生産上の利点 VCSELの製造には、エッジエミッタ型レーザーの製造プロセスとは対照的に、いくつかの利点があります。エッジエミッタは製造プロセスの最後までテストできません。接触不良や材料成長品質の悪さなどが原因でエッジエミッタが正常に機能しない場合、製造時間と加工材料が無駄になります。一方、VCSELは、製造プロセス全体を通して複数の段階でテストを行い、材料品質や加工上の問題をチェックできます。例えば、回路の層間の電気接続であるビアがエッチング中に 誘電体 材料から完全に除去されていない場合、中間テストプロセスによって、上部金属層が最初の金属層に接触していないことが検出されます。さらに、VCSELはエッジエミッタのようにレーザーの活性領域に平行ではなく、垂直にビームを放射するため、3インチのガリウムヒ素 ウェハ上に数万個のVCSELを同時に処理できます。したがって、VCSELの製造プロセスはより多くの労力と材料を必要としますが、歩留まりをより予測可能で高い結果に制御できます。[ 3 ]
構造 現実的なVCSELデバイス構造。これは、底面発光型の 多重量子井戸 VCSELです。 レーザー共振器は、ウェハ表面に平行に配置された2枚の分布ブラッグ反射 鏡（DBRミラー）と、その間にレーザー光生成用の1つ以上の量子井戸からなる 活性領域 で構成されています。平面DBRミラーは、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層された構造になっています。各層の厚さは材料中のレーザー波長の4分の1であり、99%を超える強度反射率が得られます。VCSELでは、利得領域の短い軸方向長を補うために、高反射率ミラーが必要となります。
一般的なVCSELでは、上下のミラーはそれぞれp型 とn型の 材料でドーピングされ、ダイオード 接合を形成します。より複雑な構造では、p型領域とn型領域がミラー間に埋め込まれている場合があり、活性領域との電気的接触にはより複雑な半導体プロセスが必要となりますが、DBR構造における電力損失を排除できます。
新しい材料系を用いたVCSELの実験室研究においては、活性領域をより短い波長 の外部光源（通常は別のレーザー）で励起 することがある。これにより、良好な電気的性能を実現するという追加の問題を回避してVCSELを実証できる。しかしながら、このようなデバイスはほとんどの用途には実用的ではない。
波長650 nmから1300 nmのVCSELは、通常、ガリウムヒ素（GaAs）ウェハ上に、GaAsとアルミニウムガリウムヒ素 （Al x (1− x ) As）からなるDBRを形成した構造をベースとしています。GaAs–AlGaAs系は、組成の変化による格子定数の変化が少ないため、GaAs基板上に複数の「格子整合」 エピタキシャル 層を成長させることが可能であり、VCSELの構築に好まれています。しかし、 AlGaAsの屈折率は Alの割合が増加するにつれて比較的大きく変化するため、他の候補材料系と比較して、効率的なブラッグミラーを形成するために必要な層数を最小限に抑えることができます。さらに、アルミニウム濃度が高い場合、AlGaAsから酸化物を形成することができ、この酸化物はVCSEL内の電流を制限するために使用できるため、非常に低いしきい値電流を実現できます。
VCSELにおける電流制限の主な方法は、イオン注入型VCSELと酸化物型VCSELの2種類に分類される。
1990年代初頭、通信会社はイオン注入型VCSELを好む傾向にあった。イオン（多くは水素イオン、H+）は、VCSELの開口部を除くすべての部分に注入され、開口部周辺の格子構造を破壊することで電流を抑制した。1990年代半ばから後半にかけて、企業は酸化物VCSELの技術へと移行した。酸化物VCSELでは、VCSELの開口部周辺の材料を酸化することで電流を閉じ込める。VCSEL構造内に成長させた高濃度アルミニウム層が酸化される層である。酸化物VCSELでも、イオン注入製造工程がよく用いられる。その結果、酸化物VCSELでは、電流経路はイオン注入と酸化物開口部によって閉じ込められる。
酸化物 VCSEL の初期導入では、酸化層の歪みや欠陥により開口部が「外れてしまう」という懸念がつきまとった。しかし、多くのテストを経て、構造の信頼性は堅牢であることが証明された。ヒューレット・パッカードによる酸化物 VCSEL に関するある研究では、「応力の結果から、酸化物 VCSEL の活性化エネルギーと摩耗寿命は、同じ出力電力を放出する注入型 VCSEL のものと類似していることがわかった」と述べられている。[ 4 ]
1300 nmから2000 nmまでの長波長デバイスは 、少なくとも活性層がリン化インジウム で構成されていることが実証されている。さらに長波長のVCSELは実験段階であり、通常は光ポンピングによって駆動される。1310 nmのVCSELは、この波長域ではシリカ系光ファイバー の分散が最小限であるため、望ましい。
複数の活性領域を持つデバイス（別名：バイポーラカスケードVCSEL） キャリアリサイクルにより、100%を超える差動量子効率値を可能にする。 トンネル接合型VCSEL トンネルジャンクション（n + p + ）を使用することで、電気的に有利なnn + p + -ピン構成を構築でき、他の構造要素（例えば、 埋設トンネルジャンクション （BTJ）の形）にも良い影響を与える可能性があります。 マイクロメカニカル可動ミラー（MEMS ）を備えた波長可変VCSEL （光学的[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ウェハ接合またはウェハ融合型VCSEL 異なる種類の基板ウェーハを使用して製造できる半導体材料の組み合わせ[ 8 ] モノリシック光ポンピングVCSEL 2つのVCSELが上下に重ねて配置されている。片方のVCSELがもう片方のVCSELを光励起する。 縦方向に統合されたモニタダイオードを備えたVCSEL VCSELのバックミラーの下にフォトダイオードが集積されています。横方向にモニターダイオードが集積されたVCSEL：VCSELのウェハを適切にエッチングすることで、隣接するVCSELの光強度を測定できる共振フォトダイオードを製造できます。 外部共振器付きVCSEL（VECSEL） VECSELは 、従来のレーザーダイオードを用いて光励起されます。この構成により、より広い領域を励起できるため、最大30Wもの高出力を得ることができます。 また、外部共振器を用いることで、周波数倍増、単一周波数動作、フェムト秒パルス同期といった共振器内技術も実現可能です。垂直共振器型半導体光増幅器 VCSOAは 発振器ではなく増幅器として最適化されています。VCSOAは閾値以下で動作させる必要があるため、フィードバックを低減するためにミラーの反射率を低くする必要があります。信号利得を最大化するために、これらのデバイスは多数の量子井戸（光ポンピングデバイスでは21～28個の井戸が実証されています）を含み、その結果、一般的なVCSEL（約5%）よりも大幅に大きなシングルパス利得値を示します。これらの構造は狭線幅（数十GHz）の増幅器として動作し、増幅フィルタとして実装できます。
特徴 VCSELはチップの上面から発光するため、個々のデバイスに切断する前にウェハ上でテストを行うことができます。これにより、デバイスの 製造 コストが削減されます。また、VCSELは一次元だけでなく、二次元アレイ としても製造することが可能です。
VCSELは、ほとんどのエッジ発光レーザーと比較して出力開口部が大きいため、出力ビームの発散角が小さくなり、光ファイバーとの高い結合効率が可能になります。
エッジ発光レーザーと比較して活性領域が小さいため、VCSELのしきい値電流が低減され、消費電力が低くなります。しかし、現状では、VCSELの発光出力はエッジ発光レーザーよりも低くなっています。また、しきい値電流が低いことで、VCSELでは高い固有変調帯域幅を実現できます。[ 9 ]
VCSELの波長は、活性領域の利得帯域内で、反射層の厚さを調整することによって調整することができる。
初期のVCSELは複数の縦方向モードまたはフィラメントモードで発光していたが、現在では単一モードのVCSELが一般的になっている。
高出力VCSEL 高出力垂直共振器面発光レーザーは、単一デバイスの発光開口サイズを大きくするか、複数の素子を大きな2次元（2D）アレイに組み合わせることによっても製造できます。高出力VCSELに関する研究報告は比較的少ないです。100 mW前後で動作する大口径単一デバイスが最初に報告されたのは1993年です。[ 10 ] [ 11 ] 連続波（CW）動作が報告され、これは30 W/cm 2 の電力密度に相当します。[ 12 ] 連続波出力と10Wのパルス出力が報告された。 [ 13 ] 熱伝導率 を利用して、ダイヤモンド ヒートスプレッダに取り付けられた。2005年には、980nm付近を発光する大口径の単一デバイスから、記録的な3Wの連続波出力が報告された。[ 14 ]
2007年には、976 nm付近の波長で発光する大型（5 × 5 mm）2D VCSELアレイ から200 Wを超えるCW出力が報告され[ 15 ] 壁面プラグ効率 とパッケージングの改善によるものであった。2009年には、808 nm付近で発光するVCSELアレイで100 Wを超える出力レベルが報告された[ 16 ]。
その時点で、VCSEL技術は、高出力または高エネルギーを必要とするさまざまな医療、産業、軍事用途に役立つようになった。そのような用途の例としては、以下のようなものがある。
歴史 バルク半導体の超低温および磁気キャリア閉じ込めからの表面発光は、1965 年に Ivars Melngailis によって報告された。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 短共振器 VCSELの最初の提案は、1977 年に東京工業大学の伊賀健一によって行われた。[ 21 ] Suematsu らによって短共振器VCSELの最初の実証が行われたが[ 22 ] 連続波 動作デバイスは1988年まで報告されなかった[ 23 ] 米国光学会の出版物で造語された [ 24 ]。 Axel Scherer 、Sam McCall、Yong Hee Lee、James Harbisonらを含む）を率いて、小型チップ上に100万個以上のVCSELを実証した[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 27 ] VCSEL は、ギガビットイーサネット やファイバーチャネル などの短距離光ファイバー通信の用途でエッジ発光レーザーに取って代わり、現在では 1 ～ 400 ギガビット/秒以上のリンク帯域幅に使用されています。
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