レーザーダイオードとLED(発光ダイオード)。2つとも「ダイオード」を名称に含んでいますが、どのように違うのでしょうか？本記事ではこの違いについて解説していきます。

1. レーザーとは

レーザー (LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) は *1レーザー発振器 を用いて
人工的に作られた光のことを指します。

レーザーの特徴

• 指向性：レーザー光は広がらない
• 単色性：レーザー光のスペクトル線幅は狭い
• 可干渉性（ *2コヒーレンス）：2つのレーザー光は互いに干渉できる。

図　レーザーダイオードとLEDの特長比較

レーザーダイオードとは

レーザーダイオード (LD：Laser Diode) とは、半導体を素材とした *3回路素子 に電流を流すことでレーザー発振させる素子です。半導体レーザーとも呼称します。

2. 光の発振方法

基本的なレーザーダイオードは、図のように 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構造になっています。

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。
発光する活性層をp型クラッド層とn型クラッド層で挟んだ（ダブルヘテロ構造）と、活性層端面の反射鏡から成ります。

図　半導体レーザーの基本構造
（ダブルヘテロ構造）

n型層がマイナス、p型層がプラスとなるように電圧を印加すると、p型層からホール、n型層から電子が活性層に流入します。この際、電子が価電子帯に遷移しホールと再結合することで、 *4エネルギーギャップ に相当する波長の光が発生します。（自然放出）

発生した光は、p型、n型層の屈折率が活性層よりも低いため活性層内にとどまり、そのほとんどが活性層両端面の反射鏡まで達した後、反射されて活性層内に戻っていきます。この戻り光がトリガーとなり活性層内で誘導放出が繰り返し生じます。一般に、誘導放出によって発生する光はトリガーとなった光の位相と同一になるため、p型層内には位相のそろった強い光が閉じ込められます。この強い光が一定以上の強度になると一気に活性層から放出(レーザー発振)され、レーザー光となります。（誘導放出）

図　自然放出　と　誘導放出

レーザーダイオードとLEDの違い

レーザーダイオードとLED(発光ダイオード)の大きな違いは、誘導放出が活性層で起こるかどうかという点にあります。LEDの基本構造はレーザーダイオードとほとんど同一ですが、反射鏡のような構造がありません。そのため、自然放出により発生した光がそのまま放出されてしまい誘導放出が起きません。

したがって、LEDでは位相の揃った光が発振しないため、レーザーダイオードに比べて広いスペクトルとなり、かつ、位相が不揃いで指向性が低い(光が広がりながら進む)といった特長を持ちます。

表　レーザーダイオードとLEDの特徴

LEDの用途

LEDは広がりながら進んでいく性質を持ち、かつ省電力・長寿命であるため、主に照明などの用途で利用が進んでいます。また、その広いスペクトルを利用して、通信などの用途にも利用されるなど、幅広い応用先があります。

用途例	特徴	応用例
照明	広い指向性を利用し広い範囲を照らす。	室内照明、信号機、懐中電灯
バックライト	液晶等の発光しない素子を背面から照らして映像を出力。	液晶テレビ、PC、モニター
ディスプレイ	1つ1つの画素にLEDを使用。液晶、有機ELに続く第三のディスプレイとして期待。	マイクロLEDディスプレイ
通信	モールス信号のように光の点滅や色の変化を信号に変え、通信を行う。	照明通信、水中通信、Li-Fi(Light Fidelity)
殺菌	深紫外線を発するLEDを利用。複雑な形状のものに対してもくまなく殺菌できる上、構造も簡素で堅牢。環境負荷も少ない。	冷蔵庫、浄水器、エアコン
加工	UV樹脂にLEDから発せられる紫外線を照射することで、樹脂の硬化や接着などを行う。	3Dプリンタ、医療機器、電子部品
印刷	インクに紫外線LEDを照射し硬化させることで印刷を行う。	インクジェットプリンター、フレキソスクリーン
測定	その広いスペクトルと低コヒーレンス性を活かし、物体の微細構造や形状を測定。	*5 光コヒーレンストモグラフィー(OCT：Optical Coherence Tomography)

レーザーダイオードの用途

レーザーダイオード(LD)は直進性、指向性の高さ、可干渉性などの特徴とその制御性の高さから、多くの用途で使われています。

用途例	特徴	応用例
読込	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)
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。	車間距離測定（ *6LiDAR ）、三角距離方式、 *7ToF法
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
加工	高出力を応用した紙・木材・金属などの材料の加工。	材料の切断・溶接

3. まとめ

• ● レーザーダイオードとLEDの違いは主にその構造にあります。
• ● レーザーダイオードには、自然放出光を素子内部に戻して繰り返し誘導放出を起こさせる反射鏡のような構造がありますが、LEDにはこの構造がありません。
• ● レーザーダイオードは高い指向性と極めて鋭いスペクトル、高いコヒーレンス性があるのに対し、LEDは広い指向性と広いスペクトル、低コヒーレンス性を持ちます。

これらの特徴の違いによって応用先は異なるものの、どちらの光源も幅広いアプリケーションに用いられ、私達の日々の生活に役立っています。

4. 用語集

用語	意味
*1 レーザー発振	2枚の鏡間で光を往復させて定常波を生み出し、光を増幅すること。
*2 コヒーレンス	光の干渉のしやすさのこと。
*3 回路素子	電気回路をつくるための部品。コイル、抵抗器、コンデンサーなど。一定の電気特性と他の素子と接続する端子をもつ。
*4 エネルギーギャップ	電子が存在しないエネルギー範囲のこと。
*5 光コヒーレンストモグラフィー	光の干渉を利用して、物体の内部構造や断面を非接触かつ高速・高分解能に計測する手法のこと。
*6 LiDAR	Light Detection And Rangingの略。レーザーを物体に照射して、その反射光を検出することで、物体までの距離や形状を測定する技術のこと。
*7 ToF法	Time of Flightの略。LiDARの一種。物体に照射した光が反射した帰ってくるまでの時間から、物体までの距離を測定する技術。