JP5785380B2 - チップスケールの原子時計内の垂直共振器面発光レーザー（ｖｃｓｅｌ）を熱的に安定させる設計および方法 - Google Patents

Description

本発明はチップスケールの原子時計内の垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を熱的に安定させる設計および方法に関する。

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号の優先権を主張する。かかる出願は参照により本明細書に組み込まれる。
米国政府は、米国空軍との契約ＦＡ８６５０−０１−Ｃ−１１２５により、本発明に関して一定の権利を有することがある。

チップスケール原子時計（Chip Scale Atomic Clocks, CSACs）は、ベンチトップ原子時計が単純に縮小したバージョンではない。ＣＳＡＣｓに特有であるいくつかの特徴は、安定性、場内での性能、信頼性、およびＣＳＡＣベースビジネスを成功させることに関する経済性に支配的である。ＣＳＡＣｓを作成するより挑戦的な側面の１つは、様々なＣＳＡＣベースのシステムが使用中にさらされる温度変化に対処することを含む。場内でのＣＳＡＣｓの装備は、−４０℃から＋６５℃の範囲の温度に遭遇することがある。いくつかの環境では、１００℃に近いまたはそれを超える温度もしばしばであり、特に、車両に搭載される装備においてはそうである。全てのＣＳＡＣ製造者は、その最も敏感な要素の温度を安定化させることを試みているが、ＣＳＡＣｓの温度敏感性はいまだ問題である。これは、ＣＳＡＣの物理パッケージ内の様々な部品から物理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導が、これらの部品の温度を変化させるからである。

特に、ＣＳＡＣ内のＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）は、非常に温度変化に敏感である。たとえば、ＶＣＳＥＬのベースは、正確な動作を維持するためには、千分の数度内で熱的に安定させられるべきである。しかし、黒体放射およびＶＣＳＥＬの表面とパッケージ壁との間の残留ガスを通じた熱伝導は、周囲の温度が変化するときにＶＣＳＥＬの頂部発光面を変化させる。たとえば、周囲温度の変化が−４０℃から＋６５℃である場合、ＶＣＳＥＬのベースがミリ度の程度の安定温度に保持されていても、ＶＣＳＥＬの表面が０．１℃程度変化することがある。

上述の理由によりおよび以下に説明する他の理由により（この他の理由は明細書を読み、理解することにより当業者に明らかであろう）、当業界には原子時計内のＶＣＳＥＬを熱的に安定化させることへのニーズがある。

本発明の実施形態は、原子時計内のＶＣＳＥＬを熱的に安定化させる方法およびシステムを提供し、これらは以下の説明を熟読することで理解できるであろう。
一実施形態において、チップスケール原子時計は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）と、ＶＣＳＥＬのベースに連結される熱ブロックと、光検出器と、気相セルと、を有する。気相セルは、ＶＣＳＥＬと光検出器との間のレーザー光の光通路の少なくとも一部を画定するチャンバを含む。このチップスケール原子時計はさらに、ＶＣＳＥＬをすべての面上で囲む等温ケージを有し、等温ケージは熱伝導性通路を介してヒーターブロックに連結される。

好ましい実施形態の説明および添付図面を参照することで、本発明の実施形態がより容易に理解されまた、さらなる利点および使用形態が容易に明らかになるであろう。添付図面は以下の通りである。

本発明の一実施形態によるチップスケール原子時計の線図である。 本発明の一実施形態による等温ケージの線図である。 本発明の一実施形態の等温ケージのケージ壁およびケージ天井を示す線図である 本発明の一実施形態の方法を示すフローチャートである。

実務慣行のように、説明される様々な特徴は測定のために図示されているのではなく、本発明に関連する特徴を強調するように図示されている。参照符号は、図面および文章を通じて同様の要素を示す。

以下の説明において本明細書の一部をなす添付図面が参照されるが、これらは、本発明が実施化される具体的な説明実施形態として示されている。これらの実施形態は、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。また、他の実施形態を用いることもでき、本発明の範囲から逸脱することなく論理的、機械的、電気的、および方法的な変更が可能であることを理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意図ではないものとされたい。さらに、本明細書の様々なセクションは、分離して読まれることを想定しておらず、全体としての教示であると理解されたい。

本発明の実施形態は、ＶＣＳＥＬを４πステラジアン（つまり全ての側面）にわたって等温ケージで囲むことにより、ＶＣＳＥＬの熱安定性の問題に対処する。以下で議論されるように、本発明の実施形態は、本明細書を読むことにより当業者が大量生産に適合可能であると認識できる標準的なＭＥＭＳプロセスステップを用いて生成することができる。ＶＣＳＥＬの表面を等温ケージで囲むことにより、放射カップリングおよび外界への伝導カップリングが実質的に取り除かれ、周囲温度が−４０℃から６５℃以上で変化するときに、数ミリ度の範囲内でＶＣＳＥＬが熱的に安定な状態を維持することを可能にする。

図１は、本発明の一実施形態のＣＳＡＣ１００の物理パッケージ（Physics Package）１０２の断面図である。ＣＳＡＣ１００は、制御可能なヒーターブロック１１１に取り付けられまた熱的に連結される垂直共振器面発光レーザー１１０（ＶＣＳＥＬ）と、４分の１波プレート（quarter wave plate, ＱＷＰ）／減光フィルター（neutral density filter, ＮＤＦ）１２０と、気相セル１３０と、光検出器１４０と、を有する。本発明の一実施形態において、光学的に澄んだガラスウェハ１３２、１３４（たとえば、パイレックス（登録商標）または類似のガラス）をシリコンウェハ基板１３６に対してシールするために、気相セル１３０の生成中にアノード接合が用いられる。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、ＶＣＳＥＬ１１０と光検出器１４０との間にＶＣＳＥＬ１１０から発されるレーザー光１１２のための光学通路１３９を提供する。一実施形態において、他の独立のヒーターが気相セル１３０の周りに提供される。ＶＣＳＥＬ１１０およびヒーターブロック１１１は、シリコン材料を有するＶＣＳＥＬ台１５０により物理パッケージ１０２内に支持される。４分の１波プレート（ＱＷＰ）／減光フィルター（ＮＤＦ）１２０は、シリコン材料を有するＱＷＰ台１６０により物理パッケージ１０２内に支持される。ＶＣＳＥＬの周りの４πステラジアン等温ケージ（符号１７０で全体が示される）は、ＱＷＰ台１６０がＶＣＳＥＬ台１５０上の所定位置に取り付けられるときに形成され、これについては以下でより詳細に説明される。ＱＷＰ台１６０内のオリフィスは、等温ケージ１７０を出るためのＶＣＳＥＬから発されるレーザー光１１２のための開口を提供する。さらに、シリコン部分を接続しまたパッケージ内の様々な部分を接続するハンダの層が存在する（米国仮出願第６１／３０１４９７に説明されており、参照により本明細書に組み込まれる）。

温度はヒーターブロック１１１のところで規制されるが、ＶＣＳＥＬの放射面における温度は、ＶＣＳＥＬ１１０から物理パッケージ１０２への熱カップリングのために黒体放射およびトレースガス熱伝導が許されるのなら、ベースよりもコンマ数度高くなり得る。これは、パワーがＶＣＳＥＬ１１０ダイに付与されるとき、ＶＣＳＥＬ１１０の頂部におけるレーザー表面が発熱し、この表面における熱が、ＶＣＳＥＬ１１０の耐熱体を通って流れ、熱安定化ブロック１１１およびパッケージ１０２に到達するからである。たとえば、等温ケージ１７０が無く、物理パッケージ１０２の外壁が冷たい外部温度条件にさらされている場合、黒体放射カップリングがＶＣＳＥＬ１１０と物理パッケージ１０２との間に形成されるであろう。本発明の実施形態は、等温ケージ１７０の温度を、ＶＣＳＥＬ１１０のベースと同一の温度であろうヒーターブロック１１１と同一の温度にすることを確保する。この構成は、ＶＣＳＥＬ１１０と物理パッケージ１０２との間の黒体放射カップリングを無効にし、また、トレースガス熱伝導を無効にする。これは、このようなカップリングが、加熱された等温ケージ１７０により形成される熱バリアを通じて形成されないからである。これはまた、ＶＣＳＥＬ１１０のレーザー表面と、ブロック１１１により提供さえる熱的に安定化されたベースとの間に、周囲温度に関わらず固定された熱オフセットが存在することを確保する。

図２は、符号２００で全体が示される部分拡大断面図であり、ＱＷＰ台２６０のＶＣＳＥＬ台２５０への取り付けにより形成される４πステラジアン等温ケージ２７０の形成を示している。

ＶＣＳＥＬ台２５０は、耐熱性の構造的支持となる第１支持部材２５２を有し、第１支持部材２５２は、第１表面２５３と第２表面２５４とを備える。ＶＣＳＥＬ台２５０はさらに、第２表面２５４に取り付けられる少なくとも１つのシリコン第２支持部材２５５と、第２表面２５４に取り付けられるシリコン材料ブロック２５６と、を有する。図２に示される実施形態において、シリコン材料ブロック２５６は、第１支持部材２５２のほぼ中央に位置する。一実施形態において、図１のＶＣＳＥＬ台１５０は、ＶＣＳＥＬ台２５０により示される構造物を有する。第１支持部材２５２の第１表面２５３は、ＶＣＳＥＬ２１０のベースに連結されるヒーターブロック２１１を支持する。一実施形態において、耐熱性の構造的支持である第１支持部材２５２はポリイミドから形成される。

ＱＷＰ台２６０は、第１表面２６３および第２表面２６４を備える第１支持部材２６２と、第２表面２６４に取り付けられる少なくとも１つのシリコン第２支持部材２６５と、を有する。ＱＷＰ台２６０はさらに、ＱＷＰ台２６０の第２表面２６４に取り付けられるシリコン材料を有し、これは、ＱＷＰ台２６０が上からＶＣＳＥＬ第２５０上に下げられ且つ位置決めされたときに形成される等温ケージ２７０のケージ壁２７２およびケージ天井２７３を画定する。ケージ天井２７３内のオリフィス２６６は、第１支持部材２６２を通る開口部であり、これは、ＶＣＳＥＬ２１０から発されるレーザー光が等温ケージ２７０を出る（および、一実施形態においては、図１に示すように光検出器上にフォーカスする）ことができるようにする。

図２に示されるように、ケージ壁２７２は、等温ケージ２７０のケージベースとして機能するシリコンブロック２５６上でＶＣＳＥＬ台２５０に接触する。シリコンブロック２５６は熱伝導経路を提供し、ケージ壁２７２およびケージ天井２７２が、ヒーターブロック２１１に直接接触するように配置されるのではなく、熱伝導シリコン材料ブロック２５６を介して熱的にヒーターブロック２１１に連結される。動作に関して、ヒーターブロック２１１により生成される熱エネルギーは、伝導により、ＶＣＳＥＬ２１０のベースに熱を提供し、同様に、ＶＣＳＥＬ２１０を囲む等温ケージ２７０を形成するシリコンベース２５６、壁２７２、天井２７２に熱を提供する。

図３Ａおよび図３Ｂは、ＱＷＰ台２６０の代替実施形態を提供する。ＱＷＰ台２６０の第２表面２６４を下に見ると、図３Ａは、シリコン支持部材３６４、ケージ天井３７３、オリフィス３６６、およびシリコンケージ２７０内に形成されてＶＣＳＥＬ２１０およびヒーターブロック２１１を収容する内部熱チャンバ３７８を示している。図３Ｂは、シリコン支持部材３６４´、ケージ壁３７２´、ケージ天井３７３´、オリフィス３６６´、およびシリコンケージ２７０内に形成されてＶＣＳＥＬ２１０およびヒーターブロック２１１を収容する内部熱チャンバ３７８´を備える代替構成を示している。

図１、２、３Ａ、３Ｂおよびそれらの説明における実施形態において、ＶＣＳＥＬを等温ケージ（１７０、２７０）内に熱的に隔離することによりＶＣＳＥＬ（１１０、２１０）において一定の温度が維持され、そのため、ＶＣＳＥＬと物理パッケージまたはＣＳＡＣ内の他の部品との間の黒体放射カップリングが防止される。

図４は、本発明の一実施形態の方法を示すフローチャートである。一実施形態において、図４に示す方法は、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アセンブリの熱的な隔離を提供する。本明細書を読むことにより当業者は、図４で説明されるステップを実行するのに、標準的なＭＥＭＳプロセス技術を用いることができることを認識するであろう。図４の方法は、ＶＣＳＥＬの表面を等温ケージで囲むことにより、ＶＣＳＥＬの熱安定性を提供する。前述のように、本発明の実施形態により提供される等温ケージにより、等温ケージの外の部品への放射カップリングおよび伝導カップリングが実質的に取り除かれ、ＶＣＳＥＬが数ミリ度内の熱的な安定を維持することができるようにする。本明細書で示される等温ケージにより提供される安定性は、さらに、チップスケール原子時計の所望の操作ポイントにおいてＶＣＳＥＬの一定の動作を提供する。

本方法はステップ４１０を開始する。ここで、第１シリコンウェハから第１台部材を形成する。第１台部材は、第１側部上に、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）およびＶＣＳＥＬのベースに連結されるヒーターブロックを備える。第１台部材は、第２側部上に、第１伝導経路を介してヒーターブロックに熱的に連結される第１シリコン材料ブロックを備え、第１シリコン材料ブロックは等温ケージのベースを画定する。

本方法はステップ４２０に進む。ここで、第２シリコンウェハから第２台部材を形成する。第２台部材は、熱チャンバを内部に備える第２シリコン材料ブロックを備え、このチャンバは等温ケージの少なくとも１つのケージ壁およびケージ天井を画定する。ケージ天井はオリフィスを備える。

本方法はステップ４３０に進む。ここで、オリフィスがＶＣＳＥＬから発されるレーザー光ビームのための光学通路を提供するように、第２台部材および第１台部材を整合させる。

本方法はステップ４４０に進む。ここで、第２シリコン材料ブロックを、第１台部材の第１側部に連結させ、少なくとも１つのケージ壁とヒーターブロックとの間に、第１シリコン材料ブロックを介して第２熱伝導経路が形成される。第２シリコン材料ブロックの第１台部材の第１側部への連結の後、ＶＣＳＥＬは、４πステラジアンの等温ケージ内に囲まれる。

図２で示したように、第１台部材および第２台部材は、物理パッケージ内に固定され、等温ケージは物理パッケージ内に位置決めされ、ＶＣＳＥＬと等温ケージの外の部品との間の黒体カップリングが防止される。ＶＣＳＥＬおよびオリフィスは、レーザー光ビームが光検出器上にフォーカスするように、物理パッケージ内で光学的に整合している。一実施形態において、物理パッケージはさらに、等温ケージの外に気相セルを備え、これは、ＶＣＳＥＬと光検出器との間の光学通路の少なくとも一部を画定する。

チップスケール原子時計で用いられるＶＣＳＥＬの実施形態を説明してきたが、本発明の実施形態はチップスケール原子時計の用途に限定されない。ＶＣＳＥＬの他の応用は、本発明の実施形態の範囲内にあると考えられる。さらに、特定の実施形態が図示および説明されたが、同一の目的を達成するために計算される任意の構成が、図示の特的の実施形態に代替可能であることを当業者は認識するであろう。本願は、本発明のあらゆる適用および変形を包含することを意図している。それゆえ、本発明は特許請求の範囲およびその均等物のみにより限定されることが宣言的に意図されている。

Claims (3)

1. 垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）アセンブリであって、前記アセンブリは、
   垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１１０と、
   前記ＶＣＳＥＬ１１０のベースに連結されるヒーターブロック１１１と、を有し、前記ヒーターブロック１１１は、前記ＶＣＳＥＬ１１０の前記ベースに熱エネルギーを提供し、
   前記アセンブリはさらに、前記ＶＣＳＥＬ１１０の全ての側部を囲む等温ケージ１７０を有し、前記等温ケージ１７０は、熱伝導経路を介して前記ヒーターブロック１１１に連結され、
   前記等温ケージ１７０はさらに、ケージベース２５６と、少なくとも１つのケージ壁２７２と、ケージ天井２７３と、を有し、
   前記少なくとも１つのケージ壁２７２およびケージ天井２７３は、伝導経路を介して前記ケージベース２５６を通って熱的に前記ヒーターブロック１１１に連結され、
   前記等温ケージ１７０はさらに、前記ＶＣＳＥＬ１１０に整合するオリフィス２６６を有し、前記オリフィス２６６は、前記ＶＣＳＥＬ１１０から発されるレーザー光１１２のための前記等温ケージ１７０を出る光学経路を提供する、アセンブリ。
2. 請求項１に記載のアセンブリであって、さらに、
   前記ＶＣＳＥＬ１１０、２１０および前記ヒーターブロック１１１、２１１を物理パッケージ１０２内で支持するように構成される第１台部材２５０を有し、前記第１台部材２５０は、第１支持部材２５２を有し、
   前記第１支持部材２５２は、前記ヒーターブロック１１１、２１１に連結される第１表面２５３と、前記ケージベース２５６に連結される第２表面２５４と、を有し、前記ケージベース２５６は、伝導経路を介して前記第１支持部材２５２を通って前記ヒーターブロック１１１に熱的に連結される、アセンブリ。
3. 請求項１に記載のアセンブリであって、前記第１支持部材２５２および前記ケージベース２５６は第１シリコンウェハから形成され、前記少なくとも１つのケージ壁２７２およびケージ天井２７３は第２シリコンウェハから形成される、アセンブリ。

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