Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) son pequeños, láseres basados ​​en semiconductores que emiten rayos ópticos desde su superficie superior, y una de sus principales aplicaciones es la detección de gases. Cada uno de los gases tiene un conjunto único de energías que pueden absorber, derivado de su estructura molecular. Estos conjuntos de líneas de absorción son similares a las huellas dactilares, que permite una detección sensible e inequívoca con un láser sintonizable adecuado como un VCSEL sintonizable.

Hay varios gases importantes que se pueden detectar con luz de infrarrojo medio (IR medio), tener longitudes de onda entre 3 y 4 micrómetros (micrómetros), incluido el metano, dióxido de carbono y dióxido de nitrógeno. VCSEL de grado de aplicación, sin embargo, aún no están disponibles para este rango de longitud de onda, pero la creciente necesidad de compactos, Los sensores de gas portátiles y asequibles están estimulando la demanda de fuentes semiconductoras de luz infrarroja media de bajo consumo.

Abordar esta demanda, un grupo de investigadores del Instituto Walter Schottky de la Universidad Técnica de Munich (TUM) en Alemania se propuso desarrollar un concepto para extender la cobertura de longitud de onda de los VCSEL a este importante régimen, que informan esta semana en Letras de física aplicada , de AIP Publishing.

Los VCSEL típicos sufren en rendimiento para las longitudes de onda relativamente largas del rango de IR medio, en parte debido a los efectos secundarios del calentamiento que afectan de manera desproporcionada a las longitudes de onda IR. Estos efectos se minimizan mediante la configuración de "unión de túnel enterrado" de los VCSEL, donde una barrera de material está incrustada entre los materiales estándar de tipo p y n del semiconductor. Esta estructuración da como resultado un comportamiento similar al de una resistencia para el dispositivo y proporciona sintonización de las propiedades ópticas en el rango deseado.

"El concepto VCSEL de unión de túnel enterrado ya ha producido VCSEL de alto rendimiento dentro de todo el rango de longitud de onda de 1,3 a 3 micrones, "dijo Ganpath K. Veerabathran, estudiante de doctorado en el Instituto Walter Schottky. "Y las denominadas regiones activas de pozos cuánticos tipo II 'W' se han utilizado con éxito para fabricar láseres semiconductores de emisión de bordes convencionales con un rendimiento excelente dentro del rango de longitud de onda de 3 a 6 micrones".

Al combinar el concepto VCSEL de unión de túnel con estos diseños de láser de emisión de borde convencionales, donde el haz se emite en paralelo con la superficie inferior, en este régimen de longitud de onda, Los investigadores crearon un VCSEL de unión de túnel enterrado con una sola etapa, Región activa de material de tipo II para extender la cobertura de longitud de onda de los VCSEL bombeados eléctricamente.

Este avance es particularmente notable porque es la primera demostración conocida de bombeo eléctrico, modo singular, VCSEL sintonizables que emiten ondas continuas de hasta 4 micrones.

"Marca un paso significativo con respecto a los dispositivos de última generación que emiten a tres micrones en una onda continua, y hasta 3.4 micrones en modo pulsado, respectivamente, "dijo Veerabathran." Además, nuestra demostración a cuatro micrones allana el camino para VCSEL de grado de aplicación dentro de todo el rango de longitud de onda de 3 a 4 micrones, porque el rendimiento de estos VCSEL generalmente mejora en longitudes de onda más cortas ".

Es importante tener en cuenta que, aunque los sistemas de detección de gas dentro de este rango de longitud de onda ya están disponibles utilizando otros tipos de láseres, se consideran consumidores de energía en comparación con los VCSEL. También tienden a tener un costo prohibitivo, y son utilizados principalmente por las industrias para detectar gases traza para aplicaciones de seguridad y monitoreo.

"El VCSEL de 4 micrones demuestra que el bajo consumo de pilas, los sistemas de detección portátiles y económicos están al alcance, "Veerabathran también dijo." Una vez que los sistemas de detección se vuelven más asequibles, hay un gran potencial de implementación por parte de las industrias, como la industria automotriz para el monitoreo y control de emisiones, y estos sistemas pueden incluso encontrar usos dentro de nuestros hogares ".

Próximo, el grupo se centrará en realizar mejoras "en términos de la temperatura máxima de funcionamiento y la potencia de salida óptica de los VCSEL, "Veerabathran dijo." En el futuro, Puede ser posible extender este concepto para hacer que los VCSEL emitan más allá de las 4 micras en la región del infrarrojo medio. Esto sería beneficioso porque la fuerza de absorción de los gases generalmente se vuelve más fuerte en órdenes de magnitud, incluso para aumentos de longitud de onda relativamente pequeños ".