総称して垂直共振器型面発光レーザーと呼ばれるVCSELは、半導体レーザーの一種です。現在、ほとんどの VCSEL は GaAs 半導体をベースにしており、発光波長は主に赤外波帯にあります。
1977 年、東京工科大学の伊賀健一教授が垂直共振器型面発光レーザーの概念を初めて提唱しました。当初は、共振器長を短くして安定した出力の単一縦モード半導体レーザーを得たいというのが主な目的でした。しかし、この設計では一方向のゲイン長が短いため、レーザー発振を得ることが困難であり、VCSEL の初期の研究は長引きました。その 2 年後、Yihe Jianyi 教授は、液相エピタキシー技術 (溶液から固体物質を析出させ、基板上に堆積させて単結晶薄層を生成する液相エピタキシー法) を使用して、77 K での GaInAsP シリーズ レーザーのパルス レーザー発振の実現に成功しました。 ）。1988 年、GaAs 系 VCSEL が有機化学蒸着 (OCVD) 技術によって成長し、室温での連続動作を実現しました。エピタキシャル技術の絶え間ない発展により、高反射率の半導体DBR構造を製造できるようになり、VCSELの研究プロセスが大幅にスピードアップしました。20 世紀の終わりに、研究機関がさまざまな構造を試した後、酸化制限 VCSEL の主流の地位はほぼ確立されました。その後、パフォーマンスが常に最適化され、改善される成熟段階に移行しました。
酸化限界トップエミッションレーザーの断面図
アクティブ領域は、デバイスの重要な部分です。VCSEL キャビティは非常に短いため、キャビティ内の活性媒体は、レーザー モードに対してより多くのゲイン補償を提供する必要があります。
まず、レーザーを生成するには、次の 3 つの条件を同時に満たす必要があります。
１）活性領域におけるキャリア反転分布が確立される。
2) 適切な共振空洞により、誘導された放射を何度もフィードバックしてレーザー発振を形成できます。と
3) 電流注入は、光利得をさまざまな損失の合計以上にし、特定の電流しきい値条件を満たすのに十分なほど強力です。
3 つの主要な条件は、VCSEL デバイス構造の設計コンセプトに対応しています。VCSELのアクティブ領域は、歪み量子井戸構造を使用して、内部キャリア反転分布を実現するための基礎を確立します。同時に、放出された光子がコヒーレント振動を形成するように、適切な反射率を備えた共振空洞が設計されています。最後に、十分な注入電流が提供され、光子がデバイス自体のさまざまな損失を克服して永続的な
光通信会社であるShenzhen HDV Optoelectronic Technology Co., Ltd.は、VCSELについて次のように説明しています。