Bilim camiasında orta-kızılötesi bant, çoğu gaz kirleticinin ve biyomolekülün karakteristik titreşim ve dönme enerji seviyesi geçişlerinin yoğunlaştığı "moleküler parmak izi bölgesi" olarak bilinir. QCL'ler üzerine kurulu spektroskopik tespit ekipmanı, çevresel uzaktan algılama, endüstriyel gaz izleme,-invaziv olmayan tıbbi teşhis ve yüksek-hızlı, serbest-uzay optik iletişimleri için temel donanım görevi görür. Bununla birlikte, geleneksel orta-kızılötesi QCL'ler uzun süredir birçok teknolojik engelle karşı karşıya kalmıştır. Ana akım düşük-güç çözümleri, ağırlıklı olarak karmaşık yarı-yalıtımlı InP (SI-InP) yanal yeniden büyütme süreçlerine dayanır; bu, yalnızca hantal üretim ve düşük talaş verimi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda genel maliyetleri de önemli ölçüde artırır. Ek olarak, bu cihazlar genellikle sınırlı ısı yayılımından ve sürekli olarak yüksek güç tüketiminden muzdariptir, bu da onların taşınabilir ve minyatürleştirilmiş alan tespit ekipmanının taleplerine uyum sağlamasını zorlaştırır.
Araştırmacı Meng Bo'nun CIOMP'taki ekibi, sektördeki bu sıkıntılı noktaları ele almak için yenilikçi bir şekilde "Kadeh-şekilli" dalga kılavuzu QCL'yi önererek yeni bir rota belirledi. Çekirdek tasarım konsepti, aktif bölgenin seçici olarak ıslak-aşındırılmasını içerir, böylece genişliği üst ve alt kaplama katmanlarından önemli ölçüde daha küçük olur ve benzersiz bir kadeh-benzeri enine kesit profili oluşturulur. Bu entegre tasarım aynı anda üretim, mevcut enjeksiyon ve termal yönetimdeki darboğazları çözer. Birincisi, SI-InP yatay yeniden büyüme sürecine olan ihtiyacı tamamen ortadan kaldırarak seri üretim ve üretim maliyetleri eşiğini büyük ölçüde azaltır. İkincisi, tutulan geniş üst kaplama yapısı, tek biçimli akım enjeksiyonu sağlayarak lokalize akım yığılmasını önler. Son olarak, genişletilmiş InP kaplama, birden fazla ısı dağıtım yolu oluşturarak geleneksel SiO₂ pasifleştirme katmanlarının neden olduğu termal direnç darboğazını etkili bir şekilde hafifletir ve lazerlerin yüksek sıcaklıktaki çalışma stabilitesini temelden iyileştirir.
Bu tasarımın fizibilitesini doğrulamak için araştırma ekibi, farklı boyutlarda 50'den fazla kadeh-şekilli QCL cihazı üretti ve sistematik değerlendirmeler gerçekleştirdi. Benzer yapılar arasında birden fazla temel gösterge ileri seviyelere ulaştı. Oda sıcaklığı (293 K) koşulları altında, 1 mm × 3 μm'lik bir cihaz, 0,85 W kadar düşük bir darbeli eşik güç tüketimi ile yaklaşık 1 W'luk bir sürekli-dalga (CW) eşik güç tüketimi elde etti. Oda-sıcaklığı CW çıkış gücü 27 mW'ı aşarken, 243 K'lik düşük bir sıcaklıkta maksimum CW çıkış gücü 83 mW'a ulaştı ve darbeli çıkış gücü şuna yükseldi: 130mW. Ayrıca cihaz, mükemmel optoelektronik dönüşüm performansı sergileyerek %3,9'luk oda sıcaklığında darbeli duvar fişi verimliliğine (WPE) ulaştı ve ana akım gömülü heteroyapılı ürünlerle eşleşen kapsamlı bir performansa sahip oldu. Güvenilirlik açısından, 25-saatlik kesintisiz yüksek güçte çalışma testi sırasında çıkış gücü dalgalanması yalnızca 1,9 mW oldu ve bu da yapının olağanüstü termal kararlılığını ve sağlamlığını tam olarak doğruladı.
Özellikle, 2 μm-genişliğindeki en dar cihazlar, dalga boyu-seçici öğeler gerektirmeyen, yaklaşık 20 dB'lik bir yan-mod bastırma oranıyla, tüm dinamik akım aralığı boyunca kalıcı tek-mod elde etti. Bu tek-frekans özelliği, tek-frekanslı orta-kızılötesi ışık kaynaklarını-çip üzerinde entegre etmeye yönelik yeni bilgiler sunar. Geçmişte, yüksek-performanslı orta-kızılötesi lazer çipleri büyük ölçüde yurt dışı ürünlere bağımlıydı. Bu teknolojik atılım, proses basitliğini, düşük güç tüketimini ve yüksek güvenilirliği dengeleyerek güçlü sanayileşme potansiyeline sahip otonom bir teknolojik rota sağlar. İleriye bakıldığında, bu ışık kaynağı çözümünün, el tipi gaz dedektörlerinin, araca monteli çevre izleme ekipmanlarının ve taşınabilir tıbbi spektrometrelerin yerelleştirilmiş yinelemesini önemli ölçüde hızlandırması ve aynı zamanda çip üzerinde doğrusal olmayan fotonik ve atmosferik iz gazı uzaktan algılama gibi son teknoloji alanları güçlendirmesi bekleniyor.
