東工大ら,低消費電力/小型の原子時計を開発

東京工業大学,リコー,産業技術総合研究所の研究グループは,消費電力が極めて低い小型の原子時計を開発した(ニュースリリース)。

従来の原子にマイクロ波を照射する共振器を持つタイプの原子時計は小型化できない問題点があった。しかし,コヒーレントポピュレーショントラッピング(CPT)を用いて,マイクロ波で変調したレーザー光を原子に照射するだけで時間の基準となる正確なマイクロ波周波数の検出が可能となり,これまで数百cm3のサイズだった原子時計を一桁以上小型化することができた。

だが,原子時計の構成要素は,それぞれ非常に高い精度を求められるため消費電力を下げることが難しく,結果として,原子時計全体の消費電力が数百mWと高くなってしまう課題があった。

研究グループは今回,高精度でありながら2mWという超低消費電力な周波数シンセサイザの実現および新たな量子部パッケージによる温度コントロールの効率化で,60mWの超低消費電力な小型原子時計(ULPAC: Ultra-Low-Power Atomic Clock)の開発に成功した。この原子時計は,電圧制御水晶発振器,周波数シンセサイザ,レーザーのドライバ回路,制御回路,セシウム133原子へのレーザー光照射を行なう量子部パッケージで構成される。

CPTを利用した原子時計では,セシウム133原子に2つの周波数のレーザー光を照射する。この2つのレーザー光の周波数差がセシウム133原子に固有の共鳴周波数に一致したときに,検出される光強度が最大となる。これを利用して電圧制御水晶発振器を校正し,原子時計の基準となる非常に安定した周波数を作りだす。

周波数シンセサイザは,レーザー光の周波数差を0.3mHz以下の非常に細かい周波数ステップで変えるために用いられ,従来,50mW以上の電力を占めていたが,ULPACは,周波数シンセサイザをCMOS集積回路で作りこむことで消費電力2mWを達成した。さらに,新たな量子部パッケージで温度制御の効率を向上し,ヒーターの消費電力を9mWまで削減した。さらに,高安定レーザードライバ回路および高精度温度制御回路により長期間での周波数安定性も改善した。

ULPACはサイズも15cm3と小型。今回,105秒(約1日)の平均化時間で2.2×10-12の長期周波数安定度を達成し,一般的な水晶発振器を搭載した時計と比べ,約10万倍も正確な時計を実現した。

これにより,従来は原子時計が搭載できなかった様々な機器への搭載が可能となり,自動運転やGPSの代替,高精度計測など,IoTが支えるソサエティ5.0(超スマート社会)の実現に貢献が期待できるという。なお,ULPACは,5年後を目途に販売開始を目指すとしている。

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