Dans la communauté scientifique, la bande infrarouge moyenne-est connue comme la « région des empreintes moléculaires », où se concentrent les transitions caractéristiques des niveaux d'énergie de vibration et de rotation de la plupart des polluants gazeux et des biomolécules. L'équipement de détection spectroscopique basé sur les QCL sert de matériel de base pour la télédétection environnementale, la surveillance des gaz industriels, les diagnostics médicaux non-invasifs et les communications optiques-hautes vitesses dans l'espace libre-. Cependant, les QCL traditionnels à infrarouge moyen sont depuis longtemps confrontés à de multiples barrières technologiques. Les solutions traditionnelles à faible consommation-s'appuient fortement sur des processus complexes de repousse latérale InP semi-isolante (SI-InP), qui impliquent non seulement une fabrication lourde et de faibles rendements de copeaux, mais augmentent également considérablement les coûts globaux. De plus, ces dispositifs souffrent généralement d’une dissipation thermique limitée et d’une consommation d’énergie constamment élevée, ce qui les rend difficiles à adapter aux exigences des équipements de détection de terrain portables et miniaturisés.
Pour résoudre ces problèmes de l'industrie, l'équipe du chercheur Meng Bo au CIOMP a tracé une nouvelle voie en proposant de manière innovante le guide d'ondes QCL en forme de « gobelet -. Le concept de conception de base implique une gravure humide sélective-de la région active afin que sa largeur soit nettement inférieure à celle des couches de revêtement supérieure et inférieure, formant ainsi un profil en coupe transversale unique-ressemblant à un gobelet-. Cette conception intégrée résout simultanément les goulots d'étranglement dans la fabrication, l'injection de courant et la gestion thermique. Premièrement, il élimine complètement le besoin du processus de repousse latérale SI-InP, abaissant considérablement le seuil de production de masse et les coûts de fabrication. Deuxièmement, la large structure de revêtement supérieure conservée assure une injection de courant uniforme, évitant ainsi un encombrement de courant localisé. Enfin, le revêtement InP étendu crée plusieurs voies de dissipation thermique, atténuant efficacement le goulot d'étranglement de la résistance thermique provoqué par les couches de passivation SiO₂ traditionnelles et améliorant fondamentalement la stabilité opérationnelle des lasers à haute température.
Pour vérifier la faisabilité de cette conception, l'équipe de recherche a fabriqué plus de 50 dispositifs QCL en forme de gobelet de différentes tailles et a mené des évaluations systématiques. Plusieurs indicateurs clés ont atteint des niveaux avancés parmi des structures similaires. Dans des conditions de température ambiante (293 K), un appareil de 1 mm × 3 μm a atteint une consommation électrique seuil d'onde continue (CW) d'environ 1 W, avec une consommation électrique seuil pulsée aussi basse que 0,85 W. La puissance de sortie CW à température ambiante a dépassé 27 mW, tandis qu'à basse température de 243 K, la puissance de sortie CW maximale a atteint 83 mW et la puissance de sortie pulsée a augmenté à 130 mW. En outre, l'appareil a démontré d'excellentes performances de conversion optoélectronique, atteignant un rendement de prise -mur pulsé à température ambiante-de prise (WPE) de 3,9 %, avec des performances complètes correspondant aux produits à hétérostructure enterrés traditionnels. En termes de fiabilité, au cours d'un test de fonctionnement ininterrompu à haute puissance de 25 - heures, la fluctuation de la puissance de sortie n'était que de 1,9 mW, validant pleinement la stabilité thermique et la robustesse exceptionnelles de la structure.
Notamment, les appareils les plus étroits de 2 μm-de large ont obtenu un laser monomode-stable sur toute la plage de courant dynamique, avec un rapport de suppression de mode latéral-d'environ 20 dB, ne nécessitant aucun élément sélectif de longueur d'onde-. Cette caractéristique à fréquence unique-offre de nouvelles perspectives pour l'intégration de sources de lumière infrarouge moyenne-à fréquence unique-sur-puce. Historiquement, les puces laser à infrarouge moyen-hautes performances-dépendaient fortement des produits étrangers. Cette avancée technologique équilibre simplicité des processus, faible consommation d’énergie et haute fiabilité, offrant ainsi une voie technologique autonome avec un fort potentiel d’industrialisation. À l'avenir, cette solution de source lumineuse devrait accélérer considérablement l'itération localisée des détecteurs de gaz portables, des équipements de surveillance environnementale montés sur les véhicules et des spectromètres médicaux portables, tout en renforçant également des domaines de pointe tels que la photonique non linéaire sur puce et la télédétection des gaz traces atmosphériques.
