量子磁探測傳感器，或稱為原子磁強計，其原理是借助激光與原子的相互作用實現(xiàn)對微弱磁場的高靈敏度檢測。原子磁強計中采用的光源以VCSEL為主，主要是因為VCSEL具備工作溫度范圍寬及高光束質(zhì)量這兩大優(yōu)勢，使用VCSEL作為光源，能與傳感器緊湊地進行一體化封裝，大幅降低整機體積、成本和功耗。然而，原子磁強計對VCSEL的性能要求十分苛刻，包括高溫工作(≥80°C)、單模(SMSR>30 dB)、窄線寬(<100 MHz)以及無磁，這大大增加了VCSEL芯片和模組的研發(fā)難度。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所(簡稱：長春光機所)和長春中科長光時空光電技術(shù)有限公司從2010年起，就圍繞芯片級原子鐘應(yīng)用，在VCSEL的高溫低閾值工作、波長控制、模式穩(wěn)定以及VCSEL在芯片原子鐘系統(tǒng)中的實際應(yīng)用等方面報道了一系列研究成果。

本文主要介紹長春光機所課題組在高溫、窄線寬、無磁VCSEL方面的一項新研究成果，這項研究提出的表面微透鏡集成外腔VCSEL能夠在90°C高溫環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定單模工作(SMSR=36.3 dB)，對應(yīng)的激光輸出功率為1.52 mW，激光頻率線寬為38 MHz;采用該VCSEL芯片制成的光源模組磁場僅為0.03 nT，可滿足量子傳感的應(yīng)用需求。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國光學(xué)》期刊。

為了研制出表面微透鏡集成外腔VCSEL器件，實現(xiàn)窄線寬無磁激光輸出，滿足原子磁強計等量子傳感器應(yīng)用要求，研究人員設(shè)計并生長了適合于表面集成微透鏡的VCSEL外延結(jié)構(gòu)，完成了表面微透鏡集成外腔VCSEL器件制備，在電極材料方面選取無磁材料以滿足應(yīng)用要求。

表面微透鏡集成外腔VCSEL器件結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員測試了集成微透鏡的VCSEL器件在室溫和高溫環(huán)境下的電流-功率特性，以評估該器件的高溫工作適應(yīng)性。結(jié)果表明，室溫下VCSEL在5 mA驅(qū)動電流下的輸出功率為2.559 mW，此時對應(yīng)的電壓為2.79 V，電-光轉(zhuǎn)換效率為18.3%。在4 mA驅(qū)動電流、90°C條件下，該器件激光中心波長為896.3 nm，SMSR為36.3 dB，激光器能夠保持較好的單模工作狀態(tài)，VCSEL激光線寬的測試結(jié)果為38 MHz。該器件采用的腔模-增益失配和多組高增益量子阱有效緩解了其在高溫下的性能劣化。

VCSEL輸出光譜測試結(jié)果

VCSEL線寬測試結(jié)果

為了滿足原子磁強計的應(yīng)用要求，研究人員使用該VCSEL芯片制成了無磁封裝VCSEL光源模組，并采用磁強計對該光源模組的剩磁進行測試。結(jié)果表明，該模組產(chǎn)生的磁場強度低于0.03 nT(峰-峰值)，能夠滿足實際應(yīng)用要求。

無磁封裝VCSEL光源模組

VCSEL模組剩磁測試結(jié)果

總而言之，這項研究面向量子傳感對VCSEL高溫工作、窄線寬、無磁等應(yīng)用要求，從芯片結(jié)構(gòu)著手，研制出一款帶有集成微透鏡結(jié)構(gòu)的VCSEL。該器件性能優(yōu)異，能夠滿足量子傳感的應(yīng)用需求，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

審核編輯：湯梓紅