(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップスケール原子時計（１０）を構築する方法であって、本方法は、
前記チップスケール原子時計内の、レーザー（１１０）および少なくとも１つの他の部品を含む部品のために台（１００）を提供するステップと、
前記部品を前記台に位置決めするステップと、を有し、前記レーザーの放射面は、前記少なくとも１つの他の部品の部分反射面（１）に非平行である、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記方法はさらに、
台開口部（１２５）に隣接して少なくとも１つのポスト（２２）を位置決めするステップを有し、前記台開口部は前記少なくとも１つの部品（１２０）の１つに関連付けられ、
前記部品を台（１００）に位置決めするステップは、
前記少なくとも１つの他の部品の１つを、前記少なくとも１つのポストに取り付け、前記少なくとも１つの部品の１つが前記台開口部に傾斜して広がる、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記台（１００）は、底部台区域（１１４）と、頂部台区域（１４４）と、中間台区域（８０）と、を有し、前記中間台区域は、前記底部台区域と前記頂部台区域との間に位置し、前記中間台区域は、それぞれ前記底部台区域から前記頂部台区域まで延びる中心線（３０）に整合された台開口部（１２５）を有し、前記少なくとも１つの部品（１２０）は、中間部品（１６１）を含み、
前記方法はさらに、
前記台開口部の各々の１つの側部（１２９）に隣接して少なくとも１つのポスト（２２０）を位置決めするステップを有し、
前記部品を前記台に位置決めするステップは、
前記中間部品がそれぞれの台開口部に傾斜して広がるように、前記中間部品を前記台開口部の各々の前記１つの側部（１２９）に隣接して少なくとも１つのポスト（２２０）に取り付けるステップを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップスケール原子時計のＶＣＳＥＬを安定化させる設計および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、２０１０年２月４日に出願された米国仮出願第６１／３０１４９７号の利益を主張し、この出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、米国空軍との契約第ＦＡ８６５０−０１−Ｃ−１１２５による政府の支援のもとでなされた。政府は本発明に関して一定の権利を有する。
【０００３】
チップスケール原子時計（Chip-Scale Atomic Clocks, ＣＳＡＣ）は、典型的にはルビジウム（Ｒｂ）またはセシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属の気相セルを有する。光学ビームは気相を通って、コヒーレントポピュレイショントラッピング（coherent population trapping, ＣＰＴ）と呼ばれる現象において超微細遷移を励起する。例示的なルビジウムベースのＣＳＡＣは、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を用いてＤ１超微細遷移を励起することで動作し、ＶＣＳＥＬは、７９５ｎｍにおける広い吸収のために調整され、３．４１７ＧＨｚ、正確にはＤ１遷移周波数の半分、のラジオ周波数（ＲＦ）で変調される。ＣＳＡＣ開発の初期のころは、容易に入手できる８５２ｎｍのＶＣＳＥＬが、１３３Ｃｓ蒸気の超微細遷移を励起するために用いられたので、ＣｓがＲｂより好まれた。より最近では、７９５ｎｍのＶＣＳＥＬが成熟してきており、Ｒｂが好まれるようになってきている。ルビジウムは、より簡単なゼーマン構造（Zeeman structure）を備えており、これはＣｓの場合よりもよい信号対ノイズ比を提供する。また、ルビジウムは、Ｃｓよりも低い蒸気圧を備え、これはＣＳＡＣがより高い温度で動作することを可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＣＳＡＣはベンチトップ原子時計の単なる縮小バージョンではない。ＣＳＡＣに独特ないくつかの特性は、安定性、場内での性能、ＣＳＡＣの信頼性に支配的である。重要な特性の１つは、気相セルに通される光学パワーの安定性である。チップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）は、非常に安定した波長の放射を放出し、安定な出力パワーを備えるために、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）のようなレーザーを必要とする。光学パワーレベルまたは波長が変化したら、ＣＳＡＣの気相セル内の蒸気はＡＣシュタルクシフト（AC
stark shift）し、これがＣＳＡＣのクロック周波数を変化させる原因となる。
【０００５】
レーザーから発された光学ビームは、ＣＳＡＣ内のいくつかの部分反射表面により反射される。レーザーから発される光学ビームのいくつかの部分が、ＣＳＡＣ内のいくつかの部反射表面の１つからレーザーに反射されると、光学フィードバック効果により、レーザーの波長および／または出力パワーレベルが変化する。この光学フィードバックは、ノイズを形成し、また、出力光学ビームのパワーを変化させ、これらはノイズを形成し、またＣＳＡＣのクロック周波数を変化させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、チップスケール原子時計を構築する方法に関する。本方法は、チップスケール原子時計内の部品のための台を提供するステップを含む。この部品は、レーザーおよび少なくとも１つの他の部品を含む。また、本方法は、随意に、レーザーの放射面が少なくとも１つの他の部品の部分反射面と非平行になるように、部品を台の上に位置決めするステップを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明によるＣＳＡＣの実施形態の断面図である。
【図２】本発明によるＣＳＡＣの実施形態の断面図である。
【図３】本発明による、台の開口を示す上面図である。
【図４】図２の台の上に位置決めされるレーザーおよび他の部品の実施形態を示す図である。
【図５】本発明による、台の上に位置決めされたレーザーおよび他の部品の実施形態を示す図である。
【図６】複数の他の部品およびポートを有するウェハの実施形態を示す図である。
【図７】ＶＣＳＥＬと作動的に位置決めされた４分の１波長プレートの例の上面図である。
【図８】本発明による、台の上に位置決めされた例示的な気相セルの上面図である。
【図９】本発明による、チップスケール原子時計を構築する方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図１０】本発明による、チップスケール原子時計を構築する方法の一実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一般的な実務慣行のように、説明される様々な特徴は、寸法決め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。図面および文章を通じて、同様の参照符号は同様の要素を示す。
【０００９】
レーザーへの光学フィードバックを防止するために、本明細書で説明される方法およびシステムは、反射される光がレーザー（たとえばＶＣＳＥＬ）に有害でない方向に向けられるように、ＣＳＡＣ内の部品の部分反射面を故意に傾ける方法を提供するパッキング技術を開示する。これらの技術は、時間にわたって、レーザーを安定した波長および安定した光学パワー出力に維持することを可能にする。
【００１０】
外部キャビティＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬダイ自身の表面の上に、部分反射面（たとえばミラー）を備えるＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬに向けて反射する部分反射面は、ＶＣＳＥＬ内への光学パワーの一部をフィードバックすることによりレーザーキャビティの一部になる。このフィードバックは、ＶＣＳＥＬのどのモード（単一または複数）がフィードバックされるかに依存して、レーザー波長、出力パワー、および出力電磁場の偏光に影響を与える。ＣＳＡＣの物理パッケージは、複数の部分反射面を含み、これらは、ＶＣＳＥＬのキャビティに関する外部キャビティを形成する。本明細書において、ＣＳＡＣ物理パッケージは、ハンドリングおよび動作のためにパッケージされるＣＳＡＣの装置である。
【００１１】
これらの実施形態の一実施形態において、レーザーは、ＣＳＡＣ内の他の部品に向けて光を発するように端部に作動的に配置されるエッジ発光レーザーである。この場合、エッジ発光ダイ自身の表面の上の部分反射面は、エッジ発光レーザーキャビティの外部キャビティを形成する。ＣＳＡＣ内のＶＣＳＥＬをアライメントすることは、ＣＳＡＣ内のエッジ発光レーザーをアライメントすることよりも容易であり、それゆえ、ＶＣＳＥＬが以下の議論で言及される。
【００１２】
部分反射面からＶＣＳＥＬへの光学フィードバックは、表面の反射率（これは入射波長の関数である）の関数であり、また、ＶＣＳＥＬと部分反射面との間の距離の関数である。ＶＣＳＥＬの放射表面と部分反射面との間の距離のサブオングストロームの変化は、フィードバックの大きさに影響を与える。空間がλ／２変化すると、フィードバックの位相
の符号が変化する。ここでλはＶＣＳＥＫから発される光学パワーの波長である。レーザー波長λが約８００ｎｍである一実施形態では、空間が約４００ｎｍ変化すると、フィードバックの位相の符号が３６０°または２πラジアン変化する。
【００１３】
複数のギャップを４００ｎｍに制御するのは困難である。それゆえ、部分暗射面を傾ける技術がなければ、不知のおよび変化するＶＣＳＥＬのフィードバックは、物理パッケージから物理パッケージへの光学ビームの制御できない変化を生じさせる。図１および図２は、本発明によるＣＳＡＣの実施形態の断面図を示す。
【００１４】
図１は、物理パッケージ９０内のＣＳＡＣ１０の断面図を示している。ＣＳＡＣ１０は、ハウジング８内に入れられ、リード線１２がＣＳＡＣ１０を動作させるのに用いられる。ＣＳＡＣ１０は、ＶＣＳＥＬ１１０、４分の１波長プレート１２０、気相セル１３０、および検出器１４０を含み、これらは全体が符号１００で示される台により支持されている。本明細書において、台は、複数の部品をそれぞれ支持するように機能する複数の台区域を含む構造物である。複数の台区域は、底部台区域１１４、頂部台区域１４４、および中間台区域８０を含む。中間台区域８０は、第１台区域１２４および第２台区域１３４を含み、これらは底部台区域１１４と頂部台区域１４４との間に配置される。台区域１１４、１２４、１３４、１４４は、それぞれＣＳＡＣ１０のＶＣＳＥＬ１１０、４分の１波長プレート１２０、気相セル１３０、および検出器１４０に関連付けられる。台区域１１４、１２４、１３４、１４４は、全体が符号９５および９６により示されるスペーサにより互いに間隔が隔てられる。この実施形態の１つにおいて、スペーサ９５はシリコンから形成され、スペーサ９６はセラミックから形成される。
【００１５】
第１台区域１２４および第２台区域１３４は、それぞれ開口部（台開口部）を備え、これは図１には示されていない。また、第１台区域１２４および第２台区域１３４は、ここでは第１中間台区域１２４および第２中間台区域１２４ともよばれる。
【００１６】
中間台区域８０の開口部は、底部台区域１１４から頂部台区域１４４に延びる中心線３０に整合している。ＣＳＡＣ１００の４分の１波長プレート１２０および気相セル１３０は、中間台区域８０に関連付けられ、また、中心線３０に整合するように作動的に位置決めされる。具体的には、４分の１波長プレート１２０および気相セル１３０（あるいはここでは中間部品１６１ともいう）は、４分の１波長プレート１２０および気相セル１３０が傾いて台開口部に広がる（延びる）ように中間台区域８０に取り付けられる。４分の１波長プレート１２０または気相セル１３０が、台開口部に傾いて広がる場合、中間部品の部分反射面は、台区域の支持表面に対して鋭角の角度（傾斜角）となる。この角度は、以下で説明するように図２、４、５に示されている。
【００１７】
４分の１波長プレート１２０、気相セル１３０、および検出器１４０は、ここでは「他の部品１６０」とよばれる。他の部品１６０は、互いにおよびＶＣＳＥＬ１１０に対してオフセットしており、また、中心線３０に沿って整合している。ＶＣＳＥＬ１１０から発される電磁放射（または、ここでは出力光学ビームおよび光とよばれる）は、４分の１波長プレート１２０の少なくとも一部、気相セル１３０、および検出器１４０に入射する。この実施形態の１つにおいて、気相セル１３０はルビジウム気相セルである。この実施形態の他の態様において、気相セル１３０はセシウム気相セルである。
【００１８】
図１に示されるように、光は、中心線１３０に平行に、本質的には中心線３０に重なって伝播する。ＣＳＡＣ１０に示される他の部品１６０には７つの部分反射面１−７がある。ＶＣＳＥＬ１１０は、頂部表面１１９を備え、これは放射面１１９ともよばれる。光３００はＶＣＳＥＬ１１０から発され、４分の１波長プレート１２０に向かって伝播する。４分の１波長プレート１２０は、光３００を反射する第１部分反射面１および第２部分反射面２を備える。４分の１波長プレート１２０を通って伝達された光３００は、光３０５として
中心線３０に沿って気相セル１３０に向かって伝播する。気相セル１３０は、光３０５を反射する部分反射面３、４、５、６を備える。気相セル１３０を通って伝達した光３０７は、検出器１４０に向かって伝播する。光３０７は、中心線３０に沿って検出器１４０に向かって伝播し、検出器１４０は、光３０７の入射光学パワーを検出するように動作する。検出器１４０は、光３０７の一部を反射する部分反射面７を備える。検出器１４０は、本質的に部分反射面７に平行な後表面１４１を備える。
【００１９】
図１に示されるように、他の部品１６０は、部分反射面１−７がＶＣＳＥＬ１１０の頂部表面１１９と平行にならないように傾けられる。したがって、この例示的なＣＳＡＣ１０は、部分反射面１−７からＶＣＳＥＬ１１０への反射による光学フィードバックを備えない。この傾き角度は、発散した光学ビーム３００のいかなる部分もＶＣＳＥＬ１１０のレーザーキャビティに向かわないように設計される。
【００２０】
他ＣＳＡＣ内の部品の部分反射面からの反射に関する問題を強調するために、例示的な他の部品１６０の反射に関するいくつかのデータを以下の表１に示す。様々な部分反射面１−７（ここではミラー１−７ともよばれる）の見積もられた反射率は、表１のコラム３に示される。ＶＣＳＥＬ１１０の放射面（頂部表面）１１９と、様々な部分反射面１−７との間の概算距離は、表１のコラム４に示される。例えば、４分の１波長プレート１２０の例示的な部分反射面１は、５％の反射率であり、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９より４２０ｍｍ上にある。
【００２１】
従来技術のＣＳＡＣにおける傾斜しない部品によりＶＣＳＥＬに結合される（正または負）放射される光の一部は、表１のコラム５に示されており、標準化された結合係数が表１のコラム６に示されている。
【００２２】
【表１】
0005623250.tif 000002
【００２３】
図１の例示的な実施形態において、ＣＳＡＣ１０の部分反射面１−７への多くの距離は、シリコンスペーサにより制御される。シリコンの熱膨張率は〜３×１０−６ｐｐｍ／℃である。ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９と、検出器１４０（ここではフォトダイオードともよばれる）の部分反射面８との間の距離は、部分的にセラミックパッケージ９６により制御され、セラミックパッケージ９６は図１に示すハウジング８の少なくとも一部を形成する。多くのセラミックの熱膨張率は〜３−１５×１０−６ｐｐｍ／℃である。全ての層が３×１０−６ｐｐｍ／℃である場合の、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１０から部分反射面へのギャップ（高さ）の変化（オングストローム／℃）が、コラム７に示されている。全体として、シリコンおよびセラミックの熱膨張率は、周囲温度が−４０℃から＋７０℃まで変化するときに、物理パッケージ９０の部品間の空間が１ミクロン程度シフトする原因となる。したがって、この温度範囲にわたり、傾斜していない部品からのＶＣＳＥＬ１１０への反射フィードバックは時計の出力の変化を引き起こすことがあり、秒から年にわたる範囲の時間スケールの変化となり得る。
【００２４】
さらに、シリコンスペーサの全て、およびパッケージ内の様々な部分を接続するハンダの層がある。このハンダは、温度の変化とともに膨張および／または収縮する。ハンダは、膨張および／または収縮のときに周りの層からの応力の変化を受ける。いくつかの場合、応力は、ハンダが恒久的に組成流動する原因になる。応力が最大値にあるときに応力解放イベントが生じないことがあり、また、応力が付与されていくらかの秒、時間、または月が経過した後に応力解放イベントが生じるかもしれない。
【００２５】
同様の傾向として、物理パッケージ９０の様々な部品を支持するポリイミドテザは、ＣＳＡＣ１０が衝撃および振動を受けるときに、ミクロン程度たわむことがあり得る。部分反射面１−７がＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９に対して傾斜していなければ、ＶＣＳＥＬ１１０への反射フィードバックがこれらの衝撃イベントの時に有意に変化し、時計の出力を変化させ、マイクロ秒から秒単位の範囲で時間スケールを変化させ得る。
【００２６】
−７２ｄＢ範囲のカップリングにおいても、フィードバックの位相は、光学パワーの分配および全パワーの大きさに強く影響を与える。１００μＷにおけるＶＣＳＥＬ出力パワーが１％変化すると、１μＷ×１．４×１０−１０Ｈｚ／Ｈｚ／μＷ＝１．４×１０−１０Ｈｚ／Ｈｚ程度の周波数変化を生じさせることが当業界で知られている。パワーの１０％の変化は、１．４×１０−９Ｈｚの時計の周波数の変化を生じさせ、これは、典型的には、ＣＳＡＣの最適な動作に望まれる許容限界を超えている。
【００２７】
この損害を与える光学フィードバックを防止するために、他の部品１６０の部分反射面１−７は、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９に対して、図１に示されるように、他の部品１６０の各々と、支持台１００との間の１つまたはそれ以上のポスト位置だけ傾けられる。
【００２８】
図２は、ＣＳＡＣ１０の実施形態の断面図を示し、同図において、第１台区域１２４および第２台区域１３４のそれぞれの台開口部１２５、１３５が見えるように台が拡大されている。台開口部１２５、１３５は、底部台区域１１４から頂部台区域１４４まで延びる中心線３０に整合している。４分の１波長プレート１２０、気相セル１３０、検出器１４０のＶＣＳＥＬ１１０から発される光に対する構成は、図１とともに上述した。
【００２９】
図３は、本発明による台開口部１２５の上面図を示す。例示的な台開口部１２５は、第１台区域１２４に形成されて示されている。例示的な台開口部１２５は、概ね矩形であるが、円形、楕円形、正方形、または不規則形状とすることもできる。台開口部１２５の一
方の側部はエッジ領域１２９である。台開口部１２５の反対側の側部はエッジ領域１２８である。ここで、エッジ領域とは、台の台区域内に形成される台開口部に近接した台区域の領域であり、このエッジ領域の少なくとも一部に部品を作動的に取り付けることができる。
【００３０】
エッジ領域１２９の２つの円形領域２２０は、４分の１波長プレートが作動的に第１台区域１２４上に位置決めされるときに２つのポストが第１台区域１２４に接続される場所を示している。この実施形態の１つの実装形態において、エッジ領域１２９の２つの円形領域２２０は、エッジ領域１２９にボンドパッドが形成される場所を示す。ボンドパッドは、以下で詳述されるように、ハンダおよび／またはポストを取り付けるために使用することができる。この実施形態の他の実装形態において、ボンドパッドは、エッジ領域１２９に形成される。この場合、エッジ領域１２９内のボンドパッドは、４分の１波長プレート１２０の１つのエッジをエッジ領域１２９にハンダ固定するのに用いられる。
【００３１】
第２台区域１３４内に形成される台開口部１３５は、第１台区域１２４に図示されたものと構造および機能が類似している。台開口部１２５、１３５を他の形状にすることも可能であり、以下で説明される図８に示す気相セル１３０のための不規則形状の台開口部１３４を含む。
【００３２】
図４は、図２の台上に位置決めされる動作レーザーおよび他の部品の実施形態を示す。具体的には、図２の台１００の下半分の拡大図が図４に示されている。ＶＣＳＥＬ１１０は、底部台区域１１４の上に支持される熱シンク１１上に位置決めされる。この拡大図に示されるように、第１台区域１２４は、台区域１２４の上に静置する層８６を含む。この実施形態の１つの実装形態において、層８６はポリイミドから形成され、台開口部１２５層は支持リング８５に囲まれる。支持リング８５は、台開口部１２５の両側に２つの矩形の部品として断面図で示されている。支持リング８５はシリコンで形成することができる。この構成は、ポリイミドが熱伝導性ではないので、４分の１波長プレートをＶＣＳＥＬ１１０から熱的に分離する。４分の１波長プレート１２０を主台１００から熱的に分離し、４分の１波長プレート１２０を台開口部１２５の上で傾斜させて支持するような他の構成も可能であり、本明細書を読み理解することで、そのような構成は当業者に理解可能である。
【００３３】
図４に示されるように、４分の１波長プレート１２０は、第１台区域１２４上の支持ポスト２０により傾斜させられている。（層８６内の）第１台区域１２４のエッジ領域１２９およびエッジ領域１２８は、図４に断面が示されている。
【００３４】
ポスト２２０は、エッジ領域１２９上の接着材料５１により、第１台区域１２４のエッジ領域１２９に取り付けられる。この実施形態の１つの実装形態において、接着材料５１はエポキシであり、ポスト２２０は光でパターン形成可能なプラスチックである。この実施形態の他の実装形態において、接着材料５１は高温度ハンダドットであり、ポスト２２０は、高温度ハンダドット上に形成された低温度ハンダである。この実施形態のさらに他の実装形態において、接着材料５１は高温度ハンダドットであり、ポスト２２０は、高温ハンダドット上に形態された電気めっきポストである。材料の他の組み合わせを、接着材料５１およびポスト２２０を形成するのに用いることもできる。
【００３５】
４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６は、ポスト２２０上に位置決めされる。したがって、この実施形態において、４分の１波長プレート１２０がポスト２２０上に位置決めされる前に、ポスト２２０が第１台区域１２４のエッジ領域１２９に取り付けられる。エッジ部分１２６の反対側である４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７は、第１台区域１２４のエッジ領域１２８上に支持および取り付けられる。ここで、部品のエッジ部分とは、部品のエッジに向かう部品の部分であり、また、部品が台に取り付けられる
ときに関連する台区域に隣接する部分である。接着剤５５がエッジ部分１２７をエッジ領域１２８に取り付ける。接着剤５５はハンダまたはエポキシとすることができる。このような手法において、４分の１波長プレート１２０は、傾斜して台開口部１２５に広がり、４分の１波長プレート１２０の第１部分反射面１および第２部分反射面２が、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９に非平行になる。図４に示すように、４分の１波長プレート１２０の第１部分反射面１と台開口部１２５を備える第１台区域１２４との間の例示的な傾斜角度αがある（ここでは傾斜角αともいう）。
【００３６】
同様に、ＣＳＡＣ１０（図２）内の任意の他の部品（たとえば、気相セル１３０）は、中間台区域（たとえば第３台区域１３４）上に位置決めされて、他の部品が傾斜して台開口部（たとえば台開口部１３５）に渡り、他の部品（たとえば気相セル１３０）の任意の部分反射面（たとえば部分反射面３−６）が、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９に非平行になる。
【００３７】
４分の１波長プレート１２０は、台開口部１２５に広がり、台開口部１２５を通って伝播する放射される光３００は、第１部分反射面１上に入射する。入射光３００の一部は、反射されて光３０１になる。図２、４、５において、光３００は、矢印により示され、標準光線光学系により光３００の伝播方向を示している。第１部分反射面１におけて伝達される光３０２の一部は、第２部分反射面２において反射されて光３０３となる。光３０３の一部は、第１部分反射面１において伝達されて光３０４になる。４分の１波長プレート１２０は傾斜して台開口部１２５に広がるので、光３０１および光３０４は、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９から離れる方向に導かれ、４分の１波長プレート１２０からＶＣＳＥＬ１１０への光学フィードバックが生じない。
【００３８】
同様に、本明細書を読み理解することで、任意の他の部品からＶＣＳＥＬ１１０への光学フィードバックが生じないことを当業者は理解することができる。
いくつかの実施形態は、ポストは、以下の３つの工程で形成される。すなわち、１）他の部品１６０を保持する台（構造物）１００上に高温度ハンダドットを堆積させ、２）他の部品１６０を保持する台（構造物）１００上に高温度ハンダドットをリフローさせ、および、３）ａ）台開口部１２５のエッジ領域１２９上の高温度ハンダドット上に低温度ハンダを付与するか、または、ｂ）台開口部１２５のエッジ領域１２９上の高温度ハンダドット上の厚いポストに電気めっきするかの一方を行うことで、ポストが形成される。
【００３９】
この実施形態の１つの実装形態において、厚いニッケルポストは、高温度ハンダドット上に電気めっきされる。他のタイプの金属を高温度ハンダドット上に電気めっきすることができる。余分のハンダにより、または電気めっきにより高さが増加された高温度ハンダドットは、他の部品１６０に傾斜を提供する。この場合、４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６は、第１台区域１２４のエッジ領域１２９に位置する１つまたはそれ以上の電気めっきの厚いポスト２２０上に配置され、一方で、４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７は、第１台区域１２４のエッジ領域１２８上のリフローされた高温度ハンダドット（図４に示される接着剤５５）上にさらされるように配置される。第１台区域１２４および第２台区域１３４のエッジ領域１２９上の形成される高温度ハンダドットは、台の表面と、部分反射面の少なくとも１つとの間の傾斜角度αを提供するために形成される。
【００４０】
この実施形態の他の実装形態において、高温度ハンダドットは、第１台区域１２４および第２台区域１３４のエッジ領域１２９上に形成された高温度ハンダドット上に低温度ハンダを付与することにより形成される。低温度ハンダは、リフローされた高温度ハンダの頂部に直接的に付与される。高温度ハンダを受け取ることが予定されたボンドパッドは、高温度ハンダを受け取らないボンドパッドよりもサイズが大きい。実施形態において、高
温度ハンダを受け取るボンドパッドは２５０μｍの直径であり、高温度ハンダは、１５０μｍから２５０μｍの範囲のハンダ厚さを備える。
【００４１】
この実施形態のさらに他の実装形態において、高温度ハンダドットは、第２台区域１３４のエッジ領域上に形成された高温度ハンダドット上に電気めっきされた厚いニッケルポストをめっきすることにより形成される。
【００４２】
検出器１４０は、頂部台区域１４４の領域１４８（図２）上に形成された高温度ハンダドットを形成することにより傾斜させられる。領域１４８上に形成される高温度ハンダドットは、高温度ハンダドットの上に低温度ハンダを付与するか、または、頂部台区域１４４の領域１４８上の高温度ハンダドット上に電気めっきすることにより形成することができる。
【００４３】
図５は、図２の台の上に位置決めされる動作レーザーおよび他の部品の実施形態を示す。具体的には、図５には、図２の台の下半分の拡大図が示されている。図５は、第１台区域１２４に取り付けられる前に、図５のポスト２２１が４分の１波長プレート１２０（または他の部品１６０のうちの１つ）のエッジ部分１２６の上に取り付けられているという点で、図４と異なる。
【００４４】
具体的には、ポスト２２１は、４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６に取り付けられ、その後、接着材料１７１により、第１台区域１２４のエッジ領域１２９上に取り付けられる。エッジ部分１２６の反対側である４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７は、第１台区域１２４のエッジ領域１２８上に支持される。接着剤５５は、４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７を、第１台区域１２４のエッジ領域１２８に取り付ける。このようにして、４分の１波長プレート１２０は、傾斜角度αで台開口部１２５に広がり、４分の１波長プレート１２０の第１部分反射面１および第２部分反射面２が、ＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９と非平行になる。
【００４５】
図６は、複数の４分の１波長プレート１２０およびポスト２２１を有するウェハ３５０の実施形態を示す。また、ウェハ３５０は、気相セル１３０または気相セル１３０の一部を含むことができる。図６に示されるように、ポスト２２１は、それぞれの４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６上に形成される。この実施形態の１つの実装形態において、ポスト２２１は、ＳＵ８又はエポキシのような光パターン形成可能なプラスチックから形成される。光パターン形成可能なプラスチックは、それぞれの数百ミクロン程度の高さを備える４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６において、１つまたはそれ以上のポスト２２１がパターン形成される。この実施形態の１つの実装形態において、ポスト２２１は、光パターン形成可能なプラスチックにより形成されて、ポスト２２１上にハンダ（たとえば図５に示される接着剤７１）はパターン形成され、ハンダ（たとえば接着剤５５）がそれぞれの４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７上にパターン形成される。このようにして、ウェハ３５０内の各４分の１波長プレート１２０は、（ウェハ３５０が切断された後）４分の１波長プレート１２０が傾斜して台開口部１２５に広がるように、取り上げられて台１００の第１台区域１２４上に配置される準備ができる。
【００４６】
この実施形態の他の実装形態において、ポスト２２１はシリコンから製造され、取り上げられてそれぞれの４分の１波長プレート１２０の準備されたエッジ部分１２６上に配置される。準備されるエッジ部分１２６は、シリコンポスト２２１をそれぞれの４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２６に取り付けるために、接着剤が準備される。たとえば、ポスト２２１は、４分の１波長プレートダイの一方の側部（エッジ部分１２６）にハンダまたはエポキシが付与され、ハンダバンプがポスト２２１上および４分の１波長プレートダイのエッジ部分１２７上に形成される。
【００４７】
気相セルおよび検出器１４０を用意するために、気相セル１３０および検出器１４０の裏面１４１（図１）にポスト３０を付与する類似のプロセスが用いられ、ＣＳＡＣ１０への光学フィードバックが生じないように動作のために傾斜させられる。
【００４８】
図７は、ＶＣＳＥＬ１１０とともに作動的に位置決めされる例示的な４分の１波長プレート１２０の上面図を示す。ＶＣＳＥＬ１１０は、４分の１波長プレートを通して見ているので破線の四角で示される。例示的なＶＣＳＥＬは、ｙ軸に沿って直線偏光する光３００を放射する。
【００４９】
この例示的な実施形態において、４分の１波長プレート１２０は全体が符号２２５で示される溝を含み、溝は、座標系（ｘ、ｙ、ｚ）におけるｘ、ｙ、ｚのベクトルに関して示されるベクトル７６に平行に延びる。４分の１波長プレート１２０ダイが、溝２２５の方向に直交して（すなわちベクトル７５に平行な軸の周りで）傾斜する場合、４分の１波長プレート１２０の光学特性は、悪影響を受けるであろう。したがって、４分の１波長プレート１２０は、４分の１波長プレート１２０の溝２２５に直交する軸の周りに傾斜される。この実施形態の１つの実装形態において、ウェハ３５０（図６）の４分の１波長プレート１２０ダイは、４分の１波長プレート１２０の溝２２５に直交するように切断される。動作に関して、４分の１波長プレート１２０は、第１台区域１２４上に位置決めされ（図２）、溝２２５が、４分の１波長プレート１２０のほぼ中央に入射するように示される光３００の偏光方向（ｙ軸）に対して４５°になるようにする。４分の１波長プレート１２０は、４分の１波長プレート１２０のエッジ１２３を中心に約５°から約８．５°だけ回転され、４分の１波長プレート１２０の表面３がＶＣＳＥＬ１１０の出力面１１９に非平行になるようにする。エッジ１１３は４分の１波長プレート１２０の溝２２５に平行である（すなわち、ベクトル７５に平行である）。この実施形態の１つの実装形態において、４分の１波長プレート１２０のエッジ部分１２７と反対側のエッジ部分１２６との間の中心間の空間は、約８００μｍである。この場合、第１台区域１２４のボンドパッド間の分離距離は約８００μｍである。
【００５０】
図８は、本発明による、第２台区域１３４上に位置決めおよび取り付けられる例示的な気相セル１３０の上面図を示している。気相セル１３０は、エッジ部分２２６の反対側のエッジ部分２２７を含む。この実施形態の１つの実装形態において、気相セル１３０のエッジ部分２６６、２２７の中心間の空間は１６６０μｍである。この場合、第２台区域１３４上のボンドパッド間の分離距離は１６６０μｍである。
【００５１】
表２は、他の部品１６０上のボンドパッド間の空間、および例示的なＣＳＡＣに結合された後の傾斜角度を示す。ボンドパッド間の離間距離は、ほぼ他の部品１６０（図１）の対向するエッジ部分からの距離である。この実施形態の一実装形態において、ＶＣＳＥＬから発される光学ビーム３００の最大半値幅（ＦＷＨＭ）がほぼ７°であるので、４分の１波長プレート１２０の傾斜角度は７°以上である。ボンドパッド間の離間距離は、第１台区域１２４、第２台区域１３４、および頂部台区域１４４の例示的な台設計により異なるものとすることができる。
【００５２】
【表２】
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【００５３】
したがって、図１−８で説明されるように、台１００上に配置されるチップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）の複数の実施形態があり、これらにおいて、チップスケール原子時計１０は、台１００の底部台区域１１４の表面上に位置決めされる垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）１１０と、第１中間台区域１２４上に位置決めされる４分の１波長プレート１２０と、第２中間台区域１３４上に位置決めされる気相セル１３０と、頂部台区域１４４上に位置決めされる検出器１４０と、を有し、気相セル１３０の部分反射面１−７はＶＣＳＥＬ１１０の放射面１１９に非平行にされる。
【００５４】
図９は、チップスケール原子時計を構築する方法９００の一実施形態のフロー図である。この実施形態の１つの具体例において、方法９００にいて構築されるＣＳＡＣは、図２−８とともに上述したＣＳＡＣ１０である。しかし、ＣＳＡＣの他の実施形態を用いて方法９００を実行することができ、本明細書を読んだ当業者にそれが理解可能である。
【００５５】
ブロック９０２において、チップスケール原子時計内の部品のための台が提供される。この部品には、レーザーおよび少なくとも１つの他の部品が含まれる。ブロック９０４において、台１００上に部品が作動的に位置決めされ、レーザー１１０の放射面１１９が、少なくとも１つの他の部品１６０の部分反射面に非平行になるようにされる。この実施形態の１つの実行例において、少なくとも１つの他の部品１６０は、４分の１波長プレート１２０と、気相セル１３０と、検出器１４０とを含む。この実施形態の他の実行例において、追加の他の部品が他の部品に含まれる。
【００５６】
この実施形態の１つの実行例において、第１中間台区域において、少なくとも１つのポストが台開口部に隣接して位置決めされ、第１の他の部品が少なくとも１つのポストに取り付けられて、第１中間台において第１の他の部品が台開口部に傾斜して広がるようにされる。追加的に、少なくとも１つのポストが第２の他の部品の部分反射面上に位置決めされ、このポストがそれぞれの台開口部に隣接して配置されて、第２中間台において第２の他の部品が傾斜して台開口部に広がるようにされる。
【００５７】
この実施形態の他の実行例において、ポストは、第１中間台区域および第２中間台区域の両方において台開口部に隣接して位置決めされ、第１の他の部品および第２の他の部品のそれぞれがポストに取り付けられ、第１中間台区域および第２中間台区域の台開口部に傾斜して広がるようにされる。
【００５８】
この実施形態のさらに他の実行例において、少なくとも１つのポストは、第１の他の部品および第２の他の部品のそれぞれの部分反射面上に位置決めされる。それぞれのポストは、それぞれの台開口部に隣接して位置決めされ、第１の他の部品および第２の他の部品が、中間台区域のそれぞれの台開口部に傾斜して広がるようにされる。
【００５９】
この実施形態のさらに他の実行例において、少なくとも１つのポストは、第２中間台区域において台開口部に隣接して位置決めされ、第２の他の部品が少なくとも１つのポストに取り付けられ、第２の他の部品が第２中間台区域の台開口部に傾斜して広がるようにされる。追加的に、少なくとも１つのポストが、第１の他の部品の部分反射面上に位置決めされ、このポストが台開口部に隣接して配置されて、第１の他の部品が第１中間台区域の台開口部に傾斜して広がるようにされる。
【００６０】
この実施形態の他の実行例において、ポストは４分の１波長プレート上にパターン形成され、４分の１波長プレートはウェハ上にあり、ポストは気相セル上にパターン形成され、気相セルの少なくとも一部はウェハ上にある。この実施形態の他の実行例において、ポストは４分の１波長プレート上にパターン形成され、４分の１波長プレートはウェハ上にあり、ポ
ストは取り上げられて気相セル上に配置される。この実施形態のさらに他の実行例において、ポストは取り上げられて４分の１波長プレート上に配置され、ポストは、４分の１波長プレート上の気相セル上にパターン形成され、４分の１波長プレートはウェハ上にある。この実施形態のさらに他の実行例において、ポストは取り上げられて４分の１波長プレート上に配置され、ポストは取り上げられて気相セル上に配置される。他の部品１６０上の各ポストに関し、台１００上に関連するボンドパッドがある。
【００６１】
したがって、レーザーの放射面に対して部分反射面を傾けるために、ＣＳＡＣの実施形態は、方法９００により複数の異なる仕方で構築することができる。
図１０は、チップスケール原子時計を構築する方法１０００の１つの実施形態のフロー図を示している。この実施形態の１つの実行例において、方法１０００において構築されるＣＳＡＣは、図２−８に関して上述したＣＳＡＣ１０である。しかし、方法１０００は他のＣＳＡＣの実施形態で実行することもでき、これは本明細書を読んだ当業者に理解可能である。
【００６２】
ブロック１００２において、底部台区域１１４がＶＣＳＥＬ１１０のために提供される。ブロック１００４において、第２台区域１２４が４分の１波長プレート１２０のために提供される。ブロック１００６において、第３台区域１３４が気相セル１３０のために提供される。ブロック１００８において、頂部台区域１４４が検出器１４０のために提供される。
【００６３】
ブロック１０１０において、ＶＣＳＥＬ１１０が第１台区域１１４の表面１１５上に位置決めされる。この実施形態の１つの実行例において、表面１１５は、熱シンク１１１の頂部表面である。ＶＣＳＥＬ１１０は、光３００が４分の１波長プレート１２０に向かって導かれるように位置決めされる。
【００６４】
ブロック１０１２において、４分の１波長プレート１２０は、第１中間台区域１２４と、４分の１波長プレート１２０の部分反射面１との間に位置する少なくとも１つの第１ポスト２２０上で傾斜させられる。この手法において、４分の１波長プレート１２０は、第２中間台区域１２４の台開口部１２５に広がる。光３００は、ＶＣＳＥＬ１１０から伝播し、台開口部１２５を通り、４分の１波長プレート１２０上に非垂直に入射する。４分の１波長プレート１２０を通る光３００は、光３０５で参照される。ブロック１０１４において、気相セル１３０が、第２中間台区域１３４と気相セル１３０の部分反射面３との間に位置する少なくとも１つのポスト２３０上に傾斜させられる。この手法において、気相セル１３０は、第２中間台区域１２４の台開口部１２５に広がる。光３０５は４分の１波長プレート１２０から伝播し、台開口部１５５を通り、気相セル１３０上に非垂直に入射する。気相セル１３０を通る光３０５は光３０７で参照される。
【００６５】
ブロック１０１６において、検出器１４０は、検出器１４０の後面１４１と頂部台区域１４４との間に位置する少なくとも１つの第３ポスト上に傾斜させられる。少なくとも１つのポスト２４０は、頂部台区域１４４と検出器１４０の後ろ表面１４１のエッジ部分４２７との間に位置決めされる。この手法において、気相セル１３０を通る光３０７は、検出器１４０の部分反射面７上に非垂直に入射する。
【００６６】
この構成において、レーザー１１０から発される光学ビームのいかなる部分も、ＣＳＡＸ１０内の複数の部分反射面１−７で反射されてレーザー１１０に戻ることがない。それゆえ、レーザーの波長および／または出力パワーレベルは、光学フィードバック効果により変化することがなく、ＣＳＡＣ１０のクロック周波数が安定である。
【００６７】
具体的な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
任意の構成が説明した具体的な実施形態に代替可能であることが当業者に明らかであろう。本願は、本発明の任意の調整及び変更を包含することを意図している。それゆえ、請求項およびその均等物によってのみ限定されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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