光盘系统用半导体激光器

    摘要：半导体激光器（LD）作为读取光盘信息的光源，是CD、DVD播放机/ROM等光系统的重要器件，它的性能往往决定系统的整体性能。文中叙述了光盘用LD的发展历程及特点，并着重介绍了近红外、红光、紫光LD及双波长LD的开发现状。

    关键词：LD  CD  DVD  光盘系统

1 光盘系统用LD的发展历程

    光盘读出用的半导体激光器起源于1970年出现的室温连续振荡780nm波长近红外AlGaAs双异质结构（DH）LD[1]，继这种没有限制振荡区域的全面电极器件之后，为们还开发出了将电流和增益分布限制在条形区从而使振荡模稳定的增益波导型器件[2]，70年代后期又出现了在结的平行方向上有折射率分布的折射率波导结构[3]，这便是现在光盘系统用LD的基本结构。1982年日本先锋公司用夏普公司制造的这种近红外LD代替气体激光管，并将其安装在CD播放机上，从此LD作为光盘读出光源的时代正式到来了。随着光盘的高密度化，LD也向短波长方向发展。1985年，以kobayashi小组为首的多个研究机构采用AlGaInP材料成功地实现了670nm红光LD的室温连续振荡，1992年Hiroyama等人又开发出了630nm红光LD，这种红光LD就是现在用于DVD的光源。而中村等人研制的400nm紫光InGaNLD更是举世瞩目。这种400nm紫光InGaN激光器将最有可能成为下一代高密度光盘用光源。为了简化DVD光头结构并增强速机的稳定性，1999年，索尼、东芝等公司又推出了集成有两个LD的双波长LD激光器。这样，从1972年飞利浦公司采用两张30cm直径丙烯片背向贴合而成的记录模拟信号的光盘雏形发展到1982年10月和1996年11月上市的CD、DVD数字光盘，光源也相应地从633nm的He-Ne气体激光器演变成780nm近红外、650nm红光甚至更短波长的半导体激光器或集成化器件。

2 LD用于光盘系统应具备的特性

    在用LD读取光盘信息时，该LD应具备以下特性。

2.1 振荡波长

    若用d表示激光束光斑直径、λ表示振荡波长、NA表示物镜的数值孔径，则d正比λ/NA，即λ越小或NA越大，斑点越小，光盘存储密度越高。从CD到DVD，波长从780nm缩短为650nm，NA从0.45增大到0.6，光斑直径从2.1μm减小到1.3μm，存储容量从640MB提高到了4.7GB/单面。如果使用400nm紫光LD，则光盘容量可高达15GB/单面。可见，波长越短，光盘存储密度越高。

2.2 电-光输出

    电-光输出特性包括光输出、阈值电流、工作电流等。如果用于光盘回放，则光输出至少要达到2～8mW，如果用于光盘写入，则光输出必须在30mW以上。而阈值电流和工作电流则越低越好。

2.3 振荡模式

    振荡模应选用基本横模，并应将电流注入区控制为数μm以形成适当的光限制结构。

2.4 噪声

    要减小光盘反射光返回到激光器产生的回光噪声，就必须使激光振荡模多模化。

2.5 可靠性

    在用于一般光盘系统时，LD的工作温度应在60℃以上，而且于计算机光盘装置则要求在70℃以上。在60℃或70℃的温度条件下，还要求LD的平均寿命必须达到5000～10000h以上。其中波长主要取决于材料，其余特性往往是通过精确的结构控制来获得，因此激光器的晶体生长通常采用有利于控制外延层的金属有机化学汽相淀积（MOCVD）或分子束外延（MBE）技术来完成。

3 光盘系统用半导体激光器

3.1 AlGaAs LD与AlGaInP LD

    AlGaAs近红外LD与AlGaInP红光LD两种器件的基本晶体层结构如图1所示。近红外LD结构一般用2次外延生长完成，通过精确控制各层的厚度和载流子浓度，即可获得CD光盘所必需的各种特性。目前这种器件主要致力于30mW以上的高输出研究，以满足CD-R-RW光盘刻录系统。要提高光输出，就必须避免激光射出端的端面损伤并降低工作电流。防止端面损伤一般采取加宽有源层光限制区、增大光束直径来减小面光密度的方法。为了使横模稳定，起初采用可吸收激光的GaAs作电流阻挡层，但由于激光被吸收后增大了光损耗、阈值电流和工作电流，于是改用比包层Al组分更大的AlGaAs作电流阻挡层，这样既可利用包层和阻挡层Al组分不同产生的折射率差来控制横模，又由于阻挡层不吸收光而能使工作电流进一步减小。因此，通过光限制区和电流阻挡层以及谐振器长、端面反射率的改进，终于在1995年成功地开发出光输出达70mW的器件，并迅速实现了商品化。

    红光LD应该你是近红外LD技术积累的结果，从晶体生长、结构控制到成品，红光LD都沿用了近红外LD的某些制作技术。与近红外DL相比，红光LD改用带隙较大的AlGaInP四元材料作有源层来缩短波长，并采用能精确控制横模的脊形结构，因此结构更为复杂。如果只是单纯的双异质结构，由于导带电子的异质势垒小，因此温度越高，注入电子越容易从有源层溢出到包层，这将使高温下的工作电流增大。80年代后期，近红外LD有源层引入多量子阱超晶格（MQW）结构（由数百A厚的不同组分的晶体层反复交叉积层而形成的叠层结构），从而有效减小了有源层的光吸收、降低了阈值电流。于是人们把超晶格也引入到InGaAsP红光LD，并进一步调整超晶格的组分以使衬底的晶格常数与有源层的晶格常数发生微妙变化，这样便使有源层中形成了压缩应变的超晶格。实验证明：若产生0.5%的压缩应变，阈值电流可减少25%，而且随着阈值电流的降低，阈值电流与温度的相关特性也得到了大幅改善。另外，为了改善噪声特性，必须将原本单模的红光LD变成多模。含过饱和吸收层的AlGaAs近红外自脉动激光器（见图1（a））就是基于这一技术开发出来的，并以其极低的噪声受到好评。自脉动激光器利用过饱和吸收层的继续义吸收机理使得出射光波断断续续，从而变成多模型，即使光盘反射光返回到LD也不会影响激光振荡，从而使噪声降低。后来人们把过饱和吸收层也引入到AlGaInP红光LD，进而开发出了自脉动型红光LD。自脉动激光器以其良好的噪声特性必将是今后光盘用LD的发展方向。目前，近红外LD和红光LD已发展成熟。并达到商品化，它们的主要技术参数性能如表1所列。

表1 近红外LD和红光LD性能比较

3.2 InGaN紫光LD

    日本日亚化学工业公司在GaN蓝紫光发射器件方面做出了重大贡献，在1995年春，继CaN蓝绿光LED成功之后，日亚的中村等人正式着手研究InGaN紫光LD，并于同年12月首次实现紫色激光连续振荡。终于在1996年成功在实现了室温连续振荡300小时，随后，他们又利用NEC公司碓井等人报道的横向过生长GaN(ELOG)衬底技术将紫光LD室温寿命提高到一万小时。1998年又采用了美国北卡罗来拉州大学Zheleva等人发明的无SiOs掩膜ELOG衬底技术，有效减少了蓝宝石衬底与GaN之间的错位密度，大幅降低了阈值电流、提高了器件寿命，从而真正揭开了商品化器件的序幕。

    图2所示为SiO2掩膜的ELOG衬底，它首先在蓝宝石衬底上生长2～4μm的GaN，然后在其上形成条状SiO2掩膜，干蚀刻至蓝宝石衬底后除去SiO2，接着在形成的条状GaN上再次生长GaN。由于条状GaN侧面的生长速度比上面的生长速度快，因此，经过一定时间后，其侧面、上面生长的GaN将连成一体，从而形成如镜面平坦的GaN膜。蓝宝石衬底与GaN之间大的晶格常数差引起的连贯错位只在条状GaN上方延伸而不横向延伸，因此侧面生长的GaN中连贯错位非常少。如果在这一连贯错位少的区域形成激光器结构，阈值电流密度只有2～4k A/cm2，而在连贯错位多的区域制作则阈值电流密度大约要高2位。1999年1月，日亚公司正是在这种衬底上率选实现了InGaN紫光LD的商品化，其器件结构如图3所示，表2所列是其主要技术参数。

表2 InGaN紫光LD产品-NLHV500A性能参数

    自1998年日亚公司率先将紫光LD的寿命突破10000小时以后，日本的富士通、松下以及美国的Cree、HP、SDL、施乐、西北大学以及波斯顿大学等也加入了这种器件的研发行列，这使得紫光LD的市场竞争日趋激烈。

3.3 集成双波长LD

    1997年出现了采用2光束LD的DVD/CD/CD-R光头，但当时由于技术难度大并需要新的设备投资以及DVD需求量有限等缘故，大多只停留在研制水平。然而，1999年6月8日索尼计算机公司发布了用于“Playstation2（游戏机）”的双波长半导体激光器的消息并引起轰动之后，东芝、夏普、松下、三洋、三菱、罗姆等日本厂家都纷纷做出了日程表以加快双波长LD的开发。

    双波长LD是一种用单片集成或混合集成的方法将近红外LD和红光LD集成在一体的激光器组件，其结构如4所示。单片集成型（图4（a））是利用MOCVD技术在GaAs衬底上选择生长Alx-Ga1-xAs和AlxGayIn1-x-yP两种不同有源层而形成的，最后封装在标准的5.6mm直径4针管壳中。单片集成的优点是发光点间隔由光刻工艺确定，定位精确，误差范围可控制在±1μm以下。而混合集成型（图4（b））是把用精密组装设备做好的近红外LD和红光LD并排放置于Si衬底的焊接剂上，然后通过热焊接等方法固定，从而形成混合组件。混合集成型器件的优点是可以自由组合不同的波长和不同的输出功率，最适合于今后制作包括400nm紫光LD在内的多波长LD。目前，索尼、东芝等公司已有单片集成型的产品报道，其产品性能如表3所列。

表3 单片式双波长LD产品性能

    双波长LD之所以引起轰动，主要原因是它能简化光头结构、降低成本、增强DVD系统的稳定性。为了兼容CD等光盘，DVD机器的光头需要输出两种波长。因此，现在的DVD光头一般采用双LD光头以及两个LD共用一个光学系统的双LD单光头方式。尤其是双LD双光头方式，除了每个光头需要有各自的部件外，还必须有光头切换装置，而这将使产品结构复杂化，因而机械故障较高。若采用双波长LD，则光头只需双波长LD、监视用光电二极管（PD）、调整物镜和反射镜四种部件，它不需要棱镱，更不需要光头切换装置，结构几乎与CD机用的单波长单光头一样简单，而功能却与双光头完全一样，可输出两种波长以分别读取CD和DVD两类光盘。可见，双波长LD具有无可比较的优越性。据估计，随着技术的发展，双波长LD将很快实现商品化。