VCSELの紹介：動作原理と特性

FP、DFB、VCSELといった半導体レーザーは、世界中のインターネットや通信分野の制御と向上に不可欠なデバイスです。電気エネルギーを光子に変換する高効率、優れた信頼性、小型フットプリント、変調帯域幅、低コストといった優れた特性により、様々な通信アプリケーションにおける主要部品となっています。

VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）は、様々な産業用途や軍事用途で広く使用されているレーザーの一つです。この記事では、VCSELの定義、動作原理、特性など、VCSELの基礎について解説します。さらに、VCSELの用途や利点、そして固有の限界についても考察します。

VCSELとは何ですか？

Wikipediaでは、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）は、従来のレーザーダイオードのように端面から光を放射するのではなく、チップの表面から垂直に光を放射する半導体レーザーダイオードの一種と定義されています。VCSELは、その効率性とアレイ製造の容易さから、データ通信、3Dセンシング、光学式マウス、レーザープリンターなど、様々な用途で広く使用されています。

簡単に言えば、従来の端面発光型発光ダイオードと比較して、VCSEL は上面から光または垂直ビームを放射します。

VCSEL の主な特性は次のとおりです。

• コンパクトサイズ: VCSEL は小型なので、デバイスに簡単に組み込むことができます。
• 高効率: エネルギー効率に優れているため、バッテリー駆動のデバイスに適しています。
• 低コスト: 製造プロセスにより大量生産が可能になり、コストが削減されます。
• 波長安定性: VCSEL は狭い波長で安定した動作を提供します。これは高速データ通信などのアプリケーションでは重要です。
• 高速変調: 高速データ転送をサポートし、光ネットワークに最適です。

VCSELは、そのユニークな特性により、LiDAR、顔認識、高速通信ネットワークなどの分野でますます重要性を増しています。それでは、面発光レーザー（VCSEL）の仕組みを理解していきましょう。動作プロセス全体を詳細に説明するのは困難なため、ここでは基本的な点のみを取り上げました。

VCSELの動作原理

典型的な垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、それぞれが特定の機能を果たす複数の独立した層で構成されています。最上層には電気接点用の層があり、デバイスへの電流注入を容易にします。そのすぐ下には、99%の反射率を誇る高反射ミラーである第2層があり、レーザー内で生成される光の大部分を反射するように設計されています。

3層目は酸化層で、発光窓を形成し、放射光を円形ビームに変換します。VCSELの中心層はレーザーキャビティ、つまりアクティブゲイン領域であり、ここで実際のレーザー発振プロセスが発生します。この中心層の下には、光を閉じ込め、効率的なレーザー発振を確保するための別の酸化層があります。

次に、酸化物層の下に分布ブラッグ反射鏡（DBR）が配置され、その下に反射率99.9%の下部反射鏡が配置されます。この下部反射鏡は上部反射鏡よりも高い反射率を持つため、レーザー光が下部ではなく上部から出射されます。

レーザー発振過程において、上部DBRミラーと下部DBRミラーの間に配置された量子井戸が光子を生成します。これらの量子井戸は3層構造で、薄いガリウムヒ素層と、それを挟む2つのより厚いアルミニウムガリウムヒ素層で構成されています。この構造により量子閉じ込めが実現され、光子の生成と放出が改善されることでレーザー発振効率が向上します。

ここで、VCSEL が医療、産業、軍事のさまざまな用途に適した選択肢となる理由となる、VCSEL の重要な特性のいくつかについて学びましょう。

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）の主な特性

• 試験と分析：VCSELはチップ上面からビームを放射するため、デバイスに組み込む前にウェーハ上で試験と分析を行うことができます。このアプローチにより、製造コストが大幅に削減され、生産効率が向上します。
• 2次元アレイ：従来の端面発光レーザーが一般的に1次元配列に限定されていたのに対し、垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）の構造とメカニズムは、2次元アレイでの使用を可能にします。これにより、より複雑で多用途なアプリケーションが可能になります。
• 光ビーム特性：VCSELは、従来の端面発光レーザーに比べて発散角の小さい円形の光ビームを放射します。これにより、VCSELは光ファイバーへの結合が容易になり、光信号伝送効率が向上します。
• 波長調整：VCSELの反射層の厚さを変えることで、発光波長を調整できます。この柔軟性により、特定のアプリケーション要件に合わせてカスタマイズすることが可能です。
• アライメントとパッケージング：面法線方向の発光とVCSELの光検出器のほぼ同一形状により、アライメントとパッケージングが容易になります。これにより、統合プロセスが簡素化され、安定した性能が保証されます。

VCSEL技術の応用

1. データ通信と高速ネットワーク
   • データセンターにおける光データ伝送：VCSELは、データセンター内での高速光データ伝送を実現する上で重要な役割を果たしています。このレーザーは、光ファイバーケーブルを介して膨大な量のデータを伝送するために使用され、サーバーとネットワーク機器間の高速かつ効率的な通信を促進します。極めて高速にデータを変調できるため、VCSELは現代のデータセンターに欠かせないコンポーネントとなっています。さらに、その高速性能と低消費電力は、データセンター運用全体の効率性と拡張性の向上に貢献します。
   • 光ファイバ通信におけるVCSELの役割：VCSELは、データセンターに加え、長距離光ファイバ通信ネットワークにも重要な役割を果たしています。その発光効率と光ファイバとの結合能力により、信号劣化を著しく抑えながら、長距離のデータ転送が可能になります。VCSELの応用により、グローバル通信システムの速度と信頼性が大幅に向上し、インターネット速度の高速化と、広大なネットワークにおける接続の信頼性向上が実現しました。この性能向上は、現代の通信インフラに対する高まる需要を満たすために不可欠です。
2. センシングとイメージング
   • 3Dセンシングと顔認識：VCSELは、スマートフォンなどのデバイスの顔認識システムに利用されています。VCSELから放出される構造化光は、正確な奥行き情報を取得するために使用され、高度な顔認識と拡張現実（AR）体験を実現します。さらに、VCSELはジェスチャー認識や没入型ゲームなどにも幅広く応用されており、正確な奥行きセンシングによってユーザーインタラクションと視覚効果が向上します。高解像度の3Dデータを提供できるVCSELの能力は、様々なテクノロジーにおいてリアルで応答性の高い体験を生み出す上で不可欠です。
   • VCSELを用いたLiDAR技術の進歩：自動運転車や環境マッピングに不可欠なLiDAR（光検出・測距）システムは、VCSEL技術の恩恵を大いに受けています。VCSELベースのLiDARは、従来のシステムと比較して、より高い解像度、より優れた測距範囲、そしてより高速な応答時間を実現します。この性能向上により、自動運転車はより詳細かつ正確な空間情報を提供することで、複雑な環境をより安全かつ効率的に走行できるようになります。さらに、LiDARシステムにおけるVCSELの使用は、物体検知と障害物回避の精度向上に寄与し、自動運転技術の安全性と信頼性をさらに高めます。
3. 産業用および消費者向け電子機器
   • 光学式マウスおよびタッチレスセンサーにおけるVCSELの応用：VCSELは、様々な表面上での動きを正確かつスムーズに追跡するために、光学式マウスに広く使用されています。VCSELからのコヒーレント発光は精密な追跡を可能にするため、現代のコンピュータ周辺機器で広く採用されています。タッチレスセンサーでは、VCSELは物体や人物を非接触で確実に検出するために使用され、ユーザーの利便性と衛生状態を向上させます。これらのセンサーは、エレベーター、券売機、自動ドアなどの公共施設に広く採用されており、シームレスで衛生的なインタラクション体験を提供しています。
   • 印刷・スキャン機器におけるVCSELの活用：VCSELは印刷・スキャン機器に広く採用され、高品質・高速な印刷・スキャンプロセスに貢献しています。特定の波長で光を放射できるため、レーザー印刷に最適で、鮮明なテキストや精細な画像を高精度に再現できます。さらに、VCSELは正確で安定したスキャン結果を提供することでスキャン機器の性能を向上させ、デジタル複写の鮮明さと忠実度を向上させます。これらの用途におけるVCSELの効率性と信頼性は、現代のオフィス機器や高解像度画像システムにおける貴重なコンポーネントとなっています。

VCSELの利点と限界

1. 利点

   • エネルギー効率と低消費電力：エネルギー効率は、低消費電力と並んでVCSELの最も重要な利点の一つとされています。VCSELは電気エネルギーをコヒーレント光に変換する能力に非常に優れており、他のレーザー技術と比較して消費電力が非常に低いという優れた特性があります。この特性は、省エネルギーが最優先されるポータブルデバイスやデータセンターにおいて不可欠です。VCSELの低消費電力は、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすだけでなく、大規模データセンターの運用コストを削減し、環境の持続可能性全体に貢献します。
   • コンパクトなサイズと容易な統合：VCSELはコンパクトな設計のため、様々な電子機器やシステムにシームレスに統合できます。小型フォームファクタは、スペースが限られた用途に適しており、小型電子機器の開発を促進します。このコンパクトさにより、VCSELはスマートフォンからウェアラブル端末まで、幅広いデバイスに性能を損なうことなく容易に組み込むことができます。高い機能性を維持しながら狭いスペースにも収まるというVCSELの能力は、現代の高密度電子機器の設計において重要な利点です。
   • 高い信頼性と長寿命：VCSELは、その卓越した信頼性と長寿命で知られています。長期間にわたって安定した性能を発揮するため、頻繁なメンテナンスなしで安定した動作が求められるミッションクリティカルなアプリケーションに最適です。

2. 制限事項

   • 熱および電力処理の課題：VCSELは動作中に熱を発生する傾向があり、性能と信頼性に若干の影響を与える可能性があります。熱劣化を防ぎ、レーザーの最適な性能を維持するには、発生する熱を効果的に管理し、適切な放熱を確保することが不可欠です。これには、VCSELを安全な動作温度に保つための高度な冷却技術や熱管理ソリューションの導入が含まれます。さらに、VCSELは潜在的な熱問題により高出力アプリケーションでの動作に制限が生じる可能性があり、適切に対処しないと効率と寿命に影響を及ぼす可能性があります。
   • 製造の複雑さとコスト：VCSELの製造プロセスは複雑でコストが高く、専門的な知識と高度な半導体製造技術が求められます。この複雑さには、精密な層堆積、フォトリソグラフィー、エッチングプロセスなどが含まれており、これらが全体的なコストの増加に寄与しています。その結果、VCSELは他のレーザー技術と比較して製造コストが高くなる可能性があります。しかしながら、より効率的な製造方法や規模の経済性の開発など、製造プロセスの分野では継続的に進歩が見られ、これらのコストは徐々に削減され、VCSEL技術はより利用しやすくなっています。

InPhenix – VCSELテクノロジーソリューション

InPhenixは、技術志向のソリューションを提供することに大きな誇りを持っています。画期的な市場投入となった当社の最先端VCSEL技術は、多くの業界に革命をもたらしました。この包括的なガイドでは、VCSELの多様な用途、利点、そして限界について考察しています。これらのレーザーが、データ通信、センシング、イメージング、そして民生用エレクトロニクスの分野において、目覚ましい進歩への道を切り開いてきたことがお分かりいただけるでしょう。

InPhenixは、重要なアプリケーションにおける信頼性と長寿命の重要性を認識し、革新に取り組んでいます。当社のVCSELは卓越した性能と長寿命を実現し、頻繁なメンテナンスなしで安定した動作を保証します。

VCSELは優れた利点を提供する一方で、私たちはVCSELが直面する課題も理解しています。熱と電力の取り扱いに関する考慮は極めて重要であり、私たちは継続的な研究開発を通じてこれらの課題の解決に尽力しています。また、製造プロセスの改善にも積極的に取り組むことで、品質と性能を損なうことなく、コスト効率の高いVCSELソリューションを実現しています。

比類のない精度、効率、そして信頼性で産業を支える、先駆的なVCSELテクノロジーをお探しなら、 InPhenixをお選びください。当社の最先端VCSELソリューションは、イノベーションを推進し、様々な分野の未来を形作り、急速に変化する世界に革新的なソリューションを提供します。

次のブログでは、VCSELのアプリケーションについてさらに詳しくご紹介します。Inphenixの最新情報をぜひお見逃しなく。

Inphenix は、米国カリフォルニア州に本社を置くレーザーおよび光源製造会社です。分布帰還型レーザー（DFB）、スーパールミネッセントダイオード（SLD）、ファブリペローレーザー、スウェプトソースレーザー、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）など、幅広い先進的な光学デバイス、レーザー、光源の開発を専門としています。これらの製品は、通信、医療用画像処理、センシング用途など、様々な業界の高性能ニーズを満たすように設計されています。Inphenixは、光学技術分野における革新性と品質への取り組みで高く評価されています。

 VCSELとは何ですか？

Wikipediaによると、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）は、従来のレーザーダイオードのように端面から光を放射するのではなく、チップの表面から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。VCSELは、その効率性とアレイ製造の容易さから、データ通信、3Dセンシング、光学式マウス、レーザープリンターなど、様々な用途で広く使用されています。

簡単に言えば、 従来の端面発光型発光ダイオードと比較して、VCSEL は上面から光または垂直ビームを放射します。

VCSEL の主な特性は次のとおりです。

1. コンパクトサイズ: VCSEL は小型なので、デバイスに簡単に組み込むことができます。
2. 高効率: エネルギー効率に優れているため、バッテリー駆動のデバイスに適しています。
3. 低コスト: 製造プロセスにより大量生産が可能になり、コストが削減されます。
4. 波長安定性: VCSEL は狭い波長で安定した動作を提供します。これは高速データ通信などのアプリケーションでは重要です。
5. 高速変調: 高速データ転送をサポートし、光ネットワークに最適です。

VCSELは、そのユニークな特性により、LiDAR、顔認識、高速通信ネットワークなどの分野でますます重要性を増しています。それでは、面発光レーザー（VCSEL）の仕組みを理解していきましょう。動作プロセス全体を詳細に説明するのは困難なため、ここでは基本的な点のみを取り上げました。

VCSELの動作原理

典型的な垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、それぞれが特定の機能を果たす複数の独立した層で構成されています。最上層には電気接点用の層があり、デバイスへの電流注入を容易にします。そのすぐ下には、99%の反射率を誇る高反射ミラーである第2層があり、レーザー内で生成される光の大部分を反射するように設計されています。

3層目は酸化層で、発光窓を形成し、放射光を円形ビームに変換します。VCSELの中心層はレーザーキャビティ、つまりアクティブゲイン領域であり、ここで実際のレーザー発振プロセスが発生します。この中心層の下には、光を閉じ込め、効率的なレーザー発振を確保するための別の酸化層があります。

次に、酸化物層の下に分布ブラッグ反射鏡（DBR）が配置され、その下に反射率99.9%の下部反射鏡が配置されます。この下部反射鏡は上部反射鏡よりも高い反射率を持つため、レーザー光が下部ではなく上部から出射されます。

レーザー発振過程において、上部DBRミラーと下部DBRミラーの間に配置された量子井戸が光子を生成します。これらの量子井戸は3層構造で、薄いガリウムヒ素層と、それを挟む2つのより厚いアルミニウムガリウムヒ素層で構成されています。この構造により量子閉じ込めが実現され、光子の生成と放出が改善されることでレーザー発振効率が向上します。

ここで、VCSEL が医療、産業、軍事のさまざまな用途に適した選択肢となる理由となる、VCSEL の重要な特性のいくつかについて学びましょう。

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）の主な特性

• 試験と分析：VCSELはチップ上面、つまり表面からビームを放射するため、デバイスに組み込む前にウェーハ上で試験と分析を行うことができます。このアプローチにより、製造コストが大幅に削減され、生産効率が向上します。
• 2次元アレイ：従来の端面発光レーザーが一般的に1次元配列に限定されていたのに対し、垂直共振器型面発光レーザー（VCSEL）の構造とメカニズムは、2次元アレイでの使用を可能にします。これにより、より複雑で多用途なアプリケーションが可能になります。
• 光ビーム特性：VCSELは、従来の端面発光レーザーに比べて発散角の小さい円形の光ビームを放射します。これにより、VCSELは光ファイバーへの結合が容易になり、光信号伝送効率が向上します。
• 波長調整：VCSELの反射層の厚さを変えることで、発光波長を調整できます。この柔軟性により、特定のアプリケーション要件に合わせてカスタマイズすることが可能です。
• アライメントとパッケージング：面法線方向の発光とVCSELの光検出器のほぼ同一形状により、アライメントとパッケージングが容易になります。これにより、統合プロセスが簡素化され、安定した性能が保証されます。

VCSEL技術の応用

1. データ通信と高速ネットワーク

• データセンターにおける光データ伝送： VCSELは、データセンター内で高速光データ伝送を実現する上で重要な役割を果たします。このレーザーは、光ファイバーケーブルを介して膨大な量のデータを伝送するために使用され、サーバーとネットワーク機器間の高速かつ効率的な通信を実現します。極めて高速にデータを変調できるため、VCSELは現代のデータセンターに欠かせないコンポーネントとなっています。さらに、その高速性能と低消費電力は、データセンター運用全体の効率性と拡張性の向上に貢献します。
• 光ファイバ通信におけるVCSELの役割：VCSELは、データセンターに加え、長距離光ファイバ通信ネットワークにも重要な役割を果たしています。その発光効率と光ファイバとの結合能力により、信号劣化を著しく抑えながら、長距離のデータ転送が可能になります。VCSELの応用により、グローバル通信システムの速度と信頼性が大幅に向上し、インターネット速度の高速化と、広大なネットワークにおける接続の信頼性向上が実現しました。この性能向上は、現代の通信インフラに対する高まる需要を満たすために不可欠です。

2. センシングとイメージング

• 3Dセンシングと顔認識：VCSELは、スマートフォンなどのデバイスの顔認識システムに利用されています。VCSELから放出される構造化光は、正確な奥行き情報を取得するために使用され、高度な顔認識と拡張現実（AR）体験を実現します。さらに、VCSELはジェスチャー認識や没入型ゲームなどにも幅広く応用されており、正確な奥行きセンシングによってユーザーインタラクションと視覚効果が向上します。高解像度の3Dデータを提供できるVCSELの能力は、様々なテクノロジーにおいてリアルで応答性の高い体験を生み出す上で不可欠です。
• VCSELを用いたLiDAR技術の進歩：自動運転車や環境マッピングに不可欠なLiDAR（光検出・測距）システムは、VCSEL技術の恩恵を大いに受けています。VCSELベースのLiDARは、従来のシステムと比較して、より高い解像度、より優れた測距範囲、そしてより高速な応答時間を実現します。この性能向上により、自動運転車はより詳細かつ正確な空間情報を提供することで、複雑な環境をより安全かつ効率的に走行できるようになります。さらに、LiDARシステムにおけるVCSELの使用は、物体検知と障害物回避の精度向上に寄与し、自動運転技術の安全性と信頼性をさらに高めます。

3. 産業用および消費者向け電子機器

• 光学式マウスおよびタッチレスセンサーにおけるVCSELの応用：VCSELは、様々な表面上での動きを正確かつスムーズに追跡するために、光学式マウスに広く使用されています。VCSELからのコヒーレント発光は精密な追跡を可能にするため、現代のコンピュータ周辺機器で広く採用されています。タッチレスセンサーでは、VCSELは物体や人物を非接触で確実に検出するために使用され、ユーザーの利便性と衛生状態を向上させます。これらのセンサーは、エレベーター、券売機、自動ドアなどの公共施設に広く採用されており、シームレスで衛生的なインタラクション体験を提供しています。
• 印刷・スキャン機器におけるVCSELの活用：VCSELは印刷・スキャン機器に広く採用され、高品質・高速な印刷・スキャンプロセスに貢献しています。特定の波長で光を放射できるため、レーザー印刷に最適で、鮮明なテキストや精細な画像を高精度に再現できます。さらに、VCSELは正確で安定したスキャン結果を提供することでスキャン機器の性能を向上させ、デジタル複写の鮮明さと忠実度を向上させます。これらの用途におけるVCSELの効率性と信頼性は、現代のオフィス機器や高解像度画像システムにおける貴重なコンポーネントとなっています。

VCSELの利点と限界

1. 利点

• エネルギー効率と低消費電力：エネルギー効率は、低消費電力と並んでVCSELの最も重要な利点の一つとされています。VCSELは電気エネルギーをコヒーレント光に変換する能力に非常に優れており、他のレーザー技術と比較して消費電力が非常に低いという優れた特性があります。この特性は、省エネルギーが最優先されるポータブルデバイスやデータセンターにおいて不可欠です。VCSELの低消費電力は、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすだけでなく、大規模データセンターの運用コストを削減し、環境の持続可能性全体に貢献します。
• コンパクトなサイズと容易な統合： VCSELのコンパクトな設計は、様々な電子機器やシステムにシームレスに統合できます。その小型フォームファクタは、スペースが限られた用途に適しており、小型電子機器の開発を促進します。このコンパクトさにより、VCSELはスマートフォンからウェアラブルまで、幅広いデバイスに性能を損なうことなく容易に組み込むことができます。高い機能性を維持しながら狭いスペースに収まるというVCSELの能力は、現代の高密度電子機器の設計において重要な利点です。
• 高い信頼性と長寿命： VCSELは、その卓越した信頼性と長寿命で知られています。長期間にわたって安定した性能を発揮するため、頻繁なメンテナンスなしで安定した動作が求められるミッションクリティカルなアプリケーションに最適です。

2. 制限事項

• 熱および電力処理の課題：VCSELは動作中に熱を発生する傾向があり、性能と信頼性に若干の影響を与える可能性があります。熱劣化を防ぎ、レーザーの最適な性能を維持するには、発生する熱を効果的に管理し、適切な放熱を確保することが不可欠です。これには、VCSELを安全な動作温度に保つための高度な冷却技術や熱管理ソリューションの導入が含まれます。さらに、VCSELは潜在的な熱問題により高出力アプリケーションでの動作に制限が生じる可能性があり、適切に対処しないと効率と寿命に影響を及ぼす可能性があります。
• 製造の複雑さとコスト：VCSELの製造プロセスは複雑でコストが高く、専門的な知識と高度な半導体製造技術が求められます。この複雑さには、精密な層堆積、フォトリソグラフィー、エッチングプロセスなどが含まれており、これらが全体的なコストの増加に寄与しています。その結果、VCSELは他のレーザー技術と比較して製造コストが高くなる可能性があります。しかしながら、より効率的な製造方法や規模の経済性の開発など、製造プロセスの分野では継続的に進歩が見られ、これらのコストは徐々に削減され、VCSEL技術はより利用しやすくなっています。

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VCSELは優れた利点を提供する一方で、私たちはVCSELが直面する課題も理解しています。熱と電力の取り扱いに関する考慮は極めて重要であり、私たちは継続的な研究開発を通じてこれらの課題の解決に尽力しています。また、製造プロセスの改善にも積極的に取り組むことで、品質と性能を損なうことなく、コスト効率の高いVCSELソリューションを実現しています。

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次のブログでは、  VCSELのアプリケーションについてさらに詳しくご紹介します。Inphenixの 最新情報をぜひお見逃しなく 。

Inphenixは、米国カリフォルニア州に本社を置くレーザーおよび光源製造会社です。分布帰還型レーザー（DFB）、スーパールミネッセントダイオード（SLD）、ファブリペローレーザー、スウェプトソースレーザー、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）など、幅広い先進的な光学デバイス、レーザー、光源の開発を専門としています。これらの製品は、通信、医療用画像処理、センシング用途など、様々な業界の高性能ニーズを満たすように設計されています。Inphenixは、光学技術分野における革新性と品質への取り組みで高く評価されています。