VCSELは正式にはVertical Cavity Surface Emitting Laserと呼ばれ、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線帯域にあります。
1977年に東京工科大学の伊香健一教授が垂直共振器面発光レーザの概念を初めて提案した。当初、彼は主に共振器長を短くして安定した出力を持つ単一縦モード半導体レーザーを得ることを目指していました。しかし、この設計の一方向利得長が短いため、レーザー発振を実現することが困難であったため、VCSEL の初期の研究は延長されました。 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）を用いて、77KでGaInAsP系レーザーのパルス発振を実現することに成功した。 ）。 1988 年に、GaAs シリーズ VCSEL が有機化学気相成長 (OCVD) 技術によって成長され、室温での連続動作が実現されました。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 世紀末、研究機関がさまざまな構造を試した後、酸化制限 VCSEL の主流の地位がほぼ確立されました。その後、成熟段階に移行し、パフォーマンスが常に最適化され、改善されました。
酸化制限型トップエミッションレーザーの断面図
活性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発振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、刺激された放射が何度もフィードバックされてレーザー発振が形成されます。そして
３）電流注入は、光利得を様々な損失の合計以上にし、特定の電流閾値条件を満たすのに十分強い。
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ます。 VCSEL の活性領域は、内部キャリア反転分布を実現するための基盤を確立するために歪み量子井戸構造を使用しています。同時に、適切な反射率を備えた共振空洞は、放出された光子がコヒーレント振動を形成するように設計されています。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デバイスを作成できるようになります。
光通信会社の深センHDV光電子技術有限公司は、VCSELについてこう説明する。