半導体レーザーとは? 半導体レーザーの仕組みと関連おすすめ製品をご紹介

半導体レーザーとは?  半導体レーザーの仕組みと関連おすすめ製品をご紹介
半導体レーザーは様々な用途で用いられている、半導体を活用したレーザーの一種です。私たちの生活圏においては、CD・DVD・BD等の光ディスクへの「読み込み」に用いられているのが一般的にはイメージがしやすいかもしれません。この記事では、半導体の概要や用途例の他に、光通信に用いられている2種類の半導体レーザー(FBレーザー / DFBレーザー)についてご紹介しています。

半導体レーザーとは?

半導体レーザーとは?

半導体レーザーとは、媒質として半導体を活用したレーザーの一種のことを指します。レーザーダイオードと呼ばれることもあり、一般的には半導体レーザー・レーザーダイオードのどちらも同じ製品のことを意味しています。近年では半導体レーザーの出力効率・露光効率が向上しており、照明やディスプレイにも活用されるなど、様々な分野への適用が期待されているレーザーです。

半導体レーザーの仕組み

半導体レーザーは、電流を流すことによってレーザーを発振させます。

基本的な構造は「活性層」を「P型クラッド層」と「N型クラッド層」が挟んだダブルヘテロ構造と呼ばれる形が基板上に作られています。N型クラッド層にマイナス、P型クラッド層には+となるように電極を繋ぐことで、電極から電流を流すことができます。N型クラッド層からは電子、P型クラッド層からは正孔が活性層に流れ込んでいきますが、正孔は電子が不足した状態です。そのため、正孔は活性そうで電子と結びつく「再結合」が発生します。

再結合が行われると高いエネルギーを持っていた電子はそのエネルギーを失い、失われたエネルギーは光に変換されます。これが半導体レーザーにおける露光の仕組みです。

半導体レーザーの用途例

半導体レーザーは様々な用途で活用されますが、その機能ごとによって分類をすると以下の9つに分類できます。

読み込み

CD・DVD・BD等の光ディスクへの読み込み

記録

CD・DVD・BD等のディスクへの記録

加工

材料の溶接や切断加工

医療

レーザー照射による治療

感光

レーザープリンター・複合機など

通信

PC・スマートフォンなどの光通信

照明

レーザー顕微鏡・ポインティングマーカ・プロジェクター・墨出し器など

測定

道路距離測定・車間距離測定・建造物の高さ測定など

感知

ガスセンシング・ダスト管理・レーザーマウス・光スイッチなどのセンサ機能

光通信に用いられる2種類の半導体レーザー技術

光通信には「FBレーザー」と「DFBレーザー」の2種類の半導体レーザーが使い分けられています。

光通信に用いられる2種類の半導体レーザー技術

FBレーザー

FBレーザーはファブリーペロレーザーと呼ばれる半導体レーザーです。FBレーザーはシンプルな構造の半導体レーザーあり、光通信以外の用途でも用いられます。

DFBレーザーと比較されることも多いのですが、FBレーザーは単一でのレーザー発信が困難であるため、光通信用途よりもCD・DVD・BD等の読み込み/記録やプレンター等の観光に向いているレーザと言えます。

DFBレーザー

長距離の光通信には向いていないFBレーザーと比較して、DFBレーザーは単一の波長のみレーザー発振することが可能であるため、長距離かつ高速が求められる光通信に適しています。DFBレーザーの構造はN型クラッド層に「回折格子」と呼ばれるギザギザがあり、この回折格子に光が当たることで光みが増幅されます。この構造によって単一でのレーザー発振が可能となっています。

半導体レーザーの寿命

半導体レーザーの寿命

半導体レーザーには寿命があり、寿命を迎えても使用を続けると電気デバイス自体が使えなくなります。

半導体レーザーの寿命は動作環境・波長・出力の仕様によって異なりますが、平均的には10,000時間であると言われています。しかし、動作環境との関係によって最大半分の時間まで寿命は縮小されてしまいます。

寿命が減少する動作環境として意識すべきポイントは「温度(10℃以上)」「電源ノイズ」「静電気」などが上げられ、これらは半導体レーザーの寿命に関わってくるため気をつけて動作環境を選択するようにしましょう。

さいごに

今回は半導体レーザーについてご紹介しました。ダブルヘテロ構造による半導体レーザーが露光する仕組み、9つの用途例、光通信に用いられる2種類の半導体レーザーの技術、そして半導体レーザーの寿命について、それぞれご紹介しています。

エボルトでは半導体レーザーに関連する装置を含め、様々な半導体関連のおすすめ製品をご紹介していますので、ぜひ参考にしてみてください。

【半導体レーザー】関連おすすめ製品

株式会社QDレーザ

高精度センシング用半導体レーザ

製品画像

高精度センシングを可能にする ・バイオメディカル用小型可視レーザ/小型マルチカラーレーザ光源 ・産業用高出力シングルモードFPレーザ ・超高精度LiDAR用DFBレーザ

近年、様々な測定機器の光源にレーザが使用されています。

バイオメディカル分野では細胞分析装置として、フローサイトメータや蛍光顕微鏡等の需要が高まり、装置の高性能化・小型化が進んでいます。同装置に使用される波長帯561、594 nmのレーザは、半導体レーザ単体では得られない波長帯の為、非線形結晶による波長変換技術を用いたレーザが使用されています。当社では独自の技術を用いた半導体レーザ素子と非線形結晶を小型パッケージに実装した532、561、594 nm 小型可視レーザの開発・生産を行っています。単一波長発振と高い光出力安定性により、測定対象の検出感度・分解能向上が期待できます。
また、任意の4波長を単一のSMファイバから同時出力が可能な小型マルチカラーレーザ光源は、小型、低消費電力、高い光出力安定性が特長で、フローサイトメータや蛍光顕微鏡、眼科検査装置等のバイオメディカル用途に適しており、お客様の製品の設計自由度向上・高機能化に貢献いたします。

産業分野ではマシンビジョンやパーティクルカウンタ等の光源として、可視から近赤外帯域のFPレーザが使用されています。レーザ光を短パルス/高ピーク化する事で、長距離センシングを可能にします。当社では様々な駆動条件で信頼性試験を実施し、その蓄積された試験データから、CWだけでなく、高出力ナノ秒パルス駆動においても信頼性を保証しています。

地形観測等の超高精度LiDARにはナノ秒パルスが適しており、かつ高い安定性も求められます。パルス波形の乱れ、光出力の安定性が低い場合、信号対雑音費が悪化し、検出感度の低下を招きます。当社は、このような用途に最適な、波形が綺麗で光出力安定性の高い1064 nm帯DFBレーザを提供いたします。

詳細を見る

南海モルディ株式会社

青色半導体レーザー2Kw

製品画像

国内最大出力の効果を、従来技術とご比較ください。

レーザーライン社の青色半導体レーザー2Kwの発振器及びハイブリッド光学系の組み合わせで御試作や設備御相談を承ります。(スポット径は0.6mm etc)
青色波長のレーザーは、銅や銀、金に対するレーザー光吸収率が良いため、銅と銅のみならず、銅と異素材の接合に有効です。バスバーやピンの溶接など、板厚でいうと2mm厚程度まで対応が可能です。
また他工法に比較して、スパッタが少ない施工が可能となっているのが特長で、よりピンポイント溶接、低歪み溶接に向いた工法といえます。

詳細を見る

株式会社QDレーザ

微細加工ファイバレーザ種光用 ピコ秒/ナノ秒/CW DFBレーザ

製品画像

高信頼・高品質のファイバレーザ種光用DFBレーザ (波長:1024-1120nm、1180nm)

当社の1000nm帯DFBレーザは、豊富な波長かつ多彩なパルス幅の製品ラインナップが特長で、微細加工用レーザ、LiDAR、検査用光源など様々な用途の種光源に適しており、お客様のオンリーワン製品の創出に貢献いたします。

ファイバレーザ等の種光に使用されるDFBレーザは、パルスに裾引きやセカンドピークがあると、ファイバレーザのパルス品質に影響を及ぼします。微細加工用レーザのパルスに裾引きや波形の乱れが含まれている場合、加工対象に熱が残留してしまいシャープな加工形状が得られません。

当社の1000nm帯DFBレーザは、ナノ秒のパルス生成やGHz級の直接変調が可能ですが、さらに短い電気パルスを注入してゲインスイッチ動作させる事で外部変調器を用いることなく、ピコ秒でかつセカンドピークのない単峰性の短パルスを発生させることも可能です。
お客様の用途とご要望に対して、最適な波長、パルス幅、パルス波形のDFBレーザを提供いたします。

詳細を見る

この記事に関連するオンライン展示会