情報通信研究機構(NICT)の原基揚主任研究員らは、東北大学、東京工業大学と共同で、従来の複雑な周波数逓倍処理を必要としないシンプルな小型原子時計システムの開発に成功した。

 高精度で均質な同期網の構築には、原子時計の高精度化だけでなく、原子時計を搭載した通信装置の拡充も重要だ。しかし、原子時計は大きさ、重さ、消費電力において可搬性に乏しいため、GPS衛星や無線基地局など、ごく一部への搭載に限定されている。欧米では、原子時計の小型化の研究も行われているが、スマートフォンなどの端末に搭載するには、数cm角大とまだ巨大だ。

 今回、研究チームは、原子時計の小型化に向け、GHz帯で良好な共振が得られる「圧電薄膜の厚み縦振動」に着目。この振動を利用することで、水晶発振器と周波数逓倍回路を必要としないシンプルなマイクロ波発振器の開発に成功した。これにより、原子時計システムの大幅な小型化と低消費電力化が実現され、市販の小型原子時計と比較した場合、チップ面積を約30%、消費電力を約50%抑制することが可能になる。

 また、アルカリ金属元素から共鳴を取得する場合の小型化と量産性の課題に取り組むために、ウェハープロセスで製造可能な小型のルビジウムガスセルを独自に開発。この小型ガスセルを、先のマイクロ波発振器と組み合わせて同調動作(原子時計動作)させると、1秒間で10の-11乗台の周波数安定度が得られた。これは、市販の小型原子時計と比較して1桁以上の性能改善となり、優れた安定性を示しているといえる。

 今回開発した技術が実用化されれば、これまで人工衛星や基地局に限定的に搭載されていた周波数・時刻標準である原子時計を、スマートフォンなどの汎用の通信端末に搭載することが可能になるだけでなく、ロボット制御(屋内ドローンや潜水システム)など、新たな市場の創出が期待される。

 この報告の内容は、世界最大のマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)に関する国際学会「The 31st IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS 2018)」で発表された。

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大学ジャーナルオンライン編集部

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