レーザーダイオードとは何ですか?
レーザーダイオード（半導体レーザー）は、半導体のpn接合を利用して電流を光エネルギーに変換し、レーザーを発生する電子デバイスです。レーザーダイオードは指向性と直進性に優れています。エネルギー制御が容易な光源として、光通信、医療、センシング、データストレージ、レジャー、エンターテイメント分野で幅広く使用されています。その基本原理は、電子と正孔が再結合するときに発生する光を利用することです。
レーザーダイオードは「半導体レーザー」とも呼ばれます。 「レーザー」とは「Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の略で、「光の誘導放出の増幅」を意味します。自然光やLED光は波長が一定であっても位相差が一定ではなく、波形も均一ではありません。レーザーは、特定の波長のみを増幅する「コヒーレントな」光です。コヒーレント光源は一定の位相差と一定の波形を持ち、干渉を利用して焦点を非常に小さく（数um～）できるため、光スイッチや光変調などさまざまな用途に使用できます。
歴史と発展
レーザー ダイオードの歴史は、アルバート アインシュタインが「放射線の誘導放出」の現象を初めて理論化し、すべてのレーザー技術の基礎を築いた 1917 年に始まりました。その後、ドイツのジョン・フォン・ノイマンが 1953 年に未発表の原稿で半導体レーザーの概念を説明しました。 1957 年にアメリカのゴードン・グールドは、放射線の誘導放出を光の増幅に使用できることを提案し、それを「レーザー（誘導放出による光増幅）」と名付けました。放射線）"。このように各国の科学者によってレーザーの研究が進む中、1962年にはガリウムヒ素（GaAs）半導体レーザーのホモ接合構造が発見され、実際にコヒーレント光技術が実証されました。同年には可視光発振にも成功した。しかし、この時代の半導体レーザーは室温での連続発振に問題がありました。 1970 年、ダブル ヘテロ構造の発見により、室温での連続発振が可能になりました。 1970年代以降、半導体レーザー技術は急速に発展し、さまざまな分野で広く使われるようになりました。
レーザーダイオードの発光原理
レーザーダイオードは、特定の波長のレーザー光を放射できる半導体デバイスです。基本構造は、p型半導体とn型半導体からなるpn接合、光を発する活性層、光を反射するコーティングミラーで構成されています。レーザーダイオードの発光原理は、電流が流れると電子と正孔が再結合し、放射された光子が活性層で増幅され、共振器で反射されてレーザー光が形成されるというものです。まずはレーザーダイオードとLEDに共通する「発光半導体」の基本的な構造と発光原理を理解しましょう。
ダイオードの基本構造と材料
半導体とは、電気を通す「導体」と電気を通しにくい「絶縁体（不導体）」の間で導電性を持った物質です。導体には鉄や金などの金属材料が含まれ、絶縁体にはゴムやガラスなどの材料が含まれます。半導体は、導電性または非導電性にすることで電気の流れを制御できます。また、利用方法によっては、光エネルギーと電気エネルギーとの間でエネルギー変換を行うこともできる。
通常、ダイオードの部品は主にシリコン（Si）でできています。シリコン（Si）は最も代表的な半導体材料です。シリコンは自然界に「シリカ（SiO2：二酸化ケイ素を主成分とする石）」の形で存在しており、資源豊富な物質です。加工が容易なため、多くの半導体製品に広く使用されています。
半導体材料であるシリコン（Si）は本来絶縁体であり、キャリアとなる自由電子をほとんど持っていません。そこで、シリコン（Si）に他の不純物を添加してシリコン（Si）中のキャリア濃度を高めることで、導電性を高めます。このように不純物を添加してキャリアを増やした半導体を「不純物半導体」といいます。キャリアには自由電子と自由正孔が含まれます。このうち、自由電子キャリアを増やす半導体を「n型半導体」、自由正孔キャリアを増やす半導体を「p型半導体」といいます。
※p型半導体（+：プラス、正孔が多い半導体）、n型半導体（-：マイナス、電子が多い半導体）
ダイオードの素子は、p型半導体とn型半導体が接続された構造であり、「pn接合」と呼ばれます。 p型半導体のピンを「アノード」、n型半導体のピンを「カソード」と呼びます。電流はアノードからカソードに流れます。
ダイオード発光の原理
pn接合素子に順方向電圧が印加されると、正孔（プラス）と電子（マイナス）が接合に向かって移動し、結合します。このとき発生する余剰エネルギーが光エネルギーに変換されて発光する。この現象を「複合発光」といいます。
レーザーダイオードは光の放射方向に応じて分類できます。
Edge Emitting Laser (EEL): 半導体の劈開面を反射板として利用し、劈開面から光を放射する構造。
表面発光レーザー (SEL): 半導体基板の表面から垂直に光を放射する構造。
垂直共振器面発光レーザー (VCSEL): 光共振器が半導体基板表面の垂直方向に形成され、放射されるレーザー ビームは基板表面に対して垂直です。閾値電流が低く、低電流で高速変調が可能、温度安定性が良いなどの特徴を持ち、光通信やセンサー分野で広く使用されています。
これらの種類のレーザーダイオードはそれぞれ異なる特性を持っており、現在ではその特性に基づいてさまざまな用途に使用されています。
レーザーダイオードの寿命
レーザーダイオードの平均寿命は使用環境（使用温度、静電気、電源ノイズなど）によって異なりますが、通常の状態では約10,{1}}時間の連続点灯が可能であると一般的に考えられています(ケース温度25度)。使用時の動作温度が高いと寿命が短くなったり、静電気放電（ESD）による故障の原因となる場合があります。また、電源から発生するサージやノイズによってもレーザー素子が損傷する可能性があります。
レーザダイオードを長期間使用するためには、ヒートシンクなどの放熱対策、十分な静電気・サージ対策、ノイズフィルタの使用、出力を必要最小限に抑えるなどの対策が有効です。耐用年数。
レーザーから放射される光は高い出力密度を持っています。誤った使用をすると、たとえ微量の放出でも人体に害を及ぼす可能性があり、大変危険です。したがって、使用する前に十分な安全対策を講じる必要があります。
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