VCSELアレイとは何ですか？
VCSELアレイとは、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）の単一チップ（線形または2次元）アレイのことです。各VCSELは円形ビームを出力でき、直接高速変調が可能です。そのため、これらのデバイスは高速・短距離データ通信や光学センシングに非常に適しています。
VCSELアレイは、垂直共振器面発光レーザーアレイ （Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser array）の略称であり、複数の光子学分野で応用される技術の一種です。主にセンシングや通信用途に用いられ、通常は大量生産されます。これは複数の垂直共振器面発光レーザー（VCSEL、Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers）で構成され、半導体基板またはチップ上に1次元または2次元の格子状あるいはパターン状に配列されています。
VCSELは半導体ダイオードレーザーの一種であり、側面から発光するエッジ発光レーザーとは異なり、チップの上面から垂直に発光します（図1参照）。電極を精巧に成形することで、レーザー光が遮られたり吸収されたりするのを防ぎ、レーザー動作を実現しています。
エッジ発光デバイスと比較して、VCSELには2つの利点があるため、特定の用途においてより適しています。
図 1：VCSEL から生成される対称的な円形光束は、エッジエミッション型デバイスから生成される楕円形の光束よりも、取り扱いや利用が容易である。
光学特性 エッジエミッターから生成される楕円形の光ビームは発散角が大きく、また像散が生じやすい。そのため、これらをシステムに組み込むには、通常、より複雑なビーム整形用光学部品が必要となる。一方、VCSELでは、出力ビームは対称的な円形ビームであり、発散角ははるかに小さい。したがって、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容易であり、システムのコストと複雑さを低減できる。
電子的特性。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することが可能です。しかし、エッジエミッターは通信用途で広く利用されていますが、最速の伝送を実現するには、多くの場合、外部変調器（マッハ・ツェンダー変調器など）を追加で組み込む必要があります。これに対し、VCSEL アーキテクチャの短い共振器およびその他の特定の特性により、一般的なエッジエミッタよりも高速な直接変調を実現できるよう最適化が可能である（図 2 参照）。同様に、これにより全体的な複雑さとコストも低減される。
図2：VCSELの共振器長が非常に短いため、オン／オフ変調の速度が極めて速く、データ通信用途に適している。
VCSELアレイは、複数の独立したVCSELを行列状に配置して構成されています。この構成には、高出力と多チャンネル動作という2つの利点があります。エッジエミッターでは共振器の長さを増やすことで光出力を調整できますが、VCSELではエミッターの数を増やすことで出力を高めるため、このような調整はできません。これは、飛行時間式カメラや構造光カメラなど、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用です。
一部のVCSELアレイでは、個々の発振器を独立して動作させることができます。これにより、発光するレーザーの形成や導波を非常に柔軟に行うことが可能になります。また、多チャンネル用途に適したデータ通信用光源を提供しますが、その小型化、高効率化、およびシンプルなパッケージングは、モノリシックチップによってのみ実現可能です。
用途の面では、VCSELアレイは、データセンターや高速ネットワークにおける光インターコネクトなど、一部の高速データ通信アプリケーションで一般的に使用されています。光を高速に変調できるため、極めて高速なデータ伝送が可能です。ただし、単一チャネルの出力はそれほど大きくないため、つまり、長距離システムよりも短距離（最大100メートル）の用途に適していることを意味します。こうした特性から、VCSELアレイは、現在AI（人工知能）やML（機械学習）アプリケーションの急増に対応する必要がある超大規模データセンター内の光インターコネクトに特に適しています。
図 3：VCEL および VCSEL アレイは、LiDAR を用いた自動運転車のセンシング用途で広く利用されている。
前述のように、VCSELおよびVCSELアレイは、多くの光学センシングやイメージング用途にも非常に適しています。こうした用途には、携帯電話、パソコン、または自動ドアロック向けの顔認証システムなどが含まれます。主な大量生産用途としては、ADAS（先進運転支援システム）向けのLiDAR（光検出および測距）システムが挙げられます（図3参照）。構造化された高輝度光パターンを照射する能力は、深度認識やマッピング、さらには車線追跡、接近検知、自動駐車において非常に有用です。
VCSELアレイは、さまざまな産業用および民生用電子機器にも採用されています。代表的な例としては、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挙げられます。
生物医学および医療分野において：VCSELアレイは、血中酸素濃度測定などの医療機器用途で広く利用されています。これらは小型で光束特性に優れているため、ウェアラブルデバイスへの組み込みが容易です。これらのデバイスは、スペースの制約が厳しいものです。
センシングおよび計測VCSELアレイは、産業・商業分野のセンシングおよび計測分野におけるその他多くの用途にも利用可能です。これらの用途には、分光法やガスセンシングに基づくプロセス制御アプリケーションや、特定の種類の環境モニタリングなどが含まれます。
要するに、VCSELアレイは制御精度が高く、拡張性に優れ、さまざまなシステムへの組み込みが容易であるといった利点を持つため、多くの光学および光子技術において重要な構成要素となっています。その継続的な発展により、性能が向上し、各分野での応用範囲が広がっています。