JP4809260B2 - チップスケールの原子ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、原子ベースの検知デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、チップスケールの原子ジャイロスコープと、方向及びレートの検知のための方法とに関する。

政府支援： 本発明は、ＤＡＲＰＡ契約番号Ｎ６６００１−０２−Ｃ−８０１９の下で米国政府に支援されてなされた。米国政府は本発明の一定の権利を有し得る。

ジャイロスコープは、物体の向き（方向）や慣性運動を検知するために多様な用途で利用されている。例えば、ナビゲーション及び通信システムの設計では、そのようなデバイスは、空間を進行する物体の直線及び回転の運動のわずかな変動を検知するのに有用である。例えば、ナビゲーション・グレードのジャイロスコープは、特に、ＧＰＳによる案内が利用できない環境において、所望される飛行経路を高い精度でたどることができるようにする。

ジャイロスコープ設計の分野は、機械、光ファイバ、及びリング・レーザベースの設計を含む広範囲の技術を包含している。より近年の傾向は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのデバイスなどのような超小型高性能アーキテクチャを重視しており、小型化された構成要素をウェハの表面上に形成するために半導体製造技法を用いる。例えば、しばしばＭＥＭＳ振動レート・ジャイロスコープと呼ばれる１つのそのような設計では、プルーフ・マスなどの共振構造が、シリコンやガラスのウェハなどの基板に固定された撓曲部によって懸架される。一般に実施される懸架構造は、インターデジタルにされた櫛型部材、片持ち式ビーム、ディスク、及び／又はリングの構造を含み得る。レート軸についてのデバイスの運動に応答して変位又は加速度を検知するために、プルーフ・マスは、典型的には、幾つかの駆動電極を使用して高Ｑ共振状態へと駆動される。角回転の下で、レート軸についてのデバイスの運動に起因するコリオリの力が、プルーフ・マス運動に垂直な検知軸の方向での運動を誘発し、次いで、この運動を容量的に検知してレート信号として出力することができる。

ＭＥＭＳ振動レート・ジャイロスコープなどの機械的なジャイロスコープはしばしば高Ｑ衝撃環境で動作されるので、そのようなデバイスは、老化、材料劣化、及び応力によって時間経過と共にドリフトする傾向があり、ジャイロスコープにおけるスケール・ファクタ（scale factor、目盛係数）の不安定性をもたらす。幾つかの場合には、駆動方向と検知方向との間のクロスカップリングの剛性及び減衰がジャイロスコープの性能に影響を及ぼし、バイアス・ドリフトの問題をもたらし得る。更に、懸架構造は衝撃及び振動の影響を受けやすいので、方向及び／又は角回転の微妙な変化を正確に検知するデバイスの能力に影響を及ぼし得る。出力及び測定される容量検知信号は比較的小さいので、ＭＥＭＳ振動レート・ジャイロスコープは、しばしば高い安定性及び正確性の検知電子回路を必要とし、それにより電力消費が多くなり、また、製造が複雑になる。

機械的なジャイロスコープに関連する欠点の多くを克服するために、原子ベースのジャイロスコープが提案されており、これらは、アルカリ金属原子の歳差運動（precession）レートに依拠して角回転を検知及び測定する。しばしばラーモア歳差運動ジャイロスコープと呼ばれる１つの例示的な設計では、回転を検知するために、アルカリ金属及び２つの希ガス同位体で充填された蒸気キャビティが使用される。非回転フレームにおいて、静磁場が印加され、光ポンピングを使用して同位体がスピン整列される。次いで、２つの垂直振動磁場が、それぞれの同位体に関するラーモア歳差運動周波数に近い周波数で印加され、それにより静磁場についての歳差運動を誘発し、この運動は磁気光学的技法を使用して測定することができる。システムが回転すると、角速度が歳差運動周波数を変化させ、次いでこの変化が、ジャイロスコープの回転レートを求めるために数値的に抽出され得る。

ラーモア歳差運動ジャイロスコープでの１つの大きな問題は、回転レートを正確に抽出するために、類似の緩和時間定数を有する２つの別個の同位体を使用する必要があることである。例えば、幾つかの設計では、それぞれ異なる磁気回転比を有する２つの異なる原子核が、印加される磁場において異なるレートで歳差運動するように、構成されることがある。次いで、それぞれの原子核の歳差運動レートを同時に追跡し、その後に、測定された角歳差運動レートから磁場の寄与を引くことによって、ジャイロスコープの機械的な回転レートが導出される。しかしながら、そのような提案されている設計は、小さい磁場勾配が原子を異なるレートで歳差運動させて出力の変動をもたらし得るので、実際に実施するのは困難である。更に、緩和レートの相違により、同位体が、異なるレートでスピン・コヒーレンスを失い、システムを複雑きわまる未知の状態にする。そのようなジャイロスコープは、両方の同位体からの同期歳差運動情報を必要としたので、そのような設計では高い信号忠実度も得難い。デバイスの高い他軸感度（cross-axis sensitivity）と、磁気勾配（グラジエント）及び過渡（transient）に対する極端な感受性とに関係付けられるこのような面は、複雑なシステムをもたらすことになり、通常の現場の３軸回転運動の下でシステムの角回転を抽出するのは困難である。

従って、方向および／またはレートを感知するために使用する改善された原子センサに対する必要性がある。

本発明は、チップスケールの原子ジャイロスコープと、方向及びレート検知のための方法とに関する。例示的なチップスケールの原子ジャイロスコープは、アルカリ金属原子、希ガス原子、及び１又は複数のバッファ・ガス（緩衝気体）の気化源（vaporized source、気化された源）を含むように適合された蒸気キャビティを有する蒸気セルを含むことができる。蒸気セルは、個別の囲われた１又は複数のキャビティを含ませることによって、ジャイロスコープのパッケージング構造内に含ませることができる。他の実施形態では、蒸気セルは、マルチ・ウェハ・スタックによって画定され得る。アルカリ金属原子及び希ガス原子の供給を貯蔵するための幾つかの貯蔵チャンバが画定される。幾つかの実施形態では、幾つかの入れ子式の遮蔽体が、磁気及び熱の遮蔽のためにパッケージング構造について提供され得る。更に、パッケージング構造は、磁場源及び加熱源などのような１又は複数の他の要素も含み得る。

蒸気キャビティ内のアルカリ金属原子を励起状態へと光ポンピングするために、ジャイロスコープの光ポンピング軸に沿ってポンプ・レーザ・ビームを生成するように適合されたポンプ・レーザ源が利用され得る。例えば、幾つかの実施形態では、ポンプ・レーザ源によって出力されるレーザ・ビームは、アルカリ金属原子の搬送波長に相当する波長で維持され、アルカリ金属原子における角運動量を生成し、これが希ガス原子における核スピンの偏極（polarization、偏り）を誘発する。アルカリ金属原子の搬送波長へポンプ・レーザ源を固定することは、例えば、ポンプ・レーザ・ビーム及び蒸気キャビティと光学的に連絡する光検出器からフィードバック信号を受信するように適合されたサーボ機構を介して、達成され得る。

更に、検知レーザ源が、蒸気キャビティ内の希ガス原子の偏極の角度を突き止めるために、光ポンピング軸を横切るプローブ軸に沿って第２のレーザ・ビームを生成するように、構成され得る。希ガス原子の偏極の角度の検知は、検知レーザ・ビーム及び第２の光検出器と光学的に連絡する少なくとも２つの垂直偏光フィルタを使用する偏光分析技法によって、達成され得る。検知レーザ源は、第２の光検出器からフィードバック信号を受信するように適合された第２のサーボ機構を介して、アルカリ金属原子の離調された波長に固定され得る。

原子ジャイロスコープを使用して移動物体の機械的な回転を検知及び測定する例示的な方法は、蒸気キャビティ内のアルカリ金属原子を励起状態へと光ポンピングして、超微細スピン交換を通じて希ガス原子における核スピン偏極を誘発するステップと、蒸気キャビティ内の希ガス原子の偏極の角度を突き止めるために、ポンプ・レーザ・ビームを横切るように検知レーザ・ビームを向けるステップと、蒸気キャビティ内の希ガス原子の回転角を測定するステップと、次いで、ジャイロスコープの機械的な回転の測定結果を出力するステップとを含むことができる。

以下の説明は、図面を参照しながら読まれるべきであり、図面において、異なる図面中の同様の要素は同様に番号を付されている。これらの図面は、必ずしも縮尺が定まっているものではなく、選択された実施形態を示しており、本発明の範囲を限定することは意図されていない。様々な要素に関しての構成、寸法、及び材料の例が示されるが、提供される例の多くは、用いられ得る適切な代替例を有することを、当業者には理解されよう。

図１〜２は、それぞれ、本発明の例示の実施形態によるチップスケールの原子ジャイロスコープ１０を示す上面及び側面の模式図である。図１〜２に示されるように、原子ジャイロスコープ１０は、下側ウェハ基板１２と、中央ウェハ基板１４と、上側ウェハ基板１６とを含む３ウェハ・スタックから製造することができ、それらの基板が共になってパッケージング構造１８を形成し、このパッケージング構造は、アルカリ金属原子及び希ガスに対する外部の回転の影響を監視することによって方向及び／又は角回転を検知する際に使用するための、幾つかの光学的及び電気的構成要素を支持するように構成される。例えば、また、以下でより詳細に論じるように、原子ジャイロスコープ１０は、アルカリ金属、希ガス同位体種、及び適切なバッファ・ガスを含む蒸気キャビティ２２を有する蒸気セル２０を含むことができる。原子集団は、ポンプ・レーザ源２４を使用して励起状態へと光ポンピングさせることができ、それにより蒸気キャビティ２２内のアルカリ金属原子が角運動量を得るようにさせ、次いで、それが希ガス同位体の原子核へ伝達される。検知レーザ源２６を使用して、同位体の偏極の角度の相対的変化を求めることができ、それにより原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転を測定できるようにする。

パッケージング構造１８の下側ウェハ基板１２は、ガラス材料から形成することができ、原子ジャイロスコープ１０の様々な光学的及び電気的構成要素の構造基盤を提供する。中央ウェハ基板１４は、シリコンから形成することができ、蒸気キャビティ２２の様々な側壁２８、３０と、アルカリ金属原子及び希ガス同位体のそれぞれの貯蔵のための幾つかの真空充填チャンバ３２、３４とを支持するように構成される。代替例として、他の実施形態では、パッケージング構造１８の中央ウェハ基板１４は、蒸気キャビティ２２をインサイチューで支持するように構成することができ、それをウェハ・スタックに挿入する。更に、中央ウェハ基板１４は、ポンプ・レーザ源２４から放出されたレーザ・ビームを蒸気キャビティ２２内へ、そしてその後に、光検出器４０へ向けるための幾つかの鏡面３６、３８を含むことができる。上側ウェハ基板１６は、ガラスから形成することができ、蒸気セル２０のための熱絶縁真空エンクロージャ４２を提供し、これは、原子ジャイロスコープ１０が、比較的低い電力レベルで、および約−５５℃〜約＋８５℃の間の温度範囲を有する環境内で動作できるようにする。様々なウェハ基板１２、１４、１６の製造は、リソグラフィや表面微細加工などのようなＭＥＭＳ製造で一般に使用される半導体製造技法を使用して、達成することができる。

下側ウェハ基板１２は、原子ジャイロスコープ１０の各端部４８、５０に又はその近傍に位置した幾つかのろう及び／又は接着ボンド４４、４６によって、中央ウェハ基板１４に接続することができる。上側ウェハ基板１６は、原子ジャイロスコープ１０の各端部４８、５０に又はその近傍に同様に位置した第２の幾つかのろう及び／又は接着ボンド５２、５４によって、中央ウェハ基板１４に接続することができる。更に、望まれる場合には、原子ジャイロスコープ１０の様々な構成要素を他の外部デバイスと光学的及び電気的に接続するために、他の接続手段が提供される。例えば、幾つかの実施形態では、原子ジャイロスコープ１０を慣性測定ユニット（ＩＭＵ）と接続できるようにするために、パッケージング構造１８の周縁部に光学的及び／又は電気的フィードスルーが提供される。

原子ジャイロスコープ１０は、高速の過渡及び勾配に対して比較的鈍感であるが、外部のＤＣ及び／又は低周波磁場の存在が、ジャイロスコープ１０により使用されるサーボ制御式フィールド・キャンセル機構（servo controlled field cancellation mechanism）にバイアスをもたらし、核磁気共鳴（ＮＭＲ）を誘導する。磁場干渉を減衰するために、パッケージング構造１８は、幾つかの入れ子式の遮蔽体の内部に形成又は収容することができ、入れ子式の遮蔽体は、原子ジャイロスコープ１０の様々な構成要素を磁気的にも熱的にも遮蔽するように構成される。例えば、図１〜２の例示の実施形態では、２つのそのような遮蔽体５６、５８が、原子ジャイロスコープ１０の構成要素を収容しているように模式的に示されている。しかしながら、原子ジャイロスコープ１０の動作環境によって、より多数の又はより少数の遮蔽体を提供することもある。遮蔽体５６、５８の構成は、典型的には、磁場の特性によって異なる。例えば、任意の磁場干渉に起因する一次効果をゼロにするように全磁場キャンセルを実現するために、単軸界磁コイルが使用され得る。また、磁場干渉を起こす二次効果をゼロにするために、入れ子式の３軸３コイル構成を使用することもできる。幾つかの実施形態では、レーザ源（２４、２６）が遮蔽体５６、５８の外側に配置され、その場合には、光信号が遮蔽体５６、５８を通して供給される。

遮蔽体５６、５８は、ＤＣ及び低周波磁場に対して不透過性である適切な材料から形成される。例えば、幾つかの実施形態では、それぞれの遮蔽体５６、５８は、ニッケルと鉄との組成を有するスーパーマロイ（Supermalloy）又はパーマロイ（Permalloy）（登録商標）材料を含むことができ、この材料は、多くのジャイロスコープ用途において一般的である磁場勾配及び過渡の影響を受けにくい。しかしながら、望まれる場合には、遮蔽体５６、５８を形成するために他の材料が使用されることもあることを、理解すべきである。遮蔽を更に補助するために、光学的及び電気的フィードスルーがジグザグ構成で遮蔽体５６、５８を通過するようにでき、パッケージング構造１８内への磁場の進入を更に防止する。

原子ジャイロスコープ１０は、更に、パッケージング構造１８内に含まれる任意の残留酸化液体及び／又は気体を捕捉するためのチタンなどのゲッター材料６０を含むことができる。ゲッター材料６０は、例えば、原子ジャイロスコープ１０の上側真空チャンバ４２内に形成することができ、小さい開口又はトンネル６２を介して蒸気セル２０と連絡することができる。ゲッター材料６０は、カプセル化されたゲッターのドットを上側ウェハ基板１６の内面６４上に堆積することによって形成することができ、その後に、ウェハ基板１２、１４、１６が気密封止されると新鮮なゲッターを放つために、カプセル化されたゲッター材料６０を溶解又は加熱する。使用時には、ゲッター材料６０を使用して、パッケージング構造１８内の任意の汚染物質を化学的に吸収することができ、汚染物質は、処理中の一般的な雰囲気ガス及びパッキン材料蒸気のガス放出が原因で生じることや、時間経過に伴うパッケージング構造１８内へのそのような材料の拡散や微小漏れによって生じることがある。

蒸気セル２０は、エッチングなどの適切なプロセスを使用して下側ウェハ基板１２の上に少なくとも部分的に形成することができる。例えば、幾つかの技法では、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）などのような透明な酸化物を下側ウェハ基板１２の上に成長又は堆積させて、蒸気セル２０の一部分を形成することができる。蒸気セル２０は、概して、１又は複数の貯蔵チャンバ３２、３４と蒸気キャビティ２２とに分けることができる。貯蔵チャンバ３２、３４は、アルカリ金属原子及び希ガス原子それぞれのための保持用チャンバとして働くように構成することができ、それらの原子は、貯蔵チャンバ３２、３４内に置き、アルミニウム層などの不活性化層で覆うことができる。代替例として、貯蔵チャンバ３２、３４は、適切な幾何形状及び材料を使用してウェハ・スタックの外部で形成されて、その後に、ウェハ・スタックの処理中にスタック内に挿入されてもよい。蒸気キャビティ２２は、ポンプ・レーザ源２４からのレーザ・ビーム６６及び光検出器４０と連絡し、且つ、保持貯蔵チャンバ３２内に堆積されたアルカリ金属原子の供給源と、小さい開口又はトンネル６８を介して接続することができる。貯蔵チャンバ３２内のアルカリ金属原子は、加熱されると、気化して蒸気キャビティ２２を充填するように構成することができる。典型的には、アルカリ金属の蒸気圧は、例えば２００℃などのような所望される動作温度で、気化されたアルカリ金属が蒸気キャビティ２２を飽和蒸気圧まで充填するのに十分なものである。しかしながら、飽和蒸気圧が実現される正確な温度は、典型的には、原子集団の組成、蒸気キャビティ２２のサイズ、及びその他の因子によって、異なる。

蒸気セル２０は、高熱伝導性材料から作成される１又は複数の壁又は層７０によって取り囲まれ又はその内部に収容され、壁又は層は、蒸気キャビティ２２内の温度を安定に保つために断熱ギャップとして働く熱エンクロージャを形成する。また、蒸気キャビティ２２内の安定した温度を維持するのを助けるために、熱ブリッジ７２を蒸気セル２０に隣接して提供することもできる。幾つかの実施形態では、蒸気キャビティ２２内の動作温度を一定の温度（例えば＋２００℃）に維持するように蒸気セル２０を加熱するために、幾つかの能動的加熱エレメント（図示せず）を用いることができる。加熱エレメントは、例えば、ワイヤ巻線、熱放散モードでのパワー・トランジスタ、又は蒸気セル２０へ熱を提供するための他の適切な手段を含むことができる。温度センサを用いて温度制御装置へフィードバックを提供することができ、温度制御装置は、ワイヤ巻線を通る電流を制御して、アルカリ金属原子を所望される温度に維持する。

環境からの断熱を支援するように、「Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｎａｌｏｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（受動的アナログ断熱構造）」という名称の本願と同時係属の米国特許出願第１１／２７６５３８号に記載されているような断熱構造を、ウェハ基板１２、１４、１６の１つに形成するか又は結合することができる。断熱構造は、蒸気キャビティ２２内の温度を厳密に制御することが可能であると共に、より低レベルの加熱電力を使用し、原子ジャイロスコープ１０を動作させるのに必要とされる総電力消費を低減する。

蒸気セル２０の各側に配設される幾つかの窓アパーチャ（開口）７４、７６は、ポンプ・レーザ源２４からのレーザ・ビーム６６が、光ポンピング軸７８の方向に沿って、蒸気セル２０の壁７０を通って光検出器４０へ送られるように構成することができる。蒸気セル２０の上部及び底部に配設される第２の幾つかの窓アパーチャ８０、８２は、検知レーザ源２６からのレーザ・ビーム８４が、光ポンピング軸７８に垂直な検知軸８８の方向に沿って、上に向かって蒸気セル２０を通って第２の光検出器８６へ送られるように構成することができる。窓アパーチャ７４、７６、８０、８２は、ガラス、融解石英、水晶、及び／又はサファイアなどのような光学的に透明な材料から形成することができ、それにより、アルカリ金属原子の超微細周波数の偏移を伴わずにレーザ・ビームがアパーチャ７４、７６、８０、８２を通過できるようにする。窓アパーチャ７４、７６、８０、８２は、例えば、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（deep reactive ion etching）（ＤＲＩＥ）などのエッチング技法を使用して製造でき、Ｐｂ−Ｓｎリフローろうを用いて気密封止できる。幾つかの実施形態では、窓アパーチャ７４、７６、８０、８２は、「Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｗｉｎｄｏｗ（小型の光が透過するウィンドウ）」という名称の本願と同時係属の米国特許出願第１１／１６４４４５号に記載されているエッチング技法を使用して製造でき、その特許出願の全体を、参照により本明細書に組み込むものとする。しかしながら、望まれる場合には、他の製造技法が利用されてもよいことを理解すべきである。

蒸気キャビティ２２は、^８５Ｒｂや、^８７Ｒｂや、^１３３Ｃｓなどのアルカリ金属原子と、^１２９Ｘｅや、^１３１Ｘｅや、^３Ｈｅなどの希ガス同位体と、蒸気キャビティ２２内の位相ずれ衝突を低減するためのＮ_２、Ａｒ、Ｋｒ、及び／又はＮｅなどの適切なバッファ・ガスとの供給源を含む。しかしながら、アルカリ金属、希ガス、及び／又はバッファ・ガスの選択は、特定の用途によって異なることがある。例えば、広範囲のスピン交換結合定数（spin-exchange coupling constants）を提供するようにアルカリ金属原子と希ガス原子との組合せが使用されることがあり、これは、原子ジャイロスコープ１０に、所望される特性を提供するように実施することができる。また、そのような組合せは、原子ジャイロスコープ１０によって使用される緩和時間定数を変えるように選択されることもあり、これは、蒸気キャビティ２２内の圧力に影響を及ぼす。

原子ジャイロスコープ１０のスケール・ファクタは、検知レーザ・ビーム８４の波長及び／又は蒸気キャビティ２２内のアルカリ金属原子の蒸気圧を調節することによって、変えることができる。例えば、幾つかの実施形態では、蒸気圧の変化は、蒸気キャビティ２２内のセルの温度を調整することによって、達成できる。また、蒸気キャビティ２２内の蒸気圧を調整するためにアルカリ金属原子、希ガス原子、及び／又はバッファ・ガス原子の密度を制御することもでき、それによりスケール・ファクタを制御する。例えば、幾つかの実施形態では、原子ジャイロスコープ１０の偏極の伝達と信号のレベルを均衡させるために、蒸気キャビティ２２内の希ガス原子の密度が化学量論的に制御されることがある。

同様に、回転する原子に対する蒸気キャビティ壁２８、３０の影響を最小限にするように、バッファ・ガスの圧力が調節されなければならない。幾つかの実施形態では、鉱油又は他の適切な材料を使用して蒸気キャビティ２２の内壁を被覆することができ、これは、ガス密度や熱速度などの因子に起因するアルカリ金属原子のスピン破壊レートを制御するために使用される。また、ポンプ時間や信号レベルなどのような他のシステム特性も、蒸気キャビティ２２内のバッファ・ガスの相対的圧力に、少なくとも部分的に依存する。

ポンプ・レーザ源２４は、パッケージング構造１８に隣接して配置されることができ、希ガス原子における核スピン偏極を誘導するアルカリ金属原子における角運動量を生成するために、蒸気キャビティ２２内の原子集団を光ポンピングするように、構成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、ポンプ・レーザ源２４は、面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser）（ＶＣＳＥＬ）を含むことができ、これは、比較的少量の電力を消費しながらアルカリ金属原子の搬送波長で動作することができる。しかしながら、蒸気キャビティ２２を光ポンピングするために他の適切なレーザ源が使用されてもよい。代替のレーザ源の例は、レーザ放射を生成するためにガリウムヒ素（ＧａＡｓ）半導体レーザ・ダイオードを使用する分布型ブラッグ・レフレクタ（distributed Bragg reflector）（ＤＢＲ）を含み得る。蒸気キャビティ２２内での光ポンピングを可能にするために、ポンプ・レーザ源２４は、アルカリ金属原子の搬送波長に近い偏光を連続的に出力するように構成する。例えば、アルカリ金属原子の供給源として^８７Ｒｂ又は^８５Ｒｂが使用される実施形態では、ポンプ・レーザ源２４は、典型的には約７９５ｎｍの波長に維持され、これはルビジウム原子に関するＤ１吸収線に対応する。

図１〜２の例示の実施形態では、ポンプ・レーザ源２４から放出されるレーザ・ビーム６６は、エレクトロクロミック又は受動型ニュートラル・デンシティ・フィルタ（ＮＤフィルタ）９０を通るように向けられ、このフィルタは、レーザ・ビーム強度を低減させるために使用することができる。ポンプ・レーザ源２４から放出された直線偏光を円形偏光へと変換するように、四分の一波長板９２を構成することができる。望まれるようにレーザ・ビームの特性を変えるために、他の光変調エレメントが使用されることもある。そのようなエレメントの例には、ビーム拡大器、コリメータ、減衰器、合焦レンズなどが含まれ得るが、それらに限定されるものではない。

四分の一波長板９２から出力された円偏光は、光ファイバ又は導波管９４を通して送ることができ、この光ファイバ又は導波管９４が、レーザ・ビームを下側ウェハ基板１２の内部へ向ける。下側ウェハ基板１２を通過すると、レーザ・ビーム６６は次いで中央ウェハ基板１４の第１の鏡面３６に当たって、蒸気キャビティ２２を通るように方向を変えられる。蒸気キャビティ２２を通ったレーザ・ビーム６６は、次いで、中央ウェハ基板１４の第２の鏡面３８に当たって方向を変えられ、この鏡面３８がレーザ・ビーム６６を光検出器４０へ向ける。

動作中、以下に更に論じるように、ポンプ・レーザ源２４からのレーザ・ビーム６６を使用して蒸気キャビティ２２内のアルカリ金属原子を光ポンピングして、アルカリ金属原子と希ガスとの両方を光ポンピング軸７８の方向に沿ってスピン整列させることができる。蒸気キャビティ２２内のアルカリ金属原子の光ポンピングは、ポンプ・レーザ源２４によって放出されるレーザ・ビームの波長を、蒸気キャビティ２２内のアルカリ金属原子の正確な搬送波長に固定することによって、達成することができる。例えば、アルカリ金属原子の供給源として^８７Ｒｂが使用される実施形態では、ポンプ・レーザ源２４は、約７９４．９７ｎｍの搬送波長に固定することができ、これはルビジウム原子の超微細周波数に対応する。しかしながら、^１３３Ｃｓ、^２３Ｎａ、^３９Ｋなどのような他のタイプのアルカリ金属原子に関しては、典型的には搬送波長が異なる。ポンプ・レーザ源２４を搬送波長に固定することは、例えば、光検出器４０からのフィードバック信号に基づいてポンプ・レーザ源２４へ供給される電流を調整するように構成されたサーボ機構９６を使用して、達成され得る。しかしながら、用途に応じて、ポンプ・レーザ源２４を搬送波長に固定するための他の手段が使用されてもよい。

図１〜２で更に見られるように、検知レーザ源２６は、パッケージング構造１８に隣接して配置でき、レーザ・ビーム８４を生成するように構成することができ、このレーザ・ビーム８４は、ポンプ・レーザ源２４によるアルカリ金属原子の光ポンピングに起因する希ガス原子の回転を検知するために、使用することができる。概して矢印８８によって示されるように、検知レーザ源２６から放出されるレーザ・ビーム８４は、光ポンピングのために使用されるレーザ・ビーム６６を横切って蒸気キャビティ２２内へ向けることができる。幾つかの実施形態では、検知レーザ源２６から放出されるレーザ・ビームの波長は、第２の光検出器８６からのフィードバック信号を受信するように構成されたサーボ機構１２２を使用して、アルカリ金属原子の搬送波長及び固定された波長に対して離調することができる。

動作中、希ガス原子の回転は、偏光分析技法を使用して測定することができ、その技法では、検知ビーム放射をゼロにするために一組の垂直偏光フィルタ１２４、１２６が採用される。例えば、図１〜２の例示の実施形態では、検知レーザ・ビーム８４をゼロにするために水平偏光フィルタ１２４及び垂直偏光フィルタ１２６を使用することができる。望まれる場合には、光ファイバや導波管１２７などのような他の光変調要素を、検知レーザ源２６から放出されるレーザ・ビーム８４と光学的に連絡するように、更に提供することもできる。検知ビーム８４が、上に向かって蒸気キャビティ２２を通過すると、その偏光は、検知軸８８に沿った検知放射の投影磁場強度に依存する量だけ回転され、これは、原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転角の関数である。従って、検知ビーム放射の偏光回転が、原子ジャイロスコープ１０の正味の機械的な回転角に比例する信号を提供する。

図３Ａ〜３Ｃは、８７Ｒｂアルカリ金属原子及び１２９Ｘｅ希ガス原子の供給源を使用する図１〜２の例示的な原子ジャイロスコープ１０の動作を示す模式図である。図３Ａにおける時間ｔ＝０での初期開始位置で示されるように、ポンプ・レーザ源２４から放出されるレーザ・ビームは、フィルタ９０を通って四分の一波長板９２へ向けられ、四分の一波長板９２が、直線偏光レーザ・ビームを円形偏光レーザ放射へと変換する。ポンプ・レーザ源２４によって出力されるレーザ・ビームの波長は、８７Ｒｂ原子の２Ｓ１／２基底状態からそれらの最低の２Ｐ１／２励起状態への過渡に対応するように、調整することができ、これは、約７９４．９７ｎｍの波長λに対応する。Ｄ１吸収線への８７Ｒｂ原子のそのような励起により、８７Ｒｂ原子が蒸気キャビティ２２内で光子を吸収して角運動量を獲得する。次いで、この角運動量が希ガス原子の原子核へ伝達され、希ガス原子をスピンアップさせる。原子ジャイロスコープ１０をスピンアップさせるために必要とされる時間は、典型的には、蒸気キャビティ２２内の温度、蒸気キャビティ２２のサイズ、アルカリ金属及び希ガス原子の密度、並びに他の因子を含めた幾つかの因子に依存する。

ポンプ・レーザ源２４の波長λを^８７ＲｂのＤ１吸収線に固定するために、ポンプ・レーザ源２４から放出されるレーザ・ビーム６６の波長を光検出器４０によって検知する。幾つかの実施形態では、ポンプ・レーザ源２４は、ポンプ・レーザ源２４から放出されるレーザ・ビーム６６を、^８７Ｒｂ原子の励起状態への励起のための正確な波長に固定するために、第１のサーボ機構９６に接続される。原子をポンピングする源として別のアルカリ金属原子源が使用される実施形態では、ポンプ・レーザ源２４の波長は、必要に応じて、アルカリ金属原子をそれらの励起状態へと光ポンピングするように、変えることができる。希ガス原子核のかなりの部分が光ポンピング軸「ｚ」に沿ってスピン整列されると、希ガスの集団的な核磁気モーメントが、蒸気セル２０内で数ミリガウスまでの正味の磁場（−λＭ_ｚ）を生成する。

ポンプ及び検知レーザ源２４、２６は、互いに直交して動作するように構成する、即ち、ポンプ・レーザ源２４から放出されるレーザ・ビームがポンピング／偏光軸「ｚ」となり、検知レーザ源２６から放出されるレーザ・ビームが原子ジャイロスコープ１０の検出軸「ｘ」となるように、構成することができる。最初の使用のための準備において、図３Ａに関連して更に理解できるように、原子ジャイロスコープ１０は、非回転基準フレームに配置することができ、このフレームは、原子ジャイロスコープ１０の方向を校正するために後に使用することができる。蒸気キャビティ２２内の^８７Ｒｂ原子がそれらの励起状態へと連続的にポンピングされると、蒸気キャビティ２２内に含まれる希ガス原子の核スピンは、アルカリ金属原子と希ガス原子との錯体から形成される準安定ファンデルワールス分子における超微細スピン交換によって、ｚ軸に沿って偏極される。原子間のそのような交換は、希ガス原子における核スピン偏極を誘発し、これが原子ジャイロスコープ１０に関する望ましい基準を提供する。

希ガス原子の核スピン偏極から生成される正味の磁場−λＭｚの効果をキャンセルするために、パッケージング構造内に配される幾つかの磁気エレメント１２８、１３０を使用して、光ポンピング軸ｚに沿って静磁場Ｂ_ｚを印加することができる。例えば、静磁場Ｂ_ｚは、図示されるように蒸気キャビティ２２の両側に配設された幾つかのヘルムホルツ・コイルを使用して生成され得る。

直線偏光放射ビームの分解されたσ＋及びσ−の部分は、それぞれ^８７Ｒｂ原子の［ｍ＝＋１／２］及び［ｍ＝−１／２］の状態をポンピングするときに異なる光共鳴周波数を受ける。偏光分析技法を使用すると、検知ビーム８４のσ＋成分及びσ−成分は、異なる指数ｎ＋及びｎ−を受ける。この効果は、ビームのσ＋及びσ−成分に関する異なる位相レートをもたらし、前方散乱ビームの正味の回転を生じる。その結果、検知ビーム８４の線形偏光は角度φだけ回転され、これは、下記の式
（１） φ＝（ｎ_＋−ｎ₋）（１／λ）
から一般に理解することができる。

磁場−λＭｚがゼロにされると、次いで、図３Ｂにおいて、時間ｔ＞０に関して更に示されるように、原子ジャイロスコープ１０の検知軸「ｙ」についての回転を検知するように、原子ジャイロスコープ１０を構成することができる。ｙ軸についての回転が存在する場合、希ガスの核スピンは、即時に続いて起こらず、機械的な回転に対してある期間だけ遅れる。この遅延期間中、正味の磁場Ｂｘが原子ジャイロスコープ１０に存在し、ジャイロスコープ１０の機械的な回転に正比例する測定信号の偏極の回転を誘導する。次いで、原子ジャイロスコープ１０のスケール・ファクタを用いて、測定信号における偏極の回転と原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転との関係を求めることができる。典型的には、残留磁場Ｂｘの投影のみが、検知ビーム８４の偏光の変化を誘導し得る。動作中、この現象は、原子ジャイロスコープ１０が低い他軸感度で動作することの助けとなる。

原子ジャイロスコープ１０が回転し続けると、図３ｃにおいて、より後の時間に関して更に示されるように、印加された磁場Ｂｚと希ガスの核スピン方向との間の角度は、現行の方向に沿って希ガス同位体を再整列させるポンピングのレートに対する原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転の相対レートに依存して、増加又は減少し得る。そのような構成では、希ガスの方向がシステムの回転を連続的に追い、非平衡状態を誘発し、それにより、原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転を測定できるようにする。

ポンプ・レーザ源２４からの光ポンピングは、希ガス同位体を新たな「ｚ」軸に沿って比較的短い応答時間内に継続的に再整列させるように構成することができ、それにより、検知レーザ・ビームが、ｙ軸についての原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転の微妙な変化を検出できるようにする。例えば、幾つかの実施形態では、システムの応答時間は、原子ジャイロスコープ１０が比較的高い帯域幅（例えば≧３００Ｈｚ）を実現できるように、設定できる。

原子ジャイロスコープ１０の帯域幅及び感度は、蒸気キャビティ２２内の蒸気圧及び／又はセル温度などの様々なパラメータを調節することによって、数桁にわたって調整可能とすることができる。比較的高い回転レートでの回転検出を可能にするように帯域幅を増大するためには、希ガス同位体の核スピンが周期的に再整列されなければならず、そうでなければ、原子磁化方向は、検知ビーム軸「ｙ」によって指示される回転角度を正確に追跡することができないことがある。希ガス原子（例えば^１２９Ｘｅ）の核スピンの偏極は、光ポンピングされた^８７Ｒｂ蒸気とのスピン交換衝突によって実現することができ、これは以下の式によって定めることができる。

（２） Ｐ_Ｘｅ（ｔ）＝〈Ｐ_Ｒｂ〉（１−ｅｘｐ（−γ_ｓｅｔ）

（３） γｓｅ＝ｎ_Ｒｂ［σ_ｓｅν＋（Ｋ_ｘｅ／ｎ_Ｘｅ）］

上記の式で、
Ｐ_Ｒｂは^８７Ｒｂの偏極であり、
ｎ_ｘは密度であり、
σ_ｓｅは、レート平均化されたバイナリ・スピン交換断面積であり、
Ｋ_ｘｅは、ファンデルワールス錯体におけるスピン交換によるもの
である。

^１２９Ｘｅ原子の最適な偏極を達成するために必要とされる時間は、^８７Ｒｂの密度と^１２９Ｘｅの密度との両方の影響を受ける。比較的小さい偏極時間は、蒸気キャビティ２２内で比較的高い温度を維持することによって達成できる。読出信号の時間積分は、ｙ軸についての原子ジャイロスコープ１０の機械的な回転Ω_ｙの総角度に比例し、機械的な回転Ω_ｙの時間依存からは独立している。更に、任意の磁場の過渡によって発生される正味の回転角は、過渡中にスピン偏極が小さい角度だけ回転させられるかぎり、ゼロに等しい。従って、そのような特徴は、高いダイナミック・レンジ及びバイアス安定性、並びに高い帯域幅を保証する。

原子ジャイロスコープ１０は、信頼性、サイズ、電力消費、耐振動性、及び／又はコストが重要な設計考慮事項である幾つかの用途において、用いることができる。例えば、幾つかの用途では、原子ジャイロスコープ１０は、高い信頼性及び低い電力消費を要求するオーガニック・エア・ビークル（organic air vehicle）（ＯＡＶ）の制御や他のナビゲーション・システムにおいて、用いられ得る。自律型地上ビークル・ナビゲーション、地上ビークル・ナビゲーション、ロボット工学、地下設備ナビゲーション、及び／又は軽航空機の制御及びナビゲーションなどのような他の用途も企図される。例えば、幾つかの場合には、原子ジャイロスコープ１０は、洞窟や大きな建物の内部などのような、ＧＰＳを使用可能ではない場所でのパーソナル・ナビゲーション・システムにおいて使用できる。

原子ジャイロスコープ１０は、スピン偏極された蒸気ガスの磁気光学的特性を使用するので、ラーモア歳差運動を測定する核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープにおいて、Ｂ場及び光の場の非一様性及び変動の影響を比較的受けにくい。更に、原子ジャイロスコープは、多くの従来の原子ジャイロスコープ設計の複雑さの一因である他軸感度が、非常に低い。更に、原子ジャイロスコープ１０は、１つの軸に沿ってポンピング及び検知を行う原子ジャイロスコープにおいて一般的である周波数偏移及びバイアス・ドリフトに対して比較的鈍感である。振動、老化、及び材料劣化の影響をより受けやすい機械的な励起及び検出を用いるＭＥＭＳ振動ジャイロスコープとは対照的に、原子ジャイロスコープ１０は運動部分や振動部分を有さず、従ってエラーの影響を受けにくい。また、幾つかのリング・レーザ・ジャイロスコープ設計とは異なり、原子ジャイロスコープ１０は、低回転レートでの固定化（ロックイン）を受けつけない。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明してきたが、本明細書に添付される特許請求の範囲の範囲内に入る他の実施形態が作成及び使用され得ることを当業者は容易に理解できよう。本文書によって網羅される本発明の幾つかの利点は前述の説明に記載した。この開示は多くの点で単に例示的なものであることを理解されたい。本発明の範囲を超えることなく、本明細書に記載した様々な要素に関して変更を加えることができる。

図１は、本発明の例示の実施形態によるチップスケールの原子ジャイロスコープの上面模式図である。 図２は、図１の例示のチップスケールの原子ジャイロスコープの側面模式図である。 図３Ａ〜３Ｃは、^８７Ｒｂアルカリ金属原子及び^１２９Ｘｅ希ガス原子の供給源を使用した図１〜２の例示的な原子ジャイロスコープの動作を示す模式図である。 図３Ａ〜３Ｃは、^８７Ｒｂアルカリ金属原子及び^１２９Ｘｅ希ガス原子の供給源を使用した図１〜２の例示的な原子ジャイロスコープの動作を示す模式図である。 図３Ａ〜３Ｃは、^８７Ｒｂアルカリ金属原子及び^１２９Ｘｅ希ガス原子の供給源を使用した図１〜２の例示的な原子ジャイロスコープの動作を示す模式図である。

Claims (2)

1. アルカリ金属原子及び希ガス原子の気化した源を含むように適合された蒸気キャビティを含む蒸気セルであって、前記希ガス原子は１つの希ガス同位体からのものである、蒸気セルと、
   前記蒸気キャビティ内の前記アルカリ金属原子を励起状態へと光ポンピングするために光ポンピング軸に沿って第１のレーザ・ビームを生成するように適合されたポンプ・レーザ源であって、前記第１のレーザ・ビームが、前記希ガス原子における核スピン偏極を誘導するように適合される、ポンプ・レーザ源と、
   前記第１のレーザ・ビーム及び前記蒸気キャビティと光学的に連絡する第１の光検出器であって、前記第１のレーザ・ビームの波長を前記アルカリ金属原子の搬送波長に維持するための第１のサーボ機構に接続された第１の光検出器と、
   前記蒸気キャビティ内で磁場を誘導するための手段と、
   前記蒸気キャビティ内の前記希ガス原子の偏極の角度をつきとめるために前記光ポンピング軸を横切るプローブ軸に沿って第２のレーザ・ビームを生成するように適合された検知レーザ源と、
   前記第２のレーザ・ビーム及び前記蒸気キャビティと光学的に連絡する第２の光検出器であって、前記第２のレーザ・ビームの波長を前記アルカリ金属原子の前記搬送波長から離調させて維持するための第２のサーボ機構に接続された第２の光検出器と、
   前記第２のレーザ・ビーム及び前記第２の光検出器と光学的に連絡する少なくとも２つの垂直偏光フィルタと
   を備えるＮＭＲジャイロスコープ。
2. 物体の機械的な回転を検知及び測定する方法であって、
   アルカリ金属原子及び希ガス原子の気化された源を含む蒸気キャビティを含む蒸気セルを提供するステップであって、前記希ガス原子は１つの希ガス同位体からのものである、ステップと、
   前記蒸気キャビティ及び第１の光検出器と光学的に連絡する第１のレーザ源を提供するステップであって、前記第１のレーザ源が、前記蒸気キャビティ内の前記アルカリ金属原子を励起状態へと光ポンピングするために、第１のレーザ・ビームを前記蒸気キャビティ内へ向けるように適合される、ステップと、
   前記蒸気キャビティ及び第２の光検出器と光学的に連絡する第２のレーザ源を提供するステップであって、前記第２のレーザ源が、前記蒸気キャビティ内の前記希ガス原子の核スピン偏極をつきとめるために、第２のレーザ・ビームを前記蒸気キャビティ内へ向けて前記第１のレーザ・ビームを横切るように適合される、ステップと、
   前記蒸気キャビティ内の前記希ガス原子の回転角度を測定するステップと、
   ジャイロスコープの機械的な回転の測定結果を出力するステップと
   前記蒸気キャビティ内で磁場を生成するように構成された磁場源を提供するステップと、
   前記蒸気キャビティ内の前記希ガス原子の核スピンの偏極に起因する正味の磁場をキャンセルするように前記磁場源を作動させるステップと、
   前記第１のレーザ源及び前記第１の光検出器と連絡する第１のサーボ機構を提供するステップと、
   前記第１の光検出器からのフィードバック信号を使用して、前記第１のレーザ源へ供給される電流を或る波長のところで固定するステップであって、前記第１のレーザ源からの前記波長が、前記蒸気キャビティ内の前記アルカリ金属原子の搬送波長に相当するものである、ステップと、
   前記第２のレーザ源及び前記第２の光検出器と連絡する第２のサーボ機構を提供するステップと、
   前記第２の光検出器からのフィードバック信号を使用して、前記第２のレーザ源へ供給される電流を或る波長のところで固定するステップであって、前記第２のレーザ源からの前記波長が、前記蒸気キャビティ内の前記アルカリ金属原子の前記波長から離調された波長に相当するものである、ステップと
   を備える方法。

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