レーザーダイオードとは何か
レーザーダイオードとは何か？
レーザーダイオードの定義
レーザーダイオードは、電流を注入することでレーザー光を生成するダイオードです。これは、中間に追加の本質層が配置されたp-n接合部から成り、p-i-n構造を形成します。本質層は、電子と正孔が再結合して光を生成する活性領域です。
p型およびn型領域は、過剰キャリアを作り出すために不純物で重くドープされていますが、本質層は未ドープまたは軽くドープされており、光学増幅を可能にします。本質層の端には反射材料がコーティングされ、一方は完全反射、もう一方は部分的に反射し、光を閉じ込め、誘導放出を強化する光学空洞を形成します。
誘導放出は、入射した光子が励起状態にある電子を低いエネルギー準位に落とし、入射光子と同じ周波数、位相、偏光、方向を持つ別の光子を放出するときに起こります。このようにして、空洞内の光子数は指数関数的に増加し、部分的に反射する端から出力される一貫性のある光ビームが生成されます。
レーザー光の波長は、半導体材料のバンドギャップと光学空洞の長さによって変化し、赤外線から紫外線まで電磁スペクトル全体での発光が可能です。
動作メカニズム
レーザーダイオードは、p-n接合部に順方向バイアス電圧を適用することにより動作します。これによりデバイス内に電流が流れ、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が本質層に注入され、ここで再結合して光子としてエネルギーを放出します。
これらの一部の光子はランダムな方向に自発放出されますが、他の光子は空洞内の既存の光子によって誘導され、それらと同期して放出されます。誘導された光子は反射端の間を行き来し、さらなる誘導放出を引き起こし、励起状態の電子が非励起状態の電子よりも多くなる逆転分布を生成します。
逆転分布が閾値レベルに達すると、伝送または吸収による光子損失率と誘導放出率が等しくなり、安定したレーザー出力が得られます。レーザーダイオードの出力パワーは、入力電流とデバイスの効率に依存します。
出力パワーはデバイス温度に依存しており、高い温度では効率が低下し、閾値電流が上昇するため、最適な性能を得るためには冷却システムが必要です。
レーザーダイオードの種類
レーザーダイオードは、その構造、動作モード、波長、出力パワー、用途に基づいて分類されます。一般的なタイプには以下のものがあります：
単一モードレーザーダイオード
多モードレーザーダイオード
マスターオシレーターパワーアンプ（MOPA）レーザーダイオード
垂直空洞表面放射レーザー（VCSEL）ダイオード
分散フィードバック（DFB）レーザーダイオード
外部空洞ダイオードレーザー（ECDLs）
レーザーダイオードの応用
光学記録
光学通信
光学スキャン
光学センシング
光学表示
光学手術
レーザーダイオードの利点
コンパクトなサイズ
低消費電力
高効率
長寿命
汎用性
レーザーダイオードの欠点
温度感度
光学フィードバック
モードホッピング
コスト
まとめ
レーザーダイオードは、誘導放出プロセスを通じて一貫性のある光を生成する半導体デバイスです。これはLEDと似ていますが、より複雑な構造と高速な応答時間を特徴としています。
レーザーダイオードは、中間に追加の本質層が配置されたp-n接合部から成り、p-i-n構造を形成します。本質層は、電子と正孔が再結合して光を生成する活性領域です。
レーザーダイオードは、p-n接合部に順方向バイアス電圧を適用することにより動作します。これによりデバイス内に電流が流れ、n型領域からの電子とp型領域からの正孔が本質層に注入され、ここで再結合して光子としてエネルギーを放出します。
これらの一部の光子はランダムな方向に自発放出されますが、他の光子は空洞内の既存の光子によって誘導され、それらと同期して放出されます。誘導された光子は反射端の間を行き来し、さらなる誘導放出を引き起こし、励起状態の電子が非励起状態の電子よりも多くなる逆転分布を生成します。
逆転分布が閾値レベルに達すると、伝送または吸収による光子損失率と誘導放出率が等しくなり、安定したレーザー出力が得られます。レーザーダイオードの出力パワーは、入力電流とデバイスの効率に依存します。
レーザー光の波長は、半導体材料のバンドギャップと光学空洞の長さによって変化します。レーザーダイオードは、赤外線から紫外線まで電磁スペクトルのさまざまな領域で光を生成できます。
レーザーダイオードは、その構造、動作モード、波長、出力パワー、用途に基づいて分類されます。一般的なタイプには、単一モードレーザーダイオード、多モードレーザーダイオード、マスターオシレーターパワーアンプ（MOPA）レーザーダイオード、垂直空洞表面放射レーザー（VCSEL）ダイオード、分散フィードバック（DFB）レーザーダイオード、外部空洞ダイオードレーザー（ECDLs）などがあります。
レーザーダイオードは、コンパクトなサイズ、低消費電力、高効率、長寿命、汎用性などの利点により、様々な分野で広く応用されています。その応用例には、光学記録、光学通信、光学スキャン、光学センシング、光学表示、光学手術などがあります。
しかし、レーザーダイオードには温度感度、光学フィードバック、モードホッピング、高コストなどの欠点もあります。
