DE3828050C2

DE3828050C2 -

Info

Publication number: DE3828050C2
Application number: DE3828050A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Phys. Dr. 7141 Erdmannshausen De Linnebach
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Vishay Semiconductor GmbH
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-08-18
Publication date: 1991-12-12
Also published as: DE3828050A1

Description

Die Erfindung betrifft ein holographisches optisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie die Verwendung eines solchen Bauelementes.

Zur Datenspeicherung werden in Zukunft immer mehr optische Massenspeicher die herkömmlichen magnetischen Systeme, wie magnetische Disketten oder Magnetbänder, ersetzen. Die hierfür notwendigen Leseeinheiten bestehen aus einem holographischen optischen Bauelement, das verschiedene optoelektronische Bauelemente, wie bei spielsweise Laserdioden und Detektoren, sowie als holo graphische Optik wirkende mikrooptische Komponenten, wie Linsen, Strahlaufweiter und Strahlteiler, umfaßt.

Ein als Lesekopf verwendetes holographisches optisches Bauelement ist aus der Patentschrift DE 36 32 229 C2, insbesondere Fig. 1 bekannt. Dort werden alle Komponenten - eine Laserdiode, vier Fotodioden sowie eine holographische Optik - auf einem monolithisch integrierten Schaltkreis integriert. Der Schaltkreis besteht aus einer auf einem Siliziumsubstrat angeordneten lichtführenden Schicht, die vier Fotodioden als Empfänger sowie die holographische Optik enthält. Die holographische Optik besteht aus einem fokussierenden Beugungsgitter zum Auskoppeln des Lichtstrahls der Laserdiode, das mit einer Doppelgitterstruktur kombiniert wurde, die als Strahlteiler dient. Der Diodenlaser ist an einer Kante des Siliziumsubstrates angekoppelt. Das fokussierende Beugungsgitter lenkt den Strahl der Laserdiode auf eine optische Disk, von der das zurückgestreute Licht von demselben Gitter gesammelt und in die lichtführende Schicht gekoppelt wird. Die Doppelgitterstruktur teilt das Licht in zwei gleiche Teile auf, die von der lichtführenden Schicht auf die beiden Diodenpaare geleitet werden, damit Fokus- und Spurlage kontrolliert werden können. Der Schaltkreis von 3×12 mm erfordert ein großes Gehäuse und begrenzt die Bewegungsfähigkeit. Die Einkopplung der Laseremission von der Chipkante bedarf darüber hinaus nach dem Vereinzeln einer mechanischen Bearbeitung der Einkoppelkante, das sehr arbeitsintensiv und somit wenig fertigungsgerecht ist. Der Aufbau eines solchen holographischen optischen Bauelementes ist technologisch sehr aufwendig und damit sehr teuer und dadurch für eine Massenfertigung wenig geeignet.

Ferner ist aus der FR 26 01 174 A1 ein optisches Kopf, insbesondere zum Ein- und Auslesen von Daten bekannt. Dieses bekannte Bauelement besteht aus auf einem Träger aufgebauten, diskreten Bauelement: einem Halbleiterlaser, einem Strahlteiler sowie jeweils einem Fotodetektor für den von dem Halbleiterlaser erzeugten Lichtstrahl als auch für den von einem Datenträger reflektierten Lichtstrahl. Der Strahlteiler besteht aus einer planparallelen Platte mit einer reflektierenden Vorder- und Rückseite, die auch mit einem Beugungsgitter versehen werden können. Dieses in einem Gehäuse mit geringen Abmessungen untergebrachte optische Bauelement weist jedoch den Nachteil auf, daß die planparallele Platte in ihrer Herstellung aufwendig und daher teuer ist und infolgedessen dieser bekannte optische Kopf ebenfalls für eine Massenfertigung wenig geeignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein holographi sches optisches Bauelement zu schaffen, das kostengünstig herstellbar ist sowie ein einfaches Justierverfahren aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbe sondere darin, daß die optischen Elemente derart vorgebbar sind, daß der Lichtweg der Laseremission vom Ort des Lasers bis zum Auftreffen auf die als holographische Optik wirkende Gitterstruktur so kurz wie der für die Montagefläche der Elemente erforderliche Abstand gehalten werden kann, wodurch eine extrem kleine Baugröße erzielbar ist. Die geringe Baugröße bedingt natürlich eine geringe träge Masse, wodurch das Bauelement vorteilhaft für die Verwendung bei bewegten Teilen einsetzbar ist. Ferner ist eine einfache aktive Justierung der Laserposition möglich, wobei beispielsweise die maximale Lichtausbeute oder die Fokuslage bzw. Fokusqualität bei einer fokussierenden Gitterstruktur als Justierkriterien dienen können.

In einer ersten Ausführungsform ist eine als Gehäuse kappe ausgebildete Abdeckung vorgesehen, die zusammen mit dem Trägerkörper das Gehäuse des Bauelementes bil det, wobei der von der Gitterstruktur reflektierte Lichtstrahl des Laserelementes aus dieser Abdeckung austritt. In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfin dung enthält die Abdeckung im Durchtrittsbereich des Lichtstrahles ein für Licht transparentes Fenster. Auf grund der vorteilhaften Anordnung des Laserelementes und der holographischen Optik auf dem Trägerkörper ent stehen für die Ausführung des Gehäuses keine Einschrän kungen, wodurch die geringen Abmessungen des Bauelemen tes erhalten bleiben.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Un teransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeich nungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer er findungsgemäßen Ausführungsform eines holographischen optischen Bauelementes,

Fig. 2a und 2b eine schematische Darstellung der Draufsicht bzw. der Schnittansicht einer holographi schen Optik und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Das erfindungsgemäße holographische optische Bauelement gemäß Fig. 1 zeigt einen Trägerkörper 4, auf dessen einer Oberflächenseite 5 ein Laserelement 1 sowie ein die als holographische Optik wirkende Gitterstruktur 3 tragender Träger 2 aus Halbleitermaterial angeordnet ist. Hierbei ist diese Oberflächenseite 5 des Träger körpers 4 so ausgebildet, daß sowohl das Laserelement 1 als auch der die holographische Optik tragende Halblei terkörper 2 jeweils auf einem quaderförmigen bzw. pult förmigen Sockel 4a bzw. 4b liegen. Ferner ist zwischen dem Laserelement 1 und dem Sockel 4a eine Wärmesenke 10 angeordnet, so daß das Laserelement einen in bezug auf die Oberflächenseite 5 des Trägerkörpers 4 waagerechten Lichtstrahl 7a aussendet, der direkt die Gitterstruktur 3 auf dem Halbleiterkörper 2 trifft. Dabei ist die Ebe ne der Gitterstruktur 3 gegen die Grundebene 6 des Trä gerkörpers 4 so geneigt, daß die optische Achse des von der Gitterstruktur 3 abgestrahlten Lichtstrahles 7b senkrecht auf der Grundebene 6 steht. Ferner ist die Gitterstruktur 3 als fokussierendes Beugungsgitter aus gebildet, so daß außerhalb einer Abdeckung 8 ein Fokus F erzeugt wird, der in der Ebene eines Speichermediums 17 liegt. Die als Gehäusekappe ausgebildete Abdeckung 8 schließt mit dem Rand des Trägerkörpers 4 das Laser element sowie den die Gitterstruktur 3 tragenden Halb leiterkörper 2 hermetisch ab. Die Deckfläche der Ab deckung 9 ist parallel zur Grundebene 6 des Trägerkör pers 4 ausgerichtet und weist im Durchtrittsbereich des Strahles 7b ein für Licht durchlässiges Fenster 9 auf. Somit steht die optische Achse des abgestrahlten Lich tes senkrecht auf dem optischen Fenster 9, wodurch die Justierung des Laserelementes 1 mit einem Dummy-Fenster aktiv durchgeführt werden kann, um die strahlengangver ändernde Eigenschaft des eine planparallele Platte dar stellenden Fensters 9 zu berücksichtigen. Ebenso ergibt sich durch diese Anordnung der optischen Achse der Vor teil, daß Fertigungstoleranzen beim Verschließen des Gehäuses, die parallel zum Fenster 9 wirken, unkritisch sind. Das aus Glas hergestellte Fenster 9 ist planpa rallel ausgeführt mit einer Dicke von ca. 0,3 mm. Der flache Trägerkörper 4 kann entweder rechteck- oder kreisförmig mit einer Dicke von ca. 3 mm ausgebildet sein, so daß das mit der Abdeckung 8 montierte Bauele ment eine zylinderförmige Form mit einem Durchmesser von ca. 15 mm und einer Höhe von ca. 8 mm bzw. eine quaderförmige Form aufweist mit einer Länge von ca. 15 mm, einer Breite von ca. 10 mm und einer Höhe von ca. 8 mm. Auf der zweiten großflächigen äußeren Ober flächenseite 6 des Trägerkörpers 4 befinden sich An schlußstifte 11 zum Anschluß der optoelektronischen Elemente.

Das holographische optische Bauelement kann mit Vorteil zum Lesen von optischen Speichermedien benutzt werden. Hierzu wird der von dem Speichermedium 17 reflektierte Lichtstrahl wieder in das Fenster 9 auf die Gitterstruktur 3 eingekoppelt und dort auf Fotodioden geleitet, wodurch Spurfehlersignal, Fokusfehlersignal und Lesesignal erzeugt werden. Die Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung eines Halbleiterkörpers 2 mit einer als Beugungsgitter ausgeführten Gitterstruktur 3 und mit als Detektoren arbeitenden Fotodioden 16a bis 16e. Das Beugungsgitter 3 besteht aus einem Einkoppelgitter 13 als Strahlaufweiter und einem Auskoppelgitter 14 als Strahlteiler, der außerdem zum Einkoppeln des an dem Speichermedium 17 reflektierten Lichts dient. Der von dem Laserelement 1 erzeugte Lichtstrahl 7a trifft das Einkoppelgitter 13, das zur Reduzierung des Abstandes zwischen dem Laserelement 1 und der Gitterstruktur 3 sowie zum Ausleuchten des Auskoppelgitters 14 dient. Anschließend wird der umgewandelte Lichtstrahl 7b durch das Auskoppelgitter 14 ausgekoppelt und auf das Speichermedium 17 fokussiert. Der reflektierte Lichtstrahl wird ebenso von dem Auskoppelgitter 14 gesammelt und durch die Strahlteilereigenschaft in zwei gleiche Teile geteilt und auf die beiden Fotodiodenpaare 16a und 16c bzw. 16b und 16d geleitet. Mit der Fotodiode 16e kann das von dem Laserelement 1 erzeugte Licht detektiert werden und zur Leistungsregelung benutzt werden. Die Fig. 2b zeigt eine Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers nach Fig. 2a entlang der Schnittlinie AB. Hierbei sind die Fotodioden 16a bis 16e in dem Halbleiterkörper 2 inte griert, während in einer lichtführenden Schicht 18 die Beugungsgitter 13 und 14 erzeugt sind. Der Halbleiter körper 2 aus Silizium weist eine Dicke von ca. 350 µm und eine Größe von ca. 3×5 mm auf. Die lichtführende Schicht 18 weist eine Dicke von ca. 0,5 µm auf und wird mittels Aufdampfen aus Al₂O₃ auf einer Trennschicht aus thermisch oxidiertem SiO₂ der Dicke 3 µm aufgebracht.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsge mäßen holographischen optischen Bauelementes - die Ab deckung 9 ist nicht dargestellt -, bei dem auf der Wär mesenke 10 drei Laserelemente 1a, 1b und 1c angeordnet sind. Die als holographische Optik wirkende Gitterstruk tur 3 besteht wiederum aus zwei Bereichen, dem Einkoppelgitter 13 und dem Auskoppelgitter 14. Auf dem Halbleitersubstrat 2 sind die Fotodioden 16a bis 16f angeordnet. Die von dem Speichermedium 17 reflektierten Lichtstrahlen werden durch das Auskoppelgitter 14 in der lichtführenden Schicht 18 auf die Dioden 16a bis 16c aufgeteilt, um Spur- und Fokusfehlersignal sowie das Lesesignal erzeugen zu können. Die Dioden 16d bis 16f dienen zur Leistungsregelung der Laserelemente.

Die holographischen optischen Bauelemente gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen weisen jeweils eine holographische Optik auf, die außerhalb des Gehäu ses einen Fokuspunkt erzeugt. Ein solches Bauelement ist daher für einen Lesekopf für optische Disks oder für einen Schreiblesekopf für magneto-optische Daten speicher verwendbar. Die holographische Optik kann je doch auch eine andere Abstrahlcharakteristik aufweisen, beispielsweise kollimierend oder divergierend, so daß sich weitere Anwendungen, beispielsweise intelligente Sensoren, eröffnen; schließlich lassen sich auch Bild fehlerkorrekturen berücksichtigen und das Intensitäts profil der Lichtstrahlen beeinflussen.

Claims

1. Holographisches optisches Bauelement mit mindestens einem Laserelement (1) und einer auf einem Halbleiterkörper (2) integrierten Wellenleiterschicht (18), einer als holographische Optik wirkenden Gitterstruktur (3), die auf der Wellenleiterschicht (18) integriert ist, und mindestens einer auf dem Halbleiterkörper (2) integrierten Fotodiode, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es ist ein Trägerkörper (4) vorgesehen, auf dessen einer Oberfläche das Laserelement (1) angeordnet ist,
b) ferner ist auf der gleichen Oberfläche des Trägerkörpers (4), beabstandet zum Laserelement (1), der Halbleiterkörper (2) angeordnet,
c) der Halbleiterkörper (2) ist auf der Oberfläche des Trägerkörpers (4) so angeordnet, daß die Ebene der Wellenleiterschicht (18) derart gegen den von dem Laserelement gesendeten ersten Lichtstrahl (7a) geneigt ist, daß der auf die Gitterstruktur (3) auftreffende erste Lichtstrahl (7a) so gebeugt wird, daß er als zweiter Lichtstrahl (7a) senkrecht zur Strahlrichtung des Laserelementes (1) als auch senkrecht zu der von dem Trägerkörper (4) gebildeten Grundebene (6) aus dem Bauelement austritt,
d) weiterhin weist die Gitterstruktur (3) ein Einkoppelgitter (13) auf, das den ersten Lichtstrahl (7a) in die Wellenleiterschicht (18) einkoppelt,
e) schließlich weist die Gitterstruktur (3) zur Erzeugung des zweiten Lichtstrahles (7b) sowie zur Auskopplung dieses zweiten Lichtstrahles (7b) aus der Wellenleiterschicht (18) ein Auskoppelgitter (14) auf.

2. Holographisches optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Gehäusekappe aus gebildete Abdeckung (8) vorgesehen ist, die zusammen mit dem Trägerkörper (4) das Gehäuse des Bauelementes bildet, wobei der von der Auskoppelgitterstruktur (3) abgestrahlte zweite Lichtstrahl (7b) durch die Abdeckung (8) aus dem Gehäuse austritt.

3. Holographisches optisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (8) im Durchtrittsbereich des zweiten Lichtstrahles (7b) ein für Licht transparentes Fenster (9) aufweist.

4. Holographisches optisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtstrahl (7b) senkrecht die Ebene des Fensters (9) durchstrahlt.

5. Holographisches optisches Bauelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4, 8) hermetisch dicht ist.

6. Holographisches optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserelement (1) auf einer auf dem Trägerkörper (4) befindlichen Wärmesenke (10) angeordnet ist.

7. Holographisches optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grundebene (6) des Trägerkörpers (4) Anschlußstifte (11) vorgesehen sind.

8. Holographisches optisches Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelgitterstruktur (13) optische Fehler des ersten Lichtstrahles (7a) korrigiert.

9. Holographisches optisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auskoppeln des Lichtstrahles (7b) die Auskoppelgitterstruktur (14) als fokussierendes Beugungsgitter ausgebildet ist.

10. Holographisches optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auskoppeln des Lichtstrahles (7b) die Auskoppelgitterstruktur (14) als kollimierendes Beugungsgitter ausgebildet ist.

11. Holographisches optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auskoppeln des Lichtstrahles (7b) die Auskoppelgitterstruktur (14) als divergierendes Beugungsgitter ausgebildet ist.

12. Holographisches optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelgitterstruktur (14) das Intensitätsprofil des zweiten Lichtstrahles (7b) formt.

13. Holographisches optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelgitterstruktur (14) gleichzeitig mehrere Lichtstrahlen (7b) erzeugt.

14. Holographisches optisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelgitterstruktur (14) zur Einkopplung eines in das Gehäuse eintretenden Lichtstrahles (7b) vorgesehen ist.

15. Holographisches optisches Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelgitterstruktur (14) derart ausgebildet ist, daß ein eingekoppelter Lichtstrahl (7b) auf mindestens zwei auf dem Träger (2) angeordnete Fotodioden (16a, 16b) aufgeteilt wird.

16. Verwendung eines holographischen optischen Bauele mentes nach einem der vorangehenden Ansprüche für einen Lesekopf für optische Disks oder nichtlöschbare Opto speicher sowie für einen Schreiblesekopf für magneto optische Datenspeicher.