DE69009448T2

DE69009448T2 - Halbleiterlaseranordnung.

Info

Publication number: DE69009448T2
Application number: DE69009448T
Authority: DE
Inventors: Otto Dr Voegeli
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1994-12-01
Anticipated expiration: 2010-03-09
Also published as: JPH04218992A; JPH0642586B2; EP0445488B1; CA2036957A1; US5100220A; CA2036957C; DE69009448D1; EP0445488A1

Description

TECHNISCHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserdiodenanordnung mit einer epitaxisch gewachsenen, schichtweise aufgebauten Halbleiterstruktur, in der eine Gruppierung aus Laser dioden und eine Mehrzahl an integrierten Reflektoren, von denen jeder für einen durch die Gruppierung ausgesendeten Strahl bestimmt ist, gebildet werden. Die Reflektoren erzeugen eine Gruppierung aus virtuellen Quellen mit dazwischenliegenden seitlichen Abständen, die sich vom physikalischen Abstand der Laserdioden unterscheiden. Genauer gesagt können die virtuellen Quellen näher aneinanderliegen als die Laserdioden und sogar an einem Punkt konzentriert werden. Eine einzelne Linse kann verwendet werden, um die Gruppierung virtueller Quellen zu projezieren.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Halbleiterlaserdioden finden aufgrund ihrer kompakten Größe und der Tatsache, daß ihre Technologie mit der verwandter elektronischer Schaltungen und anderer elektro-optische Elemente, beispielsweise Spiegel, kompatibel ist, in zahlreichen informationsverarbeitenden Systemen Anwendung. Sie werden in solchen Bereichen wie beispielsweise der Datenkommunikation, der optischen Speicherung und dem optischen Strahendruck verwendet.
Anstrengungen mit dem Ziel einer verbesserten Leistung in solchen Anwendungen, die mehr als eine Lichtquelle benötigen, haben zur Entwicklung von integrierten Lasergruppierungen geführt, die in der Lage sind, eine Mehrzahl an nahe aneinanderliegenden Laserstrahlen auszusenden. Diese werden im allgemeinen verwendet, um langsamere, seriell ablaufende Operationen durch eine schnellere parallele Verarbeitung zu ersetzen, das heißt, eine Byte-Verarbeitung anstelle einer Bit-für-Bit- Verarbeitung, oder aber für die Dokumentabtastung und deren Ausdruck eingesetzt.
Für eine breite Palette an Lasergruppierungsaufbauten existieren Beschreibungen. Einige dieser Publikationen werden nachfolgend aufgelistet:
- Artikel "Experimental and Analytic Studies of Coupled Multiple Stripe Diode Lasers", von D. R. Scifres et al (IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-15, Nr. 9, September 1979, Seiten 917-922).
- U.S.-Patent 4,069,463 "Injection Laser Array" (erteilt im Januar 1978).
- Europäische Patentanmeldung 0 226 445, "Laser Array" (veröffentlicht am 24. Juni 1987).
- Europäische Patentanmeldung 0 301 818, "Semiconductor Laser Array Device" (veröffentlicht am 1. Februar 1989).
- Europäische Patentanmeldung 0 301 846, "Semiconductor Laser Array Apparatus" (veröffentlicht am 1. Februar 1989).
Ungeachtet der in den vergangenen Jahren erzielten Fortschritte bei der Entwicklung von Verfahren ist eine weitergehende Reduzierung der Abstände zwischen einzelnen Strahlen für zahlreiche Hochauflösungsanwendungen nach wie vor sehr wünschenswert. Eine Vorgehensweise, die verfolgt wird, umfaßt die Verwendung optischer Systeme, um die Laserstrahlen näher aneinanderzubringen. Die Verwendung einzelner Linsensysteme für jeden Strahl führt jedoch dazu, daß solche Anordnungen überaus komplex und kostenaufwendig werden; darüber hinaus reichen optische Systeme für Anordnungen, die Abmessungen in der Größenordnung von Mikron erfordern, an ihre physikalischen Grenzen. Die nachfolgend beschriebene Laseranordnung weist in eine neue Richtung.
Neben den Bemühungen, nahe aneinanderliegende Strahlen zu erzielen, gibt es Entwicklungen mit dem Ziel, oberflächenaussendende Laser zu erzeugen, bei denen die in einer parallel zur Plättchenoberfläche, auf der die Laserstruktur epitaktisch gebildet wird, ausgesendeten Strahlen an einem integrierten Spiegel reflektiert werden und, hauptsächlich mit dem Ziel, das Packen zu erleichtern, die Anordnung rechtwinklig zur Plättchenoberfläche verlassen. Solche Anordnungen wurden beispielsweise in folgenden Publikationen beschrieben:
- U.S.-Patent 3,996,492, "Two-Dimensional Integrated Injection Laser Array" (ausgestellt am 7. Dezember 1976).
- U.S.-Patent 3,996,528, "Folded Cavity Injection Laser" ausgestellt am 7. Dezember 1976).
- U.S.-Patentanmeldung 264 422, "Integrated Laser Arrays and Support Circuits" (registriert am 31. Oktober 1988).
- IBM Technical Disclosure Bulletin, Artikel "Vertically Emitting Laser with Integrated NAM Deflector" (Vol. 32, Nr. 3B, August 1989, Seiten 498-499).
Eine weitere Vorgehensweise zur Erzielung von oberflächenaussendenden Laserdioden wird in einem Artikel von M. Ogura et al. mit dem Titel "Surface Emitting Laser Diode with bent Waveguide" beschrieben. Dabei wird eine gebogene doppelte Heterostruktur, die auf einem mit Rillen versehenen Substrat hergestellt wird, anstelle eines Ablenkungsspiegels verwendet.
Nach unserem Kenntnisstand gibt es jedoch noch keinerlei Vorschläge zur Verwendung der optischen Elemente, die zur Erzielung der gewünschten "Oberflächenaussendung" erforderlich sind, um virtuelle Quellen bereitzustellen, die näher aneinanderliegen als die entsprechenden Strahlenquellen und die unter Verwendung einfacher optischer Mittel projeziert werden können.
Im Hinblick auf das optische Prinzip, auf das die in diesem Dokument beschriebene Laserdiodenanordnung basiert, wird darauf hingewiesen, daß hier eine Ähnlichkeit mit der sogenannten "Fresnel-Spiegel"-Anordnung besteht, in der Licht von einer Punktquelle auf zwei ebene Spiegel auftrifft, die zueinander in einem kleinen Winkel geneigt sind. Die Reflektion an den Spiegeln führt zu zwei virtuellen Bildern. Eine Beschreibung hierzu befindet sich im Handbuch "Principles of Optics", Max Born & Emil Wolf, Pergamon Press, 6th Edition, Seite 262. Diese Referenz liefert jedoch keinerlei Hinweis auf eine mögliche technische Anwendung des beschriebenen optischen Prinzips.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Laserdiodenanordnung bereitzustellen, in der eine Mehrzahl an Laserstrahlquellen in eine kontrahierte oder gar aufeinanderfallende Gruppe aus virtuellen Quellen, die unter Verwendung einfacher optischer Mittel auf eine gewünschte Verarbeitungsebene projeziert werden kann, übertragen wird.
Ein weiteres Ziel ist es, eine "oberflächenaussendende" integrierte Lasergruppierungsstruktur bereitzustellen, von der aus die ausgesendeten Laserstrahlen in eine Richtung verlaufen, die im wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche dem Plättchens ist, auf der die Struktur gebildet wird.
Ein weiteres Hauptziel ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das Herstellung der beschriebenen integrierten oberflächenaussendenden reduzierten Strahltrennungs-Laserdiodenanordnung unter Verwendung eines konventionellen einseitig gerichteten Verfahrens in Verbindung mit geeigneten Maskensegmentgeometrien ermöglicht.
Die Erfindung gemäß Anspruch 1 ist darauf ausgerichtet diese Ziele zu erfüllen und die Mängel bekannter Laserdiodenanordnungen zu beseitigen. In der Struktur der vorliegenden Erfindung geschieht dies dadurch, daß für jeden einer von einer Lasergruppierung ausgesendeten Mehrzahl an Strahlen ein geneigter, individuell ausgerichteter und positionierter Reflektor bereitgestellt wird. Diese Reflektoren erzeugen eine Gruppierung aus virtuellen Quellen, wobei die Abstände zwischen diesen virtuellen Quellen anders sind als die Abstände zwischen den entsprechenden Strahlen (oder reellen Quellen).
Unter Verwendung einer einzelnen Linse kann die Gruppierung aus virtuellen Quellen dann auf eine gewünschte Ebene projeziert werden. Am wichtigsten sind die Ausführungsbeispiele, in denen die virtuellen Quellen näher aneinandergebracht werden oder gar zusammenfallen.
Anspruch 9 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Gruppierung aus Reflektoren, die mit einer Gruppierung aneinanderhängender Laserdioden integriert ist.
Die Gruppe erforderlicher Reflektoren, von denen einer für jeden Strahl bestimmt ist, kann in einem einseitig gerichteten Trockenätzungsverfahren unter Verwendung einer Maske (zusammen mit dem gemeinsamen Winkel der Richtungsätzung) hergestellt werden, deren Segmente die einzelnen Positionen und die Ausrichtungen der geneigten reflektierenden Oberflächen genau bestimmen.
Der durch die Erfindung erzielte Hauptvorteil besteht darin, daß die bereitgestellte Struktur als eine Einrichtung dienen kann, die eine Mehrzahl an Laserstrahlquellen in näher aneinanderliegende kontrahierte oder gar zusammenfallende Laserquellen umwandeln kann. Einige Beispiele für Anwendungen, in denen die Laserdiodenanordnung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft angewandt werden kann, sind:
- Die Bandaufzeichnung, wenn der Abstand zwischen den Spuren kleiner ist als der kleinste erreichbare Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Lasern in einer Lasergruppierung; kontrahierte virtuelle Quellen gestatten eine parallele Aufzeichnung auf nebeneinanderliegenden Spuren.
- Der graduelle Laserabbau ist abhängig von der Laserleistung; er läßt sich durch Verwendung mehrerer Laser von zusammenfallenden virtuellen Quellen mit einem Teil der Leistung reduzieren.
- Die Zuverlässigkeit des Lasers läßt sich durch Redundanz beträchtlich erhöhen; dies kann durch zusammenfallende virtuelle Quellen geschehen, die entweder in Sequenz oder in Kombination verwendet werden.
- Die Leistungsdichte in einem abgebildeten Punkt, die durch eine Einzeldiode möglich wird, ist hauptsächlich aufgrund großer Fehler an den Laserspiegeln begrenzt; dieser Grenzwert kann durch Verwendung zusammenfallender virtueller Quellen erhöht werden.
- Eine kurze Kohärenzlänge ist in einigen Kommunikationsanwendungen wichtig; diese Länge kann durch Kombination der Ausgänge zusammenfallender virtueller Quellen gekürzt werden.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine Möglichkeit der Implementierung der Erfindung wird nachfolgend ausführlich beschrieben, wobei auf Zeichnungen bezug genommen wird, die eine spezifische Anordnung darstellen, wobei gilt:
Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer integrierten "oberflächenaussendenden" Laserdioden/-reflektorstruktur auf dem neuesten Stand der Technik. (BISHERIGE TECHNOLOGIE)
Figur 2 ist eine schematische Darstellung der hauptsächlichen Elemente der Diodenlaseranordnung der vorliegenden Erfindung (die zur Erklärung des zugrundeliegenden Konzepts herargezogen wird).
Figur 3 ist eine schematische Darstellung zum Prinzip der Lasergruppierungs-/Reflektoranordnung und zu den wesentlichen Prozeßparametern für die Herstellung der erforderlichen einzelnen Reflektoren.
Figur 4 (A, B & C) zeigt schematisch und stark vereinfacht Draufsichten verschiedener Reflektoranordnungen.
Figur 5 ist eine Perspektivdarstellung einer Ausführung einer integrierten Lasergruppierungs-/Reflektoranordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgelegt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Vor einer ausführlicheren Beschreibung einer Ausführung der Laserdiodengruppierung der vorliegenden Erfindung wird das Konzept des geneigten Reflektors, das in der Struktur angewandt wird, um eine oberflächenaussendende Lasereinrichtung aufzubauen, anhand von Figur 1 erläutert.
Figur 1 ist eine Perspektivansicht einer bekannten oberflächenaussendenden Laserstruktur 10, von der lediglich die hauptsächlichen Elemente dargestellt sind. Diese sind die Laserdiode 11 und der integrierte 45º-Reflektor 12. Beide Elemente werden in einem Stapel an Schichten gebildet, die auf eänem GaAs-Substrat 13 epitaxisch geformt werden, wobei der Stapel zumindest die aktive Schicht 14 enthält, die sich zwischen Umhüllungsschichten befindet. Der Einfachheit halber ist in der Abbildung lediglich die aktive Schicht dargestellt.
Die Zeichnung zeigt die Struktur nach Beendigung des Ätzprozesses, in dem die Rille 15 gebildet wird, die die Laserspiegelfacette 16 und die 45º-Reflektionsoberfläche 17 bereitstellt. In der Zeichnung nicht enthalten sind die Metalisierungsschichten, die die elektrischen Kontakte der vollständigen Einrichtung bilden.
Wenn die Einrichtung durch Anlegen geeigneter Betriebsspannungen aktiviert ist, wird ein Lichtstrahl 19 A ausgesendet. In der Zeichnung wird der Lichtmodusbereich des Lasers als kleine Ellipse dargestellt, die um die aktive Schicht 14 zentriert ist und die seitlich durch die Streifenrippe 18 definiert ist. Der Pfeil 19 stellt die "echte" Quelle des ausgesendeten Strahls 19 A dar, der auf die 45º-Oberfläche 17 auftrifft. Hier wird er abgelenkt, wodurch der Laser "oberflächenaussendend" wird, das heißt, der Ausgangsstrahl 19 B verläuft in einer Richtung, die im wesentlichen rechtwinklig zur Substratoberfläche ist. Es wird von der Annahme ausgegangen, daß der Strahl 19 B ohne Ablenkung von einer virtuellen Quelle 19' ausgesendet wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, das Konzept eines geneigten Reflektors auf eine Gruppierung integrierter Laser zu übertragen und gleichzeitig die Trennung zwischen den einzelnen Lasern der Gruppierung auf einen scheinbaren (oder virtuellen) kleineren Abstand zu reduzieren, wobei die Inforderung nach mehreren Strahlquellen mit Abständen zwischen den Quellen, die kleiner sind als die kleinste Trennung, bei der Laser hergestellt und betrieben werden können, erfüllt wird. Die Erfindung ermöglicht die Umwandlung einer Ansammlung echter Quellen in eine kontrahierte oder gar zusammenfallende Ansammlung virtueller Quellen, die daraufhin unter Verwendung einer einzelnen Linse projeziert werden können, um das erforderliche reduzierte Lichtmuster bereitzustellen.
Das zugrundeliegende Prinzip wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben. Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Lasergruppierungsstruktur 21 (im Aufbau ähnlich wie der Laser 11 von Figur 1), die zwei Lichtquellen Qo und Qn enthält, die die Strahlen Bo bzw. Bn aussenden. Diese echten Quellen werden durch entsprechende Wellenführungen entlang der y-Richtung gebildet, wobei sich die vorderen Spiegelfacetten in der x-z-Ebene befinden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die vorderen Spiegel nicht koplanar sein müssen.
Der Strahl Bo, der in der y-z-Ebene verläuft, wird am Reflektor Ro reflektiert und nach oben projeziert. Die Reflektorfläche wird um 45º geneigt, ihr "normaler" Winkel (rechtwinklig zur reflektierenden Oberfläche) wird als Pfeil No dargestellt. Die virtuelle Quelle Qo' des Strahls befindet sich an der in der Zeichnung angegebenen Position.
Die zweite Quelle Qn, die eine beliebige andere Quelle in der Gruppierung darstellt, sendet von der Gruppierung an einem Punkt, der durch eine Entfernung sn von Qo getrennt ist einen Strahl Bn aus. Ihr Strahl Bn wird vom Reflektor Rn reflektiert.
Die Position der entsprechenden virtuellen Quelle Qn' wird durch die Ausrichtung und die Position des Reflektors bestimmt. Wie oben bereits beschrieben wurde, besteht das Ziel darin, eine virtuelle Quelle Qn' zu erreichen, die sich in einer Entfernung sn' von Qo' befindet, die unterschiedlich ist zur Trennung sn der entsprechenden echten Quellen Qo und Qn. Im Extremfall ist sn'=0, das heißt, die virtuellen Quellen fallen zusammen und die entsprechenden getrennten echtem Quellen werden auf einen einzelnen Punkt projeziert.
Nachfolgend werden die Anforderungen und Bedingungen für eine korrekte Ausrichtung und Positionierung eines beliebigen Reflektors Rn aufgestellt. Für den Strahl Bo liegen die echten (Qo) und die virtuellen (Qo') Quellen in der y-z-Ebene. Wenn der ausgehende Strahl Bo, rechtwinklig zur Ebene der aktiven Schicht 22 der Laserdiodengruppierung (oder zur Plättchenoberfläche), das heißt, zur x-y-Ebene, liegen soll, muß Ro parallel zur x-Achse und um 45º geneigt sein. Er wird in einer Entfernung d (die festgelegt wird durch das nah/fern- Feldstrahlmuster und andere durch die verwendete Technologie auferlegte Beschränkungen) von der Ebene des vorderen Spiegels der Gruppierung angebracht. Damit liegt die virtuelle Quelle Qo' in der y-z-Ebene, nämlich an folgenden x, y, z-Koordinaten: (0, d, -d).
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird der Reflektor Ro (1) so ausgerichtet, daß seine normale Ausrichtung No parallel zur Linie QoQo' verläuft, die Qo und Qo' verbindet, und (2) so positioniert, daß die Reflektorebene durch den Mittelpunkt Mo dieser Verbindungslinie läuft. Diese Regeln gelten nich nur für die Quelle Qo und ihren dazugehörigen Reflektor Ro und die resultierende Quelle Qo', sondern für alle anderen Quellen, die in derselben Lasergruppierung gebildet werden, wie beispielsweise Qn und die dazugehörigen Reflektoren (Rn) und die virtuelien Quellen (Qn').
Wie an späterer Stelle ersichtlich werden wird, ist es vielen Situationen wünschenswert oder gar notwendig, daß alle virtuellen Quellen (Qo', Qn' und andere) in x-Richtung aneinandergereiht sind. Hieraus geht eine weitere Bedingung zur Positionierung einer belieibigen virtuellen Quelle Qn' hervor: sie muß an den Kooordinaten (sn', d, -d) gebildet werden, wobei sn' durch den zu erreichenden Trennungsreduktionsfaktor sn' / sn bestimmt wird.
Es folgt: Wenn Qn an den Koordinaten (sn,0,0) ist, dann muß der Reflektor Rn So ausgerichtet werden, daß sein normales Nn parallel zur Verbindungslinie QnQn' ist. Des weiteren muß der Reflektor Rn so positioniert werden, daß er die Verbindingslinie an ihrem Mittelpunkt Mn in zwei Teile schneidet. Die Richtung des reflektierten Strahls Bn' verläuft im allgemeinen nach oben, er wird jedoch, wie dies in Figur 2 dargestellt ist, von der normalen Ebene in die x-y-Ebene (oder die Plätt- chenoberfläche) geneigt.
Die reflektierten, nach oben gerichteten Strahlen Bo' und Bn' (und möglicherweise andere), die scheinbar von ihren virtuelten Quellen Qo', Qn' usw. stammen, können dann von einer einzelnen Linse (nicht dargestellt) gesammelt werden, die in einer vorbestimmten Ebene eine reduzierte Projektion dem virtuellen Quellenmusters Qo', Qn' bereitstellt.
Wenn die Reflektoren Ro, Rn (und möglicherweise andere) so ausgerichtet sind positioniert werden, daß alle virtuellen Quellen in einem Punkt kombiniert werden (mit sn' = 0), dann ermöglicht die Linse eine Projektion der virtuellen Quellen, die in einem Punkt konzentriert werden, wo ihre Lichtenergie hinzugefügt wird.
Es wird darauf hingewiesen, daß die virtuellen Quellen dicht notwendigerweise auf einer geraden Linie positioniert werden müssen. In einigen Anwendungen kann ein gewisser Bogen vorteilhaft sein, der entweder ein gewisses Maß an Linsenverfälschungen ausgleicht oder die Verwendung einfacherer Linsen ermöglicht. Solche Konfigurationen virtueller Quellen kennen durch richtige Einstellung der y-Positionen der Laser und/oder der Reflektoren erzielt werden.
Als nächstes wird beschrieben, wie die Struktur der vorliegenden Erfindung im Prinzip hergestellt werden kann. Es wird auf Figur 3 verwiesen, wo eine ähnliche Anordnung wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Sie umfaßt die beiden echten Quellen Qo und Qn' die die Strahlen Bo und Bn von Wellenführungen aus, die um die aktive Schicht 22 herum in der Gruppierungsstruktur 21 gebildet werden, aussenden, und die dazugehörigen Reflektoren Ro und Rn. Die Gruppierungsstruktur 21 kann unter Einsatz herkömmlicher Laserdiodenverfahren hergestellt und aufgebaut werden; wie nachfolgend dargestellt wird, können die verschieden ausgerichteten und positionierten Reflektoren Ro und Rn auch unter Einsatz von standardmäßigen Verfahren hergestellt werden.
In herkömmlichen Herstellungsverfahren sind zwei einstellbare Parameter verfügbar. Es gibt die Verarbeitungsrichtung (wie dies durch den Einfallswinkel in richtungsgebundenen Trockenätzverfahren beispielhaft dargestellt ist) und es gibt die Verarbeitungsgrenze (wie dies durch ein lithographisch definiertes Naskenmuster bestimmt ist).
In Figur 3 treffen die Strahlen Bo und Bn, die von den achten Quellen Qo und Qn ausgesendet werden, auf die geneigten Reflektoroberflächen 23o und 23n an den Punkten Ro und Rn auf, von wo aus die Strahlen Bo' und Bn' in einer im allgemeinen nach oben zeigenden Richtung reflektiert werden, wie dies dargestellt ist. In der Zeichnung werden die Strahlenachsen so dargestellt daß sie an den Mittelpunkten Ro und Rn der geneigten Ebenenoberflächen, die durch die Parallelogramme 23o und 23n dargestellt sind, reflektiert werden. Offensichtlich benötigt die Strahldivergenz eine gewisse Fläche zusätzlich zu den Reflektionspunkten Ro und Rn. Der Einfachheit halber werden in den Zeichnungen jedoch nur die Strahlenachsen dargestellt.
Da es erwünscht oder erforderlich ist, die reflektierenden Oberflächen 23o, 23n, und möglicherweise andere, in einem einzigen Prozeß zu erzeugen, wird der Neigungswinkel bezüglich der x-z-Ebene aller Reflektoren durch den Prozeßvektor , das heißt, die Ätzrichtung in einem Richtungsätzprozeß, bestimmt. In Figur 3 wurde als Grundlage ein Neigungswinkel von 45º herangezogen. Die reflektierenden Oberflächen 23o und 23n sind des weiteren durch ihre dazugehörigen Maskenkanten 24o sind 24n definiert, die in derselben Ebene liegen wie die obere Fläche der Gruppierung 21, das heißt in der x-y-Ebene an z = zo (wobei zo die Dicke der Schichten über der aktiven Schicht 22, wie angegeben, ist).
Es folgt eine allgemeine Erwägung, die auf jede beliebige reflektierende Oberfläche 23n und ihren Strahl-Achsen-Reflektionspunkt Rn anwendbar ist. Die Oberfläche 23n wird festgeiegt durch den Prozeßvektor (45º wie oben angegeben) und durch die Maskenkante 24n, die wiederum bestimmt wird durch den Vektor n (cos θn, sin θn, 0), wobei θ die azimutale Ausrichtung bezüglich der x-Richtung ist. Die Vektoren und n bestimmen die Ausrichtung und die Position der Ebene 23n und somit die Ebene normal Nn = x n.
Die im Zusammenhang mit Figur 2 entwickelten Regeln erfordern, daß
(1) die normale Nn des Reflektors 23n parallel zum Linie QnQn' ist, und daß
(2') die Reflektoroberfläche 23n durch den Mittelpunkt Mn der Linie QnQn' verläuft.
Unter Anwendung dieser Regeln erhält man folgende Gleichungen:
^R = x n = ^QnQn' [1]
und für die Mn-Koordinaten
Für die gewählte Ätzrichtung 45º hat man = (0, -1, -1), und des weiteren
x n = (0, -1 -1) x (cos θn, sin θn, 0) = (sin θn, -cos θn, cos θn)
Dadurch vereinfacht sich die Gleichung (1) auf
(sin θn, -cos θn, cos θn) = QnQn' = (sn,0,0) - (sn',d,-d) = ((sn-sn'), -d,d)
Aus dieser Gleichung erhält man:
In bestimmt die Ausrichtung der Maskenkante 24n, während die Position dieser Kante definiert ist durch den Mittelpunkt Pn der Kante mit den Koordinaten
Es folgt für den angenommenen Prozeßvektor (mit einem Prozeßwinkel in der y-z-Ebene von 45º), daß die y-Koordinate aller Reflektionspunkte Rn gleich d ist, das heißt, für eine Gruppierung 21 mit Frontspiegeln in der x-y-Ebene ist der Abstand zwischen der Spiegelfacette und den Reflektionspunkten fur alle Strahlen gleich d.
In Figur 4 ist schematisch dargestellt, wie die reflektierenden Oberflächen 23n im Prinzip bezüglich der variierenden Anzahl an echten Quellen positioniert werden können, um die Anforderung QnRn = d zu erfüllen.
Figur 4A ist eine Draufsicht der für das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gewählten Anordnung, die nachfolgend ausführlich beschrieben wird. Die beiden Strahlen B&sub1; und B2, die von den Quellen Q&sub1; und Q&sub2; ausgesendet werden, treffen an R&sub1; und R&sub2; auf die dazugehörigen Reflektorflächen 23&sub1; bzw. 23&sub2;. Die Reflektoroberflächen bilden die Winkel θ&sub1; und θ&sub2; mit der x-Achse. Die entsprechende Seitenansicht, die einen Querschnitt A-A' durch die Anordnung darstellt, dient um besseren Verständnis.
Figur 4B stellt eine weitere 2-strahlige Anordnung dar. Im Gegensatz zur Anordnung von Figur 4A wird jedoch eine der reflektierenden Flächen (auf die der Strahl B&sub1; auftrifft) parallel zur x-Achse ausgerichtet. Die Folge ist, daß ein "Schritt" t zwischen den beiden Reflektoroberflächen 23&sub1; und 23&sub2; erforderlich ist, um die Bedingung QnRn = d zu erfüllen.
Figur 4C stellt eine 5-strahlige Gruppierung dar, wobei jeder Strahl mit seiner dazugehörigen Reflektionsfläche dargestellt ist. Auch hier sind zwischen benachbarten Reflektionsflächen Schritte erforderlich.
Figur 5 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laserdiodenanordnung 51, die gemäß der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde. Die Struktur umfaßt eine Lasergruppierungsstruktur 52, die von den Quellen Q1 und Q2 aus die Strahlen B1 bzw. B2 aussendet.
Die Anordnung 51 entspricht im wesentlichen den Strukturen, die im Zusammenhang mit den Figuren 2, 3 und 4A berücksichtigt wurden Die reflektierenden Oberflächen 23.1 und 23.2 werden ausgerichtet wie in Figur 4A, das heißt, beide Flächen bilden die Winkel (θ1 und θ2) mit der x-Achse, wobei die geneigten reflektierenden Oberflächen an x = 0 schneiden. Mit dieser Konfiguration sind keine Schritte erforderlich (wie in den in Figuren 4B und 4C schematisch dargestellten Anordnungen gezeigt), um folgende Bedingung zu erfüllen:
Q1R1 = Q2R2 = d
Der Betriebsablauf der Einrichtung erfolgt nach der obigen Beschreibung. Beim Anlegen geeigneter Betriebsspannungen sendet die Laserstruktur 52 die Strahlen B1 und B2 aus; sie treffen an den Punkten R1 und R2 auf die dazugehörigen Reflektionsoberflächen 23.1 und 23.2. Die reflektierten Strahlen B1' und B2' verlassen die Anordnung in einer Aufwärtsrichtung, wobei ihre Achsen symmetrisch vom Plättchen normal geneigt sind, da die Oberflächen 23.1 und 23.2 die Winkel θ1 und θ2 mit der x-Achse bilden.
Eine Sammellinse (nicht in der Zeichnung dargestellt), die oberhalb der Anordnung angeordnet ist, wird verwendet, um die virtuellen Quellen Q1' und Q2' auf eine gewünschte Prozeßebene zu projezieren.
Wenn die Winkel θ1 und θ2 gemäß der Darstellung in Figur 5 ausgewählt werden, werden darauf die virtuellen Quellen Q1' und Q2' in einem einzigen Punkt projeziert. Dies geschieht, wenn sn' = 0; in diesem Fall vereinfacht sich die Gleichung (3) auf
tan θ1 = tan θ2 = sn/d [5]
Als nächstes wird der Herstellungsprozeß für die Laserdiodenstruktur von Figur 5 beschrieben.
Der epitaxisch gebildete Stapel aus mehreren Schichten, der die Grundlage für die Lasergruppierung 52 und die Reflextorstruktur 54 bildet, kann im wesentlichen der gleiche sein und unter Verwendung desselben Prozesses wie dem in der Beschreibung in einem Artikel von C. Harder et al. mit dem Titel "High-Power Ridge-Waveguide AlGaAs GRINSCH Laser Diode" (veröffentlicht in Electronics Letters, 25. September 1986, Vol. 22, Nr. 20, Seiten 1081-82) aufgeführten hergestellt werden. Die Abfolge der Schritte zur Herstellung des Stapels an Schichten (nicht alle Schichten sind in Figur 5 speziell aufgeführt) ist wie folgt:
Die Schichten werden auf einem n+ -dotierten GaAs-Substrat 13, d.h. molekulare Strahl-Epitaxie (MBE), gebildet. Zuerst wird auf dem Substrat eine n -dotierte GaAs-Pufferschicht gebildet. Als nächstes folgt eine niedrigere n-Typ Umhüllungsschicht (Al0,45Ga0,55As). Der Kern des Lasers besteht aus einem gradierten n-Typ Bereich (0,2 um Al0,45Ga0,55As, das auf Al0,18Ga0,82As) gradiert ist, einem undotierten aktiven Bereich 14, der eine Quantenschicht (7 nm GaAs) bildet, und einem gradierten p-Typ-Bereich (0,2 um Al0,18Ga0,82As, das auf Al0,45Ga0,55As gradiert ist). Als nächstes folgt die obere p- Typ Umhüllungsschicht (Al0,45Ga0,55As), gefolgt von einer p+ GaAs Kontaktschicht mit einer Dotierdichte, die hoch genug ist, daß eine Titan-Platin-Gold-Elektrode einen guten Ohm'schen Kontakt herstellen kann. Ein weiterer Ohm'scher Kontakt an der Unterseite des n-Typ Substrats 13 wird mit einer Legierung aus Germanium, Gold und Nickel erzielt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sorgen die Rippen 55.1 und 55.2, die ungefähr 4 um breit und 20 um voneinander entfernt sind, für die seitliche Wellenführung der beiden Wellenführungen, die als echte Quellen Q1 und Q2 dienen. Die Rippen werden auf der Oberseite der Struktur gebildet, bevor die Metallkontaktelektroden abgelagert werden, indem zuerst eine Maske aus Photoresist zur Festlegung der Rippen aufgetragen wird, und anschließend 1 bis 2 um der freiliegenden oberen Schichten geätzt werden - die Ätzung wird 0,2 um oberhalb des gradierten Indexteils der oberen Umhüllungsschicht beendet. Danach folgt eine Ablagerung von 100 nm SiO&sub2; und anschließend eine Abnahme, bei der das SiO&sub2; an den Rippen entfernt wird.
Die Rille, von deren Seitenwände eine als Laserspiegelfacette 53 dient und die andere die Ablenkungsoberflächen 23.1 und 23.2 an der Reflektorstruktur 54 bereitstellt, wird dann unter Verwendung einer Maske geätzt; ein Ätzverfahren entspricht im wesentlichen dem ausführlich in der Europäischen Patentenmeldung 88.810613.5 beschriebenen, das am 12. September 1988 registriert wurde. Das vertikale Ätzen und das 45º-Ätzen erfolgt unter Verwendung richtungsbezogener Ionenstrahlverfahren durch geeignetes Neigen des Plättchens bezüglich den Ionenstrahl in einem doppelstufigen Prozeß.
Die 45º-Ablenkungsoberflächen sind mit einer dielektrischen Schicht mit hohem Reflektionsvermögen beschichtet, wobei die Ausgangsleistung der Frontfacette der Laserdioden nach oben, nahezu rechtwinklig zur Oberfläche des Plättchens, abgestrahlt wird.
Typische Abmessungen der Struktur in Figur 5 sind: Die Länge der Laserstruktur 52 beträgt zwischen 300 und 1000 um, die Länge der Reflektorstruktur 54 ist unwesentlich (es sei denn, sie wird neben der Strahlenmessung auch noch für andere Zwecke eingesetzt). Der seitliche Abstand zwischen den Quellen Q1 und Q2 liegt in der Größenordnung von 20 um und ist gleich dem Abstand d zwischen der Spiegelfacette 53 und den Reflektionspunkten R1 und R2. Die Winkel 61 und 62 zwischen den reflektierenden Oberflächenebenen 23.1 und 23.2 und der x- Richtung werden von Gleichung (5) abgeleitet:
Mit dieser Gleichung wird als absoluter Wert der Winkel 26,5º errechnet.

Claims

1. Eine Halbleiterlaseranordnung, bestehend aus

- einer epitaxisch gebildeten, schichtförmig aufgebauten Struktur (52), die auf einem Halbleitersubstrat (13) angeordnet ist, mit einer Gruppierung seitlich voneinander getrennter (sn) Wellenführungen, von denen jede die Quelle (Q1, Q2) für einen Laserstrahl (B1, B2) bildet, der in eine Richtung ausgesendet wird, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des genannten Halbleitersubstrats liegt, und

- integrierten, geneigten und einzeln ausgerichteten Reflektoren (R1, R2), wobei je einer einem der genannten Strahlen (B1, B2) zugeordnet ist, die sich in den Strahlenpfaden befinden, um eine Gruppierung aus virtuellen Quellen (Q1', Q2') zu bilden, wobei der seitliche Abstand (sn') zwischen den genannten virtuellen Quellen (Q1', Q2') anders ist als die Abstände (sn) zwischen den entsprechenden Quellen (Q1, Q2).

2. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, des weiteren bestehend aus einem optischen Linsensystem zur Sammlung der reflektierten Strahlen (B1', B2') und zur Erzeugung eines Bildes anhand der genannten virtuellen Quellen.

3. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, in der die Lichtmodusbereiche der Quellen (Q1, Q2) in einer gewöhnlichen Spiegelfacette (53) aneinandergereiht sind, und in der die virtuellen Quellen (Q1', Q2') auf einer geraden Linie parallel zu den genannten aneinandergereihten Lichtmodusbereichen positioniert sind.

4. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, in der der Abstand (d) zwischen der Spiegelfacette, die die Wellenführungen aller Quellen (Q1, Q2) der Gruppierung beendet, und der Reflektoren (R1, R2) für alle Quellen-Reflektorpaare gleich ist.

5. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, in der die reflektierten Strahlen (B1', B2') in einer Richtung verlaufen, die im wesentlichen rechtwinklig zur Substratoberfläche ist, und eine oberflächenaussendende Anordnung bilden.

6. Eine Anordnung gemäß Anspruch 1, in der die Abstände (sn') zwischen den genannten virtuellen Quellen (Q1', Q2') kleiner sind als diejenigen zwischen den entsprechenden Quellen (Q1, Q2).

7. Eine Anordnung gemäß Anspruch 6, in der die genannten virtuellen Quellen (Q1', Q2') zusammenfallen.

8. Eine Anordnung gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche, in der eine gerade Anzahl an Quellen (Q1, Q2) bereitgestellt wird, und in der jeder der Reflektoren (23.1, 23.2), der mit diesen Quellen in Verbindung steht, mit den Spiegelfacetten, die die Wellenführungen der Gruppierung der Quellen (Q1, Q2) beenden, einen Winkel bildet, der ungleich Null ist (θ1, θ2).

9. Ein Verfahren zur Erzeugung einer Gruppierung von Reflektoren, die mit einer Gruppierung von aneinandergereihten Laserdioden integriert sind und zu einer durch epitaxisches Wachstum gebildeten Struktur geformt werden, die auf einem Halbleitersubstrat (13) als Gruppierung seitlich voneinander getrennter Wellenführungen angeordnet ist, von denen jede eine Quelle (Qo, Qn) bildet, die einen Lagerstrahl (Bo, Bn) in eine Richtung aussendet, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des genannten Halbleitersubstrats (13) ist,

bestehend aus den Schritten

- zur Bereitstellung einer Reflektorstruktur (54), aus denen geneigte, einzeln ausgerichtete Reflektoren (23o, 23n), von denen jeder für einen der genannten Laserdiodenstrahlen (Bo, Bn) bestimmt ist, gebildet werden sollen.

- zum Auftragen einer Ätzmarkierung auf der Oberseite der genannten Reflektorstruktur, die durch das Muster bedingt einzelne Segmente (24o, 24n) aufweist, von denen jedes für einen der genannten zu bildenden Reflektoren (23o, 23n) bestimmt ist, deren Positionen und Richtungen die Positionen und Ausrichtungen der genannten Reflektoren bestimmen, und

- zur Ätzung der genannten Reflektorstruktur (54) unter Einsatz eines einseitig gerichteten Trockenätzverfahrens zur Bildung der genannten Gruppierung von Reflektoren (23o, 23n) wodurch für jeden Laserstrahl (Bo, Bn) ein dazugehöriger, einzeln ausgerichteter Reflektor bereitgestellt wird, der den genannten Strahl in eine Richtung ablenkt, die im wesentlichen rechtwinklig zur Oberfläche des genannten Halbleitersubstrats (13) ist.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die genannten einzeln ausgerichteten Reflektoren so in den Strahlenpfaden positioniert sind, daß sie eine Gruppierung virtueller Quellen (Qo', Qn') bilden, die auf einer geraden Linie positioniert sind, die parallel zu den Lichtmodusbereichen der aneinandergereihten Laserdioden verläuft.

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Abstand (d) zwischen der Spiegelfacette, die die Wellenführungen aller Quellen (Qo', Qn') der Gruppierung und der Reflektoren (Ro, Rn) beendet, für alle Quellen-Reflektor-Paare gleich ist.

12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Abstände (sn') zwischen den genannten virtuellen Quellen (Qo, Qn) kleiner sind als diejenigen zwischen den dazugehörigen Quellen (Qo, Qn).

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die genannten virtuellen Quellen (Qo, Qn) zusammenfallen.