半導体レーザー

半導体レーザーは、ダイレクトバンドギャップ半導体材料からなるPn接合やPin接合を作用物質とする小型レーザーです。半導体レーザー加工材料は数十種類あります。レーザー化された半導体材料には、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、アンチモン化インジウム、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化鉛、テルル化鉛、ヒ化アルミニウムガリウム、リンインジウム、ヒ素などがあります。レーザーには、電気注入型、光ポンプ型、高エネルギー電子ビーム励起型があります。ほとんどの半導体レーザーの励起方法は、電気的注入です。つまり、Pn 接合に順方向電圧を印加して、接合面領域で誘導放出を発生させます。つまり、順方向バイアス ダイオードです。したがって、半導体レーザーは半導体レーザーダイオードとも呼ばれます。半導体の場合、電子は離散的なエネルギー準位ではなくエネルギーバンド間で遷移するため、遷移エネルギーは明確な値ではなく、半導体レーザーの出力波長は広範囲に広がります。範囲で。それらが発する波長は 0.3 ～ 34 μm です。波長範囲は、使用する材料のエネルギー バンド ギャップによって決まります。最も一般的なのは AlGaAs ダブル ヘテロ接合レーザーで、出力波長は 750 ～ 890 nm です。

半導体レーザー加工技術は、拡散法から液相エピタキシー（LPE）、気相エピタキシー（VPE）、分子線エピタキシー（MBE）、MOCVD法（金属有機化合物蒸着）、化学ビームエピタキシー（CBE）まで経験してきました。およびそれらのさまざまな組み合わせ。半導体レーザーの最大の欠点は、レーザー性能が温度に大きく影響されることと、ビームの発散角が大きい (一般的に数度から 20 度の間) ため、指向性、単色性、コヒーレンスに劣ることです。しかし、科学技術の急速な発展に伴い、半導体レーザーの研究は深さ方向に進んでおり、半導体レーザーの性能は常に向上しています。 21世紀の情報化社会において、半導体レーザーを核とした半導体オプトエレクトロニクス技術はますます進歩し、より大きな役割を果たします。

半導体レーザーはどのように機能しますか?

半導体レーザーはコヒーレント放射源です。レーザー光を生成するには、次の 3 つの基本的な条件が満たされている必要があります。

1. 利得条件: レーザー媒質 (活性領域) 内のキャリアの反転分布が確立されます。半導体では、電子エネルギーを表すエネルギーバンドは、連続に近い一連のエネルギーレベルで構成されています。したがって、半導体では反転分布を達成するために、高エネルギー状態の伝導帯の下部にある電子の数は、低エネルギー状態の価電子帯の上部にある正孔の数よりもはるかに大きくなければなりません。 2 つのエネルギー バンド領域の間の状態。ヘテロ接合は、必要なキャリアを活性層に注入するために順方向にバイアスされ、より低いエネルギーの価電子帯からより高いエネルギーの伝導帯に電子を励起します。誘導放出は、反転分布の状態にある多数の電子が正孔と再結合するときに発生します。

2. 実際にコヒーレントな誘導放射を得るためには、誘導放射を光共振器内で複数回帰還させてレーザー発振させる必要があります。レーザー共振器は、半導体結晶の自然劈開面を鏡として形成され、通常は発光しない端部を高反射多層誘電体膜でコーティングし、発光面を反射防止膜でコーティングします。反射フィルム。 F-p共振器（ファブリペロー共振器）半導体レーザの場合、p-n接合面に垂直な結晶の自然劈開面を利用することでF-p共振器を容易に形成することができます。

3. 安定した発振を形成するためには、共振器による光損失や共振器面などからのレーザ出力による損失を補償し、連続的に発振するために、レーザ媒質は十分大きなゲインを提供できる必要があります。キャビティ内の光学フィールドを増加させます。これには、十分に強い電流注入が必要です。つまり、十分な反転分布があり、反転分布の程度が高いほど、得られるゲインが大きくなります。つまり、特定の電流しきい値条件を満たす必要があります。レーザーがしきい値に達すると、特定の波長の光がキャビティ内で共鳴して増幅され、最終的にレーザーを形成して連続的に出力されます。半導体レーザーでは、電子と正孔の双極子遷移が発光と光増幅の基本過程であることがわかります。現在、新しい半導体レーザーの基本は量子井戸であると認識されています。半導体レーザー開発の原動力。量子細線と量子ドットが量子効果を最大限に活用できるかどうかは、今世紀まで延長されています。科学者は、自己組織化構造を使用してさまざまな材料で量子ドットを作成しようと試みており、GaInN 量子ドットは半導体レーザーで使用されています。

半導体レーザー開発の歴史

1960 年代初頭の半導体レーザーはホモ接合レーザーであり、1 つの材料で製造された pn 接合ダイオードでした。順方向大電流注入では、ｐ領域に電子が連続的に注入され、ｎ領域に正孔が連続的に注入される。したがって、元のｐｎ接合空乏領域でキャリア分布の反転が実現される。電子の移動速度は正孔の移動速度よりも速いため、活性領域で放射と再結合が起こり、蛍光が放出されます。レージング、パルスでのみ機能する半導体レーザー。半導体レーザーの開発の第 2 段階はヘテロ構造半導体レーザーであり、これは GaAs と GaAlAs などの異なるバンド ギャップを持つ半導体材料の 2 つの薄い層で構成され、シングル ヘテロ構造レーザーが最初に登場しました (1969)。単一ヘテロ接合注入レーザー (SHLD) は GaAsP-N 接合の p 領域内にあり、ホモ接合レーザーよりも 1 桁低いしきい値電流密度を低減しますが、単一ヘテロ接合レーザーはまだ連続動作できません。室温。

1970 年代後半以降、半導体レーザーは明らかに 2 つの方向に発展してきました。1 つは情報を送信するための情報ベースのレーザーであり、もう 1 つは光パワーを高めるためのパワーベースのレーザーです。励起固体レーザー、高出力半導体レーザー（連続出力100mw以上、パルス出力5W以上のものを高出力半導体レーザーと呼べる）などの用途で駆動。

1990年代に入ると、半導体レーザーの出力が飛躍的に向上し、海外ではキロワット級の高出力半導体レーザーが実用化され、国内の試作機の出力は600Wに達するなど、飛躍的な進歩を遂げました。レーザー帯域の拡大という観点からは、まず赤外半導体レーザー、続いて670nmの赤色半導体レーザーが広く使用されました。その後、波長650nm、635nmの登場とともに、青緑色、青色光の半導体レーザーも次々と開発に成功。 10mW台の紫外、さらには紫外半導体レーザーも開発されています。面発光レーザーや垂直共振器型面発光レーザーは 1990 年代後半に急速に発展し、超並列オプトエレクトロニクスへのさまざまな応用が検討されてきました。 980nm、850nm、および 780nm デバイスは、光学システムですでに実用化されています。現在、ギガビットイーサネットの高速ネットワークでは垂直共振面発光レーザが使用されています。

半導体レーザーの応用

半導体レーザーは、より早く成熟し、より速く進歩するレーザーのクラスです。波長範囲が広く、製造が容易で低コスト、大量生産が容易であり、小型、軽量、長寿命であることから、品種や用途の開発が急速に進んでいます。その範囲は広く、現在300種以上。

1.産業および技術への応用

1) 光ファイバー通信。半導体レーザーは光ファイバー通信システムの唯一の実用的な光源であり、光ファイバー通信は現代の通信技術の主流となっています。

2) ディスクアクセス。半導体レーザーは光ディスクのメモリーに使われており、その最大の利点は、大量の音声、文字、画像情報を保存できることです。青と緑のレーザーを使用すると、光ディスクの記憶密度を大幅に向上させることができます。

3) スペクトル分析。遠赤外線チューナブル半導体レーザーは、周囲のガス分析、大気汚染の監視、自動車の排気ガスなどに使用されています。業界では、蒸着プロセスの監視に使用できます。

4) 光情報処理。半導体レーザーは、光情報システムで使用されています。面発光半導体レーザーの 2 次元アレイは、コンピューターや光ニューラル ネットワークで使用される光並列処理システムの理想的な光源です。

5) レーザー微細加工。 Qスイッチ半導体レーザーによって生成された高エネルギーの超短光パルスの助けを借りて、集積回路を切断したり、穴を開けたりすることができます.

6) レーザーアラーム。半導体レーザー警報器は、防犯警報器、水位警報器、車間距離警報器など幅広く使用されています。

7) レーザープリンター。レーザープリンターには高出力の半導体レーザーが使われています。青と緑のレーザーを使用すると、印刷速度と解像度が大幅に向上します