VCSEL（面発光レーザ）の基礎と性能改善および応用技術

VCSEL（面発光レーザ）とは

VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）は、面発光型の半導体レーザーの一種です。
その名前の通り、垂直方向に発光する構造を持ち、端面から発光する従来の半導体レーザーとは異なる特徴を持っています。
VCSELは通信、センサー、計測機器、自動車、そして近年ではデータセンターなど、多くの分野で使用されています。

VCSELの特徴と優位性

VCSELの最大の特徴は、その垂直方向への発光特性にあります。
この構造により、効率的な光カップリングと省スペース化が可能です。
そして、何よりコスト面での優位性があります。

製造コストの低減

VCSELはウエハー上で一括して作製できるため、製造プロセスが簡略化され、コスト削減につながります。
さらに、ウエハーレベルでのテストが可能であり、不良品の早期発見と除去が実現します。

発光強度と波長のばらつきの少なさ

VCSELは発光波長が狭く、高いモードの一貫性を持ちます。
これにより、高精度なセンシングや高速通信に対応可能です。

省エネルギーと耐久性

VCSELの動作電圧が低いことと、耐久性が高いことから、長時間使用に耐えることが可能です。
LEDに比べても、省エネルギーであり環境負荷の低減に寄与します。

VCSELの性能改善のための技術

VCSELの性能を向上させるために、様々な技術が開発されています。

DBRミラーの最適化

VCSELはDBR（Distributed Bragg Reflectors）ミラーを使用して光を共振させます。
このDBRミラーの設計を最適化することで、反射率を高め、発光エネルギーを効率良く増加させることができます。

活性領域の材料改善

活性領域の材料改良は、VCSELの電流注入効率や発光強度に直接的な影響を与えます。
特にGaAsやInPの利用により、低しきい電流での動作が可能になり、さらなる省電力化が期待できます。

温度特性の向上

VCSELは温度変動に敏感であるため、温度特性を改善する技術が重要です。
特に、多層化構造や熱伝導率の高い材料の導入によって、動作温度範囲の拡大が求められています。

VCSELの応用技術

VCSELはその特性を活かし、様々な分野で活躍しています。

光通信技術

データセンターや通信インフラにおいて、VCSELは高速かつ大量のデータ通信を可能にする光源として利用されています。
特に、シングルモードVCSELは長距離の通信においても安定した性能を発揮します。

センサ技術

VCSELはToF（Time of Flight）センサーやレーザーセンサーなどに応用され、自動車の衝突回避システムやスマートフォンの顔認証技術に利用されています。
また、高精度な距離測定が可能であり、製造業の工程管理にも役立っています。

ディスプレイ技術

ディスプレイ用のプロジェクタの光源として半導体レーザーを用いるケースが増えており、VCSELの採用が進んでいます。
その小型化と高出力特性により、家庭用から業務用まで幅広い用途での利用が見込まれています。

製造業への影響とVCSELの未来

VCSELは製造業に多大な影響を及ぼしています。その効率性と導入コストの低さから、新たな製造プロセスの構築が進んでいます。
特に自動化技術においては、VCSELを利用したセンサー技術が工程管理の精度向上に貢献しています。

今後もVCSELの技術進化は続くでしょう。新材料の開発や製造プロセスの高度化により、さらなる性能向上が期待されます。
また、これまで以上に多様な応用分野での活躍が予想され、製造業における一層の効率化が進むことでしょう。