JP5616752B2 - ２つの熱領域をそなえるチップスケール原子時計 - Google Patents

Description

本発明は２つの熱領域をそなえるチップスケール原子時計に関する。

本願は、２０１０年２月４日に出願された米国仮特許出願第６１／３０１４９７号の利益を主張し、この内容は参照により本明細書に組み込まれる。
米国空軍とのＦＡ８６５０−０１−Ｃ−１１２５による政府との契約条項により与えられるように、米国政府は本発明に関して一定の権利を有する。

チップスケール原子時計（Chip-Scale Atomic Clocks, ＣＳＡＣ）は、アルカリ金属典型的にはルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）の蒸気を含み、これらは気相セル内に配置される。気相セルの壁は、典型的にはガラスおよりシリコンから形成される。バイクロマティック（２波長）光学場が気相を通して送られ、コヒーレントポピュレイショントラッピング（coherent population trapping）と呼ばれる現象を用いて超微細遷移を励起する。たとえば、ルビジウムベースのＣＳＡＣは、垂直共振器面発光レーザー（vertical-cavity surface-emitting laser, ＶＣＳＥＬ）を用いてＤ１超微細遷移を励起することにより動作し、ＶＣＳＥＬは７９８ｎｍにおける広い吸収および３．４１７ＧＨｚ、正確にはＤ１遷移周波数の半分、において変調されるラジオ周波数に調整される。

いくつかのＣＳＡＣは周囲温度が変化すると不正確になることが知られている。これは、部分的には、ＣＳＡＣの２つの成分、気相セルおよびＶＣＳＥＬ、が最も安定な温度で動作するわけではないことによる。

軍事用途においてＣＳＡＣを製造することに関するより挑戦的な側面の１つは、実際の軍用システムが使用中に遭遇する温度変化に対処することを含む。最も敏感な部品の温度を安定化させる試みがなされてきたが、ＣＳＡＣの温度敏感性はいまだ問題である。たとえば、物理パッケージの内部の部品からパッケージの壁への放射カップリングおよびガス相熱伝達は、これらの部品の温度を変化させ得る。

ＣＳＡＣの温度敏感性を低減するために、気相セルおよびＶＣＳＥＬの両方は、ｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＴ_{ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ}がゼロになるポイントで動作するようにする必要がある。しかし、ｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＴ_{Ｒｂ−ｃｅｌｌ}がゼロになる温度、およびＶＣＳＥＬが適切な光の波長を出力する温度は、通常異なる。これらの２つの部位を熱的に固定する従来なされていた試みにおいて、温度にわたってＣＳＡＣの安定性を維持することは非常に大きな問題になり得る。

チップスケール原子時計は、物理パッケージと、物理パッケージの第１熱領域に配置されたレーザーダイと、を有する。４分の１波長プレートが物理パッケージ内に取り付けられ、また、レーザーダイと光学連通するようにされる。気相セルが物理パッケージ内に取り付けられ、また、４分の１波長プレートと光学連通するようにされる。気相セルは、第１熱領域から独立する第２熱領域内に配置される。光学検出器が物理パッケージ内に取り付けられ、また、気相セルと光学連通するようにされる。第１熱領域は、レーザーダイに関する第１安定ポイントにおける第１動作温度を提供し、第２熱領域は、気相セルに関する第２安定ポイントにおける第２動作温度を提供する。

以下の説明および添付図面から、本発明の特徴が当業者に明らかになるであろう。図面は典型的な実施形態だけを示し、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。本発明は、添付図面とともに追加的な特性および詳細とともに説明される。添付図面は以下の通りである。

一実施形態による、２つの熱領域を備えるチップスケール原子時計の物理パッケージの断面概略図である。 図１のチップスケール原子時計内に実装することができるホイートストンブリッジ回路を示す図である。 熱モデリングで用いられるチップスケール原子時計の物理パッケージの概略斜視図である。 図３Ａの物理パッケージの概略斜視図であり、台側壁が取り除かれ、物理パッケージの内部構造が見えるようになった図である。 物理パッケージの部品を、それぞれの安定ポイントに保持するために必要なパワーを示すグラフであり、周囲温度の関数としてプロットされたグラフを示す図である。

以下の詳細な説明において、実施形態は、当業者が本発明を実施できる程度に十分に詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用いることができることを理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は限定する意図であると解釈すべきではない。

チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）は、２つの熱領域を備える構成で提供される。２つの熱領域は、ＣＳＡＣ内の、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）のようなレーザーダイのための第１熱領域と、気相セルのための第２熱領域と、を含む。第１熱領域は、レーザーダイに関する第１安定ポイントにおける第１動作温度を提供し、第２熱領域は、気相セルに関する第２安定ポイントにおける第２動作温度を提供する。

チップスケール原子時計の２つの熱領域構成は、気相セルおよびレーザーダイが、それらが互いに独立に最も安定な動作ポイントで動作することが可能にする。気相セルおよびレーザーダイの温度は、ホイートストンブリッジのようなオンチップ温度センサおよびオフチップ制御装置を用いることにより安定的に維持される。

本明細書で用いられる「安定（的な）ポイント」との語は、ＣＳＡＣの周波数変化（ｄＦ_ＣＳＡＣ）の、ＣＳＡＣ内の部品の温度の変化（ｄＴ_{ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ}）に対する比がゼロ（ｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＴ_{ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ}＝０）であるポイントを指す。このような安定ポイントは、ＣＳＡＣの２つの最も温度に敏感な部品、すなわち気相セルおよびレーザーダイ、に存在する。

いくつかの状況において、ＶＣＳＥＬをｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＰｏｗｅｒ_{ＶＣＳＥＬ}＝０の温度で動作させることが好ましいことがある。ここで、ｄＰｏｗｅｒ_{ＶＣＳＥＬ}はＶＣＳＥＬビームのＲＦパワーである。一般に、ｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＴ_{ＶＣＳＥＬ}＝０の温度およびｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＰｏｗｅｒ_{ＶＣＳＥＬ}＝０の温度は異なる。これらの場合、ＣＳＡＣ全体の安定性を最適化するにはＶＣＳＥＬおよび気相セルのために独立の熱領域が存在する必要がある。

図１は一実施形態による２つの熱領域構成を備えるＣＳＡＣ１００を示す。ＣＳＡＣ１００は、物理パッケージ１０２を含み、これは、ＣＳＡＣ１００の様々な機械部品および電子部品を収容する。これらの部品は、物理パッケージ１０２を組み立てる前に、ウェハレベルの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置として形成することができる。

図１に示されるように、ＣＳＡＣ１００の様々な部品は、物理パッケージ１０２の上装置パッケージ１０６および下装置パッケージ１０８内に組み立てられる。物理パッケージ１０２の適切な装置パッケージは、２０ピンリードレスチップキャリア（Leadless Chip Carriers, ＬＣＣ−２０）パッケージなどを含む。ＣＳＡＣ１００の様々な部品が装置パッケージ１０６、１０８内に組み込まれると、装置パッケージは界面１０９において互いにシールされて完成したＣＳＡＣを形成する。

一般に、パッケージ１０２内のＣＳＡＣ部品は、ＶＣＳＥＬのようなレーザーダイ１１０と、レーザーダイ１１０に光学連通する４分の１波長プレート（ＱＷＰ）１２０と、ＱＷＰ１２０と光学連通する気相セル１３０と、気相セル１３０と光学連通する光学検出器１４０と、を含む。レーザーダイ１００から発されるレーザービーム１０４は、ＱＷＰ１２０および気相セル１３０を通って光学検出器１４０に導かれる。パッケージ１０２内のＣＳＡＣ部品のさらなる詳細は後に説明される。

図１に示されるように、ＱＷＰ１２０、気相セル１２０、および光学検出器１４０は、レーザービーム１０４の光学通路に対して様々な傾き角度でパッケージ１０２内に取り付けることができる。これらの部品を傾けることは、ＶＣＳＥＬへ戻る反射カップリングを低減し、ＣＳＡＣの安定性をさらに増強する。

さらに、ＣＳＡＣ内の部品を傾けることに関する詳細は、２０１０年９月２１日に出願された「DESIGN AND PROCESSES FOR STABILLIZING A VCSEL IN A CHIP-SCALE ATOMIC CLOCK」という表題の米国特許出願第１２／８８７２５９号明細書に説明されており、この出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。

レーザーダイ１１０は、制御可能なヒーターダイ１１２の上表面上に取り付けられ、ヒーターダイ１１２は、ヒーター台１１３上に取り付けられる。代替的に、ヒーターダイ１１２は、台１１３に統合することができ、レーザーダイ１１０が台１１３に取り付けられる。ヒーターダイ１１２は、レーザーダイ１１０が常に安定ポイントで動作しつづけるようにするために用いられる。台１１３は、ポリイミド構造物で構成することができる。フォトトランジスタ１１４は、ヒーターダイ１１２の上表面上に取り付けることができ、レーザーダイ１１０の出力パワーを制御するために設けられる。下にあるシリコン層１１５が、台１１３の上のヒーターダイ１１２の下に配置される。シリコン層１１５は、ヒーターダイ１１２からＱＷＰ１２０までの熱経路の一部である。この熱経路は、周囲温度に関わらず一定の温度環境となるようにレーザーダイ１１０を囲むことを支援する。

ホイートストンブリッジ温度センサは、ヒーターダイ１１２内に配置され、レーザーダイ１１０の改良された熱的安定性のために提供される。さらに、台１１３内の複数の穴（図示せず）が、はんだが台１１３をヒーターダイ１１２に接続する位置に配置される。この台１１３内の穴は、下にあるシリコン層１１５へのよい熱ショートを形成し、レーザーダイ１１０の周りの安定な熱環境を確保するのを助ける。

レーザーダイ１１０の温度をさらに安定化させるために、等温ケージ１１６がレーザーダイ１１０を囲む。等温ケージ１１６は、ＱＷＰ台１２２の底部から下に突き出す脚部１１７を含む。脚部１１７は台１１３との熱的および機械的な接触を形成する。等温ケージ１１６は、レーザーダイ１１０に関する第１安定ポイントの第１動作温度を備える第１熱領域１１８を形成するのに役立つ。一実施形態において、等温ケージ１１６は、周囲が−４０℃から＋６５℃まで変化するときに、＋／−０．００４℃内で安定化されるＭＥＭＳ熱ケージである。

本ＣＳＡＣに使用される適切な熱ケージの製造に関するさらなる詳細は、２０１０年９月１７日に出願された「DESIGN AND PROCESSES FOR THERMALLY STABILIZING A VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER (VCSEL) IN A CHIP-SCALE ATOMIC CLOCL」という表題の米国特許出願第１２／８８４４８９号明細書に記載されており、この開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

ＱＷＰ１２０は台１１３の上にある台１２２上に、等温ケージ１１６内の開口部の上に第１傾き角度で取り付けることができる。ＱＷＰ１２０は、減光フィルター（neutral density filter, NDF）を備えることができる。下にあるシリコン層１２４は、ＱＷＰ台１２２の中央部の下に配置される。シリコン層１２４は、熱的均一性を促進し、台１２２の底部から下の突き出すシリコン脚部１１７へ機械的安定性を与える。

気相セル１３０は、台１２２の上にあるセル台１３１の上に第２傾き角度で取り付けることができる。気相セル１３０は、光学的に澄んだ１対のガラスウェハ１３２、１３４を含み、シリコンウェハのような基板１３６の両端に陽極接合される。例示的なガラスウェハは、パイレックス（登録商標）ガラスまたは類似のガラスを含む。気相セル１３０内に画定される少なくとも１つのチャンバ１３８は、レーザーダイ１１０と光学検出器１４０との間の、レーザーダイ１１０から発されるレーザービーム１０４のための光学通路１３９を提供する。

パッケージ１０２内に組み込む前に気相セル１３０を製造する１つのアプローチにおいて、ガラスウェハ１３２は、基板１３６のベース側に最初に接合され、その後、ルビジウムまたは他のアルカリ金属（液体または固体の形態）がチャンバ１３８内に入れられる。ガラスウェハ１３４が、その後、シリコンウェハ１３６の反対側に接合され、気相セル１３０を形成する。バッファガスが用いられる場合、気相セル１３０の部品を含む製造装置は排気され、その後、バッファガスがチャンバ１３８に導入される。気相セル１３０をシールするための接合が完了すると、アルカリ金属および補助的なバッファガスは、チャンバ１３８内にトラップされる。

ヒーター（図示せず）が、製造中に気相セル１３０の周りに形成される。このヒーターは、気相セル１３０が常に安定ポイントで動作することを維持するのに役立ち、気相セル１３０に関する第２安定ポイントである第２動作温度を備える第２熱領域１４１を維持するのに役立つ。ホイートストンブリッジ温度センサがヒーター内に配置され、気相セル１３０の改良された熱的安定性を提供する。

本ＣＳＡＣに使用する好適な気相セルの製造に関するさらなる詳細は、２０１０年９月１０日に出願された「FABRICATION TECHNIQUES TO ENHANCE PRESSURE UNIFORMITY IN ANODICALLY BONDED VAPOER CELL」という表題の米国特許出願第１２／８７９３９４号明細書、２０１０年９月１日に出願された「APPARATUS AND METHODS FOR ALKALI VAPOR CELLS」という表題の米国特許出願第１２／８７３４４１号明細書に説明されており、これらの開示は参照により本明細書に組み込まれる。

図１に示されるように、レーザーダイ１１０、ＱＷＰ１２０、および気相セル１３０に関する上述の部品は、物理パッケージ１０２の装置パッケージ１０６内に取り付けられる。光学検出器１４０は、装置パッケージ１０８内に取り付けられ、装置パッケージ１０６および１０８が互いに真空シールされたときに、光学検出器１４０が気相セル１３０と光学連通するようにされる。光検出器１４０は、光学信号を電気信号に変換する、フォトダイオードのような光検出器を含むことができる。

光学検出器１４０は、第３傾き角度で、電子機器ヒーター１４２の下表面に取り付けることができ、電子機器ヒーターは、装置パッケージ１０８の内壁に取り付けられる電子機器台１４４上に取り付けられる。増幅器、キャパシター、レジスター、等の様々な他の表面に取り付けられる部品１４５は、ヒーター１４２の下表面に取り付けることができる。補助的な電子機器ヒーターダイ１４６は、ヒーター１４２の反対側上の台１４４に取り付けられる。ゲッタダイ１４８が、装置パッケージ１０８の光学検出器１４０から離れた他の内壁に固定される。

図２は、図１のチップスケール原子時計内の温度センサとして実装できるホイートストンブリッジ回路２００を示している。一実施形態において、ホイートストンブリッジは、４つのＭＥＭＳにより製造された温度に敏感な抵抗の１組であり、これらは装置（たとえば、Ｒｂ気相セル、ＶＣＳＥＬヒーター、ＶＣＳＥＬ台）上に直接的にパターン形成される。ホイートストンブリッジは、特定の温度のときにだけゼロボルト信号を出力する。ホイートストンブリッジ回路２００は、ＮｉＣｒ抵抗のようなレーザートリム可能な抵抗Ｒ１およびＲ４、および、プラチナ抵抗のような温度感知抵抗Ｒ２およびＲ３を備えるように実装することができる。随意選択で、温度感知抵抗Ｒ２およびＲ３はレーザートリム可能であってもよい。

マイクロプロセッサ２０２は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）２０４を通してホイートストンブリッジ回路２００に作動的に連結され、ＤＡＣ２０４は、抵抗器Ｒ５およびＲ６に接続される。ホイートストンブリッジ回路２００の正および負の端子は、増幅器２０８に連結され、ここを通して信号は装置のヒーターに伝達される。

製造変動（Manufacturing Variability）
前述の物理パッケージの２つの熱領域構成は、気相セルおよびＶＣＳＥＬの動作温度を、それぞれの安定ポイントに設定し、それぞれが熱変動に不感応になるようにする。さらに、ＶＣＳＥＬは、ＣＳＡＣの出力周波数がＶＣＳＥＬの出力パワーの変動に不感応になる温度で動作することができる。物理パッケージ内の２つの独立した熱領域で動作させることにより、組み立て後の各ウェハの大きな部分から気相セルを受け入れることを可能にし、また、好ましい動作温度の広い範囲を備えるＶＣＳＥＬを受け入れることができるようになる。各ウェハからの多くのダイを受け入れることは、製造効率を向上させ、コストを低減することを可能にする。このような大きな容積、小さなコストでの製造は、２つの熱領域設計により提供され、製造の変動に大きく寛容である。

一般に、気相セルおよびＶＣＳＥＬは、非常に狭い許容できるプロセス変動を備える。２つの熱領域設計であっても、できるだけ製造変動を狭くすることが望ましい。Ｒｂセルのような気相セルにおける製造変動を扱う方法が以下に説明される。

始めに、バッファガスブレンドおよび陽極接合装置内の圧力が制御され、製造中の各ウェハにわたって、Ｒｂセルの温度安定ポイントが約１１０℃＋／−１５℃になるように制御される。例示的な一プロセスにおいて、バッファガスブレンドは、全圧１８０Ｔｏｒｒの、４２．２％の窒素ガスおよび５７．８％のアルゴンガスとすることができる。ウェハレベルにおいて（例えば、各ウェハ上の６０９Ｒｂ気相セル）、各セルの安定ポイントの正確な温度が、約＋／−２℃の範囲内で測定および記録される。ウェハレベルにおいて、ホイートストンブリッジが唯一の安定ポイントになるように、ホイートストンブリッジ温度センサが各Ｒｂセル上に形成される。

各物理パッケージが排気されて完全に組み立てられた後、Ｒｂセルの温度は、ｄＦ_ＣＳＡＣ／ｄＴ_{Ｒｂ−Ｃｅｌｌ}がゼロになるように設定される。これは、図２に示されるホイートストンブリッジ回路を用いてマイクロプロセッサ制御により行うことができる。決定されたら、基板上メモリに全ての温度設定ポイントを記憶させる。

熱モデリング（Thermal Modeling）
ＣＳＡＶの有限要素モデル（Finite Element Modeling, FEM）イメージを用いて、熱モデルシミュレーションが行われた。これは、組み立てられた物理パッケージの様々な部品を通って熱がどのように伝達されるかを示すものであり、また、周囲温度が−４０℃であるときの物理パッケージ内の温度プロファイルを示すものである。図３Ａは、熱モデリングに用いられる組み立てられた物理パッケージ３００の概略図である。図３Ｂは、物理パッケージ３００を示し、側壁台が取り除かれ、物理パッケージ３００の内部構造が見える図である。

物理パッケージ３００は、４分の１波長プレート３０６の上にある台頂部３０４にＲｂセル３９２を含む。４分の１波長プレート３０６は、ＶＣＳＥＬ（図示せず）を囲む等温ケージ３０８の上にある。物理パッケージ３００の台３１０はポリイミド構造を含み、また、ポリイミド構造上にパターン形成された相互接続される金属リードを含む。

熱モデリングにおいて、ＶＣＳＥＬおよび等温ケージは、９６．７０℃（このシミュレーションにおいてＶＣＳＥＬの動作温度として仮定された温度）に設定され、Ｒｂセルは１０５．７２℃（仮定された安定ポイント）に設定された。ＶＣＳＥＬの熱インピーダンス、およびＲｂセルの熱インピーダンスは独立に最適化された。

熱モデリングは黒体放射を考慮に入れ、また、ＣＳＡＣの様々な部品の全てのレイヤーの熱特性を考慮した。物理パッケージのバックグラウンドの圧力は、１ｍＴｏｒｒより小さいと仮定され、ガス相伝導を通じた熱損失は１．４ｍＷより小さくなる。台の頂部および側壁の熱放射率は０．２と仮定された。

表１は、どれくらいの全熱損失が黒体放射を通じて消散するかを示しており（５ｍＷより大きい）、また、どれくらいポリイミド構造を通って伝達するかを示し（ほぼ２．４ｍＷ）、また、ポリイミド構造上のパターン形成された金属リードを通ってどれくらい損失するかを示しており（０．１ｍＷより小さい）、また、Ｒｂセル内のガス相を通じてどれくらい損失するかを示している（１．４０ｍＷ）。

このアプローチは、ＣＳＡＣパワー供給を１０ｍＷより小さく維持することを可能にする。パワー供給は、ＣＳＡＣ内の台の熱放射率に敏感な関数である。熱放射率を０．２に維持するために台の内壁を金コーティングすることにより、および、物理パッケージ内の圧力を１ｍＴｏｒｒより低く維持するためにゲッタを導入することにより、パワー供給を１０ｍＷより小さく維持することを助けることができる。

図４のグラフにおいて、物理パッケージの部品をそれぞれの安定ポイントに維持するのに必要なパワーが周囲温度の関数としてプロットされている。このグラフに示されるように、−４０℃の周囲温度において、必要な全パワーは８．９０ｍＷである。７４．２℃より上の周囲温度において、ＶＣＳＥＬを加熱するのに必要なパワーは負になり、これは、ＣＳＡＣの温度の上限に到達したことを示している。

本発明は、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく他の具体的な形態において実施化することができる。説明された実施形態は単に説明的なものであり、制限的なものではないと理解されたい。それゆえ、本発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の特許請求の範囲により示される。特許請求の範囲の趣旨および均等の範囲内におけるあらゆる変形は、本発明の範囲内にある。

Claims (4)

1. チップスケール原子時計であって、
   物理パッケージと、
   前記物理パッケージの第１熱領域に配置されるレーザーダイと、
   前記レーザーダイを囲む等温ケージと、
   前記物理パッケージ内に取り付けられ且つ前記レーザーダイと光学連通する４分の１波長プレートと、
   前記物理パッケージ内に取り付けられ且つ前記４分の１波長プレートと光学連通する気相セルと、を有し、前記気相セルは前記第１熱領域から独立した第２熱領域に配置され、
   前記チップスケール原子時計はさらに、前記物理パッケージ内に取り付けられ且つ前記気相セルに光学連通する光学検出器を有し、
   前記第１熱領域は、前記レーザーダイに関する第１安定ポイントにおける第１動作温度を提供し、前記第２熱領域は、前記気相セルに関する第２安定ポイントにおける第２動作温度を提供し、
   前記等温ケージは、前記第１熱領域を前記第１動作温度に維持するように構成される、チップスケール原子時計。
2. 請求項１に記載のチップスケール原子時計であって、前記レーザーダイは垂直共振器面発光レーザーを有し、且つ、前記物理パッケージ内のヒーターダイ上に取り付けられる、チップスケール原子時計。
3. 請求項２に記載のチップスケール原子時計であって、前記等温ケージは、前記レーザーダイおよび前記ヒーターダイを囲む、チップスケール原子時計。
4. チップスケール原子時計を製造する方法であって、前記方法は、
   上装置パッケージおよび下装置パッケージを含む物理パッケージを提供することと、
   レーザーダイを前記下装置パッケージ内に取り付けることと、
   前記レーザーダイの周りに等温ケージを形成することと、を含み、前記等温ケージは、前記物理パッケージ内に、前記レーザーダイに関する第１安定ポイントにおける第１動作温度を提供する第１熱領域を形成するように構成され、
   前記方法はさらに、４分の１波長プレートが前記レーザーダイと光学連通するように、第１傾き角度で前記レーザーダイの上に前記４分の１波長プレートを取り付けることと、
   気相セルが前記４分の１波長プレートと光学連通し、且つ、前記第１熱領域から独立する第２熱領域内に位置するように、第２傾き角度で前記４分の１波長プレートの上に前記気相セルを取り付けることと、を含み、前記第２熱領域は、前記気相セルに関する第２安定ポイントにおける第２動作温度を提供し、
   前記方法はさらに、前記上装置パッケージおよび前記下装置パッケージが互いに真空シールされるとき、光学検出器が前記気相セルと光学連通するように、第３傾き角度で前記上装置パッケージ内に前記光学検出器を取り付けること、を含む、方法。

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