VCSEL(垂直共振器面発光レーザ)とは？ 原理/構造/用途など基礎知識を要点解説！
目次
１．VCSELとは
VCSEL（ヴィクセル）とは、”Vertical Cavity Surface Emitting Laser“の略称で、日本語では「垂直共振器型面発光レーザ」と呼ばれます。デバイスの種類としては、半導体レーザの一種です。
通常、半導体レーザは光を基板面に対して水平方向に出射しますが、VCSELは光を基板面に対して垂直に出射するのが特徴です。図1は、そのイメージになります。
【図1 VCSELにおける出射方向の違い（イメージ）】
通常半導体レーザの構造は、結晶に反射面となる劈開面が作られています。このとき反射面は基板面に対して垂直です。このように、基板面と平行な共振器を形成するレーザを「端面発光レーザ」といいます。
VCSELでは基板面に対して垂直な共振器を形成させます。VCSELの共振器は、活性層を高反射率の反射鏡で挟んで光波長程度の大きさで構成されています。
そのため、基板上に多くのレーザを一度に並べて作ることが可能であることや、発振に必要なしきい値電流が小さいことから消費電力が小さいなど多くの利点を有しており、レーザプリンタや顔認証、マウスなど私たちの日常生活にも広く応用されています。
《関連コラム》レーザや半導体レーザの基礎知識に関する解説はこちら
２．VCSELの構造と発光原理
（1）VCSELの基本的な構造
VCSELの基本的な構造は図2のようになっています。
【図2 VCSELの基本構造】
光出力側がプラス電極、光が出力する方向と反対側（ヒートシンク側）がマイナス電極で電流を活性層に流しています。この時、絶縁層を設けていることによって、大きな電流が流れすぎないようにしています。
特徴的として活性層の体積を小さく設計できるという点があり、発振に必要な電流が少なくて済みます。すなわち、他の半導体レーザに比べて比較的低いしきい値電流でよくなります。
反射面には、吸収が少ない高反射率の反射鏡を選択することが大切です。なぜなら、反射面の高反射率化は面発光レーザにおいてしきい値電流の低減に有効だからです。それらを満たす材料として、一般的に多層膜反射鏡が用いられます。
（2）VCSELの発光原理
発光原理は、基本的に一般的な半導体レーザと変わりません。いわゆるファブリー・ペロー型の共振器と同じです。
図3のように活性層に発生した光は、水平方向の2枚の反射面に閉じ込められて往復しながら増幅されていき、垂直方向へレーザ光が放出されます。
【図3 光増幅のイメージ】
３．VCSELの特徴・メリット
VCSELの主な特徴は以下の通りであり、それらは他の半導体レーザに比べて優れた点であるといえます。
（1）活性層の体積が小さい
活性層の体積が小さいほど、しきい値電流は低減します。そのため、発振するための電力が少なく済むので省電力化や小型化による大量生産などに繋がります。
活性層体積としきい値電流の関係を式で見てみます。
VCSELを考える際には、より現実に近い円形モデル（図4）が用いられます。
図2の基本構造を立体的に見た図と考えて下さい。
【図4 VCSELのモデル図】
ここで、活性層の直径をD、厚さをdとすると、活性層体積Vaは次式で表されます。
・・・（1）
この活性層体積Vaを用いて、しきい値電流Ithは次式で表されます。
・・・（2）
ただし、eは電子電荷、Beffは実効再結合係数、ηiはキャリアが活性層に注入される効率、ηsponは自然放出の効率、Nthは必要な活性層の電子密度です。これらのパラメータの詳細については、ここでは必要ないため説明は省きます。
式（2）より、活性層体積Vaが小さいほどしきい値電流Ithが低減されることがわかります。
実際に、通常の半導体レーザに比べてVCSELは数桁も小さいしきい値電流になります。
では、活性層体積Vaを小さくすればするほど、より理想なVCSELが作れるのではないかと思うかもしれません。しかし、実際にレーザ共振器を小さくしていくと共振器の損失が増大し、発振に必要な電子密度Nthも増大してしまうという問題があります。
その問題を補うために、VCSELでは高反射率の反射板を使用して出来るだけ光損失を減らすといった技術が必要になってきます。さらに、反射率にも最適な反射率があり考える必要があります。
（2）共振器の長さが波長に近い
VCSELは、波長程度の微小な共振器で構成されています。
共振器長は、波長に近いほど共振条件や位相整合などの面で最適化されるためレーザの性能が向上します。
（3）デバイス寿命が比較的長い
VCSELが小型で温度変化などの外部要因に敏感ではない点や発熱をあまりしない点、そもそもの半導体技術の進化など様々な要因からデバイス寿命が比較的長くなっています。
（4）電力光変換に優れる
VCSELの共振器が超小型であることに加え、低光損失となるように結晶成長させる技術や発熱が低いことによる電力面での損失が少ないことから、50%を超える電力光変換が実現されます。
（5）光ファイバへの結合に適している
VCSELから出射する光ビーム形状は円形です。そのため、光ファイバと高い結合効率を実現できます。シングルモードファイバからプラスチックファイバまで、様々なファイバに対応した設計が可能です。
（6）大量生産可能で、安価
VCSELは、1枚のウエハ上で多数を同時生産でき、検査もウエハの状態でできるため歩留まりも高く大量生産向きです。また、低電力性から発熱量も低いので冷却面でコストをかける必要がありません。
（7）二次元レーザアレイが作れる
VCSELは基板面に対し垂直に光出射することから、基板上にVCSELを並べることは出射面を並べることになります。一つ一つの消費電力が小さければ、図5のような二次元レーザアレイを構成することが可能です。
【図4 二次元レーザアレイ】
二次元レーザアレイは、高出力な励起光源としての使用や、光メモリ分野では高速書き込み・読み込みに応用されています。
（8）積層集積回路への適用が可能
VCSELは、非常に小型でありながらも高効率であるという特性から、積層集積回路へ組み込むことに適しており、デバイスのコンパクト化かつ高精度化が可能です。
４．VCSELの用途
身近なものを中心にVCSELの用途をいくつか紹介します。
（1）顔認証技術
上述の二次元レーザアレイにより被写体の顔を立体的に捉え、かつ高精度で顔の特徴を得る事ができます。
（2）レーザプリンター
高密度二次元レーザアレイにより高解像度や高速印刷を実現できます。プリンターの小型化・軽量化にも貢献しています。
（3）光通信
上述のように、VCSELは光ファイバへの結合が優れており、光通信システムの構築やメンテナンスが容易になります。コストが安く、大量生産が可能な点もVCSELが使われる理由です。
（4）光学式マウス
マウスは細かな動きを捉える必要がありますが、レーザプリンタと同様に高密度な二次元レーザアレイを実現することでその動きを精密に捉える事ができます。また、手で動かすため軽量であることも求められますが、VCSELが非常に小型なのでその点でも適しています。
（5）LiDAR
VCSELは複数の方向にレーザ光を発射できるなどの観点から、自動運転に関する技術として近年注目されている「LiDAR」（レーザー光による検知と測距をするセンサ技術）にも利用されています。
《関連コラム》LiDARに関する記事はこちら
ということで今回は、「VCSEL」（垂直共振器面発光レーザ）の基礎知識を解説しました。
「ヴィクセル」と聞いて馴染みのなかった方も、私たちのすぐ近くで広く応用されている技術であることをご理解いただけたかと思います。
（アイアール技術者教育研究所 Y・F）
