과학계에서 중{0}}적외선 대역은 대부분의 가스 오염 물질과 생체 분자의 특징적인 진동 및 회전 에너지 준위 전환이 집중되어 있는 '분자 지문 영역'으로 유명합니다. QCL을 기반으로 구축된 분광 검출 장비는 환경 원격 감지, 산업용 가스 모니터링, 비{2}}비침투적 의료 진단 및 고속-자유-공간 광통신을 위한 핵심 하드웨어 역할을 합니다. 그러나 전통적인 중-적외선 QCL은 오랫동안 여러 기술적 장벽에 직면해 있었습니다. 주류 저{8}}전력 솔루션은 복잡한 반절연 InP(SI{10}}InP) 측면 재성장 프로세스에 크게 의존합니다. 이는 번거로운 제조와 낮은 칩 수율을 수반할 뿐만 아니라 전체 비용을 크게 증가시킵니다. 또한 이러한 장치는 일반적으로 제한된 열 방출과 지속적으로 높은 전력 소비로 인해 휴대용 및 소형 현장 감지 장비의 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
이러한 업계의 문제점을 해결하기 위해 CIOMP의 Meng Bo 연구원 팀은 '잔-모양' 도파관 QCL을 혁신적으로 제안하여 새로운 방향을 제시했습니다. 핵심 설계 개념은 활성 영역을 선택적으로 습식 식각하여 상부 및 하부 클래딩 층의 너비보다 훨씬 작아지게 하여 독특한 잔-유사 단면 프로파일을 형성하는 것입니다.- 이 통합 설계는 제조, 전류 주입 및 열 관리의 병목 현상을 동시에 해결합니다. 첫째, SI-InP 측면 재성장 공정의 필요성을 완전히 제거하여 대량 생산 및 제조 비용의 한계점을 획기적으로 낮춥니다. 둘째, 넓게 유지된 상부 클래딩 구조는 균일한 전류 주입을 보장하여 국부적인 전류 밀집을 방지합니다. 마지막으로, 확장된 InP 클래딩은 여러 열 방출 경로를 생성하여 기존 SiO2 보호층으로 인해 발생하는 열 저항 병목 현상을 효과적으로 완화하고 레이저의 고온 작동 안정성을 근본적으로 개선합니다-.
이 설계의 타당성을 검증하기 위해 연구팀은 다양한 크기의 잔 모양의 QCL 장치를 50개 이상 제작하고 체계적인 평가를 수행했습니다. 여러 주요 지표가 유사한 구조 중에서 고급 수준에 도달했습니다. 실내 온도(293K) 조건에서 1mm × 3μm 장치는 약 1W의 연속-파(CW) 임계 전력 소비를 달성했으며 펄스 임계 전력 소비는 최저 0.85W였습니다. 실내-온도 CW 출력 전력은 27mW를 초과한 반면, 243K의 저온에서는 최대 CW 출력 전력이 83mW에 도달하고 펄스 출력 전력이 130mW로 증가했습니다. mW. 또한 이 장치는 탁월한 광전자 변환 성능을 보여 주었으며 주류 매립형 이종 구조 제품과 일치하는 포괄적인 성능으로 3.9%의 실온 펄스 벽-플러그 효율(WPE)을 달성했습니다. 신뢰성 측면에서 25-시간 동안 중단 없는 고전력 작동 테스트 동안 출력 전력 변동은 1.9mW에 불과하여 구조의 탁월한 열 안정성과 견고성을 충분히 검증했습니다.
특히 가장 좁은 2μm-폭 장치는 전체 동적 전류 범위에 걸쳐 안정적인 단일{2}}모드 레이징을 달성했으며 측면-모드 억제 비율은 약 20dB로 파장-선택 요소가 필요하지 않았습니다. 이 단일{7}}주파수 특성은 단일-주파수 중-적외선 광원을 칩에 통합하기 위한 새로운 통찰력을 제공합니다.- 역사적으로 고성능-중-적외선 레이저 칩은 해외 제품 의존도가 높았습니다. 이 기술적 혁신은 프로세스 단순성, 낮은 전력 소비 및 높은 신뢰성의 균형을 유지하여 강력한 산업화 잠재력을 지닌 자율적 기술 경로를 제공합니다. 앞으로 이 광원 솔루션은 휴대용 가스 감지기, 차량 탑재 환경 모니터링 장비 및 휴대용 의료 분광계의 국지적 반복을 크게 가속화하는 동시에 온칩 비선형 포토닉스 및 대기 추적 가스 원격 감지와 같은 최첨단 분야를 지원하는- 것으로 예상됩니다.
