Les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) sont petits, des lasers à semi-conducteurs qui émettent des faisceaux optiques depuis leur surface supérieure, et l'une de leurs principales applications est la détection de gaz. Les gaz ont chacun un ensemble unique d'énergies qu'ils peuvent absorber, dérivé de leur structure moléculaire. Ces ensembles de raies d'absorption s'apparentent à des empreintes digitales, qui permet une détection sans ambiguïté et sensible avec un laser accordable approprié comme un VCSEL accordable.

Il existe plusieurs gaz importants qui sont détectables avec la lumière infrarouge moyen (mi-IR), ayant des longueurs d'onde comprises entre 3 et 4 micromètres (microns), dont le méthane, dioxyde de carbone et dioxyde d'azote. VCSEL de niveau application, cependant, ne sont pas encore disponibles pour cette plage de longueurs d'onde, mais le besoin croissant de compact, Les capteurs de gaz portables et abordables stimulent la demande de sources semi-conductrices écoénergétiques de lumière à infrarouge moyen.

En réponse à cette demande, un groupe de chercheurs de l'Institut Walter Schottky de l'Université technique de Munich (TUM) en Allemagne a entrepris de développer un concept pour étendre la couverture en longueur d'onde des VCSEL dans ce régime important, qu'ils rapportent cette semaine dans Lettres de physique appliquée , des éditions AIP.

Les VCSEL typiques souffrent de performances pour les longueurs d'onde relativement longues de la plage IR moyenne, en partie à cause des effets secondaires du chauffage qui affectent de manière disproportionnée les longueurs d'onde IR. Ces effets sont minimisés par la configuration « jonction tunnel enterrée » des VCSEL, où une barrière matérielle est intégrée entre les matériaux standard de type p et n du semi-conducteur. Cette structuration a pour résultat un comportement semblable à une résistance pour le dispositif et fournit une accordabilité des propriétés optiques dans la plage souhaitée.

« Le concept VCSEL à jonction tunnel enterrée a déjà produit des VCSEL hautes performances dans toute la plage de longueurs d'onde de 1,3 à 3 microns, " a déclaré Ganpath K. Veerabathran, doctorant à l'Institut Walter Schottky. "Et les régions actives de puits quantiques de type II" W " ont été utilisées avec succès pour fabriquer des lasers à semi-conducteurs conventionnels à émission latérale avec d'excellentes performances dans la plage de longueurs d'onde de 3 à 6 microns."

En combinant le concept de jonction tunnel VCSEL avec ces conceptions laser conventionnelles à émission latérale, où le faisceau est émis parallèlement à la surface inférieure, dans ce régime de longueur d'onde, les chercheurs ont créé une jonction tunnel enterrée VCSEL avec un seul étage, région active de matériau de type II pour étendre la couverture de longueur d'onde des VCSEL pompés électriquement.

Cette avancée est particulièrement remarquable car il s'agit de la première démonstration connue de pompes électriques, monomode, VCSEL accordables émettant une onde continue jusqu'à 4 microns.

« Il marque une étape importante par rapport aux appareils de pointe émettant à trois microns dans une onde continue, et jusqu'à 3,4 microns en mode pulsé, respectivement, " dit Veerabathran. " Plus loin, notre démonstration à quatre microns ouvre la voie à des VCSEL de qualité applicative dans toute la gamme de longueurs d'onde de 3 à 4 microns, car les performances de ces VCSEL s'améliorent généralement à des longueurs d'onde plus courtes."

Il est important de noter que bien que des systèmes de détection de gaz dans cette plage de longueurs d'onde soient déjà disponibles en utilisant d'autres types de lasers, ils sont considérés comme des énergivores par rapport aux VCSEL. Ils ont également tendance à être prohibitifs, et sont principalement utilisés par les industries pour détecter les gaz traces pour les applications de sécurité et de surveillance.

"Le VCSEL de 4 microns démontre qu'à faible puissance, fonctionnant sur batterie, des systèmes de détection portables et peu coûteux sont à portée de main, " Veerabathran a également déclaré. " Une fois que les systèmes de détection deviendront plus abordables, il y a un grand potentiel de déploiement par les industries, comme l'industrie automobile pour la surveillance et le contrôle des émissions, et ces systèmes peuvent même trouver des utilisations dans nos maisons."

Prochain, le groupe se concentrera sur l'amélioration "en termes de température de fonctionnement maximale et de puissance de sortie optique des VCSEL, " dit Veerabathran. " A l'avenir, il peut être possible d'étendre ce concept pour que les VCSEL émettent plus loin dans l'infrarouge moyen au-delà de 4 microns. Cela serait bénéfique car la force d'absorption des gaz devient généralement plus forte de plusieurs ordres de grandeur, même pour des augmentations de longueur d'onde relativement faibles."