半導体レーザ駆動制御技術を専門に周辺制御機器の企画開発製造

|半導体レーザとは?|レーザシステム|

半導体レーザとは/レーザシステム


 レーザ(Laser)とは、放射の誘導放出による光増(LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation)の頭文字を取ったもので、共振器を用いて光(電磁波)を増幅して得られる人工的な光事を言います。

 

レーザの原理はとは通常、原子・分子は、ある特定のエネルギーをもって運動しています。外部からエネルギーをもらうと、これらの原子や分子はさらに高いエネルギーをもって運動します。これを励起状態といいます。しばらくすると原子や分子は、その余分なエネルギーを吐き出し、元のエネルギー状態に戻ろうとします。そのとき、吐き出された余分なエネルギーは光となって外部へ放出されます。これを「自然放出」といいます。この光が他の高いエネルギーをもった原子や分子に衝突すると、そこから同じ性質の光が放出されます。これを「誘導放出」といいます。通常、高いエネルギーを持つ原子や分子の数は少ないので、放出される光は非常に弱いのですが、何らかの方法で高いエネルギーをもった原子や分子の数を多くさせると、誘導放出がなだれ現象的に起こり、強力な光が放出されます。これが光の増幅です。さらに、ある条件の中で鏡を向かい合わせに置き(共振器といいます)、放出された光を繰り返し反射させると、光は特定の方向に増幅され、更に強力な光となります。これがレーザの原理です。


 半導体レーザは、上記原理を半導体のpn接合構成により接合部に電流を注入することで多数の電子・正孔対を生成し、それらが再結合する際の発光を利用してレーザ発振している。構造としては、電子と正孔の再結合が生じる活性層を、よりバンドギャップの大きいp型とn型の半導体で挟んだダブルへテロ構造がよく用いられている。

 レーザ発振のためには、を共振させるための共振器が必要となる。半導体レーザでの共振器の構成法としては、主に、共振器を半導体基板面と平行に構成し、へき開面から光を取り出す端面発光型と、半導体基板面と垂直に共振器を構成した面発光型が用いられている。
半導体レーザの外部に共振器を設けたものもある。

■半導体レーザの発振と特徴
 半導体レーザ他のタイプレーザと比較しますと小型、高効率、低電圧低消費電力、超寿命などの性質をもっており、光エレクトロニクス分野で幅広く使われている。半導体レーザはダイオードレーザと呼ばれる事も有り、発光ダイオード(LED)がその基礎となっている。 

発光ダイオード(LED)の発光原理

LED光の色の違い

 下図は半導体材料によって発光波長が異なることを説明する図です。p-n接合でのホールと電子の結合は電子がエネルギーの高い伝導帯からエネルギーの低い価電子帯に落ちることによっておこります。このエネルギー差が大きいほどよりエネルギーの高い光、即ち波長の短い光が放出されます。エネルギー差(禁制帯の幅)は半導体の材料で異なっていますので発光させたい色に合う禁制帯の材料を選んで発光ダイオード(LED)を作ります。図2では青色と緑色の材料がどちらもInGaNになっていますが、In/Gaの比率を変えて発光色を調節します。 

白色LEDの発光の仕組

 発光ダイオード(LED)で白色を発光させる仕組みには図3に示すような3通りがあります。

① 青色LEDと黄色を発光する蛍光体の組み合わせです。黄色は青色の補色ですので青色と黄色が混ざって白色にみえます。この方法は簡単で、光も強いので最も普及していますが少し青みがかってみえるのが欠点です。
② 紫外LEDで青、緑、赤の蛍光体を発光させる方法です。自然できれいな白色光に見えますが、まだ、①の方法ほど強い光をだすことができません。
③ 青、緑、赤3個のLEDを発光させる方法です。光が強くフルカラーを発光できるのでディスプレイの照明やLEDスクリーンなどに使われています。

発光ダイオード(LED)と半導体レーザ(LD)の違い

 発光ダイオード(LED)とよく似た半導体発光素子に半導体レーザ(LD)があります。この二つはどこが違うのでしょうか。p-n接合で電子とホールが結合して発光する原理は同じですが、出てくる光の性質は異なります。LEDの光は電球に近く位相がバラバラなので広がっていきますが、LDの光は位相が揃ってるため真っ直ぐ進む光線になります。この違いは、LEDでは発光した光をそのまま外部に出すのに対し、LDでは位相を揃える工夫がしてあるためです。また、LDでは狭い発光層の端面から光がでるので光ファイバーに入射しやすいですが、LEDの光は広い発光層の面全体からでるのでコア径の小さなファイバに入射するのが難しいという違いもあります。


■半導体レーザは、反転分布をどの様に可能にする

 誘導放射が起こりやすくするために、エネルギーの低い価電子帯の電子の数に対して、エネルギーの高い伝導帯にある電子の割合が大きい状態を反転分布と呼ぶことはこれまでに述べたとおりだ。


 ルビーレーザーの場合は、反転分布を可能にするために、キセノンランプを使っていた。しかし、半導体レーザーではこのような方法は使わずに、ある方法で伝導帯に電子を注入する。大型で消費電力の大きいキセノンランプなどを使わないことが、半導体レーザーの小型、低消費電力を可能にする理由でもある。

 半導体レーザーにも様々なタイプがあるが、一般的に使われているのはダブルへテロ接合と呼ばれる構造の以下の図のものである。

 ダブルへテロ接合は図のようなサンドイッチ構造になっている。バンドギャップの大きいP型とN型のクラッド層(被覆層)で、バンドギャップの小さい活性層を挟んだかたちとなっている。クラッド層に設けられた外部電極から順方向に電圧をかけると、P型クラッド層から活性層に正孔が、N型クラッド層から活性層に電子が注入される。したがって、活性層は反転分布の状態にある。ここでは、効率よく誘導放射が起こる。

 

半導体レーザーのレーザー発振

 発光ダイオードと半導体レーザーの最大の違いは、このレーザー発振があるかないかにある。ルビーレーザーは合わせ鏡の構造になっていたが、半導体レーザーの場合も合わせ鏡の構造になっている。

 

 上図にあるように、活性層の両側面は屈折率の違いから反射鏡になっている(へき開面)。また、活性層とクラッド層との間でも屈折率の違いに全反射し、クラッド層に光が漏れにくい。この二つの点から光は活性層に閉じ込められ、誘導放射を繰り返すうちに光が増幅されレーザー光として外部に放出される。こうして反射ループが平衡状態に達するとレーザーが連続発振に達する。

半導体レーザシステム構築(ものづくり)基礎知識

 初めて半導体レーザ(LD)に触れる方に、容易に活用出来る様、基礎知識からプロに求められるLD応用製品の開発、製造に必要なLD制御機器、LD制御用光学部材、電気部品及び制御ソフトを含むLD応用システム機器を提供。

長期に安定した半導体レーザーシステムを構築する上で必要な情報を提供致します。 また、半導体レーザの一般的な性能、注意事項、使用情報について記載していますが、 用途によってはシステム構成が大きく異な事も有り、個々の具体的な事柄については触れていません。 しかしこの解説や取扱い情報には、長期間、安定して動作するシステムの構築に必要な条件を取りまとめて居ます。

 半導体レーザーシステムの構築に関する主要パラメータである波長、光出力、そしてパッケージスタイルが決まります。 主要パラメータが決まったら、次に選択するのは半導体レーザ用マウントとマウントに接続するドライバやコントローラなどで、次いで、実験環境における設置方法となります。 この解説を読んでいただくと、半導体レーザーシステムの構築には多くの事柄を念頭におく必要があることがわかると思います。 その記載量は多く、すべて理解するには時間を要すと思いますが、 適切に、半導体レーザを用いたシステムを構築し、取り扱い、設備を選択し、使用することにより、長期にわたり再現性動作を繰り返しさせても安定した性能がもたらされます。

半導体レーザの光を発振させる方法駆動方法CW(Constant Wave)駆動

以下の弊社製LDドライバーとLDマウンター治具にLD素子を実装しケーブルで接続する事で簡単に半導体レーザをCW駆動出来ます。


LDドライバー         LDマウンター         LD素子

半導体レーザのパルス駆動方法(変調駆動)

以下の様にLDドライバーと変調入力信号端子付きLDマウンター、ファンクションジェネレータ信号をLDマウンターの信号入力端子に信号を入力、LDドライバーと変調入力信号端子付きLDマウンターをケーブル接続する事で、入力信号に習った光出力信号が得られます。


LDドライバー     ファンクション     変調付LDマウンター   LD素子

           ジェネレータ

変調器とは

ここでは、光変調器についての知識と数種の変調器の中から選定などが理解出来る知識を得て戴きます。

光変調器とは、光の強度や位相を変調することでレーザ光に情報を載せる事が出来るデバイスで、光通信システムとして利用される送信機器に用いられます。

光通信の世界では、例えば半導体レーザーは電気によって直接的に光を変調することが可能です。しかし、一般的な固体レーザーやガスレーザーは、半導体レーザーのように直接光を変調することができません。固体レーザーやガスレーザーの光を変調するためには、光源の外部において光変調を行うための変調器が必要となります。これがつまり光変調器(デバイス)と呼ばれており、一般に外部変調器と言います。

光の変調方式

 光の変調には、光の強度を変調する光強度変調と、光位相を変調する光位相変調器が有ります。又、光の変調には、直接変調ができるももと、外部変調器を使用するものがある。この様な変調方式に付いてもう一歩進める。

 

直接変調(内部変調) 半導体レーザは、直接変調が掛けられる。

 直接変調は、半導体レーザ其の物の光信号を変調する方式です。ON/OFFを細かく切り替えるイメージに近く、電流の制御によって文字通り直接電気信号に変調を加えます。光ディスク装置やプラスチック光ファイバ通信では直接変調方式の半導体レーザーが利用されており、

外部変調器を用いる方式と比較っしてシンプルな構成で利用できコストも抑えられる特徴がある。反面、半導体レーザそのものの応答速度がさほっど高いわけではなく、

さらにチャープ(光信号の歪みの一種。周波数が時間的に変動すること)が発生してしまうのが弱点と言える。結果、変調によってスペクトルが広くなり、光ファイバーの波長分散の影響を強く受ける事と成る。直接変調は光ディスク装置やプラスチック光ファイバ通信には適しているものの、高速かつ長距離の光通信には適さないと言えるでしょう。

メリット:低コスト、シンプルな構成で変調が可能。

デメリット:応答速度がにぶい、チャープが発生しロスが大きい、変調振幅に限界がある、レーザに負荷が掛かる。

直接変調は低コストかつシンプルな導入が可能である反面、用途が限られる。

外部変調                                       固体レーザーやガスレーザーの光は外部変調器が必須                 半導体レーザでも外部変調器が使われる場合がある

光変調器(光変調デバイス)をつかって、光の強度や位相を変調する方法を外部変調と言う。

レーザー光源によって直接変調することができない固体レーザーやガスレーザーにおいて、
外部の光変調デバイスをもちいることで光変調をすることが可能です。

光変調器には、搬送波の振幅の強弱を利用して情報を伝送する変調方式であるアナログ変調と、
搬送波を不連続に変調する変調方式であるデジタル変調(バイナリ)があります。

外部変調器にはアナログ変調しかありませんでしたが、通信技術の進歩とともに徐々にデジタル(バイナリ)変調が増えてきました。アナログ・デジタル変調器の中でも、これらのような外部変調は、変調器デバイスを利用する分、

変調方式としてはコスト高となり構成も複雑になりなんてと言える。そのかわりに、外部変調は出力信号のチャープ(光信号の歪みの一種。周波数が時間的に変動すること)が小さく、長距離通信に適した信号を発生させる事が可能と言う点で優れている。

さらに、レーザー光源によって直接変調することが可能な半導体レーザーにおいても、
外部変調器を用いることにより数十ギガの超高速変調が可能に成ると言う点も優れています。

メリット:外部変調器を用いることによりチヤープが抑えられる、外部変調器を用いることにより数十ギガの高速変調が可能、変調可能な振幅が大きくなる、レーザに負荷が掛かりにくい、

デメリット:外部変調波はコストが高くなる、構成が複雑に成る

外部変調は、長距離の光通信に於いて適正な技術と言える。

半導体レーザを用いたパワーアップ光AMP構成システム

光ファイバアンプ(増幅器)とは、光信号を光ファイバー内を通すことによって増幅させるもので、希土類元素からの誘導放出により光利得が得られる希土類添加光ファイバ増幅器が最も広く使用されています。

 光通信は光ファイバ内を光信号が進むことによって行われますが、伝送用光ファイバ自身や接続している光部品や外的要因などによって損失が発生し光信号の強度が弱くなってしまうため、光の増幅を行い損失を補償する必要があります。光ファイバアンプは増幅媒体が光ファイバであるため伝送用の光ファイバとの整合性が良く、シンプルな構造ながら増幅効率が良いという特徴があります。光通信システムの大容量化に伴い波長分割多重方式(WDM)通信が一般的になる中で、光ファイバアンプが最もWDM通信の光増幅に適しており、添加する希土類元素を使い分けることで様々な波長帯の光増幅が可能なため、現代の光通信システムの中で重要な装置の一つとなっております。

光ファイバアンプ(増幅器)の基本的な構成は図1のようになっています。最も重要な部品は増幅媒体の希土類ドープファイバですが、他に、希土類イオンを励起するためのポンプLD信号光とポンプ光を合波するWDMカプラ、増幅光の発振を防ぐための光アイソレータなどが使用されています。

 ドープする希土類イオンの種類と光ファイバの材質を変えることにより、異なる波長帯の増幅を行っています。また、信号光やポンプ光の波長によりコア径、NAなどのファイバパラメータを最適設計しています。

3種類の光変調器、EOM(電気光学変調)、AOM(音響光学変調)、SOM(半導体変調器)

■EOM電気光学変調:

  ニオブ酸リチウムによる電気効果を用いて、光ビームの強度(振幅)変調および位相変調、偏光状態を電気的に制御するのが電気光学変調器です。

電気光学結晶は、印加された外部電圧に応じて光路長を変化させる特徴があります。
この変化は、照射された光の偏光方向に依存します。λ/ 2 電圧を印加するとき、
直交する偏光ビームの光路長の差はちょうど波長の半分です。
結晶を適切に配置すれば、照射された光の偏光方向は 90° 回転します。
この状態のとき、偏光子によって光を消すことができます。
印加電圧を変化させることにより、レーザビーム強度の高速変調が可能になります。
電気光学変調器の性能は、電気的に位相遅れを調整可能な波長板として理解すると簡単です。

変調器は、横方向の電気光学効果を使用します。ビームの方向と電界は直交しています。

ニオブ酸リチウム:

 ニオブ酸リチウム(LiNbO3・LN)は、圧力や温度変化によって電荷が生じる圧電性・焦電性、強い光との相互作用が非線形に起こる非線形光学効果などの特性があります。圧電性・焦電性を利用して圧電素子や表面弾性波(Surface Acoustic Wave・SAW)素子の基板として使用されます。また、非線形光学効果を利用してレーザ素子の基板としても使用されています。通常のLN基板に加え、還元処理により焦電性を改善した黒色のBlack-LN基板や、耐光損傷性を改善するために酸化マグネシウムを添加したMgO:LN基板などがあります。

ニオブ酸リチウムの応用デバイス:

ニオブ酸リチウム(LiNbO3・LN)は主にスマートフォンなどの通信端末に搭載されるSAWフィルタの基板として採用されています。SAWフィルタは弾性表面波フィルタまたは表面弾性波フィルタとも呼ばれます。スマートフォンで複数の周波数帯に対応するマルチバンド化が進む中、雑音や混信を防ぐために特定の周波数だけを通すSAWフィルタが複数必要になっています。圧電性・焦電性の特性を持つLN基板はSAWフィルタの基板材料として最適です。

 

半導体レーザ計測

製品紹介

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ビーム

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D-subマウンター


結束バンド

配置クランプ

クリップ


LDホルダー治具

 静電気に弱いレーザーダイオードは製造工程においてLD素子の取り扱いは、直接製造歩留まりを左右する要になります。
 左記写真に紹介しますLDホルダーはLDPINアームを傷つけず通電テスト及び変調特性等の検査を可能にした LDホルダー治具ですです。

 ホルダー治具の製作は、全てオリジナル治具とし、設計から承ります。

詳しくは写真をクリック下さい。

LD専用コネクター

キャンタイプLD用コネクター
3PIN型:KLC-A3P(φ5.6用)KLC-B3P(φ9用)
4PIN型:KLC-A4P(φ5.6用)KLC-B4P(φ9用)
バタフライタイプLD用コネクター
KLC-B7P
ディプタイプLD用コネクター
KLC-A14P
 その他GT用ソケットあるいは、パワーLDからの発熱を考慮した ヒートシンク内にコネクターを埋め込んだ特注製品も承っています。

D-sub マウンター

D-subコネクター(オス・メス)用マウンター

 タイプ:ライアル接続、バーチャル接続型

 PIN数:9PIN,15PIN,25PIN,37PIN

             

精密温度コントローラ(ペルチェコントローラ・ペルチェドライバー)

 温度コントローラとは温度センサーから得た抵抗変化をPID制御によりペルチェに流れる電流を制御し任意の定められた温度を外部要因に係らず保つ事を可能としたペルチェ制御装置を温度コントローラとし推奨致します。詳細記事

温度センサー(サーミスターセンサー・白金抵抗体)

 サーミスタは金属酸化物の粉末を定められた割合で、調合し高圧プレスで成型後焼き固め製作されます。感度は熱電対,Ptその他多くの温度センサーに比べて格段に敏感です。さらにサーミスタは構造にもよりますが、時定数が小さく、堅牢であることです。そのため計測温度範囲内での安定度は抜群です。繰り返し精度及び経年変化も非常に少ないものなので長期に安定し使用することが可能です。この繰り返し精度が安定していることを利用して絶対精度の悪いセンサでも使用全域に渡り絶対精度を補正する自動キャリブレート回路を組むことで更なる高精度な計測が可能になります。詳しくは写真をクリック下さい。

平行光測定器

 製作された部品の倒れ角及び方向誤差をモニター上に表示させ部品又は製品の合否判定にご使用下さい。本平行光測定器には、平行光基準光が内蔵され被測定物の倒れ及び方向をコンピューター上で三角法による演算を行わせ、得られた値と基準源基に対する誤差を倒れ角度と倒れ方位を時計方位で表現しています。光ピックアップ等の生産工程で検査器としてご使用戴きます。             詳細記事

卓上恒温槽

 光学ディバイス製造工程におけるトラッキング特性、研究開発作業での物性の 温度特性評価用に大変小型な卓上型の恒温槽です。恒温槽外部から光を入力し恒温槽内被測定物を 通過した光を恒温槽外部で受光可能な二重透過窓を装備。
槽内の温度は、-50℃~+200℃まで対応いたします。温度制御精度1/100℃までの精度及び分解能を 確保することができます。

 本システム構築要素には、ペルチェ・ヒーター・温度センサー(サーミスター・白金)・チラー 等を用い、これらを弊社製温度コントロールシステムで制御しています。

 被測定物に合わせ恒温槽内の設計を承りますので、お気軽に弊社技術にご相談下さい。    

オリジナル恒温槽

各種オリジナル恒温プレート

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