原子時計をスマートフォンに搭載できるくらいの超小型システムへ ～圧電薄膜の機械振動を利用～

2018年1月23日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT） (リンク »)
国立大学法人東北大学
国立大学法人東京工業大学

原子時計をスマートフォンに搭載できるくらいの超小型システムへ
～圧電薄膜の機械振動を利用し、チップ化に向けて大きく前進～

【ポイント】
■　圧電薄膜の機械振動を利用したシンプルな超小型原子時計システムを提案
■　チップ面積を約30%減、消費電力を約50%減、周波数の安定度も1桁以上の改善を実現
■　GPS衛星レベルの超高精度周波数源を、スマートフォンなどの汎用通信端末へ

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）電磁波研究所 原 基揚主任研究員等は、国立大学法人東北大学（東北大、総長: 里見 進）大学院工学研究科 機械機能創成専攻 小野崇人教授、国立大学法人東京工業大学（東工大、学長: 三島 良直）科学技術創成研究院 未来産業技術研究所 伊藤浩之准教授と共同で、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ました。
　本研究では、圧電薄膜の厚み縦振動を利用し、原子時計の小型化に適したマイクロ波発振器を提案しています。薄膜の厚み縦振動は、高い周波数で機械共振を得ることが容易であり、GHz（ギガヘルツ）帯にある原子共鳴の周波数に対して、そのまま同調動作できます。そのため、今まで必要だった水晶発振器や周波数逓倍回路を完全に省略することができ、大幅な小型・低消費電力化が実現されます。さらに、本システムでは、半導体加工技術を応用し、小型化と量産性に優れる小型のルビジウムガスセルを独自に開発、動作パラメータを最適化することで、周波数の安定性を格段に改善しました。
　本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も夢ではありません。

【背景】
　高精度で均質な同期網の構築には、NICTが生成する日本標準時にも採用されている原子時計の高精度化はもちろんのこと、この原子時計を搭載した通信ノードを拡充していくことも重要です。携帯端末を含む全ての通信ノードへの原子時計の搭載が理想的ですが、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ます。欧米では、原子時計の小型化の研究も行われているものの、スマートフォンなどの端末に搭載するには、数cm角大とまだ巨大です。
　原子時計は、ルビジウムなどのアルカリ金属元素の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します。マイクロ波発振は、低周波の水晶発振器を基に、周波数逓倍処理を行って得るのが一般的ですが、この方式を原子時計に採用すると、ボード面積と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ります。

【今回の成果】
　今回、我々のチームは、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しました。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ました（図1、2参照）。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ります。
　また、アルカリ金属元素から共鳴を取得する場合、アルカリ金属は気体状態にあることが必要となり、窓の付いたケースに封じ込めて、レーザによる観察を行う必要があります。従来はガラス管を利用しましたが、これでは、小型化と量産性に課題があります。そこで、我々は、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しました。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ました。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ます。
　本成果の実用化は、原子時計システムを大幅に小型・低消費電力化し、今まで人工衛星や限られた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することを可能にします。これは、単なる通信端末の利便性向上に寄与するだけでなく、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、GPS電波が安定しない厳しい環境でのロボット制御（屋内ドローンや潜水システム）にも適しており、新たな市場の創出が期待されます。

【今後の展望】
　マイクロ波発振回路の簡略化による今回の成果を踏まえ、今後は、ディジタル制御系の簡略・省略化に着手し、更なる低消費電力化を、2019年を目途に実施します。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途に進める予定です。我々は、このような原子時計のチップ化に向けた取組を加速していき、早期のサンプル提案を目指しています。
　また、本報告の内容は、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） (リンク ») 」（2018年1月21日（日）~25日（木）、英国ベルファスト）にて発表されます。