일본 리코, 도쿄 공업 대학, 산업 기술 종합 연구소가 소형 전자기기에 탑재할 수 있는 초 저전력 소형 원자 시계 ULPAC(Ultra-Low- Power Atomic Clock)를 개발했습니다. 

 

기존의 원자 시계는 원자에 마이크로 파를 쬐는 공진기가 들어갑니다. 공진기의 크기를 일정 수준 이하로 줄일 수 없어 최소한 몇 백 제곱cm의 크기가 필요했습니다. 그러나 CPT 원자와 전자파의 공진 현상을 이용해 마이크로파로 변조한 레이저 빛을 원자에 쬐어 정확한 마이크로파 주파수 검출이 가능해져 크기를 대폭 줄일 수 있게 됐습니다. 

 

하지만 주파수 합성과 레이저 구동 드라이버 회로는 매우 높은 정확도가 필요해 소비 전력을 낮추기가 어려웠습니다. 최소한 몇 백 mw의 전력을 썼다는군요. 그래서 이 연구팀은 2mw에서도 작동하는 초 저전력 주파수 합성기를 만들고, 새로운 양자 패키지로 온도 제어를 효율적으로 수행, 60mW의 전력으로 작동하는 ULPAC를 만들었습니다.

 

 

이렇게 만들어진 ULPAC는 소비 전력을 대폭 줄였으면서도 대형 원자 시계와 거의 똑같은 '하루 1/300만초 이하'의 정밀도를 달성합니다. 전압 제어 수정 발진기, 주파수 합성기, 레이저 드라이버 회로, 제어 회로, 세슘 133 원자 레이저 광 주사의 양자 패키지로 구성됩니다. 

 

이 원자 시계는 세슘 133 원자에 2개 주파수의 레이저 빛을 쬡니다 이 2개 레이저 빔의 주파수 차이가 세슘 133 원자 고유의 공명 주파수(9,192,631,770Hz)에 일치할 때 감지되는 빛의 강도가 가장 커집니다. 이를 이용해 전압 제어 수정 발진기를 교정, 원자 시계의 기준이 되는 주파수를 매우 안정적으로 만들어 냅니다. 

 

 

주파수 합성기는 레이저 주파수 차이를 0.3mHz 수준으로 바꾸는 데 씁니다. 기존의 원자 시계는 50mWh 이상의 큰 전력을 사용했으나, ULPAC는 주파수 신디사이저를 CMOS 직접 회로에 만들어 넣어 소비 전력을 1/25 이하로 줄이는 데 성공, 2mW의 저전력을 달성했습니다.

 

 

 

또 양자 패키지를 새로 만들어 히터로 온도를 제어, 외부 온도와 격리시키고, 패키지 내부를 금으로 코팅했습니다. 온도를 보다 효율적으로 제어해 전력을 많이 쓰는 히터 소비 전력을 9mW까지 줄이고, 안정적인 레이저 드라이버 회로, 정밀 온도 회로로 장시간 구동 시 주파수 안정성을 개선했습니다. 

 

GPS를 비롯한 위성 위치 시스템은 위성 사이에 시간 동기화가 필요한데, 여기에 원자 시계를 쓰면 안정적이고 정밀한 위치 측정이 가능합니다. 일반 소형 원자 시계가 실용화되면 다양한 분야에서 여러 기술을 활용할 수 있습니다.