用于集成光学原子传感器的系统和方法技术方案

本发明专利技术题为“用于集成光学原子传感器的系统和方法”。本发明专利技术提供了用于集成光学原子传感器的系统和方法。在一个实施方案中，光学原子传感器包括：第一光子集成电路和第二光子集成电路以及定位在光子集成电路之间并且粘结到光子集成电路的原子捕集室，其中集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气，原子蒸气密封在所述室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路波导和第二光子集成电路波导的相应表面中，第一光子集成电路波导和所述第二光子集成电路波导被配置为将来自激光光源的激光耦合到光栅发射器；其中至少一组光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到室中，样式被构造成冷却蒸气并产生至少一个原子捕集器；其中光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到蒸气中的至少一个光栅发射器。

【技术实现步骤摘要】
用于集成光学原子传感器的系统和方法
技术介绍
目前，本领域中的光学原子传感器利用在经激光冷却的原子的集合中发生的原子跃迁，以便实现仪器诸如用于感测和测量惯性力的惯性传感器，或仪器诸如用于测量局部时间流逝的时钟。通过使用在光学频率范围内的激光操作，此类传感器在精度和准确性方面表现出显著的性能飞跃，其可能在导航、通信或利用这些传感器的其他设备中提供相应的益处。然而，在充分利用此类传感器的潜力方面存在障碍，并且在大规模生产方面存在挑战。例如，光学原子传感器需要许多激光束在包含原子蒸气的超高真空室内彼此精确相交。激光束的参数(诸如高斯参数(腰位置和发散角))和偏振需要在许多不同光束之间精确匹配。目前，这些对准和参数在实验室环境中使用块状光学部件(例如，透镜、反射镜、偏振器、其他自由空间光学元件等)来实现，这些块状光学部件的尺寸相对较大并且需要系统的每个部件的繁琐且耗时的对准。因此，在适应和缩放这些传感器以用于紧凑批量生产的装置方面仍存在挑战。出于上述原因以及对于本领域技术人员在阅读和理解说明书后将变得显而易见的下述其他原因，本领域需要用于集成光学原子传感器的系统和方法。
技术实现思路
本公开的实施方案提供了用于集成光学原子传感器的方法和系统，并且将通过阅读和研究以下说明书来理解。在一个实施方案中，光学原子传感器包括：第一光子集成电路；第二光子集成电路；和原子捕集室，该原子捕集室定位在第一光子集成电路和第二光子集成电路之间并且粘结到第一光子集成电路和第二光子集成电路，其中第一光子集成电路和第二光子集成电路彼此平行对准；以及原子蒸气样品，该原子蒸气样品密封在原子捕集室内；其中第一光子集成电路和第二光子集成电路各自包括：多个光栅发射器，该多个光栅发射器被制造到第一光子集成电路和第二光子集成电路的相应表面中；波导系统，该波导系统被配置为将来自一个或多个激光光源的激光耦合到该多个光栅发射器；其中至少一组多个光栅发射器被布置成以一定样式将激光束发射到原子捕集室中，该样式被构造成冷却原子蒸气并在该室内产生至少一个原子捕集器；其中该多个光栅发射器还包括被配置为将激光探头发射到原子蒸气中的至少一个光栅发射器。附图说明当考虑到优选实施方案的描述和以下附图时，本公开的实施方案可以更容易理解，并且其进一步的优点和用途更加显而易见，在附图中：图1和图1A是本公开的一个实施方案的光学原子传感器的示意图；图2是示出光栅发射器120和波导在光学原子传感器的光子集成电路上的示例性布置的示意图；图3是示出本公开的一个实施方案的激光光源与光学原子传感器的组合的示意图；图4是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的原子捕集器的具体实施的示例的示意图；图5是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的多个重叠原子捕集器的具体实施的示例的示意图；图6是示出用于本公开的一个实施方案的光学原子传感器的多个重叠原子捕集器的另一个具体实施的示例的示意图；并且图7是示出与本公开的一个实施方案的光学原子传感器结合的具有控件、光源和检测部件的示例性系统实施方案的示意图。根据惯例，所描述的各种特征部未必按比例绘制，而是用于强调与本公开相关的特征部。参考字符在所有图和文本中表示类似的元件。具体实施方式在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过可以实践这些实施方案的具体说明性实施方案的方式来示出。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施方案，并且应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以作出逻辑改变、机械改变和电气改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。本公开的实施方案提供了利用集成到光子集成电路(PIC)中的多个光栅发射器的紧凑光学原子传感器。光栅发射器将多个激光束发射到自由空间真空室中，其中这些光束通过光子集成电路上光栅发射器的结构和布置精确对准。所得的传感器稳固、小巧且易于制造，因为光栅发射器通过其制造使其光学参数(诸如光束偏振、发散和指向)固定。如下文进一步讨论的，本文所述的实施方案还提供了可产生偶极捕集器的传感器，该偶极捕集器包括真空室内的两个准确重叠的原子捕集器。图1是示出本公开的一个实施方案的光学原子传感器100的示意图。如图1所示，光学原子传感器包括彼此平行对准的第一光子集成电路110和第二光子集成电路112，以及定位在第一光子集成电路110和第二光子集成电路112之间的原子捕集室114。图1A是光学原子传感器100的局部分解图，其中第一光子集成电路110被拉开以显示原子捕集室114的内部。在一些实施方案中，第一光子集成电路110的下表面的一部分限定暴露于原子捕集室114的内部的第一壁116，而第二光子集成电路112的上表面的一部分限定暴露于原子捕集室114的内部的相对的第二壁118。原子捕集室114可通过粘结材料固定到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112。原子捕集室114包括含有原子蒸气的超高真空室。在操作中，原子蒸气由从第一光子集成电路110和第二光子集成电路112发射的激光进行激光冷却(如下文进一步讨论)，以在原子捕集室114的中心处形成经激光冷却的原子105的样品。被选择用于装载到室114中的特定原子105将基于所得传感器旨在感测的特定参数。该选择可由已研究本公开的本领域的普通技术人员容易地确定。在另选的实施方案中，原子蒸气可包括原子，诸如但不限于铯、锶、镱或铷。一般来讲，可在室114内利用本领域技术人员已知的具有循环跃迁状态并且可通过施加激光和磁场的组合而被捕集和冷却的原子105的任何样品。在本公开的实施方案中，第一光子集成电路110和第二光子集成电路112各自包括将激光发射到原子捕集室114中的多个光栅发射器120，诸如图2所示的光栅发射器120的示例性图案。具体地讲，光栅发射器120的第一图案布置在限定第一壁116的第一光子集成电路110的表面上，并且光栅发射器120的协调第二图案布置在限定第二壁118的第二光子集成电路110的表面上，以便将激光从相反方向发射到原子捕集室114中。在本公开的实施方案中，第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的这些光栅发射器120递送实现收集、冷却以及捕集原子蒸气所需的所有激光以在原子捕集室114的中心处形成经激光冷却的原子105的样品，并且用于探测经激光冷却的原子样品的状态以便导出传感器测量结果。在一些实施方案中，光栅发射器120是制造到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112的表面中的光刻图案化衍射光栅。在一些实施方案中，光栅发射器120光刻图案化到第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的一个或多个薄膜材料层上，诸如氮化硅薄膜层。光栅发射器120可为第一光子集成电路110和第二光子集成电路112上的布置的图案，以便在室114内产生至少一个原子捕集器，但也可用于在室114内产生不同类型的多个重叠原子捕集器。激光经由在第一光子集成电路110和第二光子集成电路112中的每个内制造的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学原子传感器(100)，所述传感器(100)包括：/n第一光子集成电路(110)；/n第二光子集成电路(112)；和/n原子捕集室(114)，所述原子捕集室(114)定位在所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)之间并且粘结到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)，其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)彼此平行对准；和/n原子蒸气样品(105)，所述原子蒸气样品(105)密封在所述原子捕集室(114)内；/n其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)各自包括：/n多个光栅发射器(120)，所述多个光栅发射器(120)被制造到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)的相应表面中；/n波导(122)系统，所述波导(122)系统被配置为将来自一个或多个激光光源的激光耦合到所述多个光栅发射器(120)；/n其中至少一组所述多个光栅发射器(120)被布置成以一定样式将激光束(138)发射到所述原子捕集室(114)中，所述样式被构造成冷却所述原子蒸气(105)并在所述原子捕集室(114)内产生至少一个原子捕集器(140)；/n其中所述多个光栅发射器(120)还包括被配置为将激光探头发射到所述原子蒸气(105)中的至少一个光栅发射器(120)。/n...

【技术特征摘要】
20190604 US 16/431,3601.一种光学原子传感器(100)，所述传感器(100)包括：
第一光子集成电路(110)；
第二光子集成电路(112)；和
原子捕集室(114)，所述原子捕集室(114)定位在所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)之间并且粘结到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)，其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)彼此平行对准；和
原子蒸气样品(105)，所述原子蒸气样品(105)密封在所述原子捕集室(114)内；
其中所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)各自包括：
多个光栅发射器(120)，所述多个光栅发射器(120)被制造到所述第一光子集成电路(110)和所述第二光子集成电路(112)的相应表面中；
波导(122)系统，所述波导(...

【专利技术属性】
技术研发人员：查德·霍伊特，查德·费尔蒂希，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US