通过单片集成被动腔实现1 MHz线宽VCSEL，用于高稳定性芯片尺度原子钟

为什么微小且安静的激光很重要

现代生活高度依赖超精确的计时，从全球定位系统到安全通信以及未来的量子技术。许多这类系统正朝向“芯片上的原子钟”发展，这需要非常小的激光器，发出的光具有极为纯净的频色并在长时间内保持稳定。本文介绍了一种新型微型激光器，显著提高了光色的纯度和稳定性，从而为更精确且便携的计时与传感设备打开了可能性。

为芯片原子钟打造更好的激光器

原子钟通过将电子信号锁定到原子偏好的特定光色来计时。对于许多芯片尺度原子钟使用的铯原子，这一光色接近894.6纳米。光源必须尺寸小、能耗低，而且最重要的是在频谱上“安静”——其波长应尽可能少波动。垂直腔面发射激光器（VCSEL）符合尺寸与功耗要求，并已广泛用于电信和传感领域。然而，其紧凑结构通常导致较宽的频谱展宽（线宽高于100兆赫），这会引入噪声，降低钟表的精度。挑战在于在保持VCSEL小巧且可制造的同时，大幅度收窄其频谱。

在不增大芯片的前提下延长光程

作者通过改造激光器内部结构而非附加笨重的外部组件来解决这一问题。他们在VCSEL的镜层堆栈中、增益区正下方插入了一个“被动腔”——一个专门设计的、不发光的区域。该附加腔体微妙地改变了器件内部光的反射分布，使更多的光场进入低损耗区，从而有效延长光子在逸出前走过的等效距离。更长的光子寿命自然会使激光的频色变窄。与此同时，团队细致调整腔的厚度和位置，使得仅一个纵向谱线和单一的横向光束形状被强烈偏好，避免了常见的长腔会导致多模竞争的折衷。

在真实环境下保持单一且干净的光束

通过详尽的仿真与晶圆生长，研究者找到了能实现这一微妙平衡的内部结构。他们优化后的器件采用大约四个半光学波长厚的被动腔，置于增益区下方的第一对镜层内。电子显微镜图像和光学测量确认了光被按预期限制。当测试时，该VCSEL在低于1毫安的阈电流下即可启动，并能输出几毫瓦功率，同时保持单一谱线，强烈抑制不需要的旁模和正交偏振分量。重要的是，这种干净的单模行为在从室温到95 °C的宽温度范围内保持稳定，仅表现出可预期且很小的波长漂移。输出光束近似高斯且发散角约为7度——优于许多常规VCSEL。

测量噪声并将光转化为时间

为评估该激光器的安静程度，团队使用干涉仪测量其频率噪声谱，将微小的频色抖动转换为电信号。在较高分析频率下，噪声趋于由基本量子效应限定的低“白噪声”底噪。由此他们推断出器件的本征线宽约为1兆赫，比典型VCSEL窄约两个数量级，并可与体积更大、结构更复杂的激光器相媲美。随后，他们将该器件集成到采用相干人口俘获（coherent population trapping）方案的铯蒸气室原子钟中。当激光锁定到铯的跃迁并且微波电子学以该参考作为锚定时，所得的时钟在短期稳定性方面表现优异，随着平均时间增长，相对频率不确定度不断改善，在数百秒处达到约1.9 × 10⁻¹²——优于此前报道的若干领先的基于VCSEL的芯片尺度原子钟。

这对未来精密器件意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：作者制造出了一种非常小的激光器，发出极为精确的波长，频率波动远低于常规水平，并且在升温时仍能稳定工作。这一成果完全在芯片内部实现，无需精密的外部谐振器或复杂的反馈系统。如此稳健且窄线宽的VCSEL是驱动下一代口袋型原子钟和用于导航、计时与科学仪器的量子传感器的有力候选，将实验室级的精度带向日常技术应用。

引用: 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

关键词: 芯片尺度原子钟, VCSEL 激光器, 窄线宽, 量子传感, 频率稳定性