Oppervlakte-emitterende lasers met verticale holtes (VCSEL's) zijn klein, op halfgeleiders gebaseerde lasers die optische stralen uitzenden vanaf hun bovenoppervlak, en een van hun belangrijkste toepassingen is gasdetectie. Gassen hebben elk een unieke reeks energieën die ze kunnen absorberen, afgeleid van hun moleculaire structuur. Deze sets absorptielijnen zijn verwant aan vingerafdrukken, die eenduidige en gevoelige detectie mogelijk maakt met een geschikte afstembare laser zoals een afstembare VCSEL.

Er zijn verschillende belangrijke gassen die detecteerbaar zijn met mid-infrarood (mid-IR) licht, met golflengten tussen 3 en 4 micrometer (micron), inclusief methaan, kooldioxide en stikstofdioxide. VCSEL's van toepassingskwaliteit, echter, zijn nog niet beschikbaar voor dit golflengtebereik, maar de toenemende behoefte aan compacte, draagbare en betaalbare gassensoren stimuleren de vraag naar energie-efficiënte halfgeleiderbronnen van mid-IR-licht.

Om aan deze vraag tegemoet te komen, een groep onderzoekers van het Walter Schottky Instituut aan de Technische Universiteit van München (TUM) in Duitsland wilde een concept ontwikkelen om de golflengtedekking van VCSEL's uit te breiden tot dit belangrijke regime, die ze deze week melden in Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing.

Typische VCSEL's lijden aan prestaties voor de relatief lange golflengten van het midden-IR-bereik, gedeeltelijk als gevolg van bijwerkingen van verwarming die de IR-golflengten onevenredig beïnvloeden. Deze effecten worden geminimaliseerd door de "begraven tunnelovergang"-configuratie van VCSEL's, waar een materiële barrière is ingebed tussen de standaard p- en n-type materialen van de halfgeleider. Deze structurering resulteert in weerstandachtig gedrag voor het apparaat en zorgt voor afstembaarheid van de optische eigenschappen in het gewenste bereik.

"Het begraven tunnelknooppunt VCSEL-concept heeft al hoogwaardige VCSEL's opgeleverd binnen het volledige golflengtebereik van 1,3 tot 3 micron, " zei Ganpath K. Veerabathran, een doctoraatsstudent aan het Walter Schottky Instituut. "En zogenaamde type-II 'W'-kwantumbronactieve gebieden zijn met succes gebruikt om conventionele edge-emitting halfgeleiderlasers te maken met uitstekende prestaties binnen het golflengtebereik van 3 tot 6 micron."

Door het tunneljunction VCSEL-concept te combineren met deze conventionele edge-emitting laserontwerpen, waar de straal parallel met het bodemoppervlak wordt uitgezonden, in dit golflengteregime, de onderzoekers creëerden een begraven tunnelknooppunt VCSEL met een eentraps, type II materiaal actief gebied om de golflengtedekking van elektrisch gepompte VCSEL's uit te breiden.

Deze vooruitgang is vooral opmerkelijk omdat het de eerste bekende demonstratie is van elektrisch gepompte, enkele modus, afstembare VCSEL's die continue golven tot 4 micron uitzenden.

"Het markeert een belangrijke stap ten opzichte van state-of-the-art apparaten die drie micron in een continue golf uitzenden, en tot 3,4 micron in pulserende modus, respectievelijk, "zei Veerabathran. "Verder, onze demonstratie op vier micron maakt de weg vrij voor VCSEL's van toepassingskwaliteit binnen het gehele golflengtebereik van 3 tot 4 micron, omdat de prestaties van deze VCSEL's over het algemeen verbeteren bij kortere golflengten."

Het is belangrijk op te merken dat hoewel gasdetectiesystemen binnen dit golflengtebereik al beschikbaar zijn met andere soorten lasers, ze worden beschouwd als power hogs in vergelijking met VCSEL's. Ze zijn ook vaak kostenbesparend, en worden voornamelijk door industrieën gebruikt om sporengassen te detecteren voor veiligheids- en bewakingstoepassingen.

"De 4-micron VCSEL toont aan dat een laag vermogen, op batterijen, draagbare en goedkope detectiesystemen zijn binnen handbereik, "Zei Veerabathran ook. "Zodra sensorsystemen betaalbaarder worden, er is een groot potentieel voor inzet door industrieën, zoals de auto-industrie voor emissiebewaking en -controle, en deze systemen kunnen zelfs in onze huizen worden gebruikt."

Volgende, de groep zal zich richten op het maken van verbeteringen "in termen van de maximale bedrijfstemperatuur en het optische uitgangsvermogen van de VCSEL's, " zei Veerabathran. "In de toekomst, het is misschien mogelijk om dit concept uit te breiden om VCSEL's verder te laten emitteren in het midden-infrarode gebied dan 4 micron. Dit zou gunstig zijn omdat de absorptiesterkte van gassen doorgaans orden van grootte sterker wordt, zelfs voor relatief kleine golflengtetoenames."