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 半導体レーザー | |||||||
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| トランジスタは半導体として知られる物質の特異な性質を利用している。電流は電子の流れからなる。銅のような金属の場合は，電子が原子核にきつく束縛されてはおらず，プラスの電荷に引きつけられて自由に動くので，良い導体となる。一方，ゴムなどの物質は絶縁体で，電子が自由に動けないので電気を通しにくい。半導体は名前の通り，その中間だ。通常は絶縁体に近い性質を示すが，ある条件では電気を良く通す。 初期の半導体研究はシリコンに焦点が当てられたが，シリコン自体はレーザー光を出さない。ベル研究所のショックレー（William Schockley）とブラッテン（WalterBrattain），バーディーン（John Bardeen）が1948年にトランジスタを発明したのをきっかけに，シリコン以外の半導体の研究も盛んになった。それは半導体による発光の仕組みの理解にもつながった。1952年，ドイツのシーメンス社のウェルカー（Heinrich Welker）は周期表の」族と・族の元素からなる半導体が電子素子として役立つ可能性を示した。その1つがガリウムひ素（GaAs）で，高効率の通信用レーザー材料として有力視された。しかし，素子を開発する前に，数々の基礎研究が必要だった。高純度の結晶を層ごとに成長させる手法や，結晶欠陥やドーパント（半導体の性質を変えるために添加する不純物），化合物の安定性に熱が及ぼす影響などの研究だ。これらが進展したことにより，ゼネラル・エレクトリック社やIBM，マサチューセッツ工科大学（MIT）リンカーン研究所が1962年にガリウムひ素のレーザーを開発した。 しかし，古くからの問題が付きまとった。過熱の問題だ。ガリウムひ素もそうだが，1種類の半導体で作ったレーザーは効率があまり良くなかった。レーザーを発生させるために大きな電流を流さなければならず，室温ではすぐに過熱してしまった。また，パルス発振しかできず，通信には実用的でなかった。物理学者たちは熱を取り除こうと，熱を良く伝える物質の上にレーザーを配置するなどのさまざまな方法を試みたが，成功しなかった。1963年，コロラド大学のクレーマー（Herbert Kroemer）が別の方法を提案した。サンドイッチ状になった半導体でレーザーを作る方法だ。2つの異なる材料の間に，薄い活性層を挟む。レーザーの働きをするのは薄い活性層の部分だけなので，必要な電流はごくわずかで済み，熱の発生もコントロー級ツ能な範囲内に収まる。 ただし，食パンの間にチーズをはさむのとは違って，そう簡単にはいかない。半導体結晶の原子は格子状に並んでいて，電子によって化学結合を構成している。適切な原子間結合を持つ多層構造の半導体レーザーを実現するには，素子全体を1つのまとまりを持った結晶として成長させなければならない。多層結晶と呼ばれるものだ。 1967年，ベル研究所のパニッシュ（Morton Panish）と林厳雄(はやし・いずお)は ドーピング（不純物添加）と呼ぶ処理によってガリウムひ素を少し変えると望ましい多層結晶ができる可能性を示した。少数のアルミニウム原子を加え， ガリウムの一部をアルミニウムで置き換える。こうして作ったアルミニウム・ガリウム・ひ素結晶 の原子間の間隔はガリウム・ひ素とほとんど同じで，違いは1/1000以下だった。これ をガリウムひ素の薄膜の両側に成長させれば，レーザー発振を薄膜層に閉じ込められ るだろうと2人は提案した。実現にはその後なお数年の研究が必要だったが，室温で 連続動作する小さな半導体レーザーへの道が開けたのだ。 しかし，1つの難関が残っていた。どうやって光信号を長距離伝送するかという問題だ。波長の長い電波は空中を自由に伝わり，霧でも大雨でも突き抜けられる。しかし，波長の短いレーザー光は大気中の水蒸気や他の粒子で跳ね返り，行く手を阻まれる。霧深い日にはレーザー通信が途切れてしまうだろう。このため，光でも電話と同じような“導線”が必要になる。 | ||||||
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