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情報通信研究機構(NICT)では、原子の発光スペクトルを活用したクロック安定化技術のオンチップ実装を目指している。本誌2020年6月号Perspective「原子時計のチップ化が導く、高精度デジタルツイン」では、高安定なクロックチップを小型化し、様々なデバイスに組み込むことによって得られる社会的インパクトについて述べた。本稿では、この高安定なクロックチップを実現するためのキー技術について紹介する。

NICTが開発を進めている原子時計向け発振器
NICTが開発を進めている原子時計向け発振器
MEMS技術を駆使して作成される圧電振動子を活用することで、ゴマ粒大のRF発振器の実現を目指している。(撮影:スタジオキャスパー)
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 現在、セシウム(Cs)ビームを利用したラックマウントサイズの原子時計が各国の時刻標準の生成に広く採用されている(図1)。情報通信研究機構(NICT)にも18台のCsビーム型原子時計が配備され、水素メーザーや原子泉型の周波数標準と組み合わせて日本標準時(Japan Standard Time:JST)の生成を担っている。Csの吸収遷移、いわゆる時計遷移がSI単位系の秒の定義として1967年に採用され、その後、GPS衛星への搭載とともに、原子時計は堅牢な筐体への収納・集積が進み、計測器サイズのラックマウントへと進化していった。しかし、ラックマウント実装は可搬ではあるものの、ハンドキャリーには重厚で、先進デバイスとなるエッジサーバーや携帯端末への高精度な周波数/時刻標準源の搭載には、さらなる技術革新を必要とした。

図1 原子時計のサイズトレンドとアプリケーション
図1 原子時計のサイズトレンドとアプリケーション
1967年にCsの吸収線が秒の定義に採用されてから、ラックマウント実装による小型化が進み、現在、数cm角のモジュールが発売されるに至っている。今後はチップサイズの原子時計が市場に登場することになるだろう。これに伴い、スマートフォンやドローンなど、原子時計の応用は格段に拡張される。(図:筆者、写真:PIXTA)
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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。