VCSELアレイとは？
VCSELアレイは、垂直共振器面発光レーザのモノリシック（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理想的です。
VCSELアレイはVertical-Cavity Surface-Emitting Laserアレイの略で、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と通信用途で使用され、多くの場合、大量に使用されます。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）を1次元または2次元の格子状また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の一種です（図1を参照）。レーザ光の遮断/吸収を避けるために電極を注意深く成形することで、レーザ操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、いくつかの用途でより優れた選択肢となる2つの利点があります。
図1. VCSELは左右対称の丸いビームを生成するため、端面発光デバイスからの楕円ビームよりも操作や利用がはるかに簡単です。
光学的特性。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、これらの統合には、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、発散性が大幅に低くなります。これにより、VCSEL出力をスポットに集中させたり、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。
電子的特性。すべての半導体レーザは、駆動電流を切り替えることによって直接変調することができます。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、最速伝送には外部（マッハツェンダーなど）変調器の追加統合が必要になることがよくあります。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、データ通信用途に役立つ非常に速いオン/オフ変調速度に貢献します。
VCSELアレイは、行と列に配置された複数の個々の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、VSCEL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、大きな光出力が必要なセンシング用途に非常に有効です。
いくつかのVCSELアレイの個々のエミッターは、独立して操作することができます。 これにより、放出される光の形成やステアリングにかなりの柔軟性を持たせることができます。また、モノリシックチップならではの小型化、効率化、パッケージングの簡素化を実現しながら、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。光を高速で変調させることができるため、非常に高速で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なので、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サポートす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とVCSELアレイは、LiDARに基づくセンシング用途向けに、自動運転車に広く使用されています。
上述したように、VCSELと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。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。主要な大容量用途は、ADAS（先進運転支援システム）用のLiDAR（光検出と測距）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、奥行き知覚やマッピング、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、さまざまな産業用エレクトロニクス機器や民生用エレクトロニクス機器にも応用されています。レーザプリンター、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例です。
バイオメディカルとヘルスケアの分野で：VCSELアレイは、血液中の酸素を検出するような用途の医療機器として、すでに確立されています。コンパクトなサイズと有用なビーム特性により、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/商業用のセンシングや測定における他の多くの用途でも見ることができます。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、ある種の環境モニタリングが含まれます。
要約すると、VCSELアレイには、正確な制御、拡張性、さまざまなシステムへの統合の容易さなどの利点があり、多くの光およびフォトニック技術において重要なコンポーネントとなっています。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。