1 原子传感器

基于铷(Rubidium)和铯(Cesium)等碱金属光学测量的原子钟和磁力计提供了前所未有的准确度、精度和稳定性。具有合适性能的新型垂直腔半导体激光器 (VCSEL) 的开发使系统尺寸、重量和功率得到显着改善。原子传感器的性能优势现在已经能实现低成本和便携式的广泛应用。如 GPS 导航、海底采矿、网络、医学成像、军事、和民用通信。

在原子钟和磁力计中，碱金属原子中基态原子跃迁能级的激发可以通过相干布居囚禁 (CPT) 机制加以利用。铷 (Rb) 和铯 (Cs) 是最常用的两种元素，它们在基于 GaAs 的 VCSEL 的近红外光通过时具有原子能量跃迁。795nm 处的 87Rb D1 和 895nm 处的 133Cs D1 的吸收线是这些应用最感兴趣的。

由于这些转变跃迁的固有稳定性，这些传感器本身可以制造得非常稳定或精确。在最简单的形式中，原子传感器包括一个加热的器皿，里面装有碱金属和缓冲气体的混合物，一个 VCSEL 作为照明光源，一个用于监测通过气体混合物的光传输的光电探测器，以及用于系统控制和信号处理的电子设备.

VCSEL 必须满足多个性能标准才能在这些应用中实现可接受的系统性能。单模、窄线宽和可调性是关键因素。此外，VCSEL 还必须设计成具有高度的偏振稳定性。最后，VCSEL 还为系统设计人员提供了其他优势，包括低发散圆形辐射特性、低复杂度封装能力和晶圆级波长分档。

2 原子钟

在过去的十年中，低功耗芯片级原子钟引起了人们的极大兴趣。安全通信网络的同步和 GPS 失效环境中的导航是特别重要的主题。便携式原子钟可用于保持和弥合时间差距，直到恢复丢失的 GPS 信号，其中需要低功率传感器网络的精确定时同步。此外，网络设备和安全通信线路中的蜂窝、电信和金融应用都需要改进的低成本计时系统。随着工业化和批量生产的最新进展，原子钟有望取代常用的恒温晶体振荡器，用于许多不同的高精度计时应用。

基于 CPT 的原子钟利用以特定频率间隔的碱原子的两个共振状态的相干激发。对于这些碱金属，由于核和电子自旋之间的超精细相互作用，价电子基态的相关能级分为 2 个能级。87Rb D1 和 133Cs D1 线的波长间隔分别为 6.8 GHz 和 9.2 GHz，这是原子的固有特性，与气体温度和压力无关。如果这两个精细间隔的跃迁同时被圆偏振光激发，则气体会经历相干布居囚禁 (CPT) 并从高吸收介质转变为更透明的介质。这种转变可以观察为通过气室传输的检测到的 VCSEL 光功率的增加。

图 01：Rb 原子中的谱线，包括来自电子核相互作用的超精细分裂和来自外部磁场相互作用的塞曼分裂。

图 02：当两条超精细谱线在 Rb 原子中同时被激发（左）并且通过气体的功率增加（右）时，就会发生相干布居囚禁 (CPT)。

在原子钟中，线性偏振 VCSEL 由调制电流信号驱动，以创建多个激光频率边带。调制后的光信号通过四分之一波片 (QWP) 以实现执行 CPT 选择规则所需的圆偏振。调整 VCSEL 驱动条件，直到光电二极管 (PD) 处的检测功率因 CPT 而达到最大。该调制频率通过内部伺服控制回路控制以维持 CPT，并成为计时系统的参考时钟频率。原子钟需要放置在磁屏蔽内，以防止任何磁场引起的原子吸收光谱中的塞曼分裂。
 

图 03：原子钟使用偏振 VCSEL 和 QWP 将圆偏振光传送到碱性气体气室中。PD 用于监测 CPT 期间激光传输功率的变化。

两个所需的激励频率可以通过调制单个 VCSEL 源来产生，该源具有一个小的正弦 AC 分量，并在 DC 偏置电流之上进行 FM 调制。结果是在基本发射波长的两侧产生等间隔的边带，频移为调制频率 ωm 。通过最大化激光光谱中一阶 (+1 / -1) 边带的功率，CPT 实现最佳目标。通过调制超精细分裂的一半，同时将激光微调到基本吸收线，原子钟可以产生两个与超精细光谱带对齐的波长峰值。
 

CPT 是通过将 VCSEL 波长集中在中心吸收峰并将 FM 信号应用于 VCSEL 正向电流来实现的，该电流等于超细线分裂频率。VCSEL 的中心工作波长可以通过改变工作温度和正向直流偏置电流来调整。温度控制允许大范围的波长调谐，偏置电流调整允许更精细的可调性。

然后使用诱导 CPT 所需的 FM 调制频率来校正输出时钟信号的时序。秒的国际标准定义是铯超精细频率的9,192,631,770个振荡周期。在基于 Cs 的原子钟中，锁定到 CPT 的 4.6 GHz 微波源产生的频率恰好是铯基态超精细分裂的一半。当微波频率锁定在其 3.4 GHz 的 CPT 谐振时，也可以使用 Rb 制作原子钟。

图 04：VCSEL 正向电流的频率调制 (FM) 导致 VCSEL 波长光谱中的模式分裂（左）。控制调制频率以达到 CPT 并输出参考时钟信号的电路框图（右）。

3 VCSEL 特性

3.1 单模操作

顶部发射 VCSEL 是一种光电器件，由定位在两个分布式布拉格反射器 (DBR) 之间的量子阱组成，底部 DBR 设计为具有 100% 的反射率。DBR 是电介质材料的重复层，其厚度约为工作波长的四分之一，重复单元的数量与 DBR 的有效反射率相关。DBR 还创建法布里-珀罗腔并最终确定 VCSEL 的工作波长。

为了确保 VCSEL 内部的电气和光学限制，在量子阱附近生长和形成了一个氧化层。最终的氧化结构产生了一个短的圆柱形波导，其中光功率被限制在 DBR 和氧化物孔径之间。腔体长度只有几微米，因此只有一种纵向模式存在并充当法布里-珀罗腔体。然而，大的氧化物孔径将支持各种横向模式，并且每个横向模式将以稍微不同的波长发射。对于原子感测 VCSEL，需要小于 6 微米的小氧化物孔径才能仅激发基本横模并产生操作所需的窄线宽。大多数原子传感应用要求基模与所有其他高阶模之和之间的光功率差为 20 dB。

图 05：VCSEL 孔径的横截面示意图。

单模操作仅限于一定的正向电流范围。更高的电流密度将更多的电荷推到限制层之外。此外，热透镜效应和空间烧孔现象会改变 VCSEL 的波导特性。这两种现象都会增加不需要的高阶模式的激发，并会降低 VCSEL 的光束质量和光谱。多模激发的存在被观察为波长光谱中的两个峰。因此，用于原子传感器的 VCSEL 被限制在 < 1.5 mA 的正向电流。无论如何，这个参数会随着不同的操作环境而变化，并且应该由最终用户彻底测试。

图 06：单模 VCSEL 的波长光谱。当以 2 mA 驱动时，次阶模式被激发，正如输出光谱中存在第二个峰值所观察到的那样。

3.2 波长稳定

虽然大多数商用 VCSEL 具有为最大输出效率的最好的DBR设计，但为原子传感器设计的 VCSEL 旨在降低信号的光谱宽度，以更好地锁定原子激发线。虽然这种设计降低了产生的最大单模功率，但原子钟应用的功率要求不超过 100 µW。较窄的线宽对于原子传感应用更重要，以更好地检测原子能级。

为了将 VCSEL 波长稳定在目标的原子线宽内，需要将温度调整并稳定在几毫度以内。用于原子传感器的 VCSEL 的波长调谐系数为 0.055 nm/°C (795 nm) 和 0.060 nm/°C (895 nm)。对于大多数应用，选择波长分档 VCSEL，通过温度控制， 以在原子传感器的指定环境温度 (> 60 °C) 下以最佳方式运行。该模块可以使用传统的电加热元件加热并稳定到所需的工作温度以达到目标波长。或者，设计可以结合热电冷却器 (TEC) 来微调 VCSEL 的工作温度。

VCSEL 波长也可以通过正向电流进行微调。然而，这种波长可调性方法仅适用于原子传感应用的有限范围。需要一个高于阈值电流的最小电流来为原子传感产生足够的光功率，并且 VCSEL 在更高的正向电流下驱动时将开始激发高阶模式。用于原子传感器的 VCSEL 通常具有典型的电流调谐系数0.4 nm/mA (795 nm) 和 0.5 nm/mA (895 nm)。

3.3 偏振控制

市场上标准的 VCSEL 不呈现线性偏振光。虽然 VCSEL 内部的每个模式都会被极化，但极化角将随机平行或垂直于晶圆的晶轴。由于 VCSEL 孔径的圆对称性，极化也会意外地在极化状态之间自发翻转，而电流或温度波动的影响最小。对于高阶模式激发，最终输出光束是每个模式的偏振特性的总和。

线偏振对于四分之一波片的原子传感器很重要，以产生实现 CPT 所需的圆偏振光。为确保偏振稳定性，原子传感器 VCSEL 设计有光刻图案的表面浮雕光栅。通过在目标偏振方向上实现更高的光学腔增益，表面光栅充当线性偏振锁定。光栅性能强烈依赖于光栅形状和蚀刻深度。表面光栅旨在优化偏振稳定性并最大化输出功率。偏振锁定也用作光栅，并且必须设计为将高阶光栅模式中的功率降至最低。生产结果表明，该设计具有大于 15dB 的高偏振消光比 (PER)。

图 07：传统 VCSEL 的偏振稳定性较差（左）。为原子传感器设计的 VCSEL 制造有偏振锁定，以确保高 PER（右）。

图 08：VCSEL 上偏振光栅的 SEM 图像（左）。角度光束轮廓测量显示高阶衍射模式下的最小功率（右）。

4 VCSEL 生产

4.1 VCSEL 晶圆探针测试

原子传感器 VCSEL 的性能对许多因素都很敏感，包括外延生长和芯片制造中典型的生产过程变化。由于 VCSEL 对这些因素的高灵敏度，用于原子传感器的 VCSEL 都必须经过 100% 的 LIV、波长和偏振特性测试。这可确保产品在交付大批量货物时满足客户要求。该信息还与每个 VCSEL 在分级工作温度下的预期性能相关。

4.2 VCSEL 测试

VCSEL 晶圆经过测试，以验证芯片性能是否符合其标准。在加速条件下进行高温工作寿命（105°C、4mA 和 125°C、4mA）和高湿高温（85°C、85%、1.5mA）测试，以确保芯片级原子钟应用的寿命可靠性。

从制造的晶圆中挑选出一小部分 VCSEL，并针对特定标准进行测试，包括光谱特性、边带不对称性、信号噪声和光束发散度。

VCSEL 样品经过测试以验证 < 50 MHz 的线宽（谱宽约为 0.1 pm）。VCSEL 进行了边带不对称 (SBA) 测试，以确认在波长调制期间一阶 (+1 / -1) 边带之间的功率分配相对相等。测量 VCSEL 的相对强度噪声 (RIN)，以确保光信号中不存在不需要的功率波动。

图 08：VCSEL 频谱测量显示在 FM 调制期间 VCSEL 频谱中不存在 SBA（左）和次要 SBA（右）的模式分裂。

4.3 波长分档

对于大规模生产，制造晶圆上的大多数 VCSEL 将在室温下包含一系列发射波长。此外，每个晶圆的平均激光波长会在生长批次之间发生漂移。因此，制造晶圆上 VCSEL 的激光波长可能会偏离外延生长的波长目标超过 ± 10 nm。

为了提高原子传感器的线宽目标， VCSEL 按工作波长分组。VCSEL 裸片在 85°C 下进行探测，并分类成具有 ± 0.5 nm 波长范围的组。这确保了分档 VCSEL 将在 ±10°C 的工作温度窗口内达到目标 Rb 和 Cs 波长。这项工作最大限度地减少了原子钟制造商在实现 CPT 之前需要控制的热调谐范围。

Rb (795 nm) 和 Cs (895 nm) 的吸收线是原子钟最重要的波长。波长随温度的变化可用于确定 VCSEL 在不同工作温度下的真空峰值波长。也可以为开放式或真空包装确定波长分档。用于原子传感器的 VCSEL 分为 5 组，这些组在 60°C 至 100°C 的不同工作温度下达到这些原子线宽。

图 09：工作温度分级可用于其原子感应 VCSEL。

5 原子传感器芯片封装

芯片贴装工艺会影响 VCSEL 的性能，包括激光器的工作波长和偏振。更高的温度和/或更快的固化时间会引起可能影响 VCSEL 极化和波长的机械应力。在为原子传感器粘合 VCSEL 芯片时，建议使用设计用于在低温 (<100°C) 下固化的银环氧树脂以实现较长的固化时间。VCSEL 的安装表面也会引起芯片应力。管芯和基板之间的热膨胀失配也会将应力传递到管芯，并可能影响其随温度变化的性能。在键合原子传感器 VCSEL 时，应同时考虑键合材料和基板的热膨胀系数 (CTE)。

由于 VCSEL 波长对环境气体的敏感性，气密密封很重要。更好地控制 VCSEL 波长的一种方法是将管芯封装在 TO CAN中。TO 封装是一种经过验证的解决方案，它坚固耐用，并且可以最好地保持封装 VCSEL 的光学特性。TO CAN窗口应涂有抗反射 (AR) 涂层，以减少返回 VCSEL 腔的任何光反馈并提高信号 SNR。

封装内的环境气体将决定 VCSEL 的最终波长。封装内环境的折射率会影响顶部 DBR 的波长可调性并改变 VCSEL 的工作波长。当 VCSEL 封装在空气或真空中时，这种变化是可测量的。真空中的 VCSEL 通常表现出比在大气压力下运行时长 0.2 nm 的波长。

芯片封装不能用于覆盖任何原子传感应用的 VCSEL。任何形式的封装都可以观察到预期波长的显着变化和差异。此外，裸片封装会抵消偏振锁定的效果，VCSEL 的偏振将不再稳定。

建议在芯片完全封装后进行模块老化。VCSEL 参数在其生命周期的早期阶段会发生轻微的偏移和摆动，这会影响原子传感器的性能。老化过程，包括在高电流和高温下驱动 VCSEL，将退火半导体芯片内的 VCSEL 层。最终用户建议进行老化，直到观察到 VCSEL 性能的稳定性。 建议在室温下在连续波操作 (3mA) 下进行 24 小时的老化。

图 09：原子传感器 VCSEL 模块正在老化，驱动条件为 3mA，100°C，持续两周。监控 VCSEL 的输出功率（左）和电压（右）。

6 结论

VCSEL 的设计考虑了实现原子传感的许多重要要求。VCSEL 需要单模、偏振稳定且线宽窄。此外，用于原子传感器的 VCSEL 需要以低强度噪声、最小的不对称性和高调制频率运行。

围绕这些要求设计用于原子传感器的 VCSEL 制造，并通过严格的测试和验证来验证性能。裸片经过 100% 的 LIV 性能和极化稳定性测试，晶圆通过了原子传感必不可少的测试。

原子传感器 VCSEL 的设计和分档旨在为原子光谱测量提供精确的波长。还必须规划 VCSEL 封装，以尽量减少任何生产问题并确保原子传感器的最佳性能。

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