半導体レーザー(その二)

 

代表的な半導体レーザーについて詳しく見てみましょう。


図1
図1

実用的な半導体レーザーには,図1に書いてある周期表のIII族元素のアルミニウム(Al),ガリウム(Ga),インジウム(In)とV族元素の窒素(N),リン(P),ヒ素(As)の中から2種類以上の元素を組み合わせた化合物半導体が使われます。

例えば,GaAs,AlGaAsやInGaAsPと言ったものです。III族元素を合計したものが1になり,V族元素を合計したものが1になるようにします。組成比を正確に書きますと,AlxGa1-xAs,InxGa1-xAsyP1-yとなります。xとyは0~1の間の数字です。

周期表の上にある元素,軽い元素が多く含まれるほど,バンドギャップが大きくなりますので,発振波長は短くなります。逆に,下の重い元素を混ぜると,発振波長は長くなります。

とは言え,どのような組み合わせでもレーザーになるのではなく,良質の結晶性薄膜ができることが,そもそもの条件です。また,結晶性薄膜ができたとしても,レーザー発振に至るには道険しです。

半導体レーザーは,元素の組み合わせで発振波長を自由に選ぶことができるので,用途に応じた発達をしてきました。中心になる材料はInP(Eg=1.35 eV,λ=918 nm),GaAs(1.424 eV,870 nm),GaN(3.4 eV,365 nm)です。

光通信のためには,石英ガラスファイバーの透過率が高い1.3 μmと1.55 μm用に,InPを中心にして重いInを混ぜ,更にGaをちょっと加えてInGaAsPを作りました。このInGaAsPグループでは4つの元素の比を正確に制御しなければなりません。

一種類増えるだけですが,その技術は格段に難しくなります。元素の比が変わりますと,当然発振波長が変化することになります。通信などの応用にはできるだけ波長の狭いレーザーが望ましいことになりますから,元素の比を正確に制御する必要があるのです。

1 μm付近の大出力用には,GaAsを中心にして軽いAlを混ぜて短波長側,すなわち870 nmから600 nmにわたって発振するGaAlAs,重い元素であるInを混ぜたInGaAsは0.9~1.5 μmの波長域で発振します。

この800 nm付近の光はネオジウムの吸収帯と一致しますので,ネオジウム固体レーザー(Nd:YAGやNd:YLF)の励起に使われています。また医療用にも注目されているレーザーです。後者の1 μm光は,ファイバーレーザーのポンピング用です。


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