ในชุมชนวิทยาศาสตร์ ย่านความถี่อินฟราเรด-เป็นที่รู้จักในนาม "บริเวณรอยนิ้วมือระดับโมเลกุล" ซึ่งการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานการสั่นและการหมุนที่เป็นลักษณะเฉพาะของมลพิษก๊าซและโมเลกุลชีวภาพส่วนใหญ่มีความเข้มข้น อุปกรณ์ตรวจจับทางสเปกโตรสโกปีที่สร้างขึ้นบน QCL ทำหน้าที่เป็นฮาร์ดแวร์หลักสำหรับการสำรวจระยะไกลด้านสิ่งแวดล้อม การตรวจสอบก๊าซอุตสาหกรรม การวินิจฉัยทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน- และการสื่อสารด้วยแสงในอวกาศ-ความเร็วสูงฟรี- อย่างไรก็ตาม QCL อินฟราเรดระดับกลาง-แบบดั้งเดิมต้องเผชิญกับอุปสรรคทางเทคโนโลยีหลายประการมาเป็นเวลานาน โซลูชัน-พลังงานต่ำกระแสหลักอาศัยกระบวนการฟื้นฟูด้านข้างแบบกึ่ง-ฉนวน InP (SI-InP) ที่ซับซ้อน ซึ่งไม่เพียงเกี่ยวข้องกับการผลิตที่ยุ่งยากและผลผลิตชิปต่ำเท่านั้น แต่ยังผลักดันต้นทุนโดยรวมให้สูงขึ้นอย่างมากอีกด้วย นอกจากนี้ อุปกรณ์เหล่านี้มักประสบปัญหาการกระจายความร้อนที่จำกัดและการใช้พลังงานสูงอย่างต่อเนื่อง ทำให้ยากต่อการปรับให้เข้ากับความต้องการของอุปกรณ์ตรวจจับภาคสนามแบบพกพาและขนาดเล็ก
เพื่อจัดการกับปัญหาในอุตสาหกรรมเหล่านี้ ทีมงานของนักวิจัย Meng Bo ที่ CIOMP ได้สร้างแนวทางใหม่โดยเสนอ QCL ท่อนำคลื่น "Goblet{0}} ในรูปแบบ "Goblet" อย่างสร้างสรรค์ แนวคิดการออกแบบหลักเกี่ยวข้องกับการ-กัดแบบเปียกเฉพาะบริเวณเพื่อให้ความกว้างมีขนาดเล็กกว่าความกว้างของชั้นหุ้มด้านบนและด้านล่างอย่างมาก ทำให้เกิดเป็นกุณโฑ-ที่มีลักษณะเฉพาะเหมือนหน้าตัด- การออกแบบแบบบูรณาการนี้ช่วยแก้ไขปัญหาคอขวดในการผลิต การฉีดกระแสไฟฟ้า และการจัดการความร้อนไปพร้อมๆ กัน ประการแรก ขจัดความจำเป็นในกระบวนการงอกใหม่ด้านข้างของ SI-InP โดยสิ้นเชิง ซึ่งช่วยลดเกณฑ์สำหรับการผลิตจำนวนมากและต้นทุนการผลิตลงอย่างมาก ประการที่สอง โครงสร้างหุ้มส่วนบนที่กว้างที่ยังคงอยู่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการฉีดกระแสจะสม่ำเสมอ ป้องกันการอัดแน่นของกระแสไฟฟ้าเฉพาะที่ สุดท้าย การหุ้ม InP ที่ขยายเพิ่มจะสร้างเส้นทางการกระจายความร้อนหลายทาง ซึ่งช่วยลดปัญหาคอขวดด้านความต้านทานความร้อนที่เกิดจากชั้นฟิล์ม SiO₂ แบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงเสถียรภาพในการปฏิบัติงานที่อุณหภูมิสูง-ของเลเซอร์โดยพื้นฐาน
เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของการออกแบบนี้ ทีมวิจัยได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ QCL รูปทรงกุณโฑ-มากกว่า 50 เครื่องในขนาดที่แตกต่างกัน และดำเนินการประเมินอย่างเป็นระบบ ตัวชี้วัดหลักหลายตัวถึงระดับขั้นสูงในโครงสร้างที่คล้ายกัน ภายใต้สภาวะอุณหภูมิห้อง (293 K) อุปกรณ์ขนาด 1 มม. × 3 μm มีการใช้พลังงานตามเกณฑ์คลื่น (CW) ต่อเนื่อง-ที่ประมาณ 1 W โดยมีการใช้พลังงานตามเกณฑ์พัลส์ที่ต่ำเพียง 0.85 W -กำลังเอาต์พุตตามอุณหภูมิ CW ของอุณหภูมิห้องเกิน 27 mW ในขณะที่ที่อุณหภูมิต่ำอยู่ที่ 243 K กำลังเอาต์พุต CW สูงสุดถึง 83 mW และกำลังเอาต์พุตแบบพัลส์เพิ่มขึ้นเป็น 130 มิลลิวัตต์ นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการแปลงออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยม โดยได้รับประสิทธิภาพปลั๊ก-ผนังพัลซ์อุณหภูมิห้อง- (WPE) ที่ 3.9% พร้อมประสิทธิภาพที่ครอบคลุมซึ่งตรงกับผลิตภัณฑ์โครงสร้างเฮเทอโรที่ฝังอยู่ทั่วไป ในแง่ของความน่าเชื่อถือ ในระหว่างการทดสอบการทำงานกำลังสูงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 25{- ชั่วโมง ความผันผวนของกำลังเอาต์พุตอยู่ที่เพียง 1.9 mW ซึ่งตรวจสอบความเสถียรและความทนทานทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมของโครงสร้างได้อย่างสมบูรณ์
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุปกรณ์ที่มีความกว้าง 2 μm-ที่แคบที่สุดสามารถบรรลุการเลเซอร์โหมดเดี่ยว-ที่เสถียรตลอดช่วงกระแสไดนามิกทั้งหมด โดยมีอัตราส่วนการระงับโหมดด้านข้าง-ประมาณ 20 dB โดยไม่จำเป็นต้องเลือกองค์ประกอบความยาวคลื่น- คุณลักษณะ-ความถี่เดียวนี้นำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ สำหรับการบูรณาการแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด-ความถี่กลาง-ความถี่เดียวบน-ชิป ในอดีต ชิปเลเซอร์อินฟราเรดระดับกลาง-ประสิทธิภาพสูง{12}}ต้องพึ่งพาผลิตภัณฑ์จากต่างประเทศเป็นอย่างมาก ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้สร้างสมดุลระหว่างความเรียบง่ายของกระบวนการ การใช้พลังงานต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง ทำให้เกิดเส้นทางเทคโนโลยีอัตโนมัติที่มีศักยภาพในการพัฒนาอุตสาหกรรมที่แข็งแกร่ง เมื่อมองไปข้างหน้า โซลูชันแหล่งกำเนิดแสงนี้คาดว่าจะช่วยเร่งการทำซ้ำเฉพาะจุดของเครื่องตรวจจับก๊าซแบบมือถือ - อุปกรณ์ตรวจสอบสภาพแวดล้อมที่ติดตั้งในยานพาหนะ และสเปกโตรมิเตอร์ทางการแพทย์แบบพกพาได้อย่างมีนัยสำคัญ ขณะเดียวกันก็เพิ่มขีดความสามารถ-ขอบเขตการตัด เช่น - โฟโตนิกแบบไม่เชิงเส้นบนชิป และการสำรวจระยะไกลของก๊าซร่องรอยในชั้นบรรยากาศ
