高周波発振器ではなく、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を活用したBAW(Bulk Acoustic Wave、体積弾性波)発振器に着目した。
これにより、高周波発振器はBAW素子と増幅器のみで構成され、さらにワンチップ化も視野に入れることが可能となる。
図2 CPT原子時計のシステムブロック
従来のCPT原子時計のシステムブロックは3つの要素に分けることができる(a)。
量子光学系を共振器と捉え、自励発振系を構築できれば、デジタル判別器を省略でき、原子時計システムの格段の小型化が期待される(b)。(図:筆者)
参考文献
1)N.Cyr et al., “All-optical microwave frequency standard:a proposal," IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, vol.42, pp.640, 1993.
2)J.Kitching et al., “Miniature vapor-cell atomic-frequency reference," Appl. Phys. Lett., Vol.81(3), pp.553, 2002.
3)R.Lutwak et al., “The MAC-a miniature atomic clock," in Proc. IEEE IFCS 2005, pp.752, 2005
4)J.Haesler et al., “Swiss miniature atomic clock:First prototype and preliminary results," in Proc. EFTF 2012, pp.312, 2012.
5)J.Zhao et al., “Chip scale atomic resonator frequency stabilization system with ultra-low power consumption for optoelectronic oscillators," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control., Vol.63(7), pp.1022, 2016.
6)H.Zhang et al., “ULPAC:a miniatured ultralow-power atomic clock," IEEE J.Solid-State Circuits, Vol.54(11), pp.3135, 2019.
7)R.Lutwak, “Principles of atomic clocks," in Tutorial Material of the IEEE IFCS 2011.
8)M.Hara et al., “Microwave oscillator using piezoelectric thin-film resonator aiming for ultraminiaturization of atomic clock," Rev. Sci. Instrum., Vol.89(10), 105002, 2018.
9)M.Hara et al., “Drift-free FBAR oscillator using an atomic-resonance-stabilization technique," IEEE IUS2019, pp.2178, 2019.
10)H.Nishino et al., “A reflection-type vapor cell using anisotropic etching of silicon for micro atomic clocks," Appl. Phys. Express, Vol.12(7), 072012, 2019.
11)H.Nishino et al., “A reflection type vapor cell based on local anodic bonding of 45°mirrors for micro atomic clock," in Proc. Transducers & Eurosensors XXXIII, pp.1530, 2019.
12)Y. Yano et al., “Micro-device-technologies toward chip level integration of Microwave Atomic Clock System," in Proc IEEE IFCS2020, 2020.
13)J.S.Hodge et al., “Timekeeping with electron spin states in diamond," Phys. Rev. A, 87, 032118, 2013.
14)R.T.Harding et al., “Spin resonance clock transition of the endohedral fullerene 15N@C60," Phys. Rev. Lett., 119, 140801, 2017.
15)S.Knappe et al., “Advances in chip-scale atomic frequency references at NIST," in Proc. SPIE, Vol. 6673, 667307, 2007.
16)Y.Yano et al., “High-contrast coherent population trapping based on crossed polarizers method," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, Vol. 61(12), pp.1953, 2014.
17)M.Hara et al., “Injection Locking Type 1/2 Frequency Divider Employing Poezoelectic MEMS resonator for Simplifying the Micro Atomic Clock System," in Proc IEEE MEMS 2020, pp.1195, 2020.
18)J.F.DeNatale et al., “Compact, low-power chip-scale atomic clock," in Proc. IEEE/ION Position, Location Navigat. Symp., pp. 67, 2008.
19)D.W.Youngner et al., “A manufacturable chip-scale atomic clock," in Proc. Int. Solid-State Sensors, Actuat. Microsyst. Conf., Jun. 2007, pp.39, 2007