【基本】半導体レーザー

半導体レーザーは、レーザーダイオード(LD)とも呼ばれ、小型軽量、高効率、低電圧動作、電流制御が高速変調が容易に可能等の利点から広く使われています。CD/DVDなどの記録読み出し機器の光源、レーザープリンター用光源、光通信用光源、バーコードリーダー、レーザーポインターなど、身近な機器での利用が多いです。最近では、レーダー(LiDAR)の光源にも利用されています。また、大出力のレーザーでは、加工用途にも利用されています。

構造は、異種の層が重なってできるダブルヘテロ構造となっています。GaAsやAlGaAsなど2つ以上の化合物半導体層から構成されており、中央部にバンドギャップの狭い発光層(100nm程度の活性層)があります。その上下を、活性層より少しバンドギャップの広いp型とn型の半導体層からなっています。

このpnの順方向へ電流を流すとGaAs活性層に反転分布が形成され、へき開面よりレーザーが出射されます。これは、ファブリペロー共振型の半導体レーザーと呼ばれます。レーザーを単一縦モードでより安定的に動作させるための工夫が施された分布帰還型(DFB)の構造もあります。また、量子井戸の原理を利用して、単色性が極めてよく、高速で光変調させることができる量子井戸(QW)型のレーザーもあります。

通常は、これらのように半導体基板の端面から水平にレーザーを発光するのですが、基板面に垂直にレーザーを出射する面発光レーザー(VCSEL)もあります。この構造ですと、面的に多数のレーザーを配置できますので大量のデータを伝送するときや、多くの情報を表現できるため、高速並列処理に有利となります。

半導体レーザーは、発振形態としては、CWとパルスの両方があります。発振波長は、活性層の結晶材料がもつバンドギャップとチップの共振器長で決まりますが、300~1000nm程度が多いです。出力は数mW~数kW程度まで幅広く対応しています。半導体チップは真空封入されたパッケージとなっており扱いやすいです。また、大出力のレーザーでは冷却モジュールと一体になったものもあります。安定的に出力するために、PDを内蔵し出力をモニタ・フィードバックすることで電流電圧制御できるものもあります。

半導体レーザーで手軽に扱えるようになったレーザーは、ますます活躍の場を広げています。

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