VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）は1980年代半ばに発明されました。しかし、比較的短期間で、VCSELはファイバーチャネル、イーサネット、システム内通信といった短距離アプリケーションにおける優れた技術としての地位を確立しました。
その後数年間で、VCSELは短距離データ通信およびローカルエリアネットワークの技術として、エッジエミッターレーザーに取って代わりました。VCSELの成功は、主にエッジエミッターに比べて製造コストが低く、信頼性が高いことに起因しています。
このブログでは、VCSEL の利点を詳しく説明し、なぜ VCSEL が最も効果的なレーザーの 1 つとみなされ、さまざまな業界で使用されているのかを理解します。
VCSEL とは何ですか?
垂直共振器面発光レーザーダイオード（VCSEL）は、上面から垂直に光または光ビームを生成する半導体レーザーダイオードです。このタイプは、側面から光を放射するエッジ発光レーザー（EEL）や、側面と上面から光を放射する発光ダイオード（LED）よりも多くの利点があります。VCSELは、ビーム品質の向上、効率の向上、製造の容易さなどの利点があります。また、より高いデータ伝送速度を可能にし、高速光通信、3Dセンシング、レーザープリンティングなどの用途に使用されています。
さらに、VCSELは複数の方法で製造されますが、最も一般的なのはウェーハ上に集積する方法で、表面に数千個のダイオードを集積できます。このウェーハレベルの集積により、大量生産とコスト効率が向上します。もう一つの選択肢は、複数のVCSELをグループ化したアレイ化です。これにより出力電力を増加させることができ、より高い出力レベルやより広いカバレッジを必要とするアプリケーションに対応できます。アレイ化は、高性能システムにおけるビーム成形の改善と信頼性の向上にも役立ちます。
VCSELの構造は、基板上に半導体材料を積層して形成されます。VCSELやエッジエミッターは、分子線エピタキシー（MBE）または有機金属化学気相成長（MOCVD）成長炉を用いて一般的に製造されます。これらの材料を正確に積層することは、所望の光学特性と性能特性を実現するために不可欠です。VCSELとその特性に関する詳細については、こちらをご覧ください。
形成されたウェハはさらに加工され、個々のデバイスが作製されます。次のセクションでは、VCSELレーザーの利点について検証します。
垂直共振器面発光レーザーの6つの利点
VCSELは、多くのレーザーと同様に光通信に使用されています。また、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、メトロシステム、ストレージネットワーク、光ファイバー通信などの長波長通信技術において、他の通信技術よりも広く使用されています。
VCSEL テクノロジーがもたらす数多くの利点は、次のようにまとめられます。
- 波長均一性とスペクトル幅：成長技術は、共振器波長の標準偏差が2nm未満のVCSELウェーハを製造できるまでに進歩しました。この精度により、アレイ要素間の波長変動を最小限に抑えたVCSEL 2Dアレイの製造が可能になります。このような一貫性は、複数のVCSEL間で高い精度と均一性が求められるアプリケーションにとって不可欠です。
- 高温動作： VCSELデバイスは最大80℃の温度で動作するため、このアプローチにより冷却システムは非常にコンパクトで耐久性が高く、持ち運びが容易になります。この設計上の利点により、VCSELは小型電子機器や高性能光学システムなど、スペースと熱管理が重要な様々な用途に使用できます。
- 波長安定性： VCSELの発振波長は短いファブリ・ペロー共振器によって固定されているため、比較的安定しており、波長ドリフトは最小限に抑えられています。複数の縦モードで動作可能なエッジエミッターとは異なり、VCSELは1つの縦モードのみで動作するように設計されているため、安定した一貫した出力波長が確保されます。
- 製造性： VCSELの製造能力は、この技術の重要なセールスポイントとなっています。VCSELは製造プロセスが簡素であるため、高い歩留まりと信頼性を実現できます。一方、エッジエミッターは、歩留まりの低さや、壊滅的光損傷（COD）に関連する信頼性の問題といった課題に直面することが多く、製造がより複雑で、安定性に欠けるという問題があります。
- 拡張性：高出力アプリケーションにおけるVCSELの根本的な利点は、エッジエミッターでは不可能なモノリシックな2Dアレイに容易に加工できることです。この2Dアレイにより、多数のレーザーを単一チップ上に効率的に集積し、出力と性能を向上させることができます。さらに、エッジエミッターバーをスタック状に配置するには、高度で熱効率の悪い実装方法が必要となり、組み立てと冷却プロセスが複雑になります。
- コスト： 2D VCSELアレイは、加工が容易で放熱技術も容易なため、同等のエッジエミッタ・バースタックに比べてパッケージングがはるかに容易です。これは、よりシンプルな統合と効率的な放熱方法によるものです。超高出力アレイの放熱は、シリコン業界で確立され、費用対効果の高い既存の放熱技術を用いて実現できます。その結果、高出力モジュールの全体的なコストが大幅に削減され、VCSEL技術は様々なアプリケーションにおいてより経済的に実現可能になります。
以上がVCSELとその利点に関する基本的な理解です。VCSELの応用例については、ブログ「様々な産業におけるVCSELの応用」をご覧ください。
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