鐳射二極體

鐳射二極體(Laser Diode, LD)具有輕、薄、短、小、高壽命、耐震、方向性佳及輸出功率高等特性，適合供作長距離、大容量之通信用光源及存取高密度記錄媒體，已大量套用於光通訊與光儲存產業上，LD之發展頗被看好。目前，LD產業已成為全球繼電子產業後另一備受矚目之新興產業，未來全球產業競爭將日趨激烈。
1．鐳射(Laser)簡介
鐳射英文名稱為Laser，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一個字母縮寫，它的意思系藉由受激發產生之輻射來進行光放大的作用，為一產生電磁輻射的裝置，具有相當高的輻射能。
鐳射的波長範圍涵蓋紫外線、可見光及紅外線，大約是200~30000nm，其中380~760nm為可見光之波長範圍。由於鐳射光具有自然光或其他一般光源所沒有之特殊性質，使其在某些套用上特別重要，且鐳射光可藉不同之介質、激發方式，產生許多不同功率、不同波長的光束，至今已普遍套用於醫學、通訊、資訊儲存、鐳射加工、精密量測等領域中。
鐳射光與自然光或其他光源產生的光相較，其主要特色有：
·鐳射光為單色光，其頻率寬度很窄。
·鐳射光線為平行光線，其指向性很高，經過長距離後，仍能維持細小光束而不散開。
·鐳射光之集光性佳，能量密度較高。
·鐳射光為一正弦波形之振盪性光波，其頻率及相位皆整齊，與自然光的雜亂有別。
·鐳射光的相干涉性高，不論在時間及空間的相干性表現皆良好。
·鐳射光之能量可在短時間(脈波間隔10-12秒內)內集中。
目前許多物質，如晶體、玻璃、半導體、分子氣體、原子氣體、離子氣體及染料等，均可激發出鐳射光。依激發介質分類，一般可分為半導體鐳射及非半導體鐳射兩類，半導體鐳射即鐳射二極體(Laser Diode, LD)；非半導體鐳射則包括氣體鐳射(如CO2、He-Ne等)、固體鐳射(如石榴石YAG)、染料鐳射等。
2．鐳射二極體分類
鐳射二極體(Laser Diode, LD)依波長及套用大致分為短波長LD與長波長LD兩大類，短波長LD之波長範圍約為90nm~950nm，主要使用於光儲存、光輸出、指示器及顯示套用；而長波長LD之波長範圍約為980nm~1550 nm，主要用於光纖通訊。
依發光源位置分類，LD產品可分為邊射型鐳射(Edge Emitting Laser, EEL)，如Fabry-Perot(F-P)鐳射、分散回饋鐳射(Distributed Feedback Laser, DFB)等；及垂直共振腔面射型(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode, vcsel)兩大類。EEL光源是由晶粒側面發出，為橢圓型光束，目前長距離通訊及儲存產品多以EEL為主；而VCSEL發光源則是由晶粒表面發出，為圓形光束，近來發展迅速，目前短波長850nm VCSEL產品已經商品化，並套用於短距離資料傳輸上，而長波長之1310nm、1550nm、1600nm VCSEL則持續發展中。
其中，Fabry-Perot(F-P)鐳射是利用二極體工作帶(Active Layer)的兩側，限制光訊號只能在工作帶內部共振，並產生多種波長，波長的分布是以中心共振最強，其餘的波長則漸弱地分布於中心波長兩側。由於此種鐳射屬於多模態(波長)的鐳射光，在光纖中傳輸會有色散效應，限制了傳輸的速率及距離，因此只適用於短距離的低速傳輸(如用戶迴路的FTTC，Fiber-To-The-Curb)。不過由於F-P鐳射構造較簡單、製程成本較低，目前為最廣泛套用的一種傳送器。分散回饋型鐳射(DFB)克服了F-P鐳射的缺失與限制，是在工作帶下利用加裝布拉格光柵(Bragg Grating)來選擇特定的波長產生回饋，以控制鐳射共振腔只允許單一波長產生共振，使其無色散現象。DFB因具有極佳的光電特性，適用於長途(>100公里)、高速(>Gbps)通訊傳輸之處。
垂直共振腔面射型鐳射(VCSEL)與其他鐳射二極體最大的不同是共振腔為垂直而非水平，使得光源由腔底反射，造成光源是從頂端射出。由於產品內部也設有布拉格光柵(Bragg Grating)，可控制輸出波長的頻譜寬度，故其與DFB同樣較無色散之現象。此外，VCSEL與EEL產品相較，因具有低臨界電流、單模式操作、低光束分歧及可有效耦合單模態光纖、製程較容易且壽命較長等優點，因此被視為未來甚具發展潛力之產品，目前亦已吸引眾多廠商投入，如HP(即Agilent)、Honeywell、AMP等已經推出採用850nm VCSEL設計的光纖收發器。國際VCSEL晶片之提供者包含：Honeywell、EPI、Infineon等；用VCSEL設計的光收發模組之廠家則有Agilent、AMP、Honeywell等。目前由於VCSEL多為850nm及980nm波長產品，僅適用在短範圍的光纖傳輸，未來如開發1300nm以上之長波長產品，傳輸距離變長，市場範圍則將變大。
3．鐳射二極體套用
(1)光通訊用LD：光收發模組
光收發模組基本上系由發光源(LD或LED)、受光檢光器(PIN/APD二極體)、驅動電路、放大電路、連線器及外殼等元件所組成。由於採用LD為發光源，故具有輸出功率較高、速度快、發光度集中等優點，可配合單膜態光纖用在長途通信上。而在檢光器部分，PIN二極體的成本低廉，靈敏度高、反應迅速，短波長的PIN多用Silicon為材料；長波長通訊或高頻操作時，則多用砷化銦鎵(InGaAs)或砷化鎵(GaAs)為材料。
光收發模組的分類可依傳輸速率或功率的大小及接收靈敏度的高低來區分，依傳輸速率之分類而言，目前1.25Gbps規格的光收發模組為市場之主流，售價約在100多美元左右(另有低速的155Mbps及高速的10Gbps)。而後者之分類，則多為系統廠商依據其產品所訂，目前這部分尚無統一之規格。
全球知名的光收發模組廠商有HP、Lucent、Infineon等。另外，為配合光纖到桌及光纖區域網路的發展趨勢，市場上也出現Small Form Factor(SFF)的光收發模組，較有名的有Lucent的LC、3M陣營的VF45(3M、Infineon等發起)、AMP陣營的MT -RJ(HP、AMP等發起)。
(2)光儲存用LD：光碟機讀寫頭
光碟機讀寫頭主要元件包括：發光源(LD)、光檢測晶片(PDIC, Photo Detector Integrated Circuit)、物鏡(Objective Lens)，準直鏡(Collimator Lens)、致動器(Actuator)及其他光學元件等。目前光碟機讀取頭所用之LD光源波長有780nm LD及短波長(650 nm/635nm)紅光LD兩類，其中前者多用於CD家族產品，後者則用於DVD系列。目前業界正在開發短波長藍光LD，以儲存更高容量之藍光DVD光碟片。
4、產業展望
受Telecommunication及Data Communication等市場發展，全球鐳射市場(產品包含Laser Diode與Nondiode Laser)成長迅速，LD占整體鐳射市場之比重已有逐年提高之趨勢，顯示LD已成為全球鐳射市場之重要產品項目。
按照WSTS之市場預測資料，全球LD市場預期至2004年始可回升至2000年之水準，達到32.54億美元。而另一研究機構日本富士總研對於全球LD市場規模之預估部分，它認為光通訊用LD市場回溫速度較慢，預期至2006年時，始能回復到2000年的規模水準；而光儲存用LD則預期於2003年時可回復至2000年的規模水準。預期將至2006年時，光通訊LD市場規模值始能回升至2000年的水準，來到25.56億美元。預估通訊用LD市場未來若要有大幅度躍升，則需視新套用領域之拓展情形而定。
其中，光儲存用LD系屬消費性質之市場，主要系使用鐳射光源作為儲存資料之媒介物質(即光學讀寫頭)，以套用於各式CD-Type drivers、DVD-Type drivers等光碟機產品。2002年雖受全球不景氣影響，光儲存用LD市場值一度衰退20%，成為6.75億美元，但由於在新的套用產品如DVD Video及DVD ROM/RAM等市場日漸成熟的帶動下，光儲存用LD需求規模日增，未來全球光儲存用LD市場將呈穩定成長，2003年時市場規模回升至8.89億美元，2006年時市場規模則將可望達到11.69億美元。
光通訊用LD以美、日之技術發展最為領先，自元件至系統相當完整，而市場則為大廠壟斷，如JDS Uniphase、NEC、Alcatel等。而Pump Laser部分，美國SDL在1480nm LD之市占率最大；而980nm LD市場則以日本古河及住友之市占率最高。
光儲存用市場目前光儲存用LD(包括650nm、780nm等產品)之技術幾為日本廠商所掌握，主要領導廠商有SONY、SANYO、ROHM、SHARP、Toshiba等。至於新世代藍光LD產品，可將記錄容量自目前約4.7GB提升至15~30GB，其主要技術亦掌握在日本廠商手中。