У науковому співтоваристві середній{0}}інфрачервоний діапазон відомий як «область молекулярних відбитків», де зосереджені характерні вібраційні та обертальні зміни рівнів енергії більшості забруднюючих газів і біомолекул. Обладнання спектроскопічного виявлення, створене на основі QCL, служить основним обладнанням для дистанційного зондування навколишнього середовища, моніторингу промислових газів, не-інвазивної медичної діагностики та високо{3}}безкоштовного-космічного оптичного зв’язку. Однак традиційні QCL із середнім-інфрачервоним діапазоном давно стикаються з численними технологічними бар’єрами. Основні рішення з низьким-споживанням потужності значною мірою покладаються на складні напів-ізоляційні InP (SI-InP) процеси бокового відновлення, які не лише передбачають громіздке виробництво та низький вихід стружки, але й значно збільшують загальні витрати. Крім того, ці пристрої зазвичай страждають від обмеженого розсіювання тепла та постійно високого енергоспоживання, що ускладнює їх адаптацію до вимог портативного та мініатюрного обладнання для виявлення поля.
Щоб усунути ці проблемні точки галузі, команда дослідника Мен Бо з CIOMP окреслила новий курс, запропонувавши інноваційний хвилевід QCL у формі кубка. Основна концепція конструкції передбачає вибіркове вологе-травлення активної області таким чином, щоб її ширина була значно меншою, ніж ширина верхнього та нижнього шарів оболонки, утворюючи унікальний келихоподібний-профіль поперечного-перерізу. Ця інтегрована конструкція одночасно усуває вузькі місця у виробництві, подачі струму та управлінні температурою. По-перше, це повністю усуває потребу в процесі бічного відновлення SI-InP, різко знижуючи поріг масового виробництва та виробничі витрати. По-друге, збережена широка верхня структура оболонки забезпечує рівномірну інжекцію струму, запобігаючи локальному скупченню струму. Нарешті, розширене покриття InP створює кілька шляхів розсіювання тепла, ефективно пом’якшуючи вузьке місце термічного опору, спричинене традиційними шарами пасивації SiO₂, і істотно покращуючи високо{10}}температурну стабільність роботи лазерів.
Щоб перевірити здійсненність цього дизайну, дослідницька група виготовила понад 50 кубоподібних-пристроїв QCL різного розміру та провела систематичні оцінки. Кілька ключових показників досягли високих рівнів серед подібних структур. За кімнатної температури (293 К) пристрій розміром 1 мм × 3 мкм досягав порогового споживання потужності безперервної -хвилі (CW) приблизно 1 Вт, з пороговим споживанням потужності в імпульсному режимі лише 0,85 Вт. Вихідна потужність безперервного споживання-за кімнатної температури перевищувала 27 мВт, тоді як при низькій температурі 243 К максимальна вихідна потужність CW досягала 83 мВт, а імпульсна вихідна потужність зросла до 130 мВт. Крім того, пристрій продемонстрував чудові характеристики оптоелектронного перетворення, досягнувши 3,9 % ефективності імпульсної настінної-розетки при кімнатній-температурі зі всебічною продуктивністю, що відповідає стандартним гетероструктурним продуктам із заглибленою структурою. З точки зору надійності, під час 25-годинного безперебійного випробування високої потужності коливання вихідної потужності становило лише 1,9 мВт, що повністю підтверджує виняткову термостійкість і міцність конструкції.
Примітно, що найвужчі пристрої шириною 2 мкм- досягли стабільної одномодової-генерації в усьому діапазоні динамічного струму з коефіцієнтом придушення бічних-мод приблизно 20 дБ, не потребуючи елементів-вибору довжини хвилі. Ця одночастотна-характеристика пропонує нове уявлення про інтеграцію одно-середньочастотних-інфрачервоних джерел світла на-чіпі. Історично склалося так, що високопродуктивні-інфрачервоні лазерні мікросхеми значною мірою залежали від закордонних продуктів. Цей технологічний прорив поєднує в собі простоту процесу, низьке енергоспоживання та високу надійність, забезпечуючи автономний технологічний шлях із потужним потенціалом індустріалізації. Заглядаючи вперед, очікується, що це рішення джерела світла значно пришвидшить локалізовану ітерацію портативних газових детекторів, транспортного-обладнання для моніторингу навколишнього середовища та портативних медичних спектрометрів, а також розширить-сучасні галузі, такі як-нелінійна фотоніка на чіпі та дистанційне зондування атмосферних газів.
