半導体レーザーとは（パートⅠ）

最初の発明以来半導体レーザー1962年に世界に誕生して以来、半導体レーザーは大きな変化を遂げ、他の科学技術の発展を大きく促進し、20世紀の重要な発明の一つとされています。 ここ数十年で半導体レーザーの開発はさらに加速し、世界で最も急速に発展しているレーザー技術となっています。 半導体レーザーの応用はオプトエレクトロニクスの全分野をカバーしており、オプトエレクトロニクス科学の中核技術となっています。 半導体レーザーは、小型、単純な構造、低入力エネルギー、長寿命、変調の容易さ、低価格などの利点により、オプトエレクトロニクスの分野で広く使用されており、世界各国で高く評価されています。

1. 半導体レーザー

半導体レーザーは、直接バンドギャップ半導体材料の Pn 接合または Pin で構成される小型レーザーの一種です。 半導体レーザーで動作する物質は数十種類あります。 現在、レーザーの材料となっている半導体材料は、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、インジウムアンチモン、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、セレン化鉛、テルル化鉛、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリンヒ素などである。 半導体レーザーの励起モードには、電気注入、光ポンプ、高エネルギー電子線励起の3種類があります。 ほとんどの半導体レーザーの励起モードは電気注入です。つまり、順方向電圧が Pn 接合に印加されて接合面領域に誘導放出が発生します。つまり、順方向バイアスのダイオードです。 したがって、半導体レーザーは半導体レーザーダイオードとも呼ばれます。 半導体の場合、電子は離散的なエネルギー準位間ではなくエネルギー帯間を遷移するため、遷移エネルギーは一定の値ではなく、そのため半導体レーザーの出力波長は広範囲に広がります。 これらは、0.3 ～ 34μm の範囲の波長を放射します。 波長範囲は、使用される材料のバンドギャップによって異なります。 一般的なAlGaAsダブルヘテロ接合レーザーの出力波長は750～890nmです。

拡散法から液相エピタキシー（LPE）、気相エピタキシー（VPE）、分子線エピタキシー（MBE）、MOCVD法（有機金属蒸着）、化学線エピタキシー（CBE）とその各種製造技術を経験した半導体レーザー製造技術さまざまなプロセスの組み合わせ。 半導体レーザーの欠点は、レーザー性能が温度に影響され、ビームの広がり角が大きい（通常数度～20度）ため、指向性、単色性、コヒーレンスが劣ることです。 しかし、科学技術の急速な発展に伴い、dpssレーザーの研究は深さ方向に進み、半導体レーザーの性能は常に向上しています。 21世紀の情報化社会において、半導体レーザーを核とする半導体オプトエレクトロニクス技術はますます進歩し、その役割はさらに大きくなるでしょう。

2. 半導体レーザーの動作原理

半導体レーザーはコヒーレント放射線源です。 レーザーを生成するには、3 つの基本条件を満たす必要があります。

①ゲイン条件：励起媒体（活性領域）内の電荷キャリアの反転分布が確立されます。 半導体では、電子のエネルギーは一連のほぼ連続的なエネルギー準位によって表されます。 これは、ホモジニアス接合またはヘテロ接合に順バイアスを印加し、必要な電荷キャリアを活性層に注入して、より低い価電子帯からより高い伝導帯へ電子を励起することによって実現されます。 誘導放出は、粒子集団が反転した状態にある多数の電子が正孔と再結合するときに発生します。

②実際にコヒーレントな励起光を得るには、光共振器内で励起光を作り、複数のフィードバックを得てレーザー発振を形成する必要があります。レーザーの共振器は、通常、最終的には半導体結晶の自然劈開面をミラーとして形成します。高逆多層誘電体膜への軽めっきと、還元逆多層膜への平滑な表面めっきの効果を実現します。 Ｆｐ共振器（ファブリペロー共振器）半導体レーザの場合、結晶のｐｎ接合面に垂直な自然劈開面によってＦＰ共振器を都合よく構築することができる。

③安定した発振を形成するためには、レーザ媒質は共振器表面からのレーザ出力と共振器による光損失を補う十分な利得を確保し、共振器内の光場を常に増加させる必要があります。 これには、十分に強力な電流注入、つまり十分な粒子数の反転が必要です。 粒子数の反転の程度が高くなるほど、ゲインも大きくなります。つまり、特定の電流しきい値条件が満たされる必要があります。 レーザーが閾値に達すると、特定の波長の光がキャビティ内で共振して増幅され、最終的にレーザーを形成して連続的に出力されます。 電子と正孔の双極子遷移が半導体レーザーの発光と光増幅の基本プロセスであることがわかります。 新しい半導体レーザーに関しては、量子井戸がレーザー開発の基本的な原動力であることが一般的に受け入れられています。 量子細線と量子ドットが量子効果を最大限に活用できるかどうかという問題は、今世紀に入ってからもずっと続いている。 科学者は、さまざまな材料で量子ドットを作成するための自己組織化構造を実験しており、GaInN 量子ドットは半導体レーザーで使用されています。

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