In de wetenschappelijke gemeenschap staat de midden-infraroodband bekend als het 'moleculaire vingerafdrukgebied', waar de karakteristieke vibratie- en rotatie-energieniveau-overgangen van de meeste gasverontreinigende stoffen en biomoleculen geconcentreerd zijn. Spectroscopische detectieapparatuur gebouwd op QCL's dient als de kernhardware voor omgevingswaarneming op afstand, industriële gasmonitoring, niet-invasieve medische diagnostiek en hoge-snelheidsvrije-optische communicatie in de ruimte. Traditionele midden-infrarood QCL's hebben echter lange tijd te maken gehad met meerdere technologische barrières. Reguliere oplossingen met laag{8}}vermogen zijn sterk afhankelijk van complexe semi-isolerende InP (SI-InP) laterale hergroeiprocessen, die niet alleen omslachtige productie en lage chipopbrengsten met zich meebrengen, maar ook de totale kosten aanzienlijk opdrijven. Bovendien hebben deze apparaten over het algemeen last van een beperkte warmteafvoer en een aanhoudend hoog stroomverbruik, waardoor ze moeilijk aan te passen zijn aan de eisen van draagbare en geminiaturiseerde velddetectieapparatuur.
Om deze pijnpunten in de sector aan te pakken, heeft het team van onderzoeker Meng Bo bij CIOMP een nieuwe koers uitgestippeld door op innovatieve wijze de 'beker-vormige' golfgeleider QCL voor te stellen. Het kernontwerpconcept omvat het selectief nat-etsen van het actieve gebied, zodat de breedte ervan aanzienlijk kleiner is dan die van de bovenste en onderste bekledingslagen, waardoor een uniek beker-achtig kruis-doorsnedeprofiel ontstaat. Dit geïntegreerde ontwerp lost tegelijkertijd knelpunten op in de productie, stroominjectie en thermisch beheer. Ten eerste elimineert het volledig de noodzaak van het SI-InP laterale hergroeiproces, waardoor de drempel voor massaproductie en productiekosten drastisch wordt verlaagd. Ten tweede zorgt de behouden brede bovenste bekledingsstructuur voor een uniforme stroominjectie, waardoor plaatselijke stroomophoping wordt voorkomen. Ten slotte creëert de verlengde InP-bekleding meerdere routes voor warmteafvoer, waardoor het knelpunt in de thermische weerstand dat wordt veroorzaakt door traditionele SiO₂-passiveringslagen effectief wordt verminderd en de operationele stabiliteit bij hoge temperaturen van de lasers fundamenteel wordt verbeterd.
Om de haalbaarheid van dit ontwerp te verifiëren, vervaardigde het onderzoeksteam meer dan 50 beker-vormige QCL-apparaten van verschillende groottes en voerde systematische evaluaties uit. Meerdere sleutelindicatoren bereikten een gevorderd niveau binnen vergelijkbare structuren. Onder omstandigheden op kamertemperatuur (293 K) bereikte een apparaat van 1 mm x 3 μm een continu-golf (CW) drempelvermogensverbruik van ongeveer 1 W, met een gepulseerd drempelvermogensverbruik van slechts 0,85 W. Het CW-uitgangsvermogen bij kamertemperatuur- overschreed 27 mW, terwijl bij een lage temperatuur van 243 K het maximale CW-uitgangsvermogen 83 mW bereikte en het gepulseerde uitgangsvermogen toenam tot 130 mW. Bovendien vertoonde het apparaat uitstekende opto-elektronische conversieprestaties, waarbij een kamertemperatuur-gepulseerde muur-plug-efficiëntie (WPE) van 3,9% werd bereikt, met uitgebreide prestaties die vergelijkbaar waren met mainstream begraven heterostructuurproducten. In termen van betrouwbaarheid bedroeg de fluctuatie van het uitgangsvermogen tijdens een ononderbroken werkingstest van 25- uur met hoog vermogen slechts 1,9 mW, wat de uitzonderlijke thermische stabiliteit en robuustheid van de structuur volledig bevestigt.
Met name de smalste apparaten met een breedte van 2 μm- bereikten een stabiele single--laserwerking over het gehele dynamische stroombereik, met een onderdrukkingsverhouding in de zij-modus van ongeveer 20 dB, waarvoor geen golflengte-selectieve elementen nodig waren. Deze enkele-frequentiekarakteristiek biedt nieuwe inzichten voor het integreren van enkele-midden-infraroodlichtbronnen op-chip. Historisch gezien waren hoogwaardige-midden-infraroodlaserchips sterk afhankelijk van buitenlandse producten. Deze technologische doorbraak balanceert proceseenvoud, laag stroomverbruik en hoge betrouwbaarheid, waardoor een autonome technologische route met een sterk industrialisatiepotentieel ontstaat. Vooruitkijkend zal deze lichtbronoplossing naar verwachting de gelokaliseerde iteratie van draagbare gasdetectoren, op voertuigen gemonteerde milieubewakingsapparatuur en draagbare medische spectrometers aanzienlijk versnellen, terwijl ook baanbrekende velden mogelijk worden gemaakt, zoals niet-lineaire fotonica op een chip en teledetectie van atmosferisch spoorgas.
