「センサ端末同期用原子時計(ULPAC:Ultra-LowPower Atomic Clock)の研究開発」成果発表

国立研究開発法人産業技術総合研究所

計量標準総合センター物理計測標準研究部門/NMEMS技術研究機構

柳町 真也

2018年10月18日幕張メッセMEMSセンシング&ネットワークシステム展2018

《開発テーマ概要》

【現状】《同期が必要》 【将来】《10年間同期が不要》

： 原子時計

【センサ端末同期用原子時計の研究目的】

実現可能性の検証

RIMSへの適用仕様

初期設定周波数確度≦ 1×10-11

周波数ドリフト≦ 1.2×10-14/日

温度依存性 -10℃~70℃≦ 5.0×10-10

磁場依存性 ≦ 2Gauss

≦ 9.0×10-11 /Gauss

消費電力 ≦ 1mW

サイズ ≦ 15×15×5mm3

1

周波数シフトの変動

Cs（液体）

N2

ArCs（蒸気）

拡散

ライトシフトの変動

空気(He)

ガスセル内分圧変動（拡散、温度） VCSEL励起光変動（強度、変調度）

‐1次 1次‐2次 2次0次‐3次 3次

(搬送波λ=894.6nm)

・ACシュタルクシフトが光強度に依存・1次光の比率が変調度に依存

変調したVCSELからの出射光分布

PD

VCSEL

加熱

サーミスタガラス加工方式ガスセル

消費電力 [mW]

時刻同期から10年後の

協定世界時との誤差

[秒]

【本プロジェクトでの目標設定】

【時刻精度向上における技術課題】

【原子固有の周波数の読み取る装置構成】

《開発テーマ概要》

2

国立研究開発法人産業技術総合研究所 株式会社リコー

公立大学法人首都大学東京

国立大学法人東京工業大学国立大学法人

京都大学

一般財団法人マイクロマシンセンター

参画機関

技術開発項目

時刻同期性能の向上

低消費電力化 小型・低コスト化

課題

取り組み

周波数ドリフトの低減

・ガスセル内環境安定化技術の開発・サーミスタ、VCSEL等量子部構成部品の安定性検討

・ガスセル内環境計測・発振周波数補正技術の開発

・量子部温度制御技術の開発

制御回路、及び量子部温度維持電力の低減

構成部品の高歩留化、組み立技術の高度化

・低消費電力と低位相雑音を両立した制御回路の開発・PLL回路を用いない制御回路の開発

・高断熱型量子部の開発

・アルカリ原子励起用フォトニック結晶レーザーの基礎検討

・ガラス加工方式ガスセルの小型化

・高断熱型量子部の開発・VCSELの高歩留化

・低ガス透過性材料を用いたウェハー加工方式ガスセルの開発

・制御回路のCMOS集積化

・VCSELエージング処理

《研究推進体制》

3

《プロトタイプ基盤技術：時刻精度向上》

ＶＣＳＥＬ波長調整技術による最適波長化

混合バッファガスによる温度依存性の改善 平成29年度原子時計プロトタイプの性能

[成果] 高純度ガスセルと波長調整ＶＣＳＥＬの制御条件最適化で1.0×10-12/日以下を実現

小型高純度ガスセルの開発

分析用高清浄セルΦ5mm×9mm

高純度ガスセル2mm×2mm×2mm

【ガスセル温度特性評価結果】

-1.5x10-6

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

規格化周波数偏差

100908070605040

ガスセル温度(℃)

動作温度

N2単体

N2/Ar : 混合比2.55

Ar単体

ガスセル温度 [℃]

規格化周波数偏差

共振波長マッピング

レーザ描画用自動生成パターン

波長調整層一層除去

3回繰り返し 1 2 3 4上部DBR

下部DBR

DBRペア数を調整

共振器

4

サイズ

時刻精度

消費電力

ULPACプロトタイプの開発目標

120mW（114mW）

40×40×18mm3

10ms/6ヵ月（10ms/6ヵ月）

30×30×11mm3

40×35×11mm3

60mW90mW（75mW）

10ms/12ヵ月

2017年度目標（実績）

10ms/8ヵ月（10ms/14ヵ月）

2018年度目標2016年度目標（実績）

現時点での進捗状況《プロトタイプ製作》

CMOS集積回路

ADCマイコン

量子部

TCXO

38.0mm

33.0

mm

プロトタイプ2018の制御基板

28.0

mm

28.0mm

量子部

CMOS集積回路

プロトタイプ2017の制御基板

マイコン

現時点での進捗状況《基盤技術：評価技術》

原子時計

プロトタイプ

GPSレシーバ

加速度センサ 温湿度センサ

磁気センサ

GPS(1PPS)基準の原子時計評価装置

分解能0.1μｓで評価

屋外実証実験（2017年12月～）

設置環境温度の変動

-5

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35

[℃]

[日]

I3 環境温度

2.0

×10-9

1.0

0.0

-1.0

-2.0

規格化周波数偏差

-10 10 30 50 70環境温度 [℃]

(a) 温度依存性の評価結果

3×10-10

(目標仕様≦ 10×10-10)

温度変化の時刻精度への影響

(b) つくば市の気温変動（18年間）

(c) つくば市の18年間の気温変動の時刻精度への影響予測

恒温槽で５℃置きの周波数偏差を評価(温度補正機能付)

2個/箇所×４箇所

平成29年度原子時計プロト（40×35×11mm3）

[成果]屋外連続稼働実験で課題を抽出（環境温度影響など）

1ms以下

8

-1.60

-1.40

-1.20

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0 50 100 150 200 250

時刻偏差

[s]

経過時間 [Day] (2017/12/27-2018/08/19)

ULPACとTCXOの比較(時刻偏差)

TCXO dTime

ULPAC dTime

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250

温度

[℃]

経過時間 [Day] (2017/12/27- 2018/08/19)

環境温度の変化

Temp

250200150100500-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

-10

0

10

20

30

40

50

60

環境温度[℃]

時刻誤差[秒]

経過時間 [日]

屋外連続稼働(H29.12.27～H30.08.07)

《GPSから取得する正確な時刻と比較検証》

ULPAC(H28)

高精度TCXO

《プロトタイプ屋外評価》

0.06秒

1.5秒

9

《将来技術：時刻精度向上》

１．低ガス透過型拡散結合方式ガスセル ２．デュアルガス補正法

デスクトップ型デュアルガス補正のリアルタイム処理系

-1.0 × 10-12/日

∆𝜈1 =𝜈02 − Δ

𝜈𝐶𝑃𝑇2𝜈𝐶𝑃𝑇1

𝜈01

Δ𝜈𝐶𝑃𝑇2𝜈𝐶𝑃𝑇1

−𝛽2′

𝛽1′

デュアルガスセルでリアルタイムに測定

計測前の測定で決定可能

《リアルタイムの周波数補正式》

Cs-CPT共鳴周波数Cs・Rb-CPT共鳴同時観測

CPT共鳴

周波数掃引（繰り返し）

Rb

Cs

デュアルガス補正後

ガスセル材料（透過定数）の周波数への影響

-3.0x10-9

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

frequency v

ariation

6005004003002001000

elapsed time (1000 s)

'7kPa' '7.80kPa_pylex_Ne'

経過時間×1000s

材料透過定数(相対値)

石英 1

パイレックス 0.1

サファイア ＜ 5×10-4石英・Ne-3.5×10-10 /日

パイレックス・Ne-7.0×10-11 /日

周波数偏差

6.20x10-3

6.18

6.16

6.14

6.12

6.10

6.08

6.06

Sig

nal (A

rb. U

.)

6200060000580005600054000520005000048000

Detuning frequency (Hz)

Cs-CPT共鳴観測サファイア製ガスセル

[成果]サファイア製ガスセルでCPT共鳴観測 [成果]リアルタイム補正で８倍の時刻精度

10

フォトニック結晶レーザの適用イメージ

１） Si → SiC による短波長化（894nm）低欠陥SiCフォトニック結晶製作技術

Q値：57万

SiCフォトニック結晶 Q値観測結果

３．フォトニック結晶レーザ ４．原子時計の間欠駆動制御

10-12

10-11

10-10

10-9

Alla

n s

tand

ard

de

via

tion

100

101

102

103

104

105

106

Averaging time (s)

間欠駆動におけるアラン標準偏差の推定平均化時間

アラン標準偏差

実験

解析 TCXOのフリーランの影響を推定可能なことを確認

[成果]SiCフォトニック結晶製造技術立上げ [成果]間欠駆動シミュレータ立上げ

稼働：300秒

休止：3300秒

120mW

7mW

[稼働時]量子部は、瞬時に再現性良く立ち上がると仮定

[休止時]TCXOのフリーランにより周波数を刻む

解析モデル/条件

《将来技術：低消費電力化》

稼働時120 mWでも30mW以下にできる可能性

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『建物健全性診断システム』

本プロジェクトでは、電源を有する施設であれば、NTP（Network Time Protocol）による数分から数十分おきの同期で維持する10mｓの精度を同期無しに１年間保証できる原子時計を開発した。これは、ビルなどの建造物における震災時の建物健全性診断に使う振動計ネットワークの時刻同期を１年間不要にできるレベルにある。

《現時点で可能性のある応用例》

振動データ自動解析

自動解析

自動解析

：原子時計搭載センサ端末

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ご清聴ありがとうございます。より詳細はパネル展示スペースにてご説明申し上げます。

本研究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）の委託研究業務の結果得られた成果です。

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