Nella comunità scientifica, la banda del medio-infrarosso è nota come la "regione dell'impronta molecolare", dove si concentrano le caratteristiche transizioni dei livelli di energia vibrazionale e rotazionale della maggior parte dei gas inquinanti e delle biomolecole. Le apparecchiature di rilevamento spettroscopico basate sui QCL fungono da hardware principale per il telerilevamento ambientale, il monitoraggio dei gas industriali, la diagnostica medica non-invasiva e le comunicazioni ottiche nello spazio libero-ad alta velocità-. Tuttavia, i tradizionali QCL nel medio{6}}infrarosso devono affrontare da tempo molteplici barriere tecnologiche. Le soluzioni tradizionali a basso-consumo si basano fortemente su complessi processi di ricrescita laterale InP (SI-InP) semi-isolanti, che non solo implicano una produzione ingombrante e una bassa resa dei chip, ma aumentano anche significativamente i costi complessivi. Inoltre, questi dispositivi generalmente soffrono di una limitata dissipazione del calore e di un consumo energetico costantemente elevato, il che li rende difficili da adattare alle esigenze delle apparecchiature di rilevamento sul campo portatili e miniaturizzate.
Per affrontare questi punti critici del settore, il team del ricercatore Meng Bo presso il CIOMP ha tracciato un nuovo corso proponendo in modo innovativo la guida d'onda QCL a forma di "calice-". Il concetto di progettazione principale prevede l'incisione selettiva a umido-della regione attiva in modo che la sua larghezza sia significativamente inferiore a quella degli strati di rivestimento superiore e inferiore, formando un profilo trasversale-a calice unico. Questo design integrato risolve contemporaneamente i colli di bottiglia nella produzione, nell'iniezione di corrente e nella gestione termica. Innanzitutto, elimina completamente la necessità del processo di ricrescita laterale SI-InP, abbassando drasticamente la soglia per la produzione di massa e i costi di produzione. In secondo luogo, l’ampia struttura del rivestimento superiore garantisce un’iniezione di corrente uniforme, prevenendo l’affollamento di corrente localizzato. Infine, il rivestimento InP esteso crea molteplici percorsi di dissipazione del calore, mitigando efficacemente il collo di bottiglia della resistenza termica causato dai tradizionali strati di passivazione SiO₂ e migliorando sostanzialmente la stabilità operativa alle alte-temperature dei laser.
Per verificare la fattibilità di questo progetto, il team di ricerca ha fabbricato oltre 50 dispositivi QCL a forma di calice-di varie dimensioni e ha condotto valutazioni sistematiche. Numerosi indicatori chiave hanno raggiunto livelli avanzati tra strutture simili. In condizioni di temperatura ambiente (293 K), un dispositivo da 1 mm × 3 μm ha raggiunto un consumo energetico di soglia a onda continua (-(CW) di circa 1 W, con un consumo di energia di soglia pulsata pari a 0,85 W. La potenza di uscita CW a temperatura ambiente ha superato 27 mW, mentre a una temperatura bassa di 243 K, la potenza di uscita CW massima ha raggiunto 83 mW e la potenza di uscita pulsata è aumentata a 130 mW. Inoltre, il dispositivo ha dimostrato eccellenti prestazioni di conversione optoelettronica, raggiungendo un'efficienza della spina a parete pulsata a temperatura ambiente (WPE) del 3,9%, con prestazioni complete corrispondenti ai tradizionali prodotti eterostruttura sepolta. In termini di affidabilità, durante un test di funzionamento ininterrotto ad alta potenza di 25-ore, la fluttuazione della potenza in uscita è stata di soli 1,9 mW, confermando pienamente l'eccezionale stabilità termica e robustezza della struttura.
In particolare, i dispositivi più stretti, larghi 2 μm-, hanno ottenuto un laser monomodale stabile su tutto l'intervallo di corrente dinamica, con un rapporto di soppressione della modalità laterale di circa 20 dB, senza richiedere elementi selettivi della lunghezza d'onda. Questa caratteristica a-frequenza singola offre nuove informazioni per l'integrazione di sorgenti luminose a-medio infrarosso-a frequenza singola sul-chip. Storicamente, i chip laser a-medio infrarosso-ad alte prestazioni sono stati fortemente dipendenti da prodotti esteri. Questa innovazione tecnologica bilancia la semplicità del processo, il basso consumo energetico e l’elevata affidabilità, fornendo un percorso tecnologico autonomo con un forte potenziale di industrializzazione. Guardando al futuro, si prevede che questa soluzione di sorgenti luminose accelererà in modo significativo l'iterazione localizzata di rilevatori di gas portatili, apparecchiature di monitoraggio ambientale montate su veicoli-e spettrometri medici portatili, potenziando al tempo stesso campi all'avanguardia come la fotonica non lineare su chip e il rilevamento remoto di gas in tracce atmosferiche.
