半導体レーザー
半導体レーザーとは、半導体材料に電流を流すことで生じる光増幅作用を利用したレーザーである。レーザー媒質に半導体を用いるため、一般的な固体レーザーや気体レーザーと比べて構造が小型化しやすく、消費電力の低減や量産の容易さなど多くの利点を持つ。特に光通信分野やバーコードリーダーなど、日常生活で使われる機器にも広く組み込まれている。エネルギーバンドの制御を通じて発振波長を自在に設計できる点が強みであり、可視光から近赤外域まで目的に合わせた応用がなされている。その一方で、結晶欠陥による発振効率の低下や動作温度の管理などの技術的課題も存在する。実用化が進むにつれて高度な結晶成長技術が求められ、Si基板への実装や新材料の探索など、多彩な研究開発が継続して行われている。
原理と動作
半導体レーザーの原理は、まず半導体のPN接合部に正電位を加えて電子と正孔を再結合させ、そのエネルギー差に相当する光子を放出させるところにある。さらに、この再結合過程が共振器内部で繰り返されて光がどんどん増幅され、最終的に指向性の高いレーザー光が得られる。具体的には、半導体内部にミラーとなる反射面を設けることでフォトンが往復し、誘導放出により光強度が指数的に増大していく。誘導放出の過程では、既存の光子と同一の位相と周波数を持つ新たな光子が生成されるため、位相が揃ったコヒーレント光が得られるわけである。このように電流注入を介して光を取り出せる利点により、小型で高効率な光源として各種分野で活用されている。
代表的な構造
半導体レーザーにはさまざまな構造が存在し、代表例としてエッジエミッティング型と面発光型が挙げられる。エッジエミッティング型は結晶の端面を鏡面として利用し、側面方向にレーザー光を取り出す方式である。一方、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は、成長方向にレーザー光を取り出す仕組みをもつ。VCSELは小型化と低しきい電流を実現し、アレイ化による高出力化や大量生産にも適している。さらに、発振波長の選択にはGaAsやInPなどの化合物半導体を用いることが多く、それぞれのバンドギャップ特性を生かした設計が可能である。こうした構造の選定は、最終的な用途や波長帯、コストなどの要件に応じて検討される。
利点と課題
- 小型かつ高効率: 半導体レーザーはダイオードの形態で動作するため、少ない電力での連続発振が可能であり、取り扱いが容易である。
- 波長可変性: 化合物半導体の選択や多層構造の設計により、可視光から近赤外域まで幅広い波長帯がカバーできる。
- 温度管理と信頼性: 高密度発熱が起こりやすく、発振特性を安定化させるためには冷却システムなど熱対策が必要であり、長期運用の信頼性を保つには製造プロセス精度も問われる。
- 結晶品質: 結晶欠陥があるとしきい電流の上昇や寿命の短縮が起きるため、高品質なエピタキシャル成長技術が重要となる。
主な応用分野
半導体レーザーは光通信分野で中心的な役割を担い、長距離通信や高速ネットワークの基盤技術として不可欠である。光ディスクの読み取りやDVD・Blu-rayなどの記録再生機器でも、特定波長を利用して高密度記録を実現する。さらに、バーコードリーダーやレーザーポインター、プリンタなどの民生機器にも広く応用され、直接変調可能な点を生かして可視光通信の研究でも活躍している。医療分野では外科手術の光メスや診断装置へと利用が広がり、産業分野では溶接や切断の光源として省エネルギー化に貢献している。こうした多様な応用を支えるために、波長特性や動作モード、ビーム品質などを最適化する技術が日々進歩し続けている。
今後の発展と研究
半導体レーザーの研究開発は、光通信のさらなる高速化や量子暗号通信への応用などを背景に一層活発化している。特にシリコンフォトニクスとの融合は、電子回路と光回路を同一基板上で実現しようとするものであり、大容量かつ省エネルギーな情報処理を目指す上で有望視されている。また、波長可変型レーザーを用いた分光計測技術やマイクロリング共振器の利用により、センシング領域でも新たな可能性が開けつつある。これらの進展には、結晶成長技術やフォトニック集積回路の設計技術など多角的なアプローチが不可欠であり、半導体物性のさらなる解明も並行して進められている。こうした要素技術の蓄積によって、多様な分野で光技術の高度化が進み、社会全体のイノベーションを下支えしていくことが期待されている。