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2019年2月19日、消費電力が極めて低い小型の原子時計を開発したと発表した。この原子時計は、構成部品の1つである周波数シンセサイザーの消費電力を大幅に削減したほか、新たな量子部パッケージを用いることで温度制御の効率を向上させ、60mWという低消費電力と15立方センチメートルという極小サイズを実現している。
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、小型衛星など、様々な機器に組み込める。これまで搭載できなかった機器に、高精度な原子時計を搭載できる（写真1）。自動運転やGPSの代替、高精度計測などに貢献できる。リコーは、5年後を目途に開発品の販売開始を目指す。
図1：開発した小型原子時計（内寸33mm×38mm×9mm）拡大画像表示
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）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ことで、時間の基準となる正確なマイクロ波周波数を検出できるようにした。これにより、これまで数百立方センチメートルのサイズだった原子時計を、一桁以上小型化した。
しかし、周波数シンセサイザーや、レーザーを駆動するためのドライバー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が求められるため、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。
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ーを実現した。さらに、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の消費電力で動作する小型原子時計の開発に成功した（図1）。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。
図2：小型原子時計は60ミリワットで動作する（出典：東京工業大学、リコー、産業技術総合研究所）拡大画像表示
原子時計は、電圧制御水晶発振器、周波数シンセサイザー、レーザーのドライバー回路、制御回路、セシウム133原子へのレーザー光照射を行う量子部パッケージで構成する。
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（9,192,631,770Hz）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ーは、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、原子時計の構成要素において50mW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ーをCMOS集積回路で作りこむことで、消費電力を25分の1以下まで削減することに成功、2mWの消費電力を達成した。
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9mWまで削減した。高安定レーザードライバー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、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立方センチメートル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。
研究成果の詳細は、2019年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（IEEE International Solid-State Circuits Conference <国際固体素子回路会議>2019）」で発表される。なお、研究開発の成果の一部は、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。
