În comunitatea științifică, banda de-infraroșu mijlociu este renumită ca „regiunea de amprentă moleculară”, unde sunt concentrate tranzițiile caracteristice ale nivelului de energie vibrațională și rotațională ale majorității poluanților de gaz și biomoleculelor. Echipamentele de detectare spectroscopică construite pe QCL-uri servesc ca hardware de bază pentru teledetecția mediului, monitorizarea gazelor industriale, diagnosticarea medicală ne-invazivă și comunicațiile optice cu-viteză liberă-înaltă. Cu toate acestea, QCL-urile tradiționale cu infraroșu mediu-s-au confruntat de mult timp cu bariere tehnologice multiple. Soluțiile obișnuite de -putere redusă se bazează în mare măsură pe procese complexe de recreștere laterală semi{-InP (SI{{-InP), care nu numai că implică o producție greoaie și randamente scăzute ale cipurilor, ci și cresc semnificativ costurile totale. În plus, aceste dispozitive suferă, în general, de o disipare limitată a căldurii și un consum persistent de energie ridicat, ceea ce le face dificil de adaptat la cerințele echipamentelor portabile și miniaturizate de detectare a câmpului.
Pentru a aborda aceste puncte dureroase din industrie, echipa cercetătorului Meng Bo de la CIOMP a trasat un nou curs propunând în mod inovator ghidul de undă „în formă de calice-QCL”. Conceptul de design de bază implică gravarea umedă-selectivă a regiunii active, astfel încât lățimea acesteia să fie semnificativ mai mică decât cea a straturilor de placare superioare și inferioare, formând un profil unic-ca secțiune transversală-de calice. Acest design integrat rezolvă simultan blocajele în producție, injectarea curentului și managementul termic. În primul rând, elimină complet necesitatea procesului de recreștere laterală SI-InP, scăzând drastic pragul pentru producția de masă și costurile de producție. În al doilea rând, structura superioară largă reținută asigură injecția uniformă a curentului, prevenind aglomerarea localizată a curentului. În cele din urmă, placarea InP extinsă creează căi multiple de disipare a căldurii, atenuând eficient blocajul de rezistență termică cauzat de straturile tradiționale de pasivare SiO₂ și îmbunătățind fundamental stabilitatea operațională la temperatură înaltă a laserelor.
Pentru a verifica fezabilitatea acestui design, echipa de cercetare a fabricat peste 50 de dispozitive QCL în formă de calice-de diferite dimensiuni și a efectuat evaluări sistematice. Mai mulți indicatori cheie au atins niveluri avansate în rândul structurilor similare. În condiții de temperatură a camerei (293 K), un dispozitiv de 1 mm × 3 μm a atins un consum de putere cu prag de undă continuă (CW) de aproximativ 1 W, cu un consum de putere de prag în impulsuri de până la 0,85 W. 83 mW, iar puterea de ieșire în impulsuri a crescut la 130 mW. În plus, dispozitivul a demonstrat o performanță excelentă a conversiei optoelectronice, obținând o eficiență a prizei de-temperature pulsată de perete-cameră (WPE) de 3,9%, cu performanțe cuprinzătoare care se potrivesc cu produsele cu heterostructură îngropată obișnuită. În ceea ce privește fiabilitatea, în timpul unui test de funcționare neîntrerupt de mare putere de 25-ore, fluctuația puterii de ieșire a fost de doar 1,9 mW, validând pe deplin stabilitatea termică și robustețea excepționale a structurii.
În special, cele mai înguste dispozitive cu lățimea de 2 μm-au realizat laser cu un singur-mod stabil pe întregul interval de curent dinamic, cu un raport de suprimare a modului lateral-de aproximativ 20 dB, nefiind nevoie de elemente selective de-lungime de undă. Această caracteristică cu o singură-frecvență oferă noi perspective pentru integrarea surselor de lumină cu-frecvență medie-infraroșie cu o singură frecvență pe-cip. Din punct de vedere istoric, cipurile laser cu infraroșu mediu de-performanță înaltă-au fost puternic dependente de produsele de peste mări. Această descoperire tehnologică echilibrează simplitatea procesului, consumul redus de energie și fiabilitatea ridicată, oferind o rută tehnologică autonomă cu un potențial puternic de industrializare. Privind în perspectivă, se așteaptă că această soluție de sursă de lumină va accelera în mod semnificativ iterația localizată a detectorilor portabili de gaz, a echipamentelor de monitorizare a mediului montate pe vehicule-și a spectrometrelor medicale portabile, oferind în același timp putere-campurilor de ultimă generație, cum ar fi fotonica neliniară pe-cip și teledetecția gazelor atmosferice.
