In der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist das mittlere Infrarotband als „molekulare Fingerabdruckregion“ bekannt, in der sich die charakteristischen Schwingungs- und Rotationsenergieniveauübergänge der meisten Gasschadstoffe und Biomoleküle konzentrieren. Auf QCLs basierende spektroskopische Detektionsgeräte dienen als Kernhardware für die Fernerkundung der Umwelt, die Überwachung von Industriegasen, die nicht-invasive medizinische Diagnostik und die Hochgeschwindigkeitskommunikation im freien-Weltraum. Allerdings stoßen herkömmliche Mittel-{6}Infrarot-QCLs seit langem auf zahlreiche technologische Hindernisse. Herkömmliche Low-{8}}Lösungen basieren stark auf komplexen, semi-isolierenden InP (SI-InP)-Lateral-Nachwachstumsprozessen, die nicht nur eine umständliche Herstellung und geringe Chipausbeute mit sich bringen, sondern auch die Gesamtkosten erheblich in die Höhe treiben. Darüber hinaus leiden diese Geräte im Allgemeinen unter einer begrenzten Wärmeableitung und einem anhaltend hohen Stromverbrauch, was es schwierig macht, sie an die Anforderungen tragbarer und miniaturisierter Felderkennungsgeräte anzupassen.
Um diese Schwachstellen der Branche anzugehen, hat das Team von Forscher Meng Bo am CIOMP einen neuen Weg eingeschlagen, indem es innovativ den „kelchförmigen“ Wellenleiter-QCL vorschlug. Das Kernkonzept des Designs besteht darin, den aktiven Bereich selektiv nass-zu ätzen, sodass seine Breite deutlich kleiner ist als die der oberen und unteren Mantelschichten, wodurch ein einzigartiges kelchartiges Querschnittsprofil entsteht. Dieses integrierte Design beseitigt gleichzeitig Engpässe bei der Herstellung, der Stromeinspeisung und dem Wärmemanagement. Erstens entfällt die Notwendigkeit des seitlichen SI-InP-Nachwuchsprozesses vollständig, wodurch die Schwelle für die Massenproduktion und die Herstellungskosten drastisch gesenkt werden. Zweitens sorgt die beibehaltene breite obere Mantelstruktur für eine gleichmäßige Strominjektion und verhindert so eine lokale Stromanhäufung. Schließlich schafft die erweiterte InP-Umhüllung mehrere Wärmeableitungswege, wodurch der durch herkömmliche SiO₂-Passivierungsschichten verursachte Engpass beim thermischen Widerstand effektiv gemildert und die Betriebsstabilität der Laser bei hohen Temperaturen grundlegend verbessert wird.
Um die Machbarkeit dieses Designs zu überprüfen, stellte das Forschungsteam über 50 kelchförmige QCL-Geräte unterschiedlicher Größe her und führte systematische Bewertungen durch. Mehrere Schlüsselindikatoren erreichten bei ähnlichen Strukturen ein fortgeschrittenes Niveau. Unter Raumtemperaturbedingungen (293 K) erreichte ein 1 mm × 3 μm großes Gerät einen Schwellenstromverbrauch im Dauerstrichbetrieb (CW) von etwa 1 W, wobei der Schwellenstromverbrauch im gepulsten Zustand nur 0,85 W betrug. Die CW-Ausgangsleistung bei Raumtemperatur überstieg 27 mW, während bei einer niedrigen Temperatur von 243 K die maximale CW-Ausgangsleistung 83 mW erreichte und die gepulste Ausgangsleistung auf anstieg 130 mW. Darüber hinaus zeigte das Gerät eine hervorragende optoelektronische Umwandlungsleistung und erreichte bei Raumtemperatur einen gepulsten Wandstecker-Wirkungsgrad (WPE) von 3,9 % mit einer umfassenden Leistung, die mit gängigen vergrabenen Heterostrukturprodukten übereinstimmt. Was die Zuverlässigkeit betrifft, so betrug die Schwankung der Ausgangsleistung während eines 25-{22}stündigen ununterbrochenen Hochleistungsbetriebstests lediglich 1,9 mW, was die außergewöhnliche thermische Stabilität und Robustheit der Struktur vollständig bestätigt.
Bemerkenswert ist, dass die schmalsten 2 μm-breiten Geräte einen stabilen Einzelmodus-Laserbetrieb über den gesamten dynamischen Strombereich mit einem Nebenmodus-Unterdrückungsverhältnis von etwa 20 dB erzielten und keine wellenlängenselektiven Elemente erforderten. Diese Einzelfrequenzcharakteristik bietet neue Erkenntnisse für die Integration von Einzelfrequenz-Mittel--Lichtquellen im -Chip. In der Vergangenheit waren Hochleistungs--Laserchips für den mittleren-Infrarotbereich stark von Produkten aus dem Ausland abhängig. Dieser technologische Durchbruch vereint Prozesseinfachheit, geringen Stromverbrauch und hohe Zuverlässigkeit und bietet einen autonomen technologischen Weg mit starkem Industrialisierungspotenzial. Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass diese Lichtquellenlösung die lokale Iteration von tragbaren Gasdetektoren, fahrzeugmontierten Umweltüberwachungsgeräten und tragbaren medizinischen Spektrometern erheblich beschleunigen und gleichzeitig innovative Bereiche wie nichtlineare On-Chip-Photonik und atmosphärische Spurengasfernerkundung ermöglichen wird.
