[发明专利]基于旋转跃迁的时钟、旋转光谱室及其制作方法

说明书

所描述的实例包含毫米波原子时钟设备(100)，芯片级蒸汽室(101)及制造方法，其中低压力偶极分子气体提供在具有形成波导的导电内部表面(103b，104)的密封腔中。非导电孔(108a，108b)提供到所述腔的电磁入口及离开所述腔的出口。形成在所述蒸汽室(101)的外表面上在所述相应非导电孔(108a，108b)附近的导电耦合结构(110a，110b)将电磁场耦合到所述腔的内部，用于使用收发器电路(130)以最大化所述腔(103)中的所述偶极分子气体的旋转跃迁吸收的频率来询问所述蒸汽室(101)，以提供用于原子时钟或其它应用的参考时钟信号REFCLK。

技术领域

本发明大体上涉及蒸汽室，且更特定来说涉及基于旋转跃迁的时钟、其蒸汽室及制造方法。

背景技术

原子时钟使用碱金属蒸汽的电子跃迁的频率作为频率参考。碱金属气体(例如铯、铷或具有在外壳中的单个电子的其它原子)在几百GHz(约800到900nm的光学波长)的非常高的离散频率下经历光学跃迁。原子时钟通过在包含跃迁频率的带宽上光学询问气体来确定汽化的碱性原子的电子跃迁的频率，其中在跃迁频率下检测的吸收识别时钟的绝对频率参考。芯片级碱性蒸汽原子时钟通常使用光学透明度峰值(例如，相干群体捕集)与吸收无效(非相干微波泵浦)相抵消，以锁定参考频率。然而，此类电子跃迁时钟需要激光光源的热稳定性，并且电子跃迁蒸汽室本身需要稳定的气体温度，因此通常包含加热电路。电子跃迁时钟包含调制器来调制激光信号，且操作具有多个复杂的电子控制环路。此外，电子跃迁原子时钟通常具有围绕室或其它磁屏蔽的线圈以屏蔽外部磁场，借此在屏蔽内的物理室处提供相对恒定的磁场，以破坏基态塞曼电平的简并性。因此，电子跃迁时钟遭受用于包含激光器、调制器、光电检测器及其它光学组件(例如准直器、隔离器、偏振器及透镜)的所需电路的相对较高的电力消耗及额外成本及空间。

发明内容

在所描述的实例中，毫米波原子时钟设备使用偶极分子蒸汽的旋转跃迁及芯片级蒸汽室设备及其制造技术，其中偶极分子气体密封在具有形成波导的导电内部表面的腔中，并且室包含允许到腔的电磁入口及离开腔的出口的第一及第二非导电孔。在孔附近的蒸汽室外表面上的导电耦合结构将电磁场耦合到腔的内部。这有助于使用收发器电路进行子太赫兹电磁询问，以识别使腔中的偶极分子气体的电磁吸收最大化的量子旋转跃迁频率，以提供参考时钟信号。

附图说明

图1是基于旋转跃迁的时钟设备的部分透视图，其具有偶极分子蒸汽室及用于提供参考时钟信号的相关联收发器电路。

图2是偶极水分子的三种旋转模式的简化图。

图3是随频率变化的各种气体的旋转模式的图，其具有在可识别的量子跃迁频率下的针对低压力水蒸汽的高相对吸收。

图4是通过室的传输系数与室内不同压力水平的询问频率的图。

图5是制造蒸汽室的方法的流程图。

图6是经历蚀刻工艺以形成腔的第一衬底的部分侧视图。

图7是经历沉积操作以在腔底部及侧壁上形成导电材料的第一衬底的部分侧视图。

图8是具有导电内部腔表面的第一衬底的透视图。

图9是经历沉积工艺以在其底部侧上形成导电材料的第二衬底的部分侧视图。

图10是经历蚀刻工艺以形成通过底部侧上的导电材料的非导电孔的第二衬底的部分侧视图。

图11是经历沉积工艺以在其顶部侧上形成导电材料的第二衬底的部分侧视图。

图12是经历蚀刻工艺以在顶部侧上形成第一及第二导电耦合结构及电子带隙结构的第二衬底的部分侧视图。

图13是在与第一衬底结合之前的第二衬底的部分侧视图。

图14是在与第一衬底结合之前的第二衬底的透视图。