垂直腔面發射激光器（VCSELs）具有體積小、閾值電流低、波長隨溫度穩定、圓形光束和高可靠性等優點，是原子鐘、原子磁力儀、原子陀螺儀等核心光源。但傳統VCSEL的光譜線寬較寬，一般為50-100 MHz，無法與自然原子線寬（銫為5 MHz）匹配，限制了原子傳感系統性能的進一步提升。

  近日，中國科學院微電子研究所吳德馨院士團隊提出了一種新型的縱向多腔耦合VCSEL。與傳統VCSEL相比，新型多腔耦合VCSEL具有更長的有效腔長和光子壽命。其諧振腔由一個有源腔和兩個無源腔組成，當光子進入無源諧振腔時，會產生快速相移，在腔內經過多個循環周期后最終透射出去，大大增加了光子壽命，從而壓縮了光譜線寬。由于高階模式相較于基模在擴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實現了光譜線寬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中發揮重要作用。

  該工作得到了北京市科技新星計劃、國家自然科學基金的支持。研究成果以“Longitudinal Multi-Cavity Coupled VCSELs With Narrow Linewidth and High Single Mode Power for Quantum Sensing”為題發表在光通信領域頂級期刊《Journal of Lightwave Technology 》上。中國科學院微電子研究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的結構示意圖和不同溫度下的光功率曲線

圖 2 測量的VCSEL的光譜線寬