鐳射二極管(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，已大量應(yīng)用于光通訊與光儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)上，LD之發(fā)展頗被看好。目前，LD產(chǎn)業(yè)已為全球繼電子產(chǎn)業(yè)后另一備受注目之新興產(chǎn)業(yè)，未來全球產(chǎn)業(yè)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(gè)字母縮寫，它的意思系藉由受激發(fā)產(chǎn)生之輻射來進(jìn)行光放大的作用，為一產(chǎn)生電磁輻射的裝置，具有相當(dāng)高的輻射能。

鐳射的波長范圍涵蓋紫外線、可見光至紅外線，大約是從200~30000nm，其中380~760nm為可見光之波長范圍。由于鐳射光具有自然光或其他一般光源所沒有之特殊性質(zhì)，使其在某些應(yīng)用上特別重要，且鐳射光可藉不同之介質(zhì)、激發(fā)方式，產(chǎn)生許多不同功率、不同波長的光束，至今已普遍應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、通訊、資訊儲(chǔ)存、鐳射加工、精密量測等領(lǐng)域中。

鐳射光與自然光或其他光源產(chǎn)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(jīng)過長距離后，仍能維持細(xì)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蕩性光波，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(shí)間及空間的相干性表現(xiàn)皆良好。
·鐳射光之能量可在短時(shí)間(脈波間隔10-12秒內(nèi))內(nèi)集中。

目前許多物質(zhì)，如晶體、玻璃、半導(dǎo)體、分子氣體、原子氣體、離子氣體及染料等，均可激發(fā)出鐳射光。依激發(fā)介質(zhì)分類，一般可分為半導(dǎo)體鐳射及非半導(dǎo)體鐳射兩類，半導(dǎo)體鐳射即鐳射二極管(Laser Diode, LD)；非半導(dǎo)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．鐳射二極管分類

鐳射二極管(Laser Diode, LD)依波長及應(yīng)用大致分為短波長LD與長波長LD兩大類，短波長LD之波長范圍約90nm~950nm，主要使用于光儲(chǔ)存、光輸出、指示器及顯示應(yīng)用；而長波長LD之波長范圍約980nm~1550 nm，主要用于光纖通訊。

依發(fā)光源位置分類，LD產(chǎn)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(cè)面發(fā)出，為橢圓型光束，目前長距離通訊及儲(chǔ)存產(chǎn)品多以EEL為主；而VCSEL發(fā)光源則是由晶粒表面發(fā)出，為圓形光束，近來發(fā)展迅速，目前短波長850nm VCSEL產(chǎn)品已經(jīng)商品化，并應(yīng)用于短距離資料傳輸上，而長波長之1310nm、1550nm、1600nm VCSEL則持續(xù)發(fā)展中。

其中，F(xiàn)abry-Perot(F-P)鐳射是利用二極管工作帶(Active Layer)的兩側(cè)，限制光訊號(hào)只能在工作帶內(nèi)部共振，并產(chǎn)生多種波長，波長的分布是以中心共振最強(qiáng)，其余的波長則漸弱地分布于中心波長兩側(cè)。由于此種鐳射屬于多模態(tài)(波長)的鐳射光，在光纖中傳輸會(huì)有色散效應(yīng)，限制了傳輸?shù)乃俾始熬嚯x，因此只適用于短距離的低速傳輸(如用戶回路的FTTC，F(xiàn)iber-To-The-Curb)。不過由于F-P鐳射構(gòu)造較簡單、制程成本較低，目前為最廣泛應(yīng)用的一種發(fā)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(chǎn)生回饋，以控制鐳射共振腔只允許單一波長產(chǎn)生共振，使其無色散現(xiàn)象。DFB因具有極佳的光電特性，適用于長途(>100公里)、高速(>Gbps)通訊傳輸之處。

垂直共振腔面射型鐳射(VCSEL)與其他鐳射二極管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。由于產(chǎn)品內(nèi)部也設(shè)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(xiàn)象。此外，VCSEL與EEL產(chǎn)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(tài)光纖、制程較容易且壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，因此被視為未來甚具發(fā)展?jié)摿χa(chǎn)品，目前亦已吸引眾多廠商投入，如HP(即Agilent)、Honeywell、AMP等已經(jīng)推出采用850nm VCSEL設(shè)計(jì)的光纖收發(fā)器。國際VCSEL晶片之提供者包含：Honeywell、EPI、Infineon等；用VCSEL設(shè)計(jì)的光收發(fā)模組之廠家則有Agilent、AMP、Honeywell等。目前由于VCSEL多為850nm及980nm波長產(chǎn)品，僅適用在短范圍的光纖傳輸，未來如開發(fā)1300nm以上之長波長產(chǎn)品，傳輸距離變長，市場范圍則將變大。

３．鐳射二極管應(yīng)用

(1)光通訊用LD：光收發(fā)模組

光收發(fā)模組基本上系由發(fā)光源(LD或LED)、受光檢光器(PIN/APD二極管)、驅(qū)動(dòng)電路、放大電路、連接器及外殼等元件所組成。由于采用LD為發(fā)光源，故具有輸出功率較高、速度快、發(fā)光度集中等優(yōu)點(diǎn)，可配合單膜態(tài)光纖用在長途通信上。而在檢光器部分，PIN二極管的成本低廉，靈敏度高、反應(yīng)迅速，短波長的PIN多用Silicon為材料；長波長通訊或高頻操作時(shí)，則多用砷化銦鎵(InGaAs)或砷化鎵(GaAs)為材料。

光收發(fā)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(qū)分，依傳輸速率之分類而言，目前1.25Gbps規(guī)格的光收發(fā)模組為市場之主流，售價(jià)約在100多美元左右(另有低速的155Mbps及高速的10Gbps)。而后者之分類，則多為系統(tǒng)廠商依據(jù)其產(chǎn)品所訂，目前這部分尚無統(tǒng)一之規(guī)格。

全球知名的光收發(fā)模組廠商有HP、Lucent、Infineon等。另外，為配合光纖到桌及光纖區(qū)域網(wǎng)路的發(fā)展趨勢，市場上也出現(xiàn)Small Form Factor(SFF)的光收發(fā)模組，較有名的有Lucent的LC、3M陣營的VF45(3M、Infineon等發(fā)起)、AMP陣營的MT -RJ(HP、AMP等發(fā)起)。

(2)光儲(chǔ)存用LD：光碟機(jī)讀寫頭

光碟機(jī)讀寫頭主要元件包括：發(fā)光源(LD)、光檢測晶片(PDIC, Photo Detector Integrated Circuit)、物鏡(Objective Lens)，準(zhǔn)直鏡(Collimator Lens)、致動(dòng)器(Actuator)及其他光學(xué)元件等。目前光碟機(jī)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，其中前者多用于CD家族產(chǎn)品，后者則用于DVD系列。目前業(yè)界正在開發(fā)短波長藍(lán)光LD，以儲(chǔ)存更高容量之藍(lán)光DVD光碟片。

4、產(chǎn)業(yè)展望

受Telecommunication及Data Communication等市場發(fā)展，全球鐳射市場(產(chǎn)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(chǎn)品項(xiàng)目。

按照WSTS之市場預(yù)測資料，全球LD市場預(yù)期至2004年始可回升至2000年之水準(zhǔn)，達(dá)到32.54億美元。而另一研究機(jī)構(gòu)日本富士總研對(duì)于全球LD市場規(guī)模之預(yù)估部分，它認(rèn)為光通訊用LD市場回溫速度較慢，預(yù)期至2006年時(shí)，始能回復(fù)到2000年的規(guī)模水準(zhǔn)；而光儲(chǔ)存用LD則預(yù)期于2003年時(shí)可回復(fù)至2000年的規(guī)模水準(zhǔn)。預(yù)期將至2006年時(shí)，光通訊LD市場規(guī)模值始能回升至2000年的水準(zhǔn)，來到25.56億美元。預(yù)估通訊用LD市場未來若要有大幅度躍升，則需視新應(yīng)用領(lǐng)域之拓展情形而定。

其中，光儲(chǔ)存用LD系屬消費(fèi)性質(zhì)之市場，主要系使用鐳射光源作為儲(chǔ)存資料之媒介物質(zhì)(即光學(xué)讀寫頭)，以應(yīng)用于各式CD-Type drivers、DVD-Type drivers等光碟機(jī)產(chǎn)品。2002年雖受全球不景氣影響，光儲(chǔ)存用LD市場值一度衰退20%，成為6.75億美元，但由于在新的應(yīng)用產(chǎn)品如DVD Video及DVD ROM/RAM等市場日漸成熟的帶動(dòng)下，光儲(chǔ)存用LD需求規(guī)模日增，未來全球光儲(chǔ)存用LD市場將呈穩(wěn)定成長，2003年時(shí)市場規(guī)模回升至8.89億美元，2006年時(shí)市場規(guī)模則將可望達(dá)到11.69億美元。

光通訊用LD以美、日之技術(shù)發(fā)展最為領(lǐng)先，自元件至系統(tǒng)相當(dāng)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(chǔ)存用市場目前光儲(chǔ)存用LD(包括650nm、780nm等產(chǎn)品)之技術(shù)幾為日本廠商所掌握，主要領(lǐng)導(dǎo)廠商有SONY、SANYO、ROHM、SHARP、Toshiba等。至于新世代藍(lán)光LD產(chǎn)品，可將記錄容量自目前約4.7GB提升至15~30GB，其主要技術(shù)亦掌握在日本廠商手中。