光盘系统用半导体激光器

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，人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InGaN LD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光头结构并增强整机的稳定性，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。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。

在用于一般光盘系统时，LD的工作温度应在60℃以上，而用于计算机光盘装置则要求在70℃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。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端面光密度的方法。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应该说是近红外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LD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断续光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。