JPH10117143A - Rubidium atomic oscillator and its oscillation method - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the rubidium atomic oscillator whose output signal is stable and its oscillating method. SOLUTION: A light 30 outputted from a light source 2 in an optical microwave unit 1 is transmitted through a rubidium gas cell 4 in a cavity 3 to which a microwave frequency band signal is emitted. A light 40 transmitted through the rubidium gas cell 4 is given to a photodetector 5, where the light is photoelectric-converted and its resulting electric signal is fed to a comparator 7 and a voltage controlled crystal oscillator(VCXO) 6. The comparator 7 receives periodically the signal and compares it with an initial value and provides an output of an error signal to an exciting signal controller 8, which receives the error signal and provides an output of optimum data among data stored therein to the light source 2 so that an output signal of the photodetector 5 that is a control signal of the VCXO 6 is made stable thereby making an output signal of the VCXO 6 that is an output signal of the rubidium atomic oscillator stable.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光励起（ポンピン
グ）法を用いたルビジウム原子発振器及びその発振方法
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rubidium atomic oscillator using an optical pumping method and a method of oscillating the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来のルビジウム原子発振器における光
マイクロ波ユニット周辺は図２にて示す構成のものが採
用されていた。2. Description of the Related Art An optical microwave unit in a conventional rubidium atomic oscillator has a structure shown in FIG.

【０００３】光マイクロ波ユニット１内部は、キャビテ
ィ３と、キャビティ３内部にあるルビジウムガスセル４
に光３０を供給するための光源２と、キャビティ３を透
過した光４０を電気信号に変換する受光素子５とから構
成されており、キャビティ３内部には光ポンピング法に
よりマイクロ波帯の信号で原子共鳴するルビジウム（Ｒ
ｂ）金属を封入しているルビジウムガスセル４が構成さ
れており、また光マイクロ波ユニット１外部には光源２
を発光させるための信号１０を出力する励振器９が構成
されており、図３に示すように励振信号レベルが上がる
と光源の出力光強度も上昇する特性をもつ。The inside of the optical microwave unit 1 includes a cavity 3 and a rubidium gas cell 4 inside the cavity 3.
And a light receiving element 5 for converting the light 40 transmitted through the cavity 3 into an electric signal. The inside of the cavity 3 is a signal in a microwave band by an optical pumping method. Rubidium (R
b) A rubidium gas cell 4 enclosing a metal is formed, and a light source 2 is provided outside the optical microwave unit 1.
An exciter 9 for outputting a signal 10 for emitting light from the light source is provided. As shown in FIG. 3, when the level of the excitation signal increases, the output light intensity of the light source also increases.

【０００４】また、光マイクロ波ユニット１外部には電
圧制御水晶発振器（以降ＶＣＸＯと記す）６も構成され
ており、受光素子５の出力信号を制御信号として取り込
んでいる。ＶＣＸＯの出力信号は分岐されて、一方は光
マイクロ波ユニット１に入り、キャビティ３内部でマイ
クロ波に逓倍されてＲｂガスセル４に照射される。もう
一方はルビジウム原子発振器の出力信号５０となる。A voltage-controlled crystal oscillator (hereinafter, referred to as VCXO) 6 is also provided outside the optical microwave unit 1, and takes in the output signal of the light receiving element 5 as a control signal. The output signal of the VCXO is branched, and one of the output signals enters the optical microwave unit 1, is multiplied into a microwave inside the cavity 3, and is irradiated on the Rb gas cell 4. The other is the output signal 50 of the rubidium atomic oscillator.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術
は、以下の問題点がある。The above-mentioned prior art has the following problems.

【０００６】従来のルビジウム原子発振器では、キャビ
ティ内部に光を照射するための光源の光強度が経時的に
変化する。また、光源に雑音が入ると発光強度が変化す
る。光源の発光強度が変化すると、Ｒｂガスセルに照射
される光強度も変化するため、Ｒｂガスセルを透過して
受光素子に入る光強度も不安定となる。これにより、Ｖ
ＣＸＯの制御信号となる受光素子の出力信号が不安定と
なるため、ルビジウム原子発振器の出力信号であるＶＣ
ＸＯの出力信号が不安定となるからである。In the conventional rubidium atomic oscillator, the light intensity of a light source for irradiating light inside the cavity changes with time. Also, when noise enters the light source, the light emission intensity changes. When the light emission intensity of the light source changes, the light intensity applied to the Rb gas cell also changes, so that the light intensity that passes through the Rb gas cell and enters the light receiving element becomes unstable. Thereby, V
Since the output signal of the light receiving element, which becomes the control signal of CXO, becomes unstable, the output signal of the rubidium atomic oscillator, VC,
This is because the output signal of the XO becomes unstable.

【０００７】従って、光源の発光強度を安定させること
によって、ＶＣＸＯの制御信号である受光素子の出力信
号を安定させて、ＶＣＸＯの出力信号を安定化させるこ
とが課題である。Therefore, it is an object to stabilize the output signal of the light receiving element, which is the control signal of the VCXO, by stabilizing the light emission intensity of the light source, thereby stabilizing the output signal of the VCXO.

【０００８】上記従来技術の問題点に鑑み、本発明の目
的は、出力信号が安定なルビジウム原子発振器及びその
発振方法を提供することにある。[0008] In view of the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to provide a rubidium atomic oscillator having a stable output signal and an oscillation method thereof.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のルビジウム原子
発振方法は、励振器から出力された信号が、光マイクロ
波ユニット外部にある励振信号制御器を通り、光マイク
ロ波ユニット内部にある光源に入り、光源を発光させる
段階と、光源から出力された光が、光マイクロ波ユニッ
ト内部にあるキャビティに入り、キャビティ内部にある
ルビジウムガスセルに照射される段階と、光マイクロ波
ユニット外部にある電圧制御水晶発振器の出力周波数
が、キャビティ内部でマイクロ波帯の周波数に逓倍され
たマイクロ波帯信号が、ルビジウムガスセルに放射され
る段階と、ルビジウムガスセルを透過した光が、光マイ
クロ波ユニット内部にある受光素子において光信号から
電気信号に変換された後、電圧制御水晶発振器に周波数
制御信号として出力されると共に、光マイクロ波ユニッ
ト外部にある比較器に出力される段階と、比較器が、受
光素子の出力信号を定期的に取り込み初期値からの変動
分を計算して誤差信号を励振信号制御器に出力する段階
と、励振信号制御器が、光源の発光強度の変動分を補正
する励振信号レベルのデータを記憶しておき、比較器か
らの誤差信号を受けて、ルビジウム原子発振器の出力周
波数が安定となるのに必要な励振信号レベルを光源に出
力する段階とを有する。According to the rubidium atom oscillation method of the present invention, a signal output from an exciter passes through an excitation signal controller outside the optical microwave unit and is transmitted to a light source inside the optical microwave unit. Entering the light source, emitting light from the light source, entering light into the cavity inside the optical microwave unit, and irradiating the rubidium gas cell inside the cavity, and controlling the voltage outside the optical microwave unit. The stage in which a microwave band signal in which the output frequency of the crystal oscillator is multiplied to the frequency of the microwave band inside the cavity is radiated to the rubidium gas cell, and the light transmitted through the rubidium gas cell receives light in the optical microwave unit. After being converted from an optical signal to an electrical signal by the device, it is output as a frequency control signal to a voltage-controlled crystal oscillator. Output to a comparator outside the optical microwave unit, and the comparator periodically captures the output signal of the light receiving element, calculates a variation from an initial value, and generates an error signal to generate an excitation signal. And the excitation signal controller stores the excitation signal level data for correcting the variation of the light emission intensity of the light source, receives the error signal from the comparator, and adjusts the output frequency of the rubidium atomic oscillator. Outputting the excitation signal level necessary for stabilization to the light source.

【００１０】本発明のルビジウム原子発振器は、光マイ
クロ波ユニット内部に、電圧制御水晶発振器より供給さ
れる信号をマイクロ波帯の信号に変換する手段を有する
キャビティと、キャビティ内部に光を供給する光源と、
キャビティを透過した光を電気信号に変換する受光素子
とを有し、キャビティ内部に光ポンビング法によりマイ
クロ波帯の信号で原子共鳴するルビジウム金属を封入し
ているルビジウムガスセルを有するルビジウム原子発振
器において、光マイクロ波ユニット外部に、光源を発光
させるための励振信号を光源に出力する励振器と、受光
素子の出力信号を定期的に取り込み時間に対する変動量
を算出して誤差信号を出力する比較器と、励振器と比較
器の出力信号を受けて、ルビジウム原子発振器の出力周
波数が安定となる励振信号を、光源に出力する励振信号
制御器とを有する。A rubidium atomic oscillator according to the present invention comprises a cavity having means for converting a signal supplied from a voltage controlled crystal oscillator into a microwave band signal inside an optical microwave unit, and a light source for supplying light inside the cavity. When,
A light-receiving element that converts light transmitted through the cavity into an electrical signal, and a rubidium atomic oscillator having a rubidium gas cell enclosing rubidium metal that is atomically resonant with a microwave band signal by an optical pumping method inside the cavity; An exciter that outputs an excitation signal for causing the light source to emit light to the light source outside the optical microwave unit, and a comparator that periodically captures the output signal of the light receiving element, calculates a variation with respect to time, and outputs an error signal. And an excitation signal controller for receiving an output signal of the exciter and the comparator, and outputting an excitation signal for stabilizing the output frequency of the rubidium atomic oscillator to the light source.

【００１１】従って、光源の発光強度を安定させること
によって、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の制御信号
である受光素子の出力信号を安定させて、ルビジウム原
子発振器の出力信号である電圧制御水晶発振器（ＶＣＸ
Ｏ）の出力信号を安定化させることができる。Accordingly, by stabilizing the light emission intensity of the light source, the output signal of the light receiving element, which is the control signal of the voltage controlled crystal oscillator (VCXO), is stabilized, and the voltage controlled crystal oscillator (the output signal of the rubidium atomic oscillator) is stabilized. VCX
The output signal of O) can be stabilized.

【００１２】[0012]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【００１３】図１は、本発明の実施の形態のルビジウム
原子発振器におけるＶＣＸＯの制御信号である受光素子
の出力信号を安定化させるために、光マイクロ波ユニッ
ト内部の光源の発光強度を安定化させるためのブロック
図である。FIG. 1 shows the stabilization of the light emission intensity of the light source inside the optical microwave unit in order to stabilize the output signal of the light receiving element which is the control signal of VCXO in the rubidium atomic oscillator according to the embodiment of the present invention. FIG.

【００１４】光マイクロ波ユニット１内部は、キャビテ
ィ３と、キャビティ３内部にあるルビジウムガスセル４
に光３０を供給するための光源２と、キャビティ３を透
過した光４０を電気信号に変換する受光素子５とから構
成されており、キャビティ３内部には光ポンピング法に
よりマイクロ波帯の信号で原子共鳴するルビジウム（Ｒ
ｂ）金属を封入しているルビジウムガスセル４が構成さ
れており、また光マイクロ波ユニット１外部には光源２
を発光させるための信号１０を出力する励振器９と、受
光素子５の出力信号を定期的に取り込み時間に対する変
動量を算出して誤差信号を出力する比較器７と、励振器
９と比較器７の出力信号を受けて、ルビジウム原子発振
器の出力周波数が安定となる励振信号を、光源２に出力
する励振信号制御器８とから構成されている。The interior of the optical microwave unit 1 includes a cavity 3 and a rubidium gas cell 4 inside the cavity 3.
And a light receiving element 5 for converting light 40 transmitted through the cavity 3 into an electric signal. Rubidium (R
b) A rubidium gas cell 4 enclosing a metal is formed, and a light source 2 is provided outside the optical microwave unit 1.
An exciter 9 for outputting a signal 10 for emitting light, a comparator 7 for periodically taking in an output signal of the light receiving element 5 and calculating an amount of fluctuation with respect to a time to output an error signal; an exciter 9 and a comparator 7, an excitation signal controller 8 for outputting an excitation signal for stabilizing the output frequency of the rubidium atomic oscillator to the light source 2 upon receipt of the output signal.

【００１５】光マイクロ波ユニット１外部にある励振器
９から出力された信号１０は、励振信号制御器８を通
り、光マイクロ波ユニット１内部にある光源２に入り、
光源２を発光させる。なお、励振器９は、従来の技術に
おいて図３に示したように、励振信号レベルが上がると
光源の出力光強度も上昇する特性をもつことは同様であ
る。The signal 10 output from the exciter 9 outside the optical microwave unit 1 passes through the excitation signal controller 8 and enters the light source 2 inside the optical microwave unit 1.
The light source 2 emits light. The exciter 9 has the same characteristic that the output light intensity of the light source increases as the excitation signal level increases, as shown in FIG. 3 in the prior art.

【００１６】光マイクロ波ユニット１内部にある光源２
から出力された光３０は、キャビティ３に入り、Ｒｂガ
スセル４に照射される。Light source 2 inside optical microwave unit 1
The light 30 output from the Rb gas cell 4 enters the cavity 3 and irradiates the Rb gas cell 4.

【００１７】一方、光マイクロ波ユニット１外部に構成
されているＶＣＸＯ６の出力周波数は、光マイクロ波ユ
ニット１内部のキャビティ３内部でマイクロ波帯の周波
数に逓倍されて、そのマイクロ波帯信号は、Ｒｂガスセ
ル４に放射される。On the other hand, the output frequency of the VCXO 6 provided outside the optical microwave unit 1 is multiplied to the frequency in the microwave band inside the cavity 3 inside the optical microwave unit 1, and the microwave band signal is It is emitted to the Rb gas cell 4.

【００１８】マイクロ波帯信号の照射を受けているＲｂ
ガスセル４を透過した光４０は、受光素子５において光
信号から電気信号に変換された後、ＶＣＸＯ６に周波数
制御信号として出力されると共に、比較器７に出力され
る。Rb receiving irradiation of microwave band signal
The light 40 transmitted through the gas cell 4 is converted from an optical signal into an electric signal by the light receiving element 5, and then output to the VCXO 6 as a frequency control signal and output to the comparator 7.

【００１９】比較器７では、受光素子５の出力信号を定
期的に取り込み初期値からの変動分を計算して誤差信号
を励振信号制御器８に出力する。The comparator 7 periodically takes in the output signal of the light receiving element 5, calculates a variation from an initial value, and outputs an error signal to the excitation signal controller 8.

【００２０】励振信号制御器８では、光源の発光強度の
変動分を補正する励振信号レベルのデータを記憶させて
おき、比較器７からの誤差信号を受けて、ルビジウム原
子発振器の出力周波数が安定となるのに必要な励振信号
レベルを光源に出力する構成となっている。The excitation signal controller 8 stores excitation signal level data for correcting the variation of the light emission intensity of the light source, receives an error signal from the comparator 7, and stabilizes the output frequency of the rubidium atomic oscillator. The excitation signal level necessary to achieve the above is output to the light source.

【００２１】[0021]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のルビジウ
ム原子発振器は、励振信号制御器、光源、Ｒｂガスセ
ル、受光素子および比較部でフィードバック系を構成し
たことにより、光マイクロ波ユニット内部の光源の発光
強度を安定化させることができる。As described above, the rubidium atomic oscillator according to the present invention comprises a feedback system including an excitation signal controller, a light source, an Rb gas cell, a light receiving element, and a comparison unit. Can be stabilized.

【００２２】この結果、受光素子が受ける光強度が安定
し、受光素子の出力信号レベルも安定することからＶＣ
ＸＯにかかる制御信号が安定し、ルビジウム原子発振器
の出力信号の安定度が向上できるという効果がある。As a result, the light intensity received by the light receiving element becomes stable, and the output signal level of the light receiving element becomes stable.
There is an effect that the control signal applied to the XO is stabilized and the stability of the output signal of the rubidium atomic oscillator can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の実施の形態のルビジウム原子発振器に
おけるＶＣＸＯの制御信号である受光素子の出力信号を
安定化させるために、光マイクロ波ユニット内部の光源
の発光強度を安定化させるためのブロック図である。FIG. 1 is a block for stabilizing the light emission intensity of a light source inside an optical microwave unit in order to stabilize an output signal of a light receiving element which is a control signal of VCXO in a rubidium atomic oscillator according to an embodiment of the present invention. FIG.

【図２】従来のルビジウム原子発振器における光マイク
ロ波ユニット周辺のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram around an optical microwave unit in a conventional rubidium atomic oscillator.

【図３】光源を発光させるための励振信号レベルに対す
る光源の発光強度の関係を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a light emission intensity of a light source and an excitation signal level for causing the light source to emit light.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 光マイクロ波ユニット ２ 光源 ３ キャビテイ ４ ルビジウム（Ｒｂ）ガスセル ５ 受光素子 ６ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ） ７ 比較器 ８ 励振信号制御器 ９ 励振器 １０、２０ 信号 ３０、４０ 光 ５０ 出力信号 Reference Signs List 1 optical microwave unit 2 light source 3 cavity 4 rubidium (Rb) gas cell 5 light receiving element 6 voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 7 comparator 8 excitation signal controller 9 exciter 10, 20 signal 30, 40 light 50 output signal

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 励振器から出力された信号が、光マイク
ロ波ユニット外部にある励振信号制御器を通り、前記光
マイクロ波ユニット内部にある光源に入り、該光源を発
光させる段階と、 前記光源から出力された光が、前記光マイクロ波ユニッ
ト内部にあるキャビティに入り、該キャビティ内部にあ
るルビジウムガスセルに照射される段階と、 前記光マイクロ波ユニット外部にある電圧制御水晶発振
器の出力周波数が、前記キャビティ内部でマイクロ波帯
の周波数に逓倍されたマイクロ波帯信号が、前記ルビジ
ウムガスセルに放射される段階と、 前記ルビジウムガスセルを透過した光が、前記光マイク
ロ波ユニット内部にある受光素子において光信号から電
気信号に変換された後、前記電圧制御水晶発振器に周波
数制御信号として出力されると共に、前記光マイクロ波
ユニット外部にある比較器に出力される段階と、 該比較器が、前記受光素子の出力信号を定期的に取り込
み初期値からの変動分を計算して誤差信号を前記励振信
号制御器に出力する段階と、 前記励振信号制御器が、前記光源の発光強度の変動分を
補正する励振信号レベルのデータを記憶しておき、前記
比較器からの誤差信号を受けて、ルビジウム原子発振器
の出力周波数が安定となるのに必要な励振信号レベルを
前記光源に出力する段階とを有することを特徴とするル
ビジウム原子発振方法。1. A signal output from an exciter passes through an excitation signal controller outside the optical microwave unit, enters a light source inside the optical microwave unit, and causes the light source to emit light. The light output from the optical microwave unit enters the cavity inside the optical microwave unit, and irradiates the rubidium gas cell inside the cavity, the output frequency of the voltage controlled crystal oscillator outside the optical microwave unit, A step of radiating a microwave band signal multiplied to a frequency of a microwave band inside the cavity to the rubidium gas cell; light transmitted through the rubidium gas cell is reflected by a light receiving element inside the optical microwave unit; After being converted from a signal to an electrical signal, when output as a frequency control signal to the voltage-controlled crystal oscillator Both are output to a comparator external to the optical microwave unit, and the comparator periodically captures the output signal of the light receiving element, calculates a variation from an initial value, and excites the error signal. Outputting to a signal controller, the excitation signal controller stores data of an excitation signal level for correcting a variation in the light emission intensity of the light source, receives an error signal from the comparator, and outputs rubidium. Outputting an excitation signal level required for stabilizing the output frequency of the atomic oscillator to the light source. 【請求項２】 光マイクロ波ユニット内部に、電圧制御
水晶発振器より供給される信号をマイクロ波帯の信号に
変換する手段を有するキャビティと、該キャビティ内部
に光を供給する光源と、前記キャビティを透過した光を
電気信号に変換する受光素子とを有し、 前記キャビティ内部に光ポンビング法によりマイクロ波
帯の信号で原子共鳴するルビジウム金属を封入している
ルビジウムガスセルを有するルビジウム原子発振器にお
いて、 前記光マイクロ波ユニット外部に、前記光源を発光させ
るための励振信号を前記光源に出力する励振器と、前記
受光素子の出力信号を定期的に取り込み時間に対する変
動量を算出して誤差信号を出力する比較器と、前記励振
器と前記比較器の出力信号を受けて、ルビジウム原子発
振器の出力周波数が安定となる励振信号を、前記光源に
出力する励振信号制御器とを有することを特徴とするル
ビジウム原子発振器。2. A cavity having means for converting a signal supplied from a voltage controlled crystal oscillator into a signal in a microwave band inside an optical microwave unit, a light source for supplying light into the cavity, and the cavity. A rubidium atomic oscillator having a light-receiving element that converts transmitted light into an electric signal, and a rubidium gas cell enclosing a rubidium metal atom-resonating with a signal in a microwave band by an optical pumping method in the cavity. An exciter that outputs an excitation signal for causing the light source to emit light to the light source and an output signal of the light receiving element that is periodically taken out of the optical microwave unit, calculates an amount of change with respect to time, and outputs an error signal. A comparator, receiving the output signals of the exciter and the comparator, and stabilizing the output frequency of the rubidium atomic oscillator. That the excitation signal, rubidium atomic oscillator and having a excitation signal controller for outputting to the light source.