DE68908473T2

DE68908473T2 - Optischer Teil, optische Anordnung und drehbarer Kodierer mit diesem Teil.

Info

Publication number: DE68908473T2
Application number: DE89109636T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Koyanagi; Hiroyuki Minemura; Shinji Ohyama; Yoshio Sato; Nobuyoshi Tsuboi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-05-30
Also published as: JP2736894B2; AU3520589A; EP0343688A3; EP0343688B1; CA1318399C; EP0343688A2; US4978187A; DE68908473D1; AU603298B2; JPH01300438A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element für die Aufzeichnung, die Löschung und die Wiedergabe von Informationen auf ein bzw. von einem Informationsaufzeichnungsmedium wie etwa einer optischen Platte und auf eine Einrichtung mit einem solchen optischen Element.
In Fig. 20 ist ein herkömmliches optisches Element, genauer ein herkömmlicher Aufnehmer vom Wellenleitertyp, der in einer optischen Platte verwendet wird und dem Oberbegriff des Anspruches 1 entspricht, gezeigt. Dieses Beispiel ist in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 61-296540 gezeigt. Fig. 20 zeigt einen Halbleiterlaser 10, ein Substrat 20, eine Wellenleiterschicht 40, eine dielektrische Schicht 30 zwischen dem Substrat 20 und der Wellenleiterschicht 40, eine Platte 50, Signal-Pits 52, einen Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, einen Strahlteiler 80, einen lichtfokussierenden und - bündelnden Gitterkoppler 90, der als Lichtweg-Änderungseinrichtung verwendet wird.
Der optische Aufnehmer vom Wellenleitertyp wird folgendermaßen hergestellt. Die dielektrische Schicht 30 wird auf dem Substrat 20 mittels Oxidation, Dampfabscheidung oder dergleichen gebildet. Ferner ist die Wellenleiterschicht 40 durch Dampfabscheidung oder durch Kathodenzerstäubung gebildet. Der Strahlteiler 80, der das lichtbündelnde Gitterkoppler 90 und dergleichen werden auf der auf der Wellenleiterschicht 40 gebildeten anderen dielektrischen Schicht mittels eines photolithographischen Prozesses, eines Elektronenstrahl-Belichtungsprozesses oder eines Plasmaätzprozesses gebildet.
Nun wird der Betrieb des herkömmlichen optischen Aufnehmers vom Wellenleitertyp mit dieser Struktur erläutert. Der vom Halbleiterlaser 10 emittierte Laserstrahl 60 pflanzt sich durch die Wellenleiterschicht 40 in den Strahlteiler 80 fort. Ein Strahl nullter Ordnung, der nicht gebeugt worden ist, wird mittels des lichtbündelnden Gitterkopplers 90 auf das Signal-Pit 52 auf der Platte 50 fokussiert oder gebündelt. Ein von der Platte 50 reflektierter Strahl wird erneut mittels des lichtbündelnden Gitterkopplers 90 in die Wellenleichterschicht 40 eingeleitet und wird zu mittels des Wellenleiters geführtem Rückkehrlicht, das sich in einer Richtung fortpflanzt, die dem Emissionsstrahl entgegengesetzt ist, und das in den Strahlteiler 80 eingeleitet wird, der aus zwei lichtfokussierenden oder bündelnden Gittern zusammengesetzt ist, um den mittels des Wellenleiters geführten Rückkehrstrahl in zwei Hälften zu unterteilen, die in die Lichtdetektoren 70 eingeleitet werden. Die Detektoren 70 befinden sich beiderseits der Lichtquelle 10. Auf jeder Seite ist der Detektor 70 in zwei Teile unterteilt und wird für die Aufnahme des Fokussierungsfehlersignals, das erzeugt wird, wenn der Laserstrahl 60 vom Halbleiterlaser 10 auf die Platte projiziert wird, und des Spurverfolgungsfehlersignals und für die Wiedergabe der Aufzeichnungsinformation auf dem Signal-Pit 52 verwendet. Fig. 20 zeigt einen Fall, in dem der Spurverfolgungsfehler mittels eines Foucault-Verfahrens oder eines Gegentakt-Verfahrens erfaßt wird. Die genaue Erläuterung hiervon wird weggelassen, weil diese Verfahren bekannt sind und für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich sind.
Eine Zugriffszeit eines Informationsaufzeichnungsmediums wie etwa einer optischen Platte, die eine Speichereinrichtung mit großer Kapazität darstellt, wird im allgemeinen dadurch bestimmt, wie schnell der optische Aufnehmer von einem Linearmotor bewegt werden kann. Die Geschwindigkeit des Aufnehmers hängt von seinem Gewicht ab. Um daher die Zugriffszeitverzögerung zu verringern, sind Versuche unternommen worden, dem Aufnehmer ein geringes Gewicht und eine kleine Größe zu verleihen. Daher sind die Forschungen und die Entwicklung eines integrierten optischen Aufnehmers vom Wellenleitertyp fortgesetzt worden.
Wenn andererseits in einem optischen Aufnehmer ein von einer Plattenoberfläche reflektierter Lichtstrahl zur Lichtquelle zurückgeführt wird, dient die Plattenoberfläche als externer Resonator, der den Oszillationszustand der Lichtquelle instabil macht, was eine Absenkung des S/R-Verhältnisses (Signal-/Rausch-Verhältnis) des wiedergegebenen Signals zur Folge hat. Daher wird in einem allgemein verwendeten optischen Aufnehmer eines Typs für große Datenmengen das zur Lichtquelle zurückkehrende Licht beispielsweise durch die Kombination eines Viertelwellenlängen-Plättchens und eines Polarisationsstrahlen- Teilers verhindert.
Bei jedem optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp, der vorgeschlagen worden ist, besteht jedoch ein ernsthaftes Problem. Das primäre gebeugte Licht oder Beugungslicht erster Ordnung des Strahlteilers im mittels eines Wellenleiters geführten Rückkehrlicht kann zwar in den Lichtdetektor 70 gebündelt werden, das Beugungslicht nullter Ordnung kehrt jedoch zum Halbleiterlaser 10 zurück. Daher besteht beim optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp das Problem, daß das S/R-Verhältnis des wiedergegebenen Signals abgesenkt wird.
Angesichts der dem Stand der Technik eigentümlichen obigen Mängel ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element vom Wellenleitertyp wie etwa einen optischen Aufnehmer für eine optische Platte zu schaffen, das verhindern kann, daß Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt, wodurch eine Absenkung des S/R- Verhältnisses des Wiedergabesignals verhindert werden kann.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein optisches Element geschaffen, das umfaßt: einen Lichtwellenleiter für die Ausbreitung von Emissionslicht von einer Lichtquelle; eine Lichtweg- Änderungseinrichtung, um das Emissionslicht vom Lichtwellenleiter in einen Außenraum zu führen, das so geführte Emissionslicht auf ein Informationsaufzeichnungsmedium zu bündeln und reflektiertes Licht vom Informationsaufzeichnungsmedium in den Lichtwellenleiter einzuleiten; eine Strahlteilereinrichtung, die das mittels der Lichtweg-Änderungseinrichtung eingeleitete reflektierte Licht vom Lichtweg des Emissionslichts abzweigt und das abgezweigte Licht in die Lichterfassungseinrichtung einleitet, wobei das optische Element gekennzeichnet ist durch eine Filterungseinrichtung, die entweder dem TE-polarisierten Licht (transversale elektrische Welle oder S-polarisiertes Licht) oder dem TM-polarisierten Licht (transversale magnetische Welle oder P-polarisierte Welle) einen Durchgang ermöglicht, wobei die Filterungseinrichtung in einem Lichtweg von der Lichtquelle zur Lichtweg-Änderungseinrichtung angeordnet ist; und eine Polarisationsänderungseinrichtung zum Wechseln eines polarisierten Zustandes des Lichts, in dem das Licht durch diese Einrichtung in beiden Richtungen geschickt wird, wobei die Polarisationsänderungseinrichtung in einem Lichtweg zwischen der Strahlteilereinrichtung und dem Informationsaufzeichnungsmedium angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Lichtwellenleiter ein Dünnschicht-Lichtwellenleiter.
Vorzugsweise ist das Filter ein metallisch unterstützter Lichtwellenleiter, der aus einem leitenden Material hergestellt ist, das die Eigenschaft besitzt, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes durch das Material, d.h. eine Metallschicht, ein Strom fließt.
Die Polarisationsänderungseinrichtung besitzt Brechungsindizes, die für die TM-Polarisation und für die TE-Polarisation verschieden sind. Die Umschalteinrichtung kann aus einem Viertelwellenlängenplättchen, das ein anisotropes Kristall verwendet, oder aus einem Viertelwellenlängenplättchen, das aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist, gebildet sein.
Die Einrichtung zum Ändern des Lichtweges ist vorzugsweise aus einem lichtbündelnden oder -fokussierenden Gitterkoppler gebildet.
Vorzugsweise enthält die Lichtquelle einen Halbleiterlaser. Das Emissionslicht des Halbleiterlasers besitzt einen hohen Anteil der TE-Polarisationskomponente. Die Struktur, bei der Metallschichten parallel zur Oszillationsrichtung des elektrischen Feldes des Emissionslichtes angeordnet sind, wird als TE-Durchlaßfilter verwendet, um zu verhindern, daß TM-polarisiertes Licht durchgelassen wird.
Die Struktur, in der Metallschichten senkrecht zur Oszillationsrichtung des elektrischen Feldes des Emissionslichtes angeordnet sind, wird als TM-Durchlaßfilter verwendet, um zu verhindern, daß TE-polarisiertes Licht durchgelassen wird.
Vorzugsweise ist zwischen dem Filter aus der obenerwähnten Metallschicht und dem Wellenleiter eine Zwischenschicht angeordnet, deren Brechungsindex kleiner als derjenige des Wellenleiters ist.
In einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle zur Lichtweg- Änderungseinrichtung ist ein Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ vorgesehen, ferner kann in einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Polarisationstrahlteiler in einem Bragg-Winkel bezüglich des Polarisationsstrahlen- Teilers ein TE-Durchlaßfilter, das den Durchgang von TM- polarisiertem Licht verhindert, vorgesehen werden. Insbesondere in diesem Fall kann die Lichtquelle aus einem Halbleiterlaser gebildet werden, der TE-polarisiertes Licht emittiert, um das Filter selbst einzusparen.
Alternativ kann in einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Lichtweg-Änderungseinrichtung ein aus einem Oberflächenreflief-Hologramm aufgebauter Polarisationsstrahlen-Teiler vorgesehen werden, ferner kann als Filter zwischen der Lichtquelle und dem Polarisationsstrahlen-Teiler ein TM-Durchlaßfilter vorgesehen werden, um den Durchgang von TE-polarisiertem Licht zu verhindern. In diesem Fall wird der Polarisationsstrahlen-Teiler vorzugsweise so orientiert, daß das durch die Lichtweg-Änderungseinrichtung hindurchgegangene reflektierte Licht in einem Bragg-Winkel einfällt, damit es zu TE-polarisiertem Licht wird, so daß das Licht von der Lichtquelle mit höchstem Wirkungsgrad verwendet werden kann.
Wenn das Phänomen ausgenutzt wird, daß die Lichtabsorptionscharakteristik aufgrund einer Differenz oder einer Änderung der Schichtdicke der Halbleiterschicht umgekehrt wird, ist es möglich, eine Halbleiterschicht zu schaffen, mit der wahlweise entweder das TE-polarisierte Licht oder das TM-polarisierte Licht durchgelassen wird, wobei der Halbleiter in einem Lichtweg vom Informationsaufzeichnungsmedium zu den Lichtdetektoren angeordnet ist.
Der Licht-Gitterkoppler und/oder der Strahlteiler und/oder das Viertelwellenlängenplättchen können in derselben Ebene wie die Zwischenschicht zwischen der leitenden Schicht wie etwa einer Metallschicht und dem Lichtwellenleiter gebildet sein.
Im Lichtwellenleiter kann eine Wellenlängenwähleinrichtung angeordnet werden, die versehen ist mit einem ersten Lichtwellenleiter, in den die Lichtwelle von der Lichtquelle eingeleitet wird, einem zweiten Lichtwellenleiter, der vom ersten Lichtwellenleiter unabhängig ist, und zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter mit einem dritten Lichtwellenleiter in Form eines Kreisrings. Gleichzeitig kann über dem ersten, dem zweiten und dem dritten Lichtwellenleiter eine Metallschicht gebildet werden.
Das optische Element gemäß der vorliegenden Erfindung wird besonders vorteilhaft als optischer Aufnehmer verwendet.
Der optische Aufnehmer kann eine Zwischenschicht mit variablem Brechungsindex besitzen.
Außerdem kann jeder Typ des obenbeschriebenen optischen Aufnehmers als Einrichtung zum optischen Auslesen der Information aus dem Informationsaufzeichnungsmedium in verschiedenen Geräten wie etwa einem Laufwerk für optische Platten und einem Drehkodierer verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise die TM-polarisierte Komponente des Emissionslichts von der Lichtquelle unterdrückt, während die TE-polarisierte Komponente durch das Filter durchgelassen wird. Der Strahl wird mittels der Einrichtung zur Änderung des Lichtweges in den Außenraum geführt und mittels der Polarisationsänderungseinrichtung auf dem Informationsaufzeichnungsmedium gebündelt. Das Reflexionslicht wird erneut über die Polarisationsänderungseinrichtung und die Einrichtung zur Änderung des Lichtweges in den Lichtwellenleiter eingeleitet. In diesem Fall wird das TE-polarisierte Licht durch die Polarisationsänderungseinrichtung in das TM-polarisierte Licht umgewandelt und mittels des Strahlteilers aus dem Emissionslicht abgezweigt, um in die Lichtdetektoren eingeleitet zu werden, in denen die Information ausgelesen wird. In diesem Fall wird das Rauschen in dem über den Strahlteiler zur Lichtquelle sich fortpflanzenden Lichtstrahl durch das Filter ausgeblendet und tritt nicht in die Lichtquelle ein. Das heißt, daß verhindert wird, daß das Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt.
Die als Filter verwendeten Metallschichten, die parallel zum Lichtwellenleiter vorgesehen sind, dienen als TE- Durchlaßfilter oder als TM-Durchlaßfilter.
Wenn das Emissionslicht in einem Fall, in dem als Polarisationsänderungseinrichtung das Viertelwellenlängenplättchen verwendet wird, das TE-polarisierte Licht ist, ist das vom Informationsaufzeichnungsmedium reflektierte Licht das TM-polarisierte Licht. Somit erfüllt das Filter seine Funktion. Wenn hierbei das Viertelwellenlängenplättchen aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist, ist es möglich, die Anzahl der optischen Teile zu reduzieren, so daß das Element ein geringes Gewicht besitzt.
Wenn die Zwischenschicht vorgesehen ist, ist es möglich, eine Leistungsverschlechterung zu vermeiden, die durch die direkte Bereitstellung des Filters wie etwa einer Metallschicht bewirkt wird.
Wenn der Polarisationsstrahlen-Teiler verwendet wird, ist es möglich, die relative Position zwischen der Lichtquelle und den Lichtdetektoren zu verschieben und wirksamer zu verhindern, daß das Rauschen im Lichtstrahl zur Lichtquelle zurückkehrt. Wenn in diesem Fall der Halbleiterlaser für die Emission von TE-polarisiertem Licht als Lichtquelle verwendet wird, ist es möglich, das Filter einzusparen.
Da die Halbleiterschicht so verändert werden kann, daß sie entweder als TM-Durchlaßfilter oder als TE-Durchlaßfilter dient, wenn deren Dicke geändert wird, ist es möglich, durch Änderung der Dicke sicher zu verhindern, daß das Rauschlicht in die Lichtdetektoren eintritt.
Es ist möglich, die Schwankung der Oszillationswellenlänge der Lichtquelle wie etwa eines Halbleiterlasers mittels der Wellenlängenwähleinrichtung zu kompensieren.
Wenn der Brechungsindex der Zwischenschicht variabel ist, können das Extinktionsverhältnis und die in die Platte oder dergleichen eingegebene Lichtleistung variabel gestaltet werden.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, zu verhindern, daß das Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt, indem das Filter, das entweder das TE-polarisierte Licht oder das TM-polarisierte Licht durchläßt, mit der Polarisationsänderungseinrichtung kombiniert wird. Somit ist es möglich, einen optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp zu schaffen, mit dem eine Verschlechterung des S/R-Verhältnisses des Wiedergabesignals verhindert werden kann.
Wenn die Polarisationsänderungseinrichtung das aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ hergestellte Viertelwellenlängenplättchen ist, ist es möglich, die Anzahl der optischen Teile zu verringern und der gesamten Einrichtung ein geringes Gewicht zu verleihen.
Da das Filter aufgrund der Ausbildung der Zwischenschicht nicht direkt am Lichtwellenleiter befestigt ist, besteht keine Gefahr, daß die Eigenschaften des Wellenleiters während des Fertigungsprozesses verschlechtert werden.
Wenn der Polarisationsstrahlen-Teiler aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ hergestellt ist, ist es möglich, das Element mit erhöhter Beugungswirkung des Strahlteilers zu konstruieren. In diesem Fall wird die Nutzungseffizienz des Lichts erhöht. Außerdem ist es möglich, noch stärker zu verhindern, daß das Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt.
Wenn das aus einer oder mehreren Halbleiterschichten hergestellte Filter vor dem Lichtdetektor vorgesehen ist, ist es möglich, die Einleitung des Rauschlichts zu verhindern.
Wenn im Lichtwellenleiter die Wellenlängenwähleinrichtung vorgesehen ist, ist es möglich, das Problem wie etwa die Erzeugung einer Aberration in Verbindung mit der Veränderung der Oszillationswellenlänge der Lichtquelle zu vermeiden.
In den beigefügten Figuren:
sind die Fig. 1 und 2 ein Seitenaufriß bzw. eine Draufsicht, die einen allgemeinen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;
ist Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die einen Lichtwellenleiter mit einer Metallschicht zeigt, die auf einer Oberfläche des Wellenleiters gebildet ist;
ist Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, die einen Lichtwellenleiter zeigt, in dem zwischen die Metallschicht und die Wellenleiterschicht eine dielektrische Zwischenschicht mit niedrigem Brechungsindex eingesetzt ist;
ist Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Rückkehrlicht-Sperreinrichtung, die aus einer Kombination eines TE-Durchlaßfilters vom Wellenleitertyp mit einem Viertelwellenlängenplättchen aufgebaut ist;
sind die Fig. 6 und 7 schematische Ansichten zur Erläuterung eines Beugungsphänomens in dem Fall, in dem der Laserstrahl entsprechend der Wellenlänge in das Gitter eingeleitet wird;
ist Fig. 8 ein Graph, der die Rechenergebnisse der Beugungswirkung des Gitters für den Laserstrahl zeigt;
ist Fig. 9 eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der ein Viertelwellenlängenplättchen vom Gittertyp verwendet wird;
sind die Fig. 10 und 11 schematische Ansichten, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, in denen ein Polarisationsstrahlen-Teiler vom Gittertyp verwendet wird;
ist Fig. 12 eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines TM-Durchlaßfilters zeigt;
ist Fig. 13 eine schematische Ansicht, die einen Aufnehmer vom Wellenleitertyp zeigt, der ein TM-Durchlaßfilter gemäß der Erfindung verwendet;
ist Fig. 14 ein Graph, der die tatsächlich gemessenen Ergebnisse im Falle des eine Halbleiterschicht verwendenden TM-Durchlaßfilters vom Wellenleitertyp zeigt;
ist Fig. 15 eine schematische Ansicht eines optischen Aufnehmers vom Wellenleitertyp, der ein eine Halbleiterschicht verwendendes TM-Durchlaßfilter vom Wellenleitertyp verwendet;
ist Fig. 16 eine schematische Ansicht, die einen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der Erfindung zeigt, der eine Wellenlängenwähleinrichtung vom Wellenleitertyp verwendet;
ist Fig. 17 ein Seitenaufriß, der den Aufbau eines für den optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp geeigneten Wellenleiters der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung desselben zeigt;
ist Fig. 18 eine schematische Ansicht, die ein Gerät mit optischer Platte zeigt, die mit einem optischen Aufnehmer gemäß der Erfindung versehen ist;
ist Fig. 19 eine schematische Ansicht, die ein Drehkodierungssystem zeigt, das mit einem optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der Erfindung versehen ist;
ist Fig. 20 eine schematische Ansicht, die ein optisches System des herkömmlichen optischen Aufnehmers vom Wellenleitertyp zeigt;
ist Fig. 21 eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der Kopplungsprismen verwendet werden; und
ist Fig. 22 eine schematische Ansicht eines Systems, in dem der optische Aufnehmer der Erfindung auf ein Luftgleitelement aufgebracht ist.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 ein Prinzip beschrieben, auf dem die vorliegende Erfindung basiert.
Fig. 3 zeigt einen Lichtwellenleiter mit einer Metallschicht, die auf einer Oberfläche des Wellenleiters abgelagert oder abgeschieden ist. In Fig. 3 sind ein Substrat 20, eine Wellenleiterschicht 40, ein Laserstrahl 60 und eine Metallschicht 100 gezeigt.
Wenn im allgemeinen ein stark lichtbrechendes Medium (Wellenleiterschicht) mit einem schwach lichtbrechenden Medium (Schutzschicht) überzogen ist, kann sich die Lichtwelle durch die Wellenleiterschicht ausbreiten, wenn ein Einfallswinkel der Lichtwelle auf einen kleinen Winkel begrenzt ist. In dem in Fig. 3 gezeigten Wellenleiter ist die Wellenleiterschicht zwischen das Substrat und eine Luftschicht eingesetzt. In diesem Fall ist die geführte oder geleitete Schwingungsart der Lichtwelle dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur ein elektromagnetisches Feld an einer Grenzfläche zwischen der Wellenleiterschicht und der Schutzschicht nicht totalreflektiert wird, sondern daß das elektromagnetische Feld eine mit Dämpfungsfeld bezeichnete Feldkomponente besitzt, die in die Schutzschicht eindringt, wobei die Lichtwelle aufgrund der Goos-Hänchen-Verschiebung bei der Reflexion verschoben wird. Das Dämpfungsfeld hat im wesentlichen dieselbe Tiefe oder Breite wie eine Wellenlänge des zu führenden Lichts. Der Lichtwellenleiter besitzt nämlich die Form einer Dünnschicht. In dem in Fig. 3 gezeigten Wellenleiter bilden das Substrat und die Luftschicht Schutzschichten. Ebenso kann außerhalb der Wellenleiterschicht anstatt einer lichtdurchlässigen, dielektrischen Schutzschicht (oberste Schicht) eine Metallschicht vorgesehen werden, was als Metallschutz bezeichnet wird.
Im Wellenlängenbereich des Lichts ist es möglich, das Metall als dielektrische Substanz anzusehen, die eine negative dielektrische Konstante und einen hohen Verlust besitzt. Daher fällt oder dringt das Dämpfungsfeld im obenbeschriebenen Wellenleiter, auf den der Metallschutz aufgebracht ist, in das Innere der Metallschicht ein, wobei das geführte Licht aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Dämpfungsfeld und der Metallschicht einem Ausbreitungsverlust unterworfen wird. Diese Eigenschaft ändert sich entsprechend dem Polarisationszustand des geführten Lichts, d.h. entsprechend der Differenz der Oszillationsrichtung des elektrischen Feldes der Lichtwelle. Da im Falle einer TM-Polarisation das elektrische Feld in der zur Metallschicht senkrechten Richtung oszilliert, ist die Verteilung des elektrischen Feldes des Dämpfungsfeldes derart, daß das Feld im wesentlichen an Positionen tief in der Metallschicht auftritt. Im Ergebnis wird die geführte Lichtwelle der Wirkung der Metallschicht unterworfen, wodurch der Verlust ansteigt. Da jedoch im Falle einer TE-Polarisation das elektrische Feld parallel zur Metallschicht oszilliert, ist der Verlust gering. Durch Ausnutzung dieses Phänomens ist es möglich, ein TE-Durchlaßfilter zu schaffen. Um die Wechselwirkung zwischen dem Dämpfungsfeld und der Metallschicht wirksam auszunutzen, wird die Dicke der Wellenleiterschicht vorzugsweise im wesentlichen gleich der Tiefe oder der Ausdehnung des Dämpfungsfeldes ausgebildet.
Die theoretische Behandlung von Durchlaßfiltern ist in verschiedenen Veröffentlichungen wie etwa "Optical Integrated Circuit", geschrieben von Hiroshi Nishihara, beschrieben. Hier werden nur die Ergebnisse erläutert. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß die Wellenlänge λ 1,3 um beträgt, das Metall Aluminium ist (&epsi;m = -114-j37), das Substrat ein Gleitglas ist (ns = 1,502), die Dicke des Wellenleiters T 8 um beträgt und eine geeignete Wellenleiterschicht vorgesehen ist, errechnet sich der Ausbreitungsverlust folgendermaßen. Der Ausbreitungsverlust in der TE-Mode beträgt 0,6 dB/cm, während der Ausbreitungsverlust in der TM-Mode 36 dB/cm beträgt. Wenn die Länge der Metallschicht 2 cm ist, wird ein Extinktionsverhältnis von mehr als 70 dB erhalten.
Fig. 4 zeigt einen Lichtwellenleiter, bei dem zwischen eine Metallschicht und eine Wellenleiterschicht eine dielektrische Zwischenschicht mit kleinem Lichtbrechungsindex eingesetzt ist, um die Wellenleiterschicht zu schützen und zu isolieren. In Fig. 4 sind ein Substrat 20, die Zwischenschicht 31, die Wellenleiterschicht 40, ein Laserstrahl 60 und die Metallschicht 100 gezeigt. Die Zwischenschicht dient dazu, die Wirkung der Metallschicht auf den geführten Strahl abzuschwächen. Auf die gleiche Weise wie in Fig. 3 ist die Wirkung der Zwischenschicht in der TM-Mode erheblich. Daher ist es möglich, ein TE- Durchlaßfilter selbst durch Hinzufügung der Zwischenschicht zu verwirklichen. Im allgemeinen ist selbst bei Einbringung der Zwischenschicht der Ausbreitungsverlust in der TM-Mode um den Faktor 10 oder mehr höher als in der TE-Mode. In der vorangehenden Ausführungsform ist die Zwischenschicht über der gesamten Oberfläche der Wellenleiterschicht ausgebildet. Es ist jedoch nicht immer erforderlich, die Zwischenschicht auf der gesamten Oberfläche der Wellenleiterschicht vorzusehen, vielmehr wäre es ausreichend, die Zwischenschicht nur zwischen der Metallschicht und der Wellenleiterschicht vorzusehen.
Fig. 5 zeigt einen grundlegenden Aufbau einer Einrichtung zur Verhinderung von Rückkehrlicht, die aus einer Kombination aus einem TE-Durchlaßfilter vom obenbeschriebenen Wellenleitertyp mit einem Viertelwellenlängenplättchen aufgebaut ist. In Fig. 5 sind ein Halbleiterlaser 10, eine Platte 50, ein Laserstrahl 60, Reflexionslicht 61, das TE-Durchlaßfilter 101 vom Wellenleitertyp und das Viertelwellenlängenplättchen 110 gezeigt. Der vom Halbleiterlaser 10 im Zustand der TE-Polarisation emittierte Laserstrahl 60 wird durch das TE-Durchlaßfilter 101 vom Wellenleitertyp durchgelassen, vom Viertelwellenlängenplättchen 110 in kreispolarisiertes Licht umgewandelt und in die Platte 50 eingeleitet. Wenn das Reflexionslicht 61 von der Platte 50 erneut das Viertelwellenlängenplättchen 110 passiert, wird das Reflexionslicht durch das TE- Durchlaßfilter 101 vom Wellenleitertyp absorbiert, da es vom Viertelwellenlängenplättchen 110 in TM-polarisiertes Licht umgewandelt worden ist. Somit kehrt das Rückkehrlicht nicht zum Halbleiterlaser 10 zurück. Bei einem solchen Grundaufbau ist es möglich, den optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp mit einer Einrichtung zur Verhinderung von Rückkehrlicht zu verwirklichen.
Nun werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 sind ein Seitenaufriß bzw. eine Draufsicht, die einen allgemeinen Aufbau eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen. In den Fig. 1 und 2 sind eine Lichtquelle 10, die aus einem Halbleiterlaser aufgebaut ist, ein Substrat 20, eine dielektrische Schicht 30, eine einen Lichtwellenleiter bildende Wellenleiterschicht 40, eine Platte 50, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein strahlteiler 80, ein Lichtweg-Änderungselement 90, das aus einem lichtbündelnden und -fokussierenden Gitterkoppler aufgebaut ist, ein aus Metall hergestelltes Filter 100 und ein Viertelwellenlängenplättchen 110 aus einem anisotropen Kristall gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die Metallschicht 100 an einer Position zwischen dem Halbleiterlaser 10 und dem Strahlteiler 80 auf einer Oberfläche der Wellenleiterschicht 40 vorgesehen, um ein in Verbindung mit Fig. 3 erläutertes TE-Durchlaßfilter zu bilden. Das Viertelwellenlängenplättchen 110 ist zwischen dem lichtbündelnden Gitterkoppler 90 und der Platte 50 angeordnet, um ein in Fig. 5 gezeigtes optisches System zur Verhinderung von Rückkehrlicht zu bilden. Wenn das vom Halbleiterlaser 10 emittierte Licht das TE-polarisierte Licht ist, ist es möglich, einen optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp zu schaffen, der die Einrichtung zur Verhinderung von Rückkehrlicht besitzt. Die Zwischenschicht (Pufferschicht) kann zwischen die Metallschicht und die Wellenleiterschicht eingesetzt sein, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn in diesem Fall der Brechungsindex unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Materials wie etwa eines Flüssigkristalls oder LiNbO&sub3; als Zwischenschicht geändert werden kann, können das Extinktionsverhältnis und die Bestrahlungsleistung auf die Platte wie gewünscht geändert werden.
Da übrigens in dem in Fig. 20 gezeigten Beispiel der Halbleiterlaser 10 außerhalb des Wellenleiterweges angebracht war, war der Eintrittsgrad in die Wellenleiterschicht 40 niedrig, außerdem war es schwierig, deren Anbringungsposition geeignet einzustellen. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung ist der Halbleiterlaser 10 auf dem Substrat ausgebildet und im Lichtwellenleiter angeordnet, wodurch der Lichtausnutzungsgrad gesteigert werden kann und die Einstellung der Anbringungsposition überflüssig wird. Es ist allgemein üblich, daß als Halbleiterlaser 10 ein GaAs-Laser mit Doppel-Heteroübergang oder mit Quantentopf-Struktur verwendet wird. Damit der Laser in der Wellenleiterschicht 40 stabil oszilliert, werden eine DFB-Struktur ("distributed feedback") oder eine DBR-Struktur ("distributed Bragg reflector") bevorzugt.
Das Verfahren zum Herstellen des Halbleiterlasers 10, das für die vorliegende Erfindung geeignet ist, enthält ein Verfahren zum Bilden einer lichtemittierenden aktiven Schicht auf einem GaAs-Substrat oder die Bildung der lichtemittierenden, aktiven GaAs-Schicht auf einem Si- Substrat mittels eines MBE-Prozesses oder eines MOCVD- Prozesses. In dem Fall, in dem das Si-Substrat verwendet wird, ist es von Vorteil, daß die Steuerschaltungen und dergleichen für den optischen Aufnehmer unter Verwendung eines IC- oder LSI-Fertigungsprozesses geeignet auf demselben Substrat integriert werden. In diesem Fall wird der Wellenleiter durch Abscheiden einer dielektrischen Schicht wie etwa SiO&sub2; (n = 1,446) und einer Wellenleiterschicht (n = 1,534) wie etwa Corning-7059-Glas in dieser Reihenfolge auf dem Si-Substrat gebildet.
Der Betrieb des Aufnehmers vom Wellenleitertyp gemäß der Ausführungsform ist gleich demjenigen des in Fig. 20 gezeigten herkömmlichen Beispiels, mit der Ausnahme, daß durch die Metallschicht 100 verhindert wird, daß das Rückkehrlicht zum Lichtquellen-Halbleiterlaser zurückkehrt, indem der Durchgang des TM-polarisierten Lichts unterbrochen oder verhindert wird.
Bevor eine weitere, in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform erläutert wird, wird deren Prinzip mit Bezug auf die Fig. 6 bis 8 beschrieben.
Die Fig. 6 und 7 sind schematische Ansichten zur Erläuterung eines Beugungsphänomens in dem Fall, in dem ein Laserstrahl in ein Gitter von der Größenordnung einer Wellenlänge desselben eintritt. In Fig. 6 bezeichnen das Bezugszeichen 60 einen Laserstrahl und das Bezugszeichen 85 ein Gitter. Fig. 6 zeigt einen Fall, in dem der Laserstrahl 60 in das Gitter 85 im Zustand der TE-Polarisation eingeleitet wird. Das elektrische Feld des Laserstrahls 60 oszilliert parallel zu den ausgesparten Rillen des Gitters 85. Andererseits zeigt Fig. 7 einen Fall, in dem der Laserstrahl 60 in das Gitter 85 im Zustand der TM-Polarisation eingeleitet wird. Das elektrische Feld oszilliert senkrecht zu den ausgesparten Rillen des Gitters 85. Die Länge des Pfeils entspricht der Wellenlänge des Laserstrahls 60. Wenn eine Schrittweite oder ein Abstandsintervall des Gitters 85 in der Größenordnung der Wellenlänge liegt, ist der Unterschied der Wechselwirkungen des Gitters 50 mit dem Laserstrahl 60 zwischen der TE-Polarisation und der TM-Polarisation erheblich. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird das TE-polarisierte Licht gebeugt, während, wie in Fig. 7 gezeigt ist, das TM-polarisierte Licht ohne Beugung durchgelassen wird.
Fig. 8 zeigt die Rechenergebnisse des Beugungswirkung des Gitters für den Laserstrahl, wie sie in Applied Optics, Bd. 23, Nr. 14 (1984), S. 2303 bis 2310, offenbart sind. In Fig. 8 ist η&sub1; der Wirkungsgrad der Beugung erster Ordnung, h ist die Höhe der Rillen des Gitters, d ist die Schrittweite der Rillen und λ ist die Wellenlänge des Laserstrahls. Wenn die Schrittweite d des Gitters gegenüber der Wellenlänge λ des Laserstrahls abnimmt (auf der Abszissenachse nach rechts), wird das TE-polarisierte Licht gebeugt, während das TM-polarisierte Licht wie gezeigt durchgelassen wird. Es ist außerdem bekannt, daß der Beugungwirkungsgrad maximal ist, wenn der Einfallswinkel auf den Bragg-Winkel gesetzt wird. Wenn dieses Phänomen ausgenutzt wird, ist es möglich, einen Polarisationsstrahlen-Teiler zu bilden, der aus einem Hologramm vom Gittertyp, d.h. vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist.
Ein solches Phänomen ist auf makroskopischer Ebene durch die Tatsache verständlich, daß der Brechungsindex des Gitters zwischen dem TE-polarisierten Licht und dem TM- polarisierten Licht als unterschiedlich angesehen werden kann. Dies ist der gleiche Sachverhalt wie bei dem optisch anisotropen Kristall. Daher ist es möglich, ein Viertelwellenlängenplättchen zu bilden, das aus dem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ hergestellt ist (s. beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 62-212940)
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der das obenbeschriebene Viertelwellenlängenplättchen vom Oberflächenrelief-Typ verwendet wird. In Fig. 9 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein Strahlteiler 80, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, eine Metallschicht 100 und ein Viertelwellenlängenplättchen 110, das aus dem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist, gezeigt.
Das Viertelwellenlängenplättchen 110 ist gemäß den obenbeschriebenen Eigenschaften des Gitters gebildet. Die Schrittweite des Gitters des Viertelwellenlängenplättchens 100 ist kleiner als eine Wellenlänge des Laserstrahls 60. Der Einfallswinkel des Laserstrahls 60 liegt im Einfallswinkelbereich von 45º bis 90º. Die Länge der Rillen des Gitters ist so gewählt, daß ein durch einen unterschiedlichen Brechungsindex zwischen dem TE-polarisierten Licht und dem TM-polarisierten Licht verursachter Gangunterschied gerade eine Viertelwellenlänge ist. Somit ist es möglich, sicherzustellen, daß die gleiche Wirkung wie mit dem Viertelwellenlängenplättchen des anisotropen Kristalls mit dem Viertelwellenlängenplättchen erhalten werden kann, das aus dem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ hergestellt ist.
Mit einem solchen Aufbau kann die Anzahl der optischen Teile reduziert werden, so daß das Gewicht des optischen Aufnehmers verringert und die Zugriffszeit verkürzt werden können.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der ein Polarisationsstrahlen-Teiler aus einem Hologramm vom Gittertyp, d.h. vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist. In Fig. 10 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein Strahlteiler 80, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, eine Metallschicht 100, ein Viertelwellenlängenplättchen 110 wie in Fig. 9 und ein Polarisationsstrahlen-Teiler 120 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die Gitter-Schrittweite des aus dem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ aufgebauten Polarisationsstrahlen-Teilers 120 kleiner als eine Wellenlänge des Laserstrahls 60, wodurch jegliches Beugungslicht, das vom Beugungslicht erster Ordnung verschieden ist, beseitigt wird. Außerdem wird das vom Halbleiterlaser 10 emittierte Licht der TE-Polarisation mit einem auf den Bragg-Winkel gesetzten Einfallswinkel eingeleitet, wodurch die Beugungswirkung erhöht wird.
Nun wird der Betrieb des optischen Aufnehmers vom Wellenleitertyp gemäß dieser Ausführungsform erläutert. Der vom Halbleiterlaser 10 emittierte Laserstrahl 60 ist das TE- polarisierte Licht und wird durch den Polarisationsstrahlen-Teiler 120 ohne Einfluß von der Metallschicht 100 gebeugt, um in das Viertelwellenlängenplättchen 110 eingeleitet zu werden. Der Laserstrahl, der durch das Viertelwellenlängenplättchen 110 in kreispolarisiertes Licht umgewandelt worden ist, wird von der Wellenleiterschicht 40 durch den lichtbündelnden Gitterkoppler 90 in einen Außenraum geführt und auf der Platte gebündelt oder fokussiert. Das Reflexionslicht von der Platte wird erneut durch den lichtbündelnden Gitterkoppler 90 in die Wellenleiterschicht 40 eingeleitet, wo es zu einem rückkehrenden, geleiteten Licht wird, das sich in einer zur Emissionsrichtung entgegengesetzten Richtung ausbreitet und in das Viertelwellenlängenplättchen 110 eingeleitet wird. Das durch das Viertelwellenlängenplättchen 110 in TM-polarisiertes Licht umgewandelte Rückkehrlicht wird durch den Polarisationsstrahlen-Teiler 120 durchgelassen und in die Strahlteiler 80 eingeleitet. Durch jeden Teiler 80 wird das Licht aufgeteilt, um auf den Lichtdetektoren 70 gebündelt zu werden.
Da gemäß dieser Ausführungsform die Strahlteiler 80 in einem Abstand vom Lichtweg vom Halbleiterlaser 10 zur Platte angeordnet werden können, ist es möglich, den Aufnehmer so zu konstruieren, daß die Beugungswirkung des Strahlteilers 80 erhöht wird, um den Lichtausnutzungsgrad zu erhöhen. Da außerdem das Emissionslicht vom Halbleiterlaser 10 schräg im Bragg-Winkel in den Polarisationsstrahlen-Teiler 120 eingeleitet wird, kehrt das Reflexionslicht nicht zum Halbleiterlaser 10 zurück, wodurch die Oszillation stabilisiert wird. Wenn der Halbleiterlaser TE-polarisiertes Licht emittiert, ist es möglich, die Metallschicht einzusparen, falls eine geringe Absenkung der Stabilität akzeptabel ist.
Nun wird die Funktion der Metallschicht 100 gemäß der Erfindung beschrieben. In dem Aufnehmer gemäß der vorliegenden Erfindung werden die optischen Elemente wie etwa das Viertelwellenlängenplättchen 110 und ein Polarisationsstrahlen-Teiler 120, deren Funktionen entsprechend dem Polarisationszustand der Lichtwelle geändert werden, verwendet, ferner ist die Konstruktion so, daß das Emissionslicht von der Lichtquelle das TE-polarisierte Licht ist. Wenn daher die Komponente des TM-polarisierten Lichts im Licht enthalten ist, wird ein Rauschen verursacht. Im allgemeinen enthält jedoch der Halbleiterlaser die TM-polarisierte Komponente. Das die Metallschicht 100 verwendende TE-Durchlaßfilter hinter dem Halbleiterlaser 10 ist vorgesehen, um die TM-polarisierte Komponente zu beseitigen. Außerdem kann der Polarisationsstrahlen-Teiler 120 vom Gittertyp oftmals kein so großes Extinktionsverhältnis wie der Teiler vom großvolumigen Typ besitzen, wie in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall dient die Metallschicht dazu, zu verhindern, daß das Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt.
In der Ausführungsform der Erfindung wird davon ausgegangen, daß das Emissionslicht vom Halbleiterlaser 10 das TE-polarisierte Licht ist. Das TM-polarisierte Licht kann ohne wesentliche Änderung der Grundstruktur verwendet werden. In diesem Fall wird jedoch der Polarisationsstrahlen-Teiler dem Emissionslicht vom Halbleiterlaser den Durchgang erlauben und das von der Platte reflektierte Licht beugen. Daher ist es notwendig, die Anordnung des optischen Systems zu ändern. Wenn in diesem Fall das Reflexionslicht in den Polarisationsstrahlen-Teiler im Bragg-Winkel eingeleitet wird, ist es möglich, die Beugungswirkung zu erhöhen. Dies wird genauer mit Bezug auf Fig. 11 erläutert.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, in der der Polarisationisstrahlteiler vom Gittertyp in dem Fall verwendet wird, in dem das Emissionslicht von der Lichtquelle das TM-polarisierte Licht ist. In Fig. 11 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, Metallschichten 100, ein Viertelwellenlängenplättchen 110 und ein Polarisationsstrahlen-Teiler 120 gezeigt.
Da das Licht von der Quelle das TM-polarisierte Licht ist, bilden die Metallschichten 100 das TM-Durchlaßfilter. Dies wird später in Verbindung mit den Fig. 11 und 12 genauer beschrieben. Der vom Halbleiterlaser 10 emittierte Laserstrahl 60 mit TM-Polarisation wird durch den Polarisationsstrahlen-Teiler 120 durchgelassen und durch das Viertelwellenlängenplättchen in kreispolarisiertes Licht umgewandelt, um auf der optischen Platte durch den lichtbündelnden Gitterkoppler 90 gebündelt zu werden. Das Reflexionslicht von der optischen Platte wird vom bündelnden Gitterkoppler 90 in die Wellenleiterschicht 40 eingeleitet und durch das Viertelwellenlängenplättchen 110 in TE-polarisiertes Licht umgewandelt. Das Licht wird in den Polarisationsstrahlen-Teiler 120 im Bragg-Winkel eingeleitet und in zwei Teile unterteilt, um in die Lichtdetektoren 70 geleitet zu werden. Bei diesem Aufbau dient der Polarisationsstrahlen-Teiler 120 nicht nur als Lichtstrahlteiler oder -trenner für das TE-polarisierte Licht und das TM-polarisierte Licht, sondern außerdem dazu, das Reflexionslicht von der optischen Platte zu den Lichtdetektoren 70 zu bündeln. Deshalb ist es möglich, einen der Strahlteiler im Vergleich zu der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform (im Falle der Quelle für TE-polarisiertes Licht) einzusparen. Selbstverständlich ist es möglich, ebenso die Strahlteiler 80 zu verwenden.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel eines TM-Durchlaßfilters, das als Teil des optischen Elementes der Erfindung verwendet werden kann. In Fig. 12 sind ein Substrat 20, eine dielektrische Schicht 30, eine Wellenleiterschicht 40 und Metallschichten 100 gezeigt. Wenn die Lichtwelle TM-polarisiert ist, oszilliert das elektrische Feld des Dämpfungsfeldes in einer Ebene parallel zur Wellenleiterschicht 40. Wenn daher die Metallschichten 100 in der gleichen Ebene wie die Wellenleiterschicht 40 parallel hierzu gebildet sind, wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird die TE-polarisierte Komponente der Lichtwelle, die durch die Wellenleiterschicht 40 verläuft, aus dem in Verbindung mit Fig. 3 dargestellten Grund erheblich gedämpft. Auf diese Weise kann ein TM-Durchlaßfilter verwirklicht werden. In dem TM-Durchlaßfilter vom Wellenleitertyp ist die dielektrische Schicht 30 auf dem Substrat 20 durch Oxidation, Dampfabscheidung oder Aufdampfen im Vakuum gebildet, während die Wellenleiterschicht 40 und die Metallschichten 100 durch Ionenimplantation oder thermische Diffusion gebildet sind. In diesem Fall können die Metallschichten 100 als gerichtete Koppler mit hohen Verlusten angesehen werden.
Außerdem ist in Fig. 12 die dielektrische Schicht 30 zwischen die Wellenleiterschicht 40 und die Metallschichten 100 eingesetzt. Es ist möglich, die Eigenschaften des TM- Durchlaßfilters zu ändern, indem die Dicke der dielektrischen Schicht 30 auf die gleiche Weise wie in Fig. 4 geändert wird.
Fig. 13 ist eine schematische Strukturansicht, die einen optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp zeigt, der das TM-Durchlaßfilter gemäß der Erfindung verwendet. In Fig. 13 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein Strahlteiler 80, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, Metallschichten 100 und ein dreidimensionaler Wellenleiter 140 von Fig. 12 gezeigt.
Das Emissionslicht vom Halbleiterlaser 10 ist TM-polarisiert. Die Metallschichten 100 und der dreidimensionale Wellenleiter 140 bilden das obenbeschriebene TM-Durchlaßfilter. Die durch das TM-Durchlaßfilter hindurchgehende Lichtwelle wird in den zweidimensionalen Wellenleiter 40 geleitet. Der Wellenleiter wird dadurch geschaffen, daß der dreidimensionale Wellenleiter 140 mit hohem Brechungsindex in der auf dem Substrat abgelagerten Wellenleiterschicht 40 durch Ionenimplantation oder durch thermische Diffusion gebildet wird.
Da der optische Aufnehmer vom Wellenleitertyp dieser Ausführungsform mit Ausnahme des Polarisationszustandes des Lichts von der Lichtquelle gleich dem in Fig. 1 gezeigten Aufnehmer ist, wird die Erläuterung des Betriebs desselben weggelassen. Obwohl in dieser Ausführungsform das Viertelwellenlängenplättchen nicht verwendet wird, ist es ebenso möglich, wie in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein Plättchen vom großvolumigen Typ außerhalb des Wellenleiters anzuordnen oder wie in der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ein Plättchen vom Gittertyp im Wellenleiter zu bilden.
Das TM-Durchlaßfilter vom Wellenleitertyp ist in den obenbeschriebenen Typ, der Metallschichten verwendet, und in den anderen Typ mit Halbleiterschicht klassifiziert. Fig. 12 ist aus Transaction of IEICE, E70,4 (1987), S. 35 - 36, zitiert. Der Wellenleiter, der durch Bilden einer a-Si:H-Schicht in/auf einer Oberfläche der Wellenleiterschicht erhalten wird, wird als TM-Durchlaßfilter betrieben, wenn die a-Si:H-Schicht dünn ist, während der Wellenleiter als TE-Durchlaßfilter betrieben wird, wenn die Schicht dick ist. Wenn die Dicke 0,05 um beträgt, ist das Extinktionsverhältnis für das TM-Durchlaßfilter größer als 25 dB.
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht, die einen optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp zeigt, der das TM- Durchlaßfilter verwendet, das die obenbeschriebene Halbleiterschicht enthält. In Fig. 15 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein Strahlteiler 80, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, Metallschichten 100, ein Viertelwellenlängenplättchen 110 und eine a-Si:H-Schicht 130 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die a-Si:H-Schicht 130 zu dem in Fig. 9 gezeigten optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp hinzugefügt. Vorzugsweise werden die Lichtdetektoren 70 nur dem von der Platte reflektierten Licht unterworfen, welches in TM-polarisiertes Licht umgewandelt worden ist. Das Emissionslicht vom Halbleiterlaser 10 ist jedoch TE-polarisiert, wobei das Reflexionslicht durch die Komponenten wie etwa den Strahlteiler 80, den lichtbündelnden Gitterkoppler 90 und das Viertelwellenlängenplättchen 110 zu einem Rauschen führen kann, das in die Lichtdetektoren 70 eingeleitet wird. Im Ergebnis könnte das S/R-Verhältnis des wiedergegebenen Signals verschlechtert werden. In diesem Fall ist das aus der a- Si:H-Schicht 130 aufgebaute TM-Durchlaßfilter vor den Lichtdetektoren 70 angeordnet, wodurch die nicht erforderliche TE-polarisierte Komponente beseitigt wird.
In dieser Ausführungsform ist das die a-Si:H-Schicht 130 verwendende TM-Durchlaßfilter dazu vorgesehen, das in die Lichtdetektoren 70 geleitete Rauschen zu beseitigen. Dieses Filter kann durch das die Metallschichten verwendende TM-Durchlaßfilter ersetzt werden. Auf die gleiche Weise ist es möglich, die Metallschichten zu verwenden, um zu verhindern, daß das Rückkehrlicht zur Lichtquelle zurückkehrt. Ferner ist beispielhaft die a-Si:H-Schicht 130 erwähnt, es können jedoch selbstverständlich anstatt der a- Si:H-Schicht 130 andere Halbleiterfilme verwendet werden.
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht, die den optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der Erfindung zeigt, in dem eine Wellenlängenwähleinrichtung vom Wellenleitertyp verwendet wird. In Fig. 16 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Laserstrahl 60, Lichtdetektoren 70, ein Strahlteiler 80, ein lichtbündelnder Gitterkoppler 90, eine Metallschicht 100, dreidimensionale Wellenleiter 140 und 141 und ein ringförmiger dreidimensionaler Wellenleiter 142 gezeigt.
Der Strahlteiler 80, der lichtbündelnde Gitterkoppler 90 und dergleichen sind optische Elemente vom Beugungstyp, die die Phasenanpassungsbedingung nicht erfüllen, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle geändert wird, was die Verschiebung des gebündelten Lichtflecks oder die Erzeugung einer Aberration zur Folge hat, wobei es allgemein üblich ist, daß der Halbleiterlaser seine Oszillationswellenlänge entsprechend der Temperatur oder der Ausgangsleistung verändert. In Fig. 16 breitet sich das Emissionslicht vom Halbleiterlaser 10 durch den ersten dreidimensionalen Wellenleiterweg 140 aus, wobei nur der Strahl mit Resonanzwellenlänge vom ringförmigen dreidimensionalen Wellenleiterweg 142 aufgenommen wird, um zum zweiten dreidimensionalen Wellenleiterweg 141 durchgelassen zu werden. Da hierbei die Metallschicht 100 über den drei Wellenleitern liegt, wird gleichzeitig eine Auswahl hinsichtlich der Wellenlänge und der TE-Polarisation vorgenommen. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, mittels optischer Elemente vom Beugungstyp wie etwa einem Strahlteiler 80, einem lichtbündelnden Gitterkoppler 90 und dergleichen eine geplante Leistung zu schaffen und gleichzeitig zu verhindern, daß Rückkehrlicht zum Halbleiterlaser 10 zurückkehrt.
Fig. 17 zeigt eine Struktur eines bevorzugten Wellenleiters für den optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Herstellungsverfahren für denselben. In Fig. 17 sind ein Substrat 20, eine dielektrische Schicht 30, eine Pufferschicht (Zwischenschicht 31), eine Wellenleiterschicht 40, ein bündelnder Gitterkoppler 90 und eine Metallschicht 100 gezeigt.
Fig. 17 zeigt den Fall, in dem die Pufferschicht 31 zwischen der Wellenleiterschicht 40 und der dielektrischen Schicht für die Metallschicht 100 dazu dient, außerdem den bündelnden Gitterkoppler 90 zu bilden. Für diese Anordnung sind die dielektrische Schicht 30, die Wellenleiterschicht 40 und die Pufferschicht 31 in dieser Reihenfolge auf dem Substrat übereinandergeschichtet. Anschließend wird darauf die Metallschicht 100 abgelagert, woraufhin in der Pufferschicht 31 Rillen ausgebildet werden, um den bündelnden Gitterkoppler 90 zu schaffen. Somit kann der Herstellungsprozeß vereinfacht werden. In dieser Ausführungsform ist der bündelnde Gitterkoppler 90 in der Pufferschicht 31 gebildet, es können jedoch hieraus optische Elemente vom Beugungstyp wie etwa ein Strahlteiler und ein Viertelwellenlängenplättchen gebildet werden.
Fig. 18 ist eine schematische Ansicht, die ein Gerät mit optischer Platte zeigt, das mit dem optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.
Das Laufwerk oder das Gerät mit optischer Platte kann Informationen mit hoher Dichte aufzeichnen und wiedergeben, indem es den in der Submikron-Größenordnung gebündelten Laserstrahl verwendet, außerdem kann sie in großem Umfang Bildinformationen und akustische Informationen aufzeichnen, was für die moderne Informationsgesellschaft unerläßlich ist. Beispielsweise sind Geräte mit optischer Platte in drei Typen klassifiziert, d.h. (1) in den Nur- Wiedergabetyp, (2) in den zusätzlich beschreibbaren Typ und (3) in den wiederbeschreibbaren Typ, wie beispielsweise aus "Nikkei Electronics" (26. März 1984) bekannt ist. Der "Nur-Wiedergabe"-Typ und der "zusätzlich beschreibbare" Typ sind bis zu einer im wesentlichen praktikablen Stufe entwickelt worden. Andererseits ist für den wiederbeschreibbaren Typ noch kein Verfahren geschaffen worden. Es haben Forschungen und Entwicklungen für optische Platten vom wiederbeschreibbaren Typ stattgefunden, bei dem magnetooptisches Material oder Phasenänderungsmaterial verwendet wird.
In Fig. 18 sind eine optische Platte 50, ein Aufnehmer 200 vom Wellenleitertyp, ein Motor 220 und ein Steuerteil 230 gezeigt. Die optische Platte 50 wird durch den Motor 220 gedreht. Der optische Aufnehmer 200 vom Wellenleitertyp ist so beschaffen, daß er den Laserstrahl auf der optischen Platte 50 bündelt, um Informationen aufzuzeichnen, wiederzugeben und/oder zu löschen. Der Steuerteil 230 steuert den Betrieb des optischen Aufnehmers 200 vom Wellenleitertyp und die Verarbeitung der Eingabe/Ausgabe von Signalen. Daher ist es möglich, ein Gerät mit optischer Platte zu verwirklichen, in dem nachteilige Wirkungen des Rückkehrlichts vermieden werden können und die Zugriffszeit abgekürzt wird.
Fig. 19 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehkodierersystem zeigt, das mit dem optischen Aufnehmer vom Wellenleitertyp gemäß der Erfindung versehen ist. In Fig. 19 sind ein Aufnehmer 200 vom Wellenleitertyp und ein Rotor 210 gezeigt. Auf dem Rotor 210 sind zwei Arten von Linien mit verschiedenem Brechungsindex aufgebracht, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Das Muster wird durch den Aufnehmer 200 vom Wellenleitertyp wiedergegeben. Es ist möglich, die Drehzahl des Rotors 210 anhand des Zählwerts pro Einheitszeit zu erfassen. Somit ist es möglich, einen Drehkodierer zu verwirklichen, der kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht besitzt.
Fig. 21 zeigt eine Ausführungsform, in der für die Eingabe/Ausgabe von Licht in den/aus dem Wellenleiter Kopplungsprismen angeordnet sind. In Fig. 21 sind ein Halbleiterlaser 10, ein Substrat 20, ein Lichtwellenleiter 40, eine optische Platte 50, ein Laserstrahl 60, ein Lichtdetektor 70, ein Strahlteiler 80, Kopplungsprismen 91 und 92, eine Objektivlinse 93, ein TE-Durchlaßfilter 100 aus einer Metallschicht und ein Viertelwellenlängenplättchen 110 gezeigt. Der vom Halbleiterlaser 10 im Zustand der TE-Polarisation emittierte Laserstrahl 60 wird durch das Kopplungsprisma 92 in die Wellenleiterschicht 40 eingeleitet, durch den Strahlteiler 80 hindurchgelassen, durch das Kopplungsprisma 92 aus der Wellenleiterschicht 40 abgelenkt und durch das Viertelwellenlängenplättchen 110 geschickt, damit es zu kreispolarisiertem Licht wird, das mittels der Objektivlinse 93 auf der optischen Platte 50 fokussiert wird.
Das von der optischen Platte 50 reflektierte Licht wird durch die Objektivlinse 93 geschickt, mittels des Viertelwellenlängenplättchens 110 in TM-polarisiertes Licht umgewandelt und erneut durch das Kopplungsprisma 93 in die Wellenleiterschicht 40 eingeleitet. Das Licht wird mittels des Strahlteilers 80 gebeugt und in den Lichtdetektor 70 eingeleitet.
In dieser Ausführungsform ist der Integrationsgrad gering, das System ist jedoch leicht herzustellen, da die Lichtquelle und der bündelnde Gitterkoppler nicht in der Wellenleiterschicht enthalten sind. In Fig. 21 ist übrigens nur ein Lichtdetektor gezeigt, es können jedoch auf die gleiche Weise wie in Fig. 1 zwei Lichtdetektoren vorgesehen werden.
Fig. 22 ist eine schematische Strukturansicht, die ein System zeigt, in dem ein optischer Kopf vom Wellenleitertyp auf einem Luft-Gleitelement angebracht ist. In Fig. 22 sind ein optischer Kopf 22 vom Wellenleitertyp, ein Luft-Gleitelement und eine optische Platte 50 gezeigt. Der optische Kopf, d.h. der optische Aufnehmer gemäß der Erfindung ist auf dem Luft-Gleitelement 40 angebracht, so daß es möglich ist, im Gegensatz zu einem herkömmlichen optischen Kopf ein Hochgeschwindigkeitszugriff zu erzielen.

Claims

Ein optisches Element, mit:

einem Lichtwellenleiter (40), der der Ausbreitung von Emissionslicht von einer Lichtquelle (10) dient;

einer Lichtweg-Änderungseinrichtung (90), die das Emissionslicht vom Lichtwellenleiter (40) in einen Außenraum leitet, das so geleitete Emissionslicht auf einem Informationsaufzeichnungsmedium (50) bündelt und vom Informationsaufzeichnungsmedium reflektiertes Licht in den Lichtwellenleiter (40) einleitet; und

einer Strahlteilereinrichtung (80), die das von der Lichtweg-Änderungseinrichtung (90) eingeleitete reflektierte Licht vom Lichtweg des Emissionslichts abzweigt und das abgezweigte Licht auf eine Lichterfassungseinrichtung (70) richtet, wobei das optische Element gekennzeichnet ist durch

eine Filterungseinrichtung (100), die das TE-polarisierte Licht oder das TM-polarisierte Licht durchläßt, wobei die Filterungseinrichtung (100) in einem Lichtweg von der Lichtquelle (10) zur Lichtweg-Änderungseinrichtung (90) angeordnet ist; und

eine Polarisationsänderungseinrichtung (110), die den Polarisationszustand des Lichts ändert, indem sie dem Licht einen Durchgang in beiden Richtungen ermöglicht, wobei die Umschalteinrichtung (110) in einem Lichtweg zwischen der Strahlteilereinrichtung (80) und dem Informationsaufzeichnungsmedium (50) angeordnet ist.
2. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die Filterungseinrichtung (100) ein elektrisch leitendes Material enthält, das parallel zum Lichtwellenleiterweg (40) angeordnet ist.
3. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die Polarisationänderungseinrichtung (110) ein Viertelwellenlängenplättchen enthält, das aus einem Element hergestellt ist, das aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem anisotropen Kristall und aus einem Hologramm vom Oberflächenreflief-Typ besteht.
4. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die Lichtweg-Änderungseinrichtung (90) einen lichtfokussierenden Gitterkoppler enthält.
5. Das optische Element gemäß Anspruch 2, bei dem das Emissionslicht TE-polarisiert ist und das elektrisch leitende Material (100) eine zur Wellenleiterschicht parallele Metallschicht umfaßt.
6. Das optische Element gemäß Anspruch 2, bei dem das Emissionslicht TM-polarisiert ist und das elektrisch leitende Material (100) Metallschichten umfaßt, die beiderseits des Lichtweges in der Wellenleiterschicht (40) angeordnet sind.
7. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem zwischen die Filterungseinrichtung (100) und den Lichtwellenleiter (40) eine Zwischenschicht (31) aus einem dielektrischen Element eingesetzt ist, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige des Wellenleiters ist.
8. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die Strahlteilereinrichtung (80, 120) einen Polarisationsstrahlen-Teiler (120) enthält, der aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ aufgebaut ist, wobei der Polarisationsstrahlen-Teiler (120) in einem Lichtweg von der Lichtquelle (10) zur Lichtweg-Änderungseinrichtung (90) vorgesehen ist, und die Filterungseinrichtung (100) ein TE-Durchlaßfilter zur Unterdrückung des TM-polarisierten Lichts aufweist, das zwischen dem Polarisationsstrahlen- Teiler (120) und dem Lichtweg im Bragg-Winkel des Hologramms vom Oberflächenrelief-Typ in bezug auf den Polarisationsstrahlen-Teiler (120) vorgesehen ist.
9. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem die Strahlteilereinrichtung (80, 120) einen aus einem Hologramm vom Oberflächenrelief-Typ hergestellten Polarisationsstrahlen-Teiler (120) enthält, der in einem Lichtweg zwischen der Lichtquelle (10) und der Lichtweg-Änderungseinrichtung (90) angeordnet ist, wobei die Filterungseinrichtung (100) ein TM-Durchlaßfilter enthält, um das TE- polarisierte Licht zu unterdrücken, und wobei der Polarisationsstrahlen-Teiler (120) so orientiert ist, daß das durch die Polarisationsänderungseinrichtung (110) hindurchgegangene reflektierte und TE-polarisierte Licht im Bragg-Winkel des Hologramms vom Oberflächenrelief-Typ eingeleitet wird.
10. Das optische Element gemäß Anspruch 8, bei dem anstelle der Verwendung der Filterungseinrichtung (100) die Lichtquelle (10) so beschaffen ist, daß sie TE-polarisiertes Licht ausgibt.
11. Das optische Element gemäß Anspruch 1, das ferner versehen ist mit einer Halbleiterschicht (130), die in einem Lichtweg vom Informationsaufzeichnungsmedium (50) zur Lichterfassungseinrichtung (70) angeordnet ist, um wahlweise entweder den Durchgang von TE-polarisiertem Licht oder TM-polarisiertem Licht zu ermöglichen.
12. Das optische Element gemäß Anspruch 7, bei dem der lichtfokussierende Gitterkoppler (90) und/oder der Strahlteiler (80) und/oder das Viertelwellenlängenplättchen (110) in derselben Oberfläche wie die Zwischenschicht (31) zwischen der leitenden Schicht (100) und dem Lichtwellenleiterweg (40) gebildet sind.
13. Das optische Element gemäß Anspruch 1, bei dem im Lichtwellenleiter eine Wellenlängenwähleinrichtung vorgesehen ist, die einen ersten Lichtwellenleiter (140) zum Einleiten der Lichtwelle von der Lichtquelle (10), einen zweiten Lichtwellenleiter (141), der vom ersten Lichtwellenleiter unabhängig ist, und einen dritten Lichtwellenleiter (142) in Form eines Rings, der zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter angeordnet ist, enthält, und das leitende Material (100) als Schicht auf die Oberflächen des ersten, des zweiten und des dritten Lichtwellenleiterweges gelegt ist.
14. Das optische Element gemäß Anspruch 7, bei dem die Zwischenschicht (31) einen veränderlichen Brechungsindex besitzt.
15. Ein optisches Plattensystem, mit einer optischen Platte (50), einer Dreheinrichtung (220) für die optische Platte, einem optischen Element (200) zum Schreiben, Löschen und Wiedergeben von Informationen in bezug auf die optische Platte und einer Steuereinrichtung (230) für das optische Element, wobei das optische Plattensystem dadurch gekennzeichnet ist, daß es ein optisches Element gemäß Anspruch 1 enthält.
16. Ein Drehkodierer zum Messen einer Drehzahl eines Rotors (210) durch Auslesen von auf dem Rotor dargestellten Linien mittels Lichtprojektion, wobei der Drehkodierer dadurch gekennzeichnet ist, daß er ein optisches Element gemäß Anspruch 1 enthält.