VCSEL

垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）とは

垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）は、半導体レーザーの一種で、従来の端面発光型レーザーとは異なり、レーザー光を基板面に対して垂直方向に放射する点が特徴です。この構造により、デバイスの小型化、大量生産、低コスト化が可能になり、様々な分野で利用されています。

VCSELの構造と特徴

VCSELは、高反射率の分布ブラッグ反射器（DBR）と呼ばれる特殊なミラー構造を用いて、レーザー光を垂直方向に共振させます。このDBRは、半導体や誘電体の薄膜を積層したもので、基板面に対して垂直に光を反射します。この構造により、以下の特徴があります。

大量生産性: 基板をへき開することなく、共振器の形成や特性検査が可能であり、大量生産に適しています。
低コスト: 他の半導体レーザーと比較して、比較的安価に製造できます。
2次元アレイ化: 微細なレーザーを2次元的に配列することができ、高出力化や多機能化が容易です。
低消費電力: しきい値電流が小さいため、システムの消費電力を抑えられます。
高速変調: 低電流でも高速な変調が可能で、高速データ通信に適しています。
温度安定性: 温度変化による特性変化が小さく、温度制御装置の簡素化が可能です。

VCSELの応用分野

VCSELは、その優れた特性から、以下のような幅広い分野で利用されています。

光通信: ギガビットイーサネットやファイバーチャンネルの光源として、高速データ通信を支えています。近年では、データセンターにおける光インターコネクト（AOC）にも活用されています。
光センシング: コンピューターマウス、3D顔認証、LiDAR、OCTなど、光を用いたセンシング技術に不可欠なデバイスです。特に、スマートフォンにおける顔認証やLiDARの搭載が進んでいます。
レーザープリンター: 高精細な印刷を可能にする光源として、レーザープリンターにも利用されています。
高出力アレイ応用: レーザー加工や赤外加熱など、高出力を必要とする分野にも応用が広がっています。

VCSELの研究開発の歴史

発明とその動機

VCSELは、1977年に東京工業大学の伊賀健一教授によって発明されました。当時、伊賀教授は、以下の3つの条件を満たすレーザーの開発を目指していました。

1. モノリシック製作: シリコンLSIのように、半導体ウエハ上で一連のプロセスで製造できること。
2. 単一波長発振: 50マイクロメートル以下の短共振器を用いることで、単一波長での発振を実現すること。
3. 波長再現性: 設計した波長でレーザーを実現できること。

初期のデバイス

初期のVCSELは、光学利得の小ささ、反射鏡の品質、効率的な電流注入法などの課題がありました。1979年には、GalnAsP-InP材料を用いた最初のVCSELが実現しましたが、液体窒素で冷却する必要があり、しきい値電流も非常に高いものでした。

室温連続動作へ

1988年、伊賀教授らのグループは、GaAs基板上で波長894nmの室温連続動作（CW）を達成しました。この成果により、VCSELの研究開発は大きく加速しました。1988年には半導体DBRのコンセプトが導入され、VCSELの性能向上に大きく貢献しました。

開発競争

1990年代には、VCSELの研究開発が世界的に活発化し、米国国防高等研究計画局（DARPA）の資金提供も行われました。大量生産技術、しきい値電流低減、横モード制御など、様々な技術的な課題が克服されました。

応用の拡大

2000年以降、VCSELは光通信や光センシングなど、様々な分野で商用化が進みました。また、高出力VCSELアレイ、高コントラスト回折格子、アサーマルVCSELなど、更なる技術開発も進んでいます。現在では、スマートフォンや自動車など、身近な製品にもVCSELが搭載されています。

VCSELの産業化

2010年以降、VCSELは様々な光システムに適用され、産業として大きく拡大しています。主な分野は以下の通りです。

光通信: データセンター、高速ネットワーク
光センシング: スマートフォン、LiDAR、医療機器
高出力アレイ: レーザー加工、プリンター

GaAsウエハの需要は年間1万枚を超え、市場規模は90億米ドルに達しています。

VCSEL発展のマイルストーン

VCSEL研究開発の主な出来事を以下にまとめます。

1977年: 伊賀健一教授がVCSELを考案
1979年: 最初の電流注入VCSEL (77 K, パルス動作)
1987年: 6 mA VCSEL実現、VCSELと呼称開始
1988年: 最初の室温連続動作
1988年: 半導体DBR導入
1989年: 量子井戸VCSEL実現
1990年代: 大量生産技術開発
2000年代: 光通信や光センシングへの商用化
2010年代: 産業規模拡大

まとめ

VCSELは、小型、低コスト、高性能な半導体レーザーとして、光通信、光センシング、レーザー加工など、幅広い分野で不可欠なデバイスとなっています。その応用は今後も拡大していくことが期待されます。

参考文献

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外部リンク

日経エレクトロニクスのVCSEL解説
IEEE Edison Medalの公開記事

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