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激光在光学的读取头中的应用简析

2008-09-16 10:12
蓝林笑生
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    进入新世纪,半导体技术的进步使得成熟的数字技术渗透入所有电子产品领域。影像的数字化及其资料的压缩技术也有长足的进步,其演算方法(algorithm)的标准化也有所进展。媒体内容(media contents)的数字融合 (digital fusion),即多媒体化的应用愈来愈宽。更大容量的储存装置已经成为业界积极开发的首要产品。在目前的技术面、产业面、社会面而言,大家习以为常的音乐CD的数据版—光碟机(CD-ROM)被采用做为常规储存媒体,确立其做为电脑的标准装置的地位,做为多媒体时代的个人电脑储存装置,首先名称能浮上台面的是CD-ROM,目前又有更大容量的以及能够重复读写的CD-RW和DVD刻录装置将逐渐取代CD-ROM而作为电脑的标准配置。但在这些装置的小型化及降低成本方面,成为其关键的光学读取头零件已经成为一个很大的课题。

 

    目前市面上有关存储装置的的专用术语一个比一个多,但DVD的标准还是一个,那就是DVD激光头技术。不同的激光头技术直接决定DVD的性能和价格,也最终决定了碟片清晰度和读盘效果。

 

    随著技术革新,并且在半导体激光晶片(设备)持续普及于780nm域半导体激光设备的最新技术趋势中,本文将以此为基础,阐述适用于DVD格式的650nm域半导体激光设备的应用趋势。

 

    在当前的DVD刻录市场,目前主要有DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW等几种不相容的可读写DVD标准。爲了能够形成一个统一的标准,各大厂商们就达成了采用统一的蓝色激光DVD标准的协定。CD、VCD采用波长爲780nm的红外激光,DVD采用波长爲635nm~650nm 的红色激光。而蓝色激光DVD标准却采用的是波长爲405nm的蓝激光,其激光光束聚焦后的焦点直径可成比例地缩小,使得光碟中资讯坑的长度缩短、间距缩小,从而提高记录密度。

 

    目前,光学读取装置专用半导体激光设备(激光元件)的市场需求,则以下列二大项目为代表:

 

    (一)用于记录型之用的高功率设备化。

 

    (二)用于播放型之用的低杂波、低耗电化。

 

    高功率设备

 

    有鉴于光学读取装置市场的话题─CD-RW驱动装置的成长,而转换成大型记录方式,而将这种方式与半导体激光元件的高输出化直接连结在一起,尤其是日新月异的CD-RW驱动装置的倍速竞争下,更加速了市场的拓展。此外,除了CD格式的记录型之外,就连DVD记录型也正式迎向市场的变化,因而让高输出化的设备需求正式迈入高度需求的阶段。

 

    半导体激光元件所采取的构造是,用禁制域较大的半导体所形成的包层,夹住拥有相当于发光波长之禁制域半导体所构成之活性层的双异性 (double hetero)构造,以便于在半导体基板上成长为积层构造。再藉由这种双异性构造,形成出电位(potential)墙,让注入的载体能有效锁入活性层,以提升发光效率与进行激光振汤。 

 


    记录型光学读取装置

 

    记录型光学读取装置所专用半导体激光所要求的特性,以及对光输出具备高度可靠性的事项则列举如下:

 

    (一)需对光输出具备充分的可靠性,简言之,就是要提高COD等级。

 

    (二)所需的光输出不发生曲折。

 

    (三)为了提升与透镜之间的优良结合效率,FFP(Far Field Patern:发光远视野影像)则属低纵横比(aspect ratio)。

 

    (四)缩小光碟点的低像散现象。

 

    低耗电设备

 

    虽然在光学读取装置市场,已进入CD-RW等转移成记录型的市场,不过CD-ROM、CD Audio等播放型光学读取市场,则属于稳定的市场。因此今后的Audio专用光学读取装置,预估将会陷入缓慢成长的阶段。

 

    播放型光学读取装置

 

    播放型光学读取专用半导体激光元件所要求的特性如下:

 

    (一)属于能承受开放型封装体的高耐湿性晶片。

 

    (二)在播放输出上,属于低杂波。

 

    (三)属于低动作电力、高温动作。

 

    近年来,由于播放型激光封装体,从传统的高气密型封装体转移成开放型封装体,因此高耐湿性晶片已成为必备要件。半导体激光晶片,一般都是用氧化铝或氧化矽等电介体膜,钝化光射出面的晶片端面。这种钝化膜会阻绝外气与晶片端面,并随著激光发光以防止端面氧化,且具有确保长期可靠性的功能。但是这种电介体膜,会因存在于膜中的悬挂链(dangling bond),而出现会与水份产生反应而变质的问题。

 

    低杂波化与低耗电性

 

   以光学读取装置来说,从光碟反射回来的光,会返回半导体激光晶片的发光点,因此用半导体激光晶片内部谐振器与读取装置的光程(从激光到光碟,再返回激光的来回路程)所构成的外界谐振器会构成出复合谐振器,而产生巨大的杂波。这些杂波对策,则被要求在半导体激光端内实施。但是,半导体激光的返回光杂波对策,会引起扩大驱动电流与驱动温度特性恶化的问题。

 

    (a)低杂波型

 

    为了将光锁入形成波导体的线条中,而在电流区块层上采用了光吸收媒介元件。在780nm半导体激光上,则将GaAs视为电流区块层,它可让线条外能接受电流区块层的强烈光吸收,而让光难以渗入线条外,并可阻绝不必要的自然发光成份。反之,藉由电流区块层与活性层之间的适当距离,则可发挥出让光渗入线条外的作用。只要采用极精密膜厚的控制手法,就可同时成立出关系呈现背道而驰现象的作用。如此一来就可实现-130dB/Hz以下的相对杂音强度,进而形成出符合低杂波要求的光学读取装置构造。 

 

    (b)低驱动电力型

 

    在光锁入形成波导体线条内的电流区块层上,所采用的曲折率媒介低于包层的元件。虽然基本构造同于高功率设备的构造,然而与高功率设备不同的是,抑制渗入包层内的光量,将光波导于活性层附近。如此一来,与使用GaAs电流区块层的上述低杂波型相较之下,则可实现约35%的低耗电效能,同时也让杂波特性符合实用领域。

 

    这二种基本构造,皆可藉由高功率设备所解说的厚膜活性层,以执行稳定的高温动作。

 

    拓展DVD格式专用650nm域半导体激光

 

    以上已针对CD格式读取专用780nm域半导体激光设备技术进行说明。780nm域半导体激光是以AlGaAs为结晶材料,但采用InGaAlP材料则可实现DVD格式专用650nm域半导体激光。以下将说明材料的不同,会引起哪些问题与解决办法。

 

    650nm域半导体激光与780nm域半导体激光相比之下,具有的“温度特性不佳、难以执行高温动作”的课题。

 

    正如前述内容所示,半导体激光是用禁制域较大的半导体所形成的包层,夹住拥有相当于发光波长之禁制域半导体所构成之活性层的双异性构造,而形成电位墙,再让注入的载体能有效锁入活性层。

 

    InGaAlp材料与AlGaAs材料相比之下,由于这种电位墙较小,因此当随著温度上升而增加了振汤所需的载体数时,注入的载体就会超过电位墙而发生溢位,因而容易发生停止振汤的问题。

 

    以650nm域半导体激光来说,在解决上述问题必须先西改变晶片构造。换言之,可以直接运用780nm域半导体激光所介绍的各种技术。目前,正基于这些基本技术,著手进行高功率设备化与低耗电设备化。

 

    结语:自从80年代后半期开始到90年代初期扩大了CD专用Audio市场后,90年代后半期便随著PC周边市场的急速发展,而让半导体激光元件也进入多样化的发展。今后,半导体激光的开发竞争,势必会随著正式迈入DVD记录型市场、DVD高密度化,而进行白热化的阶段。

 

    在1972年的LD所开始的技术base的延长线上的光学读取装置,但以完全革新的技术为基础的光学储存装置的开发,即利用近接场光学或利用SIL者等末来型的光学储存装置也于对光学读取装置的研究之中,已开始受到瞩目。此等光学储存装置或许可创造出划时代的另一个世界。或许必须放弃光学储存装置的特徵—可换性,又或许与其他的储存装置进行融合,若是这样的话,反而会对冠以“光”字一事感到犹豫也说不定。(小曾)

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