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技術・品質情報

半導体レーザ

概要

レーザは「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭文字で、「放射の誘導放出による光の増幅」という意味になり、レーザ光の発光原理を言葉にしたものです。自然界にある光は、波が不連続で波長が揃っていないという、かなり乱れた状態で存在しています。一方、光の波として性質を生かし、波の位相と波長を揃えた人工の光これが「レーザ」です。レーザ光は、指向性・干渉性・単色性に優れ高いエネルギー密度をもっています。このため太陽光や電灯の光などの自然光とは異なり、あまりひろがらずに遠くまで直進するという特性を持っています。

図:概要

特長

  • 応答速度が速い
  • 低消費電力
  • 集光性が良い
  • 光の直進性が良い
  • 小型軽量
  • 単色性に優れている

用途

  • CD/DVD装置の光ピックアップ
  • レーザビームプリンタ/光通信/レーザポインタ等

図:用途

原理

半導体レーザは基本的には発光ダイオードと同じ「PN接合」でできており、活性層(発光層)をN型とP型のクラッド層ではさんだ構造(ダブルヘテロ構造)をしています。 このPN接合のエネルギー準位をポンピングに使って次のようにレーザ光を発光させます。

  • レーザに順方向電圧をかけるとN型領域から電子-が、 P型領域から正孔+(ホールが活性層に流入する)。
  • これらの電子とホールは活性領域内で結合し、その際のエネルギーで自然放出光が発生する(レーザ光ではない)。
  • この自然放出光が次の電子とホールの再結合を促す(誘導放出)。
  • 活性層の端面が反射鏡の役目をするので、光は活性層内を往復し誘導放出と光増幅が行われる。
  • ここで注入電流をある程度以上大きくすると、レーザ発振がおこりレーザ光が放射される。

図:原理

構造

シャープ半導体レーザは独自の「VSIS構造」をとっています。

VSIS構造とは

  • 従来の半導体レーザにV型の溝を作り、電流を流す領域を絞り込むことによって、効率的にレーザ光を取り出します。
  • 従来のN型ガリウム・砒素基板に替えて、電流をブロックする効果が高いP型のガリウム・砒素基板を使用します。

図:構造

特性について

半導体レーザに流す電流(順電流)と、光出力の関係は右図のようになります。 電流を少しずつ流してゆくと、レーザは少しずつ光ってきますが、初めのうちはレーザ光ではなく、LEDの光が出てきます。ところがある所で急に光出力が大きくなり、レーザ発振が開始されます。 このレーザ発振が始まる電流を発振開始電流といいます。この値を超えた後の電流に対する出力の変化は極めて急激ですが、この電流に対する出力の変化率を微分効率といいます。
半導体レーザは定格以上の光出力で動作させると、短時間に破壊することがあり、出力が出過ぎないよう注意する必要があります。また半導体レーザの特性(特に光出力)は動作温度により大きく変化し、温度が上がると同じ動作電流のままでは光出力がダウンします。 このため、レーザに内蔵されたフォトダイオードの電流(モニタ電流)を検出して出力を一定に保つようにします。

図:光出力と順電流特性

ホログラムレーザ

(1)ホログラムの原理
ホログラムとはガラスなどの表面に細かい溝を多数刻んだ、いわゆる回析格子の一種です。この溝のパターンにより、その表面にあたった光ビームの進行方向をある角度で曲げたり、レンズ作用を持たせたりすることが出来ます。

ホログラムの原理

ホログラムの境界面を通過した光は、 回折作用により複数のビームに分離される。 この複数のビームの中から必要なものを 使用すればよい。

(2)ホログラムレーザユニットの構造と動作
このホログラム技術を半導体レーザに応用したものが、ホログラムレーザユニットです。 ホログラムレーザユニットはまずCDプレーヤ用として考えられましたが、その目的はディスクからの信号読み出し機構の簡単化、小型・軽量化にありました。
原理的には、従来の方式では光の方向を変えるためにプリズムを使っていたのをホログラム素子に置き換えたものですが、これが光学系の大幅な簡素化をもたらしました。
構造的には信号検出用のフォトダイオードがレーザと同一のパッケージにおさまり、この点でも部品点数を削減しています。

ホログラムレーザユニットの動作としては、

  1. ①レーザーチップから出たレーザ光はホログラムをまっすぐに通過してディスク面に達します。
  2. ②ディスク面で反射し、信号をもったレーザ光は同じ道を帰ってきます。
  3. ③レーザ光はホログラムの刻み目によって曲げられ、信号検出用のフォトダイオードに達し、電気信号に変換されて取り出されます。

特性について

用語 解説
単一電源タイプ・
二電源タイプ
単一電源タイプとは内蔵の光出力モニタ用フォトダイオードの極性がレーザと逆になっているもので、半導体レーザの電源を利用してフォトダイオードに逆バイアスをかけることができるものです。 これに対して二電源タイプとはフォトダイオードの極性がレーザと同じであるため、フォトダイオードに逆バイアスをかけるにはもう一電源必要となるものです。
二電源タイプ・単一電源タイプ
ドループ 比較的時間の長い矩形波パルス電流でレーザを駆動した際、光出力が数msecの時間経過とともに初期の値から低下し定常状態となることをいいます。最初の光出力と定常状態になったときの光出力との差をドループ量と呼び、これが大きいと補正回路が必要になります。
非点隔差 半導体レーザは右図に示すように接合部に垂直な方向と水平な方向とでみかけ上の焦点位置が異なります。この2つの焦点間の距離を非点隔差と呼び、値が小さい程光ビームの集束性がよいとゆうことになります。非点隔差
      

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