DE3636336A1 - Halbleiterlaser-vorrichtung mit phasengesteuerter anordnung - Google Patents
Halbleiterlaser-vorrichtung mit phasengesteuerter anordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Halbleiterlaser mit phasenge
steuerter Anordnung, sogenannte Phased-Array-Halbleiter
laser, die durch Ausrichtung einer Vielzahl von Halbleiter
lasern nebeneinander hergestellt werden und mit denen
sich eine hohe Ausgangslaserleistung mit einer insgesamt
gleichmäßigen Phase erzielen läßt.
Herkömmliche Halbleiterlaser mit phasengesteuerter
Anordnung haben jetzt eine Stufe erreicht, auf der die
Korrelation der Phasen zwischen benachbarten Halbleiter
lasern hergestellt werden kann und sich eine Ausgangs
leistung von etwa 500 mW erzielen läßt, wie beispielhaft
in dem Artikel "Phased Array Diode Lasers" in "Laser
Focus", Juni 1984, beschrieben. Es besteht jedoch die Nei
gung, daß das Fernfeldmuster eine Doppelkeule wird, und
selbst wenn der Strahl mit einer derartigen Doppelkeulen-
Intensitätsverteilung, beispielsweise durch ein optisches
System eines Laserdruckers oder einer optischen Platte,
konvergiert wird, läßt sich kein optischer Punkt an der
Beugungsgrenze erzielen und das Verhältnis der optischen
Ausnutzung beträgt höchstens etwa 50%.
Die generelle Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine
Halbleiter-Laservorrichtung mit phasengesteuerter Anordnung
zu schaffen, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden
Nachteile weitgehend überwunden werden. Insbesondere soll
eine Halbleiter-Laservorrichtung mit phasengesteuerter An
ordnung angegeben werden, mit der es selbst bei Anwendung
der oben beschriebenen Halbleiterlaser mit phasengesteuerter
Anordnung möglich ist, ein Einkeulen-Fernfeldmuster und
daneben einen optischen Punkt an der Beugungsgrenze auf
einem Aufzeichnungsmedium zu erzielen.
Bei einem Halbleiterlaser mit phasengesteuerter An
ordnung bzw. einem Phased-Array-Halbleiterlaser des Typs,
der eine Vielzahl von in einer Linie ausgerichteten Licht
emissionsbereichen aufweist und die Korrelation der
Schwingungsphasen zwischen den benachbarten Lichtemissions
bereichen schafft, ist vorliegende Erfindung auf eine Ein
richtung zur Erzielung eines Fernfeldmusters mit einer
einzigen Keule gerichtet.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht
die Einrichtung zur Erzielung der einzigen Keule aus
einem Halbwellenplättchen, einem sogenannten λ/2-Plättchen,
das in einem Teil eines optischen Weges des Laserlichts
vom Phased-Array-Laser angeordnet ist, sowie aus einem
Polarisations-Strahlteiler zur Kombination des Laserlichts
von dem Halbwellenplättchen mit dem Rest des Laserlichts
von dem Phased-Array-Laser, so daß das Fernfeldmuster des
Phased-Array-Lasers eine Einkeulen-Intensitätsverteilung hat.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
besteht die Einrichtung für die einzige Keule aus dünnen
Filmen zur Erzielung einer Phasenverschiebung von λ/2 (λ:
Laserwellenlänge), die für jede zweite Lichtemissions-
Endfläche des Phased-Array-Halbleiterlasers angeordnet
sind, so daß die Phasen des von dem Phased-Array-Halbleiter
laser emittierten Laserlichts ausgerichtet werden, und
ein Fernfeldmuster mit einer Einzelkeule erzielt werden
kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen
Fig. 1a eine schematische Ansicht eines nach vorlie
gender Erfindung verwendeten Phased-Array-Halb
leiterlasers;
Fig. 1b ein Wellenform-Diagramm, das den Schwingungsmode
des Halbleiterlasers nach Fig. 1a zeigt;
Fig. 1c ein Wellenform-Diagramm, das ein Fernfeldmuster
des Phased-Array-Halbleiterlasers zeigt;
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines
ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wenn
diese Anwendung auf ein optisches System eines
optischen Plattengerätes findet;
Fig. 3 eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels,
wenn dieses Anwendung auf ein optisches System
eines Laserstrahldruckers findet;
Fig. 4a eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Phased-
Array-Halbleiterlasers;
Fig. 4b eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen
Phased-Array-Halbleiterlasers nach Fig. 4a;
Fig. 4c ein Wellenformdiagramm, das das Fernfeldmuster
des Halbleiterlasers nach Fig. 4b zeigt; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Anordnung, wenn
der in Fig. 4 dargestellte Phased-Array-Halb
leiterlaser Anwendung auf ein optisches System
eines optischen Plattengerätes findet.
In einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit phasen
gesteuerter Anordnung bzw. Phased-Array-Halbleiterlaser ist
eine Vielzahl von Lichtemissionsbereichen monolithisch aus
gerichtet und ihre Phasen sind durch Verkürzung der Ab
stände zwischen benachbarten Lichtemissionsbereichen ge
koppelt, so daß eine Oszillation bewirkt wird bei der die
Oszillationsphasen aller Bereiche wechselseitig kohärent
sind. In diesem Phased-Array-Halbleiterlaser existieren
zehn Arten von Schwingungsmoden, wenn es zehn Lichtemissions
bereiche gibt, wie beispielsweise in Fig. 1a gezeigt. Unter
diesen Moden besteht die größte Wahrscheinlichkeit für das
Auftreten eines in der Phase um 180° verschobenen Modes bei
dem die Phasen der benachbarten Lichtemissionsbereiche von
einander um π abweichen, wie in Fig. 1b gezeigt. Ein der
artiger Mode ist ein Doppelkeulen-Mode mit zwei Spitzen
werten im Fernfeld, wie in Fig. 1c dargestellt.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus
einer Ausführungsform der Erfindung, die auf das optische
System eines optischen Plattengerätes angewandt wird. In
der Zeichnung bezeichnet Bezugsziffer 1 den in Fig. 1
dargestellten Phased-Array-Halbleiterlaser oder Halbleiter
laser mit phasengesteuerter Anordnung (im folgenden kurz
als "Laser" bezeichnet). Der von diesem Laser 1 emittierte
Strahl wird von einer Koppellinse 2 empfangen, konvergiert
und parallelgerichtet. Wie bereits beschrieben, ist das
Fernfeldmuster des Strahls vom Laser 1 in zwei Keulen 3
und 3′ unterteilt. Von diesen beiden Anteilen wird der
Strahl 3 durch einen total reflektierenden Spiegel 4 reflek
tiert und erreicht einen Polarisations-Strahlteiler 5. Zu
diesem Zeitpunkt ist die Polarisationsebene eines jeden
der Strahlen 3 und 3′ parallel zur Zeichnungsebene oder
in anderen Worten, es liegt P-polarisiertes Licht bezüglich
des reflektierenden Spiegels 4 und des Polarisations-Strahl
teilers 5 vor. Daher tritt der Strahl 3 durch den Polari
sations-Strahlteiler 5. Der Strahl 3′ tritt andererseits
durch ein Halbwellenplättchen 6, wird zu einem S-polarisier
ten Strahl 7, wird anschließend durch den Polarisations-
Strahlteiler 5 reflektiert und kommt dann dazu, daß er
sich die optische Achse mit dem Durchlaßstrahl vom Strahlanteil
3 teilt, so daß ein zusammengesetzter Strahl mit einer
einzigen Keule entsteht. Auf diese Weise läßt sich ein
Einkeulen-Fernfeldmuster erzielen. In diesem Ausführungs
beispiel werden der reflektierende Spiegel 4, das Halb
wellenplättchen 6 und der Polarisations-Strahlteiler 5
in engem Kontakt gehalten und miteinander integriert.
Ein Dreieckprisma 9 ist angeordnet, um den Strahl
vom Polarisations-Strahlteiler 5, der elliptisch ist, in
einen runden Strahl umzuformen. Obwohl entsprechend der
Zeichnung nur ein Prisma 9 angeordnet ist, können zwei
oder mehr Prismen in Kombination verwendet werden. Der
so erhaltene zusammengesetzte Strahl 10 wird zu einer
Objektivlinse 11 geführt und punktförmig auf ein Auf
zeichnungsmedium 13, wie z.B. eine optische Platte, eine
photoempfindliche Trommel für einen Laserdrucker, einen
Flüssigkristall oder ähnliches, geworfen, um ein Bild zu
erzeugen.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 2 in Anwendung auf ein optisches System eines
Laserstrahldruckers. Das Verfahren der Zusammensetzung
der Strahlen entspricht genau dem des in Fig. 2 gezeig
ten Ausführungsbeispiels; der Unterschied dieses Aus
führungsbeispiels vom ersten Ausführungsbeispiel liegt
jedoch darin, daß ein Satz von Zylinderlinsen 14 und 15
verwendet wird, um den elliptischen Strahl zu formen. Das
Verhältnis der Brennweiten der Zylinderlinsen 14 und 15
wird auf r festgesetzt, wenn das Verhältnis der großen und
der kleinen Achse des elliptischen Strahls r ist. Es ist
hierbei anzumerken, daß bei Phased-Array-Halbleiterlasern
mit Verstärkungsführung (gain guide type phased-array
semiconductor lasers) im allgemeinen zusätzlich zur Phasen
abweichung gleichzeitig eine "Biegung" der Phasen auftritt.
Dies wird als "Astigmatismus" bezeichnet. Nach diesem Aus
führungsbeispiel kann auch dieser Astigmatismus korrigiert
werden, indem die relativen Positionen der zwei Zylinder
linsen um einen Abstand abweichen, der die astigmatische
Differenz der Lichtquelle versetzt.
Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel werden die
Phased-Array-Halbleiterlaser, die in dem Mode schwingen,
in dem die Phasen um 180° verschoben sind, im Fernfeld
zusammengesetzt, um den Einzelstrahl zu erhalten, der
zu der konvergierenden Linse geführt wird. Demnach ist es
möglich, immer den Punkt mit der Beugungsgrenze zu erzielen,
die durch die Wellenlänge der Halbleiterlaser und die
numerische Apertur der konvergierenden Linse bestimmt ist.
Nachdem die Strahlen 3 und 3′ mit den um 180° verschobenen
Phasen zusammengesetzt sind, werden ihre Polarisations
ebenen senkrecht, so daß sie als eine skalare Summe der
Intensität zusammengesetzt werden, ohne eine gegenseitige
Beeinflussung hervorzurufen. Damit kann mit einem hohen
Wirkungsgrad ein Strahl mit einer hohen Ausgangsleistung
erzielt werden.
Fig. 4 zeigt einen Halbleiterlaser mit phasenge
steuerter Anordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Nach diesem Ausführungsbeispiel sind
dünne Filme, die eine Phasenverschiebung von λ/2 liefern,
auf einer der Endflächen von nebeneinanderliegenden Licht
emissionsbereichen angeordnet, um die Phase um π zu
verschieben, so daß die Phase der Strahlen unmittelbar
nach der Emission glatt wird. In anderen Worten sind
Dünnfilme 105, die eine Phasenverschiebung von λ/2 liefern
(λ: Wellenlänge), auf der Endfläche 104 des Halbleiter
lasers für jeden zweiten Lichtemissionsbereich angeordnet,
um die Phase 106 der Wellenebene des emittierten Strahls
zu glätten, wie in den Fig. 4a und 4b gezeigt.
Der Dünnfilm kann leicht abgeschieden werden, bei
spielsweise durch Sputtern von SiO2. Neben SiO2 können
amorphes Si, MgF2, ZrO2, CeF3 und ähnliches als Material
für den Dünnfilm 105 verwendet werden. Die Dicke des
Dünnfilms ist so gewählt, daß der Lichtweg, d.h. die
optische Dicke, die man durch Multiplikation des Brechungs
index mit der Dicke erhält, gleich λ/2 ist.
Wenn die Phase durch das oben beschriebene Verfahren
geglättet ist, hat das Fernfeldmuster des emittierten
Strahls nicht länger eine Doppelkeule, sondern, wie in
Fig. 4c gezeigt, eine Einzelkeule 107.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Aufbaus,
nach dem der in Fig. 4 dargestellte Halbleiterlaser 1′
auf das optische System eines optischen Plattengerätes
Anwendung findet. In der Zeichnung bezeichnet Bezugsziffer
1′ den in Fig. 4 gezeigten Phased-Array-Halbleiterlaser,
dessen Strahl das Fernfeldmuster mit der Einzelkeule auf
weist, wie oben beschrieben. Der Laserstrahl wird durch
die Koppellinse 2 parallel gerichtet, tritt durch das den
Strahl formende Prisma 9 und wird als ein Punkt auf dem
Aufzeichnungsmedium 13 durch die konvergierende Linse 11
dem Bildaufbau unterzogen. Das reflektierte Licht vom
Aufzeichnungsmedium 13 wird durch einen (in der Zeichnung
nicht dargestellten) Strahlteiler, der zwischen dem Prisma
9 und der konvergierenden Linse 11 angeordnet ist, abge
trennt, und dem Strahl vom Laser entzogen, von einem
optischen Detektor empfangen und für die Erfassung von
Punkt-Einstellsignalen verwendet, wie z.B. einem Infor
mationssignal, einem Fokussiersignal, einem Spurführungs
signal und ähnlichem.
Wie oben beschrieben, läßt sich nach vorliegender
Erfindung von dem Phased-Array-Halbleiterlaser mit einer
Vielzahl von Lichtemissionsbereichen ein Strahl mit einer
einzelnen Keule erhalten. Wenn dieser Einkeulenstrahl dem
optischen System eines Laserstrahldruckers oder einer
optischen Platte zugeführt wird, läßt sich mit einem
hohen Wirkungsgrad ein Strahl mit einer extrem hohen Aus
gangsleistung erzielen. Im Falle des Laserdruckers kann
die Druckgeschwindigkeit, im Falle der optischen Platte
die Bit-Transferrate von Signalen verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung kann neben ihrer Anwendung
auf das optische System eines optischen Plattenrecorders
auch auf das optische System eines Bildabtasters bzw.
Bild-Scanners oder einer Flüssigkristall-Anzeige Anwendung
finden.
Claims (8)
1. Halbleiter-Laservorrichtung gekenn
zeichnet durch
einen Halbleiterlaser (1, 1′) mit einer Vielzahl von Lichtemissionsbereichen, die in einer Linie ausge richtet sind, wobei eine Korrelation der Schwingungsphasen zwischen nebeneinanderliegenden Lichtemissionsbereichen besteht, und
eine Einrichtung (4-7; 105), die bei dem von dem Halbleiterlaser (1, 1′) emittierten Strahl ein Fernfeld muster mit einer einzigen Keule erzeugt.
einen Halbleiterlaser (1, 1′) mit einer Vielzahl von Lichtemissionsbereichen, die in einer Linie ausge richtet sind, wobei eine Korrelation der Schwingungsphasen zwischen nebeneinanderliegenden Lichtemissionsbereichen besteht, und
eine Einrichtung (4-7; 105), die bei dem von dem Halbleiterlaser (1, 1′) emittierten Strahl ein Fernfeld muster mit einer einzigen Keule erzeugt.
2. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, ge
kennzeichnet durch eine erste Linseneinrich
tung (2) zum Bündeln des Laserlichts vom Halbleiterlaser
(1, 1′) mit phasengesteuerter Anordnung, eine Strahl-Form
einrichtung (9) zum Formen des durch die erste Linsen
einrichtung (2) übertragenen Laserlichts (8) und eine
zweite Linseneinrichtung (11) zum Konvergieren des durch
die Strahl-Formeinrichtung (9) geformten Laserlichts (10)
auf ein Aufzeichnungsmedium (13).
3. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einkeulen-
Einrichtung ein Halbwellenplättchen (6), das auf dem Licht
weg eines ersten Teils (3′) des Laserlichts vom Halbleiter
laser (1) angeordnet ist, sowie einen Polarisations-Strahl
teiler (5) aufweist, um das Laserlicht von dem Halbwellen
plättchen (6) und den zweiten Teil (3) des Laserlichts vom
Halbleiterlaser (1) zu kombinieren.
4. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 3, ge
kennzeichnet durch einen reflektierenden Spie
gel (4), der den zweiten Teil (3) des Laserlichts zu dem
Polarisations-Strahlteiler (5) führt, wobei der reflektie
rende Spiegel (4) mit dem Halbwellenplättchen (6) und dem
Polarisations-Strahlteiler (5) integriert ist.
5. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbwellenplättchen
(6) in einem Lichtweg zwischen der ersten Linseneinrich
tung (2) und der Strahl-Formeinrichtung (9) angeordnet ist
und bei einem Teil (3′) des von der ersten Linseneinrich
tung (2) gebündelten Laserlichts eine Phasenverschiebung
von einer halben Wellenlänge hervorruft, und daß der
Polarisations-Strahlteiler (5) das durch das Halbwellen
plättchen (6) übertragene Laserlicht mit dem zweiten Teil
(3) des von der ersten Linseneinrichtung (2) gebündelten
Laserlichts kombiniert und den zusammengesetzten Strahl (8)
zu der Strahl-Formeinrichtung (9) führt.
6. Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtemissionsbereiche des Halbleiterlasers (1) in einer
Linie auf demselben Substrat ausgerichtet sind.
7. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einkeulen-
Einrichtung aus dünnen Filmen (105) besteht, die auf der
Licht emittierenden Endfläche (104) des Halbleiterlasers
(1′) mit phasengesteuerter Anordnung für jeden zweiten der
Lichtemissionsbereiche abgeschieden sind und eine optische
Dicke von λ/2 haben (λ: Laserwellenlänge).
8. Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der dünne Film durch
Aufsputtern von SO₂ gebildet ist.
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