NICTなど、圧電薄膜の厚み縦振動を利用した原子時計の小型化に成功

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圧電薄膜共振子を用いた発振器の写真

情報通信研究機構(NICT)は2018年1月23日、東北大学、東京工業大学と共同で、圧電薄膜の厚み縦振動を利用して原子時計を小型化する技術を開発したと発表した。

NICTによれば、高精度かつ均質な同期網の構築には、原子時計を搭載した通信ノードを拡充していくことが重要な方法の1つだという。しかし、原子時計は重量や消費電力などの制約によって可搬性が乏しく、現在ではGPS衛星や無線基地局などのごく一部の施設への搭載に限られている。

また、原子時計はルビジウムなどのアルカリ金属元素エネルギー準位差から得られる共鳴現象に、外部のマイクロ波発振器を同調させるように制御することで、安定な周波数を外部に提供する。マイクロ波発振は、一般的に低周波の水晶発振器を基に周波数逓倍処理を行っているが、この方式を原子時計に用いると、ボード面積や消費電力の大部分をマイクロ波発振器に費やすことになってしまう。

今回の研究では、GHz帯で良好な共振を得ることができる圧電薄膜の厚み縦振動に着目。薄膜の厚み縦振動は、高い周波数で簡単に機械共振を得ることができ、GHz帯にある原子共鳴の周波数に対してそのまま同調動作ができる。これを利用することで水晶発振器と周波数逓倍回路を必要としないマイクロ波発振器の開発に成功した。これにより、従来の市販小型原子時計と比較してチップ面積を約30%、消費電力を約50%抑制した小型かつ低消費電力の原子時計の実現が可能にとなった。

また同時に、半導体加工技術を応用して、この方法でアルカリ金属元素から共鳴を取得する際に必要なルビジウムガスセルの小型化と量産性の改善にも成功した。

この技術の実用化により、原子時計システムの大幅な小型化、低消費電力化が可能だ。その結果、従来GPS衛星や限られた無線通信基地局にのみ搭載されていた原子時計を、スマートフォンなどの汎用通信端末に搭載できるようになる。これにより通信端末の利便性が向上すると共に、高い同期精度が求められるセンサネットワークからの情報取得や、GSP電波が安定しない環境でのロボット制御などの実現が期待されるという。

今後は、デジタル制御系の簡略化に着手し、2019年を目処にさらなる低消費電力化を目指す。また、高密度実装に適した光学系を有するガスセルの開発も、同年を目処に進める予定だ。

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