光盤(pán)系統用半導體激光器

摘　要：半導體激光器（LD）作為讀取光盤(pán)信息的光源，是CD、DVD播放機/ROM等光盤(pán)系統的重要器件，它的性能往往決定系統的整體性能。文中敘述了光盤(pán)用LD的發(fā)展歷程及特點(diǎn)，并著(zhù)重介紹了近紅外、紅光、紫光LD及雙波長(cháng)LD的開(kāi)發(fā)現狀。

關(guān)鍵詞：LD; CD; DVD; 光盤(pán)系統

分類(lèi)號：TN365     文獻標識：B    文章編號：1006-6977（2000）11-0003-04　
 
1 光盤(pán)系統用LD的發(fā)展歷程

　　光盤(pán)讀出用的半導體激光器起源于1970年出現的室溫連續振蕩780nm 波長(cháng)近紅外AlGaAs雙異質(zhì)結構（DH）LD[1]，繼這種沒(méi)有限制振蕩區域的全面電極器件之后，人們還開(kāi)發(fā)出了將電流和增益分布限制在條形區從而使振蕩模穩定的增益波導型器件[2]，70年代后期又出現了在結的平行方向上有折射率分布的折射率波導結構[3]，這便是現在光盤(pán)系統用LD的基本結構。1982年日本先鋒公司用夏普公司制造的這種近紅外LD代替氣體激光管,并將其安裝在CD播放機上，從此LD作為光盤(pán)讀出光源的時(shí)代正式到來(lái)了。隨著(zhù)光盤(pán)的高密度化，LD也向短波長(cháng)方向發(fā)展。1985年，以Kobayashi小組為首的多個(gè)研究機構采用AlGaInP材料成功地實(shí)現了670nm紅光LD的室溫連續振蕩，1992年Hiroyama等人又開(kāi)發(fā)出了630nm紅光LD，這種紅光LD就是現在用于DVD的光源。而中村等人研制的400nm紫光InGaN LD更是舉世矚目。這種400nm紫光InGaN激光器將最有可能成為下一代高密度光盤(pán)用光源。為了簡(jiǎn)化DVD光頭結構并增強整機的穩定性，1999年,索尼、東芝等公司又推出了集成有兩個(gè)LD的雙波長(cháng)LD激光器。這樣，從1972年飛利浦公司采用兩張30cm直徑丙烯片背向貼合而成的記錄模擬信號的光盤(pán)雛形發(fā)展到1982年10月和1996年11月上市的CD、DVD數字光盤(pán)，光源也相應地從633nm的He－Ne氣體激光器演變成780nm近紅外、650nm紅光甚至更短波長(cháng)的半導體激光器或集成化器件。

2 LD用于光盤(pán)系統應具備的特性

　　在用LD讀取光盤(pán)信息時(shí)，該LD應具備以下特性。

2.1 振蕩波長(cháng)

    若用d表示激光束光斑直徑、λ表示振蕩波長(cháng)、NA表示物鏡的數值孔徑，則d正比λ/NA，即λ越小或NA越大，斑點(diǎn)越小，光盤(pán)存儲密度越高。從CD到DVD，波長(cháng)從780nm縮短為650nm，NA從0.45增大到0.6，光斑直徑從2.1μm減小到1.3μm，存儲容量從640MB提高到了4.7GB/單面。如果使用400nm 紫光LD，則光盤(pán)容量可高達15GB/單面?？梢?jiàn)，波長(cháng)越短，光盤(pán)存儲密度越高。

2.2 電－光輸出

　　電－光輸出特性包括光輸出、閾值電流、工作電流等。如果用于光盤(pán)回放，則光輸出至少要達到2～8mW，如果用于光盤(pán)寫(xiě)入，則光輸出必須在30mW以上。而閾值電流和工作電流則越低越好。

2.3 振蕩模式

　　振蕩模應選用基本橫模，并應將電流注入區控制為數μm以形成適當的光限制結構。

2.4 噪聲

　　要減小光盤(pán)反射光返回到激光器產(chǎn)生的回光噪聲，就必須使激光振蕩模多?；?。

2.5 可靠性

　　在用于一般光盤(pán)系統時(shí)，LD的工作溫度應在60℃以上，而用于計算機光盤(pán)裝置則要求在70℃上。在60℃或70℃的溫度條件下，還要求LD的平均壽命必須達到5000～10000h以上。其中波長(cháng)主要取決于材料，其余特性往往是通過(guò)精確的結構控制來(lái)獲得，因此激光器的晶體生長(cháng)通常采用有利于控制外延層的金屬有機化學(xué)汽相淀積（MOCVD）或分子束外延（MBE）技術(shù)來(lái)完成。

3　光盤(pán)系統用半導體激光器

3.1 AlGaAs LD與AlGaInP LD

　　AlGaAs近紅外LD與AlGaInP紅光LD兩種器件的基本晶體層結構。近紅外 LD結構一般用2次外延生長(cháng)完成，通過(guò)精確控制各層的厚度和載流子濃度，即可獲得CD光盤(pán)所必需的各種特性。目前這種器件主要致力于30mW以上的高輸出研究，以滿(mǎn)足CD－R/RW光盤(pán)刻錄系統。要提高光輸出，就必須避免激光射出端的端面損傷并降低工作電流。防止端面損傷一般采取加寬有源層光限制區、增大光束直徑來(lái)減小端面光密度的方法。為了使橫模穩定，起初采用可吸收激光的GaAs作電流阻擋層，但由于激光被吸收后增大了光損耗、閾值電流和工作電流，于是改用比包層Al組分更大的AlGaAs作電流阻擋層，這樣既可利用包層和阻擋層Al組分不同產(chǎn)生的折射率差來(lái)控制橫模，又由于阻擋層不吸收光而能使工作電流進(jìn)一步減小。因此，通過(guò)光限制區和電流阻擋層以及諧振器長(cháng)、端面反射率的改進(jìn)，終于在1995年成功地開(kāi)發(fā)出光輸出達70mW的器件，并迅速實(shí)現了商品化。

　　紅光LD應該說(shuō)是近紅外LD技術(shù)積累的結果，從晶體生長(cháng)、結構控制到成品，紅光LD都沿用了近紅外LD的某些制作技術(shù)。與近紅外LD相比，紅光LD改用帶隙較大的AlGaInP四元材料作有源層來(lái)縮短波長(cháng)，并采用能精確控制橫模的脊形結構，因此結構更為復雜。如果只是單純的雙異質(zhì)結構，由于導帶電子的異質(zhì)勢壘小，因此溫度越高，注入電子越容易從有源層溢出到包層，這將使高溫下的工作電流增大。80年代后期，近紅外LD有源層引入多量子阱超晶格（MQW）結構（由數百A厚的不同組分的晶體層反復交叉積層而形成的疊層結構），從而有效減小了有源層的光吸收、降低了閾值電流。于是人們把超晶格也引入到InGaAsP 紅光LD，并進(jìn)一步調整超晶格的組分以使襯底的晶格常數與有源層的晶格常數發(fā)生微妙變化，這樣便使有源層中形成了壓縮應變的超晶格。實(shí)驗證明：若產(chǎn)生0.5％的壓縮應變，閾值電流可減少25％，而且隨著(zhù)閾值電流的降低，閾值電流與溫度的相關(guān)特性也得到了大幅改善。另外，為了改善噪聲特性，必須將原本單模的紅光LD變成多模。含過(guò)飽和吸收層的AlGaAs近紅外自脈動(dòng)激光器（見(jiàn)圖1（a））就是基于這一技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并以其極低的噪聲受到好評。自脈動(dòng)激光器利用過(guò)飽和吸收層的斷續光吸收機理使得出射光波斷斷續續，從而變成多模型，即使光盤(pán)反射光返回到LD也不會(huì )影響激光振蕩，從而使噪聲降低。后來(lái)人們把過(guò)飽和吸收層也引入到AlGaInP紅光 LD，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了自脈動(dòng)型紅光LD。自脈動(dòng)激光器以其良好的噪聲特性必將是今后光盤(pán)用LD的發(fā)展方向。目前，近紅外LD和紅光LD已發(fā)展成熟，并達到商品化。

3.2 InGaN紫光LD

　　日本日亞化學(xué)工業(yè)公司在GaN藍紫光發(fā)射器件方面做出了重大貢獻，在1995年春，繼GaN藍綠光LED成功之后，日亞的中村等人正式著(zhù)手研究InGaN紫光LD，并于同年12月首次實(shí)現紫色激光連續振蕩。終于在1996年成功地實(shí)現了室溫連續振蕩300小時(shí)，隨后，他們又利用NEC公司碓井等人報道的橫向過(guò)生長(cháng)GaN（ELOG）襯底技術(shù)將紫光LD室溫壽命提高到一萬(wàn)小時(shí)。1998年又采用美國北卡羅來(lái)拉州立大學(xué)Zheleva等人發(fā)明的無(wú)SiO2掩膜ELOG襯底技術(shù)，有效減少了藍寶石襯底與GaN之間的錯位密度，大幅降低了閾值電流、提了器件壽命，從而真正揭開(kāi)了商品化器件的序幕。

　　無(wú)SiO2掩膜的ELOG襯底，它首先在藍寶石襯底上生長(cháng)2～4μm的GaN，然后在其上形成條狀SiO2掩膜，干蝕刻至藍寶石襯底后除去SiO2，接著(zhù)在形成的條狀GaN上再次生長(cháng)GaN。由于條狀GaN側面的生長(cháng)速度比上面的生長(cháng)速度快，因此，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，其側面、上面生長(cháng)的GaN將連成一體，從而形成如鏡面平坦的GaN膜。藍寶石襯底與GaN之間大的晶格常數差引起的連貫錯位只在條狀GaN上方延伸而不橫向延伸，因此側面生長(cháng)的GaN中連貫錯位非常少。如果在這一連貫錯位少的區域形成激光器結構，閾值電流密度只有2～4k A/cm2，而在連貫錯位多的區域制作則閾值電流密度大約要高2倍。1999年1月，日亞公司正是在這種襯底上率先實(shí)現了InGaN紫光LD的商品化。

　　自1998年日亞公司率先將紫光LD的壽命突破10000小時(shí)以后，日本的富士通、松下以及美國的Cree、HP、SDL、施樂(lè )、西北大學(xué)以及波斯頓大學(xué)等也加入了這種器件的研發(fā)行列，這使得紫光LD市場(chǎng)競爭日趨激烈。

3.3 集成雙波長(cháng)LD

　　1997年出現了采用2光束LD的DVD/CD/CD－R光頭，但當時(shí)由于技術(shù)難度大并需要新的設備投資以及DVD需求量有限等緣故，大多只停留在研制水平。然而，1999年6月8日索尼計算機公司發(fā)布了用于"Playstation2（游戲機）"的雙波長(cháng)半導體激光器的消息并引起轟動(dòng)之后，東芝、夏普、松下、三洋、三菱、羅姆等日本廠(chǎng)家都紛紛做出了日程表以加快雙波長(cháng)LD的開(kāi)發(fā)。

　　雙波長(cháng)LD是一種用單片集成或混合集成的方法將近紅外LD和紅光LD集成在一體的激光器組件。單片集成型是利用MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上選擇生長(cháng)AlxGa1－xAs和AlxGayIn1－x－yP兩種不同有源層而形成的，最后封裝在標準的5.6mm直徑4針管殼中。單片集成的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光點(diǎn)間隔由光刻工藝確定，定位精確，誤差范圍可控制在