産総研、手のひらサイズの小型原子時計を実現する技術

(左)モジュール実装された小型原子時計、(右)量子部内に配置されたVCSELとCsガスセル

　国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)物理計測標準研究部門高周波標準研究グループ、首都大学東京 システムデザイン学部電子情報システム工学科および株式会社リコーは、長期的に非常に安定した手のひらサイズの小型原子時計を開発した。

　近年広がりつつあるIoTではさまざまなものから情報が発信されるが、これらの情報には正確な時刻情報が付随する必要がある。このような時刻情報はGPSなどの全地球航法衛星システムを通じて提供されているが、電波妨害やなりすましといった情報改ざんのリスクがあるため、IoT端末内部に実装可能な大きさの原子時計が求められている。

ライトシフト揺らぎ抑制技術概要

　小型の原子時計は一般的に、量子干渉効果の一種である「CPT(Coherent Population Trapping)共鳴」を利用する。基板面に対して垂直にレーザー光を放射する半導体レーザー「VSCEL(Vertical Surface Emitting Laser)」に周波数変調を加えて、2種類の周波数のレーザー光を生成し、セシウム(Cs)原子を相互作用させるもので、原子の固有周波数を得ることができる。

　一方この過程では、原子のエネルギー準位が変化する「ライトシフト」も同時に発生してしまうため、Cs原子の固有周波数が変動してしまい、長期的かつ安定的に駆動する小型原子時計の実現が難しかった。

　今回研究グループでは、VSCELが発振する波長の経年変化がライトシフトの揺らぎと関与していることを解明したが、ライトシフトの揺らぎを直接抑制しようとすると消費電力が増加してしまう。そこで、半導体レーザーの基礎方程式に基づいた駆動方法「ゼロクロス法」を考案し、小型原子時計に適用し検証を行なった。

従来品とゼロクロス法を適用した本開発品の性能比較

　効果の検証は150日以上の長期間にわたって実施。その結果、ゼロクロス法を適用すると、Cs原子の固有周波数変動を十分に抑制できることが明らかとなり、平均時間を約50日間とした場合では、従来のものと比べて100倍の安定性が得られた。

　同グループでは、小型原子時計のさらなる安定化を目指し、研究開発を進めるとしている。