レーザーダイオードとは
レーザーダイオード (英: laser diode) とは、半導体の再結合発光利用した光です。
再結合発光とは、電子の抜けた穴 (正孔) と電子が接合部で出会い、お互いが持っていた余分なエネルギーが光となって発光することです。
レーザーダイオードの光は、単一波長で位相が揃ったレーザー光であり、半導体レーザーとも呼ばれてLDと表記します。半導体レーザー光の色は半導体の構成元素により決まります。例えば、InGaNは紫外から緑色 (380～540nｍ) 、AlGaInPは赤色 (620～700nm) 、InGaAsPは赤外光となります。それぞれの基板はInGaNは「GaN」、AlGaInPは「GaAs」、InGaAsPは「InP」です。
LEDは半導体レーザーと同じように光を放ちますが、半導体レーザーに比べ光の位相や波長の幅にばらつきがあります。つまり半導体レーザーはLED (発光ダイオード) と異なり、「誘導放出」と呼ばれる原理に基づいて光を放つため、位相の整った強い光を発射することが可能になります。
レーザーダイオードの使用用途
レーザーダイオードは民生用機器で広く用いられます。その理由は、サイズが小型で大量生産が可能なため製造コストが低く押さえることができるためです。
情報機器では、CDやDVDやBD等の光学ドライブの光ピックアップ、コピー機やレーザープリンター、光ファイバーを用いた通信機器などに利用されます。また、高出力なものではレーザーマーカーやレーザー加工機などにも応用されています。
他にもレーザー光のもつ拡散しにくく遠距離まで届くという性質を用いて、測量機器や物を指し示すレーザーポインターとしても利用されており、低出力赤色半導体レーザー素子の小型化・低価格化とともに大きく普及しました。
レーザーダイオードの原理
レーザーダイオードは、電圧印加により正孔 (電子の抜けた穴) と電子が再結合して光が放出されます。
その際、放出された光子が引き金となり、別の電子も正孔と次々と再結合することで光子を放出するため、発生した光は同じ位相、同じ波長の光となります。光の波長が常に一定であるため、バーコードリーダーやレーザーポインター、光ファイバー通信など、一定の光量が必要な場面に用いられています。
レーザーダイオードのその他情報
1. レーザーダイオードの仕様
レーザーダイオードの仕様を理解するためにはL/I曲線を利用します。この曲線を用いることで出力される光強度に対して供給される駆動電流を記録しておくことができるようになります。
この曲線はレーザーでの動作点 (定格発光出力での駆動電流) 及び閾値電流 (レーザーの発振開始電流) を決定するために使用されており、特定の電流で高出力を得るのに必要な電流を決定するためにも使用されています。
この曲線図を読むことで光出力は温度に大きく依存しており、温度が上昇するとレーザー特性も低下することが分かるようになっています。このことからL/I曲線を取り入れることでレーザーダイオードの効率を視覚化し、推定することが可能になっています。
2. レーザーダイオードと発光ダイオードの違い
発光ダイオードは光の位相が揃っていないため放射状に拡散することが特徴です。それに対してレーザーダイオードは位相が揃うため直線的な光線になります。
発光ダイオードでは発光層の面が広いためコア系の小さなファイバに入射しにくい特性があります。一方で、レーザーダイオードは発光層が狭いがコア系の小さな光ファイバには入射しやすいという特徴を備えています。
レーザーダイオードでは電圧印加により正孔と電子が再結合して放出された光子が引き金となり、別の電子も正孔と次々と再結合することで光子を放出 (誘導放出) します。そのために発生した光は同じ位相、同じ波長の光となります。これに対して発光ダイオードで発生される光は位相や波長がバラついた様々な光となります。
3. レーザーダイオードの寿命
レーザーダイオードの平均寿命は動作環境 (動作温度、静電気、電源でのサージ) によって異なり、一般的には10,000時間と言われます。ここでは平均寿命に影響する動作環境要因のうち、動作温度について説明します。
まず動作温度の影響では動作温度が10℃上昇すると寿命が半分に減少するといわれており、最大動作温度を超えて上昇が続く場合はレーザーダイオードが損傷したり、長期的なパフォーマンスが低下したりする可能性が大きくなっていくことが分かっています。したがって、発熱による影響を極力避けるため、製品内部の熱を外へ逃がす目的としてヒートシンク (放射板) を使用することが推奨されます。
参考文献
https://www.fiberlabs.co.jp/tech-explan/about-ld/
https://www.fiberlabs.co.jp/tech-explan/about-led/
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/laser-diodes/ld_what1
https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/diode/laser-diode-specifications-parameters.php