Vertikala hålrumsytor (VCSEL) är små, halvledarbaserade lasrar som avger optiska strålar från deras övre yta, och en av deras huvudsakliga tillämpningar är gasavkänning. Gaser har var och en unik uppsättning energier som de kan absorbera, härrör från deras molekylära struktur. Dessa uppsättningar av absorptionslinjer liknar fingeravtryck, som möjliggör entydig och känslig detektion med en lämplig avstämbar laser som en avstämbar VCSEL.
Det finns flera viktiga gaser som kan detekteras med mitten av infrarött (mitten av IR) ljus, med våglängder mellan 3 och 4 mikrometer (mikron), inklusive metan, koldioxid och kvävedioxid. VCSEL:er av applikationsklass, dock, ännu inte är tillgängliga för detta våglängdsområde, men det ökande behovet av kompakta, bärbara och prisvärda gassensorer ökar efterfrågan på energieffektiva halvledarkällor för mitten av IR-ljus.
Hanterar detta krav, en grupp forskare från Walter Schottky -institutet vid tekniska universitetet i München (TUM) i Tyskland satte sig för att utveckla ett koncept för att utvidga våglängdstäckningen för VCSEL till denna viktiga regim, som de rapporterar den här veckan i Tillämpad fysikbokstäver , från AIP Publishing.
Typiska VCSEL-värden drabbas av prestanda för de relativt långa våglängderna i mitten av IR-intervallet, delvis på grund av biverkningar av uppvärmning som oproportionerligt påverkar IR -våglängder. Dessa effekter minimeras av konfigurationen "begravd tunnelkorsning" för VCSEL, där en materialbarriär är inbäddad mellan standardp- och n-typmaterialen i halvledaren. Denna struktur resulterar i resistansliknande beteende för enheten och ger avstämning av de optiska egenskaperna i det önskade intervallet.
"Det begravda tunnelkorsnings-VCSEL-konceptet har redan gett högpresterande VCSEL inom hela 1,3- till 3-mikron våglängdsområdet, "sade Ganpath K. Veerabathran, doktorand vid Walter Schottky Institute. "Och så kallade typ-II" W "kvantbrunnaktiva regioner har framgångsrikt använts för att göra konventionella kantemitterande halvledarlasrar med utmärkt prestanda inom våglängdsintervallet 3- till 6 mikron."
Genom att kombinera VCSEL-konceptet med tunnelkorsningen med dessa konventionella kantemitterande laserdesigner, där strålen avges parallellt med bottenytan, i denna våglängdsregim, forskarna skapade en nedgrävd tunnelkorsning VCSEL med en etapp, typ II materialaktiv region för att förlänga våglängdstäckningen för elektriskt pumpade VCSEL.
Detta framsteg är särskilt anmärkningsvärt eftersom det är den första kända demonstrationen av elektriskt pumpade, singelläge, avstämbara VCSEL som avger kontinuerlig våg upp till 4 mikron.
"Det markerar ett betydande steg från toppmoderna enheter som sänder ut vid tre mikron i en kontinuerlig våg, och upp till 3,4 mikron i pulsläge, respektive, "sade Veerabathran." Vidare, vår demonstration på fyra mikron banar väg för applikationsklassiga VCSEL inom hela 3- till 4-mikron våglängdsområdet, eftersom prestanda för dessa VCSEL generellt förbättras vid kortare våglängder. "
Det är viktigt att notera att även om gasavkännande system inom detta våglängdsintervall redan finns tillgängliga med andra typer av lasrar, de anses vara power hogs jämfört med VCSEL. De tenderar också att vara kostnadsöverskridande, och används huvudsakligen av industrier för att upptäcka spårgaser för säkerhets- och övervakningstillämpningar.
"VCSEL på 4 mikron visar att lågeffekt, batteridriven, bärbara och billiga avkänningssystem är inom räckhåll, "Veerabathran sa också." När avkänningssystem blivit billigare, det finns stor potential för distribution av branscher, såsom bilindustrin för övervakning och kontroll av utsläpp, och dessa system kan till och med hitta användningsområden i våra hem. "
Nästa, gruppen kommer att fokusera på att göra förbättringar "när det gäller maximal driftstemperatur och optisk uteffekt för VCSEL:erna, "Veerabathran sa." I framtiden, det kan vara möjligt att utvidga detta koncept för att få VCSEL att sända vidare in i det mellersta infraröda området utöver 4 mikron. Detta skulle vara fördelaktigt eftersom gasernas absorptionsstyrka vanligtvis blir storleksordningar starkare, även för relativt små våglängdsökningar. "
