技術・サポート情報
(レーザ)

半導体レーザの基本動作原理や、データシート上の記号・特性定義、取扱い時の注意事項などの技術情報をご紹介します。また、よくあるご質問と回答を掲載しています。ご検討、ご使用の際にご一読ください。

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レーザダイオードの基本構造

1. GaAlAs LD の構造

初めに誘導放出により光増幅作用を持つ活性部 (活性層) を p 形半導体で作ります (図 1(a))。ここに少数キャリアを注入するために p-n 接合を作り (ヘテロ p-n 接合),順方向バイアスをかけると n 形領域の電子が p形領域へ注入されます。ここで p 形活性層の p-n 接合の反対面にバンド・ギャップ幅の大きい p 形半導体を接合 (ヘテロ・アイソ接合) させると,注入されたキャリアはヘテロ障壁のために p 形活性層中に閉じ込められる形となり,反転分布が作りやすく,発光強度が増加します。これがダブル・ヘテロ接合構造と言われるものです。

図 1  ダブル・ヘテロ接合 LD 動作原理
図 1 ダブル・ヘテロ接合 LD 動作原理

GaAlAs LD は図 2 のように活性層は GaAs あるいは Ga 1-y Al y As で形成されており,厚さは 0.05~0.2μm で,この活性層を,クラッド層と呼ばれる p 形 Ga 1-x Al x As および n 形 Ga 1-x Al x As(x>y)でサンドウィッチしています(ここで x および y は Al 混晶比)。X=0.3 のときクラッド層のバンド・ギャップ幅は 1.8eV で,GaAs の 1.4eVに対し 0.4eV の差があるので,ここで順方向バイアスを印加するとキャリアはヘテロ障壁のために 0.05~0.2μm の活性層に閉じ込められ,反転分布が生じて利得が増加します。その上 GaAs の屈折率が Ga 1-x Al x As クラッド層のそれよりも数%高いために発生した光が活性層中に閉じ込められます。また,Ga 1-x Al x As クラッド層にしみ出た光はこの部分のバンド・ギャップ幅が大きいために吸収をうけないので効率よくレーザ発振を起こすことができます (図 1)。なお,GaAs 活性層は薄いほど発振に必要なしきい電流密度は小さく,現在は 1~2kA/cm2という低いしきい電流密度が得られ、このため室温連続発振(C.W.)が可能となっています。

図 2  GaAlAs ダブル・ヘテロ構造 LD
図 2 GaAlAs ダブル・ヘテロ構造 LD

2. LD の発振モード

レーザ発振状態では,レーザ共振器内で光が往復して反射鏡と平行な等位相面を持つ光の定在波ができます。この定在波は図 3 に示すように共振器長方向 (Z 方向) の状態を表わす縦モード,共振器長方向と直角方向座標に関する状態を表わす横モードで表わされます。なお横モードには活性層に垂直な方向の垂直横モード,水平な方向の水平横モードの 2 種類があります。

図 3  レーザダイオードの横モードと縦モード
図 3 レーザダイオードの横モードと縦モード

(1) 縦モード

図 4 からわかるように,レーザ共振器長方向 (Z 方向) では半波長の整数 q 倍の定在波が立つことができます。共振器長を L,媒体の屈折率を n とすると光の波長λ' = λ/n であり,よって半波長は

λ : 真空中での波長
と表わされます。この整数 q 倍が共振器長 L に等しいので,次式のようになります。

半導体レーザの場合,たとえばλ=635nm, n=3.5, L=400µm のとき q≒4400 となります。この q はモード次数とよばれています。
モード次数 q が 1 だけ変化した場合,波長λの変化量∆λm は,上記例の場合 | ∆λm |≒0.144nm となります。
通常共振器長 L は波長に比べて非常に長いので,波長のわずかに異なる多数の波長の波が共振可能ですが,そのなかで利得の最大となる波長の附近でレーザ発振が生じます。
半導体レーザの場合,温度が変わりバンド・ギャップ幅が変ると最大利得の波長が変ります。GaAlAs・ダブル・ヘテロ構造レーザの場合約 0.20nm/℃です。したがって,温度が変ると∆λm 間隔で発振波長は飛び移り,高温になるほど長波長側に移行します。また連続 (C.W.) 動作の場合注入電流を増加させ,光出力を増すと,活性層の温度が上がるために同様の現象となります。

図 4  レーザの縦モード
図 4 レーザの縦モード

(2) 垂直横モード

図 5 に示すように活性層に垂直な方向はヘテロ接合に囲まれており,GaAlAs レーザでは活性層 GaAs(または、Ga 1-y Al y As)とクラッド層の Ga 1-x Al x As(x>y)との間に数%の屈折率差があるため,光は活性層内に閉じ込められます。この量は活性層の厚さにより異なり,厚さが厚いと閉じ込め量は大きくなり,反対にうすいと光はクラッド層にしみ出します。素子内部のレーザ光分布の幅は活性層の厚みに依存し,これが 0.3~0.4µm のときに最小となります。このため劈開面から放射されるレーザ光の放射角は回折によりこのときに最大となります (図 6)。一般に半導体レーザでは,素子内部のレーザ光分布幅が波長に比べて同程度か小さいために外部のレーザ光放射角は非常に大きくなります。このことは通常のガスレーザや固体レーザと大きく異なる点です。

図 5  垂直横モード
図 5 垂直横モード
図 6  垂直横モードの活性層と放射角の関係
図 6 垂直横モードの活性層と放射角の関係

(3) 水平横モード

活性層に水平方向には導波作用をもたせるものが何もないので,何らかの形で光導波路を形成する必要があります。そこで図 3 のように共振器長方向に電流を流す領域を限定して,その部分だけでレーザ発振を生じさせます。この構造がストライプ構造です。単に電流のみを限定したストライプ構造の例を図 7 に示します。
より良く横モードを制御しようとすると以上述べた単なるストライプ構造でなく,これに屈折率分布か損失分布を構造的に作りつける必要があります。この種の例としてリッジ構造レーザダイオードの構造例を図 8 に示します。
このように導波機構を構造的に作りつけると,安定な単一基本横モードが得られます。

図 7  電流集中形ストライプレーザ
図 7 電流集中形ストライプレーザ
図 8  リッジ構造レーザ
図 8 リッジ構造レーザ

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