高温工作垂直腔面发射半导体激光器模式竞争机制与基模功率增强研究

Vertical-cavity surface-emitting semiconductor laser (VCSEL) has always been the key laser source to realize chip-scale atomic frequency standard and atomic sensor. However, the relative low fundamental mode output power of high-temperature operating VCSEL is a bottleneck in the further development of VCSEL-based chip-scale atomic sensors such as atomic magnetometer and atomic gyroscope. Thus, we are proposing a research project to study and solve the key scientific problems related to the VCSEL fundamental mode power enhancement. The concrete work involves: (1) analysis of the mode competition mechanism in VCSELs with high gain cavity-mode offset; (2) study on mode loss control and fundamental mode power enhancement in high-temperature operating VCSEL; (3) design and fabrication of high-temperature operating VCSEL with high fundamental mode output power; (4) experimental investigation of mode & dynamic characteristics. In the Cs atomic sensing wavelength of 894 nm, no less than 5 mW of VCSEL fundamental mode power will be achieved under operating temperature of no less than 60 ℃. This study will be the theoretical and experimental guidance for the development of VCSELs for chip-scale atomic sensing applications.

垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）是发展芯片级原子频标（原子钟）和原子传感器（原子磁力计、原子陀螺仪）不可或缺的激光光源。目前VCSEL已经广泛用于芯片级原子钟，但还无法满足芯片级原子磁力计和原子陀螺仪的应用要求，高温环境下基模功率不足是主要限制因素。本项目针对制约高温工作VCSEL基模功率增强的关键科学问题，将开展如下研究：（1）高增益-腔模失配VCSEL结构模式竞争机制研究；（2）高温环境下VCSEL模式损耗调控与模式增强；（3）高温工作、高基模功率VCSEL器件结构设计与器件制备研究；（4）器件模式特性与动态特性测试分析。通过上述研究，将在芯片级铯原子传感对应的894 nm波段实现VCSEL工作温度≥ 60 ℃条件下基模功率≥5 mW。本项目预期取得的研究成果将为发展芯片级原子传感器专用VCSEL提供理论和实验指导。

垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）是发展芯片级原子频标（原子钟）和原子传感器（原子磁力计、原子陀螺仪）不可或缺的激光光源。目前VCSEL已经广泛应用于芯片级原子钟，但还无法满足芯片级原子磁力计和原子陀螺仪的应用要求，高温环境下基模功率不足是主要限制因素。本项目针对上述问题，以解决制约高温工作VCSEL基模功率增强的关键科学问题为主要目标，开展了如下研究内容：（1）高温环境下VCSEL模式损耗调控与模式增强；（2）高温环境下VCSEL模式损耗调控与模式增强；（3）高温工作、高基模功率VCSEL器件结构设计与器件制备研究；（4）器件模式特性与动态特性测试分析；（5）器件实际应用验证。通过开展以上研究，项目建立了高温、高基模功率VCSEL的增益-腔模失配与相位控制器件设计理论与方法，研制出了高温工作、高基模功率、高偏振抑制比的VCSEL器件。针对原子磁力计应用要求，研制出VCSEL器件，在85℃下的基模输出功率为2.02mW，边模抑制比29.2dB，偏振抑制比＞20dB，激光波长895.2nm；针对原子陀螺仪应用要求，研制出VCSEL器件，在80℃下的基模输出功率为4.1mW，边模抑制比为41.68dB，偏振抑制比为27.46dB，激光波长794.45nm。将研制的VCSEL器件提供给北京大学等单位进行应用验证，获得良好反馈，证明了本项目的研究成果具有较好的应用价值。