В научном сообществе средний-инфракрасный диапазон известен как «область молекулярных отпечатков пальцев», где сосредоточены характерные колебательные и вращательные переходы энергетических уровней большинства газовых загрязнителей и биомолекул. Оборудование спектроскопического обнаружения, созданное на основе QCL, служит основным оборудованием для дистанционного зондирования окружающей среды, мониторинга промышленных газов, не-инвазивной медицинской диагностики и высокоскоростной-оптической связи в свободном-космическом пространстве. Однако традиционные QCL среднего-инфракрасного диапазона уже давно сталкиваются с многочисленными технологическими барьерами. Основные решения с низким энергопотреблением в значительной степени полагаются на сложные процессы полу-изоляционного InP (SI-InP) в поперечном направлении, которые не только требуют громоздкого производства и низкого выхода чипов, но и значительно увеличивают общие затраты. Кроме того, эти устройства обычно страдают от ограниченного рассеивания тепла и постоянно высокого энергопотребления, что затрудняет их адаптацию к требованиям портативного и миниатюрного оборудования полевого обнаружения.
Чтобы решить эти проблемы отрасли, команда исследователя Мэн Бо из CIOMP наметила новый курс, новаторски предложив волновод QCL в форме кубка-. Основная концепция конструкции предполагает выборочное мокрое-травление активной области так, чтобы ее ширина была значительно меньше ширины верхнего и нижнего слоев оболочки, образуя уникальный кубкоподобный-профиль поперечного-секции. Эта интегрированная конструкция одновременно устраняет узкие места в производстве, подаче тока и управлении температурой. Во-первых, это полностью устраняет необходимость в процессе бокового восстановления SI-InP, резко снижая порог массового производства и производственные затраты. Во-вторых, сохраненная широкая структура верхней оболочки обеспечивает равномерную подачу тока, предотвращая локальное скопление тока. Наконец, расширенная оболочка InP создает несколько путей рассеивания тепла, эффективно устраняя узкое место в области теплового сопротивления, вызванное традиционными пассивирующими слоями SiO₂, и фундаментально улучшая стабильность работы лазеров при высоких-температурах.
Чтобы проверить осуществимость этой конструкции, исследовательская группа изготовила более 50 кубкообразных устройств QCL разных размеров и провела систематические оценки. Многие ключевые показатели достигли высокого уровня среди аналогичных структур. В условиях комнатной температуры (293 К) устройство размером 1 мм × 3 мкм достигало пороговой потребляемой мощности непрерывного-волны (CW) примерно 1 Вт, а пороговое энергопотребление в импульсном режиме составляло всего 0,85 Вт. Выходная мощность непрерывного излучения при комнатной-температуре превышала 27 мВт, а при низкой температуре 243 К максимальная выходная мощность непрерывного сигнала достигала 83 мВт, а импульсная выходная мощность увеличивалась до 130 мВт. Кроме того, устройство продемонстрировало превосходные характеристики оптоэлектронного преобразования, достигнув эффективности вилки (WPE) при комнатной-импульсной температуре-стене (WPE) 3,9 %, а его комплексные характеристики соответствуют основным продуктам с заглубленными гетероструктурами. Что касается надежности, во время 25-часового непрерывного испытания на высокой мощности колебания выходной мощности составили всего 1,9 мВт, что полностью подтверждает исключительную термическую стабильность и надежность конструкции.
Примечательно, что самые узкие устройства-шириной 2 мкм-обеспечивали стабильную одномодовую-генерацию во всем динамическом диапазоне тока с коэффициентом подавления боковых-мод примерно 20 дБ, что не требовало никаких элементов, селективных по длине волны-. Эта одночастотная-характеристика открывает новые возможности для интеграции одночастотных источников-среднего-инфракрасного света на-чипе. Исторически сложилось так, что высокопроизводительные лазерные чипы среднего-инфракрасного диапазона сильно зависели от зарубежной продукции. Этот технологический прорыв сочетает в себе простоту процесса, низкое энергопотребление и высокую надежность, обеспечивая автономный технологический маршрут с большим потенциалом индустриализации. Ожидается, что в будущем это решение для источника света значительно ускорит локализованную разработку портативных детекторов газа, бортового-оборудования для мониторинга окружающей среды и портативных медицинских спектрометров, а также расширит возможности таких передовых-областей, как встроенная-нелинейная фотоника и дистанционное зондирование атмосферных газовых примесей.
