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，微电子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。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795nmVCSEL实现了光谱线宽7.3MHz、单模功率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。微电子所荀孟青年研究员为论文第一作者，潘冠中青年研究员为通讯作者。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10535524
图 1 新型VCSEL的结构示意图和不同温度下的光功率曲线
图 2 测量的VCSEL的光谱线宽
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