３分でわかる半導体レーザ(LD)の構造と発光原理

LDの構造と発光原理を解説

光通信では、情報を光信号に変えて伝送するための光源として、「半導体レーザ（LD：Laser Diode）」が広く用いられています。半導体レーザは、小型で発光効率が高く、高速変調にも適していることから、光ファイバ通信を支える重要な光デバイスです。
本記事では、半導体レーザの基本的な構造と発光原理を順を追って解説し、発光ダイオード（LED）との違いについても整理します。

１．半導体レーザの構造

半導体レーザでは、電子と正孔、および光を活性層付近に閉じ込めて発光効率を高めるために、ダブルヘテロ接合が用いられています。

［※関連記事；ダブルヘテロ接合とは？ホモ接合／ヘテロ接合との比較解説］

図1に半導体レーザの構造とエネルギーバンドを示します。

［図1　半導体レーザの構造とエネルギーバンド］

図1に示す代表的な端面発光型では、活性層を含む光導波路の両端に反射面を設け、「ファブリ・ペロ共振器」を形成します。
このときの反射鏡は、半導体レーザを構成する半導体結晶の劈開面を利用することができます。実際のデバイスでは、劈開面の保護や反射率の調整を目的として、端面に薄膜を形成することもあります。

端面発光型と面発光型

半導体レーザは、光の出射方向や共振器の構成により、主に「端面発光型」と「面発光型」に分けられます。

「端面発光型」は、活性層とほぼ平行な方向に共振器を形成し、半導体チップの端面から光を出射する方式です。
一方、「面発光型」は、半導体基板面に対して垂直方向に共振器を形成し、基板面と垂直な方向に光を出射する方式です。代表例として、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）があります。

このほか、半導体チップの外部に共振器を設ける「外部共振器型」もあります。

また、活性層とその周囲の材料は、活性層側の屈折率が高くなるように設計されます。これにより光導波路が形成され、光を活性層付近に閉じ込めることができます。

２．半導体レーザの発光原理

（1）活性層内で反転分布を形成

ダブルヘテロ接合に順方向電圧を加えると、n型半導体から電子が、p型半導体から正孔が、それぞれ活性層へ注入されます。ヘテロ接合によるエネルギー障壁によって電子と正孔が活性層内に閉じ込められ、注入量が十分に増えると、反転分布に相当する状態が形成されます。
活性層内では、電子と正孔が再結合し、自然放出光が生じます。この自然放出光は、さまざまな方向へ放射されます。そのうち、共振器の軸方向以外へ進む光の多くは、活性層や共振器の外へ出ていきます。

（2）誘導放出

活性層内を進む光子（フォトン）が、再結合可能な電子と正孔に作用すると、その光子に誘発されて電子と正孔が再結合し、新たな光子が放出されます。これを誘導放出といいます。
誘導放出によって発生する光子は、誘導した光子と同じ周波数や位相などの性質を持つため、光が増幅されます。

（3）光の増幅とレーザ発振

共振器の軸方向へ進む光は、両端の反射面の間を往復しながら、誘導放出によって増幅されます。
一方、共振器内では、光の吸収や散乱、端面からの出射などによる損失も生じます。
共振器内では、光が往復したときに位相が一致する特定の波長が強く増幅されます。光学利得が共振器内の損失と釣り合うしきい値に達すると、レーザ発振が始まります。

（4）電子と正孔の閉じ込め効果と光の閉じ込め効果

半導体では一般に、バンドギャップの小さい活性層の屈折率が、その周囲のクラッド層よりも高くなるように材料が選ばれます。
活性層とクラッド層のバンドギャップ差によって、電子と正孔が活性層内に閉じ込められます。一方、両者の屈折率差によって光導波路が形成され、発生した光も活性層付近に閉じ込められます。
キャリアと光子を同じ領域に閉じ込めることで両者の相互作用が促進され、活性層内で誘導放出が効率よく起こります。その結果、効率よくレーザ発振させることができます。