VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser、面発光レーザー）は、デバイス上面に対して垂直方向にレーザー光を放射する半導体レーザーです。ガリウムヒ素系半導体材料を基盤として開発され、LED（発光ダイオード）やエッジ発光レーザーダイオード（LD）とは構造・動作原理が大きく異なります。
VCSEL は、高反射ミラー構造、活性層、金属コンタクト層で構成されます。上部と下部のミラーは P 型および N 型のブラッグ反射器（DBR）で形成され、活性層は量子井戸構造で構成されています。P 型 DBR 表面にはオーミック接触用の金属コンタクト層を形成し、レーザーを取り出すために円形の開口部が設けられています。
本デバイスは遠視野での発散角が小さく、ビーム形状は狭く円形であるという特徴を持ちます。また、しきい電流が低く、高い変調帯域を有し、およそ 300 kHz の高速変調が可能です。レーザー電流や温度を変化させることで波長チューニングも行えます。
さらに、TEC および PD を内蔵したパッケージにも対応しており、高速光ファイバ通信用途に特化して設計されています。
測定条件： TOP = 20 °C、IOP = 2.0 mA（TEC制御）
パラメータ | 記号 | 最小値 | 典型値 | 最大値 | 単位 |
ピーク光出力（25°C） | P | 1 | 1.6 |
| mW |
動作バイアス電流 | Iop | 0 | 18 | 25 | mA |
動作温度範囲 | Top | -40 | 25 | 85 | ℃ |
しきい値電圧 | Ith |
| 8 | 12 | mA |
傾き効率(CW, TC = 25 c) | Se | 0.14 | 0.18 |
| mW/mA |
レーザー駆動電圧 | VCC | 0 | 1.5 | 2.5 | V |
抵抗値 | RS |
| 50 |
| Ω |
中心波長 | Δλ | 1525 |
| 1575 | nm |
ご注文時に必要な中心波長をご指定ください。 |
保証チューニング範囲 | λ | 8 | 10 |
| nm |
正の電圧を印加すると、ピーク波長は短波長側にシフトします。 |
最大周波数チューニング応答 | fmax | 100 | 200 | - | KHz |
SMSR | SMSR | 30 | 40 |
| dB |
幅（-3 dB フル幅半値、連続バイアス = IOP） | σ |
|
| 300 | MHz |
相対強度噪音 | RIN |
|
| -128 | dB/Hz |
チューニング電圧 | Vture | 0 | Test Sheet | Test Sheet | V |
チューニング電流 | Itune | 0 | - | 100 | µA |
TEC電圧 | VTEC |
| 0.35 | 1.5 | Ｖ |
TEC電流 | ITEC |
| 0.05 | 0.6 | A |
実験データ
VCSELレーザーに関する実験を行い、印加電圧、駆動電流、発光波長、および変調周波数の関係を測定しました。
VCSELスペクトログラムとレーザー測定ベース
1.電圧と波長の関係
VCSELレーザーに4 V～18 Vの電圧を印加し、測定ごとに2 Vずつ増加させました。上図の測定データから、電圧が増加するにつれて波長が約8 nm短くなることがわかり、負の傾きを持つ直線的な変化を示しています。
2. 電流と波長の関係
電圧を一定に保ち、電流を13 mAから25 mAまで3 mA間隔で調整しながら測定しました。電流の変化に伴い波長が大きく変化し、正の傾きを持つ直線的な変化を示すことがわかりました。
3. 異なる周波数での負荷変化
負荷：5 V 電圧および 20 kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 40 kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 60 kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 80 kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 100kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 120kHz 周波数の波形
負荷：5 V 電圧および 140kHz 周波数の波形
固定電圧 5 V を印加し、周波数を調整することで上図のデータを得ました。高い変調周波数により、より多くの情報を伝送でき、応答速度も向上します。
