蓝紫色半导体激光器的发展.doc

蓝紫色（405nm）半导体激光器的发展摘 要：蓝紫色（405nm）激光器在07年以后发展迅速，功率不断提高，价格不断下降，现今已有功率为420mW的蓝紫色激光器。大功率蓝紫色半导体激光器技术和传统PS版在CTP版系统中的应用有着非常光明的前景。关键词：蓝紫色半导体激光器，下一代DVD，高感度PS版材。 热敏CTP，紫激光CPT和UVCTP都是源于红外线激光半导体和蓝紫色激光半导体激光器的发展，其中紫激光CTP和UV-CTP使用的都是405nm的蓝紫色激光半导体激光器，只是功率不一样而已。我们现在特别关注蓝紫色激光半导体激光器（以下简称激光器）的发展，因为它的发展已经使无处理的紫激光CTP的版材面世，结束了原来认为无处理版材只有热敏唯一一种的论断，同时也使得普通PS版可以成为CTP版材使用，即UV-CTP的出现和发展。一、蓝紫激光器的起源1、90年代中期，蓝紫色激光器出现 蓝紫色激光器的发展源于1996年日本Nichia公司研制出400-410nm的氮化镓晶体蓝紫色半导体激光器，目的是为进一步提高DVD光盘的存储容量。由于其波长较短，聚光点更小，同样大小的DVD光盘容量是普通CD盘的40倍以上，6-7倍于普通家用DVD盘，但应用于DVD上的激光器功率很小。随着激光器功率的不断扩大，1999年使用寿命超过3000小时的蓝紫色激光器面世。 2000年5月CTP制版系统开始采用蓝紫色激光器，最初只有5W，只能针对银盐CTP版曝光。2001年，当制版机采用15mW激光器时，已能对高感度聚光版曝光，但制版速度较慢。2002年30mW蓝紫色激光器出现，并应用于CTP制版系统，这时已经能快速制版。2、日本几大公司竞相生产蓝紫色激光器，加速了产量的扩大和功率的提高 为了满足下一代光盘系统的需求，2005年日本制版商竞相生产蓝紫色激光产品。蓝紫色激光器供货商Nichia公司将为HD-DVD和蓝光光盘这两种竞争格式供应激光半导体激光器，而一些系统公司计划自己生产这种关键组件SONY将针对蓝光光盘系统，NEC、三洋、东芝和夏普则针对HD-DVD。Nichia是第一家为下一代光盘系统量产405nm蓝紫激光半导体激光器的厂商，并同时供应产业用的激光器和用于蓝光与HD-DVD系统原型的激光器。Nichia提供两种类型的405nm激光器：针对刻录应用的高功率产品，它在脉冲工作状态下的输出功率为120毫瓦；针对播放应用的低功率产品，它在连续工作状态下的输出功率为20毫瓦。 (a) 蓝紫色半导体激光器支持双层光盘的6倍速存储，寿命是10000小时(b) 主要技术规格大功率产品（用于录放）小功率产品（播放专用）峰值震荡波长 标准406nm光输出功率（环境温度25C脉冲震荡时：最大210mW(驱动电流160mA)没有连续震荡时：最大105mW(驱动电流110mA)最大20mW支持的存储双层光盘最高6倍速没有阀值电流 标准40mA标准25mA工作电压5.4V(输出功率105mW)4.8V(输出功率10mW)寿命10000小时（环境温度75C,脉冲输出功率210Mw）10000小时（环境温度25C,连续输出功率10mw光速的扩展角度水平方向标准：9标准9.5垂直方向标准：19标准20 作为推动蓝光光盘发展的主导者，SONY的计划提供关键组件，包括用于蓝光光盘播放器的刻录机的光学读取头。这种读取头采用了于Nichia联合开发的输出功率为120mW的405nm波长的激光器。三洋的原型激光半导体激光器具有120mW的输出功率。作为光盘系统制造商，三洋支付HD-DVD格式，但该公司也是读取头的主要供应商，它已经开发了针对蓝光和HD-DVD格式的读取头原型。NEC公司的激光器在连续工作时的最高输出功率达300Mw,NEC是利用化学蚀刻法代替了传统的干蚀刻制程光波导，这实现了适合量产的高质量激光器结构。东芝的高功率激光器使用了氮化镓晶圆，在连续工作状态时的输出功率为200mW。东芝表示，在氮化镓晶圆上开发的磊晶层几乎没有缺陷，这导致了更低的废品率，因而可以显著降低激光器的成本。二、蓝紫色激光器现今和将来的发展蓝紫色激光器将一统天下1、每年出货量将达1亿台 2007年，基于蓝光关盘和HD-DVD标准和下一代DVD市场终于启动了。预计到2010年左右，支持下一代DVD的PC、音/视频设备以及游戏机等，全球出货量有可能达到每年1亿台以上。继CD-ROM和DVD之后，下一代DVD将成为光盘的主角。上述趋势为蓝紫色激光器市场带来了活力，主要生产商日本Nichia化学工业公司在2008年的生产规模将增加到月产量400万台，大约是2006年的8倍。其它生产商也全部提出了增加生产量的计划。而且，瞄准快速增长的蓝紫色激光器市场，正等待进入时机的半导体生产商也将陆续把产品投放市场。2、HDTV环境成为推动力量 与现有的DVD相比，下一代DVD的魅力在于存储容量很大，蓝光光盘标准高出5倍多，HD-DVD标准高出3倍多。迄今，设备制造商已经把支持下一代DVD的产品投入市场。但是，消费者难以体会到大容量的优点，而且由于产品价格昂贵，出货量没有增长。 现在，由于让消费者确实体会到下一代DVD优点的环境已经形成，因此，这种状态正在迅速发生变化。例如，支持蓝光光盘标准的节目光盘在2007年将达到3000种。夏普公司表示，原来支持传统DVD的产品就是从节目光盘达到3000种开始普及的，因此，在2007年下一代DVD再现了当年那种情况。电视的进行也使得下一代DVD易于向消费者展示其优点。现在的液晶电视或者等离子电视都支持HDTV。它们可以将下一代DVD保存的数据量很大的高质量图像完美地显示出来。 关于PC，预测认为，利用DVD或者HDD存储图像的摄像机普及将会加快支持下一代DVD的步伐。在用PC保存和编辑所拍摄的视频数据时，需要增大摄像机的光盘容量。对于PC制造厂商来说，支持下一代DVD还可以提高产品的附加值，获得抑制价格下跌的效果。3、在2013年将超过现有DVD 在游戏机领域，下一代DVD的浪潮抢先一步汹涌而来。2006年秋季，SONY计算机娱乐公司已开始上市具有蓝光光盘播放器功能的PS3.接着，支持下一代DVD的设备市场规模将由于PC和音/视频设备而有望扩大。 日本某主要PC公司的产品策划负责人预测说：“展望2010年到2012年，下一代DVD产品可能成为PC的标准配置。”日本市场调研公司表示，面向PC等下一代DVD在2006年全球出货量大约是25万台，2007年是200万台，在2010年，播放机和录放机的总出货量将达1亿台，到2012年时，仅录放机就将1亿台。PC厂商也持同样观点。如果这样发展势头继续下去，出货量将赶上现有DVD录放机，下一代DVD将成为光盘产品的主角。在音/视频设备领域，支持下一代DVD设别的市场规模，同期内的出货量可能达到6000万台以上。4、价格竞争早已开始 下一代DVD在2010年到2012年将成为光盘标准。目前，下一代DVD在价格、性能及出货量等方面都还存在很大的差距。但是，下一代DVD的主要部件激光器的生产厂商正致力于解决这些问题，并且已经找到了突破点。 下一代DVD的目标价格是40美元，当年CD-ROM或DVD录放机在年出货量超过1亿台时的价格就是40美元左右。下一代DVD录放机的价格在2006年是390美元，将近目标价格的10倍。为了降低价格需要从最昂贵的部件入手。 激光头在下一代DVD的制造成本中大约占50%，其中最昂贵的是蓝紫色半导体激光器，大约占到激光头成本的30%。关于蓝紫色半导体激光器的价位，在2007年初，录放机中的大功率激光器大约是5000日元（约合人民币315元），播放机中的小功率激光器大约是3000日元（约合人民币189元）。要将其作为标准配置，大功率激光器的目标价位大致是500-600日元（约合31-37元人民币）.当年DVD录放机的年出货量超过1亿台时，红色半导体激光器就是在这个价位上。 激光器生产厂商正在增加生产能力，将会出现规模生产效应。而且，由于制造技术的改进，又有新的生产厂商引入市场，蓝紫色半导体激光器的价格将会快速下降。激光器生产商现在有5家，在2008年时将增加2-3家，可以满足每年需求量1亿台的生产设备很快就准备就绪。目前，3000-4000日元（约合人民币189-251元）的大功率激光器已经问世。小功率激光器似乎有供大于求的苗头，价格跌破1000日元（约合人民币63元）的产品也已经大量上市。5、2009年支持12倍速 关于性能，设备制造厂商08年已达到支持双层光盘以最高8倍速写入，到2009年设备制造商的目标是支持下一代DVD的极限存储速速-12倍速。 由于激光器成产厂商之间的竞争日益激烈，激光器的功率得到了很大提高。例如,可以支持双层关盘实现6倍速、输出功率为210mW级的蓝紫色半导体激光器，夏普公司在2007年5月开始大批量生产并能确保产品的元件寿命达到10000小时，样品价格定在5万日元，三洋公司也在2007内对同样类型产品投入大批量生产。支持8倍速的240mW级产品，SONY公司在2007年内开始大批量生产。另外，还有几个厂商计划在2009年大批量投产支持12倍速的300mW级产品6、下一代DVD在其它方面应用 面向下一代DVD的蓝紫色半导体激光器的生产技术不断提高，不仅可以大量提供低成本的激光器，而且，氮化镓衬底的产量也因此得到增加，从而在降低成本和增大直径方面取得了进展，这也将影响到其他产品。 如果能采购到便宜的激光器，现在正在积极开发的利用半导体激光器作为光源的小型投影机就有可能实现。如果氮化镓衬底的价格下降，可能会应用到氮化镓晶体管中。松下电器产业公司的白光LED所使用的蓝光LED芯片就采用了氮化镓衬底。由于其热传导率高，而且晶体缺陷密度同采用蓝色石衬底的传统产品相比低2个数量级。光的总辐射通量提高到1.5倍以上。由于现在容易采够到氮化镓衬底，因此能实现这种白光LED。面对蓝紫色半导体激光器及LED价格降低的趋势，如果氮化镓衬底在降低陈本和增大直径方面取得进展，预计芯片面积会增大，甚至可用于比激光器或LED大10倍以上的晶体管。7、Nichia化学公司公布“全球最高水平”蓝紫色激光器和蓝色（445nm）激光器的基本技术 Nichia化学工业07年11月发布了脉冲震荡时输出功率为420mW的蓝紫色半导体激光器，以及连续震荡时输出功率为1W的蓝色半导体激光器。该公司称两款产品的输出功率均为“全球最高水平”。输出功率为420mW的蓝紫色半导体激光器，可应用于蓝光光盘HD-DVD等新一代光盘的2层12倍速或4层6倍速的高速读写。目前市场上流通的产品，其输出功率最大不过200mW左右，因此420mW的输出功率接近其2倍。输出功率为1W的蓝色激光器主要面向使用激光光源的投影仪，输出功率提高至原来的2倍。Nichia化学工业公布了这些高功率激光器的背景以及采用的技术。A、输出功率420mW的产品的量产时间为09年关于输出功率为420mW的蓝色半导体激光器的产品化情况。Nichia化学工业表示技术开发已经完成，寿命可确保5000个小时以上，电气特性等产品性能已达到实用水平。该公司计划于08年1月开始量产供货250mW产品，1年后量产供货320mW产品，09年开始量产此次发布的420mW产品。据Nichia化学工业介绍，在输出功率为250mW的产品亮相之前，新一代光盘装置的开发一直受蓝紫色激光器的“功率限制”，虽然厂商希望提高读写速度，但由于半导体激光器输出功率的制约，无法加快高速读写设备的开发速度。 通过将蓝紫色半导体激光器的输出功率大幅提高至420mW，今后将不会产生之前的“功率限制”问题，虽说2层12倍速或4层6倍速等高速读写的标准尚未具体决定。不过该公司强调，只要输出功率达到420mW，蓝紫色半导体激光器便可完全支持高速化。B、输出功率为1W的产品将从08年9月开始量产 面向显示器用途的输出功率为1W的蓝色半导体激光器，其样品供货时间为08年3月，并预定在9月开始量产。主要面向使用红色、蓝色和绿色激光提高色彩再现性的投影仪的光源。三、CTP制版机上使用的红外半导体激光器和蓝紫色半导体激光器的对比1、热敏CTP使用的红外半导体激光器 热敏CTP所用的830nm红外半导体激光器从早期的功率为1W发展到40W的固体激光器，现在又回到1W(或2W)的半导体激光器，这是因为40W的固体激光器的寿命太短，不能保证生产。为了满足制版速度的要求一般采用20-30只激光器组成一个激光条，利用光阀技术进行分束河成像曝光控制。因为曝光是利用光发阀来控制的，所以每只激光不能单独开关，同时红外线激光功率大，开启后需要预热才能进入稳定的工作状态，所以只要是生产状态就必须是开启的，因此红外线激光器的实际使用寿命相对短很多。另外因为使用激光光阀进行激光分束河曝光控制，光阀在红外激光的热效应下也容易损坏，而且价格高昂。这些都使热敏CTP的应用成本提高很多。2、紫激光CTP使用的蓝紫色半导体激光器 报业用的紫激光CTP使用的405nm蓝紫色半导体激光器从最初的30毫瓦，到现在普遍采用的120毫瓦。目前蓝紫色半导体激光器的最大功率已经接近300毫瓦。可是对于报业紫激光CTP来说，30毫瓦的紫激光就已经够用，及时切换到免化学冲洗的环保版材都适用。120毫瓦的激光器是激光器生产厂家当前提供的主流产品，具有最好的性能价格比，所以最新推出的紫激光CTP上安装的就是120毫瓦的激光器了。蓝紫色半导体激光器功率低，无需预热，可以瞬时开关，所以可以在曝光的时候开启，其他时间就没有寿命的损耗，所以这种激光器可以达到7-10年的使用寿命。3、UV-CTP使用的蓝紫色半导体激光器 UV-CTP如洛森公司的Xpose！制版设备是利用64路405nm180毫瓦的蓝紫色激光器通过光纤将激光束传送到版面，由于激光通过光纤传输损耗很小，所以激光束到达版面的功率可以达到120毫瓦，已经可以在传统的PS版上进行制版了。这种设备由于采用激光半导体激光器，使用过程中如任意一组出现问题，设备仍可工作，不会造成停产；激光器可单束更换，维护成本低；激光器寿命长，可达上万小时以上（工作时间）。虽然这种设备在现有的普通PS版材上制版曝光的时间还较长，曝光一张1030mm*800mm的普通版需5分钟，而对于高感度的PS版可以在2.5分钟之内制完版，这已经和爱克发的光聚合CTP版N91V的制版速度相当了红外半导体激光器（830nm）蓝紫色半导体激光器（405nm）用 途热敏CTP紫激光CTPUV-CTP功 率1W或2W120mW180mW数 目20-30164使用方式光阀技术/光纤传输是否预热需要预热不需要预热不需要预热使用寿命3000-5000小时（开机就算）上万小时上万小时四、结论1.UV-CTP制版机的优势随激光器功率增加而增加 今年Nichia化学工业的420mW的蓝紫色激光器就要量产，也许明年