VCSEL

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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。

VCSEL
VCSELimage.jpg
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 Honeywell (1995年)
ピン配置 アノードカソード
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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。

VCSELの特長と応用分野[編集]

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)[1977IGA][2018IGA]

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。

カラーの立体図です。
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。

研究の歴史[編集]

発明とその動機[編集]

 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]。


<面発光レーザーの設定三条件>

  • 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,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[編集]

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[1979SOD]。

 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。

]

室温連続動作へ[編集]

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。

 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]。

開発競争[編集]

 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

実際に近いモデル。
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[編集]

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[編集]

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。

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。

産業化へ[編集]

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),
  • 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[編集]

 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]。

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. Illinois)
  • 1992        VCSEL 機械的波長掃引法 [1992YOK]
  • 1995-     低しきい値化の競争 Ith <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]  

参考文献[編集]

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脚注[編集]

[脚注の使い方]

関連項目[編集]

  • 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[編集]