VCSELアレイとは？
VCSELアレイは、垂直共振器面発光レーザーのモノリシック（線形または2D）アレイです。各VCSELは円形のビームを出力し、高速で直接変調することができます。このため、これらのデバイスは、高速短距離データ通信と光センシングの両方に最適です。
VCSELアレイは、Vertical-Cavity Surface-Emitting Laserアレイの略称であり、フォトニクスのいくつかの分野で使用されている技術です。主にセンシング用途や通信用途に用いられ、多くの場合、大量に使用されます。これは、半導体基板やチップ上に複数のVCSEL（垂直共振器面発光レーザー）を、1次元または2次元の格子状もしくはパターン状に配置したものです。
VCSELは、側面から光を放射する端面発光レーザーとは対照的に、チップの上面から垂直に光を放射する半導体レーザーの一種です（図1参照）。レーザー光の遮断や吸収を防ぐため、電極を慎重に形成することで、レーザーの動作が可能になります。
VCSELには、エッジ発光デバイスと比較して、いくつかの用途においてより優れた選択肢となる2つの利点があります。
図1. VCSELは 左右対称の円形ビームを生成するため、端面発光デバイスから得られる楕円ビームよりも、操作や利用がはるかに簡単です。
光学特性。エッジエミッターは楕円ビームを生成しますが、このビームは発散性が高く、しばしば非点収差を生じます。そのため、これらをシステムに組み込むには、より複雑なビーム整形光学系が必要になることがよくあります。しかし、VCSELでは、出力ビームは対称で円形であり、発散度が大幅に低くなります。これにより、VCSELの出力をスポットに集光したり、光ファイバーに結合したりすることがはるかに容易になり、システムのコストと複雑さが軽減されます。
電気的特性。すべての半導体レーザーは、駆動電流を切り替えることで直接変調が可能です。しかし、エッジエミッターは通信用途で広く使用されていますが、最高速度での伝送を実現するには、外部（マッハツェンダーなど）変調器の追加統合が必要となる場合がしばしばあります。これとは対照的に、VCSELは共振器が短く、また、アーキテクチャの他の特定の側面もあるため、一般的なエッジエミッターよりもはるかに高速な直接変調に最適化することができます（図2参照）。この場合も、全体的な複雑さとコストが低減されます。
図2.VCSELの短い共振器は、データ通信用途において極めて高速なオン／オフ変調速度を実現するのに役立ちます。
VCSELアレイは、行と列に配置された複数の個別のVCSELで構成されています。このようなアーキテクチャには、より高い出力とマルチチャネル動作という2つの利点があります。エッジエミッターの光出力は共振器長を長くすることでスケーリングできますが、VCSELではエミッターの数を増やすことで出力を増加させるため、これは不可能です。これは、飛行時間型カメラや構造化光カメラなど、大きな光出力を必要とするセンシング用途において非常に有効です。
一部のVCSELアレイでは、個々のエミッタを独立して駆動することができます。これにより、発光パターンの形成や光路制御において、非常に高い柔軟性を実現できます。また、モノリシックチップならではの小型化、高効率化、パッケージングの簡素化を実現しつつ、マルチチャネル用のデータ通信ソースも提供します。
VCSELアレイは、データセンターや高速ネットワークの光インターコネクトなど、多くの高速データ通信用途で一般的に使用されています。光を高速で変調できるため、非常に高速にデータを伝送することができます。チャネルあたりの出力が控えめであるため、長距離システムよりも短距離（最大数百メートル）の用途に適しています。この組み合わせは、VCELアレイが、人工知能（AI）と機械学習（ML）の利用が飛躍的に増加するのを支えるために必要とされる、データハイパースケールセンター内の光相互接続に特に適していることを意味します。
図3.VCELおよびVCSELアレイは、LiDARを用いたセンシング用途向けに、自動運転車に広く採用されています。
前述のように、VCSELおよびVCSELアレイは、多くの光センシングおよびイメージング用途にも適しています。これには、携帯電話、パソコン、自動ドアロックなどの顔認証システムが含まれます。主な大容量用途は、ADAS（先進運転支援システム）用のLiDAR（光検出および測距）システムです（図3を参照）。構造化され干渉可能な光パターンを放射するLiDARの能力は、奥行きの認識やマッピング、車線追跡、交通接近検知、自動駐車に役立ちます。
VCSELアレイは、さまざまな産業用電子機器や民生用電子機器にも応用されています。レーザープリンター、光学式マウス、ジェスチャー認識システムなどがその代表的な例です。
バイオメディカルおよびヘルスケア分野において：VCSELアレイは、血液中の酸素を検出する医療機器などとして、すでに定着しています。コンパクトなサイズと優れたビーム特性により、スペースが大きな制約となるウェアラブル機器への組み込みが非常に容易です。
センシングと計測：VCSELアレイは、産業用および商業用のセンシングや計測におけるその他の多くの用途でも利用されています。これには、分光法やガス検知に基づくプロセス制御用途や、特定の環境モニタリングなどが含まれます。
要約すると、VCSELアレイには、精密な制御、拡張性、さまざまなシステムへの統合の容易さといった利点があり、多くの光およびフォトニクス技術において重要な構成要素となっています。その継続的な開発により、性能が向上し、幅広い分野での応用が広がっています。