Udvidelse af VCSEL-bølgelængde til mellem-infrarød

Overfladeemitterende lasere med lodret hulrum (VCSEL'er) er små, halvlederbaserede lasere, der udsender optiske stråler fra deres øverste overflade, og en af ​​deres hovedapplikationer er i gasmåling. Gasser har hver især et unikt sæt energier, de kan absorbere, stammer fra deres molekylære struktur. Disse sæt absorptionslinjer ligner fingeraftryk, som muliggør entydig og følsom detektion med en passende afstembar laser som en afstembar VCSEL.

Der er flere vigtige gasser, der kan påvises med midt-infrarødt (midt-IR) lys, med bølgelængder mellem 3 og 4 mikrometer (mikron), herunder metan, kuldioxid og nitrogendioxid. Applikationsklasse VCSEL'er, imidlertid, endnu ikke er tilgængelige for dette bølgelængdeområde, men det stigende behov for kompakte, bærbare og prisbillige gassensorer ansporer efterspørgslen efter energieffektive halvlederkilder til mellem-IR-lys.

For at imødekomme denne efterspørgsel, en gruppe forskere fra Walter Schottky -instituttet ved det tekniske universitet i München (TUM) i Tyskland satte sig for at udvikle et koncept for at udvide bølgelængden af ​​VCSEL'er til dette vigtige regime, som de rapporterer i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing.

Typiske VCSEL'er lider i ydeevne for de relativt lange bølgelængder i midten af ​​IR-området, dels på grund af bivirkninger ved opvarmning, der uforholdsmæssigt påvirker IR -bølgelængder. Disse effekter minimeres af konfigurationen "begravet tunnelkryds" af VCSEL'er, hvor en materialebarriere er indlejret mellem halvlederens standard p- og n-type materialer. Denne strukturering resulterer i modstandslignende opførsel for enheden og giver mulighed for afstemning af de optiske egenskaber i det ønskede område.

"Det begravede tunnelkryds VCSEL-koncept har allerede givet højtydende VCSEL'er inden for hele 1,3 til 3 mikron bølgelængdeområdet, " sagde Ganpath K. Veerabathran, en doktorand ved Walter Schottky Institute. "Og såkaldte type II 'W' kvantebrøndaktive regioner er blevet brugt med succes til at lave konventionelle kantemitterende halvlederlasere med fremragende ydeevne inden for 3- til 6 mikron bølgelængdeområdet."

Ved at kombinere tunnel junction VCSEL-konceptet med disse konventionelle kant-emitterende laserdesign, hvor strålen udsendes parallelt med bundfladen, i dette bølgelængderegime, forskerne skabte et nedgravet tunnelforbindelse VCSEL med et enkelt trin, type II materiale aktivt område for at udvide bølgelængdedækningen af ​​elektrisk pumpede VCSEL'er.

Dette fremskridt er særligt bemærkelsesværdigt, fordi det er den første kendte demonstration af elektrisk pumpet, single-mode, afstembare VCSEL'er, der udsender kontinuerlig bølge op til 4 mikron.

"Det markerer et vigtigt skridt fra state-of-the-art enheder, der udsender ved tre mikron i en kontinuerlig bølge, og op til 3,4 mikron i pulserende tilstand, henholdsvis, "sagde Veerabathran." Yderligere, vores demonstration på fire mikron baner vejen for applikationskvalitets VCSEL'er inden for hele 3- til 4-mikron bølgelængdeområdet, fordi ydelsen af ​​disse VCSEL'er generelt forbedres ved kortere bølgelængder. "

Det er vigtigt at bemærke, at selvom gasfølende systemer inden for dette bølgelængdeområde allerede er tilgængelige ved hjælp af andre typer lasere, de anses for at være power hogs sammenlignet med VCSEL'er. De har også en tendens til at være omkostningsforbudende, og bruges hovedsageligt af industrier til at detektere sporgasser til sikkerheds- og overvågningsapplikationer.

"4-mikron VCSEL demonstrerer, at laveffekt, batteridrevet, bærbare og billige sensingsystemer er inden for rækkevidde, "Veerabathran sagde også." Når sensingsystemer bliver mere overkommelige, der er et stort potentiale for implementering af industrier, såsom bilindustrien til overvågning og kontrol af emissioner, og disse systemer kan endda finde anvendelser i vores hjem. "

Næste, gruppen vil fokusere på at foretage forbedringer "med hensyn til maksimal driftstemperatur og optisk udgangseffekt for VCSEL'erne, "Sagde Veerabathran." I fremtiden vil det kan være muligt at udvide dette koncept for at få VCSEL'er til at udsende længere ind i det mellem-infrarøde område ud over 4 mikron. Dette ville være gavnligt, fordi gassernes absorptionsstyrke typisk bliver størrelsesordener stærkere, selv ved relativt små bølgelængdeforøgelser. "