雷射二極體


雷射二極體(laser diode)或稱半導體雷射(semiconductor laser)具有體積小、耗電少、反應快、耐衝撞、壽命長、效率高及價格低等優點,於光電系統產品中應用範圍十分廣泛;由於製作精細,技術層次高, 生產設備昂貴, 元件價格卻低廉, 因此,由光電產業整體視之,雷射二極體是極重要的關鍵性元件。

雷射二極體依波長及應用大致分為短波長與長波長雷射兩大類,短波長雷射泛指發光波長由390nm至950nm之雷射,主要使用於光碟機、雷射印表機、條碼機、掃描器及指示器等光資訊及顯示應用;而長波長雷射則是指發光波長由980nm至1550nm之雷射,主要用於光纖通訊


波長
(nm)及製作材料


雷射二極體波長與半導體材料的關係

如果依波長及操作功率分類,雷射二極體可再細分為數類:

(1) 750-950nm:
此波段的雷射二極體主要以AlGaAs/GaAs材料所製成。5mW以下的780nm雷射二極體是最早被商業上大量生產之雷射二極體,已被廣泛用於CD-ROM、CD-player、CD-game等商品內。10mW~1W中級操作功率方面,30mW的780nm雷射二極體用於可讀寫型存取系統,如CD-R、Rewritable MiniDisc500mW~1W的808nm雷射二極體常作為Nd:YAG雷射的激勵源,用於舞台秀。而1W以上的高功率雷射二極體,用於激勵大功率固態雷射,以進行材料加工處理,或用於醫學上治療、數位印刷、藝術表演上。

(2) 635-670nm
此波段的雷射二極體主要以
AlGaInP/InGaP/GaAs材料所製成。5mW以下的低操作功率雷射二極體主要用於雷射指示器、條碼閱讀機、量測對準、及唯讀型光資訊存取系統上,如DVD-ROM 或DVD-Video的應用; 30mW左右的中操作功率雷射二極體用於可讀寫型存取系統,如DVD-R或DVD-RW;而操作功率100mW以上的雷射二極體則用於雷射印表機、固態雷射激勵源及醫學上。

(3) 390nm-550nm
此波段的雷射二極體可以
InGaN/GaN/Al2O3或ZnSe兩大材料系列所製成,其發光波長分別為390-440nm與520nm左右,最大的應用是在超高密度的儲存系統如HD–DVD光碟機或高解析度的印表機等。

(4)980~1550nm
此波段的雷射二極體主要以
AlGaInAs和InGaAsP材料系列所製成,主要是應用於長距離的光纖通訊,需要操作功率大於數十mW1W以上的雷射二極體。其中最重要的是使用具有單模、穩頻操作的1310nm或1550nm雷射二極體,作為光纖通訊的光源;另一應用是980nm或1480nm的雷射二極體用於光纖放大器的激勵源,由於長距離光纖通訊朝向高傳輸速率及波長多工(WDM)系統發展,使用光纖放大器取代傳統的電子式中繼站正快速成長普及

另一類發展迅速的雷射二極體是垂直面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL),VCSEL由於共振腔非常短,增益物質(gain media)少,輸出功率也受到極大的限制,典型的VCSEL輸出功率在1mW左右;但因其輸出光束呈圓形對稱,易於與光纖耦合又方便製作VCSEL array,未來可望取代部份低功率的邊射型雷射二極體,使系統價格再降低,未來遠景看好。其中,850nm的VCSEL已於1997年上市,並於1998年開始進入各種區域網路 (LAN) 中,獲得如fiber channel 和Gigabit 乙太網路等十億位元級傳輸模組之標準所採用,進行短距離之大量資訊傳輸工作。


產品技術現況

(1)短波長雷射

CD-R 或 CD-ROM 光碟機等光資訊用的短波長雷射二極體,主要是以AlGaAs 材料為主,波長為780~850nm左右,輸出功率依應用不同約在3~40mW不等,採用掩埋型脊狀(selectively buried ridge wave-guide)結構的雷射二極體具有約40mA的臨界電流。由於此雷射二極體發展的最早,目前幾乎都以自動化方式生產,生產技術已相當成熟,後進者極難有足夠的競爭力。

為了提高CD光碟片的儲存容量,目前新一代的DVD光碟機的光源是使用發光波長為635~660nm的AlGaInP 雷射二極體。此雷射二極體自從1980年開始發展至今,已針對許多缺點將以改善,目前適於DVD-ROM5mw低功率雷射二極體及DVD-RDVD-RAM30mw中級輸出功率雷射二極體都已商品化。以脊狀結構而言,臨界電流可低至 13mA,操作電流約在20~25mA左右,如以掩埋型脊狀結構而言,臨界電流約在 30mA左右,操作電流約在40~50mA之間,中、高輸出功率的紅光雷射二極體也發展日趨成熟,並逐漸有商品供應。

為了進一步提高光碟片的儲存容量,SONY公司曾使用515nm ZnSe雷射二極體為DVD讀取頭的光源,使DVD光碟片的單面儲存量增加為7.7 GB,但因ZnSe雷射二極體的操作生命期極短,目前依然處於研發階段,尚無商品化的產品問世。1998年底,日本日亞(Nichia)化學公司對外宣佈,其研發的InGaN/GaN雷射波長約400nm,可使 DVD 光碟片的單面儲存量更增加為15 GB,且該雷射在2mW、室溫下可連續操作達10,000小時,該公司並於1999年初開始進行試量產,提供工程樣品,每顆價格約2000美元。

Nichia 發表的 GaN 雷射結構具有兩項特點,一是使用Epitaxial Laterally Overgrown (ELOG) 基板,由於傳統使用的(0001)藍寶石(sapphire)基板與GaN 的晶格不匹配度高達15%,因此產生的缺陷密度高達1010-1012cm-3 ELOG基板是利用在GaN 緩衝層(buffer)中成長條狀的SiO2 (厚約 0.1μm),則在 SiO2上方的GaN 緩衝層的缺陷密度可降至 2×107cm-3,因此在此上方成長的雷射二極體之缺陷密度亦大大降低。另一改進是在 P 型披覆層上成長AlN/GaN的 modulation-doped superlattice (MD-SLS),一來可降低因AlN與GaN晶格長度不同造成的缺陷,二來可提高P型披覆層的有效位障。此雷射的發光波長為403nm,操作電流為40mA,操作電壓為4V,臨界電流密度為1.2 kA/cm2

(2)長波長雷射

發光波長在980nm的雷射二極體,使用InGaAs 為材料,此雷射二極體的製作技術已相當成熟,目前用於Er-doped Fiber Amplifier的雷射之輸出功率約需 150mW左右,操作電流約為200mA;另外一種新興的980nm雷射二極體,與外在的fiber Bragg grating結合,可得到波長非常窄且功率與操作波長非常穩定的輸出,此種雷射適於長距離的通訊傳輸,尤其適於 WDM的應用。1.3 及 1.55μm 的通訊用雷射二極體過去主要以InGaAsP為主要材料,雖然其元件的光電特性良好,但抗溫性差,往往需要 TE cooler 來降低操作溫度,因而增加成本,近年來,AlGaInAs 材料為主的 1.3μm 雷射二極體不需要主動式散熱板,即可得到優異的光電特性,有逐漸取代對前之趨勢。

(3)垂直面射型雷射(VCSEL)

目前商品化的VCSEL以AlGaAs/GaAs的850nm 波長為主,以15μm的開口孔徑而言,臨界電流小於3mA,在10mA操作電流下,輸出功率約為2mW,操作電壓為1.85 volt左右。此外780nm、650nm、1.3μm及1.5μm的VCSEL均在實驗室有不錯的研發結果;尤其Hitachi 公司於1998年4月發表,以GaInNAs/GaAs製作完成的1.3μmVCSEL,可在室溫以CW操作發雷射光,為廉價的1.3μm VCSEL 找到希望,未來的它對850nm VCSEL在短距離通訊市場之影響值得注意。

(4)高功率雷射二極體

高功率雷射二極體的製作方法有二,其一是使用寬約500μm的條狀結構製成多模態雷射晶粒,或者當功率高於4W時,使用數個條狀(multi-stripe)結構組成的雷射陣列(array),再配合極佳的冷卻系統而成;其二則使用多個雷射,經各別光纖耦合後,再集束作成次系統使用。

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