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量這兩大優勢，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芯片和模組的研發難度。

據麥姆斯咨詢報道，中國科學院長春光學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有限公司從2010年起，就圍繞芯片級原子鐘應用，在VCSEL的高溫低閾值工作、波長控制、模式穩定以及VCSEL在芯片原子鐘系統中的實際應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高溫環境下實現穩定單模工作(SMSR=36.3 dB)，對應的激光輸出功率為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用需求。相關研究成果已發表于《中國光學》期刊。

為了研制出表面微透鏡集成外腔VCSEL器件，實現窄線寬無磁激光輸出，滿足原子磁強計等量子傳感器應用要求，研究人員設計并生長了適合于表面集成微透鏡的VCSEL外延結構，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用要求。

表面微透鏡集成外腔VCSEL器件結構示意圖

研究人員測試了集成微透鏡的VCSEL器件在室溫和高溫環境下的電流-功率特性，以評估該器件的高溫工作適應性。結果表明，室溫下VCSEL在5 mA驅動電流下的輸出功率為2.559 mW，此時對應的電壓為2.79 V，電-光轉換效率為18.3%。在4 mA驅動電流、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，VCSEL激光線寬的測試結果為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輸出光譜測試結果

VCSEL線寬測試結果

為了滿足原子磁強計的應用要求，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。結果表明，該模組產生的磁場強度低于0.03 nT(峰-峰值)，能夠滿足實際應用要求。

無磁封裝VCSEL光源模組

VCSEL模組剩磁測試結果

總而言之，這項研究面向量子傳感對VCSEL高溫工作、窄線寬、無磁等應用要求，從芯片結構著手，研制出一款帶有集成微透鏡結構的VCSEL。該器件性能優異，能夠滿足量子傳感的應用需求，未來發展潛力巨大。

審核編輯：湯梓紅