CN114945847A - 集成真空单元组件 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种将真空封套与光子集成电路(PIC)集成在一起的真空单元组件。真空封套的壁诸如通过阳极结合联接到PIC，使得PIC形成真空封套的至少一个壁并提供光学上可接近的介质和表面，以用于通过一个或多个非平面波导将光传输并分配到真空封套的各个腔中。PIC的表面可以包括与真空封套的壁的材料相容的材料，其中真空封套诸如结合到PIC的氮化硅或非晶硅表面的硅基真空封套。每个波导都可以包括桥接结构，该桥接结构形成用于与真空封套紧密结合的平面表面并且在波导的相对区段之间保持所传输的光的特性。

Description

集成真空单元组件

本申请要求在2020年1月16日提交的美国临时申请62/961,791的权益，该专利申请的全部内容通过引证并入本文。

政府权利

本发明是在工业部内部商业中心授予的D17PC00346项目下利用政府支持完成的。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本公开涉及真空单元组件。

背景技术

原子传感器可用于原子钟、陀螺仪、磁力计、干涉仪和其他精确测量参数(诸如时间和加速度)的相对较小变化的装置。原子传感器使用原子光谱和光原子相互作用来检测一体积部中汽化原子的性质变化，并获得作用于汽化原子的参数的精确测量值。原子传感器可以在高真空下操作，以减少该体积部的污染并提高测量的准确性。这种高真空条件可能会限制与该体积部相互作用的各个测量部件放置到该体积部的外部。

发明内容

总体上，本公开描述了将真空封套与光子集成电路(PIC)集成在一起的紧凑且坚固的真空单元组件。该真空封套包括容纳各个部件(诸如磁光阱、吸气剂组件或离子泵)的一个或多个腔。真空封套的壁诸如通过阳极结合联接到PIC，使得PIC形成真空封套的至少一个壁并提供光学上可接近的介质和表面，以用于通过一个或多个非平面波导将光传输并分配到真空封套的各个腔中。PIC的表面可以包括与真空封套的壁的材料相容的材料(例如，类似的热膨胀系数或在制造条件下的高完整性，诸如阳极结合)，其中真空封套诸如结合到PIC的氮化硅或非晶硅表面的硅基真空封套。为了将这些非平面波导气密密封在真空封套的壁上，每个波导可以包括桥接结构，该桥接结构形成用于与真空封套紧密结合的平面表面并在波导的相对区段之间保持所传输的光的特性。光学部件可以与PIC交互以操纵光通过波导、将光发射到波导中和/或接收来自波导的光，并且在某些情况下，可以包括直接集成到PIC中的电子器件。在这些不同的方式中，与不包括集成有PIC的真空封套的真空单元组件相比，本文所描述的真空单元组件可以相对坚固、紧凑且易于制造。

在一个示例中，如本文所描述的设备包括光子集成电路和真空封套。光子集成电路包括构造在衬底中的一个或多个波导。真空封套包括与衬底的顶表面相联接的一个或多个壁。每个波导都被构造为将光从光输入表面传输到真空封套的内部。在上述设备的示例中，每个波导都包括桥接结构，该桥接结构联接到真空封套的一个或多个壁并且与衬底的顶表面的一部分齐平。桥接结构被构造为引导光通过桥接结构。在上述设备的另一个示例中，真空封套还包括容纳吸气剂的吸气剂腔、流体地联接到吸气剂腔的磁光阱(MOT)腔以及流体地联接到MOT腔并容纳离子泵的泵腔。

在另一示例中，用于形成如本文所描述的一个或多个真空单元的方法对于每个真空单元而言都包括：在光子集成电路的衬底中形成一个或多个波导；以及将真空封套的一个或多个壁结合到衬底的顶表面以形成真空单元。

在附图和以下描述中阐述一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将通过描述和附图以及权利要求而显而易见。

附图说明

图1A是示出了根据本文讨论的示例的示例性组件的立体图。

图1B是示出了根据本文讨论的示例的示例性组件的集合的立体图。

图2A是示出了根据本文讨论的示例的示例性组件的俯视图。

图2B是示出了根据本文讨论的示例的波导的示例性部分的立体图。

图2C是示出了根据本文讨论的示例的波导的示例性部分的立体图。

图3A是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的示例性部分的侧视图。

图3B是示出了根据本文讨论的示例的靠近桥接结构的光子的示例性部分的侧视图。

图3C是示出了根据本文讨论的示例的靠近桥接结构的光子的示例性部分的侧视图。

图4A是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的包括线性桥接结构的示例性部分的俯视图。

图4B是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的包括渐缩桥接结构的示例性部分的俯视图。

图5A是示出了根据本文讨论的示例的示例性原子传感器的构思性和示意性框图。

图5B是示出了根据本文讨论的示例的用于原子传感器的示例性真空单元组件的立体图。

图5C是示出了根据本文讨论的示例的示例性原子传感器的立体图。

图5D是示出了根据本文讨论的示例的示例性MOT传感器的立体图。

图6是根据本文描述的示例的用于形成一个或多个真空单元的示例性技术的流程图。

具体实施方式

本文所描述的真空单元组件可结合到用于各种应用的原子传感器中，诸如原子钟、陀螺仪、加速度计、磁力计、干涉仪、导航单元、静电计、超低真空传感器、量子存储装置、量子中继器、量子计算装置等中。真空单元组件可以在超高真空(UHV)条件下(即P<10^-9托)建立和维持原子传感器的物理封装。图1A是示出了根据本文讨论的示例的示例性真空单元组件的立体图。组件100包括光子集成电路102和真空封套104。虽然仅示出了一个真空封套104和一个光子集成电路102，但真空单元组件可以包括并支撑不止一个真空封套104和光子集成电路102中的每一个。例如，一个或多个真空封套104可以夹在两个光子集成电路之间，如下图5C所示。作为另一个示例，真空封套104的阵列可以定位在具有多个光子集成电路的单个衬底上，诸如在下面的图1B中所示。

真空封套104可以被构造为在密封环境中包含真空单元组件100的各个功能部件。例如，真空封套104可以是具有微机械加工或蚀刻的腔的平面单片衬底，这些腔可以被玻璃板覆盖以形成腔112A、112B、112C和112D(单独称为“一个腔112”并且统称为“多个腔112”)。腔112可以容纳真空单元组件100的各种功能部件，诸如容纳离子泵的离子泵腔、物理室腔、被构造为容纳原子源和/或气体吸气剂的分配器/吸气剂腔以及与物理室腔相关联的各种光学器件。例如，真空封套104可以包括与吸气剂腔和泵腔流体联接的磁光阱(MOT)室腔。

多个腔112可以彼此流体联接，诸如通过微通道或小孔，以形成互连腔的布置，以用于诸如10^-7到10^-10托的压力范围的差动泵送。例如，物理室腔可以流体联接到离子泵腔，使得冷原子物理室腔可以处于非常高的真空中。在这样的真空中，激光限制的“冷原子”允许以高分辨率、灵敏度和长操作寿命进行精确感测，这是因为感测元件的碱原子的量子态可以基本上不受与周围环境的有害相互作用，这些有害相互作用包括与缓冲气体、单元壁或磁场的相互作用，所有这些都可能扭曲感测原子状态。在一些示例中，物理室腔可以限定相对较小的体积，诸如几十立方厘米数量级，诸如约25cm³的体积。在一些示例中，真空封套104的体积小于约100cm³。

真空封套104可以由针对多种特性选择的材料制成，这些特性包括但不限于热膨胀系数、磁导率、熔点等。多种材料可用于形成真空封套104，这些材料包括但不限于硅、铝硅酸盐玻璃、氮化铝、氧化铝、碳化硅、蓝宝石、陶瓷等。

在一些示例中，真空封套104可以由具有相对低磁导率的材料制成。例如，原子传感器的功能部件可能对磁场的变化敏感，从而通过结合低磁导率材料，真空封套104可以减少对原子传感器的测量的影响。

真空封套104可由一种或多种适用于维持相对高真空(例如，<10^-4托)的材料制成。例如，在相对高真空下，来自真空封套104外部的污染物和/或真空封套104的壁或粘合剂中的杂质可能泄漏到真空封套104的体积部中，从而使高真空的维持变得困难或不可能。

在一些示例中，真空封套104可由与真空封套104内(例如，真空封套104的壁114之间)的阳极结合具有高相容性的材料制成。例如，真空封套104的一种或多种材料可以具有相对相似的晶体结构和/或可以在可以发生阳极结合的高温下尺寸相对稳定。在一些示例中，真空封套104的一个或多个壁114可以是在横向侧的硅衬底和在顶侧的玻璃板，其中顶板阳极结合(anodically bond，阳极键合)到硅衬底以形成构造用于非常低真空压力的密封。这样的密封真空封套104可以允许稳健的超高真空相容阳极结合、材料处理和烘烤工艺，从而允许将密封真空封套104与其他玻璃/硅冷原子真空单元和系统直接集成。

在一些示例中，真空封套104可以由在高温下具有相对高的熔点和/或尺寸稳定性的材料制成。例如，真空封套104的材料可能包括渗入真空封套的体积部中的杂质，从而可能难以实现高真空。为了去除大量的这些杂质，可以对真空封套104的材料进行热处理以烘烤出这些杂质。这种热处理可以发生在杂质可以汽化但真空封套104的材料可以保持尺寸相对稳定的温度下进行。由此，真空封套104可以保持在相对高的真空下。

真空封套104包括联接到光子集成电路102的顶表面的一个或多个壁114。例如，真空封套104的侧面可以由一个或多个侧壁界定，顶部由一个或多个顶壁界定，底部由光子集成电路102的顶表面109界定。真空封套104的一个或多个腔112可以直接暴露于顶表面109，使得来自光子集成电路102的光可以离开顶表面109并接触腔112内的各种材料。例如，腔112可以包括可以使用光探测或激活的各种体积部或元件。

光子集成电路102可以被构造为用于在真空封套104的腔112和腔112内的部件、以及真空封套104外部的一个或多个部件106A、106B和106C(单独称为“一个部件106”并且统称为“多个部件106”)之间传输电和光信号的电和光平台。光子集成电路102可以被构造为在部件106和腔112之间传输光信号。例如，腔112内的各种部件，诸如磁光阱或吸气剂材料，可以被光探测或激活。光子集成电路102可以被构造为将光引导到腔112中以探测或激活各个部件。例如，如下文将进一步描述的，光子集成电路102可以包括一个或多个光学器件，该光学器件将光引导到特定方向以产生光-原子相互作用。在一些示例中，光子集成电路102可以被构造为在真空封套104内的一个或多个部件106与一个或多个动力装置或控制装置之间传输电信号。例如，各个部件可以使用电来产生电位差，诸如在离子泵中，或作为电源，诸如用于光子源。光子集成电路102可以向功率和/或控制部件106或真空封套104内的部件提供电信号。

光子集成电路102包括衬底108。衬底104可以由针对多种特性选择的材料制成，这些特性包括但不限于热膨胀系数、磁导率、熔点等。多种材料可用于形成衬底108，包括但不限于硅或硅基衬底，诸如二氧化硅、氮化硅和非晶硅；III-V族化合物半导体衬底，诸如砷化镓；等等。在一些示例中，衬底108包括III-V族化合物半导体并且真空封套104的一个或多个壁114包括硅或硅基化合物中的至少一种。

光子集成电路102可以由一种或多种适合于透射光的材料制成。例如，波导110可以直接形成在衬底108中，使得衬底108形成一个或多个壁和/或提供包层以使光沿着波导110传输。在一些示例中，波导110可以是相对低损耗的波导。例如，衬底108可以包括能够形成相对平面的表面的晶体结构。在形成波导110之前，可以研磨衬底108的表面以提供用于形成波导110的顶表面的相对平面的表面。光刻技术可以形成波导110的相对平坦的侧壁。由此，可以减少由于包层的粗糙度造成的损耗。

光子集成电路102和真空封套104可以被构造为彼此相对相容，使得当结合时，光子集成电路102和真空封套104可以形成足以维持相对高真空(例如，<10^-4)的密封。衬底108可以被构造为形成用于与真空封套104的一个或多个壁114结合的顶表面109。例如，衬底108可以包括一个或多个层，该层被构造为增加衬底108的顶表面109与真空封套104的壁114的相容性。

在一些示例中，光子集成电路102和真空封套104可以被构造为具有相对相似的热膨胀系数。例如，衬底108可以包括形成顶表面109的顶层，该顶表面由具有与真空封套104的一个或多个壁114的热膨胀系数(CTE)相对相似的热膨胀系数的材料制成。在一些示例中，在真空封套104的一部分和光子集成电路102的与真空封套104的一部分相接触的部分之间的界面处的CTE差异小于约5ppm/℃。例如，衬底108可以包括形成顶表面109的顶层，该顶表面包括具有在真空封套104的一个或多个壁114的CTE的约5ppm/℃以内的CTE的材料。在一些示例中，在真空封套104的一部分和光子集成电路102的与真空封套104的一部分相接触的部分之间的界面处的CTE差异小于约三分之一。

在一些示例中，光子集成电路102和真空封套104可以被构造为相对相容以用于阳极结合。例如，衬底108可以包括形成顶表面109的顶层，该顶表面由与阳极结合到真空封套104的壁114具有高相容性的材料制成。相容材料可包括具有相对相似的晶体结构和/或在可能发生阳极结合的高温下尺寸相对稳定的材料。

在一些示例中，真空单元组件100包括物理地且通信地耦合到光子集成电路102的微芯片118。微芯片118可以被构造为向光子集成电路102的一个或多个部件或真空封套104内的一个或多个部件提供电和/或控制信号。例如，微芯片118可以包括控制电路，该控制电路被配置为控制组件100的一个或多个部件，诸如离子泵、一个或多个部件106等的操作。微芯片118可以凸出地结合到光子集成电路102。微芯片118和光子集成电路102可以包括一个或多个引电器，该引电器被构造为将电和/或控制信号传输到多个部件。在一些示例中，组件100的部件可以通过诸如小于约5.0伏的CMOS工作电压来操作。附加地或可替代地，组件100可以包括被配置为发送和接收电和/或控制信号的其他控制电路。例如，通信地耦合到组件100的控制电路，诸如微芯片118或其他控制电路，可以包括各种处理部件，包括但不限于一个或多个处理器，包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他等效的集成或分立逻辑电路(例如控制电路)，以及此类部件的任何组合。

光子集成电路102包括构造在衬底108中的一个或多个波导110A、110B和110C(单独称为“一个波导110”并且统称为“多个波导110”)。每个波导110被构造为将光从光输入表面传输到真空封套104的内部，诸如一个或多个腔112。在图1A的示例中，波导110A光耦合到部件106A和腔112A，波导110B光耦合到部件106B和腔112B，并且波导110C光耦合到部件106C和腔112C。

在一些示例中，每个波导110包括被构造为将光从光输入表面传输到光输出表面的传输部分。光输入表面可以包括被构造为从一个或多个光学部件接收光信号的任何表面。如将在图2A至图2C中进一步描述的，波导110可以包括一个或多个侧壁，该侧壁被构造为在内部反射由光输入表面接收到的光信号并将光信号传递到真空封套104内的光输出表面，反之亦然(例如，在真空封套104内接收光信号并将光信号传递到光部件)。

在一些示例中，每个波导110包括分配部分，该分配部分被构造为将光分配到真空封套104的内部，诸如分配到一个或多个腔112。例如，上述的光输出表面可以被构造为改变光信号的各种特性，诸如方向，以用于在腔112内分配。在一些示例中，分配部分包括一个或多个光学器件，该光学器件被构造为重定向从传输部分接收到的光。

在一些示例中，分配部分包括在光输入表面和/或输出表面处的光栅耦合器。例如，光栅可以是衬底108上非周期性结构的凹口。这些凹口可以制造在波导110上以将来自外部自由空间光束的光耦合到波导110中，或者产生光从波导110中传播诸如到真空封套104的腔中的自由空间光束。

在一些示例中，组件100包括耦合到光子集成电路102的一个或多个部件106。部件106可以被构造为向真空封套104内的部件(诸如磁光阱)提供功能。在一些示例中，部件106包括一个或多个光学部件，该光学部件例如被构造为将光发射到至少一个波导110的光输入表面中或操纵通过至少一个波导110传输的光。

在一些示例中，部件106包括一个或多个有源光学部件。有源光学部件可以包括被构造为使用电力生成和/或测量光信号的任何部件。可以使用多种有源光学部件，包括但不限于放大器、激光器、发光二极管(LED)、调制器、检测器、波长转换器、有源开关、有源衰减器或主动调谐谐振器。有源光学部件可以被构造为经由光子集成电路102从功率部件或控制电路(诸如微芯片118)接收电能。在一些示例中，一个或多个有源光学部件包括激光器，该激光器被构造为将光发射到至少一个波导110的光输入表面中。

在一些示例中，部件106包括一个或多个无源光学部件。无源光学部件可以包括被构造为在不使用电力的情况下操纵光信号的任何部件。可以使用多种无源光学部件，包括但不限于波导、耦合器、谐振器、光栅、波长选择开关、滤波器、色散补偿器、衰减器、增益均衡器、隔离器或循环器。

在一些示例中，部件106包括一个或多个有源电子部件，该有源电子部件被构造为控制一个或多个光学部件并处理来自一个或多个光学部件的信号。例如，衬底108可以包括半导体衬底，诸如硅，使得一个或多个有源电子部件可以构造在衬底108上或衬底中。在一些示例中，组件100包括一个或多个引电器，该引电器延伸穿过真空封套104的壁114和/或光子集成电路102的衬底108。例如，一个或多个引电器可以被构造为耦合到吸气剂和/或离子泵。在一些示例中，一个或多个引电器包括涂有电导体的硅。

在一些示例中，与不包括与光子集成电路集成的真空封套的真空单元组件相比，本文讨论的真空单元组件可以相对容易地制造并且具有相对高的均匀性。图1B是根据本文讨论的示例示出了包括多个真空单元组件100A、100B、100C和100D(单独称为“一个真空单元组件100”并统称为“多个真空单元组件100”)的示例性衬底116的立体图。每个真空单元组件100包括相应的真空封套104A、104B、104C和104D(单独称为“一个真空封套104”并统称为“多个真空封套104”)以及相应的光子集成电路102A、102B、102C和102D(单独称为“一个光子集成电路102”并统称为“多个光子集成电路102”)。

衬底116可以形成用于光子集成电路102的衬底，诸如图1A的衬底108。如将在图5中描述的，在分离衬底116之前，光子集成电路102的部件(诸如波导和光学部件)可以使用光刻或其他高产量制造技术制造到衬底116中，而真空封套104的部件和真空封套内的部件(诸如离子泵、吸气剂材料和真空封套104的壁)可以制造在衬底116上。由此，光子集成电路102的作为真空封套104、光学部件、波导和真空单元部件的平面基底的构造可以实现真空单元组件100的相对简单且均匀的批量处理。在一些示例中，衬底116可以形成在微芯片120上，诸如图1A的微芯片118上。

本文所描述的真空单元组件(诸如图1A的真空单元组件100)可以包括光子集成电路，诸如图1A的光子集成电路102，该光子集成电路包括直接形成在光子集成电路的表面中并且与真空封套(诸如图1A的真空封套104)的壁形成紧密密封的波导。图2A是示出了根据本文讨论的示例的示例性组件200的俯视图。组件200可以在结构上和操作上类似于图1A的真空单元组件100。例如，真空单元组件200可以包括对应于图1A的光子集成电路102、真空封套104、衬底108和波导110的光子集成电路202、真空封套204、衬底208和波导210。

光子集成电路202包括顶表面203。顶表面203可以被构造为与真空封套204的一个或多个壁交界和结合。例如，如图1A中关于真空封套104所讨论的，真空封套204可以被构造为保持相对高的真空。为了减少污染物进入真空封套204，可以选择和构造真空封套204和光子集成电路202的壁的材料和表面以实现相容性，使得真空封套204和光子集成电路202在制造期间和/或在真空封套104中经历的工作条件(例如，小于约10^-7托的压力和大于约300℃的温度)下继续形成紧密结合。

在一些示例中，光子集成电路202的顶表面203的一部分206可以是基本上平坦的。例如，顶表面203的部分206可以被构造为与真空封套204的壁的平坦底表面交界。在将真空封套204结合到部分206之前，可以对部分206进行预处理以增加部分206的平面度。

图2B是示出了根据本文讨论的示例的波导210的示例性部分210A的立体图。波导210由一个或多个侧壁表面216以及顶表面217和底表面215界定。衬底208包括相邻波导通道214A和214B，它们限定了波导210的侧壁表面216。例如，通道214A和214B可以使用材料去除技术形成，使得侧壁表面216具有相对低的粗糙度。衬底208的顶表面203限定波导210的顶表面217，使得波导210的顶表面217可以与衬底208的顶表面203齐平。波导210和衬底208的下层之间的界面可以限定波导210的底表面215。例如，如将在图3A至图3C中描述的，波导210可以由铺在第二层上的第一层形成，使得底表面215可以在第一层和第二层之间的界面处。

波导210可以被构造为通过光子集成电路202传输光。例如，顶表面217、底表面215和侧壁表面216可以通过内反射将光限制在波导210内，使得光沿着波导210从一个或多个部件(未示出)引导到真空封套204。波导210可以从光子集成电路202在真空封套204外的一侧延伸到光子集成电路202在真空封套204内的一侧，使得波导210可以在真空封套204的一个或多个壁下方通过。

虽然波导210的顶表面217可以与衬底208的顶表面203基本齐平，但通道214A和214B可以与衬底208的顶表面203基本不齐平。为了增加靠近真空封套204的壁220的部分206的平面度，波导210可以包括一个或多个桥接结构。图2C是示出了根据本文讨论的示例的波导的靠近真空封套204的壁220的示例性部分的立体图。为了形成跨越通道214A和214B的平面表面以结合到真空封套204，波导210可以包括桥接结构218。桥接结构218被构造为联接到真空封套204的一个或多个壁220或壁220与桥接结构218之间的一个或多个中间层。在图2C的示例中，桥接结构218与衬底208的顶表面203的部分206是齐平的。桥接结构218在衬底208的顶表面203的部分206处与相邻波导通道214A和214B相交。桥接结构218可以具有多种形式。在一些示例中，桥接结构218从波导210的侧壁表面216到每个相邻波导通道214A和214B的相对边缘逐渐渐缩，诸如下面的图4B所示。

桥接结构被构造为引导光信号通过桥接结构。例如，光信号可能具有多个特性，诸如幅度、频率和相位，这些特性可能会影响真空封套104内特性的测量。对于波导210的不靠近壁220的部分，侧壁表面216可以与空气(或其他流体介质)或真空相邻，并且与空气(或其他流体介质)或真空相比具有相对高的折射率差。然而，对于波导210的靠近壁220的部分，侧壁表面216可以与具有相对相似折射率的材料相邻。为了保存光信号的特性，桥接结构218可以被构造为减少特性(诸如折射率)的变化，特性的变化可能由于通道214中的材料的变化而发生。例如，桥接结构218可以改变侧壁表面216处的包层的折射率以减少桥接结构218处的包层的折射率变化。在一些示例中，诸如在下面的图3B和图3C中描述的，桥接结构218可以包括被构造为保存通过桥接结构218传输的光信号的特性的材料。在一些示例中，诸如在下面的图4A和图4B中描述的，桥接结构218可以包括被构造为保存通过桥接结构218传输的光信号的特性的形状。

本文所描述的真空单元组件(诸如图1A的真空单元组件100)可以包括光子集成电路(诸如图1A的光子集成电路102)和/或真空封套(诸如图1A的真空封套104)，其包括多层以形成紧密的密封。图3A是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的远离真空封套的示例性部分300A的侧视图。在部分300A处，衬底305包括顶层306、第一基层308和第二基层310。作为一个示例，顶层306可以是氮化硅；第一基层308可以是二氧化硅；第二基层310可以是硅。作为另一个示例，顶层306、第一基层308和第二基层310可以均是III-V族半导体，诸如砷化镓。

通道304A和304B(单独称为“一个通道304”并且统称为“多个通道304”)可以形成到顶层306中，并且可以限定波导302。第一基层308可以被构造为用作波导302的包层。顶层306、第一基层308和第二基层310可以具有多种厚度。在一些示例中，顶层306具有对应于波导302的高度的厚度。例如，顶层306可以具有约100nm至约500nm之间，诸如约250nm的厚度。在一些示例中，第一基层308可以具有约1μm至约5μm之间，诸如约3μm的厚度。

在一些示例中，真空封套的一个或多个壁直接联接到衬底的顶表面。图3B是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的与真空封套相邻的示例性部分300B的侧视图。在部分300B中，波导302包括桥接结构316，桥接结构包括相邻的通道结构312A和312B(单独称为“一个通道结构312”并且统称为“多个通道结构312”)。每个相邻的通道结构312可以被构造为与相应的通道304相交以形成跨过顶层306的平面表面。多种材料，包括但不限于氮化硅、二氧化硅、硅、III-V族半导体等可用于通道结构312。在一些示例中，顶层306和通道结构312由相同的材料制成(例如，通过从顶层306去除材料以形成不连续通道304和在不连续通道304之间的通道结构312)。例如，顶层306和通道结构312可以被构造为减小热膨胀系数或制造复杂性的差异。在一些示例中，顶层306和通道结构312由不同的材料制成(例如，通过从顶层306去除材料以形成连续通道304并填充通道304的一部分以形成通道结构312)。例如，顶层306和通道结构312可以被构造为增加跨过桥接结构316的全内反射。

在一些示例中，光子集成电路包括在真空封套和波导之间具有一个或多个中间层的掩埋波导。图3C是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的靠近真空封套的示例性部分300C的侧视图。部分300C包括中间层320。虽然示出了为单层，但在一些情况下，中间层320可以包括多个层。在图3C的示例中，波导302被形成通道结构312A和312B的中间层320掩埋在桥接结构318处。中间层320可以形成用于与壁314结合的平面表面。与未掩埋的波导相比，掩埋波导可以具有例如降低的跨过桥接结构318的损耗。

在一些示例中，中间层320可以在衬底305上存在于光子集成电路300的不靠近壁314的部分处。例如，不是仅在壁314附近形成局部桥接结构318，中间层320可以铺在波导302的其他部分上，使得波导302的一些或全部可以被掩埋(即，环绕在侧壁表面和顶表面上)。通过掩埋波导302，中间层320可以帮助在壁314与中间层320结合期间保持波导302的完整性，从而允许更多种材料用于波导302。

在一些示例中，中间层320可以被构造为界定波导302。在一些示例中，中间层320由被构造为为波导302提供相对高的内反射的材料制成。例如，中间层320和第一基层308可以包括相同的材料，诸如二氧化硅，使得波导302由同一材料界定。在一些示例中，中间层320可以被构造为结合到壁314。在一些示例中，中间层320的材料可以与壁314的材料相容。例如，中间层320的材料可以具有与壁314的材料相对相似的CTE。多种材料可用于形成中间层320，包括但不限于二氧化硅、氮化硅等。在一些示例中，中间层320可具有约1μm至约5μm之间，诸如约3μm的厚度。

本文所描述的示例性真空单元组件可以包括具有各种形状的桥接结构。在一些示例中，桥接结构可以包括具有线性侧壁的波导部分。图4A是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的包括线性桥接结构410的示例性部分400的俯视图。桥接结构410可以包括波导402和相邻的通道结构412A和412B，它们与真空封套414的第一侧上的通道404A和404B以及真空封套414的相对的第二侧上的通道406A和406B相交。通道404A、404B、404A和406B可以相对容易地制造，诸如通过使用蚀刻、光刻或在衬底408中形成相对线性通道的其他块制造方法。

可以基于旨在通过波导传输的光信号的一个或多个特性来构造波导的结构特征，诸如侧壁的形状。在一些示例中，桥接结构可以包括具有非线性侧壁的波导部分。图4B是示出了根据本文讨论的示例的光子集成电路的包括渐缩桥接结构430的示例性部分420的俯视图。渐缩桥接结构430可以包括波导的渐缩部分422B和相邻通道结构432A和432B，它们与真空封套434的第一侧上的通道424A和424B以及真空封套434的相对的第二侧上的通道426A和426B相交。

波导的渐缩部分422B可以包括与波导的线性部分422A形成角度436的侧壁和宽度432。波导的渐缩部分422B可以在波导的线性部分422A之间具有长度438。波导的渐缩部分422B可以具有与波导422A的波长和可容忍损耗相关的形状和/或尺寸。在图4B的示例中，可以选择角度436、宽度432和/或长度438以减少通过桥接结构430传输的光信号的衰减、频移和/或相移。例如，由于相邻通道结构432A和432B的材料不同，光信号在作为相邻通道结构432A和432B的波导部分中的反射可能不同于在作为相邻充气通道，诸如图3A的通道304A和304B的波导部分中的反射。为了保存光的各种特性，渐缩部分422B的表面可以被构造为反射和/或折射光以减小光信号在进入波导的渐缩部分422B之前和离开波导的渐缩部分422B之后的特性差异。

在一些示例中，可以基于旨在通过波导422传输的光信号的波长来选择宽度432。例如，波导的渐缩部分422B的宽度432可以被构造为扩展光的导模以减少损耗。为了引导光，波导422可以具有足够的横截面(即宽度432)，该横截面可以是光波长的一小部分。

在一些示例中，可以基于旨在通过波导422传输的光信号的波长来选择角度436和/或长度438。例如，通过特定波导422传输的光信号的波长对于特定原子传感器可以具有相对窄的范围，使得桥接结构430可以被构造为保存具有该范围内的波长的光信号。在一些示例中，光信号的引导光具有约50纳米的波长范围。

本文所描述的真空单元组件可用于为原子传感器提供高真空、光学上可接近的环境。在一些示例中，本文所描述的真空单元组件可用于磁光阱传感器中。图5A是示出了根据本文讨论的示例的包括真空单元组件500的示例性原子传感器501的构思性和示意性框图。

真空单元组件500包括一个或多个光子集成电路502，诸如图1A的光子集成电路102。每个光子集成电路都包括构造在衬底中的一个或多个波导510。真空单元组件500包括真空封套504，该真空封套包括一个或多个壁，该一个或多个壁联接到每个光子集成电路502的顶表面并形成至少一个腔。在图5A的示例中，真空封套504包括腔室508，该腔室被构造为接收来自光子集成电路502的一个或多个磁光阱(MOT)束。每个波导510被构造为使由光输入表面从一个或多个光学部件506接收到的光分配到腔室508的内部。在一些示例中，真空封套504可以包括各种腔室，这些腔室包括被选择用于吸附特定气体的一种或多种吸气剂材料。

由于氦气和其他气体的渗透，原子传感器501可以利用来自传感器体积部的气体的主动泵送。在图5A的示例中，原子传感器501包括离子泵512、原子源513和与真空封套104流体联接的气体吸气剂515。离子泵512被构造为从腔室508去除污染物并降低腔室508的压力。离子泵512可以是相对较小的尺寸、重量、功率和成本(SWAP-C)的并且能够将腔室508抽空到超高真空(例如，小于10^-9托的压力)。在一些示例中，离子泵512可以直接与腔室508集成，例如，通过形成为同一衬底或密封真空封套504的一部分，并且可以不产生使在腔室508中执行的物理过程失真的磁场。原子源513可以被构造为分配用作物理室中的感测元件的原子或元素。源513可以分配如铷、铯、钠等碱金属；如钙、锶等碱土金属；以及如镱等镧系元素。吸气剂514可以被构造为吸附气体，包括惰性和反应性气体。吸气剂514还可以通过适当的材料选择而从原子源513吸收多余的碱原子，这种材料是金。因此，吸气剂514可以去除可能使传感器501的各个腔室的压力劣化的污染气体。

在一些示例中，离子泵512是紧凑型离子泵，其能够产生高真空并减少磁干扰。离子泵512可以利用静电场将电子限制在离子泵512内，而无需使用磁体或磁场。例如，离子泵512可以包括与外电极保持正静电势的内电极。引入外电极的内部体积部中的电子被内电极和外电极之间的正静电势限制在内部体积部内。当电子围绕内电极运行时，电子撞击并电离内部体积部内的气体分子。正静电势进一步使气体离子朝向外电极的内表面加速并吸附到外电极的内表面中。由此，离子泵512可以在不使用磁体或产生磁场的情况下产生相对高的真空(例如，＜10^-4托)。离子泵512的进一步描述可在2017年7月11日提交的标题为“无磁离子泵”的美国临时专利申请第62/531,270号和2018年7月11日提交的标题为“紧凑型静电离子泵”的PCT申请第PCT/US2018/041614号中提供，上述申请的的全部内容通过引证整体并入本文。

图5B是示出了根据本文讨论的示例的用于图5A的原子传感器501的示例性真空单元组件的立体图。真空封套504包括构造为容纳图5A的离子泵512的离子泵腔511、腔室508和构造为容纳原子源513和/或气体吸气剂515的吸气剂腔509。光子集成电路502A和502B与真空封套504集成在一起。

图5C是示出了根据本文讨论的示例的示例性MOT传感器的立体图。原子传感器501包括真空单元组件500、与真空单元组件500流体联接的离子泵512和与真空单元组件500流体联接的吸气剂腔509。真空单元组件500包括联接到真空封套504的两个光子集成电路502A和502B。真空封套504限定腔室508并且包括光学腔输入部520和光学腔镜522。光子集成电路502B包括构造为发射第一MOT束516A的第一波导510A和构造为发射第二MOT束516B的第二波导510B。每个波导510A和510B可以包括光输入表面518，光输入表面被构造为接收来自一个或多个光学部件的光信号。原子传感器501包括与腔室508流体联接的二维MOT室515。

图5D是示出了根据本文讨论的示例的示例性MOT传感器的立体图。传感器501包括无磁离子泵512和冷原子物理室508。传感器501包括PIC502，该PIC包括波导510。传感器501还包括Spindt冷阴极电子束源515、碱源/分配器513、吸气剂514和侧面光学窗口522，光学窗口可以包括镜子、波片等。通过实现小尺寸、低重量和低功率，无磁离子泵512可以使集成传感器501能够相对较小且低功率。

图6是根据本文描述的示例的用于形成一个或多个真空单元的示例方法的流程图。将参考图1A的真空单元组件100来描述图6的方法；然而，图6的方法可用于制造其他真空单元组件。

图6的方法可以包括在光子集成电路102的衬底108中形成波导110(步骤600)。在一些示例中，光子集成电路102可以包括暴露的波导，诸如图3A中所示。在这样的示例中，形成波导302可以包括形成一个或多个基层(诸如铺在第二基层310上的第一基层308)，在一个或多个基层上形成顶层(诸如铺在第一基层308上的顶层306)以及在顶层306中形成一个或多个通道304以形成波导302。

在一些示例中，光子集成电路102可以包括位于真空封套104附近的桥接结构，诸如图3B的桥接结构316。作为一个示例，形成波导302可以包括在通道304中沉积通道结构312。例如，可以将诸如氮化硅的材料沉积到通道304中以形成平面表面。作为另一个示例，形成波导302可以包括从顶层306形成通道结构312。例如，通道304可以不连续地形成，使得来自顶层306的材料不被去除以用于桥接结构316。

在一些示例中，光子集成电路102可以包括具有特定形状的桥接结构，诸如图4B的桥接结构430，该桥接结构被构造用于光信号的特定特性。例如，形成波导422可以包括形成通道424和426，使得波导422具有对应于光信号的期望特性的特定形状，诸如角度436和/或长度438。

在一些示例中，光子集成电路102可以包括掩埋波导，诸如图3C中所示。作为一个示例，形成波导302可以包括在波导302上形成一个或多个中间层，诸如中间层320，以基本上环绕波导302。作为另一个示例，形成波导302可以包括形成中间层320，该中间层包括两个或更多个中间层，诸如被构造为与真空封套104结合的层。

图6的方法可以包括将真空封套104定位在衬底108的顶表面109上(步骤610)。例如，衬底108的一部分(诸如图2A中描述的部分206)可以被构造为接收真空封套104，并且可以包括各种结构，诸如图2C的桥接结构218，该桥接结构可以形成用于结合到壁220的平面表面。

图6的方法可以包括将真空封套104的壁114结合到衬底108的顶表面109(步骤620)。阳极结合可涉及在高温下将真空封套104和光子集成电路102放置在金属电极之间，在电极之间施加相对高的直流(DC)电势以产生穿透衬底的电场。至少一个部件中的掺杂剂可以通过施加电场而被置换，从而在相应部件的表面处的掺杂剂耗尽，这使得该部件与另一部件具有高反应性以允许产生化学键。可以使用的替代组装技术，特别是当使用不同种类的材料时，替代组装技术包括直接结合技术、中间层结合技术、熔接密封、接触结合和其他结合技术。在其他情况下，可以使用使用粘合剂的其他组装技术，包括使用各种环氧树脂、弹性体、热塑性粘合剂或热固性粘合剂。

在一些示例中，每个波导110可以包括与衬底108的顶表面齐平的桥接结构，诸如图2C的桥接结构218。在这样的示例中，将真空封套204的壁220阳极结合到衬底208的顶表面209可以包括将真空封套204的壁220的至少一部分阳极结合到每个波导210的桥接结构218。

在一些示例中，图6的方法可以包括将微芯片118结合到光子集成电路102(步骤630)。例如，结合微芯片118可以包括将微芯片118凸出地结合到光子集成电路102的底表面。

在一些示例中，一个或多个真空单元包括多个真空单元，诸如图1B的真空单元组件100A、100B、100C和100D。为了更有效和/或均匀地制造真空单元组件100，一个或多个真空单元组件100可以使用成批加工来制成。例如，可以对多个光子集成电路102A、102B、102C和102执行步骤600；可以对多个真空封套104A、104B、104C和104D执行步骤610；以及可以针对多个真空封套104和光子集成电路102执行步骤620。在这样的示例中，该方法可以包括使多个真空单元组件100分离开。例如，可以切割衬底116以分离出光子集成电路102A、102B、102C和102D。

示例

示例1：一种设备，包括：光子集成电路，该光子集成电路包括构造在衬底中的一个或多个波导；以及真空封套，该真空封套包括与衬底的顶表面相联接的一个或多个壁，其中，每个波导都被构造为将光从光输入表面传输到真空封套的内部。

示例2：根据示例1所述的设备，其中，真空封套包括泵腔，并且其中，设备还包括容纳在泵腔中的无磁离子泵。

示例3：根据示例1或2所述的设备，其中，光子集成电路的顶表面的一部分基本上是平面的。

示例4：根据示例3所述的设备，其中，每个波导都包括桥接结构，该桥接结构联接到真空封套的一个或多个壁并且与衬底的顶表面的一部分齐平。

示例5：根据示例4所述的设备，其中，对于每个波导而言：衬底包括相邻波导通道，这些相邻波导通道限定波导的侧壁表面；并且衬底的顶表面限定波导的顶表面，并且其中，桥接结构与相邻波导通道相交。

示例6：根据示例5所述的设备，其中，桥接结构从波导的侧壁表面到每个相邻波导通道的相对边缘逐渐渐缩。

示例7：根据示例4至6中任一项所述的设备，其中，桥接结构被构造为引导光通过桥接结构，并且其中，所引导的光具有约50纳米的波长范围。

示例8：根据示例1至7中任一项所述的设备，其中，衬底的表面的热膨胀系数(CTE)是处于下列范围中的至少一者内：衬底的表面的热膨胀系数与真空封套的一个或多个壁的CTE的差异在约5ppm/℃内，或者所述衬底的表面的热膨胀系数与真空封套的一个或多个壁的CTE的差异在约三分之一内。

示例9：根据示例1至8中任一项所述的设备，其中，真空封套的一个或多个壁直接联接到衬底的顶表面。

示例10：根据示例1至9中任一项所述的设备，还包括在真空封套的一个或多个壁与衬底的顶表面之间的中间层。

示例11：根据示例1至10中任一项所述的设备，其中，衬底包括III-V族化合物半导体，并且真空封套的一个或多个壁包括硅和硅基化合物中的至少一种。

示例12：根据示例1至11中任一项所述的设备，还包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件联接到光子集成电路并且被构造为将光发射到至少一个波导的光输入表面中或操纵通过至少一个波导传输的光。

示例13：根据示例12所述的设备，其中，一个或多个光学部件包括激光器，该激光器被构造为将光发射到至少一个波导的光输入表面中。

示例14：根据示例13所述的设备，还包括一个或多个有源电子部件，该一个或多个有源电子部件联接到光子集成电路，被构造为控制一个或多个光学部件并且处理来自一个或多个光学部件的信号。

示例15：根据示例14所述的设备，其中，一个或多个有源电子部件被构造在衬底上。

示例16：根据示例1至15中任一项所述的设备，其中，真空封套包括：吸气剂腔，该吸气剂腔容纳吸气剂；以及磁光阱(MOT)腔，该磁光阱腔与吸气剂腔和泵腔流体联接。

示例17：根据示例1至16中任一项所述的设备，还包括位于衬底下方的微芯片。

示例18：一种形成一个或多个真空单元的方法，对于每个真空单元而言都包括：在光子集成电路的衬底中形成一个或多个波导；以及将真空封套的一个或多个壁结合到衬底的顶表面以形成真空单元。

示例19：根据示例18所述的方法，其中，每个波导都包括与衬底的顶表面齐平的桥接结构，并且其中，将真空封套的一个或多个壁结合到衬底的顶表面还包括将真空封套的一个或多个壁的至少一部分阳极结合到每个波导的桥接结构。

示例20：根据示例18或19所述的方法，其中，一个或多个真空单元包括多个真空单元，并且该方法还包括使多个真空单元分离开。

已经描述了各种示例。这些和其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

光子集成电路，该光子集成电路包括构造在衬底中的一个或多个波导；以及

真空封套，该真空封套包括与所述衬底的顶表面相联接的一个或多个壁，

其中，每个所述波导都被构造为将光从光输入表面传输到所述真空封套的内部。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述真空封套包括泵腔，并且

其中，所述设备还包括容纳在所述泵腔中的无磁离子泵。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光子集成电路的顶表面的一部分基本上是平面的。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，每个所述波导都包括桥接结构，该桥接结构联接到所述真空封套的一个或多个壁并且与所述衬底的顶表面的所述部分齐平。

5.根据权利要求4所述的设备，

其中，对于每个所述波导而言：

所述衬底包括相邻波导通道，这些相邻波导通道限定所述波导的侧壁表面，并且

所述衬底的顶表面限定所述波导的顶表面，并且

其中，所述桥接结构与所述相邻波导通道相交。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述桥接结构从所述波导的侧壁表面到每个所述相邻波导通道的相对边缘逐渐渐缩。

7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述桥接结构被构造为引导光通过所述桥接结构，并且其中，所引导的光具有约50纳米的波长范围。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底的表面的热膨胀系数(CTE)处于下列范围中的至少一者内：

所述衬底的表面的热膨胀系数与所述真空封套的一个或多个壁的CTE的差异在约5ppm/℃内，或者

所述衬底的表面的热膨胀系数与所述真空封套的一个或多个壁的CTE的差异在约三分之一内。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述真空封套的一个或多个壁直接联接到所述衬底的顶表面。

10.根据权利要求1所述的设备，还包括位于所述真空封套的一个或多个壁与所述衬底的顶表面之间的中间层。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底包括III-V族化合物半导体，并且所述真空封套的一个或多个壁包括硅和硅基化合物中的至少一种。

12.根据权利要求1所述的设备，还包括一个或多个光学部件，所述一个或多个光学部件联接到所述光子集成电路并且被构造为将光发射到至少一个所述波导的所述光输入表面中或者操纵通过至少一个所述波导传输的光。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述一个或多个光学部件包括激光器，该激光器被构造为将光发射到至少一个所述波导的所述光输入表面中。

14.根据权利要求13所述的设备，还包括一个或多个有源电子部件，所述一个或多个有源电子部件联接到所述光子集成电路，被构造为控制所述一个或多个光学部件并且处理来自所述一个或多个光学部件的信号。

15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述一个或多个有源电子部件被构造在所述衬底上。

16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述真空封套包括：

吸气剂腔，该吸气剂腔容纳吸气剂；以及

磁光阱(MOT)腔，该磁光阱腔流体地联接到所述吸气剂腔和所述泵腔。

17.根据权利要求1所述的设备，还包括在所述衬底下方的微芯片。

18.一种形成一个或多个真空单元的方法，对于每个真空单元而言都包括：

在光子集成电路的衬底中形成一个或多个波导；以及

将真空封套的一个或多个壁结合到所述衬底的顶表面以形成所述真空单元。

19.根据权利要求18所述的方法，

其中，每个所述波导都包括与所述衬底的顶表面齐平的桥接结构，并且

其中，将所述真空封套的一个或多个壁结合到所述衬底的顶表面还包括将所述真空封套的一个或多个壁的至少一部分阳极结合到每个所述波导的所述桥接结构。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述一个或多个真空单元包括多个真空单元，并且所述方法还包括使所述多个真空单元分离开。

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