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cyqdesign

2006-09-16 01:32

激光在光學讀取頭中的應用

進入新世紀，半導體技術的進步使得成熟的數(shù)字技術滲透入所有電子產(chǎn)品領域。影像的數(shù)字化及其資料的壓縮技術也有長足的進步，其演算方法(algorithm)的標準化也有所進展。媒體內(nèi)容(media contents)的數(shù)字融合(digital fusion)，即多媒體化的應用愈來愈寬。更大容量的儲存裝置已經(jīng)成為業(yè)界積極開發(fā)的首要產(chǎn)品。在目前的技術面、產(chǎn)業(yè)面、社會面而言，大家習以為常的音樂CD的數(shù)據(jù)版—光碟機(CD-ROM)被采用做為常規(guī)儲存媒體，確立其做為電腦的標準裝置的地位，做為多媒體時代的個人電腦儲存裝置，首先名稱能浮上臺面的是CD-ROM，目前又有更大容量的以及能夠重復讀寫的CD-RW和DVD刻錄裝置將逐漸取代CD-ROM而作為電腦的標準配置。但在這些裝置的小型化及降低成本方面，成為其關鍵的光學讀取頭零件已經(jīng)成為一個很大的課題。

目前市面上有關存儲裝置的的專用術語一個比一個多，但DVD的標準還是一個，那就是DVD激光頭技術。不同的激光頭技術直接決定DVD的性能和價格，也最終決定了碟片清晰度和讀盤效果。

隨著技術革新，并且在半導體激光晶片(設備)持續(xù)普及于780nm域半導體激光設備的最新技術趨勢中，本文將以此為基礎，闡述適用于DVD格式的650nm域半導體激光設備的應用趨勢。

在當前的DVD刻錄市場，目前主要有DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等幾種不相容的可讀寫DVD標準。爲了能夠形成一個統(tǒng)一的標準，各大廠商們就達成了采用統(tǒng)一的藍色激光DVD標準的協(xié)定。CD、VCD采用波長爲780nm的紅外激光，DVD采用波長爲635nm～650nm的紅色激光。而藍色激光DVD標準卻采用的是波長爲405nm的藍激光，其激光光束聚焦后的焦點直徑可成比例地縮小，使得光碟中資訊坑的長度縮短、間距縮小，從而提高記錄密度。

目前，光學讀取裝置專用半導體激光設備(激光元件)的市場需求，則以下列二大項目為代表：

(一)用于記錄型之用的高功率設備化。

(二)用于播放型之用的低雜波、低耗電化。

高功率設備

有鑒于光學讀取裝置市場的話題─CD-RW驅動裝置的成長，而轉換成大型記錄方式，而將這種方式與半導體激光元件的高輸出化直接連結在一起，尤其是日新月異的CD-RW驅動裝置的倍速競爭下，更加速了市場的拓展。此外，除了CD格式的記錄型之外，就連DVD記錄型也正式迎向市場的變化，因而讓高輸出化的設備需求正式邁入高度需求的階段。

半導體激光元件所采取的構造是，用禁制域較大的半導體所形成的包層，夾住擁有相當于發(fā)光波長之禁制域半導體所構成之活性層的雙異性(double hetero)構造，以便于在半導體基板上成長為積層構造。再藉由這種雙異性構造，形成出電位(potential)墻，讓注入的載體能有效鎖入活性層，以提升發(fā)光效率與進行激光振湯。

記錄型光學讀取裝置

記錄型光學讀取裝置所專用半導體激光所要求的特性，以及對光輸出具備高度可靠性的事項則列舉如下：

(一)需對光輸出具備充分的可靠性，簡言之，就是要提高COD等級。

(二)所需的光輸出不發(fā)生曲折。

(三)為了提升與透鏡之間的優(yōu)良結合效率，F(xiàn)FP（Far Field Patern：發(fā)光遠視野影像）則屬低縱橫比(aspect ratio)。

(四)縮小光碟點的低像散現(xiàn)象。

低耗電設備

雖然在光學讀取裝置市場，已進入CD-RW等轉移成記錄型的市場，不過CD-ROM、CD Audio等播放型光學讀取市場，則屬于穩(wěn)定的市場。因此今后的Audio專用光學讀取裝置，預估將會陷入緩慢成長的階段。

播放型光學讀取裝置

播放型光學讀取專用半導體激光元件所要求的特性如下：

(一)屬于能承受開放型封裝體的高耐濕性晶片。
二)在播放輸出上，屬于低雜波。

(三)屬于低動作電力、高溫動作。

近年來，由于播放型激光封裝體，從傳統(tǒng)的高氣密型封裝體轉移成開放型封裝體，因此高耐濕性晶片已成為必備要件。半導體激光晶片，一般都是用氧化鋁或氧化矽等電介體膜，鈍化光射出面的晶片端面。這種鈍化膜會阻絕外氣與晶片端面，并隨著激光發(fā)光以防止端面氧化，且具有確保長期可靠性的功能。但是這種電介體膜，會因存在于膜中的懸掛鏈(dangling bond)，而出現(xiàn)會與水份產(chǎn)生反應而變質(zhì)的問題。

低雜波化與低耗電性

以光學讀取裝置來說，從光碟反射回來的光，會返回半導體激光晶片的發(fā)光點，因此用半導體激光晶片內(nèi)部諧振器與讀取裝置的光程（從激光到光碟，再返回激光的來回路程）所構成的外界諧振器會構成出復合諧振器，而產(chǎn)生巨大的雜波。這些雜波對策，則被要求在半導體激光端內(nèi)實施。但是，半導體激光的返回光雜波對策，會引起擴大驅動電流與驅動溫度特性惡化的問題。

(a)低雜波型

為了將光鎖入形成波導體的線條中，而在電流區(qū)塊層上采用了光吸收媒介元件。在780nm半導體激光上，則將GaAs視為電流區(qū)塊層，它可讓線條外能接受電流區(qū)塊層的強烈光吸收，而讓光難以滲入線條外，并可阻絕不必要的自然發(fā)光成份。反之，藉由電流區(qū)塊層與活性層之間的適當距離，則可發(fā)揮出讓光滲入線條外的作用。只要采用極精密膜厚的控制手法，就可同時成立出關系呈現(xiàn)背道而馳現(xiàn)象的作用。如此一來就可實現(xiàn)-130dB/Hz以下的相對雜音強度，進而形成出符合低雜波要求的光學讀取裝置構造。

(b)低驅動電力型

在光鎖入形成波導體線條內(nèi)的電流區(qū)塊層上，所采用的曲折率媒介低于包層的元件。雖然基本構造同于高功率設備的構造，然而與高功率設備不同的是，抑制滲入包層內(nèi)的光量，將光波導于活性層附近。如此一來，與使用GaAs電流區(qū)塊層的上述低雜波型相較之下，則可實現(xiàn)約35％的低耗電效能，同時也讓雜波特性符合實用領域。

這二種基本構造，皆可藉由高功率設備所解說的厚膜活性層，以執(zhí)行穩(wěn)定的高溫動作。

拓展DVD格式專用650nm域半導體激光

以上已針對CD格式讀取專用780nm域半導體激光設備技術進行說明。780nm域半導體激光是以AlGaAs為結晶材料，但采用InGaAlP材料則可實現(xiàn)DVD格式專用650nm域半導體激光。以下將說明材料的不同，會引起哪些問題與解決辦法。

650nm域半導體激光與780nm域半導體激光相比之下，具有的“溫度特性不佳、難以執(zhí)行高溫動作”的課題。

正如前述內(nèi)容所示，半導體激光是用禁制域較大的半導體所形成的包層，夾住擁有相當于發(fā)光波長之禁制域半導體所構成之活性層的雙異性構造，而形成電位墻，再讓注入的載體能有效鎖入活性層。

InGaAlp材料與AlGaAs材料相比之下，由于這種電位墻較小，因此當隨著溫度上升而增加了振湯所需的載體數(shù)時，注入的載體就會超過電位墻而發(fā)生溢位，因而容易發(fā)生停止振湯的問題。

以650nm域半導體激光來說，在解決上述問題必須先西改變晶片構造。換言之，可以直接運用780nm域半導體激光所介紹的各種技術。目前，正基于這些基本技術，著手進行高功率設備化與低耗電設備化。

結語：自從80年代后半期開始到90年代初期擴大了CD專用Audio市場后，90年代后半期便隨著PC周邊市場的急速發(fā)展，而讓半導體激光元件也進入多樣化的發(fā)展。今后，半導體激光的開發(fā)競爭，勢必會隨著正式邁入DVD記錄型市場、DVD高密度化，而進行白熱化的階段。

在1972年的LD所開始的技術base的延長線上的光學讀取裝置，但以完全革新的技術為基礎的光學儲存裝置的開發(fā)，即利用近接場光學或利用SIL者等末來型的光學儲存裝置也于對光學讀取裝置的研究之中，已開始受到矚目。此等光學儲存裝置或許可創(chuàng)造出劃時代的另一個世界。或許必須放棄光學儲存裝置的特徵—可換性，又或許與其他的儲存裝置進行融合，若是這樣的話，反而會對冠以“光”字一事感到猶豫也說不定。

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