Die Erfindung bezieht sich auf ein Schreib-/Lesemodul für op
tische Speichersysteme, insbesondere für magneto-optische
Nahfeldspeichersysteme. Außerdem bezieht sich die Erfindung
auf eine Lasereinrichtung, die insbesondere für ein derarti
ges Schreib-/Lesemodul einsetzbar ist.
Für die Speicherung von Daten werden in zunehmendem Maße op
tische oder magneto-optische (MO-) Speichersysteme einge
setzt, bei denen die auf einer Speicherplatte wie einer CD-
ROM oder einer MO-Speicherplatte eingespeicherte Information
durch einen fokussierten Laserstrahl ausgelesen werden kann.
Bei magneto-optischen Speicherplatten kann in bekannter Weise
die Information durch Einwirkung eines Laserstrahls relativ
hoher Intensität und eines Aufzeichnungsmagnetfelds in eine
magnetische Speicherschicht eingeschrieben und durch einen
Laserstrahl relativ niedriger Intensität aus ein- und dersel
ben Laserstrahlquelle auf der Grundlage des Kerr-Effekts aus
gelesen werden. Die Technologie der Speicherung von Informa
tionsdaten auf magneto-optischen Speichermedien erlaubt prin
zipiell eine Speicherpackungsdichte, von denen die heute ge
bräuchlichen Systeme noch relativ weit entfernt sind. Die bei
heutigen magneto-optischen Speicherplatten tatsächlich reali
sierbare Speicherdichte wird vielmehr noch durch die Optik,
d. h. durch die minimal erreichbare Fokusgröße eines Laser
strahls auf der Oberfläche der Speicherplatte vorgegeben. Der
Schlüssel zur Erhöhung der Speicherdichte liegt daher bei den
heutigen Systemen in der Entwicklung neuartiger optischer
Strahlformungstechniken sowie der Verbesserung der optischen
Komponenten in den bestehenden Systemen.
Als eine dieser neuartigen Entwicklungen ist beispielsweise
die optische Nahfeldspeicherung bekanntgeworden. Bei dieser
wird eine sogenannte SIL-(solid immersion lens) Linse einge
setzt, die aus einem halbkugelförmigen Körper aus Glas oder
einem hochbrechenden Material besteht und zwischen dem Objek
tiv und der Speicherplatte mit einem Abstand von ca. 100 nm
zwischen der ebenen Schnittfläche der Halbkugel und der Ober
fläche der Speicherplatte über diese geführt wird. Da das in
stark gebündelter Form auf diese Fläche der SIL-Linse auf
treffende Licht aufgrund von Totalreflexion nicht aus der
SIL-Linse entweichen kann, wird hierbei lediglich eine eva
neszente Welle zum Auslesen der auf der Speicherplatte vor
handenen Information ausgenutzt.
Die mit den heutigen Systemen erzielbaren Spotgrößen des La
serstrahls auf der Speicherplatte liegen bei der CD bei 1,6 µm
und bei der DVD bei 0,74 µm. Bei Nahfeld-Speichersystemen
wird langfristig eine Spotgröße von 0,1 µm angestrebt. Mit
den in den derzeit gängigen Laufwerken eingesetzten
Schreib-/Leseköpfen ist dieses Ziel jedoch schwerlich zu erreichen,
da der Durchmesser des nach Austritt aus der Laserdiode kol
limierten Laserstrahls zwischen zwei und drei Millimeter
liegt. Das liegt hauptsächlich daran, daß eine in einer Stan
dardbauform namens TO-(Transistor Outline)Gehäuse montierte
Laserdiode verwendet wird und demzufolge der Abstand der Kol
limationslinse, durch die der emittierte Laserstrahl hin
durchtritt, zu groß wird. Ein derartig großer Strahldurchmes
ser ist auch in anderer Hinsicht von Nachteil, da dadurch re
lativ große optische Komponenten zur Strahlführung und groß
flächige Photodioden zur Detektion des Laserstrahls benötigt
werden. Erstere stehen einer Miniaturisierung des
Schreib-/Lesekopfs entgegen und letztere erschweren aufgrund ihrer
hohen Kapazität den Bau einer störsicheren und empfindlichen
Ausleseelektronik.
Im übrigen sind bei den konventionellen Schreib-/Leseköpfen
auch die weiteren Bauelemente wie Strahlteiler, Polarisatoren
und andere optische Elemente als diskrete Bauelemente mit re
lativ großen Abmessungen vorgesehen, wodurch der Schreib-/Lese
kopf relativ voluminös und schwer ist, so daß mit ihm
ein schneller Speicherzugriff erschwert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Schreib-/Lesemodul für optische Speichersysteme anzuge
ben, durch welches gleichzeitig eine Verringerung des Strahl
querschnitts des kollimierten Laserstrahls, eine kompakte
Bauform und eine schnelle und störsichere Auswerteelektronik
ermöglicht wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, eine insbesondere für optische oder magneto-optische
Speichersysteme einsetzbare Lasereinrichtung anzugeben, mit
welcher eine Verringerung des Strahlquerschnitts des kolli
mierten Laserstrahls ermöglicht wird.
Diese Aufgaben werden mit den kennzeichnenden Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung beschreibt somit ein Schreib-/Lesemodul mit ei
ner Basisplatte, auf welcher angeordnet sind:
eine Lasereinrichtung für die Emission und Kollimation eines
Laserstrahls in einer Richtung parallel zu der Oberfläche der
Basisplatte,
eine Aufnahmevorrichtung für die Aufnahme eines Strahlteilers
und einer Anzahl von Polarisatoren, und
eine Anzahl Photodetektoren, die unterhalb der Polarisatoren
planar montiert sind.
Vorzugsweise wird die Lasereinrichtung zur Emission und Kol
limation eines Laserstrahls dadurch gebildet, daß auf einer
Basisplatte mindestens ein erster Träger angeordnet ist, auf
welchem eine Laserdiode montiert ist, und in Emissionsrich
tung vor dem ersten Träger die Kollimationslinse direkt oder
vermittels eines Befestigungselements auf der Basisplatte be
festigt ist.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Lasereinrich
tung weist die Kollimationslinse die Form einer Kugelkalotte
auf, die mit ihrer ebenen Oberfläche an einer Trägerplatte,
insbesondere einer transparenten Trägerplatte wie einer
Glasplatte befestigt ist, die ihrerseits auf ihrer der Kolli
mationslinse abgewandten Oberfläche mit der ebenen Fläche ei
nes mit dem Träger verbundenen Anschlagelements befestigt
ist.
Um eine sehr geringe Brennweite zu erzielen, besteht die Kol
limationslinse vorzugsweise aus einem Material mit hohem Bre
chungsindex wie einem Halbleitermaterial, beispielsweise GaP,
GaN oder ein ternärer bzw. quaternärer Halbleiter aus der
III-V-Gruppe für den roten Spektralbereich und SiC für den
blauen Spektralbereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der Ba
sisplatte zusätzlich eine Zirkularisierungsoptik für die Zir
kularisierung des Fernfelds des Laserstrahls angeordnet. Die
se Zirkularisationsoptik kann zum Beispiel eine Glasplatte
enthalten, auf die auf beiden Seiten transparente Linsen aus
einem Kunststoff wie einem Polymer aufgebracht sind. Sie kann
auch ein anamorphotisches Prisma enthalten, mit dem das el
liptische Fernfeld des Lasers zirkularisiert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnah
mevorrichtung ein Kunststoff-Spritzgußteil, in welchem
schräggestellte Aufnahmeflächen und entsprechende Ein
schuböffnungen für die Polarisatoren und den Strahlteiler
bzw. Prismen geformt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der Ba
sisplatte zusätzlich ein elektrischer Vorverstärker in unmit
telbarer Nähe der Photodioden angeordnet, um die Signalaus
wertung möglichst störsicher zu gestalten. Gegebenenfalls
können dabei Vorverstärker und Photodetektoren integriert als
Monolith hergestellt werden.
Bei der Herstellung können auch wie bei der IC-Herstellung
mehrere Schreib-/Leseköpfe in Chipform auf einem Wafer pro
zessiert und nach erfolgter Fertigung der Wafer in die ein
zelnen Chips zertrennt werden.
Die Erfindung beschreibt ferner eine Lasereinrichtung zur
Emission und Kollimation eines Laserstrahls, mit einer Laser
diode für die Emission des Laserstrahls, und mindestens einer
Linse für die Kollimation des Laserstrahls, wobei auf einer
Basisplatte mindestens ein erster Träger angeordnet ist, auf
welchem die Laserdiode mittelbar oder unmittelbar befestigt
ist, und in Emissionsrichtung vor dem ersten Träger die Kol
limationslinse direkt oder vermittels mindestens eines Befe
stigungselements auf der Basisplatte und/oder dem Träger be
festigt ist.
In der nun folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels eines erfindungsgemäßen Schreib-/Lesemoduls;
Fig. 2A und B eine Seitenansicht und eine Vorderansicht einer
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung, die in einem erfindungs
gemäßen Schreib-/Lesemodul einsetzbar ist.
Fig. 3A und B eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine
auf dem Schreib-/Lesemodul angeordnete Aufnahmevorrichtung
für den Strahlteiler und die Polarisatoren.
In Fig. 1 ist zunächst ein Ausführungsbeispiel eines erfin
dungsgemäßen Schreib-/Lesemoduls 10 für magneto-optische Nah
feldspeicherung schematisch dargestellt.
Auf einem Kunststoffträger 19 ist eine beispielsweise aus Si
lizium oder Glas bestehende Basisplatte 18 aufgeklebt, auf
welcher die einzelnen optischen, elektronischen und optoelek
tronischen Komponenten integriert sind. Eine noch zu be
schreibende Lasereinrichtung 20 dient der Erzeugung und. Bün
delung eines in einer Richtung parallel zur Oberfläche der
Basisplatte 18 geführten Laserstrahls 100. Der Laserstrahl
100 soll vorzugsweise eine möglichst kurze Wellenlänge auf
weisen, so daß die Laserdiode vorzugsweise aus Halbleiterma
terial auf GaN-Basis für den blauen Spektralbereich aufgebaut
ist. Der Laserstrahl 100 wird von einer geeigneten Kollimati
onsoptik der Lasereinrichtung 20 parallelisiert, wobei es ein
Ziel ist, einen möglichst kleinen Strahldurchmesser zu erhal
ten. Nach Durchgang durch eine noch zu beschreibende Zirkula
risationsoptik 30 wird der Laserstrahl 100 mittels eines
Strahlteilers 13 aufgespalten, wobei ein Teil in Richtung auf
eine Monitor-Photodiode 17a abgelenkt wird und der übrige
Teil in Richtung auf eine magnetooptische Speicherplatte 50
durchgelassen wird. Für die Fokussierung auf die Speicher
platte 50 dient eine Fokussieroptik 14, die ein Objektiv und
eine SIL-Linse aufweist. Beim Einschreiben von Information
auf die Speicherplatte 50 wird eine Spule 15 zur Erzeugung
eines Aufzeichnungsmagnetfelds aktiviert. Der Strahlteiler 13
dient ebenso dazu, das von der Speicherplatte 50 reflektierte
Licht in Richtung auf die der Signalauswertung dienenden Pho
todetektoren 17b, c zu richten. Auf der Basisplatte 18 ist
ebenfalls ein Vorverstärker 16 integriert, dem die Signale
der Photodioden 17b, c zugeführt werden. Die Funktionsweise
der magneto-optischen Speicherung und Wiedergabe von Informa
tionen mittels Laserstrahlen, Polarisatoren und Detektoren
ist im wesentlichen Stand der Technik und soll hier nicht nä
her erörtert werden. Auf der Basisplatte 18 ist schließlich
eine noch zu beschreibende Aufnahmevorrichtung 40 für die
Aufnahme und Halterung des Strahlteilers 13, der Photodetek
toren 17A-D und der darüber angeordneten Polarisatoren 15A-D
angeordnet.
In den Fig. 2A, B ist ein Ausführungsbeispiel für eine er
findungsgemäße Lasereinrichtung dargestellt. In dieser ist
auf der Basisplatte 18 ein erster Träger 26 befestigt, der
beispielsweise ebenfalls aus Silizium bestehen kann. Auf die
sem ist die Laserdiode 21 auf einem wärmeableitenden AlN-
Submount 28 elektrisch leitend montiert. Die Laserdiode 21
kann jedoch auch direkt auf dem Träger 26 befestigt sein. Von
den auf der Oberseite der Laserdiode 21 und des Submounts 28
befindlichen elektrischen Anschlüssen sind Bonddrähte zu dem
Siliziumträger 26 geführt. Eine Kollimationslinse 22 ist in
einem derartigen Abstand von der Laserdiode 21 befestigt, daß
das Zentrum der Laserdiode 21 mit dem Mittelpunkt der sphäri
schen Oberfläche der Kollimationslinse 22 zusammenfällt. Um
diesen Abstand herzustellen, ist die Kollimationslinse 22 auf
eine Glasplatte 23 aufgeklebt oder gelötet oder anodisch ge
bondet. Auf den Siliziumträger 26 sind auf den Längsseiten
des Submounts 28 oder der Laserdiode 21 gläserne Stützträger
24 montiert, d. h. geklebt, gelötet oder anodisch gebondet,
auf die ein Glasblock 25 aufgesetzt ist. Beide zusammen bil
den auf der emissionsseitigen Vorderseite eine - wie darge
stellt - überstehende Anschlagfläche, an die die Glasplatte
23 angeklebt werden kann.
Durch die Basisplatte 18 und die Bauteile 23-27 werden somit
die Laserdiode 21 und die Kollimationslinse 22 in einer fe
sten Beziehung und in einem sehr kleinen Abstand voneinander
gehaltert. Dadurch wird es möglich, eine Kollimationslinse 22
mit sehr kleinem Radius und sehr hohem Brechungsindex einzu
setzen, die demzufolge eine sehr kleine Brennweite aufweist.
Die verwendeten Materialien sind vorzugsweise entweder aus
Glas oder aus Silizium gefertigt, da beide Materialien einen
niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Beim Verbinden von Glas mit Silizium kann in vorteilhafter
Weise die Technik des anodischen Bondens eingesetzt werden.
In der beschriebenen Lasereinrichtung 20 wird die Laserdiode
ohne das sonst übliche TO-Gehäuse montiert. Dies wirkt sich
sehr platzsparend aus. Bei der erfindungsgemäßen Laserein
richtung 20 wird andererseits durch das durch die Bauteile 24
und 25 gebildete Anschlagelement, die Trägerplatte 23 und die
Kollimationslinse 22 ebenfalls ein Gehäuse gebildet. Wie ins
besondere in Fig. 2B zu sehen ist, sind die Bauteile 24 und 25
in einer gehäuseartigen Anordnung um die Laserdiode 21 und
den Submount 28 angeordnet und auf der Emissionsseite wird
durch die Trägerplatte 23 und die Kollimationslinse ein ge
eigneter Abschluß gebildet, so daß ein ausreichender Staub
schutz gewährleistet ist. Gewünschtenfalls kann eine allsei
tige Umschließung dadurch vorgesehen werden, daß auch auf der
Rückseite der Lasereinrichtung 10 noch ein geeigneter Ab
schluß angeordnet wird, der lediglich mit Durchführungsöff
nungen für die Bonddrähte versehen sein muß.
Das bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus zwei Ele
menten bestehende Anschlagelement kann auch einteilig geformt
sein. Beispielsweise kann ein umgekehrtes U-förmiges Element
verwendet werden, das mit nach unten weisenden Schenkeln ent
weder auf der Basisplatte 18 oder auf dem Träger 26 aufge
setzt ist, wobei in jedem Fall der Querbalken des U-förmigen
Elements sich oberhalb der Laserdiode 21 befindet und die
Schenkel zu beiden Seiten der Laserdiode 21 liegen.
Ferner gibt es verschiedene und zu dem beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel alternative Möglichkeiten, wie die Kollimati
onslinse 22 befestigt werden kann. Zum einen kann vorgesehen
sein, daß die Kollimationslinse 22 ohne Verwendung einer Trä
gerplatte 23 direkt an dem Anschlagelement 24, 25 befestigt
wird. Unabhängig von der Verwendung der Trägerplatte 23 kann
die Kollimationslinse 22 unten entweder direkt oder vermit
tels des zweiten Trägers 27 an der Basisplatte 18 befestigt
sein. Prinzipiell kann die untere Befestigung an die Basis
platte 18 auch entfallen, so daß die Kollimationslinse 22 nur
an dem Anschlagelement 24, 25 befestigt ist.
Weiterhin ist - wie bereits angedeutet - auf dem Schreib-/Lese
modul 10 eine geeignete Zirkularisationsoptik 30 ange
ordnet, mit welcher das elliptische Fernfeld des Halbleiter
lasers 21 zirkularisiert werden kann. Diese Zirkularisation
soptik 30 kann beispielsweise eine zylindrische Teleskoplinse
sein, die aus einer Glasplatte besteht, auf die auf beiden
Seiten transparente Linsen aus einem Kunststoff wie einem Po
lymer aufgebracht sind. Die Glasplatte wird hochkant auf der
Basisplatte 18 montiert, also beispielsweise geklebt oder an
odisch gebondet. Als Zirkularisationsoptik 30 kann alternativ
auch ein an sich im Stand der Technik bekanntes anamorphoti
sches Prisma verwendet werden. In jedem Fall wird das zu dem
Zweck der Zirkularisierung verwendete optische Element derart
auf der Basisplatte 18 montiert, daß seine optische Achse
parallel zur Oberfläche der Basisplatte 18 verläuft und mit
der Achse des einfallenden Laserstrahls 100 zusammenfällt.
In den Fig. 3A, 3B ist eine Aufnahmevorrichtung 40 darge
stellt, durch die der Strahlteiler 13 und die über den planar
angeordneten Photodetektoren 17A-D angeordneten Polarisatoren
15A-D gehaltert werden. Diese Aufnahmevorrichtung 40 ist auf
der Basisplatte 18 aufgeklebt oder aufgebondet und besteht
vorzugsweise aus einem geeignet geformten Kunststoff-
Spritzgußteil, in welchem Auflageflächen für die entsprechen
den Elemente geformt sind. Wie insbesondere in der Seitenan
sicht der Fig. 3B zu sehen ist, sind in dem Kunststoff-
Spritzgußteil schräg gestellte Auflageflächen oberhalb der
Positionen der Photodetektoren geformt, in die die Polarisa
toren 15A-D durch entsprechende Einschuböffnungen eingescho
ben werden können. Eine entsprechende Einschuböffnung und
Auflagefläche ist für den Strahlteiler 13 vorgesehen. Die
Aufnahmevorrichtung erlaubt somit eine erhebliche Vereinfa
chung bei der Justage der Polarisatoren.
Dadurch daß mit der erfindungsgemäßen Lasereinrichtung 20 ein
sehr geringer Strahlquerschnitt realisiert werden kann, kön
nen auch die auf dem Schreib-/Lesemodul 10 planar montierten
Photodioden 17a, b eine entsprechend kleine Empfangsfläche
aufweisen und eine demzufolge niedrige Kapazität und hohe An
sprechgeschwindigkeit aufweisen. Durch die geringe Baugröße
der Photodetektoren und der anderen Komponenten kann somit
ein sehr kompaktes Schreib-/Lesemodul hergestellt werden, mit
dem ein geringer Strahlquerschnitt und eine schnelle Auswer
teelektronik realisiert werden kann.
Der geringe Strahlquerschnitt ermöglicht außerdem die Verwen
dung von kleinen Umlenkspiegeln und Objektivlinsen am
Schreib-/Lesekopf, also Teilen relativ geringer Masse, mit
denen sich die Zugriffszeit des Schreib-/Lesekopfs verkürzen
läßt, da weniger Masse beschleunigt werden muß.
Bezugszeichenliste
10
Schreib-/Lesemodul
11
Magnetspule
13
Strahlteiler
14
Linse
15
Polarisatoren
16
Vorverstärker
17
Photodetektoren
18
Basisplatte
19
Kunststoffträger
20
Lasereinrichtung
21
Laserdiode
22
Kollimationslinse
23
Glasplatte
24
Stützelement
25
Dachelement
26
erster Träger
27
zweiter Träger
28
Submount
30
Zirkularisationsoptik
40
Aufnahmevorrichtung
50
Speicherplatte