【半導体工学】半導体レーザー (LD)の仕組み

エンジニア兼研究者のnavy engineerです.
普段は半導体関係の研究をしています♪
研究のかたわら,Web制作や勉強したことをブログに書いてます.
このブログでわからないことが少しでもわかっていただけたら嬉しいです!

navy engineerをフォローする
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.

スポンサーリンク

半導体レーザー (LD)とは

 半導体レーザー (LD)は,レーザー発振するダイオードです.レーザーの光はLEDや太陽光などとは,性質が違います.レーザーの光は波長 (色),位相がそろっている特徴があります.

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.

図1 自然放出と誘導放出

 自然放出は電子と正孔が再結合する際,余ったエネルギーによって生じる光の放出です.誘導放出は伝導帯の電子と価電子帯の正孔が多い場合に,バンドギャップと近いエネルギーの光が入射されて,それに近いエネルギーの光が生じる放出です.半導体レーザーはこの自然放出と誘導放出を利用して,光を放出します.

 図2に半導体レーザーの構造を示します.

図2 半導体レーザーの構造

 半導体レーザーはLEDと同様,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します.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します.それによって,光が増幅されます.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.

 主に誘導放出で光を作るため,放出される光は波長,位相,偏波面がそろっています.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.

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

 LEDは電流が大きくなるにつれ光を放出します.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.

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ます.多くの場合は邪魔になりますが,スペックルを利用する技術もあります.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例を以下に示します.

  • 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

【基礎から学ぶ】半導体工学まとめ!に戻る

コメント

タイトルとURLをコピーしました