レーザー ダイオード – 定義、特性、およびアプリケーション

今日のフォトニクス技術は、レーザー ダイオードに大きく依存しています。 LASERは「誘導放出による光増幅」の略です。高出力レーザー ダイオードは、電流が順方向に印加されるとレーザー放射を生成する PN 接合ダイオードです。半導体材料と PN 接合の光学的および電気的特性は、これらのダイオードがどのように機能するかです。自然に光を放出する発光ダイオードとは対照的に、このダイオードは誘導放出によってコヒーレント光を放出します。 LED とは対照的に、LASER はより合理的に発光しますが、両方のダイオードの構成要素は同じです。活性層の組成に応じて、これらのダイオードは可視から赤外までの範囲の波長を持っています。

この記事では、レーザー ダイオードの概要、その用途、特徴、長所と短所について説明します。

定義

レーザー ダイオードは、誘導放出放射 (レーザー) による光増幅と同様の技術を使用して、高強度のコヒーレント光を生成するために使用される半導体です。この文脈におけるコヒーレント光は、同じ周波数および位相を有する装置によって生成される光信号を指す。 LED と同様に、このダイオードは誘導放出の概念に基づいて動作します。

太陽光の波と蛍光灯の波は波長が異なりますが、同期していません。ただし、これらのダイオードは、すべての光信号が同じ波長を持ち、一斉に移動する細いレーザー光ビームを生成します。

レーザーは非常に強いため、非常に狭い領域に焦点を合わせることができます。これらは、レーダー、セキュリティ システム、レーザー プリンター、バーコード リーダー、FOC (光ファイバー通信) など、さまざまなガジェットに採用されています。通常、レーザー ダイオードの温度範囲は 20 ～ 25 °C です。

記号

レーザーダイオードの記号は

建設

レーザー モジュールの構築には、金属接点、p 型材料、n 型材料、および真性層などのさまざまな材料の使用が含まれます。このデバイスの入力端子は、n 型層と p 型層に挿入された金属板に取り付けられています。これらの高出力レーザー ダイオードは、ホモ接合レーザー ダイオードとも呼ばれます。

遷移サイトの容量を最大化し、より多くの電荷キャリアが接合部に蓄積できるようにするために、p 型半導体と n 型半導体の間に真性領域が採用されています。

複数の電子が正孔を介して同時に相互作用できるようにすることで、出力が向上します。光学レンズは、楕円領域から生成されたレーザー光を集光します。通常、金属ケースが PIN ダイオードの構成全体を囲んでいます。

レーザー ダイオード:タイプ

レーザー ダイオードには、次のようなさまざまな種類があります。

ダブルヘテロ構造

この形式のダイオードでは、物質のようなヘテロ構造が p 型材料と n 型材料の間に配置されます。ヘテロ構造物質が存在することから、この種のダイオードはダブルヘテロ構造レーザーダイオードと呼ばれます。その主な利点は、このダイオードのアクティブ部分を使用して光増幅を改善できることです。

量子井戸

別の高出力レーザー ダイオードは、量子井戸層がデバイスの中心にある場所です。量子エネルギーは主に、電子やその他の電荷キャリアを高エネルギーから低エネルギーに遷移させるために利用され、効率の向上につながります。

分離閉じ込めヘテロ構造

量子井戸レーザー ダイオードの薄い中間層は、効果的な光閉じ込めを生成します。最初の 3 つの層に 2 つの余分な層が追加され、それぞれの異なるレーザー ダイオード内でバランスが取れています。これらの層は屈折率が低いため、生成された光を効果的に閉じ込めるのに役立ちます。

垂直キ​​ャビティ面発光

前述のすべてのレーザー ダイオードでは、光共振器は電流の方向に対して垂直に配置されています。しかしながら、垂直キャビティ面発光レーザダイオードの光キャビティは、電流の流れの方向に平行に配置される。部分反射ミラーは、光キャビティの末端近くに配置されます。

その他のタイプのレーザー ダイオード

• インターバンド カスケード レーザー ダイオード
• 外部キャビティ ダイオード レーザー
• 量子カスケード レーザー ダイオード
• 分散型フィードバック レーザー ダイオード
• 分散ブラッグ反射型レーザー ダイオード
• 垂直外部共振器面発光レーザー ダイオード (VCSEL)

利点

以下は、レーザー ダイオードの利点の一部です。

• レーザーの動作出力は、他のダイオードに比べて低いです。
• これらのダイオードは取り扱いが比較的簡単です。
• 高効率のライトを作成できます。
• 電力使用量は最小限です。
• 生産と運用のコストが下がります。
• 長期耐久性
• 非常に信頼できる

短所

以下は、レーザー ダイオードの欠点の一部です。

• 他のダイオードに比べて高価です。
• レーザー光線は特に目に危険です。
• これらは温度に敏感です。温度が上昇すると、ダイオードの動作に影響を与えます。
• ハイパワー アプリケーションは適切ではありません。

アプリケーション

レーザー ダイオードは、次のような電子機器のあらゆる主要分野で使用されています。

• 家電:レーザー ダイオードの一般的な用途例として、CD/DVD プレーヤー、バーコード リーダー、レーザー プリンター、光ファイバー通信などがあります。
• 医療機器:レーザー ダイオードは、非侵襲的な白内障手術、癌細胞の除去、およびその他の医療処置に使用されます。
• 自動運転車:自動運転に使用される LIDAR システムは、レーザー ダイオード技術を使用して作られています。
• 科学機器:レーザーは、距離計、分光計、遠隔非接触測定機器などの科学機器に使用されています。
• 産業用途:これらには、レーザー ダイオードによって生成される高強度レーザー ビームを使用した材料の精密切断が含まれます。 3D プリントでは、物質を柔らかくするためにも利用されます。

特徴

L-I 特性

• レーザー電流の増加に伴い光エネルギーも上昇しますが、温度に依存します。
• 同様に、グラフは、特定のしきい値のレーザー電流の後にレーザー エネルギーが上昇することを示しています。レーザー電流のしきい値は、温度とともに大幅に増加します。
• 簡単に言えば、光エネルギーが放射されるレーザー電流のしきい値は、温度とともに増加します。このしきい値を超える光エネルギーがない場合、レーザー ダイオードはレーザー電流しきい値まで駆動する必要があります。
• 信頼性の高い動作を確保するには、レーザー電流のしきい値を特定する必要があります。

V-I 特性

レーザー ダイオードの初期電源電圧は通常 1.5 V です。動作温度は順方向電圧に影響します。

添付の図は、電圧がダイオードの電流にどのように影響するかを示しています。

上記の特性では、水平線は電流を定義し、垂直線は生成された光の光パワーを定義します。したがって、これらの特性に基づいて、電力がしきい値電圧に達した後、電流のわずかな増加に対して電力が徐々に増加することが明らかです。このダイオードの発電能力は、デバイスと環境の温度に依存します。

機能

レーザー ダイオードが生成するレーザー光の特徴は次のとおりです。

一貫性: コヒーレンスは、誘導放出に起因する重要なレーザー特性です。基本的に、透過光波の波長が同相であることを示します。それらは自然光子放出によって生成されるため、LED などの一般的な光源にはコヒーレンスの品質がありません。

単色性: このダイオードは、単波長の単色光を放射します。生成される光は、単一の波長の波であれば単一の色になります。

明るさ: ライトの明るさは、主に単位立体角あたりの単位表面積あたりのメトリック パワーを使用して計算されます。継続的な反射により、このダイオードは明るく高出力の光を発します。したがって、この技術は鮮やかな光を生み出すことができます。

指向性: レーザー ダイオードから放出される光は、レーザー光が集中的に集束されるため、大きな発散を示しません。レーザー ダイオードでは、放出された光子がミラーを介して複数の反射を経験し、方向性が生じます。光は、軸から外れるにつれてスキップされます。その結果、非常に集中した光線のみが生成されます。

結論

この記事の焦点は、レーザー ダイオードの動作の概要です。家庭用電化製品、ヘルスケア、自動運転車、科学、産業用アプリケーションなどの主要な電子産業で採用されています。レーザー ダイオードの波長範囲は 810 ～ 1064 nm です。

よくある質問

1.パルス レーザー ダイオードの目的は何ですか?

答え パルスレーザーダイオードドライバの目的は、ユーザーが定義した時間間隔で所定の出力レベルで電流パルスのシーケンスを繰り返すことです。電圧制御の定電流源です。レーザーへの出力は、時間と振幅の単位で指定されます。

2.レーザー ダイオードとは何ですか?

答え レーザーダイオードは、注入レーザーまたはダイオードレーザーとも呼ばれ、電流が流れると赤外線または可視スペクトルで複数の放射 (波長はすべて同じ位相と周波数) を放出する半導体の一種です。

3.レーザー ダイオードには何種類ありますか?

答え さまざまな種類のレーザー ダイオードには次のものがあります。 ファブリペロー レーザーと呼ばれる MLM。 SLM は、単一縦モード レーザーと呼ばれます。

4.レーザーはどのような機能を果たしますか?

答え 光ファイバー通信、DVD、CD、および CD-ROM はすべて、科学、ビジネス、およびエンターテイメントにおける重要性により可能になりました。レーザーがなければ、民間航空機の正確なナビゲーション手順、命を救う特定のがん治療、食料品のバーコード リーダーはありません。