VCSEL с шириной линии 1 МГц, обеспеченный монолитно интегрированной пассивной полостью для высокостабильных чиповых атомных часов

Почему важны крошечные, тихие лазеры

Современная жизнь во многом зависит от ультраточного отсчёта времени — от навигации по GPS до защищённой связи и будущих квантовых технологий. Многие из этих систем движутся в сторону «атомных часов на чипе», которым требуются очень маленькие лазеры с исключительно чистым цветом излучения и высокой стабильностью во времени. В этой статье представлен новый тип микроскопического лазера, который существенно улучшает чистоту и стабильность спектра, открывая путь к более точным и портативным устройствам для измерения времени и сенсоров.

Создание лучшего лазера для чиповых часов

Атомные часы измеряют время, фиксируя электронный сигнал на очень конкретном цвете света, который атомы предпочитают поглощать. Для цезия, используемого во многих чиповых часах, этот цвет находится около 894,6 нанометра. Источник света должен быть миниатюрным, энергоэффективным и, прежде всего, спектрально «тихим» — его цвет должен минимально флуктурировать. Вертикально-излучающие лазеры с поверхностным источником, или VCSEL, соответствуют требованиям по размерам и потреблению и уже широко применяются в телекоммуникациях и сенсинге. Однако их компактная конструкция обычно даёт относительно широкую ширину линии (свыше 100 мегагерц), что вносит шум и ухудшает точность часов. Задача состоит в том, чтобы сохранить малые размеры и пригодность к серийному производству VCSEL, одновременно значительно сузив его спектр.

Удлинение светового пути без увеличения размера чипа

Авторы решают эту проблему путём инженерной переработки внутренней структуры лазера, а не навешивая громоздкие внешние компоненты. Они вставляют «пассивную полость» — специально спроектированную область, не испускающую свет — непосредственно под активной областью генерации, внутри стопки зеркальных слоёв, образующих VCSEL. Эта дополнительная полость тонко меняет распределение отражений света в устройстве, перемещая больше оптического поля в зону с низкими потерями и фактически увеличивая расстояние, которое фотон проходит до выхода. Увеличенная продолжительность жизни фотона естественным образом сужает спектр лазера. В то же время команда аккуратно настраивает толщину и положение полости так, чтобы выигрывал только один продольный цвет и одна поперечная форма пучка, избегая обычного компромисса, при котором более длинная полость порождает конкурирующие моды.

Поддержание одного чистого пучка в реальных условиях

С помощью подробного моделирования и выращивания на пластинах исследователи выявили внутреннюю структуру, обеспечивающую этот тонкий баланс. Их оптимизированное устройство использует пассивную полость примерно в четыре с половиной оптических длины волны, размещённую в первой паре зеркал под активной областью. Снимки в электронном микроскопе и оптические измерения подтверждают, что свет остаётся сконфайнен, как и предполагалось. При испытаниях VCSEL включается при токах ниже 1 миллиампера и даёт несколько милливатт мощности, сохраняя при этом одну спектральную линию с сильным подавлением нежелательных боковых мод и ортогональных поляризаций. Важно, что это чистое одно-режимное поведение сохраняется в широком диапазоне температур — от обычной комнатной до 95 °C — с лишь предсказуемым небольшим дрейфом длины волны. Выходной пучок остаётся почти гауссовым и узким, с расходимостью около 7 градусов — лучше, чем у многих стандартных VCSEL.

Измерение шума и превращение света во время

Чтобы оценить, насколько тих этот лазер, команда измеряет спектр частотного шума с помощью интерферометра, который превращает крошечные флуктуации цвета в электрические сигналы. На высоких частотах анализа шум выравнивается до низкого «белого» уровня, установленного фундаментальными квантовыми эффектами. По этому уровню они выводят внутреннюю ширину линии около 1 мегагерца, что примерно на два порядка уже типичных VCSEL и сопоставимо с гораздо более крупными, более сложными лазерами. Затем устройство интегрируют в атомные часы на основе ячейки с паром цезия с использованием схемы, известной как когерентное население ловушки (coherent population trapping). Когда лазер заблокирован по цезиевому переходу и микроволновая электроника стабилизирована по этой ссылке, получающиеся часы демонстрируют отличную короткосрочную стабильность: относительная неопределённость частоты улучшается при усреднении во времени и достигает примерно 1.9 × 10⁻¹² через сотни секунд — лучше, чем у нескольких ведущих чиповых часов на базе VCSEL, описанных ранее.

Что это значит для будущих прецизионных приборов

Для неспециалистов основная мысль такова: авторы создали очень маленький лазер с точно определённым цветом, который флуктуирует намного меньше обычного и продолжает работать даже при нагреве. Всё это выполнено внутри самого чипа, без хрупких внешних резонаторов или сложных систем обратной связи. Такой надёжный VCSEL с узкой шириной линии является сильным кандидатом для питания следующего поколения карманных атомных часов и квантовых сенсоров для навигации, синхронизации и научных приборов, приближая лабораторную точность к повседневным технологиям.

Цитирование: Tang, Z., Li, C., Zhang, X. et al. 1-MHz linewidth VCSEL enabled by monolithically integrated passive cavity for high-stability chip-scale atomic clocks. Light Sci Appl 15, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02192-x

Ключевые слова: чиповые атомные часы, лазеры VCSEL, узкая ширина линии, квантовое зондирование, частотная стабильность