(57)【要約】      （修正有）【課題】原子時計に使用するためのアルカリ電池を利用した飽和吸収分光システムにおいて、周波数固定光信号を生成するために使用される信号の信号対雑音比を減少させる装置を提供する。【解決手段】装置は、基板１０３と、基板の中又は上の低屈折率領域と、光導波路１０２と、カバー１０７であって、低屈折率領域及び光導波路のうちの少なくとも一部が、カバーの下に気密封止されている、カバーと、低屈折率領域及びカバーによって形成されている、チャンバ１０１と、原子と、原子を含み、かつ第１の屈折率を有する、チャンバ内の環境と、低屈折率領域の上方、かつチャンバ内に形成されている光導波路のセグメントと、を備え、セグメントが、第１の屈折率と実質的に等しい第２の屈折率を有する。【選択図】図１Ｂ
2019192902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
基板（１０３、４０３）と、
前記基板の中又は上の低屈折率領域（１０３Ｂ、１０９、４０３Ｂ、４０９）と、
光導波路と、
カバー（１０７、１１５、１１７、４０７、４１５、４１７）であって、
前記低屈折率領域及び前記光導波路のうちの少なくとも一部が、前記カバーの下に気密封止されている、カバーと、
前記低屈折率領域及び前記カバーによって形成されている、チャンバ（１０１）と、
原子（１０４、４０４）と、
前記原子を含み、かつ第１の屈折率を有する、前記チャンバ内の環境（１１２、４１２）と、
前記低屈折率領域の上方、かつ前記チャンバ内に形成されている、前記光導波路のセグメントと、を備え、
前記セグメントが、前記第１の屈折率と実質的に等しい第２の屈折率を有し、
前記原子が、アルカリ原子であり、前記セグメントが、多孔質誘電体である、装置。
【請求項２】
前記低屈折率領域が、前記基板内のトレンチ（１０９、４０９）又は前記基板内の多孔質誘電体を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
方法であって、
アルカリ原子の電子をより高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光ポンプ信号を、光導波路の第１のポートに注入すること（３３０）と、
アルカリ原子の電子を、光プローブ信号の電力レベルが前記光ポンプ信号の電力レベル未満である、より高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光プローブ信号を、前記光導波路の第２のポートに注入すること（３３２）と、
前記ポンプ信号及び前記プローブ信号を、前記光導波路の少なくとも一部に沿って反対方向に伝搬させること（３３３）と、
エバネッセント場が、２０メガヘルツ以下の分光分析の周波数分解能を得るのに十分な時間量の間、アルカリ原子と相互作用するように、前記光導波路の少なくとも一部の外側で前記光ポンプ信号及び前記光プローブ信号のうちの少なくとも一方のエバネッセント場を拡張すること（３３４）と、
前記光導波路からの前記第２のポートから発生する前記光プローブ信号の前記電力レベルを検出すること（３３６）と、
前記周波数が、前記光ポンプ信号及び前記光プローブ信号が前記光導波路を通って伝搬する前記軸に直交する方向に移動する少なくとも１つのアルカリ原子の電子を、より高いエネルギーレベルに励起する前記光ポンプ信号を生じる周波数に等しくなるように、前記検出された光プローブ信号の電力レベルに基づいて、前記光ポンプ信号の前記周波数を調整すること（３３８）と、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
原子時計は、飽和吸収分光システムを使用して、周波数基準として使用するための周波数ロックされた（又は安定化された）光信号を生成する。原子時計の小型化に対する需要に起因して、一体型分光システムに対する要望がある。
【０００２】
飽和吸収分光システムは、アルカリ蒸気電池としても知られるアルカリ電池を利用する。一体型アルカリ電池を実現するために、中空コア平面光導波路が提案されている。米国特許第７，１２７，１４６号は、例示的な中空コア平面光導波路を示し、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【０００３】
しかしながら、中空コア平面導波路の光損失は、アルカリ電池を用いて生成され周波数固定光信号を生成するために使用される信号の信号対雑音比を減少させる。結果として、周波数ロックされた光信号は、望ましくないほど高い周波数雑音を有する。周波数ロックされた光信号が原子時計の基準として使用されるとき、増加した周波数雑音は、原子時計の精度を低下させる。したがって、より低い損失を有する一体型アルカリ電池が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
装置が提供される。装置は、基板と、基板の中又は上の低屈折率領域と、光導波路と、カバーであって、低屈折率領域及び光導波路のうちの少なくとも一部が、カバーの下に気密封止されている、カバーと、低屈折率領域及びカバーによって形成されている、チャンバと、原子と、原子を含み、かつ第１の屈折率を有する、チャンバ内の環境と、低屈折率領域上に、かつチャンバ内に形成されている光導波路のセグメントと、を備え、セグメントが、第１の屈折率と実質的に等しい第２の屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
図面は例示的な実施形態のみを示し、したがって範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解した上で、例示的な実施形態を添付の図面を使用して更なる具体性及び詳細と共に説明する。
【０００６】
【図１Ａ】多孔質アンクラッド導波路を用いて実施されたアルカリ電池の一実施形態の平面図を示す。
【図１Ｂ】多孔質アンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池の一実施形態の断面図を示す。
【図１Ｃ】多孔質アンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池の別の実施形態の断面図を示す。
【図１Ｄ】多孔質アンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池の更なる実施形態の断面図を示す。
【図２Ａ】多孔質アンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池を使用する飽和吸収分光システムの一実施形態のブロック図を示す。
【図２Ｂ】多孔質のアンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池を使用する飽和吸収分光システムの別の実施形態のブロック図を示す。
【図３】改良された飽和吸収分光システムの例示的な動作方法を示す。
【図４】多孔質のアンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池を作製する例示的方法を示す。
【０００７】
慣例に従って、記載された様々な特徴は一定の縮尺で描かれているのではなく、例示的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれている。参照文字は、図及び本文を通して同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、図面には特定の例示的な実施形態を例として示す。しかしながら、他の実施形態が利用されてもよく、構造的、機械的、及び電気的な変更がなされてもよいことが理解されるべきである。更に、図面及び明細書に提示された方法は、個々の工程が実行され得る順序を限定するものとして解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【０００９】
多孔質のアンクラッド導波路で実装されたアルカリ電池を使用して、上記の問題を克服することができる。多孔質アンクラッド導波路の実施形態は、少なくとも１つの利点を有する。多孔質アンクラッド導波路は、中空コア平面導波路よりも損失が少ない。多孔質アンクラッド導波路は、光信号が多孔質アンクラッド導波路内に閉じ込められず、これにより、中空コア平面導波路で生じる側壁損失の影響を受けにくいので、損失が少ない。
【００１０】
多孔質アンクラッド導波路は、トレンチ又は多孔質誘電体などの低屈折率を有するように構成された領域上に形成される。低屈折率領域とは、低屈折率を有するように構成された領域、例えば、実質的に１に等しい屈折率を有する環境にあるか又は環境によって浸潤することを意味する。例えば、そのような環境は、低圧環境である。低圧環境の一例は、真空、例えば、真空又はほぼ真空である。低屈折率領域を有するように構成された領域は、所望の光学モードが、多孔質アンクラッド導波路を通って伝播することを可能にする。トレンチ又は多孔質誘電体、及びカバー（又は以下に示されるような均等物）は、低圧環境においてアルカリ原子を封入する。結果として、多孔質アンクラッド導波路（及び使用される場合は多孔質誘電体）は、低屈折率を有する。低屈折率とは、１に実質的に等しい（又は約１）、例えば、１．０８、１．００００１〜１．２又は１．０１〜１．１の屈折率を意味する。
【００１１】
図１Ａは、多孔質アンクラッド導波路（改良型アルカリ電池）１００Ａで実装されたアルカリ電池の一実施形態の平面図を示す。改良型アルカリ電池１００Ａは、低屈折率環境１１２内の気相においてアルカリ原子１０４によって囲まれた多孔質アンクラッド導波路１０２を封入するチャンバ１０１で実装した。図１Ａ〜図１Ｃ及び図４の多孔質アンクラッド導波路１０２内の孔は、周期的に見えるが、代替の実施形態では、孔は、よりランダムに分布し得る。例えば、チャンバ１０１内のアルカリ１０４は、ルビジウム又はセシウムであり得る。チャンバ１０１は、基板１０３内に少なくとも部分的に形成されている。
【００１２】
多孔質アンクラッド導波路１０２は、光導波路である。多孔性は、ある範囲内、例えば、６５〜９５パーセント、８５〜９０パーセント、又は別の範囲であり得る。多孔質アンクラッド導波路１０２は、多孔質アンクラッド導波路１０２の第１の端部に光第１ポート１０８Ａ、及び多孔質アンクラッド導波路１０２の第２の端部に光第２ポート１０８Ｂを有する。任意選択的に、多孔質アンクラッド導波路１０２は、曲がっておらず、第１のポート１０８Ａ及び第２のポート１０８Ｂは、互いに直線的に反対側にある。任意選択的に、図１Ａに示されるように、他の導波路１０６、例えば、クラッド若しくは部分クラッド、又はリブ付き光導波路は、第１の光ポート１０８Ａ及び／又は第２の光ポート１０８Ｂと多孔質アンクラッド導波路１０２のそれぞれの端部との間の界面として機能することができる。
【００１３】
このようにして、他方の導波路１０６及び多孔質アンクラッド導波路１０２は、光導波路を形成する。多孔質アンクラッド導波路１０２は、光導波路のセグメントである。光導波路のセグメントは、低屈折率領域上及びチャンバ１０１内に形成される。光導波路のセグメントは、原子、例えば、アルカリ原子１０４を含む、低屈折率環境１１２の第１の屈折率と実質的に等しい第２の屈折率を有する。
【００１４】
多孔質アンクラッド導波路１０２の長さは、ある範囲内、例えば、３〜７ミリメートル又は別の範囲であり得る。例えば、多孔質アンクラッド導波路１０２の長さは、約５ミリメートルであり得る。他の導波路１０６の長さはある範囲内、例えば、１〜３ミリメートルであり得る。例えば、他方の導波路１０６の長さは約２ミリメートルであり得る。続いて説明されるトレンチ１０９の長さは、典型的には、多孔質アンクラッド導波路１０２の長さと少なくとも同じ長さである。改良型アルカリ電池１００Ａの長さは、例えば、１センチなど様々であり得る。
【００１５】
本明細書で使用されるとき、多孔質アンクラッド導波路１０２は、多孔質材料、例えば、誘電体を意味する。多孔質アンクラッド導波路１０２が低屈折率環境１１２内にあるか又はそれに隣接しているとき、多孔質アンクラッド導波路１０２は低屈折率を有する。環境１１２の低屈折率は、固形物が存在しない領域、例えば、低屈折率を有するアルカリ原子を含む真空を意味する。
【００１６】
低屈折率環境１１２では、多孔質アンクラッド導波路１０２は、光信号、例えば、光を、ほんのわずかしか閉じ込めない。光信号は大部分が、多孔質アンクラッド導波路１０２の外側及び周囲に存在する。任意選択的に、多孔質アンクラッド導波路１０２は、多孔質二酸化ケイ素及び／又は多孔質窒化ケイ素であり得る。代替的に、多孔質アンクラッド導波路１０２は、導波路よりも低屈折率を有する領域、例えば、多孔質材料、例えば、多孔質シリコン、又は多孔質二酸化シリコンの上に形成されてもよい。
【００１７】
以下に示されるように、本発明の実施形態は、低屈折率の領域の上に形成される低屈折率を有する光導波路、例えば、トレンチ又は多孔質の誘電体を含む。図１Ｂは、多孔質アンクラッド導波路（改良型アルカリ電池）１００Ｂで実装されたアルカリ電池の一実施形態の断面図を示す。チャンバ１０１は、低屈折率領域、例えば、基板１０３内のトレンチ１０９の上のカバー１０７によって形成されている。カバー１０７は、後述するように、基板１０３、又は他の材料層に対して気密封止される。任意選択的に、基板１０３は、シリコン基板である。任意選択的に、例えば、５つの側面を有する、カバー１０７は、ホウケイ酸ガラスから作製されている。任意選択的に、トレンチ側壁１１１及びトレンチ底部１１３は、平坦な表面であり得る。代替的に、後述するように、トレンチ側壁１１１及びトレンチ底部１１３は、曲面を有し得る。
【００１８】
多孔質アンクラッド導波路１０２は、例えば、チャンバ１０１の示された断面の実質的に中心に配置されている。（ａ）改良されたアルカリ電池１００Ｂの断面の（示されたＸ軸及びＹ軸によって形成される）平面の、チャンバ１０１の任意の表面（例えば、トレンチ側壁１１１、トレンチ底部１１３、チャンバ１０１のカバー１０７の壁、他の材料の壁１１５、及び／又はチャンバ１０１の任意の壁）と、（ｂ）チャンバ１０１の対応する表面に最も近い多孔質のアンクラッド導波路１０２の表面と、の間に最小の半径方向の間隔Ｒが存在する。この平面は、多孔質アンクラッド導波路１０２の軸方向（Ｘ軸及びＹ軸に直交する）に対して垂直である。
【００１９】
最小半径方向間隔Ｒは、改良型アルカリ電池に結合された光源から戻ってくる分光信号の所望の周波数分解能に基づいて決定される。周波数分解能は、アルカリの原子がエバネッセント光場（多孔質アンクラッド導波路の外側）を通過できる時間によって決定される。例えば、所望の周波数分解能は、２０メガヘルツ未満、例えば、１メガヘルツである。１メガヘルツの分解能の例では、エバネッセント場にアルカリ原子の電子をより高いエネルギーレベルに励起する機会を与えるように、アルカリ原子は、少なくとも１マイクロ秒間、エバネッセント場内に留まらなければならない。結果として、アルカリの原子が存在するチャンバ１０１の壁は、多孔質アンクラッド導波路の最も近い表面から５ミクロン離れていなければならない。例えば、多孔質アンクラッド導波路１０２が、基板１０３の上面１０３と一致する平面上にあるとき、１メガヘルツの周波数分解能を達成することができるように、カバー１０７の側壁の高さ（ｈ２）は多孔質体の高さ（ｈ１）は、多孔質アンクラッド導波路１０２に５ミクロンを加えた数に等しい。
【００２０】
図１Ｃは、多孔質アンクラッド導波路１００Ｃで実装されたアルカリ電池の別の実施形態の断面図を示す。示されたチャンバ１０１は、追加の材料１１５上に第２の基板１１７を含むカバーの別の実施形態が、多孔質アンクラッド導波路１０２、及び低屈折率領域、例えば、基板１０３内の示されたトレンチ１０９を封入することを除いて、図１Ｂに示される実施形態と同様である。追加材料１１５は、トレンチ１０９を除いて、基板１０３の上面（又はエッチングされていない面）１０３Ａ上に形成される。任意選択的に、第２の基板１１７は、シリコンである。任意選択的に、追加の材料１１５は、二酸化ケイ素などの誘電体である。例えば、他の材料層１１５の側壁の高さ（ｈ３）は、１メガヘルツの周波数分解能を得ることができるように、多孔質アンクラッド導波路１０２の高さ（ｈ１）に５ミクロンを加えた数に等しい。
【００２１】
トレンチについて上述したが、示したトレンチは、本発明に必須ではないが、本発明の特定の実施形態でのみ使用することができる。図１Ｄは、多孔質アンクラッド導波路（改良型アルカリ電池）１００Ｄで実装されたアルカリ電池の更なる実施形態の断面図を示す。示された改良型アルカリ電池１００Ｄは、トレンチなしで実施される。多孔質アンクラッド導波路１０２は、多孔質誘電体１０３Ｂの一部分の上、例えば、低屈折率、例えば、アンクラッド導波路１０２の屈折率よりも低い、１．０８を有する多孔質の二酸化ケイ素の上などに形成される。多孔質誘電体１０３Ｂの一部は、基板１０３の上又は中に形成され得る。図１Ｄは、基板１０３上に形成された多孔質誘電体１０３Ｂの一部を示す。更に、図１Ｄは、カバー１０７の使用を示すが、他の材料１１５及び第２の基板１１７を代わりに使用してもよい。
【００２２】
図２Ａは、多孔質アンクラッド導波路（改良型飽和吸収分光システム）２２０Ａで実装されたアルカリ電池を使用する飽和吸収分光システムの一実施形態のブロック図を示す。改良型飽和吸収分光システム２２０Ａは、光ループミラー２２２によって終端された第２のポート２０８Ｂと、第１の光コンバイナ２２３の第１のポートに結合された入力と、を有する改良型アルカリ電池２００を含む。光ループミラー２２２は光コンバイナであり、例えば、単一ポートを有する光カプラであり、単一ポートに入力された光信号の一部は単一ポートで出力される。
【００２３】
改良型アルカリ電池２００の第１のポート２０８Ａに光ポンプ信号２１５が注入される。改良型アルカリ電池２００の第２のポート２０８Ｂに光プローブ信号２１６が注入される。光プローブ信号２１６は、光ループミラー２２２の単一ポートに入射する光ポンプ信号２１５の電力レベルのうちの電力レベルの一部である。光ポンプ信号２１５は、より大きな、例えば、光プローブ信号２１６の電力レベルよりも１０倍〜１００倍の係数だけ大きな電力レベルを有する。
【００２４】
第１の光コンバイナ２２３は、３つのポートを有する。光コンバイナの第２のポートは、光源２２６、例えば、分布帰還型レーザ、分布ブラッグ反射型レーザ、又は他の種類のレーザに結合されている。光コンバイナの第３のポートは、フォトダイオードなどの光検出器２２４に結合されている。第１の光コンバイナ２２３は、光カプラであり得る。第１のポート２０８Ａから（光源２２６に向かって）放射されている光プローブ信号２１６の一部は、光検出器２２４に結合される。光検出器２２４は、光プローブ信号２１６の一部を光プローブ信号２１６の一部の電力レベルを表す電気信号に変換する。光検出器２２４、またこれにより生成される電気信号は、サーボ電子回路２２８に結合される。サーボ電子回路２２８は、変調器及びロックイン検出器を含み得る。サーボ電子回路２２８は、光源の光信号出力の周波数を、分光信号のピークに合わせるために使用される制御信号を生成する。サーボ電子回路２２８及び制御信号は、光源２２６に結合されている。光コンバイナ２２３、光検出器２２４、及びサーボ電子回路２２８は、改良アルカリ電池２００内のアルカリ原子の電子がより高いエネルギーレベルの状態に励起される周波数に対応する周波数に、光源２２６を周波数ロックするために使用されるフィードバックループ２２５を形成する。したがって、フィードバックループは、周波数ロックされた光ポンプ信号を生成する。
【００２５】
任意選択的に、第２の光コンバイナ２２７、例えば、光カプラの第１のポート及び第２のポートは、光源２２６と第１の光コンバイナ２２３との間にそれぞれ挿入される。周波数ロックされた光ポンプ信号の一部２２９は、第２の光コンバイナ２２７の第３のポートによって、例えば、原子時計の別の部分に提供される。しかしながら、明確にするために、本明細書に示されている改良型飽和吸収分光システムは他の用途にも使用することができる。
【００２６】
任意選択的に、改良型飽和吸収分光システム２２０Ａは、加熱器２３１を含む、例えば、抵抗加熱又はジュール加熱を利用する。加熱器２３１を使用して温度を上昇させ、したがってアルカリの蒸気圧を上昇させることができる。これにより、改良型アルカリ電池２００内の蒸気中のアルカリ原子の量が増加し、光検出器２２４によって生成される電気信号の信号対雑音比が増加し、したがって後述するように光源２２６を周波数ロックする能力が向上する。任意選択的に、改良型アルカリ電池２００、第１の光コンバイナ２２３、光ループミラー２２２、第２の光コンバイナ２２７、光検出器２２４、光源２２６、サーボ電子回路２２８、及び／又は加熱器２３１は、単一の基板上に一緒に統合することができる。
【００２７】
図２Ｂは、多孔質アンクラッド導波路（改良型飽和吸収分光システム）２２０Ｂで実装されたアルカリ電池を使用する飽和吸収分光システムの別の実施形態のブロック図を示す。改良型飽和吸収分光システム２２０Ｂは、図２Ａに示される実施形態と同様であり、光ミラーループ２２２を使用する代わりに、第３の光コンバイナ２２１、例えば、光カプラが使用される。第３の光コンバイナ２２１は、光源２２６と第１の光コンバイナ２２３との間に挿入されている。第３の光コンバイナ２２１は、光カプラであってもよく、光源２２６からの光信号の一部を第２のポート２０８Ｂに結合し、光信号の結合された部分は、光プローブ信号２１６である。任意選択的に、改良型アルカリ電池２００、第１の光コンバイナ２２３、光ループミラー２２２、第２の光コンバイナ２２７、光検出器２２４、光源２２６、第３の光コンバイナ２２１、サーボ電子回路２２８、及び／又は加熱器２３１は単一の基板上に一緒に一体化することができる。
【００２８】
図３は、改良型飽和吸収分光システムの例示的な動作方法３００を示す。図３に示される方法３００が図１Ａ〜図２Ｂに示される装置において実施されるものとして本明細書に記載される限りにおいて、他の実施形態が他の方法で実施され得ることが理解されるべきである。流れ図のブロックは、説明を容易にするために概して順次的に配置されている。しかしながら、この構成は単に例示的なものであり、方法（及び図に示されているブロック）に関連する処理は、異なる順序で起こり得る（例えば、ブロックに関連する処理のうちの少なくとも一部は、並行方式及び／又はイベント駆動方式で実行される）ことが理解されるべきである。
【００２９】
ブロック３３０において、アルカリ原子の電子をより高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光ポンプ信号を、光導波路の第１のポートに注入する。２つ以上のより高いエネルギー状態があり得るので、複数のそのような周波数があり得る。システム設計者は、所望のエネルギー状態に対応する周波数を選択する。任意選択的に、任意の光信号を注入する前に、アルカリ原子を加熱する。
【００３０】
ブロック３３２において、アルカリ原子の電子を、光プローブ信号の電力レベルが光ポンプ信号の電力レベル未満である、より高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光プローブ信号を、光導波路の第２のポートに注入する。
【００３１】
ブロック３３３において、ポンプ信号及びプローブ信号を、光導波路の少なくとも一部に沿って反対方向に伝搬させる。任意選択的に、光導波路の少なくとも一部は、低圧、例えば、真空、蒸気状態のアルカリ原子を含むチャンバ内の多孔質アンクラッド導波路である。ブロック３３４において、エバネッセント場がアルカリ原子と相互作用するように、光ポンプ信号及び光プローブ信号のうちの少なくとも一方のエバネッセント場を、光導波路のうちの少なくとも一部の外側に拡張する。
【００３２】
ブロック３３６において、光導波路の第１のポートから発生する光プローブ信号の電力レベルを検出する。ブロック３３８において、周波数が、光ポンプ信号及び光プローブ信号が光導波路のうちの少なくとも一部を通って伝搬する軸に直交する方向に移動する少なくとも１つのアルカリ原子の電子を、より高いエネルギーレベルに励起する光ポンプ信号を生じる周波数に等しくなるように、検出された光プローブ信号の電力レベルに基づいて、光ポンプ信号の周波数を調整する。一実施形態では、光ポンプ信号の周波数は、光プローブ信号の電力レベルが最大となる周波数に調整される。
【００３３】
図４は、多孔質のアンクラッド導波路（改良型アルカリ電池）４５０で実装されるアルカリ電池を製造する例示的方法を示す。図４に示される方法が図１Ａ〜図１Ｃに示される装置において実施されるものとして本明細書に記載される限りにおいて、他の実施形態が他の方法で実施され得ることが理解されるべきである。図４の断面図は一例にすぎず、他の実施形態を他の方法で実施することができることを理解されたい。流れ図のブロックは、説明を容易にするために概して順次的に配置されている。しかしながら、この構成は単に例示的なものであり、方法（及び図に示されているブロック）に関連する処理は、異なる順序で起こり得る（例えば、ブロックに関連する処理のうちの少なくとも一部は、並行方式及び／又はイベント駆動方式で実行される）ことが理解されるべきである。
【００３４】
ブロック４４０において、多孔質誘電体４０３Ｃを形成する。任意選択的に、多孔質誘電体４０３Ｃは、より厚くてもよく、例えば、多孔質アンクラッド導波路４０２が多孔質の誘電体層４０３Ｂの上に形成される場合、２倍の厚さである。一実施形態では、基板４０３は、シリコンである。一実施形態では、以下のようにして基板４０３内に多孔質誘電体４０３Ｃを形成する。基板４０３の最上層の一部を、例えば、多孔質材料を製造するための電気化学的エッチングによってエッチングする。次に、多孔質材料を、例えば、酸化によって多孔質誘電体４０３Ｃにする。例えば、多孔質シリコンを酸化によって多孔質二酸化シリコンに、例えば、熱酸化によって多孔質シリコンにする。
【００３５】
ブロック４４３において、基板４０３上に導波路を形成する。導波路の少なくとも一部は、基板４０３上の多孔質アンクラッド導波路４０２である。導波路の他の部分は、他の種類の平面光導波路、例えば、他の導波路１０６について上述したようなクラッド導波路又はリブ導波路であり得る。例えば、マスク、例えば、金属マスクを基板４０３、第２の多孔質誘電体４０３Ｃ、例えば、多孔質二酸化シリコン、及びおそらく他の導波路１０６に形成されるであろう他の任意の材料の上にパターニングする。一実施形態では、マスクは、フォトレジストなどのレジストを利用する従来の深紫外線、電子ビーム、又はＸ線リソグラフィ技術を使用してパターニングされる。次に、基板、第２の多孔質誘電体４０３Ｃ、かつ場合によってはマスクの下にない他の任意の材料をエッチングする。続いて、エッチングによりマスクを除去する。任意選択的に、多孔質誘電体の層４０３Ｂは、多孔質アンクラッド導波路４０２の下に残る。多孔質誘電体の層４０３Ｂ又は続いて説明されるトレンチは、低屈折率領域を形成する。
【００３６】
任意選択的に（例えば、ブロック４４０が実行されなかった場合）、ブロック４４４において、基板４０３の、例えば、５ミクロン以内の多孔質アンクラッド導波路４０２に近接する部分をエッチングすることによって、多孔質アンクラッド導波路４０２の下にトレンチ４０９を形成する。例えば、フォトレジストなどのレジストを利用する従来の深紫外線、電子ビーム、又はＸ線リソグラフィ技術を使用することによって、エッチングされる基板４０３の一部をパターニングし、（湾曲した断面を有するトレンチ４０９を形成することができる等方性ドライエッチング、又は台形の断面を有するトレンチ４０９を形成することができる異方性ウェットエッチングを使用して）基板を、例えば、化学薬品によって、実質的に基板４０３のパターニングされた部分のみをエッチングし、多孔質アンクラッド導波路４０２はエッチングしない。
【００３７】
任意選択的に、ブロック４４５において、別の材料層４１５、例えば、二酸化シリコン又は窒化シリコンを、基板４０３の上（又は上面（又はエッチングされていない）表面４０３Ａ上）に追加する。例えば、（トレンチ４０９が形成されている場合）トレンチ４０９をパターニングされたレジストでマスキングし、所望の高さ、例えばトレンチの深さの基板上に別の材料を形成し（例えば、シリコン基板を熱酸化して二酸化シリコンを成長させる）、（トレンチ４０９が形成されている場合）パターニングされたレジストを除去する。マスキングは、使用される場合、フォトレジストなどのレジストを利用する従来の深紫外線、電子ビーム、又はＸ線リソグラフィ技術を利用することができる。
【００３８】
ブロック４４６において、例えば、アルカリ４３３を加熱することによって液化した液相中に、例えば、少なくとも１滴のアルカリ４３３を添加することによって、低屈折率領域の中又は上に（例えば、部分的に又は全体的に）アルカリ４３３を析出する。アルカリ４３３を液化するためには、固体状のアルカリ４３３を、例えば、６０℃などの４０℃を超えて加熱する必要がある場合がある。任意選択的に、トレンチ４０９が使用される場合、アルカリ４３３をトレンチ４０９の角又は片側に析出させる。
【００３９】
ブロック４４７において、低屈折率領域、多孔質アンクラッド導波路４０２、低屈折率環境４１２、及びアルカリ４３３の上にカバー又はカバー層を気密封止する。カバー又はカバー層は、基板に取り付けられたときに気密封止される。一実施形態では、例えば、ホウケイ酸ガラスから作製されたカバー４０７を基板４０３の上面４０３Ａに取り付ける。別の実施形態では、トレンチ４０９を覆うために第２の基板４１７（すなわち、カバー層）を他の材料層４１５に取り付ける。第２の基板４１７は、従来のウェハボンディング技術によって取り付けることができる。このようにして、改良型アルカリ電池４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄが形成される。
【００４０】
任意選択的に、ブロック４４８において、例えば、加熱器２３１を用いて熱を提供し、アルカリ４３３が気相に入り、アルカリ原子４０４が低屈折率環境４１２内を移動するように、改良型アルカリ電池４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄ、例えば、アルカリ４３３を加熱する。一実施形態では、改良型アルカリ電池４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄを少なくとも４０℃に加熱する。別の実施形態では、基板４０３を加熱して、改良型アルカリ電池４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄを加熱する。改良型アルカリ電池４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄを加熱すると、アルカリの蒸気圧が上昇する。これにより、改良型アルカリ電池２００内の蒸気中のアルカリ原子４０４の量が増加し、光検出器２２４によって生成される電気信号の信号対雑音比が増加し、したがって光源２２６を周波数ロックする能力が向上する。
【００４１】
本出願で使用される相対位置の用語は、配向に関係なく、デバイス、層、ウェハ、又は基板の従来の平面又は作業面に平行な平面に基づいて定義される。本出願で使用される「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」又は「横方向（ｌａｔｅｒａｌ）」という用語は、配向に関係なく、デバイス、層、ウェハ、又は基板の従来の平面又は作業面に平行な平面として定義される。「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」という用語は、水平に対して垂直な方向を指す。「上（ｏｎ）」、「側（ｓｉｄｅ）（「側壁」のような）」、「高い（ｈｉｇｈｅｒ）」、「低い（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「上（ｔｏｐ）」、及び「下（ｕｎｄｅｒ）」等の用語は、配向に関係なく、デバイス、層、ウェハ、又は基板の上面である、従来の平面又は作業面に関して定義される。本出願で使用される「同一平面上（ｃｏｐｌａｎａｒ）」という用語は、配向に関係なく、デバイス、層、ウェハ、又は基板の従来の平面又は作業面と同じ平面内の平面として定義される。
【００４２】
実施形態の例
実施例１は、基板の中又は上の低屈折率領域と、光導波路と、カバーであって、低屈折率領域及び光導波路のうちの少なくとも一部が、カバーの下に気密封止されている、カバーと、低屈折率領域及びカバーによって形成されている、チャンバと、原子と、原子を含み、かつ第１の屈折率を有する、チャンバ内の環境と、低屈折率領域上に、かつチャンバ内に形成されている光導波路のセグメントと、を備える、装置を含み、セグメントが、第１の屈折率と実質的に等しい第２の屈折率を有する。
【００４３】
実施例２は、実施例１の装置を含み、光導波路の軸方向に垂直なチャンバの任意の各表面と、対応する光導波路の最も近い表面との間の最小半径方向距離が、光導波路に結合されるように構成された光源を使用して実行される分光の周波数分解能を決定する。
【００４４】
実施例３は、原子がアルカリ原子である、実施例１又は２のいずれかの装置を含む。
【００４５】
実施例４は、基板がシリコンを含み、光導波路が二酸化シリコンを含む、実施例１〜３のいずれかの装置を含む。
【００４６】
実施例５は、セグメントが多孔質誘電体を含む、実施例１〜４のいずれかの装置を含む。
【００４７】
実施例６は、多孔質誘電体が多孔質二酸化シリコンである、実施例５の装置を含む。
【００４８】
実施例７は、カバーが、基板上に形成された別の材料と、他の材料に気密に取り付けられた第２のカバーと、を含む、実施例１〜６のいずれかの装置を含む。
【００４９】
実施例８は、加熱器を更に備える、実施例１〜７のいずれかの装置を含む。
【００５０】
実施例９は、実施例１〜８のいずれかの装置を含み、低屈折率領域は、基板内のトレンチ又は基板内の多孔質誘電体を含む。
【００５１】
実施例１０は、実施例１〜９のいずれかの装置を含み、光導波路は、第１のポート、及び第２のポートを有し、第１のポート、第２のポート、及び第３のポートを有する、第１の光コンバイナと、第１のポート、第２のポート、及び３のポートを有する、第２の光コンバイナと、第１のポート、第２のポート、及び第３のポートを有する、第３の光コンバイナと、光入力及び電気出力を有する光検出器と、第２の光コンバイナの第１のポートに結合されている光源であって、光導波路の第１のポートが、第１の光コンバイナの第２のポートに結合され、光導波路の第２のポートが、第３の光コンバイナの第３のポートに結合され、第２の光コンバイナの第２のポートが、第３の光コンバイナの第１のポートに結合され、第３の光コンバイナの第２のポートが、第１の光コンバイナの第１のポートに結合され、第１の光コンバイナの第３のポートが、光検出器の光入力に結合されている、光源と、光源及び光検出器の電気出力に結合されているサーボ電子回路と、を更に備え、フィードバックループが、光検出器と、サーボ電気回路と、第１のコンバイナと、を含み、フィードバックループが、光源によって生成された光信号を、原子のうちの電子がより高いエネルギーレベルの状態に励起される周波数にロックさせるように構成され、第２の光コンバイナの第３のポートが、周波数安定化光信号を供給するように構成されている。
【００５２】
実施例１１は、実施例１〜９のいずれかの装置を含み、光導波路は、第１のポート及び第２のポートを有し、第１のポート、第２のポート、及び第３のポートを有する、第１の光コンバイナと、第１のポート、第２のポート、及び３のポートを有する、第２の光コンバイナと、光入力及び電気出力を有する光検出器と、第２の光コンバイナの第１のポートに結合されている光源と、光導波路の第２のポートに結合されている光ミラーであって、光導波路の第１のポートが、第１の光コンバイナの第２のポートに結合され、第２の光コンバイナの第２のポートが、第１の光コンバイナの第１のポートに結合され、第１の光コンバイナの第３のポートが、光検出器の光入力に結合されている、光ミラーと、光源及び光検出器の電気出力に結合されたサーボ電子回路と、を更に備え、フィードバックループが、光検出器と、サーボ電気回路と、第１のコンバイナと、を含み、フィードバックループが、光源によって生成された光信号を、原子のうちの電子がより高いエネルギーレベルの状態に励起される周波数にロックさせるように構成され、第２の光コンバイナの第３のポートが、周波数安定化光信号を供給するように構成されている。
【００５３】
実施例１２は、アルカリ原子の電子をより高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光ポンプ信号を、光導波路の第１のポートに注入することと、アルカリ原子の電子を、光プローブ信号の電力レベルが光ポンプ信号の電力レベル未満である、より高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光プローブ信号を、光導波路の第２のポートに注入することと、ポンプ信号及びプローブ信号を、光導波路の少なくとも一部に沿って反対方向に伝搬させることと、エバネッセント場が、分光分析の２０メガヘルツ以下の周波数分解能を得るのに十分な時間量の間、アルカリ原子と相互作用するように、光導波路の少なくとも一部の外側で光ポンプ信号及び光プローブ信号のうちの少なくとも一方のエバネッセント場を拡張することと、光導波路から第２のポートから発生する光プローブ信号の電力レベルを検出することと、周波数が、光ポンプ信号及び光プローブ信号が光導波路を通って伝搬する軸に直交する方向に移動する少なくとも１つのアルカリ原子の電子を、より高いエネルギーレベルに励起する光ポンプ信号を生じる周波数に等しくなるように、検出された光プローブ信号の電力レベルに基づいて、光ポンプ信号の周波数を調整することと、を含む、方法を含む。
【００５４】
実施例１３は、実施例１２の方法を含み、アルカリ原子の電子を、光プローブ信号の電力レベルが光ポンプ信号の電力レベル未満である、より高いエネルギー状態に励起するために必要な周波数にほぼ等しい周波数を有する光プローブ信号を、光導波路の第２のポートに注入することを更に含み、光プローブ信号の電力レベルが、光ポンプ信号の電力レベルよりも１０倍から１００倍の係数だけ低い。
【００５５】
実施例１４は、実施例１２又は１３のいずれかの方法を含み、光ポンプ信号の周波数を調整することは、光ポンプ信号の周波数を、光プローブ信号電力レベルが最大となる周波数に調整することを含む。
【００５６】
実施例１５は、実施例１２〜１４のいずれかの方法を含み、光ポンプ信号の周波数を調整することは、光ポンプ信号の周波数を調整することを含み、周波数は、光導波路の軸方向に垂直である、光導波路の少なくとも一部及びアルカリ原子を含有する、チャンバの任意の表面と、光導波路の少なくとも一部の対応する最も近い表面と、の間の最小半径方向距離によって決定される分解能を有する。
【００５７】
実施例１６は、基板上に多孔質誘電体を形成することと、多孔質アンクラッド導波路を形成することと、多孔質アンクラッド導波路の下に低屈折率領域を形成することと、アルカリを析出させ、低屈折率領域、多孔質アンクラッド導波路、低屈折率を有する環境、及びアルカリの上にカバー又はカバー層を気密封止することと、を含む、方法を含む。
【００５８】
実施例１７は、実施例１６の方法を含み、基板上に別の材料層を追加することを更に含む。
【００５９】
実施例１８は、アルカリが気相に入り、かつアルカリ原子が低屈折率環境内を移動するように、アルカリに熱を提供することを更に含む、実施例１６又は１７のいずれかの方法を含む。
【００６０】
実施例１９は、実施例１６〜１８のいずれかの方法を含み、基板上に多孔質材料を形成することが、シリコンの基板上に多孔質二酸化シリコンを形成することを含む。
【００６１】
実施例２０は、アルカリを析出させることが、ルビジウムを析出させることを含む、実施例１６〜１９のいずれかの方法を含む。
【００６２】
添付の特許請求の範囲によって定義される多数の例が記載されている。それにもかかわらず、請求された発明の精神及び範囲から逸脱することなく、記載された実施例に対する種々の改変がなされ得ることが理解されるだろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明らかに意図されている。
【図１Ａ】
2019192902.tif 000003
【図１Ｂ】
2019192902.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
2019192902.tif 000009
【図４】
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【外国語明細書】
2019192902000001.pdf