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Diese Erfindung betrifft inkohärente nicht-phasenverriegelte
Laseranordnungen und im besonderen nicht-phasenverriegelte oder optisch
entkoppelte Laseranordnungen mit einem breiten gleichmäßigen
Fernfeld hoher Intensität, die zur Verwendung als Beleuchtungsquellen bei
elektrooptischen Zeilenmodulatoren und elektrooptischen
Zeilendrukkern sehr anpassungsfähig sind.
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Bei der herkömmlichen Technik wurden Halbleiterlaser und
lichtemittierende Dioden (LEDs) als Lichtquelle verwendet, um ein Abbild auf
einem lichtempfindlichen Medium, zum Beispiel ein xerographischer
Photorezeptor eines Xerodruckers, zu erzeugen. Bei dieser Art von
Anwendung besteht die Forderung sowohl nach gleichmäßiger Helligkeit des
Bildes als auch nach ausreichender Intensität des emittierten Lichts.
Wenn LEDs zu verwenden sind, muß zudem eine breite Anordnung von LEDs,
eine pro Bildelement oder Pixel, bereitgestellt werden, so daß eine
Lichtzeile zum Entladen des Photorezeptors in einer bildweisen Art
gebildet werden kann. Üblicherweise wird eine Mehrzahl von Anordnungen
lichtemittierender Elemente in einer oder mehreren Reihen angeordnet,
und eine optische Einrichtung wird zwischen dem lichtempfindlichen
Medium und der Lichtquellenanordnung angebracht, um das Licht aus den
Lichtquellen auf eine einzige Zeile auf der Oberfläche des
lichtempfindlichen Mediums zu fokussieren. Die Lichtquellen werden selektiv
ein- und ausgeschaltet, um eine zeilenweise Belichtung des sich
bewegenden lichtempfindlichen Mediums zu bewirken.
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In der Vergangenheit wurden auch Halbleiterlaser ihrer hohen
Helligkeit in einem fokussierten Fleck wegen als Lichtquellen für Drucker
mit Drehprismaabtastung verwendet. Für Anwendungen bei
elektrooptischen Zeilendruckern waren sie wegen unzulänglicher Leistung und
unzulänglicher Gleichmäßigkeit der Lichthelligkeit jedoch nicht
allerbestens geeignet. Insbesondere besitzen inkohärente Laserquellen mit
hoher Leistung ein Fernfeldmuster, das in dem Einzelstrahlfernfeld
Bereiche hoher und niedriger Helligkeit enthält, d. h. das
Fernfeldmuster ist ungleichmäßig. Eine solche Helligkeitsänderung über dem
Strahlausgang ist unerwünscht, da die Zeilenbelichtung auf dem
lichtempfindlichen Medium ungleichmäßig sein wird. Aus diesem und anderen
Gründen wurden LEDs als Lichtquelle für elektrooptische Zeilendrucker
stärker bevorzugt, weil sie konstruiert werden können, um einen
Lichtausgang von gleichförmig variierender Intensität mit sehr kurzer
Kohärenzlänge bereitzustellen.
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In einigen Fällen lieferten in der Vergangenheit LEDs nicht genügend
Ausgangsleistung und Helligkeit, um in wirksamer Weise die Aufgabe
der Belichtung eines aufgeladenen und drehenden lichtempfindlichen
Mediums zu erfüllen. Eine LED ist außerdem viel weniger wirkungsvoll
als ein Laser. Als Lichtquellen für xerographische
Photorezeptoranwendungen fehlte es daher den LEDs zur guten Photorezeptorentladung
an Ausgangshelligkeit, so daß Halbleiterlaser als Lichtquelle für
Druckeranwendungen in vielen Fällen noch bevorzugt wurden.
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Außer dem Problem der Hinlänglichkeit der LED-Helligkeit ist sowohl
die Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit des Lichtausgangs unter
einer Vielzahl von LEDs als auch einer Mehrfachlaserquelle, wie oben
angesprochen, ein in der Technik bekanntes Problem. Um
sicherzustellen, daß die Intensität der breiten Lichtemission aus der Anordnung
über eine LED-Reihe hinweg gleichmäßig ist, würden ausgeklügelte
Regelsysteme entwickelt, um Gleichmäßigkeit der Helligkeit
bereitzustellen, wie zum Beispiel in US-A-4,455,562 belegt ist. Dieses Patent
verwendet eine binärgewichtete Tastverhältnisregelung, um
wesentliche Gleichmäßigkeit des aus jeder LED in der LED-Anordnung
emittierten Lichts zu erzielen.
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Die LEDs mit der höchsten Leistung waren Topemitter-Typen, aber ihnen
fehlt die für die meisten Druckeranwendungen erforderliche
Leistungsdichte, d. h. sie haben keine ausreichende Lichtdichte pro
Öffnungsgröße.
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Ein jüngster Fortschritt in der Druckertechnik war die Vorstellung
eines Zeilenmodulators mit totaler interner Reflexion (TIR), der eine
Festkörper-Multigate-Lichtröhre ist, die zum Ansprechen eines
lichtempfindlichen Mediums verwendet werden kann. Der TIR-Modulator
umfaßt einen Kristallstab aus elektrooptischem Material mit einer
Anordnung ineinandergreifender Elektroden, die auf einer seiner
Hauptoberflächen aufgebracht sind, wobei die Elektroden, wenn sie
elektrisch adressiert werden, ein periodisches elektrisches Feld in die
Kristallmasse einführen oder induzieren. Jede der Elektroden kann durch
ein elektronisches Signal individuell adressiert werden, um ein
Signalmuster über der Anordnung zu bilden. Für den Zeilenmodulator ist
ein breiter oder weiter blattartiger Strahl hochintensiven Lichts
erforderlich. Der Strahl wird in den Kristall unter einem Winkel
eingeführt, der zu der Ebene der Hauptoberfläche gehört, die die
Elektroden einschließt. Ein Beispiel des TIR-Zeilenmodulators ist in
US-A-4,281,904 offengelegt.
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Um den Belichtungsprozeß des lichtempfindlichen Mediums auszuführen,
wird ein blattartiger Lichtstrahl unter einem leichten Winkel bezogen
auf die optische Achse des Lichts durch das elektrooptische Element
des TIR-Zeilenmodulators gesendet, um eine totale innere Reflexion
an der inneren Oberfläche, die die Elektrodenanordnung einschließt, zu
bewirken. Aufeinanderfolgende Sätze von Bits oder Analogabschnitten,
die jeweilige Ansammlungen von Bildelementen oder Pixels für
aufeinanderfolgende Zeilen eines Bildes darstellen, werden sequentiell an
die Elektrodenanordnung angelegt. Lokalisierte elektrische Massen oder
Randfelder, die in dem Kristall in der Nähe des TIR-Lichteinfalls
entwickelt werden, modulieren das Licht und verändern die Phasenfront des
blattartigen Lichtstrahls in bildweiser Anordnung hin zu dem
aufgeladenen lichtempfindlichen Medium. Beispiele und Lehren, die
elektrooptische Zeilendruckeranwendungen betreffen, sind in US-A-4,367,925;
4,369,457; 4,370,029; 4,437,106; 4,450,459; 4,480,899 und 4,483,596
zu finden.
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In jüngerer Zeit wurde eine superleuchtende LED-Seitenfacettenquelle
für elektrooptische Zeilenmodulation und Zeilendrucker entwickelt, die
durch hohe Ausgangshelligkeit und eine gleichmäßige Fernfeldemission
und optische Einrichtungen, um die Fernfeldemission in der
tangentialen Richtung parallel zu richten und das Nahfeld in der sagittalen
Richtung auf den Modulator zu fokussieren, gekennzeichnet ist. Die
optische Einrichtung umfaßt ein ersten Linsensystem, um das von der
LED-Quelle emittierte Licht in der tangentialen und in der sagittalen
Richtung zu sammeln, und eine zweite torische Linse, um das Licht in
der tangentialen Richtung in einen blattartigen Strahl
parallelzurichten, und um das Licht in der sagittalen Richtung zu einem Zeilenbild
auf dem Modulator zu fokussieren. Eine abbildende Einrichtung ist
zwischen dem Modulator und dem Registriermedium zum Abbilden des
Modulators auf dem Registriermedium eines Zeilendruckers ausgerichtet.
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Eine solche LED hat nahezu ideale Eigenschaften als optische Quelle
in Druckeranwendungen, die Multigate- oder elektrooptische
Modulatoren verwenden, da ihr Strahlungsmuster breit ist und in einer
vorhersagbaren Weise monoton variiert, ohne die scharfen und
unregelmäßigen Strukturen, denen bei Diodenlaseranordnungen begegnet wird.
Außerdem ist das optische Spektrum der LED ausreichend breit, so daß
optische Interferenzeffekte vernachlässigbar sind. Eine LED hat
jedoch arttypisch einen geringeren Gesamtwirkungsgrad, z. B.
Umwandlungswirkungsgrad, als ein Diodenlaser, da LED-Licht in viele
verschiedene Richtungen ausgestrahlt wird, und auch dieses erfordert, daß
die LED vergleichbarer Ausgangsleistung bei höheren Temperaturen
und höherer Eingangsleistung arbeitet als die Diodenlaserquelle.
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Demnach ist eine optische Quelle mit der Inkohärenz einer LED, aber
dem Wirkungsgrad eines Diodenlasers, für Zeilenmodulatoren und
Drukkeranwendungen wünschenswert.
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Entsprechend stellt diese Erfindung eine inkohärente
Diodenlaseranordnung wie in dem anliegenden Anspruch 1 beansprucht bereit.
Anspruch 3 betrifft die Verwendung einer solchen Laseranordnung bei
einem elektrooptischen Zeilendrucker.
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Um eine Anordnung dicht beabstandeter Laser auf einem einzigen Chip
herzustellen, die in einer optisch entkoppelten Weise arbeiten, ist
es nötig, die Stärke des schwindenden Felds, das von jedem
Laserhohlraum zu benachbarten Hohlräumen verläuft, unter einen zum
Erreichen stabiler Phasenverriegelung erforderlichen Pegel zu reduzieren.
Diese Entkopplung ist auf verschiedene Weise zu erreichen. Zunächst
müssen z. B. bei Laseranordnungen aus herkömmlichen
verstärkungsgeführten Lasern die einzelnen Laserelemente durch einen relativ großen
Abstand, z. B. in der Größe von 50 um oder mehr, getrennt werden, um
einen entkoppelten Betrieb zu erzielen. Jedoch führt die Trennung der
Laserelemente in der Anordnung durch einen so groben Abstand, wegen
der erheblichen Menge verschwendeten Stroms, der von den aktiven
Bereichen der einzelnen Laserelemente weggestreut wird, und dem
Unvermögen, das Licht in dem Fernfeld wirksam zu sammeln, für bestimmte
Anwendungen, z. B. elektrooptische Modulatoren und Zeilendrucker, zu
vermindertem Wirkungsgrad. Bei groben Trennungen wird außerdem, wegen
der verminderten Überlappung der Fernfeldmuster der einzelnen
Laseremitter,
das Fernfeld der gesamten Anordnung ungleichmäßig, was diese
Art von Struktur für elektrooptische Zeilendrucker ungeeignet machen
würde. In Fall einer Anordnung aus indexgeführten Lasern würde der
Angelegenheit der Fernfeldtrennung besser gedient, da die einzelnen
Laseremitter wegen der durch die einzelnen Laser einer solchen
Anordnung bereitgestellte engere optische Feldbegrenzung nicht so weit
getrennt werden müssen. Sowohl für indexgeführte als auch
verstärkungsgeführte Laseranordnungen kann Absorption zwischen den Lasern
eingeführt werden, um das Auslecken von Licht von einem Laser in einen
benachbarten Laserwellenleiter oder Hohlraum auf Kosten eines
erhöhten Schwellwerts und verminderten Wirkungsgrads zu eliminieren.
Eine dicht beabstandete entkoppelte Anordnung ohne optische Absorption
ist der wünschenswerteste Zustand.
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Die vorliegende Erfindung stellt die erforderliche dichte Beabstandung
der Laseremitter der Anordnung bereit, während die entkoppelte
Lasingfunktion durch Bilden von Isolationsbreichen zwischen den
Laserhohlräumen unter Verwendung von fremdatombewirkter Störung (IID) erhalten
wird. Das gewünschte Ziel ist, die optischen Hohlräume der einzelnen
Hohlräume der Laser zu isolieren, so daß keine optische Kopplung
zwischen ihnen bestehen wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines elektrooptischen
Zeilendruckers, um die vorliegende Erfindung auszuführen;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht des Zeilendruckers von Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines
TIR-Multigate-Modulators;
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Fig. 4 ist eine vergrößerte Bodenansicht des Modulators von Fig. 3,
um die individuell adressierbaren Elektroden des Modulators zu
veranschaulichen;
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer inkohärenten
Laseranordnung zur Verwendung mit dem Drucker von Fig. 1;
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der gepulsten- und
CW-Leistungscharakteristik
in Abhängigkeit des Stroms für die in Fig. 5
gezeigte Laseranordnung, wobei der Einsatz das Nahfeldprofil bei 100 mA
Treiberstrom zeigt und
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der
Fernfeldemissionseigenschaften der in Fig. 5 gezeigten Laseranordnung.
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Fig. 1 und 2 zeigen einen elektrooptischen Drucker 11 mit einer auf
das Randfeld ansprechenden Multigate-Lichtröhre oder TIR-Modulator 12
zum Drucken eines Bilds auf einem lichtempfindlichen Registriermedium
13. Wie dargestellt, ist das Registriermedium 13 eine lichtleitfähig
beschichtete Trommel 14, die durch (nicht dargestellte Einrichtungen)
in Richtung des Pfeils 13A gedreht wird. Andere xerographische und
nicht-xerographische Aufzeichnungsmedien, einschließlich
lichtleitfähig beschichteter Riemen und Platten sowie lichtempfindlicher Filme
und beschichteter Papiere können verwendet werden. Folglich sollte
im verallgemeinerten Fall das Registriermedium 13 als ein
lichtempfindliches Medium angesehen werden, das belichtet wird, während es
sich quer zur Zeilenrichtung oder in Zeilenrichtung relativ zu dem
Modulator 12 bewegt.
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Wie in Fig. 3 und 4 am besten zu sehen ist, umfaßt Modulator 12
ein optisch durchlässiges elektrooptisches Element 17 und eine
Mehrzahl einzeln adressierbarer Elektroden 18A-18I. Die günstigsten
Materialien für ein solches Element scheinen zur Zeit LiNbO&sub3; und
LiTaO&sub3; zu sein, aber es gibt andere, die Beachtung verdienen,
einschließlich DSN, KDP, KdxP, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5; und PLZT. Bei dieser
besonderen Ausführung wird Modulator 12 in einem TIR-Modus betrieben.
Das elektrooptische Element 17 ist geeigneterweise ein
y-geschnittener Kristall aus z. B. LiNbO&sub3; mit einer optisch polierten
reflektierenden Oberfläche 21, die zwischen gegenüberliegenden optisch
polierten Eingabe/Ausgabeflächen 22 bzw. 23 verläuft. Typischerweise
ist jede der Elektroden 1 bis 30 um dick und der
Zwischenelektrodenlückenabstand beträgt 1 30 um.
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Betrachtet man Fig. 1 bis 4 zu einem kurzen Überblick der Funktion
des Modulators 12, so ist zu sehen, daß ein flächiger
parallelgerichteter Lichtstrahl 24 aus einer inkohärenten Laseranordnungslichtquelle
15 mittels der vorderen Optiken 16 durch die Eingangsfläche 22 des
elektrooptischen Elements 17 unter einem streifendem Einfallwinkel
relativ zu der reflektierenden Oberfläche 21, d. h. unter einem Winkel
nicht grüner als der kritische Einfallwinkel für totale innere
Reflexion von dieser Oberfläche gesendet wird.
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Der Eingangsstrahl 24 wird durch Optiken seitlich erweitert, so daß
er mehr oder weniger gleichmäßig im wesentlichen die volle Breite des
elektrooptischen Elements 17 ausleuchtet, und wird durch Optiken 16
auf der reflektierenden Oberfläche 21 etwa in der Mitte des
elektrooptischen Elements 17 zu einem keilförmigen Fokus 24A gebracht.
Folglich wird Eingangsstrahl 24 von der reflektierenden Oberfläche 21
vollständig innen reflektiert, um einen Ausgangsstrahl 25
bereitzustellen, der aus dem elektrooptischen Element 17 durch dessen
Ausgangsfläche 23 austritt.
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Die Phasenfront oder die Polarisierung von Ausgangsstrahl 25 wird
entsprechend den an die Elektroden 18A-18I angelegten Daten räumlich
moduliert. Insbesondere wird, wenn die Daten einen Spannungsabfall
zwischen einem beliebigen benachbarten Elektrodenpaar, z. B.
Elektroden 18B und 18C, erzeugen, ein entsprechendes Randfeld in das
elektrooptische Element 17 gekoppelt, womit eine lokalisierte Veränderung
in dessen Brechungsindex erzeugt wird. Um solche Randfelder wirksam
in das elektrooptische Element 17 einzukoppeln, sind die Elektroden
18A-18I auf oder sehr nahe der reflektierenden Oberfläche 21
angebracht. Die Elektroden 18A-18I werden bevorzugt auf einem
geeigneten Substrat, z. B. einer VLSI-Siliziumschaltung 28, aufgebracht,
das, wie Pfeile 29 und 30 zeigen, gegen das elektrooptische Element
17 gepreßt oder sonstwie festgehalten wird, um die Elektroden 18A-18I
in Kontakt mit oder mindestens anliegend an der reflektierenden
Oberfläche 21 zu halten. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß die VLSI-
Schaltung 28 benutzt werden kann, um die erforderlichen elektrischen
Verbindungen zu den Elektroden 18A-18I herzustellen. Alternativ
könnten die Elektroden 18A-18I auf der reflektierenden Oberfläche
21 des elektrooptischen Elements 17 aufgebracht werden.
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Zur Veranschaulichung wurde angenommen, daß die Phasenfront des
Ausgangsstrahls 25 entsprechend den an die Elektroden 18A-18I
angelegten Daten räumlich moduliert wird. Folglich werden zentrale dunkel-
oder hellfeldabbildende Schlierenoptiken verwendet, um die
Phasenfrontmodulation
des Ausgangsstrahls 25 in ein entsprechend moduliertes
Helligkeitsprofil umzuwandeln, und um eine beliebige Vergrößerung zu
liefern, die zum Erhalt eines Bildes der gewünschten Größe auf dem
Registriermedium 13 erforderlich sein kann. Insbesondere ist, wie
gezeigt, eine zentrale dunkelfeldabbildende Optik 31 vorhanden, die eine
Feldlinse 34, einen zentralen Stop 35 und eine abbildende Linse 36
umfaßt. Die Feldlinse 34 ist optisch zwischen der Ausgangsfläche 23 des
elektrooptischen Elements 17 und Stop 35 ausgerichtet, um im
wesentlichen alle Brechungsanteile nullter Ordnung des Ausgangsstrahls 25
auf den Stop 35 zu fokussieren. Die Brechungsanteile höherer Ordnung
des Ausgangsstrahls 25 verbreiten sich jedoch um Stop 35 herum und
werden von der abbildenden Linse 36 gesammelt, die wiederum diese
Anteile auf das Registriermedium 13 fokussiert, um ein
helligkeitsmoduliertes Abbild von Modulator 12 bereitzustellen.
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Betrachtet man wieder Fig. 4, so ist zu erkennen, daß jede der
Elektroden 18A-18I einzeln adressierbar ist. Um ein Abbild zu drucken,
werden daher differentiell codierte Datenabschnitte für
aufeinanderfolgende Zeilen der Abbildung an die Elektroden 18A-18I angelegt.
Zur Erklärung. Jeder differentiell codierte Datenabschnitt, außer dem
ersten Abschnitt für jede Zeile der Abbildung, hat eine Größe, die von
der Größe des vorangehenden differentiell codierten Datenabschnitts
um einen Betrag abweicht, der der Größe eines einzelnen
Eingangsdatenabschnitts entspricht. Der erste differentiell codierte Abschnitt für
jede Zeile ist auf ein vorbestimmtes Potential, z. B. Masse, bezogen.
Wenn die differentiell codierten Datenabschnitte für eine gegebene
Zeile der Abbildung an die Elektroden 18A-18I angelegt werden,
werden somit die Bildelemente für diese Zeile durch die Elektrode-zu
Elektrode-Spannungsabfälle an Modulator 12 getreu dargestellt.
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Um die differentiell codierten Datenabschnitte zu liefern, werden
Eingabedatenabschnitte, die benachbarte Bildelemente oder Pixels für
aufeinanderfolgende Zeilen eines Abbilds darstellen, mit einer
vorbestimmten Datenrate an einen differentiellen Codierer angelegt. Der
Codierer codiert diese Eingabeabschnitte differentiell auf einer
Zeile-für-Zeile-Basis, und ein Multiplexer riffelt die codierten
Datenabschnitte auf die Elektroden 18A-18I mit einer an die Datenrate
angepaßten Rate. Die Eingabedatedaten können gepuffert werden, um die
Eingabedatenrate irgendeiner gewünschten Riffelrate anzupassen.
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Alternativ kann ein Satz Horizontalelektroden (im Beispiel nicht
dargestellt. Es sind aber Elektroden, die auf die gleichen
Spannungspegel bezogen sind wie die rohen Eingabedatenabschnitte.) mit den
einzeln adressierbaren Elektroden verschachtelt werden, womit die
Notwendigkeit einer differentiellen Codierung vermieden wird. Als
allgemeine Regel rechtfertigen jedoch die Vorteile der Reduzierung der
zum Erreichen einer gegebenen Auflösung erforderlichen
Elektrodenzahl die für die differentielle Codierung benötigten zusätzlichen
Schaltkreise.
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Für Drucker 11 bildet die Optik 16 in der sagittalen Richtung das
Nahfeldlicht aus der Laseranordnungsquelle, das zum Beispiel ein
viertel bis ein um weiter Punkt sein kann, auf dem Modulator 12 ab. Diese
Punktabbildung wird in dem Modulator 12 abwärts abgebildet, um eine
brechungsbegrenzte Punktweite zu sein. Der Ausgang 25 von Modulator
12 wird dann verbreitert auf z. B. einen 10 um Punkt für einen ein um
Quellenpunkt. In der tangentialen Richtung wird das Licht durch die
Optik 16 bei Modulator 12 parallelgerichtet, so daß er mit dem
Fernfeld der Laseranordnungsquelle 15 beleuchtet wird.
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Jedes benachbarte Elektrodenpaar, z. B. die in Fig. 4 gezeigten
Elektroden 18B und 18C, arbeitet somit mit dem elektrooptischen Element
17 und der Ausleseoptik 31 zusammen, um wirksam einen lokalen
Modulator zum Erzeugen eines Bildelements oder Pixels an einer eindeutigen,
räumlich vorgegebenen Stelle entlang jeder Zeile eines auf dem Medium
13 wiederzugebenden Abbilds zu bilden.
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Nun wird die Art von Laseranordnung betrachtet, die zur Verwendung bei
dem Zeilendrucker 11 erwünscht ist. Im allgemeinen dürfen die Emitter
der Laseranordnung nicht phasenverriegelt sein, müssen aber
ausreichend dicht beabstandet sein, damit das Fernfeldmuster ein
gleichmäßiges Emissionsmuster Gaußscher Form ist, wobei das zusammengesetzte
Emittermuster dem Fernfeldemissionsmuster der einzelnen Laseremitter
oder Laserelementen der Anordnung entspricht. Mit anderen Worten, die
räumlichen Kriterien für die Emitter sind so, daß sie räumlich nahe
genug sein müssen, um ein gleichmäßiges Fernfeldmuster zu bilden, aber
gleichzeitig keine Phasenverriegelung zwischen benachbarten Emittern
bereitstellen. Dies ist eine schwierige Situation, da, wie der Stand
der Technik zeigt, Phasenverriegelung eintritt, wenn die Emitter nahe
beabstandet sind, wenn aber der Emitterabstand auf ein Maß erhöht
wird, um stabile Phasenverriegelung zu eliminieren, wird wegen des
groben Abstands zwischen den Emittern das Fernfeldemissionsmuster
nicht gleichmäßig sein, und es werden Fernfeldlappen und
Unregelmäßigkeiten zurückbleiben, die eine Gleichmäßigkeit über dem
Fernfeldmuster verhindern.
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Es ist demnach erforderlich, einen Mechanismus oder Einrichtung
einzuführen, wobei die Emitter ausreichend dicht beabstandet sein
können, aber nicht phasenverriegelt sind, d. h. relativ zueinander
inkohärent bleiben, und die optische Nettohelligkeit in dem Fernfeld
die addierte Wirkung der optischen Helligkeiten der einzelnen
Emitter ist. Der Mechanismus oder die Einrichtung kann entweder in der
Form seitlicher Versetzung der Emitter in ihrer Geometrie oder
Isolation sein, die zwischen den einzelnen Emittern für eine
indexgeführte Laseranordnungsstruktur auferlegt wird. Ein Beispiel optischer
Isolation ist in Fig. 5 veranschaulicht.
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Fig. 5 zeigt inkohärente Laseranordnung 60 mit einer Mehrzahl dicht
beabstandeter Laserelemente, die mit fremdatombewirkter Störung (IID)
gebildet sind. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Vereinfachung sind
nur drei Laseremitter 78 dargestellt, aber unverkennbar können
vielfache Emitter gebildet werden.
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Laseranordnung 60 umfaßt n-GaAs-Substrat 62, auf dem die folgenden
Schichten epitaktisch aufgebracht sind: Plattierungsschicht 64 aus
n-Ga1-xAlxAs, wo x z. B. 0.4 und die Schicht 1.5 um dick sein kann;
Aktivbereich 66 umfassend eine Aktivschicht oder eine einzelne
Quantum-well-Struktur oder eine mehrfache Quantum-well-Struktur, z. B. vier
GaAs Quantum-well-Schichten, jede 10 nm dick, getrennt durch
Barriereschichten Ga0.65Al0.35As, jede 7 nm dick; Plattierungschicht 68 aus
p-Ga1-xAlxAs, wo x z. B. 0.4 sein kann und die Schicht etwa 0.8 um
dick sein kann; und Abdeckschicht aus p+-GaAs, die etwa 0.1 um dick
ist. Der Aktivbereich kann p-dotiert, n-dotiert oder undotiert sein.
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Um die in Fig. 5 gezeigten IID n-Typ-Bereiche 72 zu bilden, wird eine
Anordnung von Diffusionsfenstern in eine auf der Abdeckschicht 72
aufgebrachte Si&sub3;N&sub4;-Schicht gemustert, gefolgt vom Aufbringen einer
Siliziumschicht, um als Siliziumquelle für den Diffusionsvorgang zu
dienen. Die Bearbeitung der Laseranordnung 60 beginnt mit dem
Aufbringen einer Schicht aus Si&sub3;N&sub4; von etwa 100 nm Dicke. Diese Schicht
ist photolithographisch mit Mustern versehen, um Fenster oder
Öffnungen zum Bilden der Bereiche 72 mittels Si-Diffusion bereitzustellen.
Dann wird eine etwa 50 nm dicke Schicht aus Silizium auf der Anordnung
aufgebracht, gefolgt von einer anderen Schicht aus Si&sub3;N&sub4; von 100 nm
Dicke. Die Diffusion erfolgt bei 850ºC für 7.5 Stunden, um den
Aktivbereich in Bereichen zu stören, die an denen anliegen, die
schließlich die Lasingfäden werden, wie durch Emitter 78 dargestellt wird.
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Die n-Typ Si-Diffusionsbereiche sind als kreuzweise schraffierte
Bereiche 72 dargestellt, die durch die Aktivschicht 66 verlaufen. Es
wird bevorzugt, daß die Diffusion durch die Aktivschicht und
beliebige Schichten verläuft, die einen Teil des optischen Hohlraums jedes
Laserelements bilden oder als Teil davon wirken. In dieser Hinsicht
kann sich die Diffusion teilweise in die untere Plattierungsschicht 64,
z. B. abhängig von dem Prozentsatz des Aluminiums in der inneren
Abdeckschicht, erstrecken. Wenn zusätzliche innere Einschlußschichten bei
dem Aktivbereich vorhanden sind, wird vorgezogen, daß sich die
Diffusion durch solche Einschlußschichten erstreckt, da sie Teil des
optischen Hohlraums des Laserelements sind. Das zu realisierende
Ergebnis ist, daß die Diffusion ausreichend durch den optischen Hohlraum
jedes Laserelements verlaufen muß, um eine stabile Phasenverriegelung
zwischen benachbarten Emittern zu verhindern, die von der zwischen
benachbarten Hohlräumen verlaufenden Überlappung schwindender
optischer Wellen verursacht wird. Die Diffusionsbereiche 72 bieten sowohl
einen optischen Einschluß dieser Wellen als auch einen
Trägereinschluß für die durch die Emitter 78 dargestellten einzelnen
Laserhohlräume, so daß die einzelnen Laserelemente nahe beabstandet sein
können, z. B. mit 4-10 um, ohne optisch miteinander gekoppelt zu werden.
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Nach der Diffusion werden die Si-Schicht und beide Si&sub3;N&sub4;-Schichten
durch Ätzen in einem CF&sub4;-Plasma entfernt. Die gesamte Oberfläche der
Anordnung 60 wird dann Zn-diffundiert, wie durch den kreuzweise
schraffierten Bereich 74 angezeigt wird, um die n-Typ Si-diffundierte
GaAs-Abdeckschicht 70 und einen Teil der Plattierungsschicht 68 zu
p-Typ-Material zurückzuverwandeln. Wegen der Eigenschaften des
resultierenden parasitischen p-n-Übergangs 69, der parallel zu dem Lasing-
Übergang der Aktivschicht liegt, ist es wichtig, daß die Zn-Diffusion
in die Plattierungsschicht 68 eindringt. Als eine Folge der
Zn-Diffusion liegt der parasitische Übergang 69 in einer Plattierungsschicht
68 mit hohem Aluminiumanteil, welcher Übergang eine viel höhere
Einschaltspannung hat als der des GaAs-Aktivbereichs 66. Da die
Energielücke des Materials bei Übergang 69 wesentlich höher ist als bei dem
GaAs-Übergang der Aktivschicht, leitet dieser Übergang bei einer
gegebenen Übergangsspannung wesentlich weniger Strom als der Lasing-
Übergang in dem Aktivbereich. Daher ist der Leckstrom durch den Hoch-
Aluminium-Übergang 69 nur ein sehr kleiner Bruchteil des Gesamtstroms
durch die Anordnung und verschlechtert die Leistung der Einrichtung
nicht wesentlich.
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Zum Schluß wird eine relativ breite Maske ausgerichtet, um die beiden
äußeren Diffusionsbereiche 72 der Einrichtung bis etwas über die Mitte
hinaus abzudecken, und eine Protonen-Bombardierungsisolation wird auf
den außenliegenden Bereichen der Anordnung 60 durchgeführt. Diese
Isolation ist durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 dargestellt, die
die Isolationsbereiche 76 bilden. Der Zweck dieser Implantation
besteht darin, einen Stromfluß in den außenliegenden Bereichen 76, die
zuvor nicht durch die Siliziumdiffusion gestört wurden, zu verhindern.
Um dieses zu erzielen, braucht die Implantation nur irgendwo innerhalb
der äußeren Si-gestörten Bereiche zu fallen, und die Ausrichtung der
Implantationsmaske ist daher unkritisch.
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Nach der Protonen-Implantation bei einer Energie von 70 keV mit einer
Dosis von 3 · 10¹&sup5; wird die Laseranordnung 60 mit Cr-Au oder Ti-Pt-Au
auf der Abdeckschicht 70 metallisiert und mit Au-Ge legiert, gefolgt
von Cr-Au oder Ti-Pt-Au auf der Bodenfläche von Substrat 62.
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Eine λ/2 Al&sub2;O&sub3;-Schicht kann zur Passivierung an der vorderen
Facette der Laseranordnung 60 aufgebracht werden. Ein sechsschichtiger
Mehrlagenstapel von Al&sub2;O&sub3;-Si λ/4 Schichtpaaren kann an der
Rückfacette aufgebracht werden, um ihr Reflexionsvermögen auf etwa 95% zu
steigern und dadurch die Lasing-Schwelle der Einrichtung um etwa 20-
30% zu senken.
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In der Vergangenheit wurde demonstriert, daß verschiedene
unterschiedlich diffundierte Arten den IID-Effekt erzeugen können. Eine Störung
ist beispielsweise auch mit Zn, Ge, Sn und S möglich. Ferner ist eine
Störung durch Implantation von Elementen möglich, die als Flach- oder
Tiefpegelverunreinigungen wirken, z. B. Se, Mg, Sn, Be, Te, SI, Mn, Zn,
Cd, Ln, Cr oder Kr, gefolgt von einer Hochtemperatur-Temperung, die
am besten in einer As-Umgebung erfolgt.
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Für Lasereinrichtungen wurde eine Störung durch Zink und Silizium
mittels ihrer Diffusion erfolgreich ausgeführt, und es bestand ein
erhebliches Interesse an den niedrigen Schwellwerten, die
schließlich bei diesen Einrichtungen erzielbar sind. Da Einrichtungen, die
IID verwenden, einen sehr starken seitlichen Trägereinschluß haben,
werden die Schwellenströme primär durch die Breite der
Laserkontaktstreifen begrenzt, die man in dem photolithographischen Prozeß
erzielen und in dem Diffusionsprozeß aufrechterhalten kann. Bei zuvor
hergestellten IID-Laserstrukturen erforderte die Bauteilgeometrie,
daß die Kontaktmaske mit einer Abmessung ausgerichtet wird, die
kleiner ist als Breite des Lasingfadens, während eine Berührung des an die
Aktivschicht angrenzenden Diffusionsbereichs vermieden wird. Wenn ein
sehr schmaler Lasingfaden für jeden Laseremitter erwünscht ist, z. B.
2 um, wird daher die Breite des Lasingstreifens durch die kleinste
erzielbare Breite der Diffusionsfensteröffnung und der zugehörigen
Ausrichtungstoleranz begrenzt. Dieses Problem wird noch komplexer,
wenn gewünscht wird, eine Mehrfachemitter-Laseranordnung der hierin
gewünschten Art herzustellen, bei der es in hohem Maße erwünscht ist,
daß die Emitter nahe beabstandet sind, ohne eine Phasenverriegelung
herzustellen. Ein neuartiges Merkmal der Laseranordnung 60 ist
jedoch die Vorstellung des vollständigen Überflutens der n-Typ
Diffusion mit der p-Typ Kompensation über die ganze Breite der
Anordnung, die es erlaubt, einen einzigen großflächigen
Oberflächenkontakt zu verwenden, um die gesamte Anordnung zu pumpen. Bei
Verwendung dieser Technik ist es möglich, die Emitterbreite erfolgreich
auf etwa 2 um oder weniger bei 6 um Beabstandung zu reduzieren, was z. B.
in der Herstellung einer Zehnemitter-Laseranordnung 60 mit einer
Stromschwelle von etwa 53 mA und einer Ausgangsleistung von bis zu
250 mW CW oder mehr resultiert.
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Es ist dann zu verstehen, daß die dichte Beabstandung der
Laserelemente der Anordnung ohne Phasenverriegelung oder optische Kopplung
erzielt werden kann, um ein großes gleichmäßiges, für elektrooptische
Zeilenmodulatoren und Drucker bestens geeignetes Fernfeldmuster zu
bilden, und ferner niedrige Betriebsstrom-Schwellwerte und mit
zugehöriger niedriger Wärmeerzeugung verglichen mit superleuchtenden
LED-Elementen vergleichbarer Leistung bereitzustellen.
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Die Vorteile der inkohärenten Laseranordnung dieser Erfindung
verglichen mit der superleuchtenden LED sind mehrere: Erstens, es gibt
keine zusätzlichen Lappen, die in dem Fernfeldmuster erscheinen.
Zweitens, es besteht ein vermindertes Fleckenmuster in dem Fernfeld,
da ohne optische Kopplung eine additive Wirkung der verschiedenen
Fleckenmuster der einzelnen Laserelemente der Anordnung vorhanden ist,
so daß ihre kombinierte Wirkung in dem Fernfeld ein hoher Pegel von
gleichmäßiger Helligkeit in dem Fernfeldmuster ist. Drittens, die
Stromschwelle bei etwa 50 mA zeigt klar die erhebliche Verminderung
von Wärmeproblemen. Viertens, die Laseranordnung hat einen höheren
Wirkungsgrad als die superleuchtende LED von etwa 20-40% oder mehr.
Fünftens. Die Laseranordnung liefert wegen ihrer niedrigen
Strom/Temperatur-Betriebseigenschaften einen weiten Bereich verfügbarer
Leistung für verschiedene Lichtquellen-Eingangserfordernisse
verschiedener Arten von elektrooptischen Zeilenmodulatoren und Zeilendruckern.
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Fig. 6 und 7 zeigen die Leistungs/Strom-Ausgangskennlinien sowie
die Nahfeld- und Fernfeldmuster einer Mehrfachemitter-Laseranordnung
60 mit der Mehrfach-Quantum-well-Struktur, wie zuvor mit Bezug auf
Fig. 5 beschrieben, und versehen mit 2 um breiten Emittern 78, wobei
die Beabstandung zwischen den Emittern 6 um ist. Die Lasingschwelle für
diese Anordnung beträgt 53 mA. Die Impulsleistung-über-Strom-Kurve 80
in Fig. 6 ergibt einen differentiellen Quantum-Wirkungsgrad von 62%.
Bei einem gemessenen Reihenwiderstand von 1.3 Ω ist der
Gesamtwirkungsgrad der Leistungsumwandlung 43%. Diese hohen Zahlen der
Wirkungsgrade liefern den Beweis, daß die Wellenleiter der Lasingfäden einen
relativ kleinen, durch den Si-Diffusionsprozeß eingeführten Verlust
haben. Auch ist aus dem Nahfeldmuster in dem Einsatz von Fig. 6 klar,
daß der seitliche optische Einschluß stark ist, wie durch die
Tatsache bewiesen wird, daß die Emitter klar aufgelöste nullen haben,
die sie trennen. Auch zu bemerken ist das hohe Maß an
Gleichmäßigkeit zwischen den zehn einzelnen Emittern, die die Anordnung bilden.
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In Fig. 7 zeigen die gleichmäßigen breiten Fernfeldmuster für 100,
150 und 250 mA Impulsbetrieb und 150 mA CW-Betrieb, daß für zunehmende
angelegte Eingangsströme ein inkohärenter Betrieb unter den
getrennten Emittern ohne Phasenverriegelung erhalten bleibt, wie durch die
ausgerichteten Gaußschen Profile veranschaulicht wird. Die Emitter 78
sind bis auf 6 um beabstandet, ohne irgendeinen
Phasenverriegelungszustand unter verschiedenen angelegten Strömen zu zeigen.
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Andere Legierungssysteme können verwendet werden, um die hierin
benutzten Laseranordnungen mit sichtbaren Wellenlängen herzustellen,
z. B. InGaP/InGaAsP/InGaP oder AlGaInP/InGaP/AlGaInP.
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Auch kann die Dotierungsart der Schichten der Laseranordnung bei den
p-Typ Bereichen 72 offensichtlich umgekehrt werden. Außerdem kann
ein durchsichtiges Fenster an der Ausgangsfacette der Laseranordnung
durch thermische Behandlung der Quantum-well-Aktivschicht über einem
kleinen Bereich nahe der Laserausgangsfacette gebildet werden, um
ihre Absorption zu einer höheren Energie zu verschieben.