1. 半導体レーザー(レーザーダイオード)とは

半導体レーザー(LD:Laser Diode)とは、*1半導体 を素材とした回路素子に電流を流すことでレーザー発振させる *2素子 です。
レーザーダイオードという名称を用いる場合もあります。
半導体を用いたレーザー発振器の基本的な発光原理・応用例について紹介します。

レーザーダイオードの発光の仕組み

半導体レーザーは、発光する「活性層」と呼ばれる層が、p型とn型の半導体に挟まれた(ダブルヘテロ構造)になっています（図1）。このn型とp型の半導体は「クラッド層」と呼ばれていて、n型はマイナス、p型はプラスの電気的な性質を持っています。

活性層の端面が光を反射する作りになっおり、電圧を半導体レーザーに印加することで、p型層からホール、n型層から電子が活性層に流入するときのエネルギーギャップにより自然放出で発光します。p型n型のクラッド層の屈折率が活性層よりも低いため光は、活性層内にとどまります。
活性層の両端面がミラーのようになっているため、光が反射されます。

図1　半導体レーザーの基本構造
（ダブルヘテロ構造）

自然放出（図2）で発生したこの光がきっかけとして、活性層内で誘導放出（図2）（*3位相 の揃った光が次々
発生する現象)が生じて増幅されながら往復することでレーザー発振が起こります。

図2　エネルギーギャップと自然放出、誘導放出

LED（発光ダイオード）との違い

半導体レーザーとLED(発光ダイオード)の違いは、誘導放出が活性層で起こるかどうかであり、LEDの場合は
自然放出により発生した光がそのまま放出されます。
波長スペクトル幅がLEDよりも半導体レーザーのほうが狭く、半導体レーザーの光は誘導放出によって位相が揃っており、
LEDの光は位相がバラバラです。また光の広がりにも違いがあり、半導体レーザーは指向性が高く直進しますが、LEDの光は発散し広がっていきます。

このように性質に違いが見られるため、エネルギー制御しやすい半導体レーザーは様々な用途に、LEDは主に照明用として使われています。

2. 半導体レーザーダイオードの種類と構成

FP、DBR、DFBとは

ファブリペロー(FP)レーザー

ファブリペロー(FP)レーザーは最も単純な構成の半導体レーザーであり、レーザーの発振構造にファブリペロー *4共振器 を用いたもので、活性層の両端面を反射ミラーで挟んだ構造になっています（図3）。利得帯域に幅があるため、FPレーザーは複数の*5 縦モード の発振をします。
FPレーザーは高速変調を行うとスペクトル幅が広がってしまうため、長距離・高速通信には向いていません。

図3　FPレーザーのイメージ図

DFBレーザー

分布帰還型(Distributed Feedback: DFB)レーザーは、レーザーの発振の縦モードを単一波長にしたレーザーです。DFBレーザーはFPレーザーとは異なり定常状態で入力電流や温度等の使用環境の変化、高速な変調に対しても波長安定性が非常に高く、
スペクトル幅が非常に狭いため、大容量で長距離の光通信などで使用されます。
DFBレーザーの原理・構造は、活性層の内側に *6回折格子 構造を持っており（図4）、活性層で発生した光が、p型のクラッド層と活性層の境界面が回折格子の構造により、特定の波長のみが増幅されレーザー発振されるので単一波長のレーザーとなります。

図4　DFBレーザーのイメージ図

DBRレーザー

分布反射型(Distributed Bragg Reflector: DBR)レーザーは、DFBレーザーと同じでレーザーの発振の縦モードを単一波長にしたレーザ

でありますが、DFBレーザーは活性層に反射器である回折格子を形成していますが、DBRレーザーは活性層の外側に回折格子が形成されています。
（図5）回折格子が活性層に与える影響が少なく、波長可変レーザーや集積レーザーなどが可能となる柔軟性を持ち合わせています。

図5　DBRレーザーの概要イメージ図

半導体レーザーダイオードの波長について

用途や目的によって半導体レーザーで用いる波長は異なり、レーザーの発振波長は活性層のエネルギーギャップと共振器波長によって決定され、エネルギーギャップは半導体の材料・構造により決まります。使用する目的や状況により適切な波長は異なってきます。波長ごとの用途が決められているわけではありませんが、半導体レーザーは大体400[nm]～1600[nm]程度の波長帯が半導体材料や基板、構造によって発振されています。

3. 半導体レーザーダイオードの用途

半導体レーザー(LD)は直進性、指向性の高さ、*7可干渉性 などの特徴を活かして、多くの用途で使われています。
代表的な半導体レーザーの応用例を以下に述べていきます。

用途別まとめ

用途	詳細	用途例
読み込み	指向性の高さを利用して微細な信号の高速読み取り	光ディスク(CD、DVD、BD)の読み取り、バーコードの読み取り）
記録	高出力により有機色素層の変色、金属相の変化させることにより信号を書き込み	光ディスク(CD、DVD、BD)の記録
感光	感光ドラムに照射することにより信号の描写	レーザープリンタ、プリンタ複合機(MFP)など
通信	波長安定性から、信号の長距離・高速な伝送が可能	PC、携帯電話などの光通信
照明	指向性の高さからピンポイントで照射することが可能	レーザー顕微鏡、墨出し器、レーザーポインター
測定	出力安定性により、長距離・近距離の計測が可能	アイフォンのカメラ、車間距離測定（LiDAR）、三角距離方式、タイムオブフライト方式など
感知	小さな粒子や僅かな変化を測定することが可能	ガスセンシング、ダスト測定、マウスのレーザーなど
加工	高出力を応用した神・木材・金属などの材料の加工	半導体レーザー、材料の切断・溶接

4. 半導体レーザーダイオード取り扱い時の注意点

レーザー機器の安全クラス（JISクラス）

レーザーの出力光は誤った使い方をすると、人体に影響を及ぼす可能性があり非常に危険です。
そのため十分な安全対策をしたうえで使用する必要があります。レーザーの直接光や反射光、光学系での出力を直接見ることは非常に危険ですので、レーザ光路を観察する場合は、蛍光板か赤外線カメラ等を使用して下さい。

レーザー機器を安全に使用するために日本ではJIS(日本興業規格)のC6802「レーザー製品の安全基準」等（21 CFR Part 1040.10）によりレーザーの危険度に応じたクラス分けがされ、必要な安全対策が規定されています。
最新版をご確認の上、安全対策を講じてください。

レーザーが損傷してしまう　よくあるケース

半導体レーザーの寿命は使用環境に大きく変わります。高温空間・状態での連続使用や結露が生じるような低温空間において使用しないことが重要です。ヒートシンクなどによる放熱・冷却対策や最低限の出力に抑えることが長寿命化のためには有効となります。

5. まとめ

• ● 半導体レーザーは、レーザー発振に半導体を用いたもののことである。
• ● 特徴として、小型であり、半導体の材料・構造を変更することで様々な波長のレーザーを作成できることなどが挙げられる。
• ● 発振するレーザーは、高い波長安定性、指向性が高い、高出力などが特徴として挙げられるため、長距離・高速な伝送、ガスセンシング、加工など幅広い分野で応用されている。

6. 用語集

用語	意味
*1 半導体	電気をよく通す「導体」と、電気をほとんど通さない「絶縁体」の中間の性質を持つ物質のこと
*2 素子	電気回路や機械回路で、その構成要素となる個々の最小単位
*3 位相	電波や電流が発生する周期的な波形のうち、同じ地点に相当する個所を測った位置や状態のこと
*4 (光)共振器	2枚の鏡を向かい合わせたもの。内部に光を閉じ込め、定常波を生み出す。レーザーや干渉計などに用いられる
*5 縦モード	「縦」とはレーザー光が進行する方向のこと。非常に細いスペクトルが集まった状態のこと。もしくは一本一本の細いスペクトルのこと
*6 回折格子	種々の波長が混ざった光（白色光）を波長ごとに分散してくれる光学素子の総称
*7 可干渉性(コヒーレンス)	光の波長の干渉のしやすさ　のこと