垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）具有體積小、閾值電流低、波長(zhǎng)隨溫度穩(wěn)定、圓形光束和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是原子鐘、原子磁力儀、原子陀螺儀等核心光源。但傳統(tǒng)VCSEL的光譜線(xiàn)寬較寬，一般為50-100 MHz，無(wú)法與自然原子線(xiàn)寬（銫為5 MHz）匹配，限制了原子傳感系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。
近日，微電子所吳德馨院士團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的縱向多腔耦合VCSEL。與傳統(tǒng)VCSEL相比，新型多腔耦合VCSEL具有更長(zhǎng)的有效腔長(zhǎng)和光子壽命。其諧振腔由一個(gè)有源腔和兩個(gè)無(wú)源腔組成，當(dāng)光子進(jìn)入無(wú)源諧振腔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生快速相移，在腔內(nèi)經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)周期后最終透射出去，大大增加了光子壽命，從而壓縮了光譜線(xiàn)寬。由于高階模式相較于基模在擴(kuò)展腔中具有更高的衍射損耗，即使在較大電流和氧化孔徑下，仍可支持單模激射，提高單模輸出功率。該795nmVCSEL實(shí)現(xiàn)了光譜線(xiàn)寬7.3MHz、單模功率4.6mW（25℃下）以及偏振抑制比27dB等高性能，可在下一代原子傳感系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
該工作得到了北京市科技新星計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。研究成果以“Longitudinal Multi-Cavity Coupled VCSELs With Narrow Linewidth and High Single Mode Power for Quantum Sensing”為題發(fā)表在光通信領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Journal of Lightwave Technology 》上。微電子所荀孟青年研究員為論文第一作者，潘冠中青年研究員為通訊作者。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10535524
圖 1 新型VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖和不同溫度下的光功率曲線(xiàn)
圖 2 測(cè)量的VCSEL的光譜線(xiàn)寬
