光盘系统用半导体激光器

作者：信息产业部电子第44所 谭朝文 来源：《国外电子元器件》 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