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TRUMPF VCSEL のメリット

VCSEL とは、そもそも何か、他のレーザダイオードと比べて、どんなメリットがもたらされるのか？VCSEL の、特殊な仕組みを可能にしているのは、いったいどのような構造なのでしょうか。このページでは、2種類の VCSEL の詳細と、産業および消費者環境におけるレーザダイオードの一般的なアプリケーション分野に関するすべての詳細を確認することもできます。

VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) とは何か？

VCSEL (Vertical cavitiy surface emitting laser) は、製造されたウェーハの表面から垂直に円錐形のビームで光を放射するレーザダイオードです。VCSEL は、チップの片面あるいは両面から光を放射する従来のエッジ発光レーザに比べて、多くのメリットがあります。産業市場向けでも消費者環境向けでも、VCSEL はさまざまな波長で利用できます。標準波長は、760 nm、850 nm、および 940nm の範囲です。

VCSEL によって、どんなメリットがもたらされるのでしょうか？

最適化されたビームプロファイル

ガウス分布も可能な丸いビーム形状、低ビーム発散、さまざまな光モード（マルチモードとシングルモード）により、VCSEL はさまざまな用途にご利用頂けます。

ハイテクアプリケーションに最適

変調速度が速く、ビーム品質とエネルギー効率が高いため、VCSEL アレイは、3Dセンサー、LiDAR、光データ通信などのハイテクアプリケーションに最適です。

スペースとコストを節約

垂直発光レーザによってビルド容積を節約でき、1つのチップ上に多数のエミッターを備えたアレイを実現できます。これによりウェーハレベルで大量に製造およびテストできるわけです

高いエネルギー効率

非常に低いミリワット範囲の VCSEL の消費電力により、モバイルアプリケーションやデータセンターでの使用に際して、消費電力を大幅に削減しながら、非常に効率的な運転が可能になります。

短い立ち上がり時間と立下り時間

立ち上がり時間と立ち下がり時間が短いため、VCSEL なら超高速のパルス動作を実現できます。これは、光データ通信および飛行時間型（ToF）システムで使用する場合に特に重要です。

狭帯域スペクトル発光

VCSEL は、非常に狭い帯域幅でのスペクトル発光を可能にします。

シンプルな垂直方向の統合

垂直方向への発光によって、偏光安定化要素やマイクロオプティクスなどの追加機能を簡単に統合できます。

VCSEL は、このように機能します

VCSELは、連続して成長する多くのエピタキシャル層で構成されています。最上層は、電流注入の接触層として機能します。その下には、両方のミラーのうち最初のミラーが続きます。このミラーはカーボンがドープされ、アルミニウム含有量の異なる複数の AlGaAs の層から成っています。トップミラーの反射率は、原則として約 99％です。

トップミラーに続いて、酸化物スクリーンがきます。これは、アルミニウム含有量の高い材料で構成されており、湿式酸化によって部分的に不動態化されます。酸化物スクリーンの内側の（不動態化されていない）部分は、電流の収縮と光学的誘導に用いられます。酸化物スクリーンが、VCSEL の数多くの重要な電気光学パラメータを定義します。

アクティブゾーンには量子井戸が含まれています。これは出力の強化に利用されます。

アクティブゾーンの下には2番目のミラーがあり、シリコンをドープして、上部ミラーよりもかなり厚みがあります。これは、できるだけ多くの光を反射してアクティブゾーンに戻すのに用いられます。下部ミラーの反射率は約 99.9％です。

シングルモード VCSEL とマルチモード VCSEL の違いとは？

シングル及びマルチモードVCSELレーザ技術のイメージ、TRUMPF Photonic Components

現在のところ VCSEL には、シングルモード VCSEL とマルチモード VSCEL の2種類があります。シングルモード VCSELは、マルチモード VCSE Lよりもスペクトル純度が高く、発散が低くてコヒーレンス性能が高い光線を生成します。シングルモード VCSEL は、多くの産業用センサアプリケーションでよく用いられていますが、非常にコンパクトなマルチモード VCSEL は、主にモバイル型の消費者向け用途や高度に統合されたセンサーで使用されます。

VCSEL アレイの典型的な用途とは？

飛行時間 (ToF)

距離センサー、レーザオートフォーカス、または高精度深度センサーのいずれの場合でも、コンパクトな VCSEL アレイは、数ミリメートルから数メートルの測定に適しており、特にスマートフォンアプリケーションを想定しています。

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構造光

VCSEL は構造化光をドットパターンの形で表面に照射するため、指定されたパターンを高精度でマッピングおよび検出できます。この要領で、スマートフォンのロックを解除するときの顔認識、モバイル決済の実行時、またはドアを開ける際のセキュリティ検出に、発光ダイオードが重要な役割を果たします。

産業型センサー

環境内の粒子が検出される酸素センサーとの接続でも、光学式エンコーダーとの接続でも、高精度の位置決めに使用できます。密閉されたTOハウジング内のシングルモード VCSEL は、最も過酷な動作条件にも耐えられます・

LiDAR

VCSEL アレイは、LiDAR アプリケーションに最適です。光パルスの立ち上がり時間と立ち下がり時間が非常に短いため、ピーク出力の高い超短パルスが可能になり、距離測定の向上につながります。VCSEL アレイ上のさまざまなセグメントでアドレスを指定できるため、システムパフォーマンスが大幅に向上します。したがって、VCSEL は将来の自動運転において重要な役割を果たします。