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'''VCSEL'''（ヴィクセル）とは，面発光レーザー(Surface Emitting Laser)のこと。VCSELはVertical Cavity Surface Emitting Laser（垂直共振器型面発光レーザー）の略称で、[[半導体レーザー]] の一種，製造個数は10億個を超え最多である。
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　端面発光型半導体レーザーとは異なり、上面から垂直にレーザービームを放射する半導体レーザーである。レーザーデバイスそのものは数μm以下と小さいが，図１のように大規模な2次元アレイ状に出来るなどの多くの特徴がある。21世紀に入って，LAN，コンピューターマウス、レーザープリンターなどの応用が始まった。
'''垂直共振器型面発光レーザー'''（せういちょくきょうしんきがためんはっこうレーザー、{{lang-en-short|Vertical Cavity Surface Emitting Laser}}）または'''VCSEL'''（ヴィクセル）は、[[半導体レーザー]]の一種である。端面発光型半導体レーザーとは異なり、上面から垂直にレーザービームを放射する。レーザー装置そのものは数マイクロメートル以下と小さいが，図1のように大規模な2次元アレイ状に出来るなどの多くの特徴がある。[[マウス (コンピュータ)|コンピューターマウス]]、[[光通信]]、[[レーザープリンター]]、[[Face ID]]、[[スマートグラス]]など様々な製品に使用されている。


== VCSELの特長と応用分野 ==
== VCSELの特長と応用分野 ==
[[ファイル:A sketch of surface emitting laser.png|代替文=ノートの手書きスケッチです。|サムネイル|図２　面発光レーザーのアイデア（1977伊賀健一による）[1977IGA][2018IGA]]]
[[ファイル:A sketch of surface emitting laser.png|代替文=ノートの手書きスケッチです。|サムネイル|図2 面発光レーザーのアイデア（1977伊賀健一による）<ref name="1977IGA">伊賀健一、研究ノート、1977年3月22日。</ref><ref name="2018IGA">{{cite journal|author=K. Iga|title=Forty years of VCSEL: Invention and innovation|journal= Jpn J. Appl. Phys. |volume= 57|issue= 8S2|pages= 1-7|year=2018|doi=10.7567/JJAP.57.08PA01}}</ref>]]
一般的に半導体レーザーは基板面と平行方向に光を共振させその方向に光を出射させる。一方で、面発光レーザーは[[伊賀健一]]（[[東京工業大学]]）により提案された図２のような方式で，図の３のように反射鏡に半導体もしくは誘電体の積層構造から成る高反射DBR（Distributed Bragg Reflector)を用いることにより、基板面に対して垂直方向に光を共振させ面と垂直方向に出射させる。[[ファイル:VCSELの構造図.png|代替文=カラーの立体図です。|サムネイル|図３　VCSELの構造[2020IGAc]]]　その構造から、製造工程では基板を[[へき開]]せずとも共振器の形成やレーザ特性の検査が可能であり、大量生産に向いている、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能、2次元アレーにできる点などの特長を持つ。加えて、[[しきい値電流]]が小さいためシステムの消費電力が小さい、低電流でも高速変調が可能、温度変化に対する特性変化の幅が少なく温度制御装置が簡易化できるなど利点が多い。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、コンピュータマウス、レーザプリンター、光インターコネクトなどに応用が広がっている。2018年ごろから，スマートフォンの3次元顔認識，レーザーレーダー（LiDAR)，高出力アレイによるレーザー加工，OCTなどの光センシングに広がりを見せている。
一般的に半導体レーザーは基板面と平行方向に光を共振させその方向に光を出射させる。一方で、面発光レーザーは伊賀健一（[[東京工業大学]]）により提案された図2のような方式で、図3のように反射鏡に半導体もしくは誘電体の積層構造から成る高反射DBR（Distributed Bragg Reflector）を用いることにより、基板面に対して垂直方向に光を共振させ面と垂直方向に出射させる。
[[ファイル:VCSELの構造図.png|代替文=カラーの立体図です。|サムネイル|図3 VCSELの構造<ref name="2020IGAc">{{cite book|和書|title=面発光レーザーの原理と応用システム|author=伊賀健一、波多腰玄一|publisher=アドコム・メディア|year=2020|url=https://contendo.jp/store/contendo/Product/Detail/Code/J0010425BK0101116001/}} CODE: J0010425BK0101116001</ref>]]
その構造から、製造工程では基板を[[へき開]]せずとも共振器の形成やレーザ特性の検査が可能であり、大量生産に向いている、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能、2次元アレーにできる点などの特長を持つ。加えて、[[しきい値電流]]が小さいためシステムの消費電力が小さい、低電流でも高速変調が可能、温度変化に対する特性変化の幅が少なく温度制御装置が簡易化できるなど利点が多い。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、コンピュータマウス、レーザプリンター、光インターコネクトなどに応用が広がっている。2018年ごろから、スマートフォンの3次元顔認識、レーザーレーダー（LiDAR)、高出力アレイによるレーザー加工、OCTなどの光センシングに広がりを見せている。


== 研究の歴史 ==
== 研究の歴史 ==


=== 発明とその動機 ===
=== 発明とその動機 ===
　東京工業大学の[[伊賀健一]]が，1977年3月22日にこのデバイスを発明したことが認められている[2013MIC]<2> 。この名前は'''面発光レーザー(Surface Emitting Laser)'''と付けられた[1977IGA] [1978IGA] [1980IGA] 。この発明の動機は以下であったという[2020IGAc]。
伊賀健一が、1977年3月22日にこのデバイスを発明したことが認められている<ref name="2013MIC">{{cite book|editor=Michalzik R. (Ed)|title=VCSELs: A Research Review|series= Springer Series in Optical Sciences|volume= 166|pages=3-642|doi= 10.1007/978-3-642-24986-0_1|year= 2013}}</ref>。本技術は'''面発光レーザー''' (Surface Emitting Laser) と付けられた<ref name="1977IGA"/><ref name="1978IGA">{{cite journal|author=K. Iga, and Y. Takahashi|title=An Analysis on Single Wavelength Oscillation of Semiconductor Laser at High Speed Pulse Modulation|journal= Trans. IECE Japan|volume= E61|issue= 9|pages= 68-72|year= 1978|url=https://search.ieice.org/bin/summary.php?id=e61-e_9_685&category=E&year=1978&lang=E&abst=}}</ref><ref name="1980IGA">{{Cite patent | inventor = 伊賀健一、末松安晴、岸野克己、雙田晴久 | title = 面発光形半導体レ－ザ  | issue-date = 1980-01-09 | number = 特開昭56-98888号（特公平1-56547号）|url=https://www.j-platpat.inpit.go.jp/c1800/PU/JP-S56-098888/1CDEC763550E532237C78F1411B68FBF6861807AE94D734D6BE4BF76585EB693/11/ja}}</ref>。この発明の動機は以下であったという<ref name="2020IGAc"/>。


面発光レーザーの設定3条件:
# 製作をモノリシックに行えること。つまり、シリコン[[集積回路|LSI]]のように半導体ウエハ上に、結晶成長、エッチング、酸化、絶縁、電極付けなどを一連のプロセスでおこなえる。
# 発振波長を単一にする。そのためには、50マイクロメートル以下の短共振器が適切であることを、伊賀は1976年の半導体レーザー国際会議で発表している<ref name="1978IGAb">{{cite conference|author=K. Iga, T. Kambayashi, C. Kitahara|title=Surface-emitting GaInAsP / InP laser (I)| conference =25th Joint Conference on Applied Physics| location= Musashi Institute of Technology| id= 27-p-11|pages= 63|date=1978-03-27}}</ref>。
# 発振波長の再現性が確保できる。製造過程において，設計した波長でレーザーを実現できる。


なお、[[マサチューセッツ工科大学]]（MIT）のIvars Melngailisによって面から発光するレーザーが1965年に発表されているが<ref>{{cite journal|title=LONGITUDINAL INJECTION‐PLASMA LASER OF InSb|journal=Appl. Phys. Lett. |volume=6|issue=3|pages= 59|year=1965|doi=10.1063/1.1754164|author=Ivars Melngailis}}</ref>、これは当時まだへき開技術が成熟しておらず、研磨などによって反射鏡を作るという方法の一つとしてつくられたものであろう。バルク状の半導体で、強磁場、極低温、長い共振器で試されたもので、先の3条件を目的としたものとは異なる。また、その後の発展は認められていない。
'''＜面発光レーザーの設定三条件＞'''


面発光レーザーは1987年になって、高密度ディスプレイを形成する画像セルを意味する「ピクセル（pixel)」に倣って、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）と名付けられた<ref name="1987CHR">{{cite book|author=Christensen, D. H.; Barnes, F. S. |chapter=Vertical Cavity Surface Emitting Laser in Molecular Beam Epitaxial GaAs/AlGaAs using a Multilayer Dielectric Mirror|title=Topical Meeting on Semiconductor Lasers, Technical Digest, Optical Society of America|volume= 6|number= WA7-1|isbn=0-936659-39-4}}|month=2|year=1987}}</ref>。それは、水平型のファブリ-ペロレーザーの光を面方向に出射させるため、45°反射鏡型や二次[[回折格子]]を用いる方法が出て、区別するための目的であったが、他は廃れてしまった。
* ① 製作をモノリシックに行えること。つまり，シリコンLSIのように半導体ウエハ上に，結晶成長，エッチング，酸化，絶縁，電極付けなどを一連のプロセスでおこなえる。
* ② 発振波長を単一にする。そのためには，50μm以下の短共振器が適切であることを，発明者は1976年の半導体レーザー国際会議で発表している[1978IGA]。
* ③ 発振波長の再現性が確保できる。製造過程において，設計した波長でレーザーを実現できる。

　なお，MITのI. Melngailisによって面から発光するレーザーが1965年に発表されているが[1988IGA]，これは当時まだへき開技術が成熟しておらず，研磨などによって反射鏡を作るという方法の一つとしてつくられたものであろう。バルク状の半導体で，強磁場，極低温，長い共振器で試されたもので，先の3条件を目的としたものとは異なる。また，その後の発展は認めらていない。

　面発光レーザーは1987年になって，高密度ディスプレイを形成する画像セルを意味する「ピクセル（pixel)」に倣って、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）として名付けられた[1987CHR]。それは，水平型のファブリ-ペロレーザーの光を面方向に出射させるため，45°反射鏡型や２次回折格子を用いる方法が出て，区別するための目的であったが，他は廃れてしまった。


=== 初期のデバイス ===
=== 初期のデバイス ===
[[ファイル:最初の面発光レーザー.jpg|代替文=面発光レーザーの断面を示した図。|サムネイル|図４　1979年に製作された最初の電流注入による面発光レーザー[1979SOD]。]]
[[ファイル:最初の面発光レーザー.jpg|代替文=面発光レーザーの断面を示した図。|サムネイル|図4 1979年に製作された最初の電流注入による面発光レーザー<ref name="1979SOD">{{cite journal|author=H. Soda, K. Iga, C. Kitahara, and Y. Suematsu|title=GaInAsP/InP surface emitting injection lasers|journal=Jpn. J. Appl. Phys.|volume= 18|issue= 12|pages=2329-2330 |year=1979|doi=10.1143/JJAP.18.2329}}</ref>。]]
　最初の段階では、この新しいデバイスを実現するために克服しなければならない多くの技術的課題があったとされる[2000IGA]。主な課題は、比較的小さい光学利得、全体的な反射鏡品質、および効率的な電流注入法であった。最初のデバイスは、図４二示すような活性領域にGalnAsP-InP材料を使用して1979年に実現された[1979SOD]。 VCSELは1300nmの波長で動作し、デバイスの概略断面図を示す。GaInAsPを活性層とする二重ヘテロ構造を使用したこのVCSELは、InP基板上に成長させている。円形電極から電流を注入することで発光し、基板の上下に金属反射板を形成して共振器を形成する。パルス電流で駆動され、液体窒素を使用して77Kに冷却された。 800mAでレーザー発振した。スペクトルを取得することが可能であり、レーザー発振を示すほどに狭かった。初期の試みで，しきい値は非常に高く通常のレーザーの20倍以上であった。
最初の段階では、この新しいデバイスを実現するために克服しなければならない多くの技術的課題があったとされる<ref name="2000IGA">{{cite journal|author=K. Iga|title=Surface emitting laser-its birth and generation of new optoelectronic fields|journal=IEEE J. Select. Top. Quantum Electron.|volume=6|issue= 6|pages= 1201-1215|year=2000|doi=10.1109/2944.902168}}</ref>。主な課題は、比較的小さい光学利得、全体的な反射鏡品質、および効率的な電流注入法であった。最初のデバイスは、図4に示すような活性領域にGalnAsP-InP材料を使用して1979年に実現された<ref name="1979SOD"/>。VCSELは1300ナノメートルの波長で動作し、デバイスの概略断面図を示す。GaInAsPを活性層とする二重ヘテロ構造を使用したこのVCSELは、InP基板上に成長させている。円形電極から電流を注入することで発光し、基板の上下に金属反射板を形成して共振器を形成する。パルス電流で駆動され、液体窒素を使用して77{{nbsp}}[[ケルビン|K]]に冷却された。800{{nbsp}}[[アンペア|mA]]でレーザー発振した。スペクトルを取得することが可能であり、レーザー発振を示すほどに狭かった。初期の試みで、しきい値は非常に高く通常のレーザーの20倍以上であった。
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=== 室温連続動作へ ===
=== 室温連続動作へ ===
1982年、伊賀らは長さ10μmの共振器を備えたVCSELを作成し、明確なVCSEL発振を確認した[1982MOT]。伊賀のグループは、液相エピタキシー（LPE）を使用して6mAしきい値GaAsデバイスを備えた埋め込み閉じ込めVCSELを作成した[1987IGA]。大きな進歩は、1988年に伊賀と小山（同じく東京工業大学）がGaAs基板上で波長820 nmの室温（RT）で連続波（CW）動作を達成したことであろう[1988KOY] 。デバイスの構造を図５に示した。デバイスは有機金属化学気相成長法（MOCVD）によって成長させている。この成果により、VCSELのグローバルな研究開発は加速した。また，1988年の半導体DBRのコンセプト[1988SAK]とVCSELへの多重量子井戸の導入[1989UEN]は、後年のVCSELの性能改善に貢献した。
1982年、伊賀らは長さ10マイクロメートルの共振器を備えたVCSELを作成し、明確なVCSEL発振を確認した<ref name="1982MOT">{{cite journal|author=Y. Motegi, H. Soda, and K. Iga|title=Surface emitting GaInAsP/InP injection laser with short cavity length|journal=Electron. Lett.|volume= 18|issue= 11|pages= 461-463|year=1982|doi=10.1049/el:19820314 }}</ref>。伊賀のグループは、[[エピタキシャル成長|液相エピタキシー]]（LPE）を使用して6{{nbsp}}mAしきい値GaAsデバイスを備えた埋め込み閉じ込めVCSELを作成した<ref name="1987IGA">{{cite journal|author=K. Iga, S. Kinoshita, and F. Koyama|title=Microcavity GaAlAs/GaAs surface-emitting laser with ''I''<sub>th</sub>=6 mA|journal=Electron. Lett.|volume= 23|issue= 3|pages= 134-136|year=1987|doi=10.1049/el:19870095}}</ref>。大きな進歩は、1988年に伊賀と小山（同じく東京工業大学）がGaAs基板上で波長820{{nbsp}}nmの室温で連続波（CW）動作を達成したことであろう<ref name="1988KOY">{{cite journal|author=F. Koyama, S. Kinoshita, and K. Iga|title=Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser|journal=Trans. IEICE|volume= E71|issue= 11|pages= 1089-1090 |year=1988|url=https://search.ieice.org/bin/summary.php?id=e71-e_11_1089}}</ref>。デバイスの構造を図5に示した。デバイスは有機金属化学気相成長法（MOCVD）によって成長させている。この成果により、VCSELの世界的な研究開発は加速した。また、1988年の半導体DBRのコンセプト<ref name="1988SAK">{{cite journal|author=T. Sakaguchi, F. Koyama, and K. Iga|title=Vertical Cavity Surface-Emitting Laser with an AlGaAs/AlAs Bragg Reflector|journal= Electron. Lett.|volume= 24|issue= 15|pages= 928-929|year=1988|doi= 10.1049/el:19880632 }}</ref>とVCSELへの多重量子井戸の導入<ref name="1989UEN">{{cite journal|author=H. Uenohara, F. Koyama, and K. Iga|title=Application of the multi-quantum well (MQW) to a surface emitting laser|journal= Jpn. J. Appl. Phys.|volume= 28|issue= 4|pages= 740-741|year=1989|doi=10.1143/JJAP.28.740}}</ref>は、後年のVCSELの性能改善に貢献した。


　VCSELの連続室温動作は、1989年にベル研究所のJack Jewellとその同僚によっても達成された（図６）[1989JEW] [1989LEE]。同じ頃，量子井戸の位置に共振点を一致させる概念は、Larry Coldrenとその同僚により提案され，後のしきい値の削減に貢献した[1989COR] [1991GEE]。
VCSELの連続室温動作は、1989年に[[ベル研究所]]のJack Jewellとその同僚によっても達成された（図6）<ref name="1989JEW">{{cite journal|author=J. L. Jewell, S. L. McCall, A. Scherer, H. H. Houh, N. A. Whitaker, A. C. Gossard, and J. H. English|title=Transverse modes, waveguide dispersion and 30 ps recovery in submicron GaAs/AlAs micro-resonators|journal= Appl. Phys. Lett. |volume= 55|issue= 1|pages=22-24 |year=1989|doi=10.1063/1.101746}}</ref><ref name="1989LEE">{{cite journal|author=Y. H. Lee, J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, J. P. Harbison, and L. T. Florez|title=Room-temperature continuous-wave vertical-cavity single-quantum-well micro-laser diodes|journal=Electron. Lett.|volume= 25|issue= 20|pages=1377-1378 |year=1989|doi= 10.1049/el:19890921|url=https://authors.library.caltech.edu/452/}}</ref>。同じ頃，量子井戸の位置に共振点を一致させる概念は、Larry Coldrenとその同僚により提案され，後のしきい値の削減に貢献した<ref name="1989COR">{{cite journal|author=S. W. Corzine, R. S. Geels, R. H. Yan, J. W. Scott, and L. A. Coldren|title=Efficient, narrow-linewidth distributed-Bragg reflector surface emitting laser with periodic gain|journal= Photo. Tech. Lett.|volume=1|issue= 3|pages= 52-54 |year=1989|doi=10.1109/68.87894}}</ref><ref name="1991GEE">{{cite journal|author=R. S. Geels, and L. A. Coldren|title=Sub-milliamp threshold vertical-cavity laser diodes|journal= Appl. Phys. Lett.|volume= 57|pages= 1605-1607|year=1991|doi=10.1063/1.103361}}</ref>。


=== 開発競争 ===
=== 開発競争 ===
[[ファイル:VCSELのモデルです。.png|代替文=実際に近いモデル。|サムネイル|図7 VCSELのモデル断面を示す。]]
　1991〜 2000年では、VCSEL研究の拡大、成長技術の進歩、およびデータ通信における新たな応用のニーズが増してきた。最初の米国DARPAの資金提供は、JSFプログラムによって推進された。オプトエレクトロニクスのための3つのセンターが大学で開始され， Honeywell、Motorola、およびHP等は、業界のプログラムに取り組んでいる主要企業で
1991年から2000年では、VCSEL研究の拡大、成長技術の進歩、およびデータ通信における新たな応用のニーズが増してきた。最初の米国[[国防高等研究計画局]]（DARPA）の資金提供は、JSFプログラムによって推進された。オプトエレクトロニクスのための3つのセンターが大学で開始され、[[ハネウェル]]、[[モトローラ]]、および[[ヒューレット・パッカード]]等は、業界のプログラムに取り組んでいる主要企業で、重点を置いている分野には、大量生産技術<ref name="1995MOR">{{cite book|author=R. A. Morgan|chapter=High-performance, producible vertical-cavity lasers for optical interconnect|title= Current trends in vertical cavity surface emitting lasers|editor= T. P. Lee Ed.|publisher= World Scientific|pages=65-95 |year=1995|doi=10.1142/2774 |isbn=978-981-02-2288-8}}</ref>、しきい値電流低減<ref name="1992WIP">{{cite conference|author=T. Wipiejewski, K. Panzlaf, E. Zeeb, and K. J. Ebeling|title=Sub-milliamp vertical cavity laser diode structure with 2.2 nm continuous tuning|conference= 18th European Conf. Opt. Comm. '1992|number= PD II-4|month=9 |year= 1992}}</ref><ref name="1991GEE"/><ref name="1995HAY">{{cite journal|author=Y. Hayashi, T. Mukaihara, N. Hatori, Ohnoki, A. Matsutani, F. Koyama, and K. Iga|title=Record low-threshold index-guided InGaAs/GaAlAs vertical-cavity surface-emitting laser with a native oxide confinement structure|journal=Electron. Lett.|volume= 31|issue= 7|pages= 560-561|year=1995|doi=10.1049/el:19950391 }}</ref>、横モード制御、酸化<ref name="1990DAL">{{cite journal|author=J. M. Dallesasse, N. Holonyak Jr., A. R. Sugg, T. A. Richard, and N. El-Zein||title=Hydrolyzation-oxidation of Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As-AlAs-GaAs quantum well heterostructures and superlattices|journal=Appl. Phys. Lett.|volume= 57|issue=26|pages= 2844-2846 |year=1990|doi=10.1063/1.103759}}</ref><ref name="1997CRA">{{cite book|author=M. H. Crawford, K. D. Choquette, R. J. Hickman, and K. M. Geib|chapter=Performances of selective oxidized AlGaInP-based visible VCSELs|title= OSA Trends in optics and Photonics (Advances in Vertical Cavity Surface Emitting Laser|editor= Ed. C. Chang-Hasnain|volume= TOPS15|pages=112-117 |year=1997|isbn= 1557525005}}</ref>、偏波制御、波長掃引VCSEL<ref name="1992YOK">{{cite journal|author=N. Yokouchi, T. Miyamoto, T, Uchida, Y, Inaba, F. Koyama, and K. Iga|title=40 Å continuous tuning of a GaInAsP/InP vertical-cavity surface-emitting laser using an external mirror|journal=IEEE Photon. Technol. Lett.|volume= 4|issue= 7|pages= 701-703|year=1992|doi=10.1109/68.145243}}</ref>、MEMSが含まれる<ref name="1995WU">{{cite journal|author=M. S. Wu, E. C. Vail, G. S. Li, W. Yuen, and C. J. Chang-Hasnain|title=Tunable micromachined vertical cavity surface emitting laser|journal=Electron. Lett.|volume= 31|issue= 19|pages=1671-1672|year=1995|doi=10.1049/el:19951159 }}</ref>。2Dアレイ<ref name="1990HO">{{cite journal|author=E. Ho, F. Koyama, and K. Iga|title=Effective reflectivity from self-imaging in a Talbot cavity and its effect on the threshold of a finite 2-D surface emitting laser array|journal=Appl. Opt.|volume= 29|issue= 34|pages= 5080-5085 |year=1990|pmid=20577514|doi= 10.1364/AO.29.005080}}</ref>、高速および高出力VCSEL、連続動作のInPベースのデバイス<ref name="1993BAB">{{cite journal|author=T. Baba, Y. Yogo, K. Suzuki, F. Koyama, and K. Iga|title=Near room temperature continuous wave lasing characteristics of GalnAsP/lnP surface emitting laser|journal= Electron. Lett.|volume= 29|issue= 10|pages= 913-914|year=1993|doi=10.1049/el:19930609}}</ref>、量子井戸VCSELなども。これらは、VCSEL大量生産への加速期であり、多くの技術的および製造上の進歩があった。図7に，実際に近いVCSELの層構造を示す。
[[ファイル:VCSELのモデルです。.png|代替文=実際に近いモデル。|サムネイル|図７　VCSELのモデル断面を示す。（en.wikipedia.org VCSELによる。<3>）]]
　重点を置いている分野には、大量生産技術[1995MOR]、しきい値電流低減[1992WIP] [1991GEE] 1995HAY]、横モード制御、酸化[1990DAL] [1997CRA]、偏波制御、波長掃引VCSEL [1992YOK]、MEMSが含まれる[1995WU]。 2Dアレイ[1990HO]、高速および高出力VCSEL、連続動作のInPベースのデバイス[1993BAB]、量子井戸VCSELなども。これらは、VCSEL大量生産への加速期であり、多くの技術的および製造上の進歩があった。図7に，実際に近いVCSELの層構造を示す<3>。


== 応用の広がり ==
== 応用の広がり ==
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=== 応用の拡大 ===
=== 応用の拡大 ===
最初にも記述されているように，2000年からの商用化は，LAN，コンピューターマウス，レーザープリンターなどで拡大した。2000年にVCSELレビュー論文が出版され[2000IGA][2000TOW]，｢そのサイズ、製造可能性、および電子機器の異種統合の潜在的な容易さは、さまざまな応用を広げる」と表現している。そして，米国の第2次とも言うべきDARPAの研究投資が行われた。2000年以降の10年間では、高出力VCSELアレイ、高コントラストグレーティング、アサーマルVCSEL、結合共振器VCSEL、VCSELベースのスローライト光導波路デバイス、多波長VCSEL / WDM [1991CHA]、量子ドットVCSEL、高帯域幅 VCSEL（> 20 GHz）などのVCSEL技術の高度化が進んだ。
冒頭部にも記述されているように、2000年からの商用化は、LAN、コンピューターマウス、レーザープリンターなどで拡大した。2000年にVCSELに関する総説論文が出版され<ref name="2000IGA"/><ref name="2000TOW">{{cite journal|author=E. Towe, R. F. Leheny, and A. Yang|year= 2000|title=A historical perspective of the development of the vertical-cavity surface-emitting laser|journal=IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics|volume= 6|issue= 6|pages= 1458–1464|doi=10.1109/2944.902201}}</ref>、「そのサイズ、製造可能性、および電子機器の異種統合の潜在的な容易さは、さまざまな応用を広げる」と述べられている。そして、米国の第2次とも言うべきDARPAの研究投資が行われた。2000年以降の10年間では、高出力VCSELアレイ、高コントラストグレーティング、アサーマルVCSEL、結合共振器VCSEL、VCSELベースのスローライト光導波路デバイス、多波長VCSEL/WDM<ref name="1991CHA">{{cite journal|author=C. J. Chang-Hasnain, J. P. Harbison, C. E. Zah, M. W. Maeda, L. T. Florez, N. G. Stoffel, and T. P. Lee|title=Multiple wavelength tunable surface-emitting laser arrays|journal=IEEE J, Quantum Electron.|volume=27|issue= 6|pages= 1368-1376 |year=1991|doi=10.1109/3.89953}}</ref>、量子ドットVCSEL、高帯域幅VCSEL（>{{nbsp}}20{{nbsp}}GHz）などのVCSEL技術の高度化が進んだ。


VCSELは大きさを活性層や光のモードサイズを変えるだけで，単一モードと多モードの動作をさせることが出来る。図８に示すように，直径が２μm程度では単一モード動作で，干渉応用に使われるが出力が３mW程度に限られる。８μm以上だと多モードデバイスとなり，出力も数ｍW以上が得られる。干渉による雑音を抑える応用に使用される。ほとんどのマーケットが多モードと言ってよい。
VCSELは大きさを活性層や光のモードサイズを変えるだけで、単一モードと多モードの動作をさせることが出来る。図8に示すように、直径が2マイクロメートル程度では単一モード動作で、干渉応用に使われるが出力が3{{nbsp}}[[ワット|mW]]程度に限られる。8マイクロメートル以上だと多モードデバイスとなり，出力も数mW以上が得られる。干渉による雑音を抑える応用に使用される。ほとんどの市場が多モードと言ってよい。


=== 産業化へ ===
=== 産業化へ ===
2010年以降、VCSELはさまざまな光システムに適用され、産業として拡大している（図9）。主な分野を以下に列挙している。6インチ基板のGaAsウエハが年間10000枚以上で，2020年の市場規模は90億米ドルと言われる。


* 光通信（インターネット用LAN、光インターコネクト用のアクティブ光ケーブル〈AOC〉など）
2010年以降，VCSELはさまざまな光システムに適用され，産業として拡大している(図９）。主な分野は以下である。6インチ基板のGaAsウエハが年間10000枚以上で，2020年のマーケットサイズは９B$と言われる
* 光センシング（マウス、3D顔認証、LiDAR、{{仮リンク|光干渉断層撮影法|en|Optical Coherence Tomography}}〈OCT〉、ガスセンシング、[[原子時計]]など）

* 光通信（インターネット用LAN,　光インターコネクト用のAOCなど），
* 高出力アレイ応用（プリンター、赤外加熱、加工など）
* 光センシング（マウス，３D顔認証，LiDAR,　OCT，ガスセンシング，原子時計など），
* 高出力アレイ応用（プリンター，赤外加熱，加工など）である。


== 面発光レーザー発展のマイルストーン ==
== 面発光レーザー発展のマイルストーン ==
　面発光レーザー研究開発の進展をたどったのが，下記のマイルストーン表である[2020IGAc]。
面発光レーザー研究開発の進展をたどったのが、下記のマイルストーン表である<ref name="2020IGAc"/>。
表１　面発光レーザーの研究開発に関する主なできごと
*1977 　東京工業大学の伊賀健一により考案される[1977IGA][1978IGA][2020IGA].
*1979        最初の電流注入VCSEL (77 K, pulsed) [1979SOD]
*1987 ''     '' 6 mA VCSEL 実現[1987IGA]
*1987       VCSEL と呼称 [1987CHR]
*1988       最初の RT CW [1988KOY]
*1988       半導体 DBR [1988SAK]
*1989        QW VCSEL [1989UEN]
*1989        Micro-post QW レーザー RT CW (Bell Labs.) [1989JEW][1989LEE]
*1989        Periodic gain 提案(UCSB)
*1990        AlGaAs 酸化法 (U. '''I'''llinois)
*1992        VCSEL 機械的波長掃引法 [1992YOK]
*1995-     低しきい値化の競争 I<sub>th</sub> <0.1 mA
*1995        MEMS 波長掃引 VCSEL (USB) [1995WU ]
*1996        プロトン注入VCSELで商用化 (Honeywell)
*1999       VCSEL LAN 2000        
*1999　　酸化狭窄VCSELの信頼性評価
*2001       VCSEL プリンター (Fuji Xerox, Ricoh)
*2001        コンピューターマウス (HP)
*2002        10G Ethernet 標準化 IEEE802.3ae
*2003        4Gb/s VCSELs (Honeywell)
*2006        High contrast grating （HCG) VCSEL (UCB)
*2010        100G Ethernet 標準化 IEEE802.3ba
*2016       センシング用VCSELアレイ
*2016        VCSEL WDMデータコム
*2018        VCSEL 3D-センサー (i-Phone X)
*2018        400G AOC (Finisar/II-VI)
*2020        LiDAR (iPhone 12 Pro, iPad Pro 11"/12")
*2021-       VCSEL 大量生産へ [2020WAN][2020APP][2020HAS]  


*1977年 - 東京工業大学の伊賀健一により考案された<ref name="1977IGA"/><ref name="1978IGA"/><ref name="2020IGAc"/>
== 参考文献 ==
*1979年 - 最初の電流注入VCSEL (77 K, pulsed) <ref name="1979SOD"/>
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*1987年 - 6 mA VCSEL実現<ref name="1987IGA"/>
*1987年 - VCSELと呼称<ref name="1987CHR"/>
*1988年 - 最初の室温CW<ref name="1988KOY"/>
*1988年 - 半導体DBR<ref name="1988SAK"/>
*1989年 - QW VCSEL<ref name="1989UEN"/>
*1989年 - Micro-post QW レーザーRT CW（[[ベル研究所]]）<ref name="1989JEW"/><ref name="1989LEE"/>
*1989年 - Periodic gain提案（[[カリフォルニア大学サンタバーバラ校]]）
*1990年 - AlGaAs酸化法（[[イリノイ大学]]）
*1992年 - VCSEL機械的波長掃引法<ref name="1992YOK"/>
*1995年-  低しきい値化の競争I<sub>th</sub> < 0.1 mA
*1995年 - MEMS波長掃引VCSEL (USB) <ref name="1995WU"/>
*1996年 - プロトン注入VCSELで商用化（[[ハネウェル]]）
*1999年 - VCSEL LAN 2000  
*1999年 - 酸化狭窄VCSELの信頼性評価
*2001年 - VCSELプリンター（[[富士フイルムビジネスイノベーション|富士ゼロックス]]、[[リコー]]）
*2001年 - コンピューターマウス（[[ヒューレット・パッカード]]）
*2002年 - 10G Ethernet標準化IEEE802.3ae
*2003年 - 4Gb/s VCSELs（[[ハネウェル]]）
*2006年 - High contrast grating（HCG) VCSEL (UCB)
*2010年 - 100G Ethernet 標準化 IEEE802.3ba
*2016年 - センシング用VCSELアレイ
*2016年 - VCSEL WDMデータコム
*2018年 - VCSEL 3D-センサー ([[iPhone X]])
*2018年 - 400G AOC（{{仮リンク|フィニサー|en| Finisar}}/II-VI）
*2020年 - LiDAR（[[iPhone 12 Pro]]、[[iPad Pro]] 11"/12"）
*2021年 - VCSEL大量生産へ<ref name="2020WAN">{{cite journal|author=Wang B., W. V. Sorin, P. Rosenberg, L. Kiyama, S. Mathai, and M. R. T. Tan|title=4x112 Gbps/Fiber CWDM VCSEL arrays for co-packaged interconnects|journal= J. Lightwave Tech.|volume=38|issue= 13|pages= 3439-3444|year= 2020|doi= 10.1109/JLT.2020.2980986}}</ref><ref name="2020APP">{{cite pressrelease|date=2020-10-13|title=Apple introduces iPhone 12 Pro and iPhone 12 Pro Max with 5G|publisher=Apple, Inc.|accessdate=2021-09-28}}</ref><ref name="2020HAS">{{cite journal|author=Hassan M. A., M. Nakahama, and F. Koyama|title=High-power, quasi-single-mode vertical-cavity surface-emitting laser with near-diffraction-limited and low-divergence beam|journal= Japanese Journal of Applied Physics|volume= 59|issue= 9|pages= 090904-1-4|year= 2020|doi=10.35848/1347-4065/ababb6}}</ref>


== 出典 ==
[1978CAS] H. C. Casey and M. B. Panish: Heterostructure Lasers, Academic Press, New York (1978)
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{{reflist}}


== 関連文献 ==
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== 脚注 ==
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== 関連項目 ==
== 関連項目 ==
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==外部リンク==
==外部リンク==
*<1> [http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20060306/114184/ 日経エレクトロニクス]のVCSEL解説
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*<2> IEEE (https://www.ieee.org/content/dam/ieee-org/ieee/web/org/about/awards/recipients/complete-past-and-present-recipient-list.pdf) IEEE Edison Medalの公開記事。
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*<3> https://en.wikipedia.org/wiki/File:Real_vcsel.svg




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2021年9月28日 (火) 07:13時点における版

VCSEL
図1 VCSELアレイの模式図
種類 レーザー素子、光エレクトロニクス
動作原理 レーザー
発明 伊賀健一（1977年）
商品化 ハネウェル（1995年)
ピン配置 アノード、カソード
テンプレートを表示

垂直共振器型面発光レーザー（せういちょくきょうしんきがためんはっこうレーザー、英: Vertical Cavity Surface Emitting Laser）またはVCSEL（ヴィクセル）は、半導体レーザーの一種である。端面発光型半導体レーザーとは異なり、上面から垂直にレーザービームを放射する。レーザー装置そのものは数マイクロメートル以下と小さいが，図1のように大規模な2次元アレイ状に出来るなどの多くの特徴がある。コンピューターマウス、光通信、レーザープリンター、Face ID、スマートグラスなど様々な製品に使用されている。

VCSELの特長と応用分野

ノートの手書きスケッチです。
図2 面発光レーザーのアイデア（1977伊賀健一による）[1][2]

一般的に半導体レーザーは基板面と平行方向に光を共振させその方向に光を出射させる。一方で、面発光レーザーは伊賀健一（東京工業大学）により提案された図2のような方式で、図3のように反射鏡に半導体もしくは誘電体の積層構造から成る高反射DBR（Distributed Bragg Reflector）を用いることにより、基板面に対して垂直方向に光を共振させ面と垂直方向に出射させる。

カラーの立体図です。
図3 VCSELの構造[3]

その構造から、製造工程では基板をへき開せずとも共振器の形成やレーザ特性の検査が可能であり、大量生産に向いている、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能、2次元アレーにできる点などの特長を持つ。加えて、しきい値電流が小さいためシステムの消費電力が小さい、低電流でも高速変調が可能、温度変化に対する特性変化の幅が少なく温度制御装置が簡易化できるなど利点が多い。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、コンピュータマウス、レーザプリンター、光インターコネクトなどに応用が広がっている。2018年ごろから、スマートフォンの3次元顔認識、レーザーレーダー（LiDAR)、高出力アレイによるレーザー加工、OCTなどの光センシングに広がりを見せている。

研究の歴史

発明とその動機

伊賀健一が、1977年3月22日にこのデバイスを発明したことが認められている[4]。本技術は面発光レーザー (Surface Emitting Laser) と付けられた[1][5][6]。この発明の動機は以下であったという[3]。

面発光レーザーの設定3条件:

  1. 製作をモノリシックに行えること。つまり、シリコンLSIのように半導体ウエハ上に、結晶成長、エッチング、酸化、絶縁、電極付けなどを一連のプロセスでおこなえる。
  2. 発振波長を単一にする。そのためには、50マイクロメートル以下の短共振器が適切であることを、伊賀は1976年の半導体レーザー国際会議で発表している[7]。
  3. 発振波長の再現性が確保できる。製造過程において，設計した波長でレーザーを実現できる。

なお、マサチューセッツ工科大学（MIT）のIvars Melngailisによって面から発光するレーザーが1965年に発表されているが[8]、これは当時まだへき開技術が成熟しておらず、研磨などによって反射鏡を作るという方法の一つとしてつくられたものであろう。バルク状の半導体で、強磁場、極低温、長い共振器で試されたもので、先の3条件を目的としたものとは異なる。また、その後の発展は認められていない。

面発光レーザーは1987年になって、高密度ディスプレイを形成する画像セルを意味する「ピクセル（pixel)」に倣って、VCSEL（垂直共振器面発光レーザー）と名付けられた[9]。それは、水平型のファブリ-ペロレーザーの光を面方向に出射させるため、45°反射鏡型や二次回折格子を用いる方法が出て、区別するための目的であったが、他は廃れてしまった。

初期のデバイス

面発光レーザーの断面を示した図。
図4 1979年に製作された最初の電流注入による面発光レーザー[10]。

最初の段階では、この新しいデバイスを実現するために克服しなければならない多くの技術的課題があったとされる[11]。主な課題は、比較的小さい光学利得、全体的な反射鏡品質、および効率的な電流注入法であった。最初のデバイスは、図4に示すような活性領域にGalnAsP-InP材料を使用して1979年に実現された[10]。VCSELは1300ナノメートルの波長で動作し、デバイスの概略断面図を示す。GaInAsPを活性層とする二重ヘテロ構造を使用したこのVCSELは、InP基板上に成長させている。円形電極から電流を注入することで発光し、基板の上下に金属反射板を形成して共振器を形成する。パルス電流で駆動され、液体窒素を使用して77 Kに冷却された。800 mAでレーザー発振した。スペクトルを取得することが可能であり、レーザー発振を示すほどに狭かった。初期の試みで、しきい値は非常に高く通常のレーザーの20倍以上であった。

室温連続動作へ

1982年、伊賀らは長さ10マイクロメートルの共振器を備えたVCSELを作成し、明確なVCSEL発振を確認した[12]。伊賀のグループは、液相エピタキシー（LPE）を使用して6 mAしきい値GaAsデバイスを備えた埋め込み閉じ込めVCSELを作成した[13]。大きな進歩は、1988年に伊賀と小山（同じく東京工業大学）がGaAs基板上で波長820 nmの室温で連続波（CW）動作を達成したことであろう[14]。デバイスの構造を図5に示した。デバイスは有機金属化学気相成長法（MOCVD）によって成長させている。この成果により、VCSELの世界的な研究開発は加速した。また、1988年の半導体DBRのコンセプト[15]とVCSELへの多重量子井戸の導入[16]は、後年のVCSELの性能改善に貢献した。

VCSELの連続室温動作は、1989年にベル研究所のJack Jewellとその同僚によっても達成された（図6）[17][18]。同じ頃，量子井戸の位置に共振点を一致させる概念は、Larry Coldrenとその同僚により提案され，後のしきい値の削減に貢献した[19][20]。

開発競争

実際に近いモデル。
図7 VCSELのモデル断面を示す。

1991年から2000年では、VCSEL研究の拡大、成長技術の進歩、およびデータ通信における新たな応用のニーズが増してきた。最初の米国国防高等研究計画局（DARPA）の資金提供は、JSFプログラムによって推進された。オプトエレクトロニクスのための3つのセンターが大学で開始され、ハネウェル、モトローラ、およびヒューレット・パッカード等は、業界のプログラムに取り組んでいる主要企業で、重点を置いている分野には、大量生産技術[21]、しきい値電流低減[22][20][23]、横モード制御、酸化[24][25]、偏波制御、波長掃引VCSEL[26]、MEMSが含まれる[27]。2Dアレイ[28]、高速および高出力VCSEL、連続動作のInPベースのデバイス[29]、量子井戸VCSELなども。これらは、VCSEL大量生産への加速期であり、多くの技術的および製造上の進歩があった。図7に，実際に近いVCSELの層構造を示す。

応用の広がり

面発光レーザーの応用を仕分けした図です。
図８　VCSELの応用分類（単一モードと多モード）[2018IGA]

応用の拡大

冒頭部にも記述されているように、2000年からの商用化は、LAN、コンピューターマウス、レーザープリンターなどで拡大した。2000年にVCSELに関する総説論文が出版され[11][30]、「そのサイズ、製造可能性、および電子機器の異種統合の潜在的な容易さは、さまざまな応用を広げる」と述べられている。そして、米国の第2次とも言うべきDARPAの研究投資が行われた。2000年以降の10年間では、高出力VCSELアレイ、高コントラストグレーティング、アサーマルVCSEL、結合共振器VCSEL、VCSELベースのスローライト光導波路デバイス、多波長VCSEL/WDM[31]、量子ドットVCSEL、高帯域幅VCSEL（> 20 GHz）などのVCSEL技術の高度化が進んだ。

VCSELは大きさを活性層や光のモードサイズを変えるだけで、単一モードと多モードの動作をさせることが出来る。図8に示すように、直径が2マイクロメートル程度では単一モード動作で、干渉応用に使われるが出力が3 mW程度に限られる。8マイクロメートル以上だと多モードデバイスとなり，出力も数mW以上が得られる。干渉による雑音を抑える応用に使用される。ほとんどの市場が多モードと言ってよい。

産業化へ

2010年以降、VCSELはさまざまな光システムに適用され、産業として拡大している（図9）。主な分野を以下に列挙している。6インチ基板のGaAsウエハが年間10000枚以上で，2020年の市場規模は90億米ドルと言われる。

  • 光通信（インターネット用LAN、光インターコネクト用のアクティブ光ケーブル〈AOC〉など）
  • 光センシング（マウス、3D顔認証、LiDAR、光干渉断層撮影法（英語版）〈OCT〉、ガスセンシング、原子時計など）
  • 高出力アレイ応用（プリンター、赤外加熱、加工など）

面発光レーザー発展のマイルストーン

面発光レーザー研究開発の進展をたどったのが、下記のマイルストーン表である[3]。

出典

[脚注の使い方]
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  • [2020IGAd] Kenichi Iga, "VCSEL: born small and grown big," Proc. SPIE 11263, Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs) X, 1126302 (2 March 2020); doi: 10.1117/12.2554953
  • [2020KOY] Koyama F.: "High power VCSEL amplifier for 3D sensing", CLEO-2020, STu4M.3, 2020.
  • [2021PAD] B. D. Padullaparthi, “Impact of neff of 850nm VCSEL cavity on low noise for 100G eSR4 transmission and its potential for 400G Datacenter Optical Interconnects” Proc. SPIE 11704 11704-24 (2021) DOI: 10.1117/12.475724

関連項目

  • 半導体レーザー
  • コンピューターマウス
  • 3次元顔認証
  • レーザーレーダー
  • 高速LAN
  • AOC

外部リンク

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