DE69018390T2

DE69018390T2 - Lichtstrahl-Ablenker.

Info

Publication number: DE69018390T2
Application number: DE69018390T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Fukuzawa; Satoru S Kano; Yutaka Takahashi
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: JP2645755B2; EP0431974B1; JPH03182724A; EP0431974A3; EP0431974A2; US5157543A; DE69018390D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtstrahl-Ablenker zum Ablenken eines Lichtstrahls, der beispielsweise bei einer optischen Einrichtung zur Datenverarbeitung oder Datenspeicherung, oder bei einem Drucker, der mit Lichtstrahlabtastung arbeitet, verwendet wird.
Die Lichtstrahlabtastung wird bei Druckern mit Laserstrahl verwendet. Bei bekannten Druckerarten wird ein modulierter Laserstrahl durch einen sich drehenden Polygonalspiegel abgelenkt, und die Muster oder Buchstaben werden auf einer lichtempfindlichen Oberfläche gebildet, über der der Strahl abgetastet wird. Die Abtastgeschwindigkeit ist jedoch relativ niedrig, da sie durch die Bewegung der optischen Elemente eingeschränkt wird. Darüber hinaus nimmt der Antriebsmechanismus relativ viel Platz in der Vorrichtung ein. Diese Nachteile sind bei einer Vorrichtung mit Lichtstrahlabtastung und mechanisch bewegten Elementen jedoch normal. Ein schneller Licht-Scanner mit kompaktem Gehäuse wird bereits seit langem für eine Vorrichtung zur optischen Datenverarbeitung, einschließlich Druckeranwendungen, benötigt. Die schnelle Abtastung eines Lichtstrahls wurde mit Hilfe eines elektro-optischen Modulators oder eines akusto- optischen Modulators durchgeführt. Ein Modulator dieses Typs benötigt jedoch eine Hochspannungsrampe oder eine Steuerung mit Hochfrequenzspannung.
In den folgenden Quellen werden Beispiele für herkömmliche Lichtstrahl-Ablenker gegeben:
(1) S. Mukai et al.: Extended Abstracts (48th Autumn Meeting, 1987): Japan Society of Applied Physics, Nr. 3, 19p-ZL-3, 639.
(2) S. Mukai et al.: Extended Abstracts (35th Spring Meeting, 1988): Japan Society of Applied Physics and Related Societies, Nr. 3, 29a-ZP-7, 863.
Darüber hinaus gibt es Beschreibungen von Techniken zur Integrierung von Halbleiterlasern mit einem Lichstrahl- Scanner.
Diese Scanner beruhen auf der Änderung des Brechungsindexes, die von der Stromeinspeisung gesteuert wird (Bandfülleffekt). Der Laserstrahl geht durch einen Fensterbereich, der neben dem Ausgangsende des Oszillatorbereichs liegt. Die räumliche Verteilung der Stromeinspeisung durch die Elektroden im Fensterbereich, d.h. des Brechungsindexes im Bereich, ist asymmetrisch, und damit ist das Ausgangsstrahlprofil nicht annehmbar, da der Fensterbereich möglicherweise keine ideale Linse ist. Aufgrund der komplexen Beziehung zwischen eingespeistem Strom und Ablenkwinkel ist der gesteuerte Mechanismus für die praktische Anwendung unter Umständen nicht einfach genug.
In einem Artikel von X. Cheng et al. mit dem Titel "Electrooptic Bragg-Diffraction Modulators in GaAs/AlGaAs Heterostructure Waveguides" im Journal of Lightwave Technology 6 (1988), Juni, Nr. 6, New York, wird ein Lichtstrahl-Ablenker mit einer Halbleiter-Lichtstrahlablenkeinrichtung, die über einen Dünnfilm-Planarwellenleiter aus Halbleitermaterial verfügt, beschrieben. Die Elektroden legen ein variables elektrisches Feld über den Wellenleiter an, um den Brechungsindex des Wellenleiters zu variieren. Dadurch wird ein Auflichtstrahl in einem variablen Winkel innerhalb der Ebene des Planarwellenleiters abgelenkt. In diesem Artikel wird die Verwendung einer Überstruktur für den Wellenleiter nicht erwähnt.
In der Patentschrift JP-A-63 194 234 werden Multipotentialkästen (Quantum Wells) beschrieben, die einen Wellenleiter für eine Lichtablenkeinrichtung bilden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Lichstrahl-Ablenker und eine Lichstrahlablenkung mit diesem Ablenker vorzustellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lichtstrahl- Ablenker mit einer Halbleiter-Lichtstrahlablenkeinrichtung, die angepaßt ist, um einen Auflichtstrahl zu empfangen, und die über einen Dünnfilm-Planarwellenleiter aus Halbleitermaterial verfügt. Die Ablenkeinrichtung verfügt auch über Elektroden, die ein variables elektrisches Feld über den Wellenleiter anlegen, wodurch der Brechungsindex des Wellenleiters variiert wird, so daß der Auflichtstrahl in einem variablen Winkel innerhalb der Ebene des Planarwellenleiters abgelenkt wird.
Der Lichstrahl-Ablenker ist dadurch gekennzeichnet, daß der Planar-Wellenleiter eine Überstruktur und eine Dauergitter- Ablenkerstruktur umfaßt. Die Elektroden sind so angeordnet, daß sie das variable elektrische Feld über die Überstruktur an die Stelle des Gitterablenkers induzieren.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine Queransicht des Lichtstrahl-Ablenkers gemäß Erfindung.
Figur 2 ist ein Banddiagrammm eines Potentialkastens, der beim Ablenker von Figur 1 nach dem Modulationsdotieren für eine Überstruktur verwendet wird.
Figur 3 ist ein Absorptionsspektrumdiagramm eines Potentialkastens gemäß Figur 2 nach dem Modulationsdotieren.
Figur 4 (a) und (b) sind Queransichten zweier alternativer Ausführungsbeispiele des Lichtstrahl-Ablenkers gemäß Figur 1 entlang der Linie A-A'.
Figur 5 zeigt mehrere Ansichten des Lichtstrahl-Ablenkers gemäß Erfindung.
Figur 5 (a) ist eine Ansicht einer Halbleiter-Einrichtung mit einem Lichtstrahl-Ablenker.
Figur 5 (b) ist eine Seitenansicht des Ablenkers von Figur 5 (a).
Figur 5 (c) ist eine Queransicht des Ablenkers.
Figur 5 (d) ist eine Queransicht des Ablenkers nach dein Diffusionsvorgang.
Figur 5 (e) zeigt den Ablenker von oben.
Figur 5 (f) ist eine Queransicht des Ablenkers entlang der Linie C-C' von Figur 5 (e).
Figur 5 (g) ist eine Queransicht des Ablenkers nach der Bildung der Elektroden.
Figur 5 (h) ist eine Ansicht des Lichtstrahl-Ablenkers.
Figur 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Brechungsindex des Lichtstrahl-Ablenkers gemäß Erfindung und dem Strahlablenkwinkel zeigt, und
Figur 7 ist eine Queransicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung stellt einen Lichtstrahl-Ablenker mit gutem Strahlprofil, extrem schneller Reaktionszeit und Linearität zwischen Ablenkwinkel und Steuersignal vor. Figur 1 zeigt den Aufbau dieses Lichtstrahl-Ablenkers. Ein Diodenlaser 1, 2 hat eine laterale Moduseinschlußstruktur, vergleichbar mit einem herkömmlichen Einzelmoduslaser. Der Ausgangsstrahl 5 wird in einen Ablenker eingekoppelt, der neben dem Laser gebildet wird.
Der Ablenker hat eine Plattenwellenleiterstruktur (ein zweidimensionaler optischer Wellenleiter) und besteht aus einem holographischen Kollimator 3 und einem Gitterablenker 4. Der Ausgangsstrahl 5 des Lasers wird vom holographischen Kollimator 4 parallel ausgerichtet, so daß er in den Gitterablenker 4 eingekoppelt werden kann und im Plattenwellenleiter in einem von der Größe des Wellenleiters 2 im Laser und von den Brechungsindizes der entsprechenden Teile der Einrichtung festgelegten Winkel abgelenkt wird.
Die dielektrische Konstante Δ&epsi; der Wellenleiterstruktur kann periodisch geändert werden, um die Kopplungseffizienz festzulegen; unter der Annahme, daß die Y-Z-Ebene die Wellenleiterebene ist, läßt sie sich wie folgt dargestellen:
Δ&epsi; (x, y, z) = Σ Δ E q (x) exp (- j q K * r) (1)
wobei K = Ky ey + Kz ez (2)
und r = y ey + z ez (3)
K ist hier der Gittervektor, der von der Gitterkonstanten Λ ( K =K=2π Λ) bestimmt wird; ey und ez sind Einheitsvektoren in y- bzw. z-Richtung; und q ist die Beugungsgröße. Die Richtung der Gitterregeln wird von der Braggschen Bedingung wie folgt festgelegt:
β d sin Θ d = β i sin Θ i + q K sin φ (4)
und
β d cos Θ d = β i cos Θ + q X cos φ (5)
wobei βi und βd Modusausbreitungskonstanten des Auffall- bzw. Beugungsmodus sind; Θi und Θd sind die Auffall- bzw. Beugungswinkel des Laserstrahls im Gitter; und φ ist der Winkel zwischen dem Gittervektor und der Z-Achse.
Ein unterschiedlicher Wert der Modusausbreitungskonstante βd führt zu einem anderen Ablenkwinkel Θi. Der Ablenkwinkel hängt vom Brechungsindex ab, der von einem eingespeisten Strom gesteuert wird. Die Reaktionszeit auf eine Änderung des Brechungsindexes wird auf weniger als eine Nanosekunde geschätzt.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Aus der Figur geht hervor, daß der Gitterablenker 4 den Laserstrahl 5 ablenkt und der abgelenkte Strahl 6 zu einer Fokussierebene 7 geht. Die Figuren 4 (a) und 4 (b) sind Querschnitte entlang der Linie A- A' zweier alternativer Ausführungsbeispiele von Figur 1. In den Figuren 4 (a) und 4 (b) sind 19 und 26 modulations- dotierte MQW (Multipotentialkästen), deren Strukturen in Figur 2 gezeigt sind; 18, 20, 25 und 27 sind Plattierungsschichten an jeder Seite der MQWs 19 und 26, um einen optischen Plattenwellenleiter zu bilden.
Die in den Figuren 4 (a) und (b) gezeigten Mikrostrukturen werden mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) gebildet. Die Substrate 17 und 24 von n-GaAs (100) werden in beiden Strukturen (a) und (b) benutzt. Die unteren Teile der Substrate 17 und 24 bilden die Elektroden 16 und 23. Im Fall von Figur 4 (a) erfolgt die Entleerung des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) durch Umkehrung der Vorspannung des p- n-Übergangs, der aus einer n-Plattierungsschicht 18 und einer p-Plattierungsschicht 20 besteht. Eine p_GaAs-Deckschicht 21 stellt einen guten p-ohmschen Kontakt mit einer Elektrode 22 her. In der Struktur von Figur 4 (b) wird ein Schottky- Metallkontakt 28 auf einer undotierten Plattierungsschicht 27 gebildet. Dieser Schottky-Kontakt 28 führt ebenfalls zur Entleerung von 2DEG in der MQW-Struktur.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Banddiagramms einer modulations-dotieren Überstruktur mit einem leitenden Band 8 und einem geladenen Elektronenband 9, das durch MBE gebildet wurde. Donator-Verunreinigungen (Si) sind nur in der Grenzschicht (AlGaAs) 11 dotiert. Die zweidimensionalen Elektronen 12 in den GaAs-MQW-Schichten 10 kommen von Donatoren in den Grenzschichten. Die Kastenbreite beträgt 90 Å (90 x 10&supmin;¹&sup0;m) und die Breite der Grenzschicht beträgt 100 Å (100 x 10&supmin;¹&sup0;m).
Eine Änderung des Brechungsindexes des Gitterablenkers 4 wird auffolgende Art und Weise erreicht: Figur 3 zeigt die Absorptionsspektren der beiden in Figur 4 (a) und (b) gezeigten modulations-dotierten MQW-Strukturen. Die gestrichelte Linie 14 (b) ist das Absorptionsspektrum der MQW-Schicht ohne elektrische Vorspannung.
Wenn eine ausreichend negative Vorspannung durch die Schottky- Elektrode 28 oder den p-n-Übergang 21, 22 angelegt wird, werden die Elektronen in den MQW-Schichten vollständig entleert. Mit anderen Worten heißt dies, daß die zweidimensionalen Elektronen 12 aus den MQW-Schichten entfernt werden. In diesem Fall zeigt die durchgehende gestrichelte Linie 14a das Absorptionsspektrum der modulations-dotierten MQW-Schichten an. Die Spitze 15 auf der Niedrigenergieseite entspricht der Exciton-Absorption. Wenn die Vorspannung der Schottky- Elektrode 28 jedoch positiv ist (oder wenn keine Vorspannung am p-n-Übergang 21, 22 vorhanden ist), können die zweidimensionalen Elektronen 12 weiterhin in der MQW-Schicht bleiben und beeinflußen das Absorptionsspektrum wie anhand der gestrichelten Linie 14b in Figur 3 ersichtlich ist. Eine typische Konzentrierung zweidimensionaler Elektronen ohne Vorspannung ist 2 x 10¹¹cm&supmin;² in jeder Schicht, wodurch Excitone in den MQW-Schichten gebleicht werden.
Der Brechungsindex der MQW-Schichten ändert sich entsprechend der Änderung im Absorptionsspektrum durch die Kramers-Kronig- Beziehung. Eine erhebliche Änderung im Brechungsindex kann daher nahe bei der Exciton-Absorptionsspitze 15 erwartet werden.
Eine Änderung des Ablenkwinkels kann für eine modulations- dotierte MQW-Schicht von 90 Å (90 x 10&supmin;¹&sup0;m) ± 1 Grad betragen. Figur 6 zeigt die Beziehung zwischen der Brechungsindexänderung und der Winkeländerung des reflektierten Strahls, wenn der in Figur 1 dargestellte Lichtstrahl- Ablenker verwendet wird. Bei einem Auffallstrahlwinkel auf das Gitter von 45º beträgt der Ausgangsstrahlwinkel -76,03º im TE&sub0;-Modus, wo die Wellenleiterstruktur 4 1 um dick ist.
Der gezeigte monolithische, integrierte Lasterstrahlablenker wird durch MBE auf einem n-GaAs-Substrat 29 gebildet (siehe Figur 5). Zuerst wird eine n-AlGaAs-Plattierungsschicht 30 1 um aufwachsen gelassen, danach die in Figur 2 gezeigte modulations-dotierte MQW-Struktur 31 um 0,1 um und zuletzt die p- AlGaAs-Schicht 32 um 0,2 um (siehe Figur 5(b)).
Danach wird eine Gitterlinse 33 und ein Ablenkgitter 34 auf der Schicht 32 durch Elekronenstrahllithographie und ein chemisches oder Trockenätzverfahren gebildet (Figur 5(c)). Anschließend wird der Wafer in eine MBE-Kammer gelegt, wo eine p-AlGaAs-Plattierungsschicht 35 mit einer Dicke von 0,1 um sowie eine p-GaAs-Deckschicht (nicht gezeigt) gebildet wird.
Die Ionenimplantation 36 (siehe Figur 5 (d)) in den Bereichen 2 und 4 von Figur 5 (a) kann - gefolgt von einem schnellen Glühverfahren - zu einer pn-Vorwärtsspannung für den Laserdiodenbereich 2 oder einer pn-Sperrvorspannung für den Strahlablenkbereich 4 führen. Um einen lateralen Einzelmoduseinschluß für die Laserdiode zu erzielen, wird Zn wie in den Figuren 5 (e) und (f) gezeigt im Bereich 41 zerstreut. Die Zn-diffundierten Teile der MQW-Struktur werden durch diffusions-induzierte Unordnung von MQW zu Mischlegierungskristallen von AlGaAs .
Lediglich der Kanal der MQW-Schicht zwischen den Zn-diffundierten Bereichen wird zum optischen Wellenleiter der Laserdiode 42. Ein SiO&sub2;- und SiN-Passivierungsfilm wird auf dem Wafer abgelegt und eine Elektrode 44 (für die Laserdiode) sowie 46 (für den Ablenker) wird durch ein herkömmliches Verfahren für die p-Elektrode gebildet (siehe Figuren 5 (g) und (h)).
Zusätzlich wird durch Kürzung des Wafer um ca. 120 um durch mechanisches und chemisches Ätzen eine n-Seite-Elektrode 45 gebildet (Figur 5 (g)). Spalt-, Anzeichnungs- und Bonding- Verfahren werden mit Hilfe herkömmlicher Methoden zur Laserdiodenherstellung durchgeführt.
Der Laser 1, 2 hat einen Laser-Schwellenstrom von 25 mA und oszilliert bei 790 nm bei einer Ausgangsleistung von 30 mW. Der Laser-Ausgangsstrahl wird von der Gitterlinse 3 parallel ausgerichtet und vom Gitterablenker 4 in einem Auffallwinkel von 45º abgelenkt. Der abgelenkte Strahl 6 von der Seitenkante der Einrichtung wurde durch eine externe zylindrische Linse gemessen, deren Brennpunktebene senkrecht zur Ebene des Plattenwellenleiters lag.
Die Strahlablenkoperation wurde durch Ändern der externen elektrischen Vorspannungen des Ablenkers von 4 auf -1,4 V bei der Schottky-Elektrodeneinrichtung erzielt. Die Strahlablenkeigenschaften sind in Figur 6 zu sehen und weisen eine ideale Linearität zwischen der Brechungsindexänderung und dem Winkel des abgelenkten Strahls auf.
Figur 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Die einzigen Unterschiede bestehen in der Wellenlänge der Laserdiode und der Form der Ausgangskante 47 des Strahlablenkteils in Figur 7. Die Laser-Wellenlänge beträgt 720 nm mit einem Schwellenstrom von 30 mA. Die Ausgangskante hat eine zylindrische Form, deren mittlere Achse durch den Punkt geht, an dem der Laserstrahl vom Ablenker 4 abgelenkt wird. Diese Form wurde durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von C&sub2;-Gas gebildet.
Bei einem Strahlablenkwinkel von ± 0,8º wurde eine Strahlablenkgeschwindigkeit von 1 GHz erreicht.
Die Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung von Figur 7 kann für einen Laserstrahl-Drucker verwendet werden. Der Strahl kann in einer Richtung senkrecht zur Texterzeugungsrichtung abgelenkt werden. Ein sich drehender Polygonalspiegel kann zur Ablenkung des Strahls entlang der Texterzeugungsrichtung benutzt werden. Durch die Verbindung von zwei Ablenkrichtungen können Operationen doppelt so schnell wie mit herkömmlichen eindirektionalen Ablenkern durchgeführt werden.
Die hier beschriebenen Lichtstrahl-Ablenker ermöglichen einen nicht-mechanischen Lichtstrahl-Ablenker, der mit einer Ablenkgeschwindigkeit größer als Gigahertz arbeiten kann. Der Ablenker kann nicht nur bei Laserstrahldruckern zum Einsatz kommen, sondern auch bei optischen Routing-Einrichtungen, die bei der optischen Datenverarbeitung eine große Rolle spielen.
Die Form des Strahls und die Linearität des Ablenkwinkels sind im Vergleich zu bekannten Einrichtungen hervorragend.

Claims

1. Ein Lichstrahl-Ablenker mit

einer Halbleiter-Lichstrahlablenkeinrichtung, die ein Auflicht (5) empfängt und über einen Dünnfilm- Planarwellenleiter aus Halbleitermaterial sowie Elektroden (16, 22; 23, 28) verfügt, die ein variables elektrisches Feld über den Wellenleiter anlegen, wodurch der Brechungsindex des Wellenleiters variiert wird, so daß der Auflichtstrahl in einem variablen Winkel innerhalb der Ebene des Planarwellenleiters abgelenkt wird,

wobei der Ablenker dadurch gekennzeichnet ist, daß

der Planarwellenleiter eine Überstruktur und eine Dauergitterablenkstruktur (4) umfaßt, sowie

die Elektroden (16,22; 23,28) so angeordnet sind, daß sie das variable elektrische Feld über die Überstruktur an die Stelle des Gitterablenkers induzieren können.

2. Ein Lichstrahl-Ablenker nach Anspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dünnfilm-Wellenleiter modulations-dotierte Multipotentialkastenschichten (19; 26) umfaßt, die auf einem Substrat gebildet werden, sowie zwei Elektroden zum Anlegen einer Vorspannung an die Multipotentialkastenschichten.

3. Ein Lichstrahl-Ablenker nach Anspruch 2, der dadurch gekennzeichnet ist, daß eine der Elektroden zwei Halbleiterschichten (21,22) umfaßt, die einen p-n- Übergang bilden.

4. Eine Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung mit einem Lichtstrahl- Ablenker nach einem der oben genannten Ansprüche sowie einer Laserquelle (1, 2).

5. Eine Lichtstrahl-Ablenkeinrichtung nach Anspruch 4, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Lichtstrahl-Ablenker und die Laserquelle beide in derselben Halbleitereinrichtung gebildet werden.