Lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) são pequenos, lasers baseados em semicondutores que emitem feixes ópticos de sua superfície superior, e uma de suas principais aplicações é em detecção de gás. Cada um dos gases tem um conjunto único de energias que podem absorver, derivados de sua estrutura molecular. Esses conjuntos de linhas de absorção são semelhantes a impressões digitais, que permite a detecção inequívoca e sensível com um laser sintonizável adequado como um VCSEL sintonizável.

Existem vários gases importantes que são detectáveis ​​com luz infravermelha média (IR médio), tendo comprimentos de onda entre 3 e 4 micrômetros (mícrons), incluindo metano, dióxido de carbono e dióxido de nitrogênio. VCSELs de grau de aplicação, Contudo, ainda não estão disponíveis para esta faixa de comprimento de onda, mas a crescente necessidade de compactos, sensores de gás portáteis e acessíveis estão estimulando a demanda por fontes semicondutoras de luz de infravermelho médio com baixo consumo de energia.

Atendendo a essa demanda, um grupo de pesquisadores do Instituto Walter Schottky da Universidade Técnica de Munique (TUM) na Alemanha decidiu desenvolver um conceito para estender a cobertura de comprimento de onda de VCSELs para este importante regime, que relatam esta semana em Cartas de Física Aplicada , da AIP Publishing.

VCSELs típicos sofrem no desempenho para os comprimentos de onda relativamente longos da faixa de infravermelho médio, em parte devido aos efeitos colaterais do aquecimento que afetam desproporcionalmente os comprimentos de onda de IV. Esses efeitos são minimizados pela configuração de "junção de túnel enterrado" dos VCSELs, onde uma barreira de material é embutida entre os materiais do tipo p e n padrão do semicondutor. Esta estruturação resulta em comportamento semelhante a resistência para o dispositivo e fornece sintonia das propriedades ópticas na faixa desejada.

"O conceito de VCSEL de junção de túnel enterrado já rendeu VCSELs de alto desempenho em toda a faixa de comprimento de onda de 1,3 a 3 mícrons, "disse Ganpath K. Veerabathran, estudante de doutorado no Instituto Walter Schottky. "E as chamadas regiões ativas quânticas 'W' do tipo II têm sido usadas com sucesso para fazer lasers convencionais de semicondutores emissores de borda com excelente desempenho na faixa de comprimento de onda de 3 a 6 mícrons."

Ao combinar o conceito de VCSEL de junção de túnel com esses projetos convencionais de laser de emissão de borda, onde o feixe é emitido em paralelo com a superfície inferior, neste regime de comprimento de onda, os pesquisadores criaram uma junção de túnel enterrado VCSEL com um único estágio, região ativa de material tipo II para estender a cobertura do comprimento de onda de VCSELs eletricamente bombeados.

Este avanço é particularmente notável porque é a primeira demonstração conhecida de bombeamento elétrico, modo único, VCSELs sintonizáveis ​​emitindo onda contínua de até 4 mícrons.

"É um passo significativo em relação aos dispositivos de última geração que emitem a três mícrons em uma onda contínua, e até 3,4 mícrons no modo pulsado, respectivamente, "disse Veerabathran." Além disso, nossa demonstração em quatro mícrons abre caminho para VCSELs de grau de aplicação em toda a faixa de comprimento de onda de 3 a 4 mícrons, porque o desempenho desses VCSELs geralmente melhora em comprimentos de onda mais curtos. "

É importante notar que, embora os sistemas de detecção de gás dentro desta faixa de comprimento de onda já estejam disponíveis usando outros tipos de lasers, eles são considerados porcos de energia em comparação com os VCSELs. Eles também tendem a ter um custo proibitivo, e são usados ​​principalmente por indústrias para detectar gases traço para aplicações de segurança e monitoramento.

"O VCSEL de 4 mícrons demonstra que o baixo consumo de energia, operado por bateria, sistemas de detecção portáteis e baratos estão ao alcance, "Veerabathran também disse." Assim que os sistemas de detecção se tornarem mais acessíveis, há um grande potencial para implantação por setores, como a indústria automotiva para monitoramento e controle de emissões, e esses sistemas podem até encontrar usos em nossas casas. "

Próximo, o grupo se concentrará em fazer melhorias "em termos de temperatura máxima de operação e potência de saída óptica dos VCSELs, "Veerabathran disse." No futuro, pode ser possível estender este conceito para fazer os VCSELs emitirem ainda mais na região do infravermelho médio além de 4 mícrons. Isso seria benéfico porque a força de absorção de gases normalmente se torna ordens de magnitude mais fortes, mesmo para aumentos de comprimento de onda relativamente pequenos. "