由于PC用可录式DVD（Digital Versatile Disc）逐渐普及化，利用DVD±R/RW、DVD-RAM记录文件以及影像资料，已经成为工作中不可或缺的一部份，一般认为未来随着数位电视的开播，民生用可录式DVD的需求势必出现急遽的成长，有鉴于此本文要介绍可录式DVD用高功率红光雷射最新技术动向。

高功率红光雷射的应用

(图一)是可录式DVD的光学系统构造，由图可知可录式DVD使用小型、高功率、可以直接变调的半导体雷射当作驱动光源，记录时从半导体雷射出的光束经过准直镜片（collimator lens）转换成平行光，接着利用对物镜片收敛光束，并照射至光碟片上的有机色素膜层（DVD±R）或是相变化膜层（DVD±RW、DVD-RAM），使被照射部位局部加热产生光束性反射率凹痕（pit），借此方式变化记录资料，换言之光碟片的记录容量取决于雷射光束大小。由于光束大小与雷射波长呈比例，因此可录式DVD使用波长为高功率半导体红光雷射，达成超高记录容量的要求。

《图一 可录式DVD的光学系统》

(图二)是以三菱的半导体雷射为例，说明​​可录式DVD对DVD±R光碟片的记录速度与雷射输出的发展经纬。由图可知最近几年可录式DVD的记录速度急速朝高速化发展，2000年2月开始的倍速竞争，到了2003年8月8倍速成为当时的主流，2004年记录速度更进入16倍速等级。高速记录时必需在极短时间内在光碟片上形成光点（spot），因此半导体雷射必需提供高功率的光输出。虽然各厂商的读写头（pickup head）光学设计略有差异，不过一般8倍速记录要求半导体雷射具备以上的输出，16倍速记录为。

《图二 的记录速度半导体雷射的输出》

由于半导体雷射高功率的输出造成动作电流增加，所以雷射驱动电路产生的热量也大幅提高。此外为符合高速反应等需求，驱动电路的导线无法绕道远离半导体雷射元件，因此驱动电路产生的热量更加剧雷射元件周围的温度，如此一来注入雷射活性层的电子极易溢出，这意味着漏电电流使得雷射的动作电流有变大倾向。

如上所述热量的归返（return）会抑制读写头的特性，因此降低雷射的动作电流同时提高雷射的温度特性，成为波长为可录式DVD常用的高功率半导体红光雷射，达成超高记录容量不可或缺的技术。

红光导体雷射高功率化技术

为达成红光导体雷射高功率化目的，一般是使用COD（Catastrophic Optical Damage）技术抑制雷射端面破坏现象，搭配kink损害光输出-电流特性直线性，借此提高光输出特性，并改善高温动作时的输出饱和Level。

(图三)是三菱开发的高功率红光导体雷射的基本结构，为防止COD因此该雷射的端面成窗口状（window shape），接着在ridge两侧制作沟槽，形成双频式（ double channel type）可以产生雷射光束的ridge型光导波路，如此便可降低光导波路的光损失，进而获得低动作电流特性。

《图三 250mW高功率红光半导体雷射》

上述ridge型光导波路经过最佳化设计，可以大幅提高Kink Level。除此之外该公司开发的高功率红光导体雷射采用长度为共振器，同时进行晶片的散热性、电流密度与元件阻抗的改善，试图借此提升Kink Level与输出饱和Level。

接着介绍可以获得高输出化的端面窗口结构、光导波路最佳化设计、雷射长度共振器化等三大技术的具体内容。

端面窗口结构

《图四 端面窗口结构的优点》

(图四)是端面窗口结构的动作原理。图四左侧是传统雷射的端面结构，由于局部性缩小band gap，因此该部位会产生光吸收与发热问题，而发热则加大band gap更缩小等恶化循环，使得端面温度呈加速性增高，此时若提高光输出的话，会快速陷入结晶的融点进而造成具备laser mirror功能的端面溶解、损坏，雷射元件性能劣化高功率动作与可靠性受到限制，为彻底解决上述问题所以三菱的高功率红光导体雷射，是将端面的半导体band gap前移采用端面窗口结构。基本上它是在多重量子井活性层，将亚铅不纯物扩散于端面部位，再将挟持活性层且band gap极大的clad层材料混入量子井活性层，使端面部位的band gap相对扩大，形成所谓多重量子井结构无秩序化，借此抑制端面部位的光吸收，提高光输出并大幅改善元件的可靠性。

光导波路最佳化设计

《图五 kink与热饱和对光输出与电流特性的影响》

如上所述最大光输出除了会破坏端面之外，还会受到kink level的限制，如果发生kink的话雷射发振模式也会产生变化，(图五)是观察射出光束的steering获得的结果。

由于雷射光束必需精确照射在可录式DVD光碟片预定位置上，如果发生kink光输出就无法正常照射在光碟片，亦即kink level会变成最大光输出，因此雷射的高功率化首要目标是提高kink level。

《图六 ridge与折射率的依存特性》

Kink现象主要是沿着光导波路往返来回的光线因发热造成折射率变化，部份光线从光导波路漏泄所造成。三菱开发的ridge型光导波路又称为实折射率型光导波路，它是利用ridge与ridge两侧的等价折射率差异，使射入ridge的光线封闭于导波路内部，电流在ridge中央部位流动时，ridge部位活性层温度一旦升高，该部位的折射率(图六)(a)也随着上升，其结果使得ridge与ridge两侧的折射率差增大，导波路的cutoff条件从基本模式转移成高次模式领域时就会产生所谓Kink现象。图六(b)是以导波路的ridge宽度与折射率差做参数计算cutoff获得的结果。

《图七 ridge形状优化》

一般认为为获得基本模式，所以经常误解该模式领域的ridge宽度与比cutoff更重要，然而实际动作时会变大，甚至会偏离基本模式发生Kink现象，所以降低ridge宽度才能从cutoff条件取得更大的界限（margin）。如(图七)所示，以往利用湿蚀刻（wet etching）制成的ridge导波路，由于ridge两侧会出现一定的结晶面，这种情况下若贸然进行ridge宽度狭窄化，会因ridge上端细窄造成元件阻抗增加，使得ridge部位的热量急速上升，进而引发Kink Level降低；相较之下形状控制性非常优秀的干式蚀刻可以提高ridge的垂直性，不会有元件阻抗增加之虞，而且光导波路最佳化设计还能够提高Kink Level。

《图八 光输出与电流特性对共振器长度的相关性》

雷射长度共振气化

半导体雷射是利用电流注入将电子与电洞密封在活性层内，形成反相分布进行雷射振荡。理论上利用电流注入的电子与电洞若全部转换成雷射振荡，光输出会与电流呈比例增加，不过实际上为获得高光输出增加电流，电子会从活性层漏出，造成无法转换成雷射振荡的无效电流与热量增加，活性层的温升等恶性循环使得发光效率（光输出/电流）大幅降低，最后可以观察到如图五所示的光输出饱和现象（热饱和）。

实际上高温动作时活性层的温升非常大，而且热饱和相当明显，发光效率更是急遽下降，加以偏离高次模式cutoff条件也会使Kink Level降低，由此可知抑制活性层的温升，对雷射元件的高输出动作具有重大影响。抑制活性层的温升可利用长共振器化，降低热阻抗并获得极佳的效果。根据(图八)测试结果显示，相同结构长度相异的共振器会出现不同的雷射光输出与电流特性。虽然理论上加大共振器长度，可以提高Kink Level与雷射的阈值电流，不过却会使发光效率降低，所幸的是80℃时热饱和非常低，因此高输出领域的动作电流反而变小，也就是说雷射的长共振器化可以降低热阻抑制活性层的温升，高温时却无热饱和之虞，同时还可以达成高输出动作的目的。如上所述由于共振器的长度对改善雷射的温度特性具有绝对性影响，因此三菱开发的可录式DVD用高功率红光雷射，采用长度为的共振器。

《图九 光输出与电流特性对温度的相关性》

(图九)是上述可录式DVD用高功率红光雷射在脉冲（pulse）条件下，光输出与电流特性对温度依存性。由图可知即使75℃的动作温度，仍然可以获得无kink 的光输出；此外由(图十)的光束远视野影像的光输出依存性可知，一直到仍然可用单一模式振荡，而且不会发生beam steering现象；(图十一)是以脉冲条件进行连续动作测试的结果，根据测试结果显示连续动作500小时，动作电流并未明显增加，这表示本雷射非常适用于16倍速可录式DVD的资料读写光源。

《图十 光束远视野影像与光输出的相关性》

今后发展动向

有关可录式DVD驱动倍速的竞争，由于光碟片的转速极限大约是1万rpm，因此一般认为DVD的驱动倍速不会超过16倍，在此同时单层记忆容量为的双层式光碟片需求则会大幅成长。

若与单层光碟片比较，双层式光碟片的记录即使相同倍速，雷射元件需要提供2倍以上的光输出，依此推算双层光碟片8倍速记录，雷射元件必需具备以上的光输出。

《图十一 寿命测试（75℃，250mW）结果》

除此之外slim type可录式DVD可望逐渐取代传统硬碟机，slim驱动用的半导体雷射元件要求小型、轻巧等基本要件，目前国外业者已经开发直径圆型封装技术，取代half light用直径圆型封装（package）。

散热对策是封装小型化面临的主要课题之一，由于slim drive周边电路高密度封装的结果，反而造成环境温度变高，对雷射的动作保障温度形成加严苛的压力。

一般泛用型可录式DVD同时具备CD与DVD读写功能，CD读写头一般是使用波长为，5mW低功率雷射；PC用可录式DVD一般是使用高功率半导体红光雷射， CD-R/RW记录则使用波长为，高功率半导体红光雷射，亦即使用两组结构非常复杂的光学读写机构。基于成本考量一般认为今后势必简化成可以输出两种波长单一雷射元件，例如利用晶圆技术将两种波长相异的雷射微缩在一个晶片内，制成所谓的单片型（monolithic type）双波长雷射元件等等。

结语

以上介绍可录式DVD用高功率半导体红光雷射最新技术动向。由于DVD​​记录速度的提升，因此半导体雷射也快速朝高功率方向发展，这意味着高功率半导体红光雷射的窗口结构与光导波路的最佳化设计，以及加工精度必需大幅提升；此外随着半导体红光雷射的高功率化，动作电流的增加造成驱动器的slim化，雷射的温度特性也是有待改善课题之一。

延 伸 阅 读

未来智慧手机的电源管理技术 目前科技早已经可以造出各种不同波长的雷射，也能以雷射射出：红光、绿光、蓝光这三种光。现在的多媒体光碟系统是由波长780 nm的红光所组成的CD为主流，渐渐的转向由波长650 nm的红光组成的DVD为下一代的趋势。相关介绍请见「 DVD烧录机用高功率雷射二极体光电特性之研究」一文。 在碟机部分，读取头使用与目前DVD相同之650nm红光雷射，而画质则呈现1280*720高画质影像，碟片储存容量单面单层可达5.4-6 GB，并采用了微软WMV-9的视讯压缩技术。在放映呈现上可多节目同时播放，功能及影像品质均较现有DVD规格超出许多。你可在「 红光高画质影音光碟 」一文中得到进一步的介绍。 从20世纪80年代问世的CD光碟，一直使用波长780nm的红光雷射二极管，90年代后期出现容量更大和传输速度更高的DVD光碟，使用波长较短的650nm红光雷射二极管，21世纪10年代初波长405nm的蓝光雷射二极管取得批量生产的突破，高分辨率DVD开始进入资料存储市场。在「 雷射二极管继续光芒四射」一文为你做了相关的评析。

市场动态

新一代的DVD技术标准早已经被提出；目前这样的替代标准有两种：Blu-ray和HD-DVD。他们都有一个共同点：蓝色雷射技术的采用。本质上，以目前技术来比较，蓝光雷射比红光雷射的光源波长要短一些（蓝光雷射波长405nm比红光雷射波长650nm）。相关介绍请见「谁来继承DVD烧录机的衣钵」一文。 使用蓝光雷射的DVD播放机预计在几年内就会取代目前的红光雷射DVD播放机。蓝光DVD的容量比红光DVD大五倍，可以储存长达3个小时的高解析度（high-definition）影片。家电厂商估计在几年之内，高解析度电视也将达到普及的临界规模（critical mass）。你可在「 新版DVD规格战一触即发」一文中得到进一步的介绍。 台湾前瞻光储存研发联盟」（Taiwans Advanced Optical Storage Research Alliance；AOSRA），在台北国际光电展最后一个星期所举办的「第九届亚洲DVD会议」中，发表一个储存新规格：「红光高画质影音光碟FVD（Forward Versatile Disc）」。在「 台湾发表新规格红光高画质影音光碟FDV」一文为你做了相关的评析。