CN115605727A - 用于超冷原子惯性传感器的原子芯片及相关联的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于超冷原子传感器的原子芯片(Ach)，所述芯片包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：‑第一和第二共面波导(CPWX1，CPWX2)，适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，‑第一和第二共面波导(CPWY'1，CPWY'2)，适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在XY平面中的投影沿着不同于X轴并且包含在XY平面中的轴Y'，X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义参考系XYZ的原点，‑至少第一导线(W1)和第二导线(W2)，其各自在XY平面中的投影正割于O并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线为适合直流电流通过。
Description
技术领域
本发明涉及超冷原子惯性传感器领域。更具体地，本发明涉及允许测量围绕两个或三个测量轴的角速度的芯片以及相关联的传感器。
背景技术
文献WO2017089489中描述的传感器描述了一种片上超冷原子惯性传感器(陀螺仪)，该传感器使用捕获的物质波，其描述封闭区域的闭合路径，该传感器的结构和工作原理将在下面回顾。
这种类型的设备中的旋转测量是通过利用萨格纳克效应(Sagnac effect)来进行的。在以角速度Ω旋转的参考系中反向旋转的两个物质波之间的萨格纳克效应引起的相移θ由下式给出：
其中A是原子路径所包围的面积，m是原子的质量，
是简化的普朗克常数。
超冷原子被定义为温度低于400纳开尔文，优选低于300纳开尔文的原子。热超冷原子的温度，例如对于铷原子，被包括在50和400纳开尔文之间，优选地被包括在100和300纳开尔文之间。
原理是获得两个反向传播的磁捕获原子云要穿过的一条路径。磁笼(magnetictrap)经由导线和微波导向器沿路径形成并移动，例如如图1所示布置。
图1示意性地示出了超冷原子芯片1、其超冷原子12以及两个原子云N1和N2的路径16。芯片1的表面的一部分形成测量平面13。垂直于测量平面13的轴定义了测量轴Z，陀螺仪围绕该轴进行旋转Ωz的测量。
芯片1包括适用于产生第一超冷原子笼Tl和第二超冷原子笼T2的装置，笼允许超冷原子云12以与另一个笼不同的内部状态被固定在距所述测量平面13的预定距离h处。例如，笼T1包括处于电子状态|a>的原子(云N1)，而笼T2包括处于状态|b>的原子(云N2)。状态|a>和|b>由频率ω0/2π分开。例如，在铷87的情况下，这是两个超精细状态|F＝1,m-F＝-1>和|F＝2,m-F＝1>的问题，它们相隔约6.8GHz。
这些装置还允许云沿着路径16移动，路径16位于与测量平面13平行的平面中，距该平面的高度为h，如图1中所示。这些装置包括波导以及如下所描述的导线。
该装置包括适合于以角频率ωa和ωb传播微波的第一波导CPW1和第二波导CPW2。波导平行并相对于测量平面的Y轴对称放置。两个波导CPW1和CPW2连接到微波频率处的电压或电流的至少一个发生器。例如，每个波导通过沉积三个平行的导线以形成共面波导而产生。在其他实施例中，可以使用其他类型的波导，特别是其生产与采用沉积或蚀刻的微制造技术兼容的波导。例如，可以生产微带线。
该装置还包括集成到芯片1中并且能够被DC电流通过的导线。导线被分类为沿着与X垂直的对称轴Y并包含在测量平面13中的导线WIz，以及多条n导线Wldi，索引i从1变化到n，它们相互平行并且平行于X轴，n至少等于2。在图1的示例中，n＝3，即有3条导线WId1、WId2和WId3。导线布置成定义位于Y轴上的n个交叉点Ci(WIz和Wldi之间的交叉点)，此处为3个交叉点C1、C2、C3。
每条导线连接到一个或多个电流和/或电压发生器，它们本身连接到包括至少一个微处理器的处理单元。电压和/或电流发生器允许通过电线驱动直流电流和交流电流。特别地，直流电流通过导线被驱动。
在传感器中，原子芯片1被放置在真空室中，真空室的真空例如使用离子泵保持并且优选地包括磁屏蔽。真空室包括超冷原子源。超冷原子源定义为：
-原子分配器，例如通过产生铷蒸气的加热灯丝实现的原子分配器；
-初级(光学和/或磁性)原子笼，允许将超冷原子云预冷却并放置在芯片附近，以便将原子加载到下面描述的磁笼T1和T2中。
真空室还包括位于芯片1外部的磁场源。它允许在测量平面13上方的至少高度h数量级的厚度上产生均匀的静态磁场20。有利地，均匀磁场的方向平行于测量平面。
在图1中，路径16(虚线)说明了超冷原子云12的路径。这个闭合路径定义了一个表示为A的区域。距离h将路径16的平面和芯片的测量平面13分开。优选地，h被包括在500nm到1mm之间，并且优选地被包括在5μm到500μm之间。
图2说明了原子芯片的导向器和导线以及笼T1和T2的几何形状。
导线和波导的特定布置，连同源的均匀磁场，使得可以容易地获得两个笼T1和T2，如图2的部分a)所示。每个笼T1和T2具有相同的非零最小值V0和相同的曲率，是传感器工作的必要条件。具体而言，如下所述，当直流电流施加到交叉点的至少两条导线时，所产生的势阱(potential well)的最小值与该交叉点垂直。然后，当微波功率通过波导发送时，这个中心阱被转换成两个阱，它们位于波导方向上的初始阱的两侧。如果初始阱与两个波导的距离不严格相等，则创建的两个势阱将不会具有严格相同的最小值V0和相同的曲率。
图2的部分c)示出了定义初始交叉点C1的导线和波导(从上方看)的布局。图2的b)部分说明了导线和印刷在芯片上的波导的相应布局(从横截面轮廓中看到)，横截面穿过导线WId1，导线WId1沿对称轴Y与导线WIz相交。波导CPW1和CPW2是位于第一层N1上的共面波导。绝缘层18有利地允许测量平面变平。电绝缘层的材料例如可以是二氧化硅、氮化硅或苯并环丁烯。导电材料，例如金，用于制造导线，并沉积在衬底15上，形成第二层N2。衬底可以例如由硅、氮化铝或碳化硅制成。
a)部分显示了超冷原子的对称分离，其特定于所述超冷原子的内部状态，并且更准确地说特定于作为芯片1的X轴上位置的函数的电势的变化。
以黑色绘制的曲线“a”显示了一个势阱，该势阱对应于均匀磁场和由两条正割导线产生的场的关联——电流IZ穿过的导线WIz和电流Id1通过的导线WId1。生成形成三维原子笼T的局部势阱。超冷原子云可能被困在其中并被冷却。
用浅灰色虚线绘制的曲线“b”示意性地示出了由频率ωb的微波通过波导CPW1传输所产生的电势。频率ωb的微波通过所发射的场允许超冷原子的能量被改变，内部状态|b>的原子被移动。用浅灰色实线绘制的曲线“e”说明了内部状态|b>所看到的电势，这是曲线“a”和曲线“b”对最终电势的所示出的贡献的结果。曲线“e”具有局部电势最小值，允许内部状态|b>的超冷原子云被局部捕获。
类似地，用深灰色虚线绘制的曲线“d”示意性地示出了由频率ωa的微波通过波导CPW2传输所产生的电势。频率为ωa的微波通过所发射的场允许超冷原子的能量被改变，内部状态|a>的原子被移动。用一条深灰色实线绘制的曲线“c”说明了内部状态|a>的原子所看到的电势，这是曲线“a”和曲线“d”对最终电势的所示出的贡献的结果。曲线“c”具有局部能量最小值，允许内部状态|a>的超冷原子云被局部捕获。
内部状态|a>和|b>的超冷原子云可以通过同时使频率为ωa的波通过CPW2传播并且频率为ωb的波通过CPW1传播而关于对称轴Y对称地分离和捕获。为了获得两个阱(其最小值为相同值V0且曲率值相同)，重要的是，将交叉点C1放置在距CPW1和CPW2相等的距离处，即在对称轴Y上。
图3说明了路径16的产生原理。图3的a)部分示意性地显示了在特征时间t1到t9的每个超冷原子云的运动序列。b)部分以补充方式说明了在对应a)部分的时间的时间，施加到导线的各种电流、施加到波导的功率和施加到波导的频率的序列。
在图3所示的序列中，流过WIz的电流Iz(未显示)保持在恒定值。在b)部分中，电流、功率和频率的值是任意值。标记为δ频率的y轴对应于以任意单位表示的关于平均频率值的频率变化。通过导线的电流可以被包括在100μA和10A之间，并且在使用铷原子的情况下，注入波导的角频率可以被包括在6.6GHz和7GHz之间。
在步骤A0中，制备原子。产生超冷原子云12，这包括在距测量平面的距离h处分配所述原子、冷却所述原子、将所述原子初始化为至少一个内部状态|a>和将所述超冷原子云捕获在局部势阱中的阶段(笼T，图2部分a)的曲线“a”)。高度h不同于0，因为均匀磁场20不为零。通过使直流电流通过导线WIz并通过多条导线中一条导线WIdi来实现捕获，这两条导线的交叉点定义了起点(此处为C1与WId1)。同时，平行于原子芯片的平面施加偏置磁场20，该磁场叠加在由前两条导线产生的磁场上。然后，原子云垂直于C1被捕获，C1是导线Wlz和Wld1的交叉点。
在步骤B0中，经由第一/2脉冲在所述状态|a>和|b>之间相干地叠加所述超冷原子来初始化内部状态。该脉冲可以通过激光、微波发射器或更一般地使用以合适的过渡频率发射波的方法来产生。电流IZ和Id1分别施加到导线WIz和Wld1。两个内部状态|a>和|b>与交叉点C1相干且空间垂直地叠加。
那么波函数为：
在步骤C0中，一个笼T1中的内部状态|a>的原子云与另一个笼T2中的内部状态|b>的原子云在空间上分离，并且笼沿包含在垂直于测量轴Z的平面中的闭合路径16在相反方向上移动。内部状态|a>的原子云已由亮纹理的圆盘表示，内部状态|b>的原子云已由较暗纹理的圆盘表示。此步骤从t1运行到t9。
在t1和t2之间，注入波导CPW1和CPW2的微波功率逐渐从0变化到其最大值。角频率ωa被发送到波导CPW1，并且角频率ωb被发送到波导CPW2，这允许两个不同内部状态的云在对称轴Y的任一侧移动距离d，到示意性地显示为t2的位置。上述在时间t1的超冷原子笼T因此被转换为两个超冷原子笼T1和T2，每个笼允许内部状态不同于另一个笼的超冷原子云被固定(在本例中，内部状态|a>在其中一个笼(例如T1)中，而内部状态|b>在另一个笼T2中，如图2)的a)部分所示。
交叉点Ci对应于导线WIz与导线WIdi的交叉。
在t2和t3之间，电流Id1逐渐被切断，Id2逐渐增加到其最大值(分离t2和t3的时间间隔通常在10ms的量级，可以被包括在0.1ms和100ms之间)：两个笼T1和T2向右移动到t3示意性所示的位置。
在t3和t4之间，电流Id2逐渐减少，Id3逐渐增加到其最大值：两个阱向右移动到t4示意性所示的位置。
在t4和t5之间，微波功率逐渐减少：两个笼被带回芯片上的同一位置，如t5示意性所示。
在t5，两个微波波导的角频率被修改：角频率ωb应用于CPW1，角频率ωa应用于CPW2。
在t5和t6之间，两个波导中的功率逐渐从0变为其最大值：笼在垂直方向上分离，如图中t6示意性所示。
在t6和t7之间，电流Id3逐渐切断，Id2逐渐增加到其最大值：两个笼T1和T2向左移动到t7示意性所示的位置。
在t7和t8之间，电流Id2逐渐减少，Id1逐渐增加到其最大值：两个笼向左移动到t8示意性所示的位置。该操作可以与其他第一导线重复多次以增加由路径16包围的面积。
在t8和t9之间，波导中的微波功率逐渐减少。两个笼T1和T2移动，直到它们合并为位于t1示意性所示起点处的单个笼。
直流电流因此被施加到对应于初始交叉点C1的两条导线，并且随着时间的推移，这些电流被连续地施加到位于对称轴上的各个交叉点Ci，同时将微波功率施加到波导。
在步骤C0期间，施加到各种导线WIdi的直流电流在0和最大值Idimax(在图3中归一化为1)之间连续变化(增加和减少)，而磁场20和电流Iz在序列期间保持恒定。在整个序列A0、B0和C0中，两个笼T1和T2保持在高度h。
两个笼T1和T2沿交叉点“开启”的方向移动：从交叉点C1到交叉点Cn。回程是通过反转微波频率并在对应于各个交叉点Cn到C1的导线中连续打开直流电流来实现的。
因此使笼在闭合路径16中行进。
原子的闭合路径16则包含面积A，因此原子波函数为：
其中：
在步骤D0中，内部状态|a>和|b>通过向超冷原子施加第二个π/2脉冲重新组合，这将相位差转移到两个原子状态的总体(population)：
其中ω是π/2脉冲的角频率。
π/2脉冲可以经由微波引导器或通过单独的微波发射器发送到原子。
接下来，测量选自至少|a>和|b>的内部状态的原子的密度。该测量可以例如通过使用激光吸收来探测内部状态特有的角频率和激光的角频率之间的共振来进行。
最后，在步骤E0中，确定超冷原子的萨格纳克相移，并计算传感器绕Z轴的旋转速度。
对处于状态|a>或|b>之一的至少一个原子总体的测量允许确定萨格纳克相移，例如对于内部状态|a>，使用等式(5)，然后使用等式(1)确定旋转速度Ωz。
在测量萨格纳克相移之前，可以使笼在这条路径上行进N次，因此可以测量可能大N倍的相移。
为了实施上述方法，允许测量旋转速度Ωz的超冷原子传感器包括：
-如上所述的原子芯片1，具有波导和导线，
-用于在原子芯片的测量平面13附近产生超冷原子云的原子源，
-均匀磁场发生器20，
-至少一个处理器、至少一个适用于控制导线中的电流的直流电流或电压发生器以及至少一个连接到波导的微波电流或电压发生器，
-用于检测光强度的系统，该系统适用于测量至少一个处于内部状态的超冷原子总体，该测量允许确定萨格纳克相移和旋转速度Ωz。
上述和在文档WO2017089489中描述的传感器允许基于包含在平行于测量平面13的平面中的路径，仅测量绕垂直于芯片平面的Z轴的旋转速度。为了能够测量围绕三个轴的旋转速度，需要提供3个这种类型的传感器，这很昂贵，占用空间并且操作复杂，特别是关于三个轴的相应位置(它们正交性的调整)，这种调整表现出随时间的漂移，其降低了装配的准确性。
本发明的一个目的是通过提供一种原子芯片和基于该芯片的传感器来克服上述缺点，在该传感器的第一版本的情况下，传感器能够测量绕两个垂直轴的旋转速度，以及在传感器的第二版本的情况下传感器能够测量绕三个垂直轴的旋转速度。
发明内容
本发明的一个主题是一种用于超冷原子传感器的原子芯片，所述芯片包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：
-第一和第二共面波导，适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一和第二共面波导，适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在XY平面中的投影沿着不同于X轴并且包含在XY平面中的轴Y'，
X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义参考系XYZ的原点，
-至少第一导线和第二导线，其各自在XY平面中的投影正割于O并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线为适合直流电流通过。
根据一个实施例，所述X向导向器、所述Y向导向器、所述第一导线和所述第二导线分别放置在不同的层上，每一层与相邻层电绝缘，所述层形成放置在衬底上的堆叠。
根据一个实施例，所述第一导线在XY平面中的投影沿X轴定向，并且所述第二导线在XY平面中的投影沿Y'轴定向。
根据一个实施例，Y'轴与Y轴重合。根据一个实施例，Y'轴与Y轴重合，并且所述第一导线和所述第二导线在XY平面上的投影分别为相互垂直并分别与X轴和Y轴呈45°定向。
根据一个变体，原子芯片还包括：平行于所述第一导线放置的多条导线，形成第一多条导线，以及平行于所述第二导线放置的多条导线，形成第二多条导线，第一多条导线和第二多条导线中的导线在XY平面中的投影限定XY平面上的交叉点，
所述第一多条导线和第二多条导线被布置成使得至少一组交叉点位于所述平行四边形内。
优选地，第一多条导线和第二多条导线被配置为使得所述一组交叉点的子集位于所述X轴上，并且所述一组交叉点的另一个子集位于Y'轴上。
根据一个实施例，所述导线具有宽度，并且两个相邻导线之间的距离被包括在所述宽度的0.5倍和2倍之间。
根据一个变体，根据本发明的原子芯片是矩阵阵列原子芯片，并且在第一实施例中，它包括索引为n的第一组第一导线和索引为m的第二组第二导线，它们相互垂直并且分别形成矩阵阵列的行和列，
索引为n的第一导线和索引为m的第二导线中的每一个分别与索引为n的轴Xn和索引为m的轴Ym重合，沿Xn轴的导向器因此对行n的所有像素是公共的，并且沿Ym轴的导向器因此对列m的所有像素是公共的，所述矩阵阵列的每个像素形成一个基本芯片。
根据一个变体，根据本发明的原子芯片是矩阵阵列原子芯片，并且在第二实施例中，它包括索引为n的第一组第一导线和索引为m的第二组第二导线，它们相互垂直并且分别形成矩阵阵列的行和列，
索引为n的第一导线和索引为m的第二导线中的每一个分别以与索引为k的轴Xk呈45°定向并且与索引为l的轴Y1呈45°定向，沿Xk轴的导向器因此对于所述矩阵阵列的第一对角线的所有像素是公共的，并且沿Y1轴的导向器因此对于第二对角线的所有像素是公共的，所述矩阵阵列的每个像素形成一个基本芯片。
根据一个实施例，所述第一组或所述第二组中的至少一个导线被相互平行的多条导线代替，所述多条导线中的导线的一部分被包括在相关联的平行四边形中。
本发明还涉及一种允许测量围绕至少两个轴X和Y'的旋转速度的超冷原子传感器，包括：
-放置在真空室中的根据本发明的原子芯片，
-布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云的原子源，
所述超冷原子在传感器实施的初始化阶段期间具有内部状态|a>和|b>的叠加
-均匀磁场发生器，
-至少一个处理器、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器，
-在所述传感器的实施过程中，所述波导、所述导线和适当情况下的磁场被配置为：
-修改所述超冷原子的能量，从而为处于内部状态|a>的超冷原子创建势阱并且为处于内部状态|b>的超冷原子创建势阱，从而形成第一超冷原子笼和第二超冷原子笼，一个笼使得能够在距所述测量平面的受控距离处将超冷原子云固定在与另一个笼不同的内部状态，以及
-在空间上分离两个笼并且至少沿着包含在垂直于X的平面中的第一闭合路径和包含在垂直于Y'的平面中的第二闭合路径移动所述笼，每个路径由所述第一笼的超冷原子沿一个方向行进，而由第二笼的超冷原子沿相反方向行进，
-传感器还包括用于检测光强度的系统，该系统适用于测量处于所述内部状态的所述超冷原子的至少一个总体。
根据一个实施例，所述波导和所述至少一个微波电流或电压发生器、所述导线和所述至少一个直流电流或电压发生器以及均匀磁场发生器被配置为使得所述第一闭合路径和所述第二闭合路径各自至少包括位于距所述XY平面的第一高度处的第一部分和位于第二高度处的第二部分，所述第二高度严格大于第一高度，以便经由以下方式引起从第一高度到第二高度的传递：
-在第一非零值(IW1'，IW2')和第二非零值(IW1”，IW2”)之间的通过每条导线的直流电流值的增加，和/或，
-在第一非零值(B0')和第二非零值(B0”)之间的均匀磁场值的减小，
以及从所述第二高度到所述第一高度的传递反之亦然。
根据一个变体，超冷原子传感器允许测量绕三个轴X、Y'和Z的旋转速度，包括：
-放置在真空室中的根据本发明的原子芯片，
-原子源，被布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云，所述超冷原子在初始化状态下具有内部状态|a>和|b>的叠加，
-均匀磁场发生器，
-至少一个处理器、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器，
-所述波导和所述导线被配置为：
-修改所述超冷原子的能量，从而为处于内部状态|a>的超冷原子创建势阱并且为处于内部状态|b>的超冷原子创建势阱，从而形成第一超冷原子笼和第二超冷原子笼，一个笼使得能够在距所述测量平面的受控距离处将超冷原子云固定在与另一个笼不同的内部状态，以及
-在空间上分离两个笼并沿着包含在垂直于X的平面中并从位于X轴上的第一初始化交叉点初始化的第一闭合路径、包含在垂直于Y'的平面中并从位于Y'轴上的第二初始化交叉点初始化的第二闭合路径以及包含在垂直于Z的平面中并从位于O点的第三初始化交叉点初始化的第三闭合路径移动所述笼，每条路径由所述第一笼的超冷原子沿一个方向行进，而由第二笼的超冷原子沿相反方向行进，
-所述传感器还包括用于检测光强度的系统，该系统适用于测量处于所述内部状态的所述超冷原子的至少一个总体。
根据一个实施例，所述波导和至少一个微波电流或电压发生器、所述导线和至少一个直流电流或电压发生器、以及均匀磁场发生器被配置为使得第一和第二闭合路径每个都包括至少位于距XY平面第一高度(h1)处的第一部分和位于第二高度(h2)处的第二部分，所述第二高度(h2)严格大于所述第一高度，并经由以下方式引起从第一高度到第二高度的传递：
-在第一非零值和第二非零值之间，通过定义相关联的初始化交叉点的每条导线的直流电流值的增加，和/或，
-在第一非零值和第二非零值之间的均匀磁场值的减小，
从所述第二高度到所述第一高度的传递反之亦然。
根据一种变体，超冷原子传感器包括：
-根据本发明的矩阵阵列原子芯片，
-布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云的原子源，
-均匀磁场发生器，
-至少一个处理器、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器，
-用于检测光强度的系统，
该传感器适合于根据需要以可重新配置的方式使用所述基本芯片测量沿/围绕对应于轴Xn和/或轴Ym的方向的至少一个方向的至少一个加速度和/或旋转速度。
根据另一方面，本发明涉及一种使用包括原子芯片的超冷原子传感器测量围绕两个轴X和Y'的旋转速度的方法，所述原子芯片放置在真空室中并且包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：
-第一和第二波导，适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一和第二波导，适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，轴在XY平面的投影沿着包含在所述XY平面中的轴Y'，
所述X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义参考系XYZ的原点，
-至少第一导线W1和第二导线W2，其各自在XY平面中的投影正割于所述点O处并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线适合直流电流通过，
为了测量围绕轴X和Y'之一的旋转速度(该轴被称为测量轴)，该方法包括以下步骤：
A生成所述超冷原子云，这包括在距所述XY平面第一高度处分配所述原子、冷却所述原子、将所述原子初始化到至少一个内部状态|a>和在局部势阱中捕获所述超冷原子云的阶段，所述捕获通过使DC电流通过第一和第二导线来执行，
B通过经由第一π/2脉冲在所述状态|a>和|b>之间相干叠加所述超冷原子来初始化内部状态；
C在空间上将一个笼中的所述内部状态|a>的所述原子云与另一个笼中的所述内部状态|b>的所述原子云分开，并通过以下方式沿包含在垂直于测量轴的平面中并从点O初始化的闭合路径，在相反方向上移动所述笼：以预定序列，将预定微波频率的电压或电流施加到沿测量轴的所述第一和第二导向器，将至少两个不同的直流电流或电压值施加于所述第一和第二导线和/或施加均匀磁场的至少两个不同值，所述路径包括位于距所述XY平面与所述第一高度不同的第二高度处的部分，
D通过向所述超冷原子施加第二π/2脉冲、然后测量处于选自至少|a>和|b>的内部状态的原子的密度来重新组合所述内部状态|a>和|b>，
E确定所述超冷原子的萨格纳克相移并计算所述传感器围绕所述测量轴的旋转速度，
该方法还包括执行步骤A到E以测量围绕另一测量轴的旋转速度。
根据一个变体，根据本发明的方法使用包括原子芯片的冷原子传感器测量绕三个轴X、Y'和Z的旋转速度，所述原子芯片被放置在真空室中并且包括垂直于Z轴的XY平面，轴XYZ形成正交参考系，所述原子芯片包括：
-第一和第二波导，适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一和第二波导，适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，该轴在XY平面中的投影沿着包含在XY平面中的轴Y'，
X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，中心O定义参考系XYZ的原点，
-第一多条相互平行的导线和第二多条相互平行的导线，所述第一多条导线中的导线和所述第二多条导线中的导线在XY平面中的投影定义交叉点，
所述多条导线在XY平面中的投影在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述第一多条导线中的导线和第二多条导线中的导线在XY平面中的投影正割于点O处，所述第一多条导线和第二多条导线布置成使得至少一组交叉点位于所述平行四边形内，
该方法包括：
-实施诸如上文所述的方法的步骤A到E以测量围绕X的旋转速度，包含在垂直于X的平面中的第一闭合路径从位于所述X轴上的第一初始化交叉点初始化，
-实施诸如上文所述的方法的步骤A到E以测量围绕Y'的旋转速度，包含在垂直于Y'的平面中的第二闭合路径从位于Y'轴上的第二初始化交叉点初始化，并且
-测量围绕所述Z轴的旋转速度，对应于测量轴：
-实施诸如上文所述的方法的步骤A和B，
-步骤C'包括在空间上将一个笼中的所述内部状态|a>的所述原子云与另一笼中的所述内部状态|b>的所述原子云分离，并且通过以下方式沿包含在垂直于Z轴的平面中并从第三初始化交叉点初始化的闭合路径沿相反方向移动所述笼：以预定的序列，沿轴X和Y'中的一个向所述第一和第二导向器施加预定微波频率的电压或电流，该轴被称为选择轴，以及向第一多条导线和第二多条导线中的导线施加直流电流或电压，从而依次激励放置在选定轴上或附近的交叉点，
-实施步骤D和E。
以下描述呈现了本发明设备的多个示例性实施例：这些示例不限制本发明的范围。这些示例性实施例不仅包含本发明的基本特征，而且还包含与所讨论的实施例相关的附加特征。
附图说明
根据参考附图给出的以下的详细描述，将更好地得到理解本发明，并且其其他特征、目的和优点将变得明显，这些附图以非限制性示例的方式给出并且其中：
[图1]图1(已引用)说明了导线和微波导向器的拓扑结构以及两个原子云的路径的一个示例。
[图2]图2(已引用)说明了原子芯片的导向器和导线以及笼T1和T2的几何形状。
[图3]图3(已经引用)说明了原子芯片上的原子云路径的生成的原理。
[图4]图4示出了根据本发明第一方面的用于超冷原子传感器的原子芯片。
[图5]图5示出了沿Z轴穿过OXZ平面的原子芯片的一个优选实施例的横截面。
[图6]图6示出了利用根据本发明的原子芯片获得的在包含Z的平面中的两个原子云的闭合路径。
[图7]图7示出了波导和导线的布置的第一变体，在该变体中，第一导线Wl在XY平面中的投影沿X轴定向并且第二导线W2在XY平面中的投影沿Y'轴定向。
[图8]图8示出了第二变体，其中Y'轴与Y轴重合。
[图9]图9示出了第一变体和第二变体的组合。
[图10]图10示出了第三变体，其中Y'轴与Y轴重合，并且第一导线和第二导线在XY平面中的相应投影相互垂直并且分别与X轴和Y轴呈45°。
[图11]图11示出了根据本发明另一方面的允许测量围绕至少两个轴X和Y'的旋转速度的超冷原子传感器。
[图12]图12示出了在路径TX的示例中，两个原子云多次形成闭合环所遵循的路线。
[图13]图13示出了施加到两条导线的电流、施加到微波导向器的功率和频率以及均匀磁场B0在前面时间的第一时间和最后一时间之间的时间段内的值的时序图。
[图14]图14示出了根据本发明的与围绕/沿3轴的测量兼容的原子芯片，包括平行于第一导线放置的多条导线，形成第一多条导线WPl，以及平行于第二导线放置的多条导线，形成第二多条导线。
[图15]图15示出了在平行于原子芯片的平面的平面中，使用X向导向器(仅示出的那些)捕获的两个原子云的路径。
[图16]图16示出了施加到所讨论的导线的电流值、施加到X向导向器的微波功率和频率以及作为时间的函数的均匀磁场的相关联的时序图。
[图17]图17示出了兼容的3轴原子芯片的第一变体，其中Y'轴与Y重合并且两个多条线各自平行于一个轴。
[图18]图18示出了兼容的3轴原子芯片的第二变体，其中Y'轴与Y重合，并且两个多条线相互垂直并与X轴和Y轴呈45°的角。
[图19]图19示出了图18的变体的子变体，其中均匀磁场的产生，也称为偏置场，通过添加导线被集成到原子芯片中。
[图20]图20示出了使用根据本发明的第一变体矩阵阵列芯片来生产测量组件的第一非限制性示例。
[图21]图21示出了使用第一变体矩阵阵列芯片的另一个非限制性示例。
[图22]图22示出了使用矩阵阵列芯片的第二变体来产生测量组件的第一非限制性示例。
[图23]图23示出了使用根据本发明的矩阵阵列芯片的第二变体的另一个非限制性示例。
具体实施方式
根据第一方面，本发明涉及用于超冷原子传感器的原子芯片Ach，例如图4所示。原子芯片的表面定义了一个垂直于Z轴的XY平面。
原子芯片包括第一波导CPWX1和第二波导CPWX2，它们是共面的并且适合于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧。这两个导向器称为X向导向器。
原子芯片还包括第一波导CPWY'1和第二波导CPWY'2，它们是共面的并且适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧，所述轴在XY平面(垂直于Z轴)中的投影沿着包含在XY平面中的轴Y'。这两个导向器称为Y'向导向器。
X向导向器与Y'向导向器电绝缘。最好将它们放置在不同的层上(参见图5)。因此，在X向导向器占据对应于表面的层的非限制性假设下，两个波导CPWY'1和CPWY'2的对称轴位于另一个层的平面中，因此它确实是该对称轴在XY平面中的投影，称为Y'，位于XY平面中。由于Y'轴与X不同，因此两组导向器定义了一个交叉点，该交叉点形成了中心O的平行四边形。此点O定义了参考系XYZ的原点。下面，为了清楚起见，各种感兴趣元素的几何特征已经相对于参考系OXYZ进行了定义。XY平面也称为水平面。
原子芯片Ach还至少包括能够被直流电流通过的第一导线Wl和第二导线W2。此外，W1和W2各自在XY平面上的投影正割于O处，并且它们之间的夹角大于或等于20°。为了更清楚起见，在所有图中，导线和Y'向的波导都显示在XY平面中。
图5示出了沿Z轴穿过OXZ平面的原子芯片的一个优选实施例的横截面。两条导线W1和W2可以在同一层上，也可以相互电绝缘。在后一种情况下，两条线W1和W2然后占据两个不同的层，就像波导一样。因此，根据一个实施例，X向波导CPWX1和CPWX2、Y向导向器CPWY'1和CPWY'2、第一导线W1和第二导线W2各自放置在不同的层上，每个层与相邻层电绝缘：一层N(CPW/X)用于X向导向器，一层N(CPW/Y')用于Y'向导向器，一层N(W1)用于第一导线，并且一层N(W2)用于第二导线。这4个层形成放置在基板Sub上的堆叠Emp。波导和导线在性质上与文档WO2017089489中描述的那些相似。通常，导线和导向器由金或铜制成，并由选自AlN、SiO2和Si3N4的材料层绝缘，这些层沉积在由AlN、硅或SiO2或SiC制成的衬底Sub上。
原子芯片Ach与文档WO2017089489中描述的芯片的不同之处在于，一方面存在4个波导(而不是两个)，导线的数量(仅2个)以及这两个导线相对于4个波导的特定布置。下面将显示这种原始几何形状如何使当芯片集成到惯性传感器中时可能产生两个闭合路径TX和TY'，两个闭合路径TX和TY'旨在由冷原子12的两个云N1和N2行进，这些路径不包含在与XY平面平行的平面中，如上述文档中那样，而是包含在两个垂直于XY或垂直的平面中，对于TX，YZ平面垂直于X(如图6所示)，对于TY'，XZ平面垂直于Y'。
这两个路径的产生因此允许结合芯片Ach的传感器分别测量相对于轴X和Y'的两个旋转速度Ωx和Ωy'(见下文)。
图7至图10非限制性地示出了波导和线的布置的各种变体。
根据图7所示的第一变体，第一导线Wl在XY平面中的投影沿X轴定向，并且第二导线W2在XY平面中的投影沿Y'轴定向。
根据第二变体，Y'轴与Y轴重合，如图8所示。两个导向组件然后相互垂直，这允许测量围绕两个相互垂直轴的旋转速度，这通常是可取的。
图9示出了第一变体和第二变体的组合。
根据图10所示的第三变体，Y'轴与Y轴重合，并且第一导线和第二导线在XY平面中的相应投影相互垂直，并且分别与X轴和Y轴呈45°定向。该第三变体具有的优点是可以将特定于笼的轴定向为垂直于导向器。
根据另一方面，本发明涉及一种超冷原子传感器20，例如如图11所示，其允许测量围绕至少两个轴X和Y'的旋转速度。
传感器包括放置在真空室中的如上所述的原子芯片Ach和布置成在原子芯片Ach的XY平面附近产生超冷原子云12的原子源S。在传感器实现的初始化阶段，超冷原子具有内部状态|a>和|b>的叠加。
传感器20还包括：均匀磁场B0发生器GB，优选地平行于芯片的平面，至少一个处理器UT，至少一个直流电流或电压发生器GDC，其适用于控制所述导线的电流，以及至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器GMW。通常，所有4个导向器可能有一个发生器GMW，或2个发生器(每对导向器1个)或4个发生器(每个导向器1个)。X向和Y'向波导、导线W1和W2，以及在适当情况下的磁场，被配置为在传感器实施期间执行以下步骤：
首先，修改超冷原子的能量，从而为处于内部状态|a>的超冷原子创建势阱并且为处于内部状态|b>的超冷原子创建势阱，从而形成第一超冷原子笼T1和第二超冷原子笼T2，一个笼使得能够在距测量平面受控距离处将超冷原子云12固定在与另一个笼不同的内部状态(同上步骤A0和B0)。
接下来，两个笼Tl和T2在空间上分离并且沿着包含在垂直于X的平面中的第一闭合路径TX和包含在垂直于Y'的平面中的第二闭合路径TY'移动。
每个路径由第一笼的超冷原子沿一个方向行进并且由第二笼的超冷原子沿相反方向行进。
传感器还包括用于检测光强度的系统SDET，该系统适用于测量处于内部状态之一的超冷原子的至少一个总体。
为了测量绕X轴的旋转速度Ωx，路径TX是经由波导、导线和场B0生成的。同样，为了测量绕Y'轴的旋转速度Ωy'，路径TY'是经由波导、导线和场B0生成的。
笼以与文档WO2017089489中相同的方式分离，但随后分别被笼T1和T2中捕获的原子的云N1和N2所遵循的路径是不同的。这里不再是描述水平平面中的路径的问题，而是描述垂直平面中的路径的问题，如上所述。发明人已经开发出一种通过修改云被捕获的高度来实现这种路径的方法。
图12图示了在路径TX的示例中，两个原子云N1和N2在多个时间t0到t6处形成闭合环所遵循的路线。为了更清楚起见，仅显示了用于产生路径TX的波导CPWX1和CPWX2。对于每一时间，相关联的图的上半部分表示两个云在XY平面中的位置，下半部分表示两个云在剖面图中的位置。
图13说明了在t0和t6之间的时间段内施加到两条导线的电流、施加到微波导向器的功率和频率以及均匀磁场B0的值的时序图。
最初在t0，值Iw1'的电流Iw1被施加到导线W1，值Iw2'的电流Iw1被施加到导线W2并且不施加微波功率，磁场B0具有绝对值|B0'|。两个笼尚未分离，云位于两条线的交叉点上方，即点O上方，距XY平面第一高度h1处。该起点与图3的起点t1相同。
在tl处，通过将微波功率施加到两个导向器，在CPWXl的情况下以频率ωa并且在CPWX2的情况下以频率ωb将两个云分离并从X轴移开距离d。路径TX的第一部分在高度h1处由原子行进(也参见图6)。这部分路径与图3中时间t2处行进的部分基本相同。
接下来，通过修改流过导线的电流值和/或通过修改场B0的值，使原子在t2处达到第二高度h2(在此示例中为h1<h2)。然后将路径的基本垂直部分行进距离w＝h2-h1。
为了达到大于初始高度的高度，需要将流过W1的电流值从Iw1'增加到Iw1”(Iw1'<Iw1”)并且将流过W2的电流值从Iw2'增加到Iw2”(Iw2'<Iw2”)。通过将磁场B0的值从|B0'|减小到|B0”|(|B0'|>|B0”|)来获得类似的效果。通过结合地使用这两种修改，如图13的示例所示，最终达到的高度值会增加。计算该结构产生的磁场可以确定笼到XY平面的距离大约与Iw1+Iw2成正比，与|B0|成反比。
在示例中，达到高度h2>h1。由于两个云和XY平面之间的间隙，两个云在其从h1通过到h2时不一定保持间隔2d的距离，这个距离往往会随着两个云和平面之间的间隙的增加而改变。因此，路径可以基本上是平行四边形形状的而不是矩形形状的。
在t3处，仍然在高度h2处的两个云通过将施加到波导的功率逐渐减小到零而返回到X轴，然后云在高度h2处基本上水平地行进路径的第二部分。通过将施加到波导CPWX1和CPWX2的微波的频率值反转获得在路径的h2处的第二部分的另一部分，在X轴的另一侧(t4，t5)。在t5，通过将流过导线的电流返回到初始值Iw1'(在W1的情况下)和Iw2'(在W2的情况下)以及通过将磁场返回到其初始值(|B0'|)来返回到高度h1。最后，在t6处，施加到导向器的微波功率降至零，两个云相遇。
类似地，路径TY'通过“打开”波导CPWY1和CPWY2而不是导向器CPWX1和CPWX2来行进。导向器频率的值ω'a和ω'b可以与值ωa和ωb相同或不同。
为了用传感器20测量围绕轴X和Y'的旋转速度Ωx和Ωy'，捕获的超冷原子云必须分别行进路径TY至少一次(至少1圈，尽管也可以进行N圈)，以及路径TY'至少一次(至少1圈，尽管也可以进行M圈)。这两条路径在时间上依次经过。路径的起点，此处为O，称为初始化交叉点。
因此，在根据本发明的两轴惯性传感器10中，波导CPWX1、CPWX2、CPWY1、CPWY2、至少一个微波电流或电压发生器GMW、导线W1、W2、至少一个直流电流或电压发生器GDC和均匀磁场发生器GB，经由至少一个处理器UT被配置使得第一闭合路径TX和第二闭合路径TY'(这些路径分别包含在垂直于X的平面中以及垂直于Y'的平面中)至少包括位于距XY平面第一高度h1处的第一部分和位于第二高度h2处的第二部分，其中h2>h1，并且从h1到h2的传递是经由以下方式实现的：
-在第一非零值(在W1的情况下为IW1'；在W2的情况下为IW2')和第二非零值(在W1的情况下为IW1”；在W2的情况下为IW2”)之间分别通过每条导线的直流电流值的增加，和/或，
-在第一非零绝对值|B0'|和第二非零值|B0”|之间的均匀磁场值的减小。
相反，第一值被从第二值传递以从第二高度h2传递到第一高度h1。
根据本发明的传感器允许减少轴对准的问题，因为在给定芯片中，测量轴的正交性直接由原子芯片的线的几何形状确定。原子芯片制造中使用的微电子工艺允许非常精确地生产所需的导线几何形状，因此控制传感器轴的正交性。
根据另一方面，本发明涉及一种使用包括如上所述的原子芯片的超冷原子传感器来测量绕两个轴X和Y'的旋转速度的方法100。
下面描述的方法可以测量绕轴X和Y'之一的旋转速度，该轴称为测量轴。为了执行绕两个轴的测量，该方法随后也针对另一个测量轴实施。
在一个步骤A中，生成超冷原子云12，该生成包括在距XY平面第一高度h1处分配和冷却原子、将原子初始化为至少一个内部状态|a>和将超冷原子云捕获在局部势阱中的阶段。通过使直流电流通过第一导线和第二导线来实现捕获。该步骤与关于现有技术描述的步骤A0相同。原子被捕获在点O上方的高度h1处，导线W1和W2之间的交叉点。
在步骤B中，通过经由第一π/2脉冲将处于状态|a>和|b>的超冷原子相干叠加，初始化内部状态。该步骤与关于现有技术描述的步骤B0相同。两个内部状态|a>和|b>以点O连贯且空间垂直地叠加。
在步骤C中，首先，一个笼T1中的内部状态|a>的原子云与另一个笼T2中的内部状态|b>的原子云在空间上分离，这与现有技术相同。接下来，笼沿着闭合路径以相反方向移动，该闭合路径包含在垂直于测量轴的平面中，并且与点O垂直初始化。这里的路径位于垂直于X或Y'的垂直平面中，与路径位于平行于XY平面的平面中的现有技术相反。路径TX或TY'包括基本平行于XY且高度为h1的第一部分P1，以及也基本平行于XY但在不同于h1的第二高度h2处的第二部分P2(见图6)。闭合路径包含区域A1(TX)或A2(TY')，因此原子函数为：
其中(对于A1)
使捕获的原子云沿路径行进，包括通过沿测量轴向第一和第二导向器施加预定微波频率的电压或电流(以分离笼)、通过将微波频率交替以反转两个云、通过将至少两个不同值的直流电流或电压施加到第一和第二导线(非零值)和/或通过施加至少两个不同值的均匀磁场来改变高度，各种变化是如图11和12所示按预定序列进行的。
如现有技术的步骤C0中所述，通过连续“打开”交叉点，使捕获的原子云在恒定高度沿平行于XY平面的路径行进在此不是问题。在这里，只有一个交叉点O，并且在两个不同的高度沿路径行进。
一旦每个云经过闭合路径至少一次，在步骤D中，内部状态|a>和|b>通过向超冷原子施加第二π/2脉冲重新组合，然后测量处于选自|a>或|b>的内部状态的原子密度(与现有技术相同)。
最后，在步骤E中，使用公式(8)确定超冷原子的萨格纳克相移和传感器围绕测量轴(此处为X或Y')的旋转速度。
根据一个实施例，传感器20被配置为还执行时钟测量。为此，执行步骤A、B、D和E。步骤C由步骤cHor代替，其中波导中的功率保持为零并且导线W1和W2中的电流保持恒定。在步骤cHor结束时，波函数为：
其中：
在步骤cHor期间，产生π/2脉冲的振荡器累积相位ωt，其中ω/2π是振荡器的频率。
接下来，在与步骤D类似的步骤中，第二π/2脉冲将相位差转移到两个原子态的总体：
步骤E允许测量两个总体中的至少一个，这允许确定由原子给出的频率参考ω0/2π和振荡器的频率ω/2π之间的差异。
根据一个实施例，传感器20被配置为还沿着轴X或Y'中的至少一个执行加速度测量，该轴被称为测量轴。下面给出的示例说明了沿X的加速度ax的测量。
为此，执行步骤A和步骤B，然后在Ramsey时间期间，在步骤CAc中，垂直于测量轴(此处为X)的两个微波导向器中的微波场逐渐开启。通过为两个微波场选择正确的频率(参见参考文献Ammar,M.；Dupont-Nivet,M.；Huet,L.；Pocholle,J.-P.；Rosenbusch,P.；Bouchoule,I.；Westbrook,C.I.；Estève,J.；Reichel,J.；Guerlin,C.&Schwartz,S.“芯片上热原子干涉测量的对称微波电势(Symmetric microwave potentials forinterferometry with thermal atoms on a chip)”，Phys.Rev.A，美国物理学会(American Physical Society)，2015,91,053623Physical Review A,91,053623,2015)，可以将两个状态|a>和|b>沿X轴在空间上分离距离d。
因此，在步骤CAc期间，累积相位为：
接下来，在步骤CAc结束时，两个微波场逐渐关闭以重新组合两种状态。
最后，在类似于步骤D的步骤中，第二π/2脉冲将相位差转移到两个原子态的总体：
在与步骤E类似的步骤中，测量处于两个状态|a>或|b>中的至少一个的总体以确定加速度。因此，对于沿轴的加速度测量，原子云沿同一轴行进一维路径。
要测量沿Y'的加速度ay'，所用程序与测量沿X轴的加速度所使用的相同，除了将两个微波场发送到垂直于Y'的导向器(而不是垂直于X的导向器)。这使得沿Y'轴能够分离状态|a>和|b>。所以以同样的方式累积相位是：
本发明还涉及一种原子芯片，还包括多条平行于第一导线W1放置的导线，形成第一多条导线WP1，以及多条平行于第二导线W2放置的导线，形成第二多条导线WP2，如图14所示。第一多条导线的中的导线索引为i(索引i从1到I变化)，第二多条导线中的导线索引为j(索引j从1到J变化)。通常I和J大约是几条线到十条/几十条线。这两组多条导线位于不同的层上并且彼此电绝缘。
第一多条导线的导线WP1(i)和第二多条导线的导线WP2(j)在XY平面中的投影限定了XY平面上的交叉点C(i，j)。由于线被放置在两个不同的平面上，它们在XY平面上并没有物理交叉。交叉点的作用是定位定义它的两条导线，当在这两条线上施加直流电流或电压时，交叉点被称为“开启”。此外，第一和第二多条导线布置成使得至少一组交叉点位于由四个波导形成的所述平行四边形内。点O是该集合中除其它之外的一个交叉点。
在传感器中使用具有这种特定结构的芯片允许后者围绕/沿着三个轴X、Y'和Z进行测量。本发明还涉及这种3轴传感器30。
以与上述相同的方式测量根据本发明的3轴传感器的绕X和Y'的旋转速度，除了这里可以从不同于O的交叉点初始化闭合路径TX和TY'，这些交叉点分别称为第一初始化交叉点Cx和第二初始化交叉点Cy。对于正确的传感器操作，Cx优选地位于X轴上(与两个X向导向器等距)并且Cy优选地位于Y'轴上(与Y'向导向器等距)。为了简化传感器的实现，最好使点Cx和Cy与O重合。
如关于现有技术所述，通过行进包含在平行于芯片的平面XY的平面中的路径TZ来测量绕Z的旋转速度。路径Tz从第三交叉点Cz初始化。为了生成该路径，可以使用X向波导或Y'向波导。如果选择使用X向波导，优选地布置多个WP1和WP2，使得包括Cz(当沿路径TZ行进时这些交叉点将被开启)的交叉点被放置在X轴上。类似地，如果选择使用Y'向波导，则最好在Y'轴上必须有交叉点(要开启)，包括Cz。
因此，多条线WP1和WP2因此优选地配置为使得位于平行四边形内的交叉点组的子集位于X轴上并且使得另一个子集位于Y'轴上，如图13所示。
图15说明了，对于8个时间t1到t8，当使用X向导向器(仅显示的导向器)时，两个捕获原子云的路径TZ，3个交叉点C(1，1)、C(2，2)和C(3，3)依次按该顺序开启，然后以相反的顺序开启。图16说明了与施加到所讨论的导线的电流值、施加到X向导向器的微波功率和频率的值以及均匀磁场的值相关联的时序图，作为t1和t8之间的时间的函数。由于以恒定高度h沿路径TZ行进，施加的均匀场具有恒定的绝对值，并且导线中的电流在感兴趣的时间之间保持恒定。
通过开启X向波导(和相关联的交叉点)和Y'向波导(以及相关联的交叉点)来连续地进行该测量，可以获得绕Z的旋转速度Ωz的冗余的以及因此更准确的测量。
为了简化传感器的实现，点Cz优选地与O一致，该初始化点与从相同初始化点进行的两个冗余测量的实现兼容。
因此，3轴传感器30允许测量旋转速度Ωx、Ωy、Ωz以及加速度ax和ay。
本发明还涉及一种使用冷原子传感器测量绕三个轴X、Y'和Z的旋转速度的方法，该冷原子传感器包括与这种测量兼容的原子芯片，如图14和图17、图18或图19所示(见下文)。
在围绕X轴进行测量的情况下，通过实施例如先前描述的步骤A至E，该方法以与围绕两个轴的测量相同的方式执行。不同之处在于，此处包含在垂直于X的平面中的第一闭合路径TX从位于X轴上的第一初始化交叉点Cx初始化，该第一初始化交叉点不一定为O。
同样，在围绕Y'轴进行测量的情况下，通过使用第二闭合路径TY'实施例如上述的步骤A到E，该方法以与围绕两个轴的测量相同的方式执行，第二闭合路径TY'包含在垂直于Y'的平面中，并从位于Y'轴上的第二初始化交叉点Cy初始化。
为了测量绕Z轴的旋转速度，在实施步骤A和B之后，例如在步骤C'中描述的上述步骤，一个笼T1中的内部状态|a>的原子云在空间上与另一个笼T2中的内部状态|b>的原子云分离，并且通过连续开启感兴趣交叉点，笼沿着包含在垂直于Z轴的平面中的闭合路径以相反方向移动，如关于现有技术所述。路径Tz从第三初始化交叉点Cz初始化。可以使用X向波导或Y'向波导来描述该路径TZ，然后必须将交叉点放置在两个导向器的对称轴上(X表示X向导向器，Y'表示Y'向导向器)。步骤C'通过以下方式来实现：以预定的序列，将预定微波频率的电压或电流沿所选轴施加到第一和第二导向器，并且将直流电流或电压施加到第一和第二多条导线中的导线，以便连续激励放置在选定轴上或附近的交叉点。最后，执行如上所述的步骤D和E。
每个多条导线中的导线具有宽度l并且分开距离d，对于所有导线，该宽度和该距离不一定相同。优选地，所有导线的宽度l和距离d都相同，并且遵从：
l/2≤d≤2l
该条件使得可以将笼从一个交叉点移动到下一个交叉点，同时最小化笼的变形。
根据第一变体，如图17所示，Y'轴与Y重合，并且这两组多条导线分别平行于一个轴。
根据优选的第二变体，如图18所示，Y'轴与Y重合，并且两个多条线相互垂直并且与X轴和Y轴呈45°角。这种几何形状使得可以将特定于笼的轴垂直于导向器定向。笼具有椭球形状并且特定轴是该椭球形状的轴。
根据图18的变体的一个子变体，该子变体在图19中示出，均匀磁场(也称为偏置场)的产生通过添加导线被集成到原子芯片中。
两条导线CB1、CB1'相互平行并垂直于WP1的导线，并且优选地放置在平行四边形之外，已被添加到WP1的层，以便允许当直流电流施加到这两条导线上时，偏置场垂直于CB1和CB1'施加。类似地，垂直于WP2的线延伸的两条线CB2、CB2'已被添加到WP2的层上，以便允许施加垂直于CB2和CB2'的偏置场。
这种配置具有将偏置场的产生集成到芯片中的优点。
根据另一方面，本发明涉及一种矩阵阵列原子芯片，例如在图20至图23中描述的。
根据原子芯片AchM的第一变体，该变体在图20和图21中示出，所述芯片包括索引为n的第一组第一导线W1n(N条线)和索引为m的第二组第二导线W2m(M条线)，它们相互垂直，分别形成矩阵阵列的行和列。每个第一导线W1n与一个轴Xn(索引为n的X轴)重合，并且每个第二导线W2m与一个轴Ym(索引为m的Y轴)重合。
利用这种布置，沿轴Xn的导向器CPWX1n、CPWX2n因此对于行n的所有像素是公共的，并且沿轴Ym的导向器CPWY1m、CPWY2m因此对于列m的所有像素是公共的。
矩阵阵列的每个像素然后形成一个基本芯片Ach(n，m)，例如上面描述的(参见图9)。布置在该矩阵阵列中的基本芯片位于同一衬底上。
集成到传感器中的基本芯片允许并行地对选自ax和/或ay和/或Ωx和/或Ωy的量进行多次测量。它们还可以测量时间t。此外，它们还可以重新配置以按另一个序列进行其他测量。
ax和Ωy的测量需要开启Y向导向器(列)，并且Ay和Ωx的测量需要开启X向导向器(行)。
优选地，如图2所示，每一层包括选自以下类型的元件：沿X1至XN的共面导向器、沿Y1至YM的共面导向器、导线WP11至WP1N和导线WP21至WP2M。
图20图示了使用矩阵阵列芯片AchM来产生测量组件的第一非限制性示例。
在该示例中，N＝M＝6。列C1和C2用于测量ax，列C5和C6用于测量Ωy，列C3用于测量时间t。加速度ax和旋转速度各自由2x6个基本芯片并行测量，时间由6个芯片并行测量，这允许更准确地测量。此测量序列中不使用列C4。
为了更清楚，用于测量的芯片被涂成灰色阴影。
图21图示了使用矩阵阵列芯片AchM的另一个非限制性示例。列C1的芯片测量ax，列C2的芯片测量Ωy，行L1的芯片测量ay，行L2的芯片测量Ωx。由于测量需要对所需的共面导向器具有特定序列，因此后者不能在两个不同惯性参数的2次同时测量中共享。因此，不使用由圆圈包围的基本芯片4。
矩阵阵列芯片因此根据需要被重新配置：期望的测量类型(ax、ay、Ωx、Ωy、t)、期望的精度(这取决于同时进行测量的芯片的数量)等。因此，在同一矩阵阵列芯片上执行并行、冗余和/或互补的测量。
该变体具有易于控制的优点，但是笼(特定轴)相对于波导的定向不是最佳的。
根据原子芯片AchM'的第二变体，该变体在图22和图23中示出，所述芯片包括相互垂直且分别形成矩阵阵列的行和列的第一组第一导线W1n和第二组第二导线W2m，如上所述。
索引为n的第一导线和索引为m的第二导线中的每一个分别定向为与轴Xk呈45°并且与轴Yl呈45°(类似于图10的基本芯片)。沿轴Xk的导向器CPWX1k、CPWX2k因此对于矩阵阵列的第一对角线Dk的所有像素是公共的，并且沿轴Y1的导向器CPWY1l、CPWY2l因此对于第二对角线D1'的所有像素是公共的。
图22示出了使用矩阵阵列芯片AchM'来产生测量组件的第一非限制性示例。
在该示例中，N＝M＝6。前5条西南-北东对角线D1'到D5'用于测量ax，第六条对角线D6'用于测量t，第七到第十一条对角线D7'到D11'用于测量Ωy。本示例中使用了矩阵阵列AchM'中的所有芯片。
图23图示了使用矩阵阵列芯片AchM'的另一个非限制性示例。对角线D5'测量ax，对角线D6'测量Ωy。
对角线D6测量Ωx，对角线D7测量ay。因此，出于与上述相同的原因，不使用被圆圈包围的基本芯片5。
该变体比先前的变体更难以控制，但具有笼(特定轴)相对于波导的良好定向的优点。
为了使矩阵阵列芯片能够测量Ωz，根据可与前两个变体组合的第三变体，在矩阵阵列芯片中，第一或第二组的至少一个导线由多条相互平行的导线代替，所述多条导线中的导线的一部分包括在相关联的平行四边形(这里是矩形)中(参见图17和图18的基本芯片)。
根据另一方面，本发明涉及冷原子传感器40，其包括矩阵阵列芯片AchM或AchM'，并且还包括，就像前述传感器：
-布置成在所述原子芯片的XY平面附近产生超冷原子云的原子源S，
-均匀磁场B0发生器GB，
-至少一个处理器UT、至少一个适合于控制导线中的电流的直流电流或电压发生器GDC和至少一个连接到波导的微波电流或电压发生器GMW，
-用于检测光强度的系统SDET。
该传感器适用于使用所述基本芯片，并且根据需要并且以可重新配置的方式测量沿/绕着对应于轴Xn和/或轴Ym的方向的至少一个方向的至少一个加速度ax或ay和/或一个旋转速度Ωx和/或Ωy。它也可能适用于测量时间，如果适用，还可以测量旋转速度Ωz(第三原子芯片变体)。
Claims (18)
1.一种用于超冷原子传感器的原子芯片(Ach)，所述芯片包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：
-第一共面波导(CPWX1)和第二共面波导(CPWX2)，适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一共面波导(CPWY'1)和第二共面波导(CPWY'2)，适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在XY平面中的投影沿着不同于X轴并且包含在XY平面中的轴Y'，
X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义参考系XYZ的原点，
-至少第一导线(W1)和第二导线(W2)，其各自在XY平面中的投影正割于O并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线适合直流电流通过。
2.根据前述权利要求所述的原子芯片，其中，所述X向导向器、所述Y向导向器、所述第一导线和所述第二导线分别放置在不同的层上，每一层与相邻层电绝缘，所述层形成放置在衬底(Sub)上的堆叠(Emp)。
3.根据前述权利要求中的一项所述的原子芯片，其中，所述第一导线(W1)在XY平面中的投影沿X轴定向，并且所述第二导线(W2)在XY平面中的投影沿Y'轴定向。
4.根据前述权利要求中的一项所述的原子芯片，其中，所述Y'轴与所述Y轴重合。
5.根据权利要求1和2中的一项所述的原子芯片，其中，所述Y'轴与所述Y轴重合，并且其中，所述第一导线和所述第二导线在XY平面中的相应投影相互垂直并分别与X轴和Y轴呈45°定向。
6.根据前述权利要求中的一项所述的原子芯片，还包括：平行于所述第一导线放置的多条导线，形成第一多条导线(W1P)，以及平行于所述第二导线放置的多条导线，形成第二多条导线(W2P)，所述第一多条导线中的导线和所述第二多条导线中的导线在XY平面中的投影限定XY平面上的交叉点，
所述第一多条导线和所述第二多条导线被布置成使得至少一组交叉点位于所述平行四边形内。
7.根据前述权利要求所述的原子芯片，其中，所述第一多条导线和所述第二多条导线被配置为使得所述一组交叉点的子集位于所述X轴上，并且所述一组交叉点的另一个子集位于所述Y'轴上。
8.根据权利要求6和7中的一项所述的原子芯片，其中，所述导线具有宽度(l)，并且其中，两个相邻导线之间的距离(d)被包括在所述宽度的0.5倍和2倍之间。
9.根据权利要求1和2中的一项所述的矩阵阵列原子芯片(AchM)，包括索引为n的第一组第一导线(W1n)和索引为m的第二组第二导线(W2m)，其相互垂直并且分别形成矩阵阵列的行和列，
索引为n的所述第一导线和索引为m的所述第二导线中的每一个分别与索引为n的轴Xn和索引为m的轴Ym重合，沿Xn轴的导向器(CPWX1n，CPWX2n)因此对行n的所有像素是公共的，并且沿Ym轴的导向器(CPWY1m，CPWY2m)因此对列m的所有像素是公共的，所述矩阵阵列的每个像素形成一个基本芯片(Ach(n,m))。
10.根据权利要求1和2中的一项所述的矩阵阵列原子芯片(AchM)，包括索引为n的第一组第一导线(W1n)和索引为m的第二组第二导线(W2m)，其相互垂直并且分别形成矩阵阵列的行和列，
索引为n的所述第一导线和索引为m的所述第二导线中的每一个分别以与索引为k的轴Xk呈45°定向并且与索引为m的轴Y1呈45°定向，沿Xk轴的导向器(CPWX1k、CPWX2k)因此对于所述矩阵阵列的第一对角线的所有像素是公共的，并且沿Y1轴的导向器(CPWY1l、CPWY2l)因此对于第二对角线的所有像素是公共的，所述矩阵阵列的每个像素形成一个基本芯片(Ach(n,m))。
11.根据权利要求9和10中的一项所述的矩阵阵列原子芯片，其中，所述第一组或所述第二组中的至少一条导线被相互平行的多条导线代替，所述多条导线中的导线的部分被包括在相关联的平行四边形中。
12.一种允许测量围绕至少两个轴X和Y'的旋转速度的超冷原子传感器(20)，包括：
-如权利要求1至5中的一项所述的原子芯片(ACh)，其放置在真空室中，
-布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云(12)的原子源(S)，
所述超冷原子在所述传感器实施的初始化阶段期间具有内部状态|a>和|b>的叠加，
-均匀磁场(B0)发生器(GB)，
-至少一个处理器(UT)、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器(GDC)和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器(GMW)，
-在所述传感器的实施期间，所述波导、所述导线和在适当情况下的所述磁场被配置为：
-修改所述超冷原子的能量，从而为处于所述内部状态|a>的超冷原子创建势阱并且为处于所述内部状态|b>的超冷原子创建势阱，从而形成第一超冷原子笼(T1)和第二超冷原子笼(T2)，一个笼使得能够在距所述测量平面的受控距离处将超冷原子云(12)固定在与另一笼不同的内部状态，以及
-在空间上分离两个笼并且至少沿着包含在垂直于X的平面中的第一闭合路径(TX)和包含在垂直于Y'的平面中的第二闭合路径(TY')移动所述笼(T1，T2)，每个路径由所述第一笼的超冷原子沿一个方向行进，而由所述第二笼的超冷原子沿相反方向行进，
-传感器还包括用于检测光强度的系统(SDET)，所述系统适用于测量处于所述内部状态的所述超冷原子的至少一个总体。
13.根据权利要求12所述的双轴传感器，其中，所述波导和所述至少一个微波电流或电压发生器、所述导线和所述至少一个直流电流或电压发生器、以及所述均匀磁场发生器被配置为使得所述第一闭合路径(TX)和所述第二闭合路径(TY')各自至少包括位于距所述XY平面第一高度(h1)处的第一部分和位于第二高度(h2)处的第二部分，所述第二高度(h2)严格大于所述第一高度，以便经由以下方式引起从所述第一高度到所述第二高度的传递：
-在第一非零值(IW1'，IW2')和第二非零值(IW1”，IW2”)之间的通过每条导线的直流电流值的增加，和/或，
-在第一非零值(B0')和第二非零值(B0”)之间的所述均匀磁场值的减小，
以及从所述第二高度到所述第一高度的传递反之亦然。
14.一种允许测量绕三个轴X、Y'和Z的旋转速度的超冷原子传感器(30)，包括：
-如权利要求6至9中的一项所述的原子芯片(ACh)，其放置在真空室中，
-原子源，其被布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云(12)，所述超冷原子在初始化状态下具有内部状态|a>和|b>的叠加，
-均匀磁场(B0)发生器(GB)，
-至少一个处理器、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器，
-所述波导和所述导线被配置为：
-修改所述超冷原子的能量，从而为处于所述内部状态|a>的超冷原子创建势阱并且为处于所述内部状态|b>的超冷原子创建势阱，从而形成第一超冷原子笼(T1)和第二超冷原子笼(T2)，一个笼使得能够在距所述测量平面的受控距离处将超冷原子云(12)固定在与另一笼不同的内部状态，以及
-在空间上分离两个笼并沿着包含在垂直于X的平面中并从位于X轴上的第一初始化交叉点(Cx)初始化的第一闭合路径(TX)、包含在垂直于Y'的平面中并从位于所述Y'轴上的第二初始化交叉点(Cy)初始化的第二闭合路径(TY')、以及包含在垂直于Z的平面中并从位于点O的第三初始化交叉点(Cz)初始化的第三闭合路径(TZ)移动所述笼(T1，T2)，每条路径由所述第一笼的所述超冷原子沿一个方向行进，而由所述第二笼的所述超冷原子沿相反方向行进，
-所述传感器还包括用于检测光强度的系统，所述系统适用于测量处于所述内部状态的所述超冷原子的至少一个总体。
15.根据权利要求14所述的三轴传感器，其中，所述波导和所述至少一个微波电流或电压发生器、所述导线和所述至少一个直流电流或电压发生器、以及所述均匀磁场发生器被配置为使得所述第一闭合路径(TX)和所述第二闭合路径(TY')每个都至少包括位于距所述XY平面第一高度(h1)处的第一部分和位于第二高度(h2)处的第二部分，所述第二高度(h2)严格大于所述第一高度，以便经由以下方式引起从所述第一高度到所述第二高度的传递：
-在第一非零值(IW1i'，IW2j')和第二非零值(IW1i”，IW2j”)之间，通过定义相关联的初始化交叉点的每条导线的所述直流电流值的增加，和/或，
-在第一非零值(B0')和第二非零值(B0”)之间的所述均匀磁场值的减小，
并且从所述第二高度到所述第一高度的传递反之亦然。
16.一种超冷原子传感器(40)，包括：
-如权利要求9至11中的一项所述的矩阵阵列原子芯片，
-布置成在所述原子芯片的所述XY平面附近产生超冷原子云(12)的原子源(S)，
-均匀磁场(B0)发生器(GB)，
-至少一个处理器(UT)、至少一个适用于控制所述导线中的电流的直流电流或电压发生器(GDC)和至少一个连接到所述波导的微波电流或电压发生器(GMW)，
-用于检测光强度的系统(SDET)，
所述传感器适合于根据需要并且以可重新配置的方式使用所述基本芯片测量沿/围绕对应于轴Xn和/或轴Ym的方向的至少一个方向的至少一个加速度(ax，ay)和/或一个旋转速度(Ωx，Ωy)。
17.一种用于使用包括原子芯片的超冷原子传感器测量围绕两个轴X和Y'的旋转速度的方法，所述原子芯片放置在真空室中并且包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：
-第一共面波导(CPWX1)和第二共面波导(CPWX2)，其适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一共面波导(CPWY'1)和第二共面波导(CPWY'2)，其适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在所述XY平面中的投影沿着不同于所述X轴并且包含在所述XY平面中的轴Y'，
所述X向导向器与所述Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义所述参考系XYZ的原点，
-至少第一导线(W1)和第二导线(W2)，其在所述XY平面中的相应投影正割于所述点O处并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线适合直流电流通过，
为了测量围绕被称为测量轴的所述轴X和所述Y'之一的所述旋转速度，所述方法包括以下步骤：
A生成所述超冷原子云(12)，这包括在距所述XY平面第一高度(h1)处分配所述原子、冷却所述原子、将所述原子初始化到至少一个内部状态|a>和在局部势阱中捕获所述超冷原子云的阶段，所述捕获通过使直流电流通过所述第一导线和所述第二导线来执行，
B通过经由第一π/2脉冲在所述状态|a>和|b>之间相干叠加所述超冷原子来初始化所述内部状态；
C在空间上将一个笼(T1)中的所述内部状态|a>的所述原子云与另一个笼(T2)中的所述内部状态|b>的所述原子云分开，并通过以下方式沿包含在垂直于所述测量轴的平面中并从所述点O初始化的闭合路径在相反方向上移动所述笼：以预定序列，将预定微波频率的电压或电流施加到沿所述测量轴的所述第一导向器和所述第二导向器、将至少两个不同的直流电流或电压值施加于所述第一导线和所述第二导线、和/或施加均匀磁场的至少两个不同值，所述路径包括位于距所述XY平面与所述第一高度(h1)不同的第二高度(h2)处的部分，
D通过向所述超冷原子施加第二π/2脉冲、然后测量处于选自至少|a>和|b>的内部状态的原子的密度来重新组合所述内部状态|a>和|b>，
E确定所述超冷原子的萨格纳克相移并计算所述传感器围绕所述测量轴的所述旋转速度，
所述方法还包括实施步骤A到E以测量围绕另一测量轴的所述旋转速度。
18.一种用于使用包括原子芯片的冷原子传感器测量围绕三个轴X、Y'和Z的旋转速度的方法，所述原子芯片被放置在真空室中并且包括垂直于Z轴的XY平面，轴XYZ形成正交参考系，所述原子芯片包括：
-第一共面波导(CPWX1)和第二共面波导(CPWX2)，其适用于以各自的角频率ωa和ωb传播微波，所述波导对称地放置在所述X轴的任一侧并且被称为X向导向器，
-第一共面波导(CPWY1)和第二共面波导(CPWY2)，其适用于以各自的角频率ω'a和ω'b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在所述XY平面中的投影沿着不同于所述X轴并且包含在所述XY平面中的Y'轴，
所述X向导向器与所述Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义所述参考系XYZ的原点，
-第一多条相互平行的导线(W1P)和第二多条相互平行的导线(W2P)，所述第一多条导线中的导线和所述第二多条导线中的导线在所述XY平面中的投影定义交叉点，
所述多条导线在XY平面中的投影在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述第一多条导线中的导线和所述第二多条导线中的导线在所述XY平面中的投影正割于所述点O处，所述第一多条导线和所述第二多条导线布置成使得至少一组交叉点位于所述平行四边形内，
所述方法包括：
-实施如权利要求17所述的方法的步骤A到E以测量围绕X的旋转速度，包含在垂直于X的平面中的所述第一闭合路径(TX)，从位于所述X轴上的第一初始化交叉点(Cx)初始化，
-实施如权利要求17所述的方法的步骤A到E以测量围绕Y'的旋转速度，包含在垂直于Y'的平面中的第二闭合路径(TY')从位于所述Y'轴上的第二初始化交叉点(Cy)初始化，并且
-测量围绕所述Z轴的所述旋转速度，其对应于所述测量轴：
-实施如权利要求17所述的方法的步骤A和B，
-步骤C'，其包括在空间上将一个笼(T1)中的所述内部状态|a>的所述原子云与另一笼(T2)中的所述内部状态|b>的所述原子云分离，并且通过以下方式沿包含在垂直于所述Z轴的平面中并从第三初始化交叉点(Cz)初始化的闭合路径以相反方向移动所述笼：以预定的序列，沿所述轴X和所述轴Y'中一个，向所述第一导向器和所述第二导向器施加预定微波频率的电压或电流，该轴被称为选择轴；以及向所述第一多条导线中的导线和所述第二多条导线中的导线施加直流电流或电压，从而依次激励放置在所述选择轴上或附近的交叉点，
-实施如权利要求17所述的步骤D和E。
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