【半導体工学】半導体レーザー (LD)の仕組み

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工学

半導体レーザー (LD: Laser Diode)はレーザー発振するダイオードで,波長や位相が揃った光を放出する素子です.本記事では半導体レーザー (LD)の仕組みを解説していきます.

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半導体レーザー (LD)とは

仕組み

半導体レーザーの仕組みについて解説していきます.まず半導体における光の放出は図1のように自然放出誘導放出があります.自然放出は電子と正孔が再結合する際に生じる光の放出です.誘導放出は伝導帯に多くの電子と価電子帯に多くの正孔がある状態に,バンドギャップとほとんど同じエネルギーを持つ光を入射した際に,入射した光と同じ波長 (エネルギー)の光の放出です.また誘導放出を催すために伝導帯に多くの電子と価電子帯に多くの正孔がある状態にする必要があります.半導体レーザーはこの自然放出と誘導放出を利用して光を放出する半導体素子です.

図1 自然放出と誘導放出

図2に半導体レーザーの構造を示します.半導体レーザーはLED同様に発光効率を上げるためによりバンドギャップの小さい活性層を持ちます.半導体レーザーはこの活性層が発光する層になります.電流を流すと自然放出が起き,光共振器 (キャビティ)と呼ばれる反射面で放出された光が反射を繰返して誘導放出をくり返すことで光が増幅されていきます.そして片面の反射面の反射率を下げることで片方のみから光が放出されます.また放出される光は波長,位相,偏波面が同じであり,この性質をコヒーレンスといいます.ヒーレンスだと光が干渉して縞模様ができたりする性質を持ちます.実際は放出される光は一つの波長のみではないため,回折格子を設けることで一波長のみを放出させることが行われます.

図2 半導体レーザーの構造

図3に半導体レーザーとLEDの電流-光出力特性とスペクトル形状を示します.LEDは電流が大きくなるにつれ光を放出しますが,半導体レーザーは電流が小さいときは自然放出のみで出力が小さいですが,あるしきい値を超えると誘導放出が急激に増えて光出力が大きくなります.半導体レーザーのスペクトル形状を見ると,しきい値以下だと自然発光のみでスペクトル形状は広がってますが,しきい値を超えるとスペクトル形状はよりシャープになります.

図3 半導体レーザーとLEDの電流-光出力特性とスペクトル形状

スペックル

レーザーは放出される光が波長,位相,偏波面が同じでコヒーレンスであるため,レーザーを紙や金属などの粗い面に照射すると光が干渉して斑点の模様ができます.これをスペックルといい,場合によっては邪魔になりますし,逆にスペックルを利用したりもするため,レーザーを利用する場合はこのスペックルを考慮する必要があります.

応用

半導体レーザーの応用としては以下のようなものがあります.

  • CD,DVDなどのメディアの読取り
  • 光ファイバによる通信
  • レーザーポインタ
  • センシング
  • 材料加工
  • スペックルを利用した計測

まとめ

  • 半導体レーザー (LD):波長や位相が揃った光を放出する素子
  • 光共振器 (キャビティ):鏡面で光を閉じ込めて定常波を作る機器
  • コヒーレンス:同じ波長,位相,偏波面を持つ光の性質
  • スペックル:コヒーレンスな光が干渉して生じる斑点の模様

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