量子磁探测传感器，或称为原子磁强计，其原理是借助激光与原子的相互作用实现对微弱磁场的高灵敏度检测。原子磁强计中采用的光源以VCSEL为主，主要是因为VCSEL具备工作温度范围宽及高光束质量这两大优势，使用VCSEL作为光源，能与传感器紧凑地进行一体化封装，大幅降低整机体积、成本和功耗。然而，原子磁强计对VCSEL的性能要求十分苛刻，包括高温工作（≥80°C）、单模（SMSR>30 dB）、窄线宽（<100 MHz）以及无磁，这大大增加了VCSEL芯片和模组的研发难度。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（简称：长春光机所）和长春中科长光时空光电技术有限公司从2010年起，就围绕芯片级原子钟应用，在VCSEL的高温低阈值工作、波长控制、模式稳定以及VCSEL在芯片原子钟系统中的实际应用等方面报道了一系列研究成果。

本文主要介绍长春光机所课题组在高温、窄线宽、无磁VCSEL方面的一项新研究成果，这项研究提出的表面微透镜集成外腔VCSEL能够在90°C高温环境下实现稳定单模工作（SMSR=36.3 dB），对应的激光输出功率为1.52 mW，激光频率线宽为38 MHz；采用该VCSEL芯片制成的光源模组磁场仅为0.03 nT，可满足量子传感的应用需求。相关研究成果已发表于《中国光学》期刊。

【资料图】

为了研制出表面微透镜集成外腔VCSEL器件，实现窄线宽无磁激光输出，满足原子磁强计等量子传感器应用要求，研究人员设计并生长了适合于表面集成微透镜的VCSEL外延结构，完成了表面微透镜集成外腔VCSEL器件制备，在电极材料方面选取无磁材料以满足应用要求。

表面微透镜集成外腔VCSEL器件结构示意图

研究人员测试了集成微透镜的VCSEL器件在室温和高温环境下的电流-功率特性，以评估该器件的高温工作适应性。结果表明，室温下VCSEL在5 mA驱动电流下的输出功率为2.559 mW，此时对应的电压为2.79 V，电-光转换效率为18.3%。在4 mA驱动电流、90°C条件下，该器件激光中心波长为896.3 nm，SMSR为36.3 dB，激光器能够保持较好的单模工作状态，VCSEL激光线宽的测试结果为38 MHz。该器件采用的腔模-增益失配和多组高增益量子阱有效缓解了其在高温下的性能劣化。

VCSEL输出光谱测试结果

VCSEL线宽测试结果

为了满足原子磁强计的应用要求，研究人员使用该VCSEL芯片制成了无磁封装VCSEL光源模组，并采用磁强计对该光源模组的剩磁进行测试。结果表明，该模组产生的磁场强度低于0.03 nT（峰-峰值），能够满足实际应用要求。

无磁封装VCSEL光源模组

VCSEL模组剩磁测试结果

总而言之，这项研究面向量子传感对VCSEL高温工作、窄线宽、无磁等应用要求，从芯片结构着手，研制出一款带有集成微透镜结构的VCSEL。该器件性能优异，能够满足量子传感的应用需求，未来发展潜力巨大。

论文信息：https://doi.org/10.37188/CO.2022-0135