VCSELテクノロジーの紹介
VCSEL （垂直共振器面発光レーザー）は、従来の端面発光レーザーのようにウェハの端から光を放射するのではなく、ウェハの表面に対して垂直に光を放射する半導体レーザーダイオードの一種です。1990年代に商用化されて以来、VCSELはそのコンパクトなサイズ、低消費電力、優れたビーム品質、そして拡張性により、様々な産業に変革をもたらしてきました。
現在、VCSEL技術は、データ通信、センシング、民生用電子機器、産業オートメーション、車載LiDAR、バイオメディカルデバイスなど、幅広い分野で利用されています。より高速なデータ伝送と高精度な光センシングに対する世界的な需要が高まるにつれ、VCSELは現代の光通信システムの基盤となりつつあります。
この記事では、VCSEL の動作原理、構造、主な利点、用途、将来の展望など、VCSEL について詳しく説明します。
VCSEL とは何ですか?
垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、光共振器がウェハ面に対して垂直に配置された半導体レーザーです。光は上面から放出されるため、ウェハ上で直接、大規模なアレイ状のデバイスをテストおよび製造することができます。
VCSEL は通常、近赤外線スペクトルで動作し、最も一般的なのは850 nm、940 nm、および 980 nmですが、赤色および短波長の VCSEL の開発も進行中です。
VCSELの基本構造
VCSELの構造は端面発光レーザーとは根本的に異なります。主な構成要素は以下のとおりです。
1. アクティブ領域
活性領域には量子井戸が含まれており、そこで電子と正孔の再結合によって光子が生成される。活性領域の厚さはわずか数マイクロメートルであり、これが共振器長の短縮に寄与している。
2. 分布ブラッグ反射器（DBR）
2つの高反射ミラー（上部DBRと下部DBR）が面発光レーザー共振器を形成します。これらのミラーは、屈折率の異なる複数の半導体層を交互に積層することで構成されており、99%を超える反射率を実現しています。
3. 電流注入層
電流がデバイスに垂直に注入され、活性領域での光子放出を刺激します。
4. 酸化物またはイオン注入アパーチャ
この構造により、電流モードと光モードの両方が制限され、効率とビーム品質が向上します。
VCSELの仕組み
VCSEL の動作原理は標準的なレーザー プロセスに従います。
- 電流注入により活性領域の電子が励起されます。
- 誘導放出は励起された電子が正孔と再結合するときに発生します。
- 光子はDBR ミラー間で垂直に反射し、光を増幅します。
- コヒーレントレーザー光はウェーハ表面に対して垂直に出射されます。
短い共振器長により単一縦モード動作が可能になり、安定した波長と狭い線幅の実現に貢献します。
VCSELテクノロジーの主な利点
VCSEL は、従来の端面発光レーザーやレーザー ダイオード、その他の光源に比べて、次のようないくつかの利点があります。
1. 低消費電力
VCSEL は低い閾値電流で効率的に動作するため、バッテリー駆動のデバイスや大規模な展開に最適です。
2. 円形、低発散ビーム
自然な円形の出力ビームにより、光学結合が簡素化され、複雑なビーム成形光学系の必要性が軽減されます。
3. ウエハレベルテスト
エッジ発光レーザーとは異なり、VCSEL はダイシング前にテストできるため、製造コストが大幅に削減され、歩留まりが向上します。
4. 高い信頼性と長寿命
VCSEL は優れた熱安定性と信頼性を備えており、動作寿命が数百万時間を超えることもよくあります。
5. スケーラブルなアレイ
VCSEL は1D または 2D アレイとして製造することができ、高い光パワーと高度なセンシング機能を実現します。
VCSELと端面発光レーザー
| 特徴 | VCSEL | 端面発光レーザー |
|---|---|---|
| 放出方向 | 表面法線 | エッジ発光 |
| ビーム形状 | 円形 | 楕円形 |
| テスト | ウエハレベル | 切断後 |
| 電力スケーリング | 配列経由 | 限定 |
| 梱包コスト | より低い | より高い |
エッジ発光レーザーとレーザー ダイオードは高出力および長距離通信アプリケーションで優れていますが、面発光 VCSEL は短距離、大量、およびセンシングベースの市場で優位に立っています。
一般的なVCSEL波長と材料
VCSEL の性能は半導体材料システムに依存します。
- 850 nm VCSEL：GaAsベース、データセンターで広く使用されている
- 940 nm VCSEL ： 3DセンシングやLiDARで人気
- 980 nm VCSEL：ポンピングおよびセンシングアプリケーションで使用される
- 赤色VCSEL（650～690 nm）：可視光用途への展開
各波長範囲は、特定の光学およびシステムレベルの要件に対応します。
VCSELの主な用途
1. データ通信と光インターコネクト
VCSELは、特にデータセンターや高性能コンピューティングにおける短距離光通信の基盤技術です。850nmで動作するVCSELとマルチモード光ファイバーを組み合わせることで、以下のことが可能になります。
- 10G、25G、50G、100G イーサネット リンク
- 低レイテンシと高いエネルギー効率
- コンパクト光トランシーバー（SFP、QSFP）
並列光チャネルをサポートできるため、帯域幅の拡張に最適です。
2. 3Dセンシングと顔認識
VCSELアレイは、 3Dセンシングのための構造化光および飛行時間（ToF）システムで広く使用されています。主な用途は以下のとおりです。
- スマートフォンの顔認識
- ジェスチャー認識
- 拡張現実と仮想現実（AR/VR）
VCSEL は、正確な深度マッピングに不可欠な、正確で均一な照明パターンを提供します。
3. 自動車用LiDARとADAS
自動車分野では、VCSEL は次のような用途のLiDAR (光検出および測距)システムに採用されつつあります。
- 先進運転支援システム（ADAS）
- 自動運転車
- 物体検出と測距
VCSEL アレイは、エッジ発光レーザーと比較して、目の安全性、信頼性、および拡張性が向上します。
4. 産業用センシングとオートメーション
VCSEL は産業環境で次のような用途に使用されます。
- 近接センサー
- 光学式エンコーダ
- マシンビジョン
- 精密距離測定
安定した波長と高速変調により、高速かつ高精度なセンシングをサポートします。
5. バイオメディカルおよびヘルスケアアプリケーション
バイオメディカル機器において、VCSEL は次のことを可能にします。
- 光干渉断層撮影（OCT）
- パルスオキシメトリー
- フローサイトメトリー
- 医療画像診断
VCSEL はコンパクトなサイズと低発熱性により、ポータブルおよびウェアラブル医療機器に適しています。
VCSELの性能特性
エンジニアが VCSEL を選択する際に考慮する主なパラメータは次のとおりです。
- 出力電力
- 閾値電流
- 斜面効率
- ビーム発散
- 変調帯域幅
- 波長安定性
最新の VCSEL は25 GHz を超える変調速度を実現し、高速光リンクや高度なセンシング アプリケーションをサポートします。
熱管理と信頼性
VCSELの動作においては、熱性能が非常に重要です。高度な設計には、以下の要素が組み込まれています。
- 効率的な熱拡散層
- 最適化されたDBR構造
- 改良された包装材
これらの革新により、信頼性が向上し、波長ドリフトが減少し、温度変化に対して一貫したパフォーマンスが確保されます。
VCSELの製造とパッケージング
VCSEL の製造では、次のような成熟した半導体製造プロセスが活用されます。
- 分子線エピタキシー（MBE）
- 有機金属化学気相成長法（MOCVD）
- ウエハレベルパッケージング
これにより、厳しい許容誤差での大量生産が可能になり、消費者市場および産業市場でのコスト効率の高い展開がサポートされます。
VCSEL技術の将来動向
VCSEL の将来は、速度、効率、統合に対する需要の高まりによって推進されます。
- LiDAR向け高出力VCSELアレイ
- センシングおよび分光法用の長波長VCSEL
- シリコンフォトニクスとの統合
- AI駆動型光センシングシステム
- スマートデバイスやIoTでの活用拡大
フォトニック統合が進むにつれて、VCSEL は次世代光システムの重要な実現手段であり続けるでしょう。
結論
VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）とレーザーダイオードは、現代のフォトニクスにおいて最も汎用性と影響力のある面発光レーザー技術の一つです。独自の垂直発光構造、低消費電力、拡張性、そして高い信頼性により、データ通信から自動車用LiDAR、バイオメディカル診断に至るまで、幅広い産業に不可欠な存在となっています。
技術の進化に伴い、VCSELはデータ転送の高速化、センシングのスマート化、そして光学システムの小型化を実現する上で、これまで以上に重要な役割を果たすでしょう。その高い信頼性により、VCSEL技術は今後数十年にわたり、世界のフォトニクス・エコシステムの基盤となる要素であり続けるでしょう。
