DE3636336A1

DE3636336A1 - Halbleiterlaser-vorrichtung mit phasengesteuerter anordnung

Info

Publication number: DE3636336A1
Application number: DE19863636336
Authority: DE
Inventors: Kimio Tatsuno; Yoshito Tsunoda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-25
Filing date: 1986-10-24
Publication date: 1987-04-30
Also published as: GB2182168B; DE3636336C2; GB2182168A; GB8625309D0; US4791650A

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

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.

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.