半導体レーザ(レーザーダイオード)の仕組みとは

■半導体レーザ(レーザーダイオード)とは

　半導体レーザ（LD:Laser Diode)とは、半導体に電流を流してレーザ発振させる素子です。そのままレーザーダイオードという名称を用いることも多く、半導体レーザー・レーザーダイオードそれぞれの名称で商品展開されていますがどちらも同じものです。

　発光の仕組みは発光ダイオード(LED)と同じで、p-n接合の順方向に電流を流すことによって起こります。順方向とはp側がプラス、n側がマイナスになるように電源を繋ぐとn側から電子、p側から正孔が流れ込み、接合部分で両者が出会い、電子が正孔に向かって落ち込むときに光が出ます。

　用途としては、半導体励起固体(DPSS)レーザの励起光、ガスセンシング、バーコードリーダーおよびレーザーポインター、ディスクの読み取り・記録、光ファイバ通信、材料加工など多岐にわたっており、半導体レーザ(LD)は最も幅広く使われているレーザです。

■半導体レーザ(レーザーダイオード)の発光の仕組み

　半導体レーザの基本的な構造は図1のようになっています。活性層（発光層）をn型とp型のクラッド層で挟んだ構造（ダブルへテロ構造）がｎ型基板上に作られており、電極から電流を流せます。活性層の端面は光が反射するようになっています。順方向に電圧をかけると n型クラッド層から電子が、p型クラッド層からホールが活性層に流入し、活性層内で再結合して発光します。この光はまだレーザ光ではありませんが、クラッド層の屈折率が活性層より低いので光は活性層に閉じこめられ、また、活性層の両端面が反射鏡の役目をするので光は活性層内を増幅されながら往復して誘導放出（位相の揃った強い光が発生する現象）を生じてレーザ発振が起こります。活性層内を光が往復して誘導放出が起こるかどうかがLDとLEDの違いで、LEDの場合は発光した光がそのまま外部に放出されます。

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図1.半導体レーザの基本的な構造

■半導体レーザ(レーザーダイオード)の発光波長(スペクトル)

　半導体レーザの発光波長は、基本的には活性層にする半導体のバンドギャップエネルギーで決まります。しかしながら、レーザのスペクトルを細かくみるとLDのタイプにより違いがあります。

●ファブリペロー(FP)型半導体レーザ　　 →FP-LD光源製品リストへ

　最もシンプルな構造のレーザーダイオードで、CD、DVD、BDなどの光ピックアップ、レーザプリンタ、ファイバレーザの励起など多くの用途に使われています。特徴は、図1のように活性層の反射面にレーザ結晶の劈開面が利用されていることです。結晶の劈開面は非常にきれいで反射ミラーとして利用できます。レーザ光の波長は基本的に活性層のバンドギャップエネルギーで決まりますが、実際はある程度幅があるため図2のように複数の波長で発振します。複数波長で発振することは、光通信の信号光源として利用する際には弱点となります。光ファイバでデジタル信号を送る場合信号波形が広がってエラーが発生するためで長距離通信には利用できません。

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図2.ファブリペロー(FP)型LD

●DFB型半導体レーザ　　 →DFB-LD光源製品リストへ

　DFBレーザ (Distributed FeedBack Laser)は一つの波長しかでないレーザです。その仕組みは活性層とクラッド層の境界に回折格子を作ることです。回折格子により回折格子幅の2倍の波長の光が強めあって選択的に増幅されレーザ発振するので単一波長のレーザになります。単一波長のDFBレーザーダイオードを信号源として使うと信号波形の劣化が小さいので長距離・大容量光通信で利用されています。(図3. 参照)

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図3.DFB型LD

●FBG波長安定化半導体レーザ　　 →FBG-LD光源製品リストへ

　DFBレーザは単一波長で発振する優れたレーザですが、製造が難しいため高価です。より安価で単一波長発振するレーザにFBGを使って波長を安定化するレーザがあります。図4は構造の概略です。このレーザーダイオードではHRコート(高反射コート)した活性層端面と光ファイバに書き込まれた低反射率のFBG(Fiber Bragg Grating)でレーザキャビティを構成します。図4では光ファイバのコアだけを描いてあります。活性層のもう片端と光ファイバの入射端面は光を反射しないようにARコート(無反射コート)してあります。また、光ファイバの入射端は集光のためレンズになっています。FBGはファイバ内に作られた回折格子で特定波長の光のみを反射しますので、活性層で発生した光の内特定の1波長だけがキャビティを往復して誘導放出を起こし、低反射率のFBG側からレーザ光が出射します。

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