JP7277008B2

JP7277008B2 - コンパクトなミリメートル波システム

Info

Publication number: JP7277008B2
Application number: JP2020563509A
Authority: JP
Inventors: ジョセフフリューリングアダム; アレハンドロハーブソマージュアン; デリスアルグリオス
Original assignee: テキサスインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: US11675316B2; US20190346814A1; WO2019217777A1; US11204588B2; US10809668B2; US20200409312A1; EP3791233A4; US20230333514A1; US20220075325A1; EP3791233A1; JP2021524999A

Description

本願は、クロックセルにおける回転量子応答に基づき動作する分子クロックなどの、精密でコンパクトなミリメートル波システム（３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ）に関する。

ベース周波数源として直接的に用いられ得る、或いは、ベース周波数源の数倍に変換（例えば、分割）される精密クロック信号は、種々の回路及び構成から生成され得る。一つの精密クロック信号の例は原子クロックであり、そのように呼ばれるのは、原子クロックの信号が、或る励起源に対する原子又は分子の自然及び量子応答に応答して生成されるからである。一つのアプローチにおいて、そのような原子は、チャンバにストアされたアルカリ金属の形態であり、励起源は、セルに向けられる一つ又は複数のレーザであり得、チャンバ原子の応答は、レーザ周波数が或るレンジにわたって掃引する際、チャンバを通過するレーザエネルギー（フォトン）の量を測定することによって検出される。別のアプローチにおいて、そのような分子は、やはりチャンバにストアされた双極ガスの形態であり、この場合、励起源は、チャンバを介して伝搬する電磁波であり、チャンバ原子の応答は、エネルギー源が或るレンジにわたって掃引する際、チャンバを通過する電磁エネルギーの量を測定することによって検出される。

上記に加えて、ミリメートル波原子クロックの一例が、本明細書において参照により本願に完全に組み込まれる、２０１６年１２月２７日に発行された米国特許番号ＵＳ９，５２９，３３４（「‘３３４特許」）において説明されており、これは、本願と同じ譲受人に対して共同譲渡されている。‘３３４特許は、とりわけ、双極ガスをストアする封止されたキャビティを含む原子クロック装置を図示し、キャビティの第１の端部付近の、電磁波（又はフィールド）が入射する電磁入口と、キャビティの第２の端部付近の、電磁波が出射する電磁波出口とを備える。そのように出射する電磁波は、双極ガスによる吸収量（又は双極ガスを介する透過量）を判定するために測定され、そうした測定は、ガスの量子応答を波周波数の関数として表す。

説明される例はミリメートル波装置を含み、ミリメートル波装置は、基板と、基板に対して第１の固定位置にあるトランシーバと、基板に対して第２の固定位置にあるガスセルとを備える。また、このクロック装置は、少なくとも４つの導波路、すなわち、（ａ）基板に対して取り付けられる第１の導波路であって、トランシーバに結合される第１の端部と、ガスセルの第１の部分の近傍に第２の端部を有する第１の次元に沿った部分とを有する、第１の導波路、（ｂ）基板に対して取り付けられる第２の導波路であって、トランシーバに結合される第１の端部と、ガスセルの第２の部分の近傍に第２の端部を有する第２の次元に沿った部分とを有する、第２の導波路、（ｃ）第１の次元とは異なる第３の次元に沿って、第１の導波路の第２の端部とガスセルの第１の部分との間に結合される第３の導波路、及び、（ｄ）第２の次元とは異なる第４の次元に沿って、第２の導波路の第２の端部とガスセルの第２の部分との間に結合される第４の導波路を含む。

コンパクトな分子クロックシステムの一部の平面図である。

原子クロックセルアセンブリに結合されるトランシーバを付加した、図１Ａのシステムを図示する。

図１Ａのシステムのコプレーナ導波路の断面図を図示する。

図１のガスセルアセンブリの分解図である。

種々の例示の実施形態の構造を介する波経路の一部の斜視図である。

図２Ａのガスセルの一部の分解図である。

代替のコンパクトな分子クロックシステムの平面図である。代替のコンパクトな分子クロックシステムの断面図である。

代替のコンパクトな分子クロックシステムの断面図である。

図１Ａ～図１Ｃは、例示の実施形態のコンパクトな分子クロックシステム１００の種々の図を図示する。特に、図１Ａは、印刷回路基板（ＰＣＢ）などの基板１０２の平面図を図示し、この基板１０２に対して、付加的なアイテムが、分子クロックシステムを形成するために付加される。一例において、基板１０２は、長さ（Ｌ）×幅（Ｗ）の寸法を備える矩形であり、例えば、Ｌは３～４インチであり得、Ｗは２～３インチであり得る。基板１０２は、種々の電気的／電子的要素を物理的に支持し、また、種々のこれらの要素間の電気的接続性を促進する。このように、種々のブロック及び電気的トレースが例として総称的に示されている。また、基板１０２は、例えば多層ＰＣＢスタックアップ（ｓｔａｃｋｕｐ）の場合に、多くの層を含み得る。

図１Ｂは原子クロックセルアセンブリ１０６に結合されるトランシーバ１０４を含む、図１Ａのシステム１００を図示する。例えば、トランシーバ１０４は、信号を送信及び受信するように動作する集積回路である。一例として、トランシーバ１０４は、テキサス・インスツルメンツ・インコーポレイテッドから市販されているＡＷＲ１６４２などの集積回路レーダーである。ＡＷＲ１６４２は、７６～８１ＧＨｚの帯域におけるレーダーセンサを備える自己完結型（self-contained）周波数変調連続波レーダー（ＦＭＣＷ）センサである。ＡＷＲ１６４２は、一つ又は複数のプロセッサ（例えば、デジタル信号プロセッサ）を含み、複数の送信及び受信レーダーチャネル、無線構成、制御、較正、及び、幅広いセンサ実装を可能にするためのモデルチェンジのプログラミング、をサポートする。ＦＭＣＷは単に、一例としてのアプローチの一つであり、トランシーバ１０４によって用いられる代替の送信／変調方式を有するその他の実施形態が可能である。従って、後述するように、トランシーバ１０４は、トランシーバ１０４と原子クロックセルアセンブリ１０６との間のレーダー導波路と通信するように結合される。

トランシーバ１０４と原子クロックセルアセンブリ１０６との間のレーダー導波路は、例えば、概して１０８及び１１０において図示されるコプレーナ導波路によって実現され得る。一方のコプレーナ導波路１０８が、トランシーバ１０４から第１のアンテナ１１２（図１Ａ）を介してセルアセンブリ１０６に波を送信し得、別のコプレーナ導波路１１０が、セルアセンブリ１０６から波を受信し、その波を、第２のアンテナ１１４（同様に図１Ａ）を介してトランシーバ１０４に通信し得る。電流図が単一の送信導波路及び単一の受信導波路を提供しているが、複数のそのような導波路も可能である。実際、ＰＣＢ又は他の構成上の制約に適応するために、二つの送信導波路及び二つの受信導波路が、軸対象の相補デバイスと共に用いられることがある。いずれにしても、コプレーナ導波路１０８（及び１１０）は、一例として、基板１０２の表面上又は基板１０２の層内に、形成、めっき、又はエッチングされ得る。例えば、図１Ｃは、コプレーナ導波路１０８の部分断面図を図示する。従って、図１Ｃの図は、「コプレーナ（同一平面）」という用語のための文脈を提供する。というのも、導波路１０８が、例としてマイクロストリップとして形成される中央導体１０８ＣＣを含むからである。中央導体１０８ＣＣとの同一平面は接地平面１０８ＧＰであり、この接地平面１０８ＧＰは、中央導体１０８ＣＣと共に、部分的に誘電体層１０８ＤＬ１の頂上にある金属層であり、中央導体１０８ＣＣ及び接地平面１０８ＧＰの外側縁部間に間隙１０８ＧＡを残す。導波路１０８は、中央導体１０８ＣＣに沿って、電磁波エネルギーの大部分を伝搬及び維持するために良好に適している。

また、導波路１０８は、接地平面１０８ＧＰから下方に延在して、以下のように、一つ又は複数の共通の接地埋め込み層に接続するために、導電性ビア１０８ＣＶ１を用い得る。第１の接地埋め込み層１０８ＧＢＬ１が、誘電体層１０８ＤＬ１と第２の誘電体層１０８ＤＬ２との間の導電性材料の薄い部分として示され、これにより、接地したコプレーナ導波路が形成される。この接地したコプレーナ導波路は、多くの場合、波通信にとって一層望ましいが、共通の接地を達成するために付加的な構造を必要とする。第２の接地埋め込み層１０８ＧＢＬ２が、誘電体層１０８ＤＬ２より厚い誘電体層１０８ＤＬ３によって層１０８ＧＢＬ１から離間される。図２Ｂに関連して更に後述するように、誘電体層１０８ＤＬ３及び第２の接地埋め込み層１０８ＧＢＬ２の一部が、第１のアンテナ１１２又は第２のアンテナ１１４より下に延在し（図１Ａ）、それにより、これらの部分は、それぞれのアンテナを介して波を誘導するため、及びエネルギーが横方向に放散することを制限するためのリフレクタを提供する。再び図１Ａ及び１Ｂを参照すると、導波路１０８及び１１０がアセンブリ１０６に接近するとき、各々は、アセンブリ１０６のそれぞれの平坦な縁部１０６Ｅに対してほぼ直交する方向に曲がり、その結果、各導波路１０８及び１１０は、インターポーザの裏側上に形成されたそれぞれの凹み（図２Ａにおけるインターポーザ２０４の裏側上の凹み２０４Ｒを参照）に入り得、ここで、各凹みは、それぞれの縁部１０６Ｅから、基板１０２上の第１のアンテナ１１２又は第２のアンテナ１１４のそれぞれまで形成されており、これが、望ましくはクロストークを低減させる。

図２Ａは、基板１０２の一部に関するアセンブリ１０６の分解図であり、図２Ａを参照して、原子クロックセルアセンブリ１０６が説明される。或る例示の実施形態において、アセンブリ１０６は、４つのアイテム、すなわち、後部プレート２０２、インターポーザ２０４、原子ガスセル２０６、及び頂部プレート２０８を含み、それら全てが基板１０２に対して位置付けられる。これらのアイテムの各々は後に詳述される。

後部プレート２０２は金属であり得、基板１０２の一方の側（例えば、底部）上に置かれる。基板１０２に対する後部プレート２０２の適合について、後部プレート２０２は、基板１０２におけるそれぞれの開口２１２を介して適合する一つ又は複数の整合ピン２１０を含む。また、後述される理由のため、後部プレート２０２は４つの（例えば、ねじ切りされた）開口２１４を含み、一つのそのような開口が、後部プレート２０２の角の各々の付近にある。後部プレート２０２が基板１０２に取り付けられるとき、開口２１４の各々は、基板１０２を介するそれぞれの開口２１６と整合する。

インターポーザ２０４は、銅、アルミニウムなどの金属でつくられ得、又は、プラスチック又はポリマーでつくられた後に、銅、銀、又は金でめっきされ得、好ましくは高導電性である。一方、これとは対照に、後部プレート２０２及び頂部プレート２０８は、必ずしも高い導電性材料を含まない。インターポーザ２０４は、基板１０２の、後部プレート２０２が置かれる側とは反対側（例えば、頂部）上に位置する。或る例示の実施形態において、後部プレート２０２の整合ピン２１０は、基板１０２における開口２１２内へだけでなく、基板１０２を介して延在し、そのため、これらのピン２１０の先端は、基板１０２に接するインターポーザ２０４の表面上のそれぞれの開口内に適合する（図２Ａの視点ではその表面は見えない）。また、インターポーザ２０４が基板１０２に対して置かれた後、４つの留め具（例えば、ねじ、図示せず）が、インターポーザ２０４における４つのそれぞれの皿穴開口２１８を介し、基板１０２におけるそれぞれの開口２１６を介して取り付けられ、後部プレート２０２におけるそれぞれの開口２１４内に取り付けられる（例えば、ねじ込み圧力適合される）。従って、これらの留め具は、後部プレート２０２及びインターポーザ２０４を、それらの間で圧縮される基板１０２に取り付けることにより、保持のための圧縮力と、基板１０２に対するインターポーザ２０４の確立又は強化された整合とを保証する。また、更にインターポーザ２０４に関して、インターポーザ２０４は、例えば、形状が概ね平行六面体のキャビティ２２０を含み、後述するように、ガスセル２０６を受けて、導波路と物理的セルラウンチとの間の整合を強化する。第１の矩形開口２２２がキャビティ２２０の第１の端部の近傍にあり、第２の矩形開口２２４がキャビティ２２０の第２の端部の近傍にあり、ここで、矩形開口２２２及び２２４の各々は、キャビティ２２０から、インターポーザ２０４の金属材料の残りを介して延在する。この点に関して、インターポーザ２０４が基板１０２に取り付けられるとき、コプレーナ導波路１０８の一部が、インターポーザ２０４と基板１０２との間に位置することになり、その部分は、インターポーザ２０４の裏側に沿った凹み２０４Ｒ内に整合する。また、インターポーザ２０４の矩形開口２２２は、導波路１０８に接続される第１のアンテナ１１２と整合する。同様に、インターポーザ２０４が基板１０２に取り付けられるとき、コプレーナ導波路１１０の一部が、インターポーザ２０４と基板１０２との間に位置することになり、その部分は、矩形開口２２４に対して、インターポーザ２０４の裏側に沿った別の凹み（図示せず）内に整合する。また、矩形開口２２４は、導波路１１０に接続される第２のアンテナ１１４と整合する。

第１のアンテナ１１２及び第２のアンテナ１１４（上述）は、矩形開口２２２及び２２４の外側形状に概ね合致する外側形状を備える金属カプラなどで形成される。それゆえ、図示される例において、各アンテナ１１２及び１１４のために、外側矩形金属形状が、各矩形内に例えば同心円状に位置するなどの、中央開口を備える。これらのアンテナ１１２及び１１４又は結合構造は、連続的幾何構造を維持し、それにより、開口２２２及び２２４に対するインピーダンス不整合と挿入損失の両方を最小化し、このようにしてガスセル２０６への及びガスセル２０６からの信号を効率的に伝えるように設計される。寸法（及び形状）は、更に後述される波信号を、例えばその信号の周波数帯域に従って、通信するように設計され得る。本願において提供される例において、形状は、電磁波を誘導するための「矩形導波路」（ＲＷ）構造を提供するが、必ずしもこれに限定されず、そのような構造は、送信ラインと呼ばれることもある。また、後述される理由のため、インターポーザ２０４は、基板１０２から離れて面する表面上に、４つのねじ切りされた開口２２６を含み、好ましくは、これらのねじ切りされた開口２２６の各々は、インターポーザ２０４の厚みを完全に通り抜けて延在しない。

セル２０６は、ガスがストアされる封止された内部を含む。より具体的には、セル２０６は、セルの密閉されたキャビティの内側に、水蒸気又は任意のその他の双極分子ガスなどの双極ガスをストアし、キャビティは、比較的低い（例えば、０．１ミリバールの）圧力で双極ガスを密閉するために組み合わされる形状、積層などの性質によって封止される。好ましくは、特定の双極ガスが、注目の周波数範囲に基づいて選択される。例えば、７６～８ｌＧＨｚの周波数範囲を提供するトランシーバ１０４の場合、適切な双極ガスは、ＨＣＮ、ＤＣＮ、ＯＣＳ、Ｈ_２Ｏ、ＣＨ_３ＣＮ等であり得る。また、セル２０６は、半導体基板に対して取り付けられる複数の層を含み得る集積回路ウエハに接続して形成され得る（例えば、参照により組み込まれる米国特許番号ＵＳ９，５２９，３３４を参照）。好ましくは、セル２０６の外側周辺は、インターポーザ２０４のキャビティ２２０の内壁／形状に隣接して適合するように成形される。従って、インターポーザ２０４（及び後部プレート２０２）が基板１０２に対して固定された後、キャビティ２２０は本質的にレセプタクルを提供し、そのレセプタクル内に、セル２０６が置かれ得、所望又は必要な場合、後に除去／置換され得る。また、セル２０６及びそのような整合に関して、キャビティ２２０の底部と整合するセル２０６の底部表面２２８は、図２Ａの視点からは見えない。しかし、点線に示すように、底部表面２２８は第１の矩形アンテナ遷移部２３０を含み、第１の矩形アンテナ遷移部２３０は、セル２０６がキャビティ２２０内に在るとき、開口２２２と整合し、及び、開口２２２と波通信し、そのため、アンテナ遷移部２３０は、波ラウンチとして機能する。同様に、底部表面２２８は第２の矩形アンテナ遷移部２３２を含み、第２の矩形アンテナ遷移部２３２は、セル２０６がキャビティ２２０内に在るとき、開口２２４と整合し、及び、開口２２４と波通信し、そのため、アンテナ遷移部２３２もまた波ラウンチとして機能する。導波路２３４が、遷移部２３０及び２３２間に形成され、セルキャビティの形状及び／又は材料によって形成され得、更に、セルキャビティの表面の一つ又は複数に沿って金属を含有することよって強化され得、その一例が後述される。

インターポーザ２０４を介する、基板１０２とセル２０６との間の波通信経路を図示及び説明してきたが、図２Ｂは、そうした経路の一部の斜視図を図示する。図２Ｂにおいて、幾つかの参照番号（上述）が繰り返されている。従って、インターポーザ２０４は基板１０２の近隣にあり、コプレーナ導波路１０８の一部が、基板１０２上に示され、インターポーザ２０４の凹み２０４Ｒ内を通る。コプレーナ導波路１０８の側部に沿って、複数のほぼ等間隔の導電性ビア１０８ＣＶ１が位置する。コプレーナ導波路１０８は、インターポーザ２０４の矩形開口２２２と整合して示されるアンテナ１１２において終端する。図示しないが、アンテナ１１２の下には、接地埋め込み層１０８ＧＢＬ１（図１Ｃ）を介する例えば矩形の開口があり、そのため、第２の接地埋め込み層１０８ＧＢＬ２（図１Ｃ）からの反射が、誘電体層１０８ＤＬ３（図１Ｃ）を介してアンテナ１１２に達し得る。アンテナ１１２の外側周辺の辺りには、導電性ビア１０８ＣＶ１より長い導電性ビア１０８ＣＶ２が在り、導電性ビア１０８ＶＣ２は、接地埋め込み層１０８ＧＢＬ２（図１Ｃ）に達するように基板１０２の層内へ一層深く延在する。このようにして、そうした接地埋め込み層１０８ＧＢＬ２と、その上の誘電体層１０８ＤＬ３（図１Ｃ）とが、コプレーナ導波路１０８に沿った開口２２２内の波移動に関して、上述のリフレクタ機能性を促進する。

図３は、セル２０６の一方の端部の例示の構成の分解部分図であり、他方の端部も同等に構成されると理解される。セル２０６は、好ましくは、二つの同様の寸法の（例えば、同じ厚みの）半導体ウエハ層３０２及び３０４から形成される。各ウエハ層３０２及び３０４は、均一のエッチング形状及び寸法を実現するために、同じ時間にエッチングされ得る。或る例示の実施形態において、ウエハ層エッチングは、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチングを用いて、及び、層３０２及び３０４のそれぞれの長さに沿ってそれぞれの台形断面セルキャビティ領域３０６及び３０８を形成するように、実現され得る。そのような形状は、ＥバンドにおいてＴＩＡＷＲ１６４２とインターフェースするために望ましいものであり得る。また、例として水酸化カリウム（ＫＯＨ）、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、反応性エッチング（ＲＩＥ）、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）等を含むその他の断面も可能である。また、エッチングは、一層小さな寸法のエッチングのための現行のプロセスにおいて制限されることがあり、そうしたエッチングに沿って角度を形成する際、エッチングプロセスによって、また、必須ではないが仕様によって、台形の脚角度がほぼ５４．７度に固定され得る。いずれにせよ、エッチング特性は、セル２０６における分子の吸収周波数に基づいて選択され得る。エッチングされたキャビティの幅及び深さは、キャビティの全ての側部がプロセスフローにおいて後に金属化されるときに形成される「金属導波路」の断面を画定する。金属導波路の寸法は、それ以下では電磁導波路伝搬がないカットオフ周波数と、一層高いカットオフ周波数とを画定し、これらは一般に知られている知識である。その後、キャビティの寸法は、良好な電磁信号伝搬を保証するために、セルにおいて問い合わせされるべき量子遷移がこのカットオフ周波数を少なくとも１０ＧＨｚ上回るように設計されるべきである。例えば、７３ＧＨｚの或るトランシーバ／インターポーザ／セルは、１８２ＧＨｚで同じ分子に問い合わせするための構造の同じセットのほぼ２倍のサイズである。その他のそのような構造の例は、同一人が所有する米国特許番号ＵＳ９，５２９，３３４及びＵＳ１０，１３１，１１５において、並びに、同一人が所有する米国特許出願公開番号ＵＳ２０１９／００７４２３３及びＵＳ２０１９／００７１３０６Ａ１において見つけることができ、これらの文献の全てがここで参照により完全に本願に組み込まれる。この例において、単一ウエハにおいてそのようなエッチングを用いると、エッチングの底部（エッチングの深部における台形のベース幅）が、エッチングの頂部（ウエハの上側表面におけるエッチングのベース幅）よりかなり短くなる。しかし、或る例示の実施形態において、二つのウエハ３０２及び３０４をエッチングし、その後、後述するようにそれらを組み合わせることにより、エッチング制約は、単に、全体の深さが一層短い場合に各ウエハに適用される。従って、例えば、各ウエハ３０２及び３０４は０．７ｍｍの深さまでエッチングされ、その結果の底部ベース縁部はほぼ２ｍｍの長さであり、頂部ベース縁部はほぼ３．１ｍｍである。それゆえ、ウエハ３０２及び３０４が図３に図示されるようにその後に互いに対向するとき、キャビティ領域３０６及び３０８を含むその結果のキャビティ３０９は六角形断面形状を有し、ほぼ１．４ｍｍの総高を有する。それとは反対に、キャビティを形成するために単一ウエハにおいて単一台形エッチングが成される場合、ＴＭＡＨエッチングの固定された台形脚角度は、一層短い底部をもたらし得（例えば、１ｍｍ又はそれ以下）、これは、キャビティがその導波路機能をその後に行う際、望ましくない可能性があり得る。キャビティ３０９は例として六角形として示されているが、キャビティ３０９が円形導波路及び／又は円偏光伝搬モードを提供する断面を有する代替の実施形態も可能である。

また、セル２０６の積層に関する付加的な態様が、次に説明するように図３に示されている。層３０２に関して、上述の台形エッチングに加えて、開口３１０が、キャビティ領域３０６の一端の近傍に、キャビティ領域３０６から層３０２の表面３１２まで形成される。それゆえ、開口３１０は、二つの上述の矩形アンテナ遷移部２３０及び２３２の一方のための電磁波通路を形成し、一方で同様に、図３の部分図に示さないが、類似の第２の開口が、二つの上述の矩形アンテナ遷移部２３０及び２３２の他方のための電磁波通路を形成するように、キャビティ領域３０６の反対の端部の近傍に形成される。また、表面３１２は、金属化層３１４を形成するために金属化され、これは、既知のプロセスを用いて実現され得る。その後、キャビティ３０６は、層３０２と層３０４との間の、好ましくは、キャビティ領域３０６及び３０８の外側境界をちょうど超えて位置するボンディングリング３１６を用いて、キャビティ３０８に対向するように位置する。ボンディングリング３１６は、共晶金属であり得、例えば、スパッタリング、電子ビーム蒸着、又は電気めっきによって配置され得、ボンディングウエハ３０２及び３０４を共にアシストするために用いられ得、それにより、キャビティ領域３０６及び３０８から単一キャビティ３０９をつくる。また、図示しないが、キャビティ３０９の内部を信号導波路として促進及び改善するために、及び、キャビティに含まれるガスに対する表面反応性を最小化するため又は側壁からキャビティ内へのガス放出を防ぐために、キャビティ領域３０６及び３０８の一方又は両方が、導電性又は誘電体を積層することなどの付加的な態様を含むように、加工、裏打ち、被膜、又はその他の処理が成され得る。このように、導波路は、波を、つくられた単一キャビティ３０９に沿って、キャビティの一方の端部における開口３１０から、キャビティの他方の端部における他方の開口（図示しないが、遷移２３０及び２３２の一つと関連するものとして図２Ａに表す）へ通信する。

図３を締めくくると、セル２０６は、ガラスシート３１８及び金属結合リング３２０も含み得る。ガラスシート３１８は、層３０２及び３０４と概ね同じ外側寸法を有し、例えば、２００～３００ミクロンの厚みであり得る。ガラスシート３１８は平面を提供し、その平面上には、その頂部表面上にパターン化されたアンテナが在り得、キャビティ３０９内への波信号のラウンチを可能にする。この平面のための（ガラスシート３１８のための）材料としたガラスの選択は、ガラスが約４～５の誘電率を提供し、２００～３００ミクロンの決まった厚みを可能にするので、望ましいものであり得る。それとは反対に、例えば、シリコンが用いられると、１３の誘電率が提供され、これは、１００ミクロンをかなり下回る層の厚みを示唆し、これが機械的構成をより一層複雑にする。実際、そのような薄い膜は、セルの内側と外側との圧力差を保てない可能性がある。また、熱膨張係数に関してシリコンと合致し、低誘電率を提供するその他の材料も、層３１８の候補となる。金属結合リング３２０は、開口３１０と整合する位置でガラスシート３１８に取り付けられ、中央開口３２２を備える金属構造を提供するという点でリングとして説明される。ここでも、周囲金属及び開口３２２はいずれも矩形であり、本願におけるその他の矩形導波路と適合する。

再び図２Ａ、及び図３に関連して詳述したセル２０６を参照すると、インターポーザ２０４のキャビティ２２０内に、セル２０６のガラスシート３１８側を配置することで、アンテナ１１２及び１１４間の波経路が完成される。それゆえ、例えば、トランシーバ１０４は、波を、導波路１０８に沿って、基板１０２と平行の第１の次元に沿って、送信アンテナとしてのアンテナ１１２へ送信し得る。アンテナ１１２から、波は、第１の次元とは異なる第２の次元（すなわち、基板１０２と平行ではない）に進み、ここで、図２Ａの例において、この第２の次元は第１の次元に対して垂直（又はほぼ垂直、例えば９０度から±１０度）である。図示される例では、第２の次元は、矩形導波路としての、インターポーザ２０４の第１の矩形開口２２２の内側の空気媒体を介し、更に、金属結合リング３２０の中央開口３２２（図３）、ガラスシート３１８、及びキャビティ領域３０６の一方の端部の近傍の開口３１０を介して波を誘導し、これら全てが、第１の矩形アンテナ遷移部２３０として機能しており、それにより、セル２０６の結果として得られるキャビティ３０９に波が入る。波が、セル２０６のそうした結果として得られるキャビティ３０９に沿って移動した後、波は、セルの内側の双極ガスの原子を問い合わせし得、セルは問い合わせ波の周波数に基づいて応答し得る。このように、波は、キャビティ３０９に沿って続き、その後、類似の中央開口（図示せず）から出て、再び第２の次元において、ガラスシート３１８、及びその後別の金属結合リング（図示せず）を通過する。これら全てが、第２の矩形アンテナ遷移部２３２として機能しており、その別の金属結合リングから、波は、この場合も矩形導波路としての、インターポーザ２０４の第２の矩形開口２２４の内側の空気媒体を介してアンテナ１１４へ続き得る。波がアンテナ１１４に達した後、波は、第１の次元において、対になっている導波路１１０によってトランシーバ１０４に通信される。その結果、トランシーバ１０４は、受信した信号応答を評価し得、例えば、送信された波信号のエネルギーと比較して、励起波の周波数がセルにおける双極ガスの回転量子遷移周波数に適合するかどうか（又は、いつ適合するか）など、種々の判定をする。

図２Ａを締めくくると、頂部プレート２０８は、プレート２０８をインターポーザ２０４に取り付けることによって、セル２０６の一部又は全部の頂上に固定される。より具体的には、頂部プレート２０８がセル２０６の頂上に接してインターポーザ２０４の近隣に置かれた後、４つの留め具（例えば、ねじ、図示せず）が、頂部プレート２０８における４つのそれぞれの皿ねじ開口２３６を介して取り付けられ、インターポーザ２０４におけるそれぞれの開口２２６内に（例えば、ねじ切り可能に）取り付けられる。従って、これらの留め具によって、セル２０６とインターポーザ２０４との間の圧縮力、並びに確立された整合及びリテンションが保証される。

上記から、システム１００は、インターポーザが直接的にＰＣＢラウンチに波経路を提供するコンパクトなミリメートル波システムを提供し、ここで、インターポーザは、ＷＲ－１２フランジなどの標準ＷＲ構造といった別の導波路を含む。その結果、標準的なラボ設備を用いてインターポーザ内にガスセルを置くことによって、ＰＣＢラウンチに直接的にウエハプロービングする必要なく、ガスセルが簡単及び迅速にテストされ得る。これは、場合によってはかなりの利点である。というのも、特にミリメートル波幾何形状におけるウエハプローブの代替は、コストがかかり、時間がかかり、また、著しい反復性の課題を有するからである。これに対し、例示の実施形態は、部品及び設備の両方に対してはるかに少ないリスクで、各ピースを共に取り付けること（例えば、ねじ留め）を促進する。また、アセンブルされた物理的セル／インターポーザが、非常に精密な顕微鏡の光学的整合なしに迅速にテストされ得、その後、ミリメートル波トランシーバＰＣＢに容易にアセンブルされ得る。また、この例示のミリメートル波クロックの例は、クロックガスセル２０６から離れた基板１０２（例えば、ＰＣＢ）上に置かれる既存のトランシーバ１０４（例えば、ＴＩＡＷＲ１６４２）を用い得る。システム１００は更に、（ａ）基板１０２に（例えば、基板１０２の頂上に、基板１０２内に）取り付けられ、トランシーバ１０４とガスセル２０６の端部との間を延在する送信及び受信導波路１０８、１１０と、（ｂ）二つの付加的な導波路２２２、２２４とを含み、導波路２２２、２２４は各々、対になっている導波路のそれぞれの一方から、対になっている導波路の次元以外の次元（例えば、垂直）において、ガスセルの端部まで延在する。また、多数のその他の態様が、システム１００に関連して示されている。例えば、先ほど説明した波経路から、波は、セルに入り得、セルを介して移動し得、第２の次元を介して、導波路の別の対の次元に再び戻り、トランシーバまで戻り得る。別の例として、セルは、レセプタクルに位置し得、ここで、レセプタクルは、波が伝搬する際、特に、異なるインピーダンスの媒体を通過する際、潜在的な信号損失を低減するように、基板上のアンテナに対して堅牢に取り付けられる。また、種々のその他の例示の実施形態が可能であり、そうした実施形態は、本説明の範囲内で個別に考慮され得、そうした実施形態から、異なる実施形態の選択された特徴が、更なる例示の実施形態を形成するために組み合わされ得る。

また上記から、上述した種々の教示及び後述されるその他の教示が、他のミリメートル波システムに適用され得る。特に、例示のテストが、機械、手動、及び／又は器械誘導或いは器械実装のプロービングのいずれかによって実現され得る。この文脈においてたびたび、基板（例えば、ＰＣＢ）が、その基板上に、十字線に似たプリントされた案内線を有し、テストプローブ整合が、充分な倍率（例えば、２５０倍）を備える（時に粗い）顕微鏡を用いることを試みつつ、プローブ先端が、その先端を適正な着地点と接触させながら観察され得るように、こうした案内線に沿って整合され得る。場合によっては、複数のプローブがそのように同時に移動され、誤差の余地はほとんどなく、同時のそれぞれの着地点に対する各プローブの適正で同時の誘導が必要とされる。また、そうした努力は、送信ミリメートル波経路及び受信ミリメートル波経路の両方に対して繰り返されなければならない。そのようなアプローチは非常に時間がかかり、エラーを起こしやすい。これに対し、例示の実施形態は、ミリメートル波通信基板に取り付けられ、基板上の目標箇所に対応する導波路を有するインターポーザを提供し、これにより、インターポーザは、こうした目標箇所に関して整合され、そうでなければ、上述のプロービングが必要となり得る。従って、インターポーザは、テストされるべきミリメートル波経路アイテムに対して既に整合されたテストメカニズムを提供する。それゆえ、本願において提供される例において、インターポーザ２０４は、第１のアンテナ１１２及び第２のアンテナ１１４によって表されるミリメートル波通信ポイントに既に整合された、固定されたキャビティ２２０を提供する。従って、更なるテスト又はミリメートル波通信は、直接的にこれらの通信ポイントに対するものである必要はなく、その代わりに、インターポーザを介して成され得る。それゆえ、ミリメートル波クロックの例において、インターポーザ２０４は、既に整合されたレセプタクルとして機能し、原子ガスセル２０６は、原子ガスセル２０６を第１のアンテナ１１２及び第２のアンテナ１１４と正確に整合させるため、及び、原子ガスセル２０６をそれらに直接的に取りつけるために必要とされるよりもはるかに少ない複雑性及び時間で、このレセプタクル内に置かれ得る。

図４Ａは、或る代替のコンパクトな分子クロックシステム４００の平面図であり、図４Ｂはその断面図である。システム４００は、基板４０２（例えば、ＰＣＢ等）と、基板４０２に取り付けられるトランシーバ４０４とを含む。トランシーバ４０４は、基板４０２に対して固定される他の装置と電気的に通信し得る。そのような通信は、概して４０８及び４１０で示されるコプレーナ導波路による、トランシーバ４０４と原子クロックセル４０６との間を含む。図示される実施形態において、導波路４０８及び４１０は、基板４０２上又は基板４０２内に位置する金属層４１１から、好ましくは同じ平面において適切な経路をエッチングすることによって形成され得る。導波路４０８は第１のアンテナエリア４１２と通信し得、導波路４１０は第２のアンテナエリア４１４と通信し得る。

システム４００の幾つかの態様は、図１Ａ～図３のシステム１００とは異なる。例えば、セル４０６はやはり二つの半導体ウエハ４１６及び４１８を含み、各々が、それぞれの台形キャビティを備え、連続的な結果として得られるキャビティ４２０を形成するように互いに面して取り付けられ、この例示的な実施形態において、キャビティ４２０は、波が第１のアンテナエリア４１２と第２のアンテナエリア４１４との間を伝搬するように、方向を２回垂直に変化させる、部分的に蛇行した経路を有する。また、セル４０６は、上側ガラス層４２２と下側ガラス層４２４の両方を含み、セル４０６は、レセプタクル装置において密閉されない。その代わりに、セル４０６は、好ましくは左右対称に位置する導電性取り付け部材４２６の一群によって、基板４０２に電気的に（及び物理的に）接続及び結合され、導電性取り付け部材４２６は、図示される例示の実施形態では、はんだボールである。また、図４Ａ及び図４Ｂの例において、導電性取り付け部材の一群は、概ね行／列方位に配され得、それにより、下側ガラス層４２４と基板４０２の表面との間にボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）又は銅スタッド又はバンプを形成する。しかし、導電性取り付け部材４２６（例えば、はんだボール）は、第１のアンテナエリア４１２及び第２のアンテナエリア４１４には（又は導波路４０８及び４１０の経路には）提供されない。その結果、図４Ａに最も良く示されているように、これらのエリアに導体が無いこと、及び、これらのエリア周辺近辺の周囲導体が、アンテナエリア４１２及び４１４から、図４Ｂにおいて垂直に、下側ガラス層４２４を介して上方に向かって、金属導波路を形成する。従って、例えば、波が、トランシーバ４０４の送信チャネルから導波路４０８を介して第１のアンテナエリア４１２へ移動し得、空中を及び下側ガラス層４２４を介して上方に向かい、セル４０６内へ及びその蛇行経路を介し、その後、セル４０６を出て、再び下側ガラス層４２４を介し、空中を介して第２のアンテナエリア４１４へ、その後、導波路４１０を介してトランシーバ４０４の受信チャンネルへ移動し得る。この例示の実施形態（及びその他のもの）において、種々の導波路構造経路が、誘導されている波の波長より少なくとも一桁小さい寸法とされる場合、波は、その通信経路を連続的導体として効果的に「認識する」。すなわち、波経路に沿った信号損失が比較的小さい。従って、種々の例示の実施形態において、波経路構造により、アンテナエリア４１２及び４１４の少なくとも近くにおいて、導電性取り付け部材４２６の間隔が、波の１０分の１波長又はそれ以下である通路を提供する。しかし、基板４０２の残りの部分については、取り付け部材４２６の間隔は、熱応力のための機械設計上の考慮によって変更又は決定され得る。

図５Ａは、或る代替のコンパクトな分子クロックシステム５００の平面図であり、図５Ｂはその断面図である。システム５００は、図４Ａ及び図４Ｂにおけるシステム４００の種々の同じ部材及び接続性を含み、それゆえ、そのようなアイテムに対して、同様の参照番号がシステム４００からシステム５００に流用されている。しかし、システム５００の場合、導電性取り付け部材に対するものとして、（好都合な誘電率及び損失正接を備える）接着剤５０２の層が、セル４０６を、基板４０２に対して取り付けるために用いられる。また、金属化層５０４が、下側ガラス層４２４の外側に形成され、これは、図３の層３１４に似た金属化層として実現され得る。しかし、ここで、第１のアンテナエリア５０６及び第２のアンテナエリア５０８をつくるように、及び、ここでも上記と適合する波通信のための電子的帯域ギャップ構造（ＥＢＧ）をつくるように、金属化層５０４において、開口が（例えば、蒸着及びパターン形成によって）つくられて、その開口を介した波の通過が可能であるようにされる。このように、波が、第１のアンテナエリア５０６のエリアにおける一つの導波路４０８から、接着剤５０２の媒体及び下側ガラス層４２４を介し、金属化層５０４における第１の開口によって誘導されて、セル４０６内へ入り得る。その後、波は、セル４０６を介して進み、その後、第２のアンテナ５０８のエリアにおける金属化層５０４の第２の開口によって誘導されて、下側ガラス層４２４及び接着剤５０２の媒体を通過することによって、セル４０６の反対の端部から出て、その後、導波路４１０へ続く。また、或る例示の実施形態において、不要なクロストーク又は信号損失を防ぐため、金属化層５０４及び金属層４１１が平行プレート導波路として作用するのを防ぐように接着剤５０２の厚みは充分に薄い。

図５Ｃは、図５のコンパクトな分子クロックシステム５００の代替の断面図を図示し、従って、図５Ｃにおいて、システムはシステム５１０として示される。この場合も、上述した図面に類似のアイテムが図５Ｃに在る場合、同じ参照番号が繰り越される。システム５１０は、図５Ｂの接着剤層５０２を、高誘電率ポリマーのセクション５１４及び５１６で置き換えている。それゆえ、システム５１０において、波経路は、接着剤（例えば、図５Ｂ）又は空気（例えば、図４Ｂ）ではなく、高誘電率ポリマーセクション５１４及び５１６を介しており、これは、幾つかの実装にとって一層好都合であり得る。実際、ちょうどアンテナエリアにおいて高誘電率ポリマーセクション５１４及び５１６を有することによって、アンテナからガスセル間のエネルギーの伝送が増加又は最大化される。従って、挿入損失が実質的に改善され得る。というのも、電磁波が、高誘電体領域に集中することを好み得、送信機及び受信機間の伝搬を最小化し得、クロストークを低減するからである。クロストークは、他の技法（例えば、送信機及び受信機間の狭帯域のためのＥＢＧ）を用いて緩和され得、一方で、アンテナのエリアに配置される低損失高誘電率ポリマーの使用が、平行プレート電磁モードに対して大いにアシストし、そうでなければ、送信機／受信機クロストークが励起され、増加し得る。また、ポリマーセクション５１４及び５１６の厚みは、誘導された波の波長に従って選択され、ここでは、好ましくは、そうした厚みは４分の１波長以下又は４分の１波長と等しい。

図６は、別の代替のコンパクトな分子クロックシステム６００の断面図を図示する。この場合も、上述した図に類似のアイテムが図６に在る場合、同じ参照番号が繰り越される。システム６００において、レセプタクルエリア６０２が、基板４０２におけるキャビティとして形成され、それにより、セル４０６が位置するレセプタクルが形成される。導波路６０４及び６０６（６０６は、断面からは見えないので破線によって示され、６０４は見える）は、トランシーバ４０４とレセプタクルエリア６０２との間を、まず垂直に、その後水平に（必須ではないが、水平或いは同一平面上に）延在し、第１のアンテナエリア６０８及び第２のアンテナエリア６１０を提供する。従って、波が、金属化層５０４におけるそれぞれの開口と下側ガラス層４２４とを通過することによって、セル４０６と、アンテナエリア６０８及び６１０のそれぞれ１つとの間で通信され得る。また、構造的リテンション（及び、場合によっては整合）のため、カバー６１２も、セル４０６の一部或いは全ての頂上に取り付けられ、これが、取り付け部材６１４によって更に保持され得る。実際、このようにセル４０６のリテンションがあると、更に下にある整合支持が不要となり、それゆえ、導波路６０４及び６０６の水平の延在は、（下側ガラス層４２４の外部表面上に形成される）金属化層５０４に直接に接し得る。

図７Ａは、別の代替のコンパクトな分子クロックシステム７００平面図であり、図７Ｂはその断面図である。この場合も、上述した図面に類似のアイテムが図７Ａ及び図７Ｂに在る場合、同じ参照番号が繰り越される。図５Ａ及び図５Ｂのシステム５００と種々の点において類似するシステム７００において、セル４０６は基板４０２より上に位置する。しかし、システム７００の場合、対となっているカバー７０２及び７０４がセル４０６の頂上に含まれ、これらが、取り付け部材７０６によって更に保持され得る。システム６００と同様に、一つ又は複数のカバー７０２及び７０４によるセル４０６の物理的リテンション及び整合を備えるシステム７００において、更に下にある整合支持は不要であり、それゆえ、導波路４０８及び４１０の水平の延在は、金属化層５０４に直接に接し得る。

図８Ａは、別の代替のコンパクトな分子クロックシステム８００の平面図であり、図８Ｂはその断面図である。この場合も、図８Ａ及び図８Ｂにおいて、上述した図面に類似のアイテムが在る場合、同じ参照番号が繰り越される。図５Ａ及び図５Ｂのシステム５００と種々の点において類似するシステム８００において、セル４０６は基板４０２より上に位置する。しかし、システム８００において、そのような位置決めは、基板４０２とガラス層４２４との間に多くのはんだパッド８０２を含むランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）接続によって実現される。図４Ａ及び図４Ｂのように、エリア４１２及び４１４の近くにおけるＬＧＡ接続は、波の１０分の１波長又はそれ以下である通路を提供するために離間される。各パッドは、金属層間に位置するはんだペーストを含み得、ここで、これらの金属層の第１の層は、送信機／受信機導波路が形成される同じ金属層４１１であり得、これらの層の第２の層は、金属化層５０４の一部から成り得る。その後、はんだペーストは、第１のアンテナエリア４１２及び第２のアンテナエリア４１４に対してセル４０６を整合及び取り付けるために、例えばリフロープロセスの間、溶融される。

上記において、多数の例示の実施形態が提供され、コンパクトな分子クロックシステムを表した。例示の実施形態は種々の利点を有し得る。例えば、例示の実施形態は、異なる媒体を介して波を伝搬するなどのために、通信アンテナに対して原子ガスセルの適切な整合を提供する。この異なる媒体には、空気、接着剤、及びポリマーが含まれるが、更なる伝搬媒体が含まれ得、及び／又は置換され得る。別の例として、いくつかの例示の実施形態が、クロックセルの除去及び置換を可能にし、一方でまた、例えば人の手によるものを含め、レセプタクル内の整合を促進する。更に別の例として、整合が、信号損失を低減又は最小化するために、異なる例示の実施形態のための種々の方式において実現される。

特許請求の範囲内で、説明された実施形態における付加的な改変が可能であり、その他の実施形態が可能である。

Claims

ミリメートル波装置であって、
基板と、
前記基板に対して第１の固定位置におけるトランシーバと、
前記基板に対して第２の固定位置におけるガスセルと、
前記基板に対して取り付けられる第１の導波路であって、前記トランシーバに結合される第１の端部と、前記ガスセルの第１の部分の近傍に第２の端部を有する第１の次元に沿った部分とを有する、前記第１の導波路と、
前記基板に対して取り付けられる第２の導波路であって、前記トランシーバに結合される第１の端部と、前記ガスセルの第２の部分の近傍に第２の端部を有する第２の次元に沿った部分とを有する、前記第２の導波路と、
前記第１の次元とは異なる第３の次元に沿って、前記第１の導波路の第２の端部と前記ガスセルの第１の部分との間に結合される第３の導波路と、
前記第２の次元とは異なる第４の次元に沿って、前記第２の導波路の第２の端部と前記ガスセルの第２の部分との間に結合される第４の導波路と、
を含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第１の次元と前記第２の次元とが同じ次元である、ミリメートル波装置。
請求項２に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の次元と前記第４の次元とが前記同じ次元に対してほぼ垂直である、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路と前記第４の導波路とが矩形導波路を含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路と前記第４の導波路とが、前記トランシーバから前記ガスセルに空気媒体を介して波を通信するための金属導波路を含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路と前記第４の導波路とが接着剤を含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路と前記第４の導波路とがポリマーを含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路と前記第４の導波路とがはんだボールを含み、前記導波路が前記はんだボールにより囲まれるエリアによって形成される、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記第２の固定位置において前記ガスセルを保持するための装置を更に含む、ミリメートル波装置。
請求項９に記載のミリメートル波装置であって、
前記保持するための装置が、前記ガスセルが位置するキャビティを含むレセプタクル部材を含む、ミリメートル波装置。
請求項１０に記載のミリメートル波装置であって、
前記レセプタクル部材が前記基板に取り付けられる、ミリメートル波装置。
請求項１１に記載のミリメートル波装置であって、
前記ガスセルの少なくとも一部に近接して取り付けられるカバーを更に含み、前記カバーが前記レセプタクル部材に対して更に取り付けられる、ミリメートル波装置。
請求項９に記載のミリメートル波装置であって、
前記保持するための装置が、前記ガスセルの少なくとも一部に近接して取り付けられるカバーを含み、前記カバーが前記基板に対して更に取り付けられる、ミリメートル波装置。
請求項９に記載のミリメートル波装置であって、
前記保持するための装置が前記ガスセルを受けるためのキャビティを有し、
前記保持するための装置が前記第３の導波路と前記第４の導波路とを含む、ミリメートル波装置。
請求項１４に記載のミリメートル波装置であって、
前記第３の導波路が、前記ガスセルの第１の部分において、前記第１の導波路と第１の電磁波通路との間で波を結合するように構成され、
前記第４の導波路が、前記ガスセルの第２の部分において、前記第２の導波路と第２の電磁波通路との間で波を結合するように構成される、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記ガスセルが、第１のキャビティ領域を有する第１の半導体ウエハ層と、第２のキャビティ領域を有する第２の半導体ウエハ層とを含む、ミリメートル波装置。
請求項１６に記載のミリメートル波装置であって、
前記第１のキャビティ領域と前記第２のキャビティ領域との各々が台形断面を含む、ミリメートル波装置。
請求項１に記載のミリメートル波装置であって、
前記ガスセルにストアされるガスを更に含む、ミリメートル波装置。
請求項１８に記載のミリメートル波装置であって、
前記ガスが、ＨＣＮとＤＣＮとＯＣＳとＨ_２ＯとＣＨ_３ＣＮとで構成される組から選択される、ミリメートル波装置。