半導体レーザとは？初心者でもわかる仕組みと身近な使われ方を徹底解説共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

半導体レーザとは

半導体レーザとは 半導体材料を利用して光を出す素子 のことです。普通のレーザーと比べて小型で電気だけで発光を作り出せるのが特徴です。ダイオードの一種として、電気を流すと光が増幅されて外へ出ます。

どうして光が出るの？

半導体には p型と n型の二つの領域があり、それらをつなぐ境界で電流を注入すると電子と穴が結合して 発光を生む。この現象は 発光放射 と呼ばれ、受け取ったエネルギーが光として放出されます。活性層での光の増幅が、共振腔を形成して特定の波長を強く選びます。

仕組みの概要

半導体レーザは 活性層という薄い層で光を増幅します。注入電流が増えると、刺激放出が起き、光がエネルギーを受けて増幅されます。増幅された光は半導体の端から出射され、レーザーとして現れます。

主要な種類

代表的な半導体レーザには エッジエミッタ型半導体レーザ（edge emitting laser）と VCSEL（垂直共振器面発光型）があります。前者は細長い形の発光ダイオードで長い共振腔を持ち、後者は小型の円盤状パッケージで平面的に光を放ちます。

実用上の利点と注意点

利点は小型、直接電気を光に変換、高速な信号伝送、低コスト などです。欠点は 熱を持ちやすい、波長の選択幅に限界、温度依存性 などです。

身近な使われ方

光ファイバ通信、CD／DVD／ブルーレイの読み取り、レーザーポインター、医療機器のセンサ、距離計などの計測機器、産業用の加工機にも使われます。

表で見る特徴

<th>特徴

説明
小型	数ミリセンチ程度のパッケージで実装される
駆動	直流電流を注入して発光を得る
波長	材料のバンドギャップにより決まる
用途	通信機器、読み取り機器、指向性の高い照明など

安全に使うコツ

レーザーは目に危険です。直視しない、適切な保護具を使用、機器の熱を逃がすなどの基本的な安全対策を守りましょう。

まとめ

半導体レーザは半導体材料を用いた小型の光源で、電気を直接光へ変換する特徴があります。光を増幅する仕組みは活性層と共振腔の働きによる刺激放出の連鎖で、エッジエミッタ型とVCSELが主要なタイプです。身近な分野で幅広く使われ、現代の通信やデバイスに欠かせない技術です。

半導体レーザの同意語

半導体レーザー: 半導体材料を用いて発振するレーザー光を出す発光素子。主に半導体のpn接合を利用して光を増幅・発振します。
レーザーダイオード: ダイオード型のレーザーで、半導体材料を用いてレーザー光を発するデバイス。半導体レーザーの代表的な呼び方です。
ダイオードレーザー: レーザーダイオードと同義。表記の揺れの一つです。
半導体レーザー素子: 半導体を材料として構成されるレーザーの素子・デバイス全体を指す表現です。
半導体レーザ: レーザーの表記揺れ。意味は同じです。

半導体レーザの対義語・反対語

非半導体レーザ: 半導体を発振媒体として使用しないレーザの総称。ガスレーザ、固体レーザ、液体染料レーザ、自由電子レーザなどが含まれます。
ガスレーザ: ガス分子を発振媒体として用いるレーザ。代表例は CO2レーザや He-Neレーザなど。小型・高出力が得られるタイプもありますが、ガスの取り扱いや消耗品コストが課題になることがあります。
固体レーザ: 固体材料を発振媒体とするレーザ（例: Nd:YAG、Er:YAG など）。半導体レーザとは異なる発振機構で、比較的大きな出力を得やすいのが特徴です。
液体染料レーザ: 液体中の染料を発振媒体とする波長可変レーザ。染料の種類を変えることで広い範囲の波長を調整でき、研究用途で重宝されます。
自由電子レーザ: 自由電子ビームを用いて放射を得るレーザ。非常に広い波長域に対応可能ですが、装置規模が大きくコストも高いのが特徴です。

半導体レーザの共起語

半導体材料: 半導体レーザーを構成する材料。代表例は GaAs 系、InP 系、GaAlAs、InGaAsP などで、波長帯に応じて組み合わせが選ばれます。
発光原理: キャリアの再結合によって光を発生させる現象。直接発光が基本で、電流注入によって励起が生じます。
電流注入: ダイオードに電流を流して励起する方式。電流量が出力・波長・発振モードに影響します。
光出力: レーザーが放出する光の強さ。単位は mW から W。出力レベルは設計や冷却状態で変動します。
波長: 発生する光の波長。用途に応じて 850 nm、1310 nm、1550 nm などが使われます。
1310nm: 1310 nm 波長域は光ファイバ通信で広く使われる。
1550nm: 長距離通信で最適化された波長域。低損失・低色心の特性を活かします。
850nm: 近距離のデータリンクやポインター用途などで使われる波長。
近赤外: 可視光より長い領域。多くの半導体レーザーがこの領域で動作します。
DFBレーザー: Distributed Feedback レーザー。レーザー内部の周期的な回折格子により周波数を選択します。
DBRレーザー: Distributed Bragg Reflector レーザー。反射層で波長を選択・安定化します。
量子井戸: 量子井戸構造を用いてキャリアと発光の特性を制御する設計。
量子井戸構造: 薄い量子井戸を積層した構造で、発光効率と発振特性を最適化します。
エピタキシャル成長: 基板上に結晶を成長させる製造プロセス。高品質な層形成が鍵です。
MOVPE: Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy の略。エピタキシャル成長の主要法の一つ。
MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition の略。エピタキシャル成長法の一つ。
p-n接合: 正孔と電子が再結合する接合部。半導体レーザーの動作基盤です。
導波路: 発光を導く細い光路。モード制御に重要。
導波層: 導波路を形成する層。材料と厚さが伝搬モードを決めます。
端面コーティング: レーザー端面に薄膜を施し、反射特性を調整します。
ARコーティング: 反射を抑える抗反射膜。出力と安定性を向上させます。
温度安定性: 温度変動による波長・出力の変化を抑える性質。
温度特性: 温度と波長・出力・効率の関係性の特徴。
熱設計: 熱を適切に逃がす設計。冷却と安定動作の要。
熱抵抗: 熱の伝わりにくさを表す指標。低減で冷却が容易になります。
TEC: Thermo-Electric Cooler の略。温度を精密制御する冷却機構。
ファイバ結合: レーザーと光ファイバを結合する技術。結合損失を低減します。
パッケージ: レーザー素子を保護・冷却する筐体。
ダイオードドライバ: レーザーへ安定した電流を供給する電源回路。
CW運転: 連続波での動作。長時間安定な出力が得られます。
パルス運転: パルス状に駆動して瞬時に高出力を出す運用。
直接変調: 電流を直接変調して光を変化させる方式。
外部変調: 光変調器を介して光を変調する方式。
光通信: 光ファイバを使ったデータ伝送分野での主要用途。
光ファイバ: 信号を伝送する細長いガラス・樹脂の導波管。
ビーム品質: ビームの集束性・指向性を示す指標。
M2: ビーム品質を表す指標。1に近いほど理想的なビーム。
寿命: 故障までの時間の目安。長寿命が望まれます。
MTBF: Mean Time Between Failures の略。平均故障間隔。
信頼性: 長期間の故障リスクの低さ。製品品質の指標。
端面反射率: 端面の反射の程度。出力と安定性に影響を与えます。

半導体レーザの関連用語

半導体レーザー: 半導体材料を活性媒質として電気を光に変換する素子。閾値電流を超えると光が増幅され、外部へ出力される。
誘起発光: stimulated emissionのこと。外部または内部の光の刺激により、同じ波長・位相の光が増幅される現象で、レーザーの核となる発光機構。
自発発光: spontaneous emissionのこと。無秩序な再結合で光が放出され、レーザーでは雑音光の源となる。
活性領域: レーザーの光を増幅する核となる領域。薄膜の量子井戸や量子ドットが使われることが多い。
ゲイン媒質: 光を増幅する役割を担う半導体層。キャリアの再結合で光を放出し、利得を生み出す。
ヘテロ構造: 異なるバンドギャップを持つ材料を積層した構造。電気・光の制御を向上させる。
量子井戸: 薄い層で電子・正孔が量子化され、増幅特性を高める活性媒体の一種。
量子ドット: 3次元で量子化されたナノ粒子状の活性中心。高効率・低閾値が狙える。
p-n接合: P型とN型材料を接合した境界。キャリアの注入と再結合の場を提供する。
閾値電流: レーザーとして発振を始める最小の電流量。これを上回ると光出力が増える。
出力光/出力電力: レーザーから外部へ出る光の強さ。CW（連続波）やパルス駆動で異なる。
変調: 電気信号で光の出力を制御する方法。高速通信に不可欠。
変調速度: 変調が追従できる周波数の限界。デバイス設計と熱管理が影響。
長手方向モード: キャビティ内の光の特定の縦モード。
モード競合: 複数のモードが同時発振してスペクトルが乱れる現象。
モードホップ: 波長が突然別のモードへ移る現象。温度・電流変化で起きやすい。
ファブリ-ペロー共振器: 二枚の鏡で囲んだ基本的なキャビティ。エッジ発光レーザーのモデル。
DFBレーザー: 分布フィードバック型。周期的なグレーティングにより特定波長を選択して安定化。
DBRレーザー: 分布Bragg反射型。反射層の周期でモードを選択・安定化。
VCSEL: 垂直共振器面発光レーザー。小型・低電流・高集積性が特徴。
エッジ発光レーザー: 導波路の端から光を出力するタイプ。高出力・長距離伝送に適する。
ファセット反射率: 出射端面の反射率。閾値・モードに影響。
ファセットコーティング: 端面の薄膜コーティングで反射率を調整。
アンチリフレクションコーティング: 反射を抑えるコーティング。出力安定性の向上に寄与。
温度制御/TEC: 熱を管理して波長安定性と信頼性を高める冷却手段。
波長シフト: 温度・電流の変化で波長が移動する現象。設計で抑制することが多い。
スペクトル線幅/ライン幅: 出力光の周波数分布の広がり。狭いほど高品質とされる。
内部量子効率: 電気エネルギーが内部光子へ変換される割合。
外部量子効率: 出力光として外部に取り出せる割合。
総合量子効率: 全体の量子効率を表す指標。
内部損失: 導波路内の光の喪失要因（散乱・吸収など）。
鏡損失: キャビティ鏡での光の喪失。
熱抵抗: 熱を逃がす難易度。熱設計と安定性に影響。
キャリア寿命: キャリアが再結合して光になるまでの平均時間。
キャリア誘起屈折率変化: キャリア注入により材料の屈折率が変化して波長・モードに影響。
非放射再結合: SRH・Augerなど、光を放出しない再結合経路。
駆動方式/電気駆動: 電流を介してレーザーを動作させる方式。
外部共振器/外部キャビティ: 外部の鏡を使って周波数安定や狭帯域化を図る手法。
フォトニック集積回路/PIC: チップ上に複数の素子を集積した光回路。
光子結晶/Braggグレーティング: 周期的構造による周波数選択・モード制御手法。
酸化VCSEL: 酸化層を用いて開口部を形成する VCSEL構造。
出力安定性/温度安定性: 温度変化に対して出力・波長を安定させる設計。
パッケージング/信頼性試験: 実機運用に耐える封止・耐久性の検証。
周辺機器/ドライバ: レーザーを制御・駆動する電源・ドライバ回路。