晶片級原子鐘 (CSAC) 因其小型化、低功耗和高精度等優勢，在導航、通信和計時等領域具有廣泛的應用前景。然而，傳統 CSAC 的性能受到雷射光源線寬的限制。近日，一項新的研究成果表明，通過採用 1-MHz 線寬的垂直腔面發射雷射 (VCSEL)，可以顯著提升 CSAC 的性能。
VCSEL 線寬對 CSAC 性能的影響
CSAC 的工作原理是利用原子共振頻率作為時間基準。雷射用於激發原子，其線寬直接影響原子共振譜線的解析度。線寬越窄，原子共振譜線越清晰，時間基準的精度越高。傳統 CSAC 中使用的雷射線寬通常較寬，限制了其性能。
1-MHz 線寬 VCSEL 的突破
研究人員開發出一種具有 1-MHz 線寬的 VCSEL。這種 VCSEL 採用特殊的設計和製造工藝，有效降低了雷射的噪聲，從而實現了窄線寬。與傳統 VCSEL 相比，1-MHz 線寬 VCSEL 在以下幾個方面具有顯著優勢：
更高的精度：
更窄的線寬意味著更高的原子共振譜線解析度，從而提高了 CSAC 的時間基準精度。
更低的功耗：
優化的 VCSEL 設計可以降低雷射的功耗，這對於電池供電的便攜式設備至關重要。
更小的尺寸：
VCSEL 本身具有小型化的優勢，這使得 CSAC 可以進一步縮小尺寸，應用於更廣泛的場景。
實驗結果與數據
研究人員將 1-MHz 線寬 VCSEL 應用於 CSAC 中，並進行了實驗驗證。實驗結果表明，與使用傳統雷射的 CSAC 相比，採用 1-MHz 線寬 VCSEL 的 CSAC 在短期穩定性和長期穩定性方面均有顯著提升。具體而言，短期穩定性提高了約 30%，長期穩定性提高了約 20%。這些數據充分證明了 1-MHz 線寬 VCSEL 對於提升 CSAC 性能的有效性。
未來發展趨勢
儘管 1-MHz 線寬 VCSEL 在提升 CSAC 性能方面取得了顯著進展，但仍有進一步優化的空間。未來的研究方向包括：
進一步降低 VCSEL 線寬：
通過採用更先進的設計和製造工藝，進一步降低 VCSEL 的線寬，有望實現更高的 CSAC 精度。
提高 VCSEL 的可靠性：
提高 VCSEL 的可靠性，延長其使用壽命，對於 CSAC 的長期穩定運行至關重要。
簡化 CSAC 的結構：
簡化 CSAC 的結構，降低其成本，使其更具商業競爭力。
總結與研判
1-MHz 線寬 VCSEL 的出現為提升晶片級原子鐘的性能開闢了新的途徑。通過採用這種新型雷射光源，CSAC 的精度、功耗和尺寸均得到了顯著改善。隨著相關技術的不斷發展，CSAC 有望在導航、通信和計時等領域發揮更重要的作用。可以預見，未來 CSAC 將會更加小型化、高性能和低功耗，應用範圍也將更加廣泛。然而，要實現 CSAC 的大規模商業化應用，仍需在降低成本、提高可靠性等方面進行持續的努力。
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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: January 29, 2026