電気電子系 News

超省エネ・小型の原子時計の開発に成功

自動車やスマートフォン、小型衛星などにも搭載可能な高精度時計

2019.03.01

要点

これまで不可能だった小型電子機器に搭載できる原子時計を開発
従来型の大きな原子時計と同等の周波数安定度を実現、消費電力、サイズを一桁以上低減
政府が進めるIoTが支えるソサエティ5.0（超スマート社会）の実現にも貢献

概要

国立大学法人東京工業大学、株式会社リコー、国立研究開発法人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^[用語1]を開発した。この原子時計は、構成部品のひとつである周波数シンセサイザ^[用語2]の消費電力を大幅に削減し、さらに新たな量子部パッケージ^[用語3] を用いることで温度制御の効率を向上させ、60 mWという低消費電力と15 cm³という極小サイズを実現している。

この研究成果は、大型で消費電力が大きかった原子時計のサイズおよび消費電力を大幅に削減することで、これまで搭載が難しかった自動車やスマートフォン、小型衛星など、様々な機器に原子時計を搭載可能となり、自動運転、高精度な測位、新たな衛星ネットワークの実現を大きく加速させる可能性がある。

研究成果の詳細は、2月17日から米国サンフランシスコで開催される「ISSCC 2019（国際固体素子回路会議）」で発表される。

本研究開発の成果の一部は、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）の委託業務の結果得られたものである。

開発の背景

1927年に正確な時を刻む水晶振動子を用いる時計が発明された。それ以来、この仕組みは腕時計などにも搭載されて普及し、人々がお互いに正確な時刻を共有することが当たり前という社会システムを支える技術的根幹の一つとなっている。現在、大型の原子時計を時刻の基準とし、水晶発振器を同期させることで時刻を得ているが、原子時計を小型化して水晶発振器の代わりとして利用することができるようになれば、大きな技術的・社会的変革が得られるとして、汎用な小型原子時計の実現に対する期待が年々高まっている。

米国のGPSに代表される衛星測位システムでは、衛星間で時刻同期が必要で、原子時計を用いる事で安定的かつ高精度な測位が可能となる。汎用な小型原子時計が実用化されれば、自動車やスマートフォン、超小型衛星、携帯電話の基地局などの様々な機器で利用できる。また、ビル屋内、海底、トンネル、橋梁などGPSの届かない場所での大型構造物のモニタリング（高精度計測）に用いる複数センサ間の時刻同期や、複数の人工衛星を使った低軌道衛星コンステレーション^[用語4]による地球規模インターネットの実現、自動車や航空機等の移動体における安定的かつ高精度な測位、またそれによる自動運転技術の実現が期待される。

課題

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では、共振器の大きさでサイズが決まり小型化できない問題点があった。そこで、コヒーレントポピュレーショントラッピング（CPT）^[用語5]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。しかしながら、周波数シンセサイザや、レーザーを駆動するためのドライバ回路といった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。

研究成果

今回、高精度でありながら2 mW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、60 mW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（図1）。開発した小型原子時計は、消費電力を大幅に削減しながら、大型の原子時計とほぼ同等の1日で300万分の1秒以下の精度を達成した。この原子時計は、電圧制御水晶発振器^[用語6]、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^[用語7]へのレーザー光照射を行う量子部パッケージ（図2）で構成される。

開発した小型原子時計（内寸33 mm x 38 mm x 9 mm）

図1. 開発した小型原子時計（内寸33 mm x 38 mm x 9 mm）

量子部パッケージ

図2. 量子部パッケージ

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（9,192,631,770 Hz）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している。

周波数シンセサイザは、レーザー光の周波数差を0.3 mHz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、原子時計の構成要素において50 mW以上の大きな電力を占める構成部位だった。開発した原子時計は、周波数シンセサイザをCMOS集積回路（図3）で作りこむことで、消費電力を25分の1以下まで削減することに成功、2 mWの消費電力を達成した。

CMOS集積回路

図3. CMOS集積回路

さらに、新たな量子部パッケージの構造を採用し、ヒーターによる温度制御の際に、外部の温度が伝わりにくくなるような隔離機構を設けるとともに、パッケージ内部を金でコーティングした。温度制御の効率を向上させることで、電力を消費しがちなヒーターの消費電力を9 mWまで削減した。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。

従来の周波数標準器では、図4に示すように、消費電力と周波数安定度はトレードオフの関係にあったが、開発した原子時計（ULPAC）は、良好な周波数安定度と低い消費電力を両立しており、サイズも15 cm³と非常に小型である。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た。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。

従来品との比較

図4. 従来品との比較

※ TCXO（温度補償水晶発振器）、MCXO（マイコン補償水晶発振器）、OCXO（恒温槽付水晶発振器）

今後の展開

開発した原子時計は、非常に小型で消費電力も小さいため、自動車、スマートフォン、小型衛星等、様々な機器への組み込みが可能である。従来は搭載できなかった様々な機器で高精度な原子時計が搭載可能となり、自動運転やGPSの代替、高精度計測など、政府が進めるIoTが支えるソサエティ5.0（超スマート社会）の実現に貢献すると期待できる。この開発品は、5年後を目途に販売開始を目指す。

発表予定

この成果は、2月17日から米国サンフランシスコで開催される国際会議ISSCC 2019（IEEE International Solid-State Circuits Conference 2019）において発表予定。現地時間2月20日午後3時15分から「Ultra-Low-Power Atomic Clock for Satellite Constellation with 2.2×10^-12 Long-Term Allan Deviation Using Cesium Coherent Population Trapping （衛星コンステレーションに向けたセシウムコヒーレントポピュレーショントラッピングを用いた2.2×10^-12の長期アラン偏差を達成する超低消費電力原子時計）」という題目で発表が行われる。

講演

講演セッション :	Session 29: Quantum & Photonics Technologies
講演時間 :	現地時間2月20日午後3時15分
講演タイトル :	Ultra-Low-Power Atomic Clock for Satellite Constellation with 2.2×10^-12 Long-Term Allan Deviation Using Cesium Coherent Population Trapping （衛星コンステレーションに向けたセシウムコヒーレントポピュレーショントラッピングを用いた2.2×10^-12の長期アラン偏差を達成する超低消費電力原子時計）
著者 :	Haosheng Zhang（東工大博士後期課程3年生）、Hans Herdian（東工大博士後期課程1年生）、 Aravind Tharayil Narayanan（元東工大博士研究員）、白根篤史（東工大助教）、鈴木暢（リコー、NMEMS^※）、原坂和宏（リコー、NMEMS）、安達一彦（リコー、NMEMS）、柳町真也（産総研主任研究員、NMEMS）、岡田健一（東工大准教授） ※ 技術研究組合NMEMS技術研究機構
会議Webサイト :	2019 ISSCC Program 2019 ISSCC Conference Timetable

用語説明

[用語1] 原子時計 : 原子と電磁波の共鳴現象と、一般的な時計に利用される水晶発振器の周波数をリンクさせている時計。そのため、一般的な時計より精度の高い時計装置の実現が可能である。マイクロ波領域の電磁波を利用した原子時計では、セシウム（Cs）原子やルビジウム（Rb）原子が装置内に封入される。

[用語2] 周波数シンセサイザ : 1つの発振器デバイスの信号を基準として種々の異なる周波数をもつ信号を発生させる回路、あるいはその回路を含む装置。

[用語3] 量子部パッケージ : ヒーターと測温素子からなる温度制御機構と、面発光レーザー素子（VCSEL-Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、偏光光学素子、セシウム原子を封入したガスセル、受光素子からなる原子時計の心臓部に当たるデバイスで、原子共鳴信号の検出機構を小型のパッケージに集積化した。小さい電力で一定温度の安定性を実現するために、外部へ熱が伝わる経路を可能な限り遮断する隔離機構と、パッケージ内部を高真空で封止した断熱構造となっている。

[用語4] 衛星コンステレーション : 低軌道衛星は数時間周期で地球を周回しており、全世界をカバーするために、多数の衛星を軌道投入し協調動作をさせる。そのようなシステムを衛星コンステレーションと呼ぶ。

[用語5] コヒーレントポピュレーショントラッピング（CPT） : 原子と電磁波の共鳴現象の一種。セシウム原子に光を照射すると、通常であれば吸収が起きて透過光量は減少する。そこに2種類の周波数をもつ光を照射するとセシウム内で特殊な状態が生成され光の吸収量が減少し、すなわち透過光量が増加、共鳴現象が観測される。これまではセシウムとマイクロ波（波長3 cm）の直接相互作用となる共鳴現象を利用するしかなかった。このCPTを利用すれば光の波長程度（約900 nm）の領域でも、原子と電磁波の共鳴現象の発現が可能となる。

[用語6] 電圧制御水晶発振器 : 制御電圧を変えることにより出力周波数を調整できる水晶発振器。

[用語7] セシウム133原子 : セシウム原子の同位体の中で、放射線を出さず、自然界で唯一安定して存在する原子である。