DE3022299A1

DE3022299A1 - Optische informationsverarbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE3022299A1
Application number: DE19803022299
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ojima; Toshio Sugiyama; Seiji Yonezawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-06-15
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1980-12-18
Also published as: FR2459513B1; GB2053553B; GB2053553A; DE3022299C2; US4333173A; FR2459513A1; CA1136273A; NL8003411A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung, insbesondere eine solche, welche einen Halbleiterlaser als Lichtquelle verwendet.

In den letzten Jahren wurde die Entwicklung von optisehen Informationsverarbeitungseinrichtungen, die als Lichtquelle einen Halbleiterlaser anstelle eines Gaslasers λ⁷ '~η-den, stakr vorangebrieben. Eine optische Platte ist ein Beispiel einer solchen Technik. Die optische Platte ist so geartet, daß unter Verwendung eines Halbleiterlasers auf der Platte aufgezeichnete Information von dieser wiedergegeben wird oder Information auf der Platte mit hoher Dichte aufgezeichnet wird. Zur Aufzeichnung von Information auf der Platte oder zur Wiedergabe derselben von dieser mittels eines Halbleiterlasers muß unter Verwendung einer Kopplungslinse und eines Objektivs, die ein optisches System bilden, ein aus dem Halbleiterlaser austretendes Lichtbündel zu einem Lichtpunkt von ungefähr 1 um Durchmesser auf der Platte geformt werden. Im allgemeinen hat ein Halbleiterlaser einen Lichtaustrittsbereich, der nicht quadratisch, sondern rechteckig ist, weshalb die Strahldivergenz parallel zum Laserübergang nicht gleich der senkrecht dazu ist. Um einen isotropen bzw. kreisförmigen Punkt auf der Platte mittels eines solchen Halbleiterlasers ausbilden zu können, ist es notwendig, die numerische Apertur der Kopplungslinse klein zu halten und nur den Strahl im Bereich der optischen Achse des optischen Systems zu verwenden,.da dadurch die Intensitätsverteilung des aus der Kopplungslinse austretenden Lichts gleichförmig wird.

Durch eine solche Maßnahme gelangt jedoch nur ein Teil des aus dem Halbleiterlaser austretenden Lichtbündels auf

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die Platte, was den Nachteil mit sich bringt, daß der Lichtausnutzungsgrad der Apparatur gering ist. Das heißt, das Verhältnis der Intensität des auf die Platte fokussierten Lichts zu derjenigen des aus der Laserdiode austretenden Lichts ist klein. Insbesondere im Falle der Informationsaufzeichnung aber muß ein metallischer Dünnfilm in der Platte zur Ausbildung von Löchern geschmolzen werden, wofür eine Lichtintensität notwendig ist, welche die für die Wiedergabe erforderliche um Faktoren übersteigt. Außerdem geht es zu Lasten der Lebensdauer des Halbleiterlasers, wenn die von ihm erzeugte Lichtmenge einen bestimmten Wert überschreitet. Bei einem optischen Informationsverarbeitungsgerät, das einen Halbleiterlaser verwendet, ist es daher vom Standpunkt der Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus unter allen Umständen notwendig, daß der Ausnutzungsgrad des Lichts des Lasers verbessert wird, um die optische Ausgangsleistung des Lasers soweit wie möglich einschränken zu können.

Der oben beschriebene Nachteil wird nun anhand einer bekannten Apparatur im einzelnen erläutert. Wie vorher schon ausgeführt, ist die Strahldivergenz anisotrop, da der Halbleiterlaser allgemein einen rechteckigen Lichtaustrittsbereich aufweist. Der Divergenzwinkel des Halbleiterlaserbündels hängt von der Struktur des Halbleiterlasers ab. Seien wie in Figur 1 Θ η und Θ ι die betreffenden Winkel parallel zum Laserübergang bzw. senkrecht dazu bei e in der Intensitätsverteilung des Laserstrahls im Fernfeldbild. Dann ist bei einem CSP-(channeled-substrate-planar-)Halbleiterlaser θ μ =8°, 0, = 24 ° und ©. /©.. =3 (1)

und bei einem BH-(buried-heterostructure-)Halbleiterlaser (Halbleiterlaser mit begrabener HeteroStruktur)

Θ|| = 16 °, Θ| = 32 ° und ©. /© ι. = 2 (2)

Bei einem BH-Laser ist also das Verhältnis Θ,/Θι, der Strahl-

1 Il divergenzwinkel 2, während es bei einem CSP-Laser 3 beträgt.

Die Abszisse in Figur 1 stellt den Divergenzwinkel, die Ordinate die Lichtintensität dar. Figur 2 zeigt ein Beispiel

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einer bekannten optischen Informationsverarbeitungseinrichtung zur Ausbildung eines isotropen bzw. kreisförmigen Punkts mit einem Durchmesser von ungefähr 1 ym auf der Platte für einen Fall, wo der Querschnitt des Lichtbündels des Halblei-

terlasers anisotrop bzw. elliptisch ist.

Nach Figur 2, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein Strahl mit elliptischer Strahldivergenz, wie er aus der einen Endfläche eines Halbleiterlasers 1 ausgetreten ist, durch eine Kopplungslinse 2 und ein Objektiv 3 zu einem Lichtpunkt 5 auf einer Platte 4 geformt. Ein Lichtdetektor 6 dient zur Ermittlung der optischen Ausgangsgröße des Halbleiterlasers 1. A gibt die optische Achse wieder. In Figur 2 gilt für die numerische Apertur NA der Kopplungslinse 2 die folgende Beziehung, wenn Θ den zwischen dem Halbleiterlaser 1 und der Linse 2 definierten halben Öffnungswinkel bezeichnet:

NA = sin Θ (3)

Was die Strahldivergenz des Halbleiterlasers 1 anbelangt, so

_2
muß, wenn die Größen bei e parallel zum Übergang und senkrecht dazu mit Θ η bzw. Θ ι bezeichnet werden, die numerische Apertur NA der Kopplungslinse 2 folgendermaßen gewählt werden, um einen kreisförmigen Punkt 5 auf der Scheibe 4 mit einem solchen Halbleiterlaser auszubilden:

Θ £ Θ υ < Θ, (4)

Das heißt, es ist notwendig, daß die numerische Apertur der Kopplungslinse 2 klein gehalten wird, um achsenfernes Licht abzuhalten,und nur das Bündel im Bereich der optischen Achse A (Θ = P) zu verwenden, damit die Intensitätsverteilung des aus der Kopplungslinse 2 austretenden Lichts gleichförmig wird. Gemäß den in Figur 1 gezeigtenStrahldivergenzwinkeln und den Beziehungen (1), (3) und (4) wird für den CSP-Laser folgende Auswahl getroffen:
NA = 0,1
Θ = 5,7 ° (< θ ι. < .Θ ι ) (5)

Damit wird das durch die Kopplungslinse 2 gegangene Lichtbündel im wesentlichen kreisförmig, so daß ein kreisförmiger

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Punkt 5 auf der Platte 4 ausgebildet wird.

Wenn die achsenfernen Strahlen auf diese Weise abgeblockt werden, gelangt jedoch nur ein Teil des vom Halbleiterlaser ausgehenden Lichtbündels a^f die Platte, was den Nachteil hat, daß der Ausnutzungsgrad des Laserlichts gering ist.

Üblicherweise bewegt sich die Platte bei ihrer Drehung bis zu 1 mm nach oben und unten. Um trotz der Vertikalbewegungen der sich drehenden Platte zu verhindern, daß sich der Punktdurchmesser ändert, muß eine Selbstfokussierung durch optische Detektion eines Abweichungssignals des fokussierten Punkts von der Plattenoberfläche durchgeführt werden.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Aufbau verändert sich, wenn das von der Platte 4 reflektierte Licht auf den Halbleiterlaser 1 rückgekoppelt wird, die Ausgangsgröße desselben entsprechend der von der Plattenoberfläche reflektierten Lichtmenge, so daß die Information der Platte 4 mit dem Ausgangssignal des Lichtdetektors 6 reproduziert werden kann. Diese Technik ist in der US-Patentschrift 3 941 945 beschrieben.

Andererseits schlägt die japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 53-17706, eine Technik vor,nach welcher zum Nachweis der Abweichung eines Lichtstrahls auf einer Platte eine Lichtquelle oder Linse in Richtung ihrer optischen Achse gewobbelt und die Laserausgangsgröße synchron detektiert wird. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, daß der detektierbare Bereich von Abweichungen für die Selbstfokussierungssteuerung eng ist. Figur 3 zeigt die Änderung der Ausgangsgröße eines Halbleiterlasers 1,wenn im Aufbau der Figur 2 die numerische Apertur NA der Koppellinse 2 zu 0,1 gewählt ist und die Platte 4 ganz fein längs der optischen Achse bewegt wird. Wie aus Figur 3 ersichtlich, erstreckt sich bei einer so kleinen numerischen Apertur NA der Kopplungslinse 2, wie sie durch den Wert 0,1 gegeben ist, der Nachweisbereich von Abweichungen für die

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Selbstfokussierungssteuerung nur über 10 ym. Dieser Nachteil geht auf die Tatsache zurück, daß sich die Fokuslage des reflektierten und rückgekoppelten Lichtbündels nahe der Endfläche des Lasers durch die Bewegung der Platte stark ändert.Das heißt, die Defokussierung des rückgekoppelten Lichtpunkts auf der Endfläche des Lasers zurückgehend auf die Veränderung des Fokuspunktes ist erheblich, mit dem Ergebnis, daß der Nachweisbereich von Abweichungen für die Selbstfokussierung nur 10 ym beträgt.

Auf diese Weise hat die optische Informationsverarbeitungseinrichtung, bei welcher von der Platte reflektiertes Licht auf den Halbleiterlaser rückgekoppelt wird, den Nachte: eines kleines Nachweisbereiches für Abweichungen. Dies hat dazu geführt, daß eine Selbstfokussierungssteuerung schwierig wird und daß Information von einer Platte, die starke Vertikalbewegungen ausführt, nicht reproduziert werden kann.

Andererseits wurde die Verwendung eines Zylinderlinse in Betracht gezogen, um zu bewirken, daß ein auf eine Platte fokussierter Punkt ungefähr ein Kreis wird. Die Zylinderlinse ist jedoch insofern nachteilig, als sich eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit nur schwierig und somit mit hohen Kosten erreichen läßt, und daß der Aufbau des optischen Systems kompliziert wird. Es ist außerdem schwierig, einen Lichtpunkt kreisförmig auf 1 pm zu bündeln, da wegen der Verwendung der Zylinderlinse der Astigmatismus einen großen Einfluß.hat.

Ziel der Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen und eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung zu schaffen, welche in der Lage ist, einen kreisförmigen Punkt auf einer Platte bei hohem Lichtausnutzungsgrad mittels eines einfachen optischen Systems aus zub ilden.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung zu schaffen,-welche als Lichtquelle einen Halbleiterlaser mit rückgekoppeltem reflektiertem Strahl verwendet, und einen weiten Nach-

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weisbereich von Abweichungen für eine selbstfokussierende Servosteuerung aufweist.

Hierzu schlägt die Erfindung vor, im optischen System ein Prisma vorzusehen, welches ein Lichtbündel von einem Halbleiterlaser auf ein Informationsspeichermedium leitet. Genauer besteht die Erfindung darin,den größten Teil eines nicht-kreisförmigen Bündels aus einem Halbleiterlaser in eine Kopplungslinse zu bringen, indem unter Vernachlässigung der Beziehung (4), welche die Bedingung für die Schaffung eines kreisförmigen Lichtpunkts auf einer Platte wiedergibt, die numerische Apertur groß gemacht wird und gleichzeitig in einer der Kopplungslinse folgenden Stufe ein Prisma angeordnet wird, durch welches das durch die Kopplungslinse gegangene nicht-kreisförmige Bündel in ein kreisförmiges Bündel umgewandelt wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt bzw. zeigen

Figur 1 das Fernfeldbild des Lichts eines Halbleiterlasers, Figur 2 eine Darstellung zur Erläuterung einer bekannten

optischen Informationsverarbeitungseinrichtung, Figur 3 eine Darstellung zur Erläuterung des Nachweisbereichs von Abweichungen für die Selbstfokussierung bei der Einrichtung der Figur 2, Figur 4 eine Darstellung zur Erläuterung des Nachweisbereichs von Abweichungen für die Selbstfokussierung bei einer optischen Informationsverarbeitungseinrichtung gemäß der Erfindung,

Figur 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, Figuren 6 und 7 jeweils den Aufbau einer Ausführungsform der

Erfindung,
Figur 8 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

Figur 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Figuren 10 und 11 Darstellungen, die die Beziehung zwischen Brechungsindex und Reflexionsvermögen an der Ein-

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- 1O -

trittsfläche bzw. Austrittsfläche eines Prismas wiedergeben,

Figuren 12 und 13 den Aufbau wesentlicher Teile einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Figuren 14, 15 und 16 den Aufbau jeweils einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Figur 17 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Reflexionsvermögen an der Eintrittstlache eines Prismas und dem Verhältnis von Breite eines gebrochenen Bündels zur Breite des einfallenden Bün

dels wiedergibt,

Figur 18 den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Figuren 19 und 20 Kurven, welche die Abhängigkeit der Lichtausgangsleistung eines Halbleiterlasers bzw. der

Ausgangsgröße einer phasenempfindlichen Nachweisschaltung von der Abweichung eines Lichtpunkts von einer Plattenoberfläche wiedergeben,

Figur 21 eine Kurve, welche die^Abhängigkeit des Nachweisbereichs von Abweichungen für die Selbstfokussierungssteuerung von der numerischen Apertur einer Linse wiedergibt, und

Figur 22 den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen Fokusabweichung und Laserausgangsleistung. D.h., sie zeigt die Abhängigkeit der Lichtausgangsleistung des Halbleiterlasers, wenn bei einem Aufbau der Figur 2 die numerische Apertur NA der Kopplungslinse 2 unter Vernachlässigung der Beziehung (4), welche die Bedingung für die Kopplungslinse, daß der Lichtpunkt 5 auf der Platte 4 kreisförmig wird, darstellt, groß gemacht wurde (NA = O,5) und die Platte 4 fein längs der optischen Achse des optischen Systems bewegt wurde. Wie in Figur 4 zu sehen, wird der Nachweisbereich für Abweichungen ungefähr 80 ym.

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Durch das Großmächten der numerischen Apertur der Kopplungslinse werden die auf Schwankungen der Platte zurückgehenden Änderungen der Fokuslage des reflektierten rückgekoppelten Lichtpunkts klein, wodurch der Nachweisbereich von Abweichungen für die Selbstfokussierung erweitert ist.

Da die numerische Apertur der Kopplungslinse größer ist, wird der Nachweisbereich von Abweichungen für die Selbstfokussierung weiter, so daß sich eine bessere Selbstfokussierung gegen die Vertikalbewegungen der Platte verwirklichen läßt. Außerdem geht bei großer numerischer Apertur der Kopplungslinse ein entsprechend größerer Teil des Bündels des Halbleiterlasers in die Kopplungslinse, so daß der Grad der Ausnutzung des Laserlichts entsprechend in die Höhe geht. Wenn dabei die numerische Apertur NA der Kopplungslinse ungefähr den Divergenzwinkel Θ ι in Orthogonalrichtung

-2 -■

bei e im Fernfeldbild, wie ihn Figur 1 zeigt, erfüllt, geht der größte Teil des Bündels des Halbleiterlasers in die Kopplungslinse. Dementsprechend sollte im wesentlichen die folgende Beziehung erfüllt sein:

θ|| < Θ = Θ. (6)

Da jedoch das Lichtbündel, das durch die Beziehung (6) erfüllende Kopplungslinse 2 gegangen ist, nicht kreisförmig ist, ist dies auch nicht der Lichtpunkt 5. Gemäß der Erfindung wird zur Lösung dieses Problems ein Prisma 7 hinter der Beziehung (6) erfüllenden Kopplungslinse 2 vorgesehen, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Figur 5 zeigt die Form des Prismas. Gemäß Figur 5 ist das Prisma ein rechteckiges Prisma, dessen Scheitelwinkel Θ und dessen Brechungsindex N ist. Der Einfallswinkel ist mit 9.,das Verhältnis zwischen der Breite I des einfallenden Strahls und der Breite 0 des gebrochenen Strahls (das Verhältnis wird "Strahlvergrößerung" genannt) mit m = 0/1 bezeichnet. Für diese Größen gilt dann:

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Γ m - 1

cos Θ = m

/ν² - 1

N m - 1

cos Θ

ICl =

cos Θ .

(7)

Hierbei ist m entsprechend dem Aufbau des verwendeten Halbleiterlasers eingestellt. Das Prisma 7 liefert ein kreisförmiges Bündel dadurch, daß die Paralleldivergenz des Bündels des Halbleiterlasers verlängert und in Übereinstimmung mit der zugehörigen Orthogonaldivergenz gebracht wird. Dementsprechend muß in dem Fall, wo '<äer größte Teil des vom Halbleiterlaser kommenden Lichtbündels in die Kopplungslinse gebracht wird, die Strahlvergrößerung m in Übereinstimmung mit dem Verhältnis Θι/Θμ der Divergenzwinkel des Bündels gebracht werden, damit man ein kreisförmiges Bündel erhält. Beispielsweise gibt bei Verwendung eines BH-Halbleiterlasers nach (2) m = 2, bei Verwendung eines CSP-Lasers nach (1) m = . Dementsprechend ergeben sich bei Verwendung von "BK7" (7. Borsilikat-Kronglas nach Klassifizierung und Bezeichnung gemäß Schott und Genossen GmbH) (N = 1,510) als Material für das Prisma 7 in Übereinstimmung mit (7) die folgenden Größen für das Prisma: Für den BH-Halbleiterlaser

m = 2

N = 1,510

θ_± = 66,61 θ_α = 37,43 ° für den CSP-Laser m = 3
N = 1,510 0^^ = 75,16 ° Θ_α = 39,80 °

(8) (9)

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(10) (11)

- 13 -

Ferner gilt bei Verwendung von "SF-11" (11. schweres Flintglas) (N = 1,764) als Glas für das Prisma das folgende: Für den BH-Halbleiterlaser

m = 2
5 N = 1,764

Θ_± = 64,56 °
θ_α = 30,79 °
für den CSP-Halbleiterlaser

m = 3
10 N = 1,764

0. = 73,76 ° θ = 32,98 °

Dementsprechend wird bei Verwendung eines BH-Halblei~ terlasers mit durch (2) wiedergebenen Strahldivergenzwinkeln ein durch (8) oder (10) verkörpertes Prisma 7 unmittelbar hinter der Kopplungslinse 2 in Figur 6 eingesetzt, während bei Verwendung eines CSP-HaIbleiterlasers mit durch (1) wiedergegebenen Strahldivergenzwinkeln ein durch (9) oder (11) verkörpertes Prisma 7 eingesetzt wird, und damit eine Umwandlung des nicht-kreisförmigen Bündels in ein kreisförmiges Bündel erreicht. Das kreisförmig gemachte Lichtbündel wird mittels des Objektivs 3 als kreisförmiger Punkt auf die Platte 4 projiziert. Es kann also das Lichtbündel eines Halöleiterlasers, dessen Lichtemissionsbereich rechteckig, nicht quadratisch, ist als kreisförmiger Punkt auf die Platte projiziert werden, ohne daß ein Teil davon weggeblendet wird. Ferner erscheint keine Aberration wegen der Verwendung des Prismas. Bei einem Aufbau wie in der vorliegenden Ausführungsform, bei welcher der von der einen Fläche des Halbleiterlasers 1 abgehende Strahl durch die Platte reflektiert und das reflektierte Licht auf die Laserfläche rückgekoppelt wird, ist die numerische Apertur der Kopplungslinse 2 entsprechend (6) groß gehalten, so daß der Nachweisbereich von Abweichungen für die Selbstfokussierung entsprechend Figur 4 erweitert ist.

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Gemäß Figur 6 ist, wie durch den Pfeil angedeutet, das vom Halbleiterlaser 1 ausgehende Bündel auf P-Polarisation (bei welcher der Vektor des elektrischen Felds in einer zur Zeichenebene parallelen Ebene schwingt) eingestellt. Die Kopplungslinse 2 sitzt bezüglich des Lasers 1 in Brennpunktslage und macht das auf das Prisma 7 einfallende Bündel zu einem Parallelbündel.

Figur 7 zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei für gleiche Teile wie in Figur 6 gleiehe Bezugszeichen verwendet werden. Bei der Ausführungsform der Figur 7 wird anders als bei der Ausführungsform der Figur 6 die Orthogonaldivergenz des Bündels verengt und in Übereinstimmung mit der Paralleldivergenz gebracht, und ebenso ist die Einfallsebene des Prismas 7 vertauscht gegenüber der der Ausführungsform der Figur 6. Im einzelnen wird, wie durch schwarze Punkte in der Figur angedeutet, das vom Halbleiterlaser 1 ausgehende Bündel auf S-Polarisation (bei der der Vektor des elektrischen Feldes senkrecht zur Zeichenebene schwingt) eingestellt. Es wird durch eine Halbwellenplatte 11 in P-Polarisation umgewandelt und tritt dann in das Prisma 7 ein. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, das Objektiv 3 klein zu halten.

Nach dem Vorstehenden ist, wie in Figur 8 dargestellt, die Polarisation des Bündels die S-Polarisation in der Richtung senkrecht zum Übergang des Lasers und die P-Polarisation in der Richtung parallel dazu.

In Obigem wurde nur eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung beschrieben, wslche eine bestimmte Information aufzeichnet und wiedergibt, indem der von einer der Flächen des Halbleiterlasers kommende Strahl an der Platte reflektiert und das reflektierte Licht auf die Laserfläche rückgekoppelt wird.. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf eine derartige optische Informationsverarbeitungseinrichtung, sondern ist auch auf eine optische Informationsverarbeitungseinrichtung anwendbar, welche eine bestimmte Information aufzeichnet und wiedergibt, indem

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in einem optischen System zur Aufbringung eines von einem Halbleiterlaser kommenden Strahls auf eine Platte ein Prisma vorgesehen wird, mittels des Prismas an der Platte reflektiertes Licht abgenommen wird und die Änderungen des reflektierten Lichts mittels eines Lichtdetektors nachgewiesen werden.

Figur 9 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform für einen Fall, wo die Erfindung auf eine solche optische Informationsverarbeitungseinrichtung angewandt wird. Nach dieser Ausführungsform werden im Aufbau der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform zusätzlich ein Prisma 9 und eine Viertelwellenlängenplatte 8 zwischen dem Prisma 7 und dem Objektiv 3 vorgesehen. Ein solcher Aufbau macht es möglich, daß an der Platte 4 reflektierte Licht mittels des Prismas 9 abzunehmen und die Änderungen des reflektierten Lichts mittels eines Lichtdetektors 10 nachzuweisen. Bei der Ausführungsform der Figur 9 wird als Lichtdetektor ein Laserausgangsleistungkontrollgerät zur automatischen Eingangsleistungssteuerung derart, daß die Laser-Lichtausgangsleistung konstant bleibt, verwendet.

Bis jetzt wurden in obiger Beschreibung die Reflexionsverluste durch Einfügung des Prismas 7 noch überhaupt nicht angesprochen. Es ist aber wünschenswert, den Brechungsindex N des Prismas 7 so zu wählen, daß die Reflexionsverluste durch das Prisma so gering wie möglich werden. Unter Bezugnahme und auf Figur 5 werden im folgenden das Reflexionsvermögen R-j-,Rq an Eintrittsfläche Ρ_χ und Austrittsfläche P_ des Prismas 7 beschrieben. Sie sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:

_{R =} tanVi- ^Θα)

tan²(0_±

o ~ ¹N + r

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Die Figuren 10 und 11 zeigen die sich aus den Ausdrücken (7) und (12) ergebenden Beziehungen zwischen den Reflexionsvermögen R , R_Q und dem Brechungsindex N des Prismas. Figur 10 zeigt den Fall m = 2, während Figur 11 den Fall m = 3 zeigt. Das in den Figuren vorkommende R ' wird später beschrieben. Die Reflexionsverluste am Prisma sind am geringsten, wenn die Summe aus R und R₀ ein Minimum ist. Daraus ergibt sich, daß für m = 2 ein Material am stärksten bevorzugt ist, dessen Brechungsindex N ungefähr 1,4 beträgt, während für den Fall m = 3 ein Material mit einem Brechungsindex N von ungefähr 1,7 am stärksten bevorzugt wird.

Daher ist es günstig, für einen BH-Halbleiterlaser BK7 (N = 1,510) und für einen CSP-HaIbleiterlaser SF-11 (N = 1,764) als Material für das Prisma 7 zu verwenden.

Als Maßnahme zur Verminderung von auf das Prisma 7 zurückgehenden Reflexionsverlusten ist auch eine Beschichtung von Eintritts- und Austrittsfläche des Prismas 7 mit einer Einschichten- oder Mehrschichtenvergütung wirksam. Es ist dabei auch zulässig, das Reflexionsvermögen R_T an der Eintrittsfläche P₁ durch geeignete Wahl des Brechungsindex N des Prismas ausreichend klein zu machen und nur die Austrittsfläche P_Q mit der Vergütungsschicht zu versehen. Im einzelnen kann bei Verwendung eines BH-HaIbleiterlasers, wie aus Figur 10 ersichtlich, das Reflexionsvermögen IL zu 11 oder weniger gemacht werden, indem der Brechungsindex N in einen Bereich zwischen 1,65 und 2,45 gelegt wird. Beispielsweise kann bei Verwendung von SF-11 als Prismenmaterial das Reflexionsvermögen R an der Eingangsfläche P zu O,004 gemacht werden. Andererseits kann bei Verwendung eines CSP-Halbleiterlasers, wie aus Figur 11 ersichtlich, das Reflexionsvermögen R₁ zu 1 % oder weniger gemacht werden, indem der Brechungsindex N in einen Bereich zwischen 2,45 und 3,55 gelegt wird. Hierfür kann z.B. ein Kristall aus etwa TiO₂ oder TeO- als Prismenmaterial verwendet werden.

Ferner lassen sich bei der Ausführungsform der Figur 9

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die Reflexionsverluste vermindern, indem das Prisma 7 und das Prisma 9/wie in Figur 12 oder Figur 13 gezeigt, zu einer einheitlichen Struktur zusammengefügt werden. Figur 12 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Prismen 7 und 9 in einem einzigen Körper aus identischem Material aufgebaut sind.

In der Figur bezeichnet 79 das zu einem einzigen Körper gefügte Prisma, wobei die Viertelwellenlängenplatte 8 ebenfalls mit dem Prisma 79 verbunden ist. Durch den einstückigen Aufbau können die Reflexionsverluste an der Austrittsfläche des Prismas 7 und der Eintrittsfläche des Prismas 9 beseitigt werden. Figur 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Prismen 7 und 9 als ein einziger Körper unter Verwendung unterschiedlicher Materialien aufgebaut sind. Beispielsweise ist bei Verwendung von BK7 (N = 1,510) als Material für das Prisma 9 das Reflexionsvermögen R ' an der Grenzfläche 20 zwischen den Prismen 7 und 9 durch den folgenden Ausdruck gegeben, wobei N den Brechungsindex des Prismas 7 bezeichnet:

, _ ₍ N - 1,510 ² _M

^R0 * ⁽N - 1,510^{) (Ί}

Die Figuren 10 und 11 geben das Reflexionsvermögen R ' in Abhängigkeit vom Brechungsindex N für m = 2 bzw. m = 3 in gestrichelten Linien wieder. Wie aus den Figuren ersichtlich, lassen sich die auf das Prisma 7 zurückgehenden Reflexionsverluste deutlich mindern. Unter der Annahme beispielsweise, daß das Material des Prismas 7 SF-11 (N = 1,764) ist, läßt sich folgendes einrichten:

Für einen BH-Halbleiterlaser
R₁ = 0,004
R₀ ¹ = 0,006

und für einen CSP-Halbleiterlaser
R₁ = 0,067

R₀ ¹ = 0,006.

Mit obigen Ausführungsformen ist der Fall beschrieben, daß ein nicht-kreisförmiges Bündel, das die Kopplungslinse durchlaufen hat, durch Vorsehen eines einzigen Prismas hinter

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der Kopplungslinse in ein kreisförmiges Bündel umgewandelt wird. Natürlich können ebenso gut aber auch mehrere Prismen hinter der Kopplungslinse angeordnet werden. Mit den folgenden Ausführungsformen werden Fälle beschrieben, wo zwei Prismen vorgesehen sind.

Die Figuren 14, 15 und 16 zeigen solche Aufbauten, wobei gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 6, 7 und 9 gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen. Die Ausführungsformen der Figuren 14, 15 und 16 gehen aus den entsprechen- den Ausführungsformen der Figuren 6, 7 und 9 dadurch hervor, daß zwei Prismen 7a und 7b in der Stufe hinter der Kopplungslinse 2 vorgesehen sind. Die beiden Prismen haben gleiche Scheitelwinkel und Brechungsindizes und ebenso gleiche Eintrittswinkel und Austrittswinkel des Lichtbündels. Gemäß den Figuren sind die Prismen 7a und 7b rechteckige Prismen mit Scheitelwinkeln Θ und Brechungsindizes N, wobei der Einfallswinkel auf die Prismen mit Θ. und das Verhältnis zwischen Breite I des einfallenden Strahls und Breite 0 des gebrochenen Strahls (Strahlvergrößerung) mit m = 0/1 bezeichnet wird. Diese sind dann durch folgende Ausdrücke gegeben :

_{cosQ =}

m - 1

m - 1

cos

Das Reflexionsvermögen R₁ an den Eingangsflächen der Prismen 7a und 7b ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

■Ί-

tan²(0. - Θ )

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Damit wird für Θ. + Θ = 90 ° das Reflexionsvermögen R₁ und damit der Reflexionsverlust an der Eintrittsfläche jedes der Prismen 7a und 7b zu null (Der Fall Θ. = Θ entspricht dem Normaleinfall ohne Prismenwirkung.) Dabei wird R_T zu null wenn dann Θ. = N ist, wobei dieser Winkel der sogenannte Brewster-Winkel ist. Dafür vereinfachen sich die Ausdrücke (14) folgendermaßen:

N = /rö

(16)

θ. = tan"¹N 10 Θ = cos [/in cos Θ.]

Im Falle der Verwendung von beispielsweise eines CSP-Halbleiterlasers wird die Form der beiden Prismen 7a und 7b auf der Grundlage von (16) und unter der Bedingung, daß die Strahlvergrößerung m auf der Basis von (1) gleich 3»ist die folgende:

m	θ	α	= 3	732
N	^RI		O
	= 60	O
= 30

= 0

(17)

Somit werden also für einen CSP-Halbleiterlaser mit den durch (1) gegebenen Strahldivergenzwinkeln die beiden durch die Ausdrücke (17) wiedergegebenen Prismen 7a und 7b unmittelbar hinter der Kopplungslinse 2, wie in den Figuren 14, 15 und 16 gezeigt, eingesetzt, wodurch das nicht-kreisförmige Bündel in ein kreisförmiges Bündel umgewandelt werden kann. Auch wenn die Brechungsindizes N der Prismen 7a und 7b nicht zu dem Wert /m gemacht werden können, bei dem das Reflexionsvermögen R null wird, so sind doch nahe bei diesem Wert liegende Brechungsindizes ausreichend brauchbar, weil durch sie das Reflexionsvermögen R_T nahezu zu null wird. Es ist wünschenswert, die Ausgangsfläche mit einer Antireflex- bzw. Vergütungsschicht zu versehen.

Der Zusammenhang zwischen Strahlvergrößerung m und

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Reflexionsvermögen R_x ist in Figur 17 dargestellt. Dort gibt eine strichpunktierte Linie den Fall der Verwendung eines einzelnen Prismas aus BK7 (N = 1,510) und eine strichlierte Linie den Fall der Verwendung eines einzelnen Prismas aus SF-11 (N = 1,764) an. Wie aus Figur 17 ersichtlich, muß bei Vorsehen eines einzigen Prismas 7 wie bei den Ausführungsformen der Figuren 6, 7 und 9 und bei einer Einstellung der Strahlvergrößerung m auf 2 bis 3 das Prismenmaterial einen ziemlich großen Brechungsindex N haben, damit die ReflexionsVerluste an der Eintrittsfläche des Prismas vermindert werden. In der Figur 17 bezeichnet weiter eine durchgehende Linie den Fall einer Verwendung von zwei Prismen aus BK7. Bei Verwendung dieses allgemein bekannten Glasmaterials BK7 beträgt der Brechungsindex N 1,510 im Bereich einer Wellenlänge von 800 nm. In diesem Fall wird das Reflexionsvermögen R_x gleich null, wenn die Strahlvergrößerung m gleich 2,28 ist. Wie aus der Figur weiter ersichtlich, beträgt in dem Bereich, in dem die Strahlvergrößerung m gleich 2,1 bis 2,5 ist, der Transmissionskoeffizient wenigstens 99,9 %. Läßt man einen Transmissionskoeffizienten bis hinunter zu 99 % zu, kann ein Prisma aus BK7 in einem Bereich verwendet werden, in dem die Strahlvergrößerung m gleich 1,8 bis 3 ist. Das heißt, wenn wie bei den Ausfuhrungsformen der Figuren 14, 15 und zwei Prismen 7a und 7b vorgesehen sind, können schon Prismen, die den kleinen Brechungsindex N haben, die Strahlvergrößerung m groß machen und außerdem den nutzbaren Bereich ausweiten. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß sich ein kreisförmiges Bündel durch aus herkömmlichem optischen Glas (d.h., BK7) hergestellte Prismen erzeugen läßt.

Ferner wird nun eine Ausführungsform beschrieben, die die Anwendung der Erfindung auf eine Selbstfokussierungssteuerung beinhaltet. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 18 gezeigt. Gemäß der Vorrichtung besteht ein optischer Abnehmer aus dem Halbleiterlaser 1, der Kopplungslinse 2, dem Objektiv 3 und dem Lichtdetektor 6. Ein von

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der einen Fläche 13 des Halbleiterlasers 1 ausgehender Laserstrahl wird über die Linsen 2 und 3 auf die Platte 4 projiziert und an dieser reflektiert. Der reflektierte Strahl wird über die Linsen 2 und 3 auf die Austrittsfläche 13 des Halbleiterlasers rückgekoppelt. Bei einem solchen Aufbau ändert sich die Laserausgangsleistung des Halbleiterlasers 1 entsprechend den Änderungen des Reflexionsvermögens der Platte, so daß sich Information wiedergeben läßt, indem die Änderungen der Laserausgangsleistung mit dem Lichtdetektor 6 nachgewiesen werden.

Die Selbstfokussierungssteuerung führt über den Nachweis einer Abweichung eines fokussierten Punktes und mittels einer Einrichtung zur Bewegung des Objektivs oder des gesamten optischen Abnehmers entsprechend dieser Abweichung eine Rückkopplungssteuerung durch.

Der Nachweis des Abweichens des fokussierten Punkts nützt die (in Figur 19 gestrichelt gezeichnete) Charakteristik aus, daß die optische Ausgangsleistung des Halbleiterlasers infolge der Fokusabweichung abnimmt. Die Charakteristig sagt jedoch nichts über die Richtung der Fokusabweichung aus. Daher wird die Linse oder der Halbleiterlaser in Richtung der optischen Achse gewobbelt und synchron damit die Laserausgangsleistung festgestellt, woraus sich die Richtung der Fokusabweichung feststellen läßt. Bei dem in Figur 18 gezeigten Aufbau wird die Linse 3 in Richtung der optischen Achse mittels eines piezoelektrischen Schwingers 15 und entsprechend einem Signal einer Wechselspannungsquelle 16 gewobbelt. Die durch den Lichtdetektor 6 detektierte Laserausgangsleistung wird durch eine phasenempfindliche Detektionsschaltung 17 synchron mit Bezug auf das Signal der Wechselspannungsquelle 16 detektiert. Wie in Figur 20 gezeigt, kehrt das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Detektionsschaltung 17 seine Polarität in Abhängigkeit von der Richtung der Fokusabweichung um.

Das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Detektionsschaltung 17 wird auf eine elektromagnetische Spule 14

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rückgekoppelt, durch die das Objektiv oder gesamte optische Abnehmer 12 im Sinne einer Verminderung der Fokusabweichung bewegt wird.

Figur 22 zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für eine numerische Apertur der Kopplungslinse 2 von 0,5. Die Ausführungsform ist so gestaltet, daß eine Selbstfokussierungssteuerung gemäß dem Aufbau der Figur 6 vorgesehen ist. Im einzelnen wird, wenn die numerische Apertur der Kopplungslinse größer als der minimale Strahldivergenzwinkel des Laserbündels des Halbleiterlasers 1 ist, das aus der Kopplungslinse 2 kommende Bündel elliptisch. Durch Anordnen des Prismas 7 hinter der Kopplungslinse 2 wird dementsprechend das aus der Kopplungslinse 2 austretende Bündel kreisförmige gemacht, auf das Objektiv 3 gegeben und mittels dieses Objektivs ein kreisförmiger Lichtpunkt 5 auf der Platte 4 ausgebildet. Das von der Platte 4 reflektierte Licht wird auf den Halbleiterlaser 1 rückgekoppelt. Da sich die Laserausgangsleistung des Halbleiterlasers entsprechend den Änderungen des Reflexionsvermögens der Platte ändert, wird Information wiedergegeben, indem diese Änderungen mittels des Lichtdetektors 6 nachgewiesen werden. Die Selbstfokussierungssteuerung wird in einer solchen Weise ausgeführt, daß das Objektiv 3 mittels eines piezoelektrischen Schwingers 15 und entsprechend dem Signal der Wechselspannungsquelle 16 in Richtung der optischen Achse gewobbelt wird, daß die durch den Lichtdetektor 6 detektierte Laserausgangsleistung synchron mittels der phasenempfindlichen Detektionsschaltung 17 mit Bezug auf das Signal der Wechselspannungsquelle 16 detektiert wird, daß das Ausgangssignal der phasenempfindlichen Detektionsschaltung auf die elektromagnetische Spule 14 rückgekoppelt wird und daß das Objektiv 3 oder der gesamte optische Abnehmer 12 durch die elektromagnetische Spule 14 im Sinne einer Verminderung der Abweichung des Fokuspunktes bewegt wird.

Ein wesentliches Merkmal der Ausführungsformen der Figuren 18 und 22 besteht darin, daß der Nachweisbereich von

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Abweichungen für die Selbstfokussierungssteuerung durch Beschichten der Laseraustrittsfläche 13 mit einer Antireflexbeschichtung erweitert ist. In den Figuren 19 und 20 entspricht die durchgehende Linie dem Fall, daß eine Antireflexbeschichtung existiert, die unterbrochene Linie dem Fall, daß eine solche nicht existiert. Es ist zu beachten, daß bei Fehlen einer Antireflexbeschichtung der Nachweisbereich von Abweichungen ungefähr 10 pm beträgt, während bei Vorsehen einer Antireflexbeschichtung sich dieser Bereich auf ungefähr 40 um erweitert. Die Resultate der Figuren 19 und 20 entsprechen dem Fall, daß die numerische Apertur NA des Objektivs 3 einen Wert von 0,5 und diejenige der Kopplungslinse 2 einen Wert von 0,25 hat.

Figur 21 zeigt die Abhängigkeit des Nachweisbereiches von Abweichungen für die Selbstfokussierungssteuerung von der numerischen Apertur der Kopplungslinse 2. Wenn beispielsweise die numerische Apertur der Kopplungslinse 2 zu 0,5 gemacht ist, wird der Nachweisbereich für Abweichungen ungefähr 80 um durch Vorsehen der Antireflexionsbeschichtung (vgl. die durchgehende Linie), liegt aber unter 30 pm ohne diese Beschichtung (vgl. die strichlierte Linie)·

Wie beschrieben, wird bei einer optischen Informationsverarbeitungseinrichtung eines Aufbaus, bei dem der von der einen Fläche eines Halbleiterlasers abgehende Strahl durch die Platte reflektiert und das reflektierte Licht auf die Laserfläche rückgekoppelt wird, der Nachweisbereich von Abweichungen für die Selbstfokussierungssteuerung durch Vorsehen einer Antireflexbeschichtung auf der Laserfläche weiter ausgedehnt. Daher wird selbst bei Vertikalbewegungen der Platte, die 1 mm betragen, eine Selbstfokussierungssteuerung möglich.

Bislang wurde die optische Informationsverarbeitungseinrichtung eines Aufbaus, nach welchem der von der einen Fläche des Halbleiterlasers abgehende Strahl durch die Platte reflektiert und das reflektierte Licht auf die Halbleiterfläche rückgekoppelt wird, anhand des Falls beschrieben,

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daß die Änderung der an der Platte reflektierten Lichtmenge in Form einer Änderung des von der anderen Fläche . des Halbleiterlasers abgehenden Laserstrahls nachgewiesen wird. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch auf den Fall anwendbar ist, daß die Änderung des reflektierten Lichts in Form einer Änderung eines Treiberstroms für den Halbleiterlaser nachgewiesen wird.

Wie sich aus der Beschreibung ergibt, kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß ein Prisma zur Umwandlung des Profils eines vom Halbleiterlaser kommenden Lichtbündels in einem optischen System, das das Bündel zu einem Informationsspeichermedium leitet, vorgesehen ist.

Dr.Ki/Ug

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Claims

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SC H Ü B EL-H O PF EBB1NGHAUS FINCK

MARiAHlLFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O 3 U i, 2 2 H 9

POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 SO, D-8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 13. Juni 19 80

DEA-25 186

Optische Informationsverarbeitungseinrichtung PATENTANSPRÜCHE

/ -j ~', Optische Informationsverarbeitungseinrichtung mit einer Lichtquelle, einem Informationsspeichermedium, einem optischen System, welches ein von der Lichtquelle abgehendes Bündel auf das Informationsspeichermedium bündelt, und einer Einrichtung zum Nachweis einer Änderung der Lichtmenge eines von dem Medium kommenden Lichtbündels, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle ein Halbleiterlaser (1) mit rechteckigem Lichtemissionsbereich ist, und daß das optische System ein Prisma (7) enthält, welches das vom Laser ausgehende nicht-kreisförmige Bündel in ein kreisförmiges Bündel umwandelt.
2. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzen chnet, daß das Prisma (7) aus zwei Prismen (7a, 7b) besteht, deren brechende Winkel und Brechungsindizes gleich sind.

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3. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Prismen (7a,7b) im wesentlichen die Beziehung N = /m erfüllen, wobei N deren Brechungsindes und m deren Strahlvergrcßerung bezeichnet.
4. Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Einrichtung (9) zur Ableitung des am Medium reflektierten Bündels in einem optischen Weg zwischen dem Prisma (7^7a,7b) und dem Medium vorgesehen ist, und daß die Nachweiseinrichtung ein Lichtdetektor (10) ist, welcher das an der optischen Einrichtung reflektierte Bündel erhält.
5. Verarbeitungsexnrxchtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung das Prisma (7) in sich enthält.
6. Verarbeitungsexnrxchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Austrittsfläche des Prismas (7; 7a, 7b) mit einer Antireflexbeschichtung versehen ist.
7. Verarbeitungsexnrxchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Linse (2), welche im wesentlichen die Beziehung θπ < Θ = θι erfüllt, wobei Θ den halben zwischen dem Laser (1) und der Linse definierten

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Winkel bezeichnet und Θι, und Θ ι Divergenzwinkel des Laserbündels in Richtung parallel zum Laserübergang bzw. in einer Richtung senkrecht dazu bezeichnen, in einem optischen Weg zwischen dem Laser und dem Prisma vorgesehen ist, daß das von der einen Fläche des Lasers ausgehende Licht durch das Medium reflektiert und dann über das optische System auf die Laserfläche zurückgeführt wird, und daß die Nachweiseinrichtung ein Lichtdetektor (6) ist, welcher das von der anderen Fläche des Lasers ausgehende Licht empfängt.
8. Verarbeituncseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Fläche des Lasers (1) mit einer Antireflexbeschxchtung versehen ist und daß die Verarbeitungseinrichtung eine erste Treibereinrichtung, welche das optische System längs seiner optischen Achse mit einer bestimmten Periode oszilliert, und eine zweite Treibereinrichtung, welche das optische System längs seiner optischen Achse entsprechend einem Ausgangssignal des Lichtdetektors (6) bewegt, umfaßt.

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