由於PC用可錄式DVD（Digital Versatile Disc）逐漸普及化，利用DVD±R/RW、DVD-RAM記錄文件以及影像資料，已經成為工作中不可或缺的一部份，一般認為未來隨著數位電視的開播，民生用可錄式DVD的需求勢必出現急遽的成長，有鑑於此本文要介紹可錄式DVD用高功率紅光雷射最新技術動向。

高功率紅光雷射的應用

(圖一)是可錄式DVD的光學系統構造，由圖可知可錄式DVD使用小型、高功率、可以直接變調的半導體雷射當作驅動光源，記錄時從半導體雷射出的光束經過準直鏡片（collimator lens）轉換成平行光，接著利用對物鏡片收斂光束，並照射至光碟片上的有機色素膜層（DVD±R）或是相變化膜層（DVD±RW、DVD-RAM），使被照射部位局部加熱產生光束性反射率凹痕（pit），藉此方式變化記錄資料，換言之光碟片的記錄容量取決於雷射光束大小。由於光束大小與雷射波長呈比例，因此可錄式DVD使用波長為高功率半導體紅光雷射，達成超高記錄容量的要求。

《圖一　可錄式DVD的光學系統》

(圖二)是以三菱的半導體雷射為例，說明可錄式DVD對DVD±R光碟片的記錄速度與雷射輸出的發展經緯。由圖可知最近幾年可錄式DVD的記錄速度急速朝高速化發展，2000年2月開始的倍速競爭，到了2003年8月8倍速成為當時的主流，2004年記錄速度更進入16倍速等級。高速記錄時必需在極短時間內在光碟片上形成光點（spot），因此半導體雷射必需提供高功率的光輸出。雖然各廠商的讀寫頭（pickup head）光學設計略有差異，不過一般8倍速記錄要求半導體雷射具備以上的輸出，16倍速記錄為。

《圖二　的記錄速度半導體雷射的輸出》

由於半導體雷射高功率的輸出造成動作電流增加，所以雷射驅動電路產生的熱量也大幅提高。此外為符合高速反應等需求，驅動電路的導線無法繞道遠離半導體雷射元件，因此驅動電路產生的熱量更加劇雷射元件周圍的溫度，如此一來注入雷射活性層的電子極易溢出，這意味著漏電電流使得雷射的動作電流有變大傾向。

如上所述熱量的歸返（return）會抑制讀寫頭的特性，因此降低雷射的動作電流同時提高雷射的溫度特性，成為波長為可錄式DVD常用的高功率半導體紅光雷射，達成超高記錄容量不可或缺的技術。

紅光導體雷射高功率化技術

為達成紅光導體雷射高功率化目的，一般是使用COD（Catastrophic Optical Damage）技術抑制雷射端面破壞現象，搭配kink損害光輸出-電流特性直線性，藉此提高光輸出特性，並改善高溫動作時的輸出飽和Level。

(圖三)是三菱開發的高功率紅光導體雷射的基本結構，為防止COD因此該雷射的端面成窗口狀（window shape），接著在ridge兩側製作溝槽，形成雙頻式（double channel type）可以產生雷射光束的ridge型光導波路，如此便可降低光導波路的光損失，進而獲得低動作電流特性。

《圖三　250mW高功率紅光半導體雷射》

上述ridge型光導波路經過最佳化設計，可以大幅提高Kink Level。除此之外該公司開發的高功率紅光導體雷射採用長度為共振器，同時進行晶片的散熱性、電流密度與元件阻抗的改善，試圖藉此提升Kink Level與輸出飽和Level。

接著介紹可以獲得高輸出化的端面窗口結構、光導波路最佳化設計、雷射長度共振器化等三大技術的具體內容。

端面窗口結構

《圖四　端面窗口結構的優點》

(圖四)是端面窗口結構的動作原理。圖四左側是傳統雷射的端面結構，由於局部性縮小band gap，因此該部位會產生光吸收與發熱問題，而發熱則加大band gap更縮小等惡化循環，使得端面溫度呈加速性增高，此時若提高光輸出的話，會快速陷入結晶的融點進而造成具備laser mirror功能的端面溶解、損壞，雷射元件性能劣化高功率動作與可靠性受到限制，為徹底解決上述問題所以三菱的高功率紅光導體雷射，是將端面的半導體band gap前移採用端面窗口結構。基本上它是在多重量子井活性層，將亞鉛不純物擴散於端面部位，再將挾持活性層且band gap極大的clad層材料混入量子井活性層，使端面部位的band gap相對擴大，形成所謂多重量子井結構無秩序化，藉此抑制端面部位的光吸收，提高光輸出並大幅改善元件的可靠性。

光導波路最佳化設計

《圖五　kink與熱飽和對光輸出與電流特性的影響》

如上所述最大光輸出除了會破壞端面之外，還會受到kink level的限制，如果發生kink的話雷射發振模式也會產生變化，(圖五)是觀察射出光束的steering獲得的結果。

由於雷射光束必需精確照射在可錄式DVD光碟片預定位置上，如果發生kink光輸出就無法正常照射在光碟片，亦即kink level會變成最大光輸出，因此雷射的高功率化首要目標是提高kink level。

《圖六　ridge與折射率的依存特性》

Kink現象主要是沿著光導波路往返來回的光線因發熱造成折射率變化，部份光線從光導波路漏洩所造成。三菱開發的ridge型光導波路又稱為實折射率型光導波路，它是利用ridge與ridge兩側的等價折射率差異，使射入ridge的光線封閉於導波路內部，電流在ridge中央部位流動時，ridge部位活性層溫度一旦升高，該部位的折射率(圖六)(a)也隨著上升，其結果使得ridge與ridge兩側的折射率差增大，導波路的cutoff條件從基本模式轉移成高次模式領域時就會產生所謂Kink現象。圖六(b)是以導波路的ridge寬度與折射率差做參數計算cutoff獲得的結果。

《圖七　ridge形狀最佳化》

一般認為為獲得基本模式，所以經常誤解該模式領域的ridge寬度與比cutoff更重要，然而實際動作時會變大，甚至會偏離基本模式發生Kink現象，所以降低ridge寬度才能從cutoff條件取得更大的界限（margin）。如(圖七)所示，以往利用濕蝕刻（wet etching）製成的ridge導波路，由於ridge兩側會出現一定的結晶面，這種情況下若貿然進行ridge寬度狹窄化，會因ridge上端細窄造成元件阻抗增加，使得ridge部位的熱量急速上升，進而引發Kink Level降低；相較之下形狀控制性非常優秀的乾式蝕刻可以提高ridge的垂直性，不會有元件阻抗增加之虞，而且光導波路最佳化設計還能夠提高Kink Level。

《圖八　光輸出與電流特性對共振器長度的依存性》

雷射長度共振器化

半導體雷射是利用電流注入將電子與電洞密封在活性層內，形成反相分佈進行雷射振盪。理論上利用電流注入的電子與電洞若全部轉換成雷射振盪，光輸出會與電流呈比例增加，不過實際上為獲得高光輸出增加電流，電子會從活性層漏出，造成無法轉換成雷射振盪的無效電流與熱量增加，活性層的溫升等惡性循環使得發光效率（光輸出/電流）大幅降低，最後可以觀察到如圖五所示的光輸出飽和現象（熱飽和）。

實際上高溫動作時活性層的溫升非常大，而且熱飽和相當明顯，發光效率更是急遽下降，加以偏離高次模式cutoff條件也會使Kink Level降低，由此可知抑制活性層的溫升，對雷射元件的高輸出動作具有重大影響。抑制活性層的溫升可利用長共振器化，降低熱阻抗並獲得極佳的效果。根據(圖八)測試結果顯示，相同結構長度相異的共振器會出現不同的雷射光輸出與電流特性。雖然理論上加大共振器長度，可以提高Kink Level與雷射的閾值電流，不過卻會使發光效率降低，所幸的是80℃時熱飽和非常低，因此高輸出領域的動作電流反而變小，也就是說雷射的長共振器化可以降低熱阻抑制活性層的溫升，高溫時卻無熱飽和之虞，同時還可以達成高輸出動作的目的。如上所述由於共振器的長度對改善雷射的溫度特性具有絕對性影響，因此三菱開發的可錄式DVD用高功率紅光雷射，採用長度為的共振器。

《圖九　光輸出與電流特性對溫度的依存性》

(圖九)是上述可錄式DVD用高功率紅光雷射在脈衝（pulse）條件下，光輸出與電流特性對溫度依存性。由圖可知即使75℃的動作溫度，仍然可以獲得無kink 的光輸出；此外由(圖十)的光束遠視野影像的光輸出依存性可知，一直到仍然可用單一模式振盪，而且不會發生beam steering現象；(圖十一)是以脈衝條件進行連續動作測試的結果，根據測試結果顯示連續動作500小時，動作電流並未明顯增加，這表示本雷射非常適用於16倍速可錄式DVD的資料讀寫光源。

《圖十　光束遠視野影像與光輸出的依存性》

今後發展動向

有關可錄式DVD驅動倍速的競爭，由於光碟片的轉速極限大約是1萬rpm，因此一般認為DVD的驅動倍速不會超過16倍，在此同時單層記憶容量為的雙層式光碟片需求則會大幅成長。

若與單層光碟片比較，雙層式光碟片的記錄即使相同倍速，雷射元件需要提供2倍以上的光輸出，依此推算雙層光碟片8倍速記錄，雷射元件必需具備以上的光輸出。

《圖十一　壽命測試（75℃，250mW）結果》

除此之外slim type可錄式DVD可望逐漸取代傳統硬碟機，slim驅動用的半導體雷射元件要求小型、輕巧等基本要件，目前國外業者已經開發直徑圓型封裝技術，取代half light用直徑圓型封裝（package）。

散熱對策是封裝小型化面臨的主要課題之一，由於slim drive周邊電路高密度封裝的結果，反而造成環境溫度變高，對雷射的動作保障溫度形成加嚴苛的壓力。

一般泛用型可錄式DVD同時具備CD與DVD讀寫功能，CD讀寫頭一般是使用波長為，5mW低功率雷射；PC用可錄式DVD一般是使用高功率半導體紅光雷射，CD-R/RW記錄則使用波長為，高功率半導體紅光雷射，亦即使用兩組結構非常複雜的光學讀寫機構。基於成本考量一般認為今後勢必簡化成可以輸出兩種波長單一雷射元件，例如利用晶圓技術將兩種波長相異的雷射微縮在一個晶片內，製成所謂的單片型（monolithic type）雙波長雷射元件等等。

結語

以上介紹可錄式DVD用高功率半導體紅光雷射最新技術動向。由於DVD記錄速度的提升，因此半導體雷射也快速朝高功率方向發展，這意味著高功率半導體紅光雷射的窗口結構與光導波路的最佳化設計，以及加工精度必需大幅提升；此外隨著半導體紅光雷射的高功率化，動作電流的增加造成驅動器的slim化，雷射的溫度特性也是有待改善課題之一。

延 伸 閱 讀

未來智慧手機的電源管理技術 目前科技早已經可以造出各種不同波長的雷射，也能以雷射射出：紅光、綠光、藍光這三種光。現在的多媒體光碟系統是由波長780 nm的紅光所組成的CD為主流，漸漸的轉向由波長650 nm的紅光組成的DVD為下一代的趨勢。相關介紹請見「 DVD燒錄機用高功率雷射二極體光電特性之研究」一文。 在碟機部分，讀取頭使用與目前DVD相同之650nm紅光雷射，而畫質則呈現1280*720高畫質影像，碟片儲存容量單面單層可達5.4-6 GB，並採用了微軟WMV-9的視訊壓縮技術。在放映呈現上可多節目同時播放，功能及影像品質均較現有DVD規格超出許多。你可在「 紅光高畫質影音光碟 」一文中得到進一步的介紹。 從20世紀80年代問世的CD光碟，一直使用波長780nm的紅光雷射二極管，90年代後期出現容量更大和傳輸速度更高的DVD光碟，使用波長較短的650nm紅光雷射二極管，21世紀10年代初波長405nm的藍光雷射二極管取得批量生產的突破，高分辨率DVD開始進入資料存儲市場。在「 雷射二極管繼續光芒四射」一文為你做了相關的評析。

市場動態

新一代的DVD技術標準早已經被提出；目前這樣的替代標準有兩種：Blu-ray和HD-DVD。他們都有一個共同點：藍色雷射技術的採用。本質上，以目前技術來比較，藍光雷射比紅光雷射的光源波長要短一些（藍光雷射波長405nm比紅光雷射波長650nm）。相關介紹請見「誰來繼承DVD燒錄機的衣缽」一文。 使用藍光雷射的DVD播放機預計在幾年內就會取代目前的紅光雷射DVD播放機。藍光DVD的容量比紅光DVD大五倍，可以儲存長達3個小時的高解析度（high-definition）影片。家電廠商估計在幾年之內，高解析度電視也將達到普及的臨界規模（critical mass）。你可在「 新版DVD規格戰一觸即發」一文中得到進一步的介紹。 台灣前瞻光儲存研發聯盟」（Taiwans Advanced Optical Storage Research Alliance；AOSRA），在台北國際光電展最後一個星期所舉辦的「第九屆亞洲DVD會議」中，發表一個儲存新規格：「紅光高畫質影音光碟FVD（Forward Versatile Disc）」。在「 台灣發表新規格紅光高畫質影音光碟FDV」一文為你做了相關的評析。