CN1060579C - 使用垂直空腔表面发射激光二极管的光学拾波器 - Google Patents

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Abstract

一种用一个垂直空腔表面发射激光二极管代替边缘发射激光二极管的光学拾波器。在由垂直空腔表面发射激光(VCSEL)二极管构成的光源和光检测器集成在单一基片上时，通过去除用作光检测器的垂直空腔表面发射激光二极管的上反射镜层的部分或全部，可以获得一个具有小像散性和优良特性的激光束，并且采用相同的方法，通过以高的灵敏度探测由光盘反射的光，可以明显地减少光的损失。

Description

使用垂直空腔表面发射激光二极管的光学拾波器
本发明涉及一种光学拾波器，特别涉及使用一个垂直空腔表面发射激光(VCSEL)二极管作光源的光学拾波器。
图1显示用在激光盘片(CD)播放机中的一个常规全息光学拾波器的光学系统结构的原理图。常规的光学拾波器包含一个印刷电路板(PCB)1，一个装在印刷电路板1上的子固定件2，一个作为光源固定于子固定件2侧面的边缘发射激光二极管3，一个用于检测来自边缘发射激光二极管3光输出的固定于子固定件2侧面的光电二极管8，一个用于检测由边缘发射激光二极管3发射的和从盘片7反射的光的装在印刷电路板1上的光测器4，一个用于透射由激光二极管3发射的光和折射由盘片7反射的光的全息图器件5，以及一个用于聚焦来自全息图器件5的光从而能够读出盘片7的一条轨迹上的信息的物镜6。
上述的一个激光盘片唱机的常规光学拾波器工作如下。首先，由激光二极管3发射的并具有多种偏振方向的激光束，在通过全息图器件5时改变成平行光。入射到物镜6上的平行光被聚焦并入射到盘的一条轨迹上。入射到轨迹上的激光束根据记录在轨道上的信息改变其偏振方向而被反射，通过物镜6然后入射到全息图器件5上。由此，反射光被衍射到光检测器4，从而检测到关于载在盘片上的信息、聚焦误差和跟踪误差的信号。
然而，在常规光学拾波器中，由于边缘发射激光二极管3固定于子固定件2上，光轴难以与全息器件5对准。还因为需要一个分立的子固定件2和印刷电路板上光检测器4的对准，安装过程是慢的。
此外，边缘发射激光二极管发射一束具有强像散性的椭圆形光，因此正确地用光检测器4探测跟踪误差信号是困难的，而且在激光束通过光学系统时到达盘片表面的光的强度也被减弱。
本发明的一个目的是提供一种光学拾波器，该光学拾波器使用集成在单一基片上的一个光源和一个光检测器，从而能相当好地探测从唱片反射的光，并且该光学拾波器具有小的像散性，从而能减少光学系统中光强度的损失。
为了达到以上目的，提供一个根据本发明的全息光学拾波器，其包含：一个由垂直空腔表面发射激光(VCSEL)二极管组成的光源，一个由垂直空腔表面发射激光二极管组成的用于探测从光盘反射的光的光检测器，一个在其上集成有光源和光检测器的芯片，一个用于将由光源发射的光改变为偏振平行光和用于衍射由盘片反射的光到光检测器的全息图器件，以及一个用于将透射通过全息图器件的光聚焦在光盘片上的物镜，其中用作光源的垂直空腔表面发射激光二极管其构成有：下反射镜层、在下反射镜层上的下隔层、在下隔层上面的激活层、在激活层上面的上隔层、在上隔层上面的上反射镜层，而作为光检测器的垂直空腔表面发射激光二极管的构成相同于光源。
一个反向偏置电压加在光检测器上。
本发明的以上目的和优点通过参考附图详细说明一个最佳实施例将显得更加清楚。附图有：
图1是一个常规全息光学拾波器的光学系统原理图；
图2是申请人提出的使用一个垂直空腔表面发射激光二极管的一个全息光学拾波器的光学系统原理图；
图3是图2所示的集成在单一芯片上的垂直空腔表面发射激光二极管和光检测器的透视图；
图4A和4B分别表示一个边缘发射激光二极管和一个垂直空腔表面发射激光二极管的输出光束；
图5是图3的垂直空腔表面发射激光二极管的放大剖视图；
图6是使用根据本发明的垂直空腔表面发射激光二极管的全息光学拾波器的光学系统原理图；
图7是图6所示的集成在单一芯片上的垂直空腔表面发射激光二极管和光检测器透视图；
图8是一个表示垂直空腔表面发射激光二极管的垂直向晶体生长图；以及
图9是一个表示垂直空腔表面发射激光二极管中部正弦波强度分布图。
图2所示的光学拾波器包括：在单一基片1′上的一个垂直空腔表面发射激光二极管3′和一个用于检测反射光的光检测器4′，该基片1′固定在印刷电路板1上；一个全息图器件5′用于将由垂直空腔表面发射激光二极管3′发射的光改变为平行光和衍射由盘片7反射的光；以及一个物镜6，用于将来自全息图器件5的平行光聚焦到盘片7的轨迹上。
使用垂直空腔表面发射激光二极管的激光盘片播放机的光学拾波器的工作如下。首先，一个由激光二极管3′发射的具有多种偏振方向的激光束通过全息图器件5变成平行光，而后入射在物镜6上。入射在物镜6上的平行光被聚焦并入射在盘片的轨迹上。当入射在轨迹上的偏振激光束从盘片反射时，偏振方向随记录在轨迹上的信息变化。然后，光束通过物镜6并衍射离开全息图器件5。衍射的光入射到光检测器4′上，光检测器4′将来自盘片7的衍射光转换成电信号。
跟踪特性(误差的探测)和聚焦特性能通过使用垂直空腔表面发射激光二极管发射的单一模式并具有小的像散性的光来改善。即，如图4B所示，由垂直空腔表面发射激光二极管3′发射的光是圆形的，有单一模式，并且比之常规边缘发射激光二极管3(图4A)发射的光有较小的像散性，因此减少了光的散射，从而降低光学系统中光损失。
在上述光学拾波器中，因为光源3′和光检测器4′能在单一过程中生成，增进了生产率。并且由于两个器件由相同的垂直空腔表面发射激光二极管组成，在组合过程中能同时控制两个器件的光轴。即，垂直空腔表面发射激光二极管不仅能用作光源、而且也能用作光检测器。垂直空腔表面发射激光二极管能用作光探测器是通过利用施加一个反向偏置电压于垂直空腔表面发射激光二极管产生的吸收增加效应和通过用于光激射的多次反射镜产生的吸收增强效应来克服由于一个约为100的薄吸收层引起的光吸收效率减少来实现的。相应地，光源和光检测器可以有相同的结构和共用相同的印刷电路板，所以允许两个器件在单一基片上集成。
图3分别表示垂直空腔表面发射激光二极管3′和光检测器4′，二者共有相同的结构，并在一个单一基片上形成。在此，一个反向偏置电压加到光检测器4′以防止激光被发射。
在图5中，用作光源和光检测器的一种MBE(分子束取向附生)型垂直空腔表面发射激光二极管包含有：由n-GaAs层和n-AlAs层交替层叠构成的下反射镜层13，由n-AlxGa1-xAs构成的下隔层14，由i-InyGa1-yAs构成的激活层15，由p-AlxGa1-xAs构成的上隔层16，以及由p-AlAs层和P-GaAs层按前述次序交替层叠构成的上反射镜层17。
MBE型表面发射激光二极管用MBE方法生成，并如普通激光二极管那样大致分成两个反射镜和一个激活层。激活层15、即光发射部分由四个砷化镓(GaAs)量子阱(well)构成，每一个有100的厚度，总的厚度为400，由此发射8500波长的光。在一个Fab-ry-Perot腔的中部，量子阱通过其位于有最大光波幅度的部分能有效地影响激光发射方式。由四个量子阱可得到的激光最大增益约为0．01，所以下反射镜13和上反射镜17的反射率至少应为99％。并且下反射镜13是硅搀杂的，而上反射镜17是铍搀杂的(P型)。在铍搀杂型式，上面部分被控制成比下面部分有较大的搀杂浓度。激光发射波长由下隔层14和上隔层16的厚度确定。
使用上述垂直空腔表面发射激光二极管的光学拾波器有一个优点是，用作光源和光检测器的半导体器件能在单一过程中生成。但是，通过在其上施加一个反向偏置电压而用作光检测器的垂直空腔表面发射激光二极管在其上面部分包含一个具有高于99．6％反射率的布喇格(Bragg)镜。因此，由于从盘片到达光检测器激活层的反射光的减少的比率，信号检测会是困难的。
在图6、7和9中，参考号数与图2、3和5的相同的表示相同的元件。
参考图6，一个使用根据本发明的表面发射二极管的全息光学拾波器包括：一个印刷电路板1；一个半导体基片1′，一个用作光源的垂直空腔表面发射激光二极管63和光检测器64集成在该基片上；一个全息图器件5；以及一个聚焦透镜6。图7是一个根据本发明的有激光二极管和光检测器集成在单一基片上的器件的放大透视图。
参考图7，一个MBE型表面发射激光二极管63包含有：由n-GaAs层和n-AlAs层交替层叠构成的下反射镜层13，由n-AlxGa1-xAs构成的下隔层14，由i-InyGa1-yAs构成的激活层15，由p-AlxGa1-xAs构成的上隔层16，以及由p-AlAs层和p-GaAs层按前面所述次序层叠成的上反射镜层17。
如上所述，MBE型表面发射激光二极管用分子束取向附生(MBE)方法生成，如在普通激光二极管中那样大致分成两个反射镜和一个激活层。激活层15即光发射部分由四个砷化镓量子阱构成，每一个量子阱有约100的厚度，总的厚度为400，因此能发射8500波长的光。在一个Fabry-Perot空腔的中部，量子阱通过其位于有最大光波幅度的部分能有效地影响激光发射方式。由四个量子阱可得到激光最大增益约为0．01。所以下反射镜13和上反射镜17的反射率应至少为99％。并且，下反射镜层13是硅一搀杂的，而上反射镜层17是铍一搀杂的(P型)。在铍搀杂型式，上面部分被控制成比下面部分有较大的搀杂浓度。激光发射波长可通过控制下隔层14和上隔层16的厚度来确定。
光检测器64通过从垂直空腔表面发射激光二极管63蚀刻去上反射镜层17的一部分或全部来构成。由于这样做，通过光检测器64上部反射率明显减少，能增加到达光检测器并转换成电信号的光的强度。由于增加了光检测器的灵敏度，产品的可靠性明显地增加，亦即信息的再现更为准确。
本发明的另一实施例中，光检测器不是由垂直空腔表面发射激光二极管构成，代之以光电二极管构成。当检测器由光电二极管构成时，驱动方法变得简单，因为不需要施加反向偏置电压。
用作光源的垂直空腔表面发射激光二极管63的垂直向晶体生长有图8所示的结构，而用作光检测器64的表面发射激光二极管的垂直向晶体生长有这样的结构，其中铍搀杂上反射镜层的一部分或全部从图8所示的结构中去除。正弦波强度分布表示在图9中。
如上所述，在根据本发明的全息光学拾波器中，通过除去用作光检测器的垂直空腔表面发射激光二极管的上反射镜层的一部分或全部可能获得具有小像散性和优良特性的激光束。当光源和垂直空腔表面发射激光二极管构成的光检测器集成在单一基片上时，由光盘反射的光的强度损失明显减少。

Claims (4)

1．一种光学拾波器包括：
一个由垂直空腔表面发射激光(VCSEL)二极管构成的光源；
一个由垂直空腔表面发射激光二极管构成的光检测器，用于探测从光盘反射的光；
一个芯片，有上述光源和上述光检测器集成在其上；
一个全息图器件，用于将由上述光源发射的光改变为偏振平行光和用于将由光盘反射的光折射到上述光检测器；以及
一个物镜，用于将通过上述全息图器件透射的光聚焦到光盘上；
其中，用作所述光源的所述垂直空腔表面发射激光二极管的构成有：一个下反射镜层，一个在所述下反射镜层上的下隔层，一个在所述下隔层上的激活层，一个在所述激活层上的上隔层，一个在所述上隔层上的上反射镜层，并且用作所述光检测器的所述垂直空腔表面发射激光二极管的构成与所述光源相同。
2．根据权利要求1的光学拾波器，其中一个反向偏置电压加到所述光检测器。
3．根据权利要求1的光学拾波器，其中所述芯片的上和下反射镜层由具有多层结构的多次反射器构成。
4．根据权利要求1的光学拾波器，其中所述的光检测器由一个光电二极管构成。
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