KR101852338B1 - 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈 - Google Patents

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권택용
박상언
이상범
허명선
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Abstract

본 발명은 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈을 개시한다. 그의 모듈은, 하우징과, 상기 하우징 내의 바닥 상에 배치되고, 상기 하우징 내의 상부로 레이저 광을 제공하는 레이저 발생기와, 상기 레이저 발생기 상에 배치되고, 상기 레이저 광으로부터 투과 광을 생성하는 증기 셀과, 상기 증기 셀 상에 배치되고, 상기 투과 광을 검출하는 검출기를 포함한다. 여기서, 상기 증기 셀은 상기 레이저 광을 편광시키는 복수개의 광학 패턴들을 포함할 수 있다.

Description

칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈{physical module of chip-scale atomic clock}
본 발명은 원자시계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 원자시계는 알카리 증기가 가지고 있는 바닥 상태의 에너지 준위를 주파수 표준으로 이용하는 장치이다. 알카리 증기는 고유 주파수의 레이저 광의 일부를 흡수할 수 있다. 레이저 광의 일부는 알카리 증기를 투과하여 투과 광으로 생성될 수 있다. 레이저 광 및 투과 광은 전류 변조에 의해 다수의 측파대(side band) 스펙트럼을 가질 수 있다. 측파대 사이의 주파수 차이는 알카리 증기의 에너지 준위들 사이의 전이에 대응되는 고유 주파수에 해당 될 수 있다. 고유 주파수는 마이크로파 영역이 될 수 있다. 마이크로파의 주파수는 알카리 증기를 투과한 광의 측파대 스펙트럼으로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 진동자의 주파수와 알카리 증기의 고유 주파수가 서로 일치되게끔 되먹임 되면, 마이크로파 진동자는 원자시계로 정의될 수 있다.
한편, 알카리 증기는 증기 셀(vapor cell)로 정의될 수 있다. 증기 셀은 알카리 증기를 진공 또는 버퍼 가스로 채워진 측벽 부 내에 저장할 수 있다. 측벽 부는 원자시계의 부피와 소모 전력을 크게 만드는 주요 요소라고 할 수 있다. 증기 셀은 MEMS 공정에 의해 1mm의 높이로 소형화 되었으며 실리콘 측벽 부 양면에 유리 기판을 본딩시켜 증기를 실장한다. 소형화된 증기 셀을 갖는 일반적인 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈은 다음과 같다. 예를 들어, 일반적인 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈은 레이저 발생기, 사분파장 위상 지연판(quarter waveplate), 증기 셀, 검출기를 포함할 수 있다. 사분파장 위상 지연판은 레이저 광의 선형 편광을 원 편광화 시킬 수 있다. 증기 셀은 사분파장 위상 지연판 상에 배치될 수 있다. 원 편광된 레이저 광은 증기 셀에 제공될 수 있다. 증기 셀은 원 편광된 레이저 광을 펌프 광으로 사용하여 마이크로파 영역의 분광 신호를 생성할 수 있다. 투과된 펌프광의 세기는 검출기에 의해 측정될 수 있다. 검출기는 증기셀 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 결맞은 밀도 포획(coherent population trapping: CPT)의 분광법으로 투과광의 측파대간 주파수 차이가 원자의 고유주파수와 일치하는지 가려 낼 수 있다.
칩스케일 원자시계가 아닌 경우 결맞은 밀도 포획 분광법은 신호 향상을 위하여 다음과 같이 개선될 수 있다. 개선된 물리적 모듈은 레이저 발생기, 증기 셀, 편광 경로 분리기(polarization beam splitter), 검출기를 포함할 수 있다. 증기 셀은 레이저 발생기 상에 배치될 수 있다. 선형 편광된 레이저 광은 증기 셀에 제공될 수 있다. 증기 셀은 투과된 선형 편광의 방향을 바꿀 수 있다. 편광 경로 분리기는 증기 셀 상에 배치될 수 있다. 편광 경로 분리기(beam spliter)는 투과 광을 편광 방향에 따라 분리할 수 있다. 투과 광은 수평 편광 방향과, 수직 편광 방향으로 분리될 수 있다. 검출기는 편광 경로 분리기 상에 배치 상에 배치될 수 있다. 투과 광은 검출 광으로 제공될 수 있다. 검출기는 편광 방향에 따라 다른 방향으로 진행하는 각각의 투과광의 세기를 측정할 수 있다. 수평 편광 방출 광과 수직 편광 방출 광의 감지 신호들은 차동 증폭 방법에 의해 비교될 수 있다. 원자 시계의 안정성은 비교된 감지 신호들에 의해 증가할 수 있다.
하지만, 사분파장 위상 지연 판 및/또는 편광 경로 분리기는 일반적인 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈의 부피를 증가시키고, 소모 전력을 증가시키는 문제점이 있었다. 예를 들어 편광 경로 분리기는 소요되는 공간과 전력 때문에 칩스케일 원자시계에 도입된 적이 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 부피와 소모 전력을 감소시키고 성능을 향상 시킬 수 있는 칩 스케일의 원자시계의 물리적 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명은 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈을 개시한다. 그의 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고, 레이저 광을 생성하는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기 상에 배치되고, 상기 레이저 광으로부터 투과 광을 생성하는 증기 셀; 및 상기 증기 셀 상에 배치되고, 상기 투과 광을 검출하는 검출기를 포함한다. 여기서, 상기 증기 셀은 상기 레이저 광을 편광시키는 복수개의 광학적 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 증기 셀은: 투명 박스; 및 상기 투명 박스 내에 충진된 증기를 포함한다. 상기 광학 패턴들은 상기 투명 박스의 외벽에 배열될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 투명 박스는: 하부 기판; 상기 하부 기판 상의 상부 기판; 및 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 알카리 가스를 밀봉하는 측벽 부를 포함한다. 상기 광학 패턴들은 상기 하부 기판과 상기 상부 기판과 다른 재질일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판은 글래스를 포함하고, 상기 광학 패턴들은 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 또는 티타늄 옥사이드를 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광학 패턴들은 상기 상/하부 기판 상에 배치된 줄무늬 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 줄무늬 패턴들은 120나노미터의 폭과 80나노미터의 간격을 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 줄무늬 패턴들은 180나노미터의 두께를 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 광학 패턴들은: 상기 하부 기판 위/아래에 배치된 하부 패턴들; 및 상기 상부 기판 상/하에 배치된 상부 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 하부 패턴들은 줄무늬 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 하부 패턴들은 타원형 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 상/하부 패턴들은 타원 기둥 패턴들과 원 기둥 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 타원 기둥 패턴들은: 제 1 방향의 장축의 타원 기둥 패턴들: 및 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 장축의 타원 기둥 패턴들을 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 방향의 장축의 타원 기둥 패턴들은 서로 인접하여 배치될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 방향의 장축의 타원 기둥 패턴들과 상기 원 기둥 패턴들은 상기 제 2 방향으로 교번하여 배치될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 타원 기둥 패턴들의 각각은 150나노미터의 단축과 270나노미터의 장축을 가질 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 타원 기둥 패턴들은 715나노미터의 두께를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 갖는 칩 스케일의 원자시계의 물리적 모듈은 증기 셀의 내/외벽에 배치된 복수개의 광학 패턴들을 포함할 수 있다. 광학 패턴들은 증기 셀의 아래 및/또는 위에 배치될 수 있다. 광학 패턴들은 종래의 사분파장 위상 지연 판 및/또는 편 광 분리기보다 작은 두께를 가질 수 있다. 상기 물리적 모듈은 전체 부피가 증가함에 따라 일정 온도로 유지되기 위해 히터에 의한 전력 소모가 발생한다. 따라서, 광학 패턴들은 물리적 모듈의 부피와 소모 전력을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 광학 패턴들과 하부 기판을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2의 광학 패턴들을 통과되는 레이저 광의 파장에 따른 직교한 편광간 위상 지연을 보여주는 그래프들이다..
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 상부 패턴들와 상부 기판을 보여주는 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4의 방출 광의 편광 방향에 따른 방출 광의 진행 방향을 보여주는 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)을 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)은 패키지 하우징(110), 레이저 발생기(120), 증기 셀(130), 및 검출기(140)를 포함할 수 있다.
패키지 하우징(110)은 레이저 발생기(120), 증기 셀(130), 및 검출기(140)를 둘러쌀 수 있다. 패키지 하우징(110)은 레이저 발생기(120), 증기 셀(130), 및 검출기(140)을 외부의 환경으로부터 보호할 수 있다.
레이저 발생기(120)는 패키지 하우징(110) 내의 바닥에 배치될 수 있다. 레이저 발생기(120)는 레이저 광(122)을 증기 셀(130)로 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발생기(120)는 수직공진표면방출레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)를 포함할 수 있다. 레이저 광(122)은 약 895nm 파장을 가질 수 있다.
증기 셀(130)은 레이저 발생기(120) 상에 배치될 수 있다. 증기 셀(130)은 레이저 광(122)을 수광하여 투과 광(137)을 검출기(140)로 전달할 수 있다. 일 예에 따르면, 증기 셀(130)은 투명 박스(132), 알카리 증기(134), 및 광학 패턴들(136)을 포함할 수 있다.
투명 박스(132)는 레이저 광(122)을 알카리 증기(134)로 투과시킬 수 있다. 투명 박스(132)는 알카리 증기(134)에 투과된 투과 광(137)을 투과시킬 수 있다. 투명 박스(132)는 알카리 증기(134)를 저장할 수 있다. 일 예에 따르면, 투명 박스(132)는 하부 기판(131), 상부 기판(133), 및 측벽 부(135)를 포함할 수 있다.
하부 기판(131)은 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(131)은 글래스 및/또는 실리콘을 포함할 수 있다. 상부 기판(133)은 하부 기판(131) 상에 배치될 수 있다. 상부 기판(133)은 하부 기판(131)과 동일한 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 상부 기판(133)은 글래스 및/또는 실리콘을 포함할 수 있다. 측벽 부(135)는 하부 기판(131)과 상부 기판(133) 사이에 배치될 수 있다. 측벽 부(135)는 하부 기판(131)과 상부 기판(133) 사이에 알카리 증기(134)를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 측벽 부(135)는 글래스 및/또는 실리콘을 포함할 수 있다.
알카리 증기(134)는 투명 박스(132) 내에 충진될 수 있다. 알카리 증기(134)는 레이저 광(122)의 일부를 흡수할 수 있다. 레이저 광(122)의 일부는 알카리 증기(134)를 투과하여 투과 광(137)으로 생성 수 있다. 레이저 광(122) 및 투과 광(137)은 다수의 측파대 스펙트럼을 가질 수 있다. 측파대 사이의 주파수 차이는 마이크로파 영역의 파장에 대응될 수 있다. 알카리 증기(134)는 세슘(Cs) 또는 루비듐(Rb)을 포함할 수 있다. 도시되는 않았지만, 알카리 증기(134)는 버퍼 가스와 혼합될 수 있다. 버퍼 가스는 알카리 증기의 바닥상태가 가지는 결맞음이 측벽 부 내벽과 충돌에 의해 손실되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 가스는 네온(Ne), 아르곤(Ar), 질소(N2)를 포함할 수 있다.
광학 패턴들(136)은 투명 박스(132)의 외벽에 배치될 수 있다. 광학 패턴들(136)은 투명 박스(132) 내에 배치될 수 있다. 일 예에 따르면, 하부 기판(131) 상 및/또는 아래에 배치될 수 있다. 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)을 편광시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)을 원 편광시킬 수 있다. 일 예에 따르면, 광학 패턴들(136)은 굴절율이 상/하부 기판보다 높은 재질일 수 있다. 광학 패턴들(136)은 실리콘, 실리콘 나이트라이드 또는 티타늄 옥사이드를 포함할 수 있다. 광학 패턴들(136)은 종래의 사분파장 위상 지연 판보다 작은 두께를 가질 수 있다. 광학 패턴들(136)은 약 180nm의 두께를 가질 수 있다. 광학 패턴들(136)은 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)의 부피를 감소시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 광학 패턴들(136)과 하부 기판(131)을 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광학 패턴들(136)은 줄무늬 패턴들을 포함할 수 있다. 각각의 줄무늬 패턴은 광학 공진기로 작용할 수 있다. 이와 달리, 광학 패턴들(136)은 타원형 패턴을 포함할 수 있다. 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)을 편광시킬 수 있다. 일 예에 따르면, 레이저 광(122)은 공진에 의해 원 편광될 수 있다. 예를 들어, 광학 패턴들(136)에 투과되는 레이저 광(122)의 위상은 그의 진행 방향을 따라 지연될 수 있다. 광학 패턴들(136)은 서로 직교한 편광 방향에 대하여 위상 지연이 90도 차이가 나도록 설계될 수 있다. 광학 패턴들(136)은 약 180nm의 폭을 갖고, 약 120nm의 간격을 가질 수 있다. 광학 패턴들(136)은 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)의 소모 전력을 감소시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 광학 패턴들(136)에 통과되는 레이저 광(122)의 파장에 따른 직교한 편광 사이의 위상 지연(phase retardation)을 보여준다.
도 3을 참조하면, 직교한 편광간 위상 지연은 광학 패턴들(136)의 폭에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 광학 패턴들(136)의 폭이 약 100nm일 경우(10), 상기 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)의 직교한 편광간 위상을 895 nm 파장에 대하여 약 0.2π정도 지연시킬 수 있다. 광학 패턴들(136)의 폭이 약 140nm일 경우(20), 상기 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)의 직교한 편광간 위상을 895 nm 파장에 대하여 약 0.3π정도 지연시킬 수 있다. 광학 패턴들(136)의 폭이 약 180nm일 경우(10), 상기 광학 패턴들(136)은 레이저 광(122)의 직교한 편광간 위상을 895 nm 파장에 대하여 약 0.5π정도 지연시킬 수 있다. 즉, 180nm 폭의 광학 패턴들(136)은 레이저 광의 파장 895 nm에 대하여 레이저 광(122)의 직교한 편광간 위상 차이를 4분의 1 파장(quarter-wave length)으로 지연시킬 수 있다. 레이저 광(122)은 원 편광(circularly polarized)될 수 있다. 원 편광된 레이저 광(122)은 편광의 변화없이 알카리 증기(134)를 효율적으로 펌핑시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 검출기(140)는 원 편광된 투과 광(137)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(140)는 광 다이오드(photo-diode)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 검출기(140)는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS 센서를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100a)을 보여준다.
도 4를 참조하면, 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100a)은 하부 및 상부 패턴들(138, 139)의 광학 패턴들(136a)과, 복수개의 검출기들(140a)을 포함할 수 있다. 패키지 하우징(10) 및 레이저 발생기(120)는 도 1과 동일하게 구성될 수 있다.
광학 패턴들(136a)은 투명 박스(132)의 하부와 상부에 배치될 수 있다. 광학 패턴들(136a)은 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 또는 티타늄 옥사이드를 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 광학 패턴들(136a)은 하부 패턴들(138)과 상부 패턴들(139)을 포함할 수 있다.
하부 패턴들(138)은 투명 박스(132)의 하부 기판(131) 아래에 배치될 수 있다. 하부 패턴들(138)은 도 2의 줄무늬 패턴들일 수 있다. 이와 달리, 하부 패턴들(138)은 타원형 패턴들일 수 있다. 하부 패턴들(138)은 레이저 광(122)을 원편광(circularly polarize)시킬 수 있다. 레이저 광(122)의 편광 방향은 수직과 수평 성분을 동일하게 가지는 45도 방향일 수 있다. 편광된 레이저 광(122)은 알카리 증기(134)에 제공될 수 있다. 알카리 증기(134)는 변경된 편광 방향을 가지는 투과 광(137a)을 생성할 수 있다.
상부 패턴들(139)은 투명 박스(132)의 상부 기판(133) 상에 배치될 수 있다. 상부 패턴들(139)은 투과 광(137a)의 경로를 변경시킬 수 있다. 일 예에 따르면, 상부 패턴들(139)은 폴라리제이션 빔 스플리터(polarization beam splitter)를 포함할 수 있다. 상부 패턴들(139)은 투과 광(137a)을 편광 방향에 따라 분리할 수 있다.
도 5는 도 4의 상부 패턴들(139)와 상부 기판(133)을 보여준다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상부 패턴들(139)은 타원형 패턴들을 포함할 수 있다. 이와 달리, 상부 패턴들(139)은 줄무늬 및/또는 선형 패턴을 포함할 수 있다. 일 예에 따르면, 상부 패턴들(139)은 타원 기둥 패턴들(139a)과 원 기둥 패턴들(139b)을 포함할 수 있다. 타원 기둥 패턴들(139a)은 장축(152)과 단축(154)을 평면적으로 가질 수 있다. 예를 들어, 장축(152)은 약 270nm의 길이일 수 있다. 단축(154)는 약 150nm의 길이일 수 있다. 타원 기둥 패턴들(139a)은 y 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들과 x 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들을 포함할 수 있다. y 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들과 x 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들은 x 방향에 대해 서로 인접하여 배치될 수 있다.
타원 기둥 패턴들(139a)과 원 기둥 패턴들(139b)은 x방향으로 교번하여 배치될 수 있다. y 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들과 원 기둥 패턴들(139b) 사이의 거리는 x 방향의 장축(152)의 타원 기둥 패턴들과 원 기둥 패턴들(139b) 사이의 거리와 동일 할 수 있다. 원 기둥 패턴들(139b)은 약 200nm 직경을 평면적으로 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 방출 광(137a)은 수평 편광 방출 광(162)과 수직 편광 방출 광(164)을 포함할 수 있다. 수평 편광 방출 광(162)과 수직 편광 방출 광(164)은 증기 셀(130a)과 검출기들(140) 사이에 다른 방향으로 진행할 수 있다.
도 6은 도 4의 방출 광(137a)의 편광 방향에 따른 진행 방향을 보여준다.
도 6을 참조하면, 수평 편광 방출 광(162)과 수직 편광 방출 광(164)은 증기 셀(130a)의 중심 및/또는 검출기들(140)의 중심(170)으로부터 벗어난 위치들로 진행할 수 있다. 일 예에 따르면, 수평 편광 방출 광(162)과 수직 편광 방출 광(164)은 검출기들(140)의 중심(170)에 대해 서로 반대되는 위치들로 제공될 수 있다.
수평 편광 방출 광(162)은 검출기들(140)의 중심(170)에 대해 약 180의 방위각과 약 30의 극각(polar angle)을 가질 수 있다. 수직 편광 방출 광(164)은 검출기들(140)의 중심(170)에 대해 약 0의 방위각과 약 30 의 극각(polar angle)을 가질 수 있다. 따라서, 상부 패턴들(139)은 종래의 편광 경로 분리기를 대체할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상부 패턴들(139)은 715nm의 두께를 가질 수 있다. 하부 패턴들(138)과 상부 패턴들(139)은 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)의 부피를 감소시킬 수 있다. 하부 패턴들(138)과 상부 패턴들(139)은 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈(100)의 소모 전력을 종래보다 감소시킬 수 있다.
도 4, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 검출기들(140a)은 분리된 방출 광(137a)을 검출할 수 있다. 일 예에 따르면, 검출기들(140a)은 제 1 검출기(142)와 제 2 검출기(144)를 포함할 수 있다. 제 1 검출기(142)와 제 2 검출기(144)는 중심(170)에 대해 서로 마주 보는 방향으로 배치될 수 있다. 제 1 검출기(142)는 수평 편광 방출 광(162)을 검출할 수 있다. 제 2 검출기(144)는 수직 편광 방출 광(164)을 검출할 수 있다. 제어 부는 수평 편광 방출 광(162)과 수직 편광 방출 광(164)의 감지 신호들을 차동 증폭하여 결맞은 밀도 포획(CPT)의 신호를 획득할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되고, 레이저 광을 생성하는 레이저 발생기;
    상기 레이저 발생기 상에 배치되고, 상기 레이저 광으로부터 투과 광을 생성하는 증기 셀; 및
    상기 증기 셀 상에 배치되고, 상기 투과 광을 검출하는 검출기를 포함하되,
    상기 증기 셀은:
    하부 기판 및 상기 하부 기판 상의 상부 기판을 포함하는 투명 박스;
    상기 투명 박스 내에 충진된 알카리 가스; 및
    상기 하부 기판의 아래와 상기 상부 기판 상에 형성된 광학 패턴들을 포함하되,
    상기 광학 패턴들은:
    상기 하부 기판 아래에 형성되어 상기 레이저 광을 편광시키는 하부 패턴들; 및
    상기 상부 기판 상에 형성되어 상기 편광된 레이저 광을 수평 편광 방출광과 수직 편광 방출광으로 분리하는 상부 패턴들을 포함하되,
    상기 상부 패턴들은:
    상기 원 기둥 패턴들;
    상기 원 기둥 패턴들 사이의 상기 상부 기판 상에 형성되고, 제 1 방향의 장축을 갖는 제 1 타원 기둥 패턴들; 및
    상기 제 1 타원 기둥 패턴들과 상기 원 기둥 패턴들 사이의 상기 상부 기판 상에 형성되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 장축을 갖는 제 2 타원 기둥 패턴들을 포함하되,
    상기 검출기는:
    상기 증기 셀의 중심의 일측 상에 배치되어 상기 수평 편광 방출광을 검출라는 제 1 검출기; 및
    상기 제 1 검출기와 마주하는 상기 증기 셀의 중심의 타측 상에 배치되어 상기 수직 편광 방출광을 검출하는 제 2 검출기를 포함하는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 박스는 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 알카리 가스를 밀봉하는 측벽 부를 더 포함하는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판은 글래스를 포함하되,
    상기 광학 패턴들은 실리콘, 실리콘 나이트라이드, 또는 티타늄 옥사이드를 포함하는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패턴들은 120나노미터의 폭과 80나노미터의 간격을 갖는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패턴들은 180나노미터의 두께를 갖는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패턴들은 줄무늬 패턴들을 포함하는 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 타원 기둥 패턴들은 서로 인접하여 배치되되,
    상기 제 1 및 제 2 타원 기둥 패턴들과 상기 원 기둥 패턴들은 상기 제 2 방향으로 교번하여 배치된 칩 스케일 원자 시계의 물리적 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 타원 기둥 패턴들의 각각은 150나노미터의 단축과 270나노미터의 장축을 갖는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 패턴들은 715나노미터의 두께를 갖는 칩 스케일 원자시계의 물리적 모듈.


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