垂直腔面发射激光器（VCSELs）具有体积小、阈值电流低、波长随温度稳定、圆形光束和高可靠性等优点，是原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等核心光源。但传统VCSEL的光谱线宽较宽，一般为50-100 MHz，无法与自然原子线宽（铯为5 MHz）匹配，限制了原子传感系统性能的进一步提升。
近日，中国科学院微电子研究所吴德馨院士团队提出了一种新型的纵向多腔耦合VCSEL。与传统VCSEL相比，新型多腔耦合VCSEL具有更长的有效腔长和光子寿命。其谐振腔由一个有源腔和两个无源腔组成，当光子进入无源谐振腔时，会产生快速相移，在腔内经过多个循环周期后最终透射出去，大大增加了光子寿命，从而压缩了光谱线宽。
图1 新型VCSEL的结构示意图和不同温度下的光功率曲线
由于高阶模式相较于基模在扩展腔中具有更高的衍射损耗，即使在较大电流和氧化孔径下，仍可支持单模激射，提高单模输出功率。该795 nm VCSEL实现了光谱线宽7.3 MHz、单模功率4.6 mW（25℃下）以及偏振抑制比27 dB等高性能，可在下一代原子传感系统中发挥重要作用。
该工作得到了北京市科技新星计划、国家自然科学基金的支持。研究成果以“Longitudinal Multi-Cavity Coupled VCSELs With Narrow Linewidth and High Single Mode Power for Quantum Sensing”为题发表在光通信领域顶级期刊《Journal of Lightwave Technology 》上（点击“阅读原文”查看论文链接）。
图2 测量的VCSEL的光谱线宽
来源：中国科学院微电子研究所
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