光で時を刻む新Cs原子“光時計”の研究開発光で時を刻む新Cs原子“光時計”の研究開発

研究代表者

中沢 正隆 東北大学電気通信研究所

研究分担者

吉田 真人† 廣岡 俊彦† 池上 健†† 萩本 憲†† 渡部 謙一††

飯田 力弘††† 熊谷 芳宏†††

†東北大学電気通信研究所 ††産業技術総合研究所 †††横河電機株式会社

研究期間 平成17年度～平成19年度

戦略的情報通信研究開発推進制度（SCOPE）第4回成果発表会平成20年6月11日

Research Institute of Electrical Communication

Cs光時計

先端光通信技術 マイクロ波発生・計測技術

時間標準技術

光周波数標準信号 マイクロ波～ミリ波信号

・・・・・・

・光周波数の高精度位相制御技術および多値通信への応用

・高安定なレーザによるDWDM伝送・光ネットワークの高性能化／光ワイヤレス伝送

・光周波数の高精度位相制御技術および多値通信への応用

・高安定なレーザによるDWDM伝送・光ネットワークの高性能化／光ワイヤレス伝送

・高速光検出器を用いたビート法による高純度マイクロ波発生

・高精度な光のものさしの実現・次世代光スペクトラムアナライザ・e-Measure

・高速光検出器を用いたビート法による高純度マイクロ波発生

・高精度な光のものさしの実現・次世代光スペクトラムアナライザ・e-Measure

・光パルス出力による高精度な時間基準信号の実現

・高安定クロック信号の遠隔供給

・光パルス出力による高精度な時間基準信号の実現

・高安定クロック信号の遠隔供給

光マイクロ波発振器

Cs共鳴セル

本研究の目的本研究の目的

高安定なピコ秒パルスレーザ（光マイクロ波発振器）を利用した新たなCs光原子発振器“光時計”を世界に先駆けて実現する。

研究内容およびその役割分担研究内容およびその役割分担

（１）ラック搭載型超高安定Cs光原子時計の開発（東北大学、横河電機担当）

高安定な光マイクロ波発振器（モード同期ファイバレーザ）とCs原子の二重

共鳴セルを組み合わせ、産総研が所有する一次標準器と同程度の短期安定度を有する超高安定なCs光原子時計をラックマウントサイズで実現した。（Csの原子発振器と同じ安定度の光パルスの発生が可能）

小型Cs共鳴セル（Φ25 mm, 長さ25 mm）

ラック搭載型Cs光時計

JGNⅡ光ファイバネットワーク

（２）CPT法を用いた小型Cs光原子時計の開発（産総研担当）

低コストで小型のCs光原子時計の実現を目指し、 CPT（Coherent Population Trapping）法を用いた小型Cs共鳴セ

ルの開発を行なった。

（３） Cs光原子時計の出力光クロック信号の光ファイバ配信実験（東北大学担当）

JGNⅡ光ファイバネットワーク（つくば－大手町間往復200 km）および実験室に配置した225 km、525 kmの光ファイバ伝送路を用いて、（１）で作製したCs光原子時計から出

力される光パルス信号（クロック信号）の光ファイバ配信実験を行ない、伝送に伴う高精度クロック信号のSN比、ジッタ、および周波数安定度の変化について詳細に測定した。

つくば

柏

大手町

（１）ラック搭載型超高安定Cs光原子時計の開発（１）ラック搭載型超高安定Cs光原子時計の開発

時刻表示器

1 秒基準信号出力

同期信号

生成回路9.1926 GHz

PI 制御回路クロック

抽出器

クロック

抽出器

光強度変調器 光アイソレータ

光フィルタ PZT

PM-DSF

1.48 µm 励起光源 PM-

EDF

負帰還 制御回路

位相弁別器

位相変調用

発振器 マイクロ波

位相変調器

移相器

時刻表示器

同期信号

生成回路

周波数安定化

回路

光マイクロ波

発振器

(電気制御部)

Cs二重共鳴

セル

(レーザ部)

H17年度

H18年度H17年度

H17年度

H19年度

光パルス出力

Time

幅54 cm×奥行63 cm×高さ183 cm

従来のCs原子時計はレーザではなく水晶発振器を用いており、光パルスの発生

が出来ない。このため光ネットワークとなじみが薄い。

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-10 -5 0 5 10

Inte

nsity

[a.u

]

Time [ps]

2.6 ps

パルス波形（自己相関）

Time

移相器

偏波保持分散シフトファイバ

クロック抽出器

1.48 µm励起光源

光パルス出力

光アイソレータ

光強度変調器

PZT光フィルタ

偏波保存エルビウム添加ファイバ(16 m)

(200 m)

(3 nm)

マイクロ波出力 9.19 GHz

光マイクロ波発振器およびCs二重共鳴セルの構成光マイクロ波発振器およびCs二重共鳴セルの構成

原子共鳴部

BS

9.19 GHz

空洞共振器参照セル部

マイクロ波入力（光マイクロ波発振器より）

ガスセル

PD

852.1 nm

PD －＋

二重共鳴信号

9.19 GHz

励起光源部

Cs原子緩衝気体(Ar, N2)

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

1.02

-1000 -500 0 500 1000

Res

onan

ce s

igna

l [a.

u]Frequency [Hz]

420 Hz

二重共鳴線スペクトル

Cs光原子時計の周波数安定度評価Cs光原子時計の周波数安定度評価

Cs光原子時計の周波数安定度

平均時間τ=1 s商用Csビーム管 : 2.4×10－11

光励起Csガスセル : 1.2×10－12

光励起Csガスセルを用いることにより、周波数安定度は平均時間1 sで1.2×10-12、100 sで8.8×10-14に達し、商用Csビーム管を用いた場合に比べ20倍以上安定度

が向上した。

ラック搭載型のサイズにおいて、全長約3 mの大型のAIST一次標準器と同等の短

期安定度を実現することに成功した。

＊参考

AIST一次標準器 : 8×10－13 τ-1/2

平均時間τ=100 s商用Csビーム管 : 1.9×10－12

光励起Csガスセル : 8.8×10－14

（36万年に1秒のずれ）10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

100 101 102 103

商用Csビーム管

光励起Csガスセル一次標準器

Alla

n st

anda

rd d

evia

tion

Averaging time τ [s]

CPT方式

米粒

チップスケール原子時計（NIST)[1]

励起準位

基底準位

時計遷移

レーザ光１ν1 レーザ光２

ν2

ν1ーν2

信号レベル

9.2 GHz9.2 GHz

光検出器

レーザ

制御

ガスセル

マイクロ波発振器

(２) CPT法を用いた小型Cs原子光時計の開発(２) CPT法を用いた小型Cs原子光時計の開発

米国標準技術研究所（NIST）ではレーザ、セル、光検出器、光学部品

を集積化してミリメートルサイズを実現。

[1] S. Knappe at al., “A microfabricated atomic clock,” Appl. Phys. Lett., vol. 85, pp. 1460-1462 (2004).

Coherent Population Trapping （CPT) 法：

原子のコヒーレンスを用い、マイクロ波を用いず光だけでマイクロ波遷移を検出する方法。

二重共鳴方式

→ マイクロ波を原子に直接照射

→ マイクロ波共振器が必要

→ 寸法がマイクロ波の波長（～数cm）より小さくできない。

CPT方式

→ レーザ光を原子に照射

→ マイクロ波共振器が不要

→ 寸法の制限がなくなり、原子時計の超小型化が可能となる。

10 MHz

× 4.6 GHz

×460

ECLD

水晶発振器

Cs 共鳴

セル

位相弁別器

光アイソレータ コリメータ

光ファイバ

周波数

変調器

コリメータ

ソレノイド

コイル

磁気シールド

直径 25 mm, 長さ 25 mm

Csガスセルの写真

（セルに付着したCs原子（金色部）の一部が蒸発し、Csガスセ

ルを形成している。）

CPT法を用いた小型Cs光原子時計CPT法を用いた小型Cs光原子時計

10 Torr の窒素バッファガス封入

周波数安定度の評価

周波数安定度として平均時間１秒で1×10-10、10 秒で2×10-11が得られた。（目標数値：1×10-11）

EDFA

SMF 50 kmDCF (-860 ps)

EDFAEDFA

SMF 50 kmDCF (-860 ps)

EDFA

SMF 50 km DCF (-960 ps)

SMF 50 km DCF (-960 ps)

EDFA

つくば 柏 大手町

諸特性の測定・自己相関波形・光スペクトル・クロック信号・線幅

Cs光原子時計

λｃ = 1558 nm∆τ = 2.6 ps

0.2 nm

Filter

∆τ = 10.5 ps

つくば

柏

大手町

（３） Cs光時計の出力光クロック信号の光ファイバ配信実験（３） Cs光時計の出力光クロック信号の光ファイバ配信実験

JGNⅡ光ファイバ伝送路（つくば－大手町間往復200 km）

本研究における論文発表・受賞など本研究における論文発表・受賞など

■ 論文発表 13件[1] M. Yakabe, K. Nito, M. Yoshida, M. Nakazawa, Y. Koga, K. Hagimoto, and T. Ikegami, “Ultrastable cesium atomic clock with a 9.1926-GHz regeneratively mode-locked fiber laser,” Optics Letters, Vol. 30, No. 12, pp. 1512-1514 (2005).

[2] T. Hirayama, M. Yoshida, M. Nakazawa, K. Hagimoto, and T. Ikegami, “A mode-locked laser-type optical atomic clock with an optically pumped Cs gas cell,” Optics Letters, Vol. 32, No. 10, pp. 1241-1243 (2007).

[3] M. Yoshida, T. Hirayama, M. Nakazawa, K. Hagimoto, and T. Ikegami, “Regeneratively mode-locked fiber laser with a repetition rate stability of 4.9 x 10-15 using a hydrogen maser phase-locked loop,” Optics Letters, Vol. 32, No. 13, pp. 1827-1829 (2007).

■ 口頭発表 32件 （内、招待講演3件）

[1] K. Watabe, T. Hirayama, T. Ikegami, K. Hagimoto, S. Ohshima, M. Yoshida, and M. Nakazawa, “Characteristics of Coherent Population Trapping Signals of Cs-D1 and Cs-D2 Lines,” Asia pacific Time and Frequency Workshop (ATF-2006), New Delhi, India (2006).

[2] M. Nakazawa, “Ultrahigh-speed fiber laser and its application to optical metrology,” Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2006), Invited paper, Long Beach, USA (2006).

[3] T. Hirayama, M. Yoshida, M. Nakazawa, K. Hagimoto, and T. Ikegami, “An ultrastable Cs optical atomic clock with a regeneratively mode-locked fiber laser and an optically pumped Cs gas cell,” Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2007), Postdeadline Paper, CPDB11, Baltimore, USA (2007).

■受賞6件[1] M. Nakazawa, R. W. Wood Prize, “For inventing the 1.48 µm InGaAsP laser-diode-pumped erbium-doped fiber amplifier and the development of its application to high-speed optical communications and short pulse lasers,” 2005年5月25日

[2] T. Hirayama, IQEC/CLEO-PR 2005 Best Student Paper Award, “An ultrastable Cs optical atomic clock with a 9.1926-GHz low-drift regeneratively mode-locked fiber laser,” 2005年7月14日.

[3] K. Osawa, IEEE Sendai Section Student Award 2006 The Best Paper Prize, “Fiber transmission of microwave and optical standard signals using a mode-locked fiber laser in the GHz region,” 2006年12月7日.

まとめまとめ

（１） 光マイクロ波発振器とCs二重共鳴セルを組み合わせた超高安定なCs光時計をラッ

クマウントサイズで実現することに世界で初めて成功した。

周波数安定度： 1.2×10-12＠τ=1 s, 8.8×10-14＠τ=100 s（目標数値：10-12～10-13）

（２） CPT法を用いた小型Cs共鳴セルを開発し、本セルを用いたCs光時計の基本動作

実験に成功した。

周波数安定度： 1×10-10＠τ=1 s, 2×10-11＠τ=10 s（目標数値：1×10-11）

（３） JGNⅡ光ファイバネットワーク（つくば－大手町間往復200 km）および実験室内に配置した225 km、525 kmの光ファイバ伝送路を用いて、Cs光時計の出力光パルス信号の光ファイバ配信実験を行なった（目標伝送距離：500 km）。

その結果、伝送路中の偏波モード分散がクロック信号の劣化の主要因となることを

新たに見い出した。