用于电子设备应用中的量子跃迁检测的气密瓶

摘要

本申请涉及用于电子设备应用中的量子跃迁检测的气密瓶。物理单元包括密封玻璃瓶(208)，其容纳低压(例如，约0.01毫巴和0.2毫巴之间)高纯度偶极气体(210)(例如，OCS)。可以使用激光(202)切割工艺(200)密封瓶(208)，该激光(202)切割工艺(200)仅涉及瓶(208)的局部加热，这不使所容纳的气体(210)的大部分变性。一个或多个电磁半透明窗口或瓶端部入口点为一个或多个电磁天线发射或接收的电磁波提供入口，该电磁波的频率基于检测到的最大吸收频率而调整为匹配气体(210)的量子跃迁频率。玻璃瓶物理单元(208)的制造成本可以低于由结合晶片制造的物理单元。多个瓶可以通过外壳中的波导连结，以便可以在瓶的单个端部处提供发射天线和接收天线。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2020年10月6日提交的美国临时专利申请第63/087,949号和在2021年2月2日提交的美国临时专利申请第63/144,566号的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本说明书总体涉及密封的填充气体的室，并且更具体地涉及用于电子设备应用中的量子跃迁检测的密封瓶。

背景技术

可以通过将两个晶片结合在一起来制造气密密封的空腔，晶片中的至少一个被挖空以形成空腔。该空腔可用作许多应用中的物理单元，包括作为芯片级毫米波原子钟的一部分。空腔可以容纳相对低压偶极分子，可以选择该偶极分子以提供窄的信号吸收频率峰值，该峰值指示在空腔的输出处检测到的量子跃迁分子。电磁信号可以通过空腔中的电磁半透明或基本透明的孔发射到空腔中。闭环控制可以动态调整信号的频率以匹配信号吸收频率峰值。所选偶极分子的量子旋转产生的频率可能不受芯片级毫米波原子钟使用年限的影响，并且可能不会随温度或其他环境因素而变化。

发明内容

示例物理单元包括玻璃瓶，该玻璃瓶被密封以容纳偶极气体(dipolar gas)。瓶具有在约1毫米和约10毫米之间的宽度或直径。瓶具有厚度在约50微米和约250微米之间的壁。偶极气体容纳在约0.01毫巴和0.2毫巴之间的压力下。物理单元进一步包括通向玻璃瓶的电磁半透明窗口或瓶端部入口点。物理单元进一步包括在电磁半透明窗口或瓶端部入口点的位置处耦合到玻璃瓶的电磁天线。天线被配置为发射或接收通过容纳在玻璃瓶中的偶极气体传播的电磁波。瓶的尺寸可以设计成支持电磁波在偶极气体的量子跃迁频率下的单模传播。

在制造物理单元的示例方法中，具有在约1毫米和约10毫米之间的宽度并且具有厚度在约50微米和约250微米之间的壁的玻璃管被重复地用偶极气体填充和在真空下吹扫偶极气体。然后用压力在约0.01毫巴和0.2毫巴之间的偶极气体填充管。然后将管激光切割并密封，以创建容纳该压力下的偶极气体的瓶。然后执行下列项中的至少一个：(a)用电磁反射材料涂覆瓶的外侧，并在涂层中提供电磁半透明窗口或瓶端部入口点；(b)将瓶容纳在由电磁反射材料制成或涂覆有电磁反射材料并具有电磁半透明窗口或瓶端部入口点的外壳中，其中瓶的外壁与外壳的电磁反射材料邻接。然后在电磁半透明窗口或瓶端部入口点的位置处将电磁天线耦合到瓶。电磁天线被配置为发射或接收通过容纳在瓶中的偶极气体传播的电磁波。电磁天线电耦合到电路，该电路被配置为将电磁波的频率调整到偶极气体的量子跃迁频率。

示例量子跃迁频率检测系统包括容纳偶极气体的密封玻璃瓶。瓶具有在约1毫米和约10毫米之间的横截面宽度。瓶的壁具有在约50微米和约250微米之间的横截面厚度。偶极气体容纳在约0.01毫巴和0.2毫巴之间的压力下。瓶具有通向玻璃瓶的电磁半透明窗口或瓶端部入口点。该系统进一步包括在电磁半透明窗口或瓶端部入口点的位置处耦合到玻璃瓶的电磁天线。天线被配置为发射或接收通过容纳在玻璃瓶中的偶极气体传播的电磁波。该系统进一步包括跃迁频率锁定控制回路电路，其电耦合到电磁天线并被配置为将电磁波的频率调整到偶极气体的量子跃迁频率。

附图说明

图1是示例量子跃迁频率检测器的框图。

图2是用于密封填充气体的玻璃瓶的示例激光切割和密封工艺的示意图。

图3A和图3B是配置有被放置用于横向信号发射(launch)和接收的发送(transmit)天线和接收天线的示例密封玻璃瓶的平行投影和俯视图。

图4A和图4B是具有圆锥形、金字塔形或锥形端部的示例瓶的俯视图。

图5A和图5B是配置有被放置用于横向信号发射和接收的发送天线和接收天线的示例U形密封玻璃瓶的平行投影和俯视图。

图6A和图6B是配置有用于底侧信号发射和接收的窗口的示例矩形横截面玻璃瓶的平行投影图。

图7A和图7B是示例瓶的俯视图，其中在瓶的每个端部附近具有矩形发射窗口。

图8是示例瓶的一个端部的横截面俯视图。

图9A和图9B是具有钝端部的示例瓶的一个端部的横截面俯视图和侧视图。

图10A和图10B是具有锥形端部的示例瓶的一个端部的俯视图和侧视图。

图11A和图11B是示例量子跃迁频率检测器系统的侧视图和俯视图，该系统包括由U形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有用于底侧信号发射和接收的窗口。

图12A、图12B和图12C是示例量子跃迁频率检测器系统的平行投影和侧视图，该系统包括由U形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有用于底侧信号发射和接收的窗口。

图13是S参数曲线图，其出了图12A-图12C的系统在发送器处反射的功率和在发送器和接收器之间传输的功率。

图14A和图14B是示例量子跃迁频率检测器系统的侧视图和俯视图，该系统包括由U形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有用于底侧信号发射和接收的窗口。

图15A和图15B是示例量子跃迁频率检测器系统的侧视图和俯视图，该系统包括一个玻璃瓶，该玻璃瓶被配置用于从单个窗口底侧进行信号发射和接收。

图16A、图16B、图16C和图16D是示例量子跃迁频率检测器系统的平行投影、侧视图和俯视图，该系统包括由H形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有用于横向信号发射和接收的瓶端部入口点。

图17是示出图16A-图16D的系统反射和传输的功率的S参数曲线图。

图18A和图18B是示例密封玻璃瓶的平行投影图，该玻璃瓶具有圆角矩形横截面。

图19是示出图18A和图18B的瓶的电磁传播模式的频率截止的S参数曲线图。

图20是图示说明在示例气体(OCS)的频率范围内受限气体的压力和传输的功率之间的关系的曲线图。

图21是图示说明吸收线凹陷宽度和受限气体压力之间的关系的曲线图。

图22是针对示例56毫米长瓶图示说明作为受限偶极气体压力的函数的示例吸收曲线2202的曲线图。

图23是图示说明在频率范围内示例57毫米长玻璃瓶的玻璃壁的厚度与传输的功率之间的关系的曲线图。

图24A和图24B是示例量子跃迁频率检测器系统的侧视图和俯视图，该系统包括单个玻璃瓶，在瓶的任一端部处具有发送和接收电子器件。

图25是在量子跃迁频率检测器系统中使用的示例瓶布置的平行投影图，该系统包括由直形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有对角拐角和用于横向信号发射和接收的窗口。

图26是在量子跃迁频率检测器系统中使用的示例瓶布置的平行投影图，该系统包括由直形波导耦合的两个玻璃瓶，该瓶具有对角拐角和用于底侧信号发射和接收的窗口。

图27是用于制造如图28和图29所示的单瓶U形物理单元的示例扁平(flattened)玻璃瓶的平行投影图。

图28是具有用于横向信号发射和接收的窗口的示例单瓶U形物理单元的平行投影图。

图29是具有用于底侧信号发射和接收的窗口的示例单瓶U形物理单元的平行投影图。

图30和图31是类似于图28的示例单瓶U形物理单元的横截面视图。

图32是示出制作基于玻璃瓶的物理单元的示例方法的流程图。

图33是示出制作单瓶U形物理单元的示例方法的流程图。

具体实施方式

气密密封设备可以保持可以用电磁辐射询问的气体分子或原子，以便检测它们的量子跃迁并将其用于电子设备应用。例如，气密玻璃瓶可以填充相对纯的低压偶极气体，以用于电子设备应用中的气体分子的量子跃迁检测。瓶可以被配置为物理单元，使得频率范围内的电磁波可以发射到瓶中以询问偶极气体分子以进行量子分子旋转跃迁检测。作为示例，可以使用不会使所容纳的气体的大部分变性的局部气体密封工艺制作瓶以保持低压气体。作为另一示例，金属化和蚀刻工艺可以允许瓶适用于受控的电磁模式传播，这对于检测被捕获气体的分子的量子跃迁是有用的。与例如使用耦合在一起的两个晶片构造的物理单元相比，为此目的使用小玻璃瓶可以更容易制作、更可扩展且成本更低，在两个晶片构造的物理单元中，两个晶片中的第一个被蚀刻出用于限制气体的空腔并结合到两个晶片中的第二个以提供气密密封。

图1是示例量子跃迁频率检测器100的框图，其可以被集成以提供例如在几百年内准确到一秒以内的时钟。在其他示例中，频率检测器100可用于创建磁场传感器(磁力计)、电场传感器或压力传感器。检测器100包括玻璃瓶102，或包括多个这样的玻璃瓶的组装件。瓶102被气密密封以容纳相对低压偶极气体，精确的压力取决于所使用的偶极气体，以及其他因素。例如，压力小于海平面大气压，例如，小于海平面大气压的百分之一，例如，小于海平面大气压的千分之一，例如，小于海平面大气压的万分之一。合适的偶极气体包括水蒸气(H

耦合到天线104、107的电路108提供了闭环，该闭环可以扫描辐射到限制在瓶102中的偶极气体分子的毫米波长电磁波的频率(例如，在约20Ghz和约400Ghz之间，例如，在约70Ghz和约180GHz之间)。偶极气体分子的量子跃迁的特定频率处的吸收可以观察为发送器和接收器之间传输的功率的降低，特别是当作为扫描频率范围内的频率的函数时，被观察为传输的功率的凹陷(例如，图20中的凹陷2000)。迭代锁定到凹陷的底部提供了受限气体的分子的量子跃迁频率，随着气密瓶的使用年限、温度和其他环境因素，该跃迁频率是稳定的。稳定性允许检测器100用于创建准确的量子参考和时钟，其准确性不会随着设备使用年限或操作环境的变化而显著降低。电路108可以包括，例如，压控振荡器(VCO)或数控振荡器(DCO)，以生成特定频率的毫米波，该特定频率被调整直到频率与参考峰值吸收频率(传输的功率凹陷的频率位置)匹配。

线性偶极分子在规则频率下具有旋转量子吸收。例如，OCS大约每12.16GHz就展现一次跃迁。因此，如本文所述的物理单元可以利用毫米波频率范围内的许多可用量子跃迁中的任何一个。电路108可以进一步包括例如分频器，以将匹配的频率(可以是几十或几百吉赫兹)分频为较低的输出时钟频率，例如约100MHz。毫米波的使用消除了对作为量子跃迁询问机制的激光的需求，与需要激光的设备相比，降低了检测器100的成本和复杂性。在前述频率范围内的操作允许发送器天线104和接收器天线106的长度小于约10毫米，例如小于约5毫米，例如小于约1毫米，这取决于所选择的偶极气体的量子跃迁频率。玻璃瓶102(或用于瓶组装件的每个瓶)可以，例如，各自测量在约1厘米和约20厘米之间的长度，例如，在约2厘米和约10厘米之间的长度，并且对于形状为圆形、椭圆形或矩形横截面管的瓶，可以测量小于约1厘米的宽度和高度尺寸或直径。因为量子吸收随着瓶长度而增加，较长的瓶长度提供了更好定义的观察到的量子跃迁，所以瓶102的长度可能受到制造限制和系统封装件大小限制的限制。通过使用弯曲(例如，U形)瓶或将多个瓶耦合在一起，曲折或蛇形物理单元可以在更紧凑的系统封装件大小内提供较长的有效瓶长度。

图2是用于密封填充气体的玻璃瓶(如可以用于图1的检测器100中)的示例激光切割和密封工艺200的图示说明。在图2所示的切割和密封工艺200之前，可以使用例如挤出工艺、丹纳(Danner)工艺、维洛(Vello)工艺、下拉或任何合适的工艺来制造玻璃(例如，硼硅酸盐)管。然后可以用低压偶极气体将管填充至一纯度。为了达到期望气体纯度，可以使用连续真空方法来从管的内部吹扫空气，并通过化学吸附或物理吸附消除涂覆管的壁的分子。还可以在切割和密封工艺200之前使用烘烤工艺来消除吸附到管的内表面的分子。工艺200通过完全密封在从管中切割出的每个容纳气体的玻璃瓶来实现气密性，并通过使用确保仅局部加热的激光切割工艺部分地保持气体纯度，以避免所容纳的气体变性。

在所示示例200中，定向激光束202切割并密封连续的玻璃(例如，硼硅酸盐)管，该连续玻璃(例如，硼硅酸盐)管可以例如通过挤压制作成较小的气密密封玻璃瓶，每个瓶中填充有低压气体。如图2所示，瓶的横截面可以是圆形的，或者在其他示例中，横截面可以是正方形、矩形、圆角矩形、卵形、椭圆形或其他形状。激光束202被示为将瓶206与管部分204分离。先前在工艺200中，激光束202将瓶208与包括管部分204的玻璃管以及然后尚未密封和分离的瓶206分离。随后在工艺200中，激光束202可以将管部分204分离成附加的分离的密封的容纳偶极气体的玻璃瓶(未示出)。瓶208在图2中以剖视图示出，以示出瓶208内的捕获的气体分子210。例如，瓶208可以在管的变薄部分212处从包括管部分204和瓶206的管切割下来。可替代地，可以通过局部加热和软化管(例如，使用激光)并且然后使用机械夹具夹紧管的软化部分来密封和切割瓶。相同的夹具也可以切割瓶，或者可以使用分离的工具切割瓶。在工艺200中从管上切割下来的瓶，例如瓶208和206，可以经历进一步的制作步骤，诸如外部金属涂覆，以及光刻蚀刻或激光烧蚀到发射和接收窗口的涂层中。在一些示例中，不执行瓶的金属化，而是在制作工艺的后续部分中将每个瓶置于由电磁反射材料(例如，金属)制成或内部涂覆有电磁反射材料(例如，金属化的)的外壳中，使得当瓶安置在外壳中时，金属邻接(例如，基本上接触)瓶的玻璃壁的外侧。

由于从其切割每个瓶的管的内部填充有低压偶极气体，一旦管的玻璃因激光能量而熔化，外侧压力就在切割点压缩并下沉(sink)管，这在去除激光束202之后愈合密封。激光束202可以在切割工艺中将玻璃加热到超过650℃的温度，该温度可以足以分解所容纳的偶极气体。这种分解可能是不可逆的过程，这导致失去在预期频率处获得量子吸收的能力。然而，加热是局部的，并且在施加激光能量的短时间期间不会传播超过几毫米。因为所容纳的气体是低压的，所以它的导热性不是很好。仅激光切割附近的少量气体可能因激光切割和密封工艺产生的热量而变性。在此工艺期间切割和密封的每个瓶可以是一厘米长或更长，因此每个瓶内的大部分气体在切割和密封工艺期间维持其化学完整性。玻璃的隔热以及低压气体本身的隔热可以保护气体的大部分免受热变性。

图3A是示例密封玻璃瓶302的倾斜平行投影视图300，该玻璃瓶302配置有发送天线304和接收天线306(例如，维瓦尔第(Vivaldi)天线)，其在瓶端部入口点处耦合到瓶302以用于横向信号发射和接收。每个天线304、306可以以瓶302的相应端部的圆锥形、或金字塔形或锥形尖端为中心，该尖端像喇叭一样工作以将发送天线304产生的电磁信号引导到瓶302中或将接收到的电磁信号引导出瓶302以被接收天线306接收。

瓶302容纳低压偶极气体。瓶302被示为具有带有圆锥形端部的圆形横截面，但其他示例可以具有其他形状的横截面，诸如矩形或椭圆形。瓶302可以在内部或外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)以形成波导。因为预期容纳在瓶中的偶极气体通常具有化学反应性，为了避免捕获的气体随时间耗尽，如果瓶在内部涂覆，则非反应性金属，诸如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铑(Rh)、锇(Os)或铱(Ir)，是有用的。然而，因为玻璃瓶的壁可以做得如此薄，以使玻璃壁内的电磁吸收可忽略，所以玻璃瓶的使用允许瓶302外部涂覆有电磁反射材料，或者允许瓶放置在由电磁反射材料制成或涂覆有电磁反射材料的外壳中。在这种情况下，相当便宜的反应性金属可用于涂层。合适的反应性金属包括铜(Cu)、铝(Al)、铬(Cr)和钛(Ti)。在图3A和图3B的所示的示例中，瓶的任一端部没有金属化，或者金属涂层可以在涂覆之后从瓶的圆锥形或锥形端部去除，以提供对用于询问受限气体的对电磁波半透明或基本透明的瓶端部入口点。

在波长的特定尺寸和瓶302的玻璃材料的介电常数内，瓶302表现出单模电磁传播。例如，检测器100可以被配置为使用波导的第一单模(例如，对于矩形或圆形波导为TE

图3B提供了瓶302的穿过纵向平面308的纵向截面视图310，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线304传播到接收天线306的条件下的电场，单位为伏特/米。在图3A和图3B所示的示例中，天线304、306通过未金属化的瓶端部入口点提供纵向到瓶502的发射和接收。在其他示例中，诸如在图6A、图7A、图11A、图11B、图12A、图12B、图14A、图14B、图15A和图15B中所示的示例中，可以在瓶的顶部、底部或侧面提供电磁半透明或基本透明的窗口。

图3A和图3B中所示的示例配置的一个优点是天线304、306由位于单个平面上的平坦金属组成，该平面可以是印刷电路板(PCB)的平面，电子电路(例如图1的检测器100中的电路108)也可以安装在该PCB上。因此，天线304、306可以印刷在PCB上，或者印刷在位于瓶302的每个端部处的相应PCB上，并且经由印刷在PCB上的布线电耦合到电路。因此，用于询问瓶302所容纳的偶极气体的毫米电磁波可以直接从瓶302所耦合的PCB的边缘发射。在其他示例中，天线可以放置在安装在PCB上的微电子封装件的基板中。在此类示例中，可以将瓶个体地安装在同一PCB上，其中容纳天线的微电子封装件被安装到该PCB，其安装方式使得维持瓶与天线的对齐。作为示例，天线304、306可以是维瓦尔第天线、贴片天线、偶极天线或弓形天线，只要它们可以被配置为在瓶302中激发期望电磁传播模式。

图4A是示例瓶402的俯视图400，其具有圆锥形、金字塔形或锥形端部406。端部406可以部分或完全未金属化，以提供对电磁波半透明或基本透明的瓶端部入口点，并允许将电磁波发射到瓶402中或从瓶402接收。图4B提供了图4A中的瓶402的一个端部部分404的放大视图。在所示示例中，瓶402可以具有任何形状的横截面，包括矩形、圆形或椭圆形。如图4B所示，所示示例瓶的宽度为2mm。

图5A是示例密封玻璃瓶502的倾斜平行投影视图500，该玻璃瓶502配置有发送天线504和接收天线506(例如，维瓦尔第天线)，其在瓶端部入口点处耦合到瓶302以用于横向信号发射和接收。与图3A的直形瓶302相比，图5A的瓶502具有U形弯曲512，例如，在瓶502的约中点处，其允许发送天线504和接收天线506并排放置，这方便且成本有效地允许天线504、506都被制造在相同的基板上或附接到相同的基板。因此，与瓶502的两个相对端相反，具有天线504、506的基板可以仅在瓶502的一侧与瓶502耦合。尽管仅图示说明了一个弯曲的示例500，但其他示例可以具有瓶的多个弯曲，从而允许例如在紧凑体积内提供长的长度的蛇形瓶。如在上述示例中，瓶502容纳低压偶极气体，并且可以在内部或外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)以形成波导。在图5A和图5B的示例中，天线504、506在对电磁波半透明或基本透明的未金属化的瓶端部入口点处耦合到瓶502。U形瓶502的尺寸可以设计为在所容纳的偶极气体的量子跃迁频率下提供单模电磁传播。

图5B提供了瓶502的穿过纵向平面508的纵向截面视图510，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线504传播到接收天线506的条件下的电场，单位为伏特/米。在图5A和图5B所示的示例中，天线504、506提供纵向到瓶502的发射和接收。

图6A是示例密封玻璃瓶602的倾斜平行投影视图600，其配置有发送天线和接收天线(未示出)，该发送天线和接收天线(未示出)在发射/接收窗口(例如，窗口604)附近放置在瓶下方，以用于底侧信号发射和接收。与瓶302和502相比，瓶602不使用未金属化的瓶端部入口点以将电磁波引入瓶602的内侧。瓶602容纳低压偶极气体。瓶602可以在内部或外部涂覆有导电材料(例如金属)以形成波导。在具有用于发射和接收用于询问所容纳的气体的电磁波的窗口的瓶的示例中，金属涂层可以覆盖除了在与瓶的边缘隔开一定间距放置的两个部分(例如，各自具有特定尺寸的矩形)之外的玻璃。在具有窗口的瓶的示例中，发送天线和接收天线可以在相应窗口或单个窗口附近放置在瓶的上方、下方或侧面。瓶602表现出单模电磁传播。示例瓶602具有矩形横截面和仅具有单个窗口602，通过该窗口发射和接收电磁信号。然而，在其他示例中，瓶可以具有其他形状的横截面，和/或可以在瓶的两端附近具有窗口，而不仅仅是一个。

图6B提供了瓶602的穿过纵向平面608的纵向截面视图610，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线(未示出)传播到接收天线(未示出)的条件下的电场，单位为伏特/米。在图6A和图6B所示的示例中，电磁信号在瓶602的底侧发射和接收，但在其他示例中，(一个或多个)发射窗口可以放置在瓶的顶部或任一侧。

图7A是示例瓶702的俯视图700，在瓶702的每个端部附近具有矩形发射窗口(例如窗口706)。图7B提供了图7A中的瓶702的一个端部部分704的视图。在所示示例中，瓶702可以具有任何形状的横截面，包括矩形、圆形或椭圆形。如图7B所示，所示示例瓶的宽度为2mm，并且具有距瓶702的一个端部约1.6mm放置的发射窗口，发射窗口具有的尺寸为约1mm宽乘以约0.8mm长。

如图8至图10B所示，用于容纳经受电磁询问的偶极气体的玻璃瓶可制作为具有钝端部或锥形端部。取决于激光束如何切割以及是否使用机械夹合，与仅使用外部-内部压力差来塌缩(collapse)管相比，不同的切割和密封技术允许制成圆锥形或平顶。切割和密封技术可以在端部创建玻璃的突起，或者可以创建具有脊状表面的平坦端部。要耦合到维瓦尔第天线以用于横向信号发射或接收的瓶可以被制成具有突出的圆锥形、金字塔形或锥形端部，维瓦尔第天线可以耦合到该端部。要耦合到天线以用于通过窗口进行侧面信号发射或接收的瓶可以制成具有钝端部或平坦端部以改善波传播。

图8是在使用激光切割和密封方法切割和密封以将偶极气体限制在瓶802的内部804之后的示例2mm宽的瓶802的一个端部的视图800。瓶800的所示端部是钝的或平坦的。瓶端部具有外表面806和凹形内表面808。

图9A和图9B是在使用激光切割和密封方法切割和密封以将偶极气体限制在瓶902的内部904之后的示例2mm宽的瓶902的一个端部的视图900、910。瓶900的所示端部是钝的或平坦的。如图9A的俯视图900特别示出的，瓶端部部具有凹形内表面908。图9B示出了瓶902的同一端部的侧视图。

图10A和图10B是在使用激光切割和密封方法切割和密封以将偶极气体限制在瓶1002内侧之后的示例2mm宽的瓶1002的一个端部的视图1000、1010。与图9A和图9B中所示的用于切割和密封瓶902的切割和密封方法相比，并且特别是如图10B的侧视图示出的，瓶1002已经用提供锥形端部1008的工艺切割，例如，通过在激光切割工艺期间包括机械夹合或夹紧。图10A示出了瓶1002的同一端部的俯视图。

图11A和图11B分别示出了示例量子跃迁频率检测器系统1100(例如，被配置为时钟)的系统级侧视图和俯视图，该系统包括在毫米波天线1106、1108的位置处配置有相应矩形窗口以用于底侧信号发射和接收的两个偶极气体限制玻璃瓶1102、1104。瓶1102、1104被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。图11A和图11B中所示的系统1100不是使用如图5A中所示的U形单瓶，而是经由被配置为波导的U形空腔1110耦合两个分离密封的瓶1102、1104。例如，可以通过用电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)在内部涂覆瓶外壳1112的全部或仅U形空腔1110来构造波导。瓶外壳1112可以由例如模制塑料制成。瓶外壳1112牢固地安置两个气密密封的瓶1102、1104。在瓶外壳1112的整个内部被如此涂覆(例如，金属化)的示例中，那么瓶1102、1104本身可以不被涂覆。在仅U形空腔1110被如此涂覆的示例中，瓶1102、1104可以在内部或外部被涂覆(例如，金属化)，每个瓶1102、1104的端部部分未被涂覆，或者已经蚀刻掉了涂层，以允许与波导的U形空腔1110进行电磁通信。在任一情况下，在系统1100的操作期间，电磁信号从第一瓶1102通过U形空腔1110传送(funneled)并进入第二瓶1104中。在U形空腔1110中基本上不会吸收电磁信号，其功能只是将信号从第一瓶1102重定向到第二瓶1104。

通过被配置为波导的U形空腔1110将系统1100中的两个个体密封的瓶1102、1104耦合允许两个直形瓶1102、1104仅在瓶的单个端部处耦合到安装在板上的处理电路1114、1116。避免需要在单个瓶的相对端处连接，并避免需要创建单个U形瓶，可以降低系统制造复杂性和系统成本。发送器天线1106可以电耦合到发送器和控制电路1114。接收器天线1108可以电耦合到接收器电路1116。发送器电路1114和接收器电路1116可以作为或作为单个收发器/控制芯片(未示出)制造在相应个体集成电路(IC)半导体芯片上。电路1114、1116可以安装在电子板1118(例如PCB)上并电耦合到电子板1118。例如，板1118的长度和宽度可以测量为约5mm乘5mm(图11B的俯视图中所示的尺寸)。板1118可以进一步包括将电路1114、1116电耦合到天线1106、1108的布线。电路1114、1116可以用模制外壳1120包封在板1118上。瓶外壳1112可以通过销钉或螺钉(或其他固定设备)1122安装到板，或者可以胶合在板上。

如图11A所示，量子跃迁频率检测器系统1100可以安装到属于较大系统的较大系统板1124。例如，较大系统板1124(从图11B中省略)可以是计算机系统的主板或移动设备(诸如智能手机)的主系统板。电子板1118可以通过凸块键合(bump bonds)(例如，诸如凸块键合1126、1128)与较大系统板1124电耦合和机械耦合，通过凸块键合可以将输出信号从量子跃迁频率检测器系统1100提供给较大系统，和/或输入信号可以从较大系统提供给量子跃迁频率检测器系统1100。例如，可以使用球栅阵列(BGA)封装来提供凸块键合。也可以使用其他类型的封装技术，诸如焊盘网格阵列(LGA)封装。在它们的瓶外壳1112中的瓶1102、1104同样可以经由外壳安装块1130固定到较大系统板1124，外壳安装块1130利用安装脚1132、1134耦合到较大系统板1124。安装块1130可以与外壳1112是单个部件，或者可以与外壳1112分离地制造并固定(例如，胶合)到外壳。

图11A和图11B所示的示例配置的一个优点是天线1106、1108可以由位于单个平面上的平坦金属组成，该平面可以是电子电路1114、1116安装在其上的电子板1118的平面。因此，天线1106、1108可以印刷在单个电子板1118上并经由印刷在电子板1118上的布线电耦合到电路1114、1116。因此，用于询问瓶1102、1104所容纳的偶极气体的毫米电磁波可以直接从瓶1102、1104所耦合到的电子板1118发射。

图12A是示例量子跃迁频率检测器系统1200(例如，被配置为时钟)的倾斜平行投影视图1200，其在材料方面类似于系统1100，该系统包括在毫米波天线1206、1208的位置处配置有相应矩形窗口以用于底侧信号发射和接收的两个偶极气体限制玻璃瓶1202、1204。瓶外壳1212中的U形空腔1210被配置为波导，例如，具有电磁反射材料的内部涂层。瓶1202、1204被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。发送器天线1206电耦合到发送器和控制电路1214。接收器天线1208电耦合到接收器电路1216。发送器电路1214和接收器电路1216安装在电子板1218上并电耦合到电子板1218，电子板1218可以进一步包括将电路1214、1216电耦合到天线1206、1208的布线。模制外壳1212可以包括或可以安装到块1230。

图12B提供了系统1200的穿过纵向平面1258的纵向截面视图，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线1206传播到接收天线1208(天线未在图12B中示出)的条件下的电场，单位为伏特/米。

图12C提供了系统1200的侧视图。图12C的侧视图示出板1218可以提供有用于输入和输出的多个引脚或其他电连接1272。

图13是散射参数(S-参数)曲线图，该图示出了在110GHz和140GHz之间的频率范围内在图12A-图12C的系统1200的发送器处反射的功率(S

图14A和图14B分别示出了示例量子跃迁频率检测器系统1400(例如，被配置为时钟)的系统级侧视图和俯视图，该系统包括在毫米波天线1406、1408的位置处配置有相应矩形窗口以用于底侧信号发射和接收的两个偶极气体限制玻璃瓶1402、1404。瓶1402、1404被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。如在图11A和图11B的系统1100中，图14A和图14B中所示的系统1400经由被配置为波导的U形空腔1410耦合两个分离密封的瓶1402、1404。然而，与系统1100相比，瓶外壳被配置为具有外壳下部分1412和外壳盖1413的盒子，外壳下部分1412和外壳盖1413中的每个都可以由例如模制塑料制成。在一些情况下，盒式外壳配置可以允许更有效的可制作性，允许将瓶设置到外壳下部分1412中并通过将模制盖1413耦合到外壳下部分1412来密封。瓶外壳的这两个部分牢固地安置两个气密密封瓶1402、1404。外壳下部分1412和外壳盖1413可以在内部被涂覆(例如，金属化)以形成波导，包括在U形空腔1410处。在系统1400的操作期间，电磁信号从第一瓶1402通过U形空腔1410传送并进入第二瓶1104中。

两个直形瓶1402、1404仅在瓶的单个端部处与安装在板上的处理电路1414、1416耦合。与第一瓶1402的电磁半透明或基本透明的矩形发射窗口相邻放置的发送器天线1406电耦合到发送器和控制电路1414。与第二瓶1404的电磁半透明或基本透明的矩形接收窗口相邻放置的接收器天线1408电耦合到接收器电路1416。发送器电路1414和接收器电路1416可以作为或作为单个收发器/控制芯片(未示出)制造在相应个体集成电路(IC)半导体芯片上。电路1414、1416可以安装在电子板1418上并电耦合到电子板1118。例如，板1418的长度和宽度可以测量为约25mm乘5mm(图14B的俯视图中所示的尺寸)。板1418可以进一步包括将电路1414、1416电耦合到天线1406、1408的布线。在示例系统1400中，不仅电路1414、1416，而且带有外壳零件1412、1413的瓶1402、1404也用模制外壳1420包封在板1418上，从而将系统1400的所有部分一起固定成实心部件。

如图14A所示，量子跃迁频率检测器系统1400可以安装到属于较大系统的较大系统板1424。例如，较大系统板1424(从图14B中省略)可以是计算机系统的主板或移动设备(诸如智能手机)的主系统板。电子板1418可以通过凸块键合(例如，诸如凸块键合1426、1428、1429)与较大系统板1424电耦合和机械耦合，通过凸块键合可以将输出信号从量子跃迁频率检测器系统1400提供给较大系统，和/或输入信号可以从较大系统提供给量子跃迁频率检测器系统1400。与系统1100相比，系统1400避免了需要将电子器件1414、1416、1418和瓶1402、1404分别安装到较大系统板1424。相反，由板1418和包封外壳1420容纳的封装件(包括电子器件和瓶)与较大系统板1424一体耦合，从而提供可制作性便利优势。

图15A和图15B分别示出了示例量子跃迁频率检测器系统1500(例如，被配置为时钟)的系统级侧视图和俯视图，该系统仅包括在毫米波天线1506的位置处配置有单个矩形发射/接收窗口以用于底侧信号发射和接收的单个偶极气体限制玻璃瓶1502。瓶1502被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。与系统1100和1400相比，图15A和图15B中所示的系统1500不需要耦合两个分离的瓶的波导。相反，系统1500被配置用于从单个瓶1502中的单个窗口发射和接收。例如，瓶1502可以在外部涂覆有金属(例如，诸如Cu、Al、Cr或Ti的反应性金属)，从窗口区域省略涂层或随后从窗口区域蚀刻掉涂层以形成窗口，并且然后瓶1502被包封在外壳1512中，外壳1512可以是例如注塑模制的塑料。在其他示例中，外壳1512由金属(例如，诸如Cu、Al、Cr或Ti的反应性金属)制成或在内部涂覆有金属(例如，诸如Cu、Al、Cr或Ti的反应性金属)，并且瓶1502可以放置在外壳1512内侧，使得瓶的玻璃壁的外部的至少部分邻接(例如，基本上接触)外壳内部的金属，使得外壳内部的金属充当用于通过瓶传播电磁波的波导。在系统1500的操作期间，电磁信号通过单个发射-接收窗口发射到瓶1502中，传播到瓶1502的远端，并反射回单个发射/接收窗口。例如，可以将瓶1502制造成具有2Nλ/2的传播长度1540，其中N是整数倍数并且λ是预期要观察的偶极气体的量子跃迁波长。

直形瓶1502仅在瓶的单个端部处与安装在板上的处理电路1514、1516耦合。单个发送器/接收器天线1506与瓶1502的单个电磁半透明或基本透明的矩形发射窗口相邻放置，并且电耦合到发送器和控制电路1514并且电耦合到接收器电路1516。发送器电路1514和接收器电路1516可以作为或作为单个收发器/控制芯片(未示出)制造在相应个体集成电路(IC)半导体芯片上。电路1514、1516可以安装在电子板1518上并电耦合到电子板1118。例如，板1518的长度和宽度可以测量为约5mm乘5mm(图15B的俯视图中所示的尺寸)。板1518可以进一步包括将电路1514、1516电耦合到天线1506的布线。循环器或竞争结构(rat-racestructure)1536可以允许以正确的衰减比将传输的信号与接收的信号分离。处理电子器件1514、1516也可以被配置为区分传输的和接收的电磁信号。

如图15A所示，量子跃迁频率检测器系统1500可以安装到属于较大系统的较大系统板1524。例如，较大系统板1524(从图15B中省略)可以是计算机系统的主板或移动设备(诸如智能手机)的主系统板。电子板1518可以通过凸块键合(例如，诸如凸块键合1526、1528)与较大系统板1524电耦合和机械耦合，通过凸块键合可以将输出信号从量子跃迁频率检测器系统1500提供给较大系统，和/或输入信号可以从较大系统提供给量子跃迁频率检测器系统1500。在其瓶外壳1512中的瓶1502同样可以经由外壳安装块1530固定到较大系统板1524，外壳安装块1530利用安装脚1532、1534耦合到较大系统板1124。安装块1530可以与外壳1512是单个部件，或者可以与外壳1512分离地制造并固定(例如，胶合)到外壳1512。

图16A是示例量子跃迁频率检测器系统1600(例如，被配置为时钟)的倾斜平行投影视图1600，该系统包括配置有相应毫米波天线1606、1608(例如，维瓦尔第天线)的两个偶极气体限制玻璃瓶1602、1604，该毫米波天线分别在瓶端部入口点处耦合到瓶1602、1604以用于横向信号发射和接收。瓶耦合波导部件1612中的H形空腔1610被配置为波导，例如，在瓶耦合波导部件1612中具有电磁反射材料的内部涂层，或通过瓶耦合波导部件1612已经由电磁反射材料制成。瓶1602、1604被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。发送器天线1606电耦合到发送器和控制电路1614。接收器天线1608电耦合到接收器电路1616。发送器电路1614和接收器电路1616安装在电子板1618上并电耦合到电子板1618，电子板1618可以进一步包括将电路1614、1616电耦合到天线1606、1608的布线。瓶耦合波导部件1612可以包括或可以安装到块1630。

图16B和图16C分别提供了系统1600的侧视图和俯视图。图16D提供了系统1600的穿过纵向平面1658的纵向截面俯视图，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线1606传播到接收天线1608的条件下的电场，单位为伏特/米。

图17是S-参数曲线图，该图示出了在110GHz和140GHz之间的频率范围内在图16A-图16D的系统1600的发送器处反射的功率(S

图18A是作为量子跃迁检测系统的一部分的用于容纳低压偶极气体的示例密封玻璃瓶1802的倾斜平行投影视图1800。瓶1802被示为具有超椭圆(圆角矩形)横截面。瓶1802可以在内部或外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)以形成波导。在图18A和图18B的所示示例中，在瓶的一端或两端附近的矩形窗口未金属化，或者可以在涂覆之后在瓶的一端或两端附近的矩形部分处去除(例如，蚀刻掉)金属涂层，以提供对用于询问受限气体的对电磁波半透明或基本透明的入口点。在波长的特定尺寸和瓶1802的玻璃材料的介电常数内，瓶1802表现出单模电磁传播。

图18B提供了瓶1802的穿过纵向平面1808的纵向截面视图1810，该图示出了在给定跃迁频率下的电磁波从发送天线传播到接收天线(天线未在图18A和图18B中示出)的条件下的电场，单位为伏特/米。在所示示例中，在瓶1802的底侧提供发射和接收。

当瓶(诸如上述任何示例瓶)被配置为物理单元以电磁地询问偶极气体的吸收频率时，物理单元的波导可以被配置为仅使用单模电磁波传播来操作。特定波导中的主要(dominant)模式是具有最低截止频率的模式。对于矩形波导，这种主要模式是TE

作为示例，图19的曲线图绘制了图18A和图18B的圆角矩形横截面瓶1802(具有57毫米的瓶长度)的传播模式的S

示例玻璃瓶(诸如图1-图18B中所示的任何玻璃瓶)中的受限气体的压力可以根据图20和图21的曲线图中所示的关系来选择。吸收线的形状随气体压力而变化。当气体压力很低时，气体对电磁波的吸收，即使是在量子跃迁的频率处，也是很小的，因为吸收电磁能量的气体分子不足。随着气体压力并因此受限气体的分子的数量的增加，吸收凹陷的幅度变得较大，直至达到饱和点，此时吸收凹陷随着压力的增加而变宽。吸收凹陷越宽，(例如，对于图1的检测器100中的电路108)就越难以准确跟踪受限偶极气体的量子跃迁频率(凹陷的底部的频率)。

图20的曲线图图示说明了在感兴趣频率范围(在所示曲线图中，在121.59GHz和121.61GHz之间)内受限气体(该气体在所示示例中为OCS)的压力与传输的功率之间的关系。例如，吸收线曲线2002示出了10毫巴的受限气体压力的OCS吸收线。该曲线2002示出了非常宽的凹陷2000。吸收线曲线2004示出了1毫巴的受限气体压力的OCS吸收线。该曲线2004具有比曲线2002窄的凹陷2000。吸收线曲线2006示出了0.1毫巴的受限气体压力的OCS吸收线。吸收线曲线2008示出了0.01毫巴的受限气体压力的OCS吸收线。与0.1毫巴曲线2006的凹陷2000相比，0.01毫巴曲线2008的凹陷2000更尖锐，但幅度差异减小。例如，吸收线凹陷的锐度(或窄度或宽度)可以通过凹陷的半峰全宽(FWHM)来表征；凹陷的FWHM值越低指示凹陷越尖锐。

如图20的曲线图所示，在较低的压力下，指示受限OCS气体在约121.6GHz处的量子跃迁的传输的功率凹陷2000与在凹陷2000外的询问波频率下的传输的功率相比具有低幅度差异。在较高的压力下，凹陷2000宽度扩大。幅度差异过小或过宽的凹陷可能难以锁定(例如，通过图1的示例频率检测器100中的跃迁频率锁定控制回路电路108)。对于任何给定的偶极气体，可以选择折中压力，该折中压力平衡凹陷幅度和凹陷窄度的竞争考虑。

图21的曲线图示出了在受限气体压力的范围下的吸收线的吸收线凹陷的FWHM的曲线2102，以赫兹为单位。如图21所示，压力2108(在所示示例中处于约0.1毫巴和约0.01毫巴之间)可以在曲线2102的弯曲附近选择，其中FWHM没有从其在约1×10

在一些示例中，压力可以从如上确定的压力进行调整，以针对给定瓶长度增加吸收。可以将瓶制造(例如，激光切割，如图2的示例中)为具有提供单模传播的长度。吸收可以定义为在瓶的接收器天线处接收到的电磁询问波的输出功率单位与发射到瓶中的电磁询问波的输入功率单位的分数，并且可以写为P

图22的曲线图示出了针对56毫米的示例瓶长度l的作为在约1x10

图23的曲线图示出了在感兴趣频率范围内(在所示曲线图中，在121.594GHz和121.606GHz之间)示例玻璃瓶(57毫米长，玻璃壁具有4.8的介电常数)的玻璃壁的厚度与传输的功率之间的关系。对于极薄玻璃(“无玻璃”)外侧的外部金属涂层或内部金属涂层的情况，指示受限气体在约121.6GHz处的量子跃迁的传输的功率凹陷2300由曲线2302(即所示的那些中最尖锐且最明确的曲线)指示。曲线2304示出了具有180微米厚的壁的示例玻璃瓶的凹陷2300的幅度。其他曲线(其值落在“无玻璃”曲线2302和180微米厚度曲线2304的值之间)指示比180微米的厚度小10％、比180微米的厚度小20％和比180微米的厚度小30％的中间情况。

较厚的玻璃瓶壁具有较高的机械稳健性的优点。在来自外侧的压力下，玻璃瓶应该具有足够厚的壁以维持瓶的机械完整性并且不会碎裂。相比之下，极薄的玻璃瓶壁降低了玻璃中的电场的浓度，从而减少了电磁波通过玻璃的传播并增加了在受限气体中的吸收。此外，截止频率(诸如图19中的截止频率1904、1908)受到玻璃材料的介电常数的影响，该介电常数可以在例如约4和约5之间。如果玻璃壁太厚，则可能将截止频率安置成使得感兴趣的跃迁频率不在单模传播频率操作区域内。

如图23的曲线图所示，玻璃瓶的壁越薄，传输的功率凹陷2200越尖锐。然而，较薄的玻璃壁也可能难以制作，并且可能在制造和操作期间遭受缺乏稳健性，从而导致瓶破裂或断裂以及随之而来的受限偶极气体的泄漏。因此，在一些示例中，玻璃瓶壁厚在约50微米和约250微米之间，例如，在约100微米和约180微米之间，例如，在约120微米和约150微米之间。

图24A和图24B示出了示例量子跃迁频率检测器系统2400，其包括单个玻璃瓶2404，在瓶2404的任一端具有发送电路2414和接收电路2416。瓶2404可以在毫米波天线(未示出)的位置处配置有相应矩形窗口，以用于底侧信号发射和接收或横向信号发射和接收(或这些的某种组合)。例如，瓶2404可以是图3A、图4A、图6A、图7A、图8、图9A、图9B、图10A、图10B或图12A中描绘的任何类型。瓶2404被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。瓶2404可以在内部或外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)，或者可以安置在基本上邻接的外壳(未示出)中，该外壳在内部涂覆有电磁反射材料且用于为瓶2404提供外部涂层。瓶外壳可以由例如模制塑料制成。

在系统2400的操作期间，电磁信号通过瓶2404从发送器电路2414耦合到的发送端传播到接收电路2416耦合到的接收端。可以在发送电路2414或接收电路2416内提供控制电路，发送电路2414或接收电路2416可以经由有线或无线连接(未示出)彼此耦合。发送器天线(未示出)可以电耦合到发送器电路2414。接收器天线(未示出)可以电耦合到接收器电路2416。发送器电流源2414和接收器电路2416可以制造在相应个体IC半导体芯片上。电路2414、2416可以安装在相应电子板2418、2419(例如PCB)上并电耦合到相应电子板2418、2419。板2418、2419可以包括将电路2414、2416电耦合到相应天线的布线。

例如，系统2400中的每个板2418、2419可以通过凸块键合2426焊接到较大板(未示出)或其他部件(未示出)以集成到较大系统(未示出)中，诸如计算机系统的主板或移动设备(诸如智能手机)的主系统板。输出信号可以经由凸块键合从量子跃迁频率检测器系统2400提供给较大系统，和/或输入信号可以从较大系统提供给量子跃迁频率检测器系统2400。电路2414、2416可以用模制外壳包封在相应板2418、2419上。瓶2404或其外壳可以通过销钉、螺钉或其他固定设备安装到板2418、2419，或者可以胶合在其上。输出信号可以从量子跃迁频率检测器系统1100提供给较大系统，和/或输入信号可以从较大系统提供给量子跃迁频率检测器系统1100。

系统2400具有制造和构造简单的优点，因为它不需要波导来耦合两个独立的瓶，并且不需要弯曲玻璃瓶来创建U形或蛇形瓶。与系统1100相比，系统2400保留了天线可以由位于单个平面上的平坦金属组成的优点，该平面可以是电子电路2414、2416安装在其上的电子板2418、2419的平面。因此，天线可以印刷在电子板2418、2419上并经由印刷在电子板2418、2419上的布线电耦合到电路2414、2416。取决于瓶2404相对于板2418、2419如何安置，天线可以被配置用于横向或底侧信号发射，或这些的某种组合。因此，用于询问瓶2404所容纳的偶极气体的毫米电磁波可以直接从瓶2404所耦合到的电子板2418发射。

图25和图26示出了用于量子跃迁频率检测器系统中的示例瓶布置，其中每个瓶配置有对角拐角以提供定向电磁反射。在图25中，该系统包括两个低压偶极气体限制玻璃瓶2502、2504，它们通过直形波导2510耦合。例如，波导2510可以是内部涂覆有电磁反射材料的塑料壳或壳体，或者本身可以由电磁反射材料(例如金属)制成。瓶2502在侧面提供进入波导2510的出口窗口2571。瓶2504在侧面提供离开波导2510的进口窗口2573。两个玻璃瓶2502、2504中的每一个可以提供有分别耦合在发射窗口2506和接收窗口2508处的相应毫米波天线(未示出)。在每个瓶2502、2504的与其相应窗口2506、2508相对的端部处，瓶被成形为具有处于相对于瓶的纵向尺寸成对角线的角度的表面，例如，相对于纵向尺寸成45°角或约45°角，以便提供沿电磁能量传播路径2578定向反射询问电磁辐射的表面。例如，可以通过卷曲玻璃瓶2502或2504来创建角度。

例如，瓶2502、2504可以在具有窗口2506、2508的端部上进行激光切割和密封，并在具有成角度的反射表面2580、2582的端部上进行卷曲切割和密封。瓶2502、2504被示为横截面为矩形，但可以是任何形状。天线可以电耦合到发送电路或接收电路，这些电路可以安装在单个电子板(或相应电子板)上，如其他示例(诸如图16A)中所示。在所示示例中，窗口2506、2508被配置用于横向信号发射和接收，但在其他示例中，其他配置是可能的。耦合波导2150可以例如由金属或涂覆金属的塑料制成，但在其端部是开放的，或者在其与窗口2571、2573接口连接的端部上没有涂覆金属。波导2510可以填充有空气或电介质。

图26中所示的量子跃迁频率检测器布置类似于图25的布置，除了发射窗口2606和接收窗口2608被布置用于底侧信号发射和接收之外。例如，毫米波询问信号可以通过底侧发射窗口2606发射沿路径2678通过瓶2602，在瓶2602的对角端部2680处从表面反射，通过窗口2671离开瓶2602进入波导2610，穿过波导2610经由窗口2673进入瓶2604，在瓶2604的对角端部2682处从表面反射，并通过底侧接收窗口2608离开。图25中的波导2510或图26中的2610可以非常短趋近于零。在一些示例中，第三填充气体的玻璃瓶可以代替波导2510或2610，从而提供附加有效电磁询问长度。

在一些示例中，金属或涂覆金属的波导可以替代发射瓶2502或2602或接收瓶2504或2604中的一个。与图24A和图24B的布置相比，这样的示例提供了将信号返回到单个瓶的同一侧的好处，提供了关于仅在瓶的一侧上的电子器件的布置的构造的简单性，其中图24A和图24B的布置包括单个瓶2404两侧上的电子器件。在一些示例中，面2580或2680处的角度不是约45°，而是实质更大或更小的角度，面2582或2682处的角度分别对应地更小或更大，以确保电磁能量传播路径2578或2678的传播的方向被重新定向约180°。例如，不是面2580(或2680)和2582(或2682)都相对于相应瓶2502(或2602)和2504(或2604)的纵向尺寸为约45°，而是面2580(或2680)可以提供约30°的角度，并且面2582(或2682)可以对应地提供约60°的角度；波导2510(或2610)可以被布置为对应地倾斜，而不是垂直于瓶2502和2504(或2602和2604)。上面参考图25和图26讨论的示例可以扩展以提供由两个以上的瓶组成的蛇形结构，这些瓶通过附加波导或连接瓶耦合，从而通过增加询问毫米波穿过的低压偶极气体的量来延长物理单元的有效长度。

图27至图31示出了示例U形物理单元，与需要连接多个玻璃以导出U形结构的示例相比，该示例U形物理单元可以由单个玻璃瓶制造，从而通过消除部件之间的脆弱接口潜在地降低制造成本、降低系统复杂性并增加系统稳健性。如图28和图29中所示的单瓶U形物理单元可以如图27中所示开始2700，其中宽玻璃瓶2701最初至少一个端部未密封。例如，玻璃瓶2701的横截面的宽度比其高度大得多，例如，宽高比大于2:1，例如大于3:1，例如大于4:1，例如大于5:1，例如大于6:1。例如，纵横比为4.5:1。示例横截面示出在图30和图31中。图27中所示的起始宽瓶2701被示为具有超椭圆(圆角矩形)横截面，但可以具有许多其他形状。

在制造中，起始宽瓶2701可以通过以下进行处理：高温卷曲(例如，使用温度足够高的夹具来熔化和卷曲瓶2701的玻璃)或激光加热以沿着起始宽瓶2701的一部分长度塌缩起始宽瓶2701的中间，以形成与Z轴2703基本共线的壁，并且因此在单个玻璃瓶2701中形成U形结构。如图28的示例U形单瓶物理单元2800所示，起始宽瓶2701的中间部分的塌缩在瓶的任一侧创建两个连接的空腔2802、2804。在近密封平面2890中的区域2894和区域2896之间形成中间壁之后，根据上面给出的示例，双腔瓶2800可以在期望压力下填充低压偶极气体，并通过激光束密封或在一个或两个端部处加热和卷曲以完成瓶2800的密封。例如，在用低压偶极气体填充瓶2800之前，可以在远密封平面2892处密封瓶2800的端部，并且在用低压偶极气体填充瓶2800之后，激光束可以在近密封平面2890处密封瓶2800的相对端部。密封后，瓶2800可以在外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)。涂层覆盖瓶2800的外部上的中间壁的内部的至少一部分。可以进行涂覆以便在近密封平面2890处不涂覆瓶2800的部分，这些部分是电磁半透明或基本透明的发射窗口2806和接收窗口2808的位置，或者这样的窗口可以在涂覆之后打开，例如，通过蚀刻掉窗口2806、2808的位置处的涂层。在物理单元操作期间，发射窗口2806和接收窗口2808之间的电磁能量传播路径2878穿过第一填充偶极气体的瓶空腔2802并经由第二填充偶极气体的瓶空腔2804返回。

图28的窗口2806、2808被配置用于横向信号发射和接收。图29图示说明了与图28中所示的物理单元2800相似但具有用于底侧(或顶侧)信号发射和接收的发射窗口2906和接收窗口2908的示例单瓶U形物理单元2900。在物理单元操作期间，发射窗口2906和接收窗口2908之间的电磁能量传播路径2978穿过第一填充偶极气体的瓶空腔2902并经由第二填充偶极气体的瓶空腔2904返回。将空腔2902与空腔2904分开的中间壁从近密封平面2990中的区域2994延伸到区域2996，并且不完全延伸到远密封平面2992。

图30和图31示出了图28和图29的U形单瓶2800、2900的示例横截面。在两个所示横截面中，发射窗口3006、3106和接收窗口3008、3108被配置用于横向信号发射和接收，但是，如参考图29所指示的，在其他示例中，窗口可以被配置用于底侧(或顶侧)信号发射和接收。图30的横截面示出了第一空腔3002通过中间壁与第二空腔3004分离，该中间壁通过将起始宽玻璃瓶的顶部和底部加热并卷曲在一起以在中间某处相交而形成。壁不完全延伸穿过瓶，使得远玻璃壁区域3045、3047对应于图28和图29中的区域2896、2996。瓶的外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)3001。涂层还覆盖了瓶的外部上的壁的内侧3043、3045。在图31的示例中，第一空腔3102通过中间壁与第二空腔3104分离，该中间壁通过将起始宽玻璃瓶的顶部加热和卷曲以与玻璃瓶的底部相交而形成。壁不完全延伸穿过瓶，使得远玻璃壁区域3145对应于图28和图29中的区域2896、2996。瓶的外部涂覆有电磁反射(例如，导电)材料(例如，金属)3101。涂层还覆盖了瓶的外部上的壁的内侧3141。

未示出的其他示例可以形成为图27至图31的示例的扩展，其中起始瓶2701被不同地成形或中央卷曲区域具有不同的形状。例如，中央卷曲区域可以不一直延伸到密封平面2890或2990，从而创建具有有效圆形电磁传播路径的圈形瓶。这样的示例可以仅具有单个发射/接收窗口并且可以被配置为以与图15A和图15B的单窗口示例类似的方式操作。在未示出的其他示例中，甚至更宽的起始瓶(例如，具有大于5:1的横截面纵横比)可以被卷曲以具有多个壁，这些壁相对于彼此偏移以提供由两个以上的耦合空腔组成的蛇形或螺旋形结构，从而通过增加询问毫米波穿过的低压偶极气体的量来延长物理单元的有效长度。

图32的流程图图示说明了制造诸如可以用于量子跃迁频率检测器(如图1的检测器100)的基于玻璃瓶的物理单元的示例方法3200。提供3202玻璃管。玻璃管可以使用例如挤出工艺、丹纳工艺、维洛工艺、下拉或任何合适的工艺来制作。例如，玻璃管可以具有在约1毫米和约10毫米之间的宽度。例如，玻璃管可以具有厚度在约50微米和约250微米之间，例如在约100微米和约180微米之间，例如在约120微米和约150微米之间的壁。玻璃管可以具有正方形、矩形、圆角矩形、卵形、椭圆形或其他形状的横截面。

然后使用连续的真空吹扫和填充工艺3204以实现偶极气体的气体纯度。例如，偶极气体可以是H

然后，填充低压偶极气体的管被激光切割和密封3208，以创建容纳选定压力下的偶极气体的选定长度的瓶。例如，长度可以在约1厘米和约15厘米之间，例如，在约2厘米和约10厘米之间，例如，在约5厘米和约7厘米之间。例如，激光切割和密封工艺可以是如上面参考图示说明切割和密封工艺200的图2所描述的。

瓶可以在外侧上用电磁反射材料涂覆3210(例如，金属化)，并在涂层中提供电磁半透明窗口或瓶端部入口点。窗口或瓶端部入口点可以通过在涂覆期间不在窗口或瓶端部入口点的区域处涂覆瓶，或通过在窗口或瓶端部入口点的区域处对涂层进行涂覆后去除(例如，通过光刻蚀刻或激光烧蚀)来提供。图3A、图4A、图5A和图16A中图示说明了具有瓶端部入口点的瓶的示例。图6A、图7A、图12A、图14A和图15A中图示说明了具有窗口的瓶的示例。

瓶不需要完全外部涂覆3210。它可以在瓶外部的某些部分外部涂覆3210，或者根本不涂覆。它可以容纳3212在由电磁反射材料制成或涂覆有电磁反射材料并具有电磁半透明窗口或瓶端部入口点的外壳中，使得至少对于瓶在外部没有涂覆电磁反射材料的部分，瓶的外壁邻接(例如，基本上接触)外壳的电磁反射材料。参考图11A、图12A、图14A和图15A描述了可以以这种方式涂覆的外壳的示例。

电磁天线(诸如图1的检测器100中的天线104或106)可以在电磁半透明窗口或瓶端部入口点的位置处耦合3214到瓶。电磁天线可以被配置为发射或接收(或者，在一些示例中，发射和接收两者，如在上面参考图15A和图15B所描述的示例中)通过容纳在瓶中的偶极气体传播的电磁波。被配置用于横向信号发射或接收的天线的示例参考图3A、图5A和图16A进行了描述，并且包括维瓦尔第天线。被配置用于底侧信号发射或接收的天线的示例参考图6A、图11A、图12A、图14A和图15A进行了描述。在任何这些示例中，可以在PCB上绘制或印刷(一个或多个)天线。电磁天线可以电耦合3216到被配置为将电磁波的频率调整到偶极气体的量子跃迁频率的电路。该电路可以是如上文参考图1的检测器100的电路108所描述的，并且可以制造在一个或多个IC芯片上，例如，如图11B、图12A、图14B、图15B、图16A或图16C所示。

在从方法3200修改的另一个示例方法中，在气体引入3204、压力输送(pressurization)3206和密封3208之前，瓶内部涂覆有电磁反射材料(例如，用非反应性金属(诸如Au、Ag、Pt、Pd、Ru、Rh、Os或Ir)金属化)。在这种修改的方法中，瓶没有外部涂覆3210(例如，金属化)，对于外壳的与瓶的已经被内部涂覆的壁接触的那些部分，提供的任何外壳3212也不必需要被涂覆(例如，金属化)。

图33的流程图图示说明了制造诸如可以用于量子跃迁频率检测器(如图1的检测器100)的基于玻璃瓶的物理单元(如图28至图31所示的)的示例方法3300。提供3302宽玻璃管。玻璃管可以使用例如挤出工艺、丹纳工艺、维洛工艺、下拉或任何合适的工艺来制作。例如，玻璃管2701的横截面的宽度比其高度大得多，例如，宽高比大于2:1，例如大于3:1，例如大于4:1，例如大于5:1，例如大于6:1。例如，纵横比为4.5:1。例如，宽玻璃管可以具有在约5毫米和约50毫米之间的宽度。例如，玻璃管可以具有厚度在约50微米和约250微米之间，例如在约100微米和约180微米之间，例如在约120微米和约150微米之间的壁。玻璃管可以具有正方形、矩形、圆角矩形、卵形、椭圆形或其他形状的横截面。宽玻璃管可以在一个端部处被密封。

然后可以加热和卷曲3303管的长度的一部分以形成一个或多个壁，该壁将宽玻璃管分离成多个连接的空腔。例如，可以形成单个壁以创建管的两个空腔部分，如图28至图31的示例所示。作为另一示例，可以形成多于一个壁以创建具有多于两个耦合空腔的管的蛇形部分。

然后使用连续的真空吹扫和填充工艺3304以实现偶极气体的气体纯度。例如，偶极气体可以是H

然后，填充低压偶极气体的管被激光切割和密封3308，以创建容纳选定压力下的偶极气体的选定长度的瓶。例如，长度可以在约1厘米和约15厘米之间，例如，在约2厘米和约10厘米之间，例如，在约5厘米和约7厘米之间。例如，激光切割和密封工艺可以是如上面参考图示说明切割和密封工艺200的图2所描述的。

瓶可以在外侧上用电磁反射材料涂覆3310(例如，金属化)，并在涂层中提供电磁半透明窗口或瓶端部入口点。窗口或瓶端部入口点可以通过在涂覆期间不在窗口或瓶端部入口点的区域处涂覆瓶，或通过在窗口或瓶端部入口点的区域处对涂层进行涂覆后去除(例如，通过光刻蚀刻或激光烧蚀)来提供。图3A、图4A、图5A和图16A中图示说明了具有瓶端部入口点的瓶的示例。图6A、图7A、图12A、图14A、图15A、图25、图26、图28、图29、图30和图31中图示说明了具有窗口的瓶的示例。

瓶不需要完全外部涂覆3310。它可以在瓶外部的某些部分外部涂覆3310，或者根本不涂覆。它可以容纳3312在由电磁反射材料制成或涂覆有电磁反射材料并具有电磁半透明窗口或瓶端部入口点的外壳中，使得至少对于瓶的在外部没有涂覆电磁反射材料的部分，瓶的外壁邻接(例如，基本上接触)外壳的电磁反射材料。参考图11A、图12A、图14A和图15A描述了可以以这种方式涂覆的外壳的示例。

电磁天线(诸如图1的检测器100中的天线104或106)可以在电磁半透明窗口或瓶端部入口点的位置处耦合3314到瓶。电磁天线可以被配置为发射或接收(或者，在一些示例中，发射和接收两者，如在上面参考图15A和图15B所描述的示例中)通过容纳在瓶中的偶极气体传播的电磁波。被配置用于横向信号发射或接收的天线的示例参考图3A、图5A和图16A进行了描述，并且包括维瓦尔第天线。被配置用于底侧信号发射或接收的天线的示例参考图6A、图11A、图12A、图14A和图15A进行了描述。在任何这些示例中，可以在PCB上绘制或印刷(一个或多个)天线。电磁天线可以电耦合3316到被配置为将电磁波的频率调整到偶极气体的量子跃迁频率的电路。该电路可以是如上文参考图1的检测器100的电路108所描述的，并且可以制造在一个或多个IC芯片上，例如，如图11B、图12A、图14B、图15B、图16A或图16C所示。

在从方法3300修改的另一个示例方法中，在气体引入3204、压力输送3306和密封3308之前，瓶内部涂覆有电磁反射材料(例如，用非反应性金属(诸如Au、Ag、Pt、Pd、Ru、Rh、Os或Ir)金属化)。在这种修改的方法中，瓶没有外部涂覆3210(例如，金属化)，对于外壳的与瓶的已经被内部涂覆的壁接触的那些部分，提供的任何外壳3212也不必需要被涂覆(例如，金属化)。

使用如本文所述的玻璃瓶的物理单元和频率锁定系统提供了优于使用具有中空腔的结合晶片的物理单元和系统的可制作性和成本优势。在示例中，可以通过将一个或多个玻璃瓶耦合到带有一个或多个天线和一个或多个IC芯片的PCB来制造物理单元或频率锁定系统，该IC芯片容纳实施发送、接收和控制功能的电子器件。通过波导将两个或更多个玻璃瓶耦合在一起(在一些示例中，波导可以由模制塑料组成，该塑料具有内部涂覆有廉价反应性金属的空腔)可以有效地延长紧凑系统封装件内的物理单元的长度，同时进一步提供仅在物理单元的一个端部处将天线和电子器件耦合到物理单元的好处。

在本说明书中，术语“基于”是指“至少部分基于”。而且，在本说明书中，术语“耦合”或“耦接”是指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一设备、元件或部件耦合到第二设备、元件或部件，则该耦合可以通过直接耦合或通过经由其他设备、元件或部件和连接的间接耦合进行。类似地，耦合在第一部件或位置与第二部件或位置之间的设备、元件或部件可以是通过直接连接或通过经由其他设备、元件或部件和/或耦合的间接连接来进行。在权利要求的范围内，在所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。