JP2004079168A - 光学的記録再生装置用光学ヘッド - Google Patents

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Ryoichi Sugawara
菅原  良一
Takeshi Matsui
松井  武
Toshiki Ito
伊藤  俊樹
Shoichi Kawai
川井  正一
Akitoshi Yamanaka
山中  昭利
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Abstract

【課題】 光学的記録再生装置用光学ヘッドにおいて、記録用ビームと再生用ビームの光軸設定を容易にする。
【解決手段】 光学的記録再生装置用光学ヘッドのレーザ光源として、記録用および再生用ビームを出力する複数の半導体レーザチップを基板23の第1、第2のガイド溝23c、23dに沿って配置するようにした。第1、第2のガイド溝23c、23dは、基板12の両面に互いに対向するように形成されている。
【選択図】    図8

Description

 本発明は、記録および再生の可能な光情報記録媒体をドライブする装置に用いられる光学的記録再生装置用光学ヘッドに関する。
 この種の光学的記録再生装置用光学ヘッドは、記録用ビームを出力する半導体レーザからなる第1の光源と、再生用ビームを出力する発光ダイオードからなる第2の光源を備え、記録用ビームを用いて光情報記録媒体のトラック上に記録用スポット光を照射して情報単位であるピットを生成記録し、再生用ビームを用いて再生用スポット光を上記ピット上に照射し再生を行うようにしている(特許文献1)。
 また、2つの独立配置した半導体レーザを用いて、情報の記録および再生を行うようにしている(特許文献2)。
特公平7−7509号公報 特開昭58−146038号公報
 しかしながら、特許文献1、2のものは、いずれも2つの独立配置した光源を用いているため、光学系が複雑になるとともに、光軸の調整を必要とするという問題がある。
 本発明は上記問題に鑑みたもので、記録用ビームと再生用ビームの光軸設定を容易にすることを目的とする。
 請求項1乃至10に記載の発明においては、記録用ビーム(2)を出力する第1の半導体レーザチップ(21)と再生用ビーム(3)を出力する第2の半導体レーザチップ(22)とが1つの基板(23)上に集積配置された半導体レーザアレイを有してレーザ光源(1)を構成したことを特徴としている。
 従って、第1、第2の半導体レーザチップが1つの基板上に集積配置されているため、それらの光軸を精度よく設定することができる。
 また、請求項1に記載の発明においては、第1、第2の半導体レーザチップ(21、22)を、基板の両面にそれぞれ形成された第1、第2のガイド溝(23c、23d)に沿って設置したことを特徴としている。
 従って、ガイド溝を光軸に合わせて形成しておくことにより、第1、第2の半導体レーザチップをガイド溝に沿って設置するだけで、容易にかつ高精度に所望の光軸を得ることができる。
 また、請求項10に記載の発明のように、第1、第2のガイド溝を、記録用ビーム(2)及び再生用ビーム(3)の出光方向と平行に形成することにより、記録用ビームと再生用ビームの光軸を平行にすることができる。
 以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。まず、光学的記録再生装置用光学ヘッド(以下、光学ヘッドと略す)の構成について図1を参照して説明する。レーザ光源1は記録用ビーム2と再生ビーム3を出力する。記録用ビーム2は波長830nmのレーザ光、再生ビーム3は波長780nm(CD規格の波長)のレーザ光である。
 その出力されたレーザ光の光軸上には、コリメータレンズ4、偏光ビームスプリッタ5、1/4波長板6、対物レンズ7が配置されている。コリメータレンズ4は球面レンズで、記録用ビーム2と再生ビーム3を平行光線に変換する。偏光ビームスプリッタ5は、一対の直角プリズムの斜面どうしを接着したキューブ状のもので、斜面5aに誘電体多層膜コーティングがなされている。誘電体多層膜コーティングとしては、TiO2などの高屈折率材料で形成された薄膜、SiO2やMgF2などの低屈折率材料で形成された薄膜を交互に積層コーティングしたものを用いることができる。
 この偏光ビームスプリッタ5は、記録用ビーム2と再生ビーム3に対して、入射面(入射光線の光軸と斜面に対する法線が作る平面)に平行な電界ベクトルを持つ光(P偏光)を透過して直進させ、入射面に垂直な電界ベクトルを持つ光(S偏光)を上記斜面5aで反射する。1/4波長板6は、雲母や水晶などの複屈折性材料からなり、直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光に変換する。
 対物レンズ7は、1/4波長板6を通過した光を光ディスク(光情報記録媒体)8上に集光する。この対物レンズ7としては、非点収差を抑えるために非球面レンズを用いる。光ディスク8は、記録膜が結晶質(消去状態)の場合に反射率が65%以上(コンパクトディスク規格)となるもので、光学的情報の記録、消去および再生をすることができる相変化型書換え可能光ディスクである(特開平5−205316号公報記載のもの)。
 また、偏光ビームスプリッタ5の斜面5aで反射された反射光の光軸上には、フィルタ9、ハーフミラー10が配置されている。フィルタ9は、光ディスク8の記録膜にて反射した反射ビームのうち記録用ビーム2の波長の光を遮断し、再生用ビーム3の波長の光を透過する。ハーフミラー10は、フィルタ9を透過した反射ビームを分割する。そして、ハーフミラー10からの一方の反射ビームは、レンズ11を介してトラッキング用フォトダイオード12に入射され、トラッキングサーボを駆動するために用いられる。また、ハーフミラー10からの他方の反射ビームはレンズ13を介して再生・フォーカシング用フォトダイオード14に入射され、焦点調整および光学情報の再生のために用いられる。
 上記構成においてその作動を説明する。レーザ光源1から出力された記録用ビーム2は、コリメータレンズ4で平行光線に変換され、偏光ビームスプリッタ5へ入射される。レーザ光は直線偏光であり、偏光ビームスプリッタ5に対してP偏光であるため、記録用ビーム2、再生用ビーム3は、偏光ビームスプリッタ5を通過して直進し、1/4波長板6に入射されて円偏光に変換される。
 この円偏光に変換された記録用ビーム2は、対物レンズ7で集光され、光ディスク8のトラック上に照射される。その照射された記録用ビーム2により光ディスク8の記録膜部分が結晶状態から非晶質状態へ相変化し、ピット(光情報)が形成される。円偏光に変換された記録用ビーム2は、記録膜上で反射されたときに位相が180°ずれる(回転方向が逆転する)。このため、対物レンズ7を介し1/4波長板6にて直線偏光に変換された時、偏光ビームスプリッタ5に対してS偏光となるため、偏光ビームスプリッタ5の斜面5aで反射される。この反射光は、記録用ビーム2の波長を有するためフィルタ9で遮断される。
 また、レーザ光源1から再生用ビーム3が出力された場合、再生用ビーム3は記録用ビーム2と略同一の光路に沿って進み、光ディスク8の記録膜部分で反射し、対物レンズ7、1/4波長板6、偏光ビームスプリッタ5の斜面5aで反射される。この反射光は、フィルタ9を通過し、ハーフミラー10で2方向に分割され、トラッキング用フォトダイオード12、再生・フォーカシング用フォトダイオード14に到達する。このことにより、記録された光学情報の再生を行うことができる。
 なお、光学情報の記録時には、その記録が正しく行われた否かを行うベリファイ動作を行うが、この場合には、記録用ビーム2と再生用ビーム3を同時に出力して、光学情報の記録と再生を同時に行う。また、上記した構成では詳述しなかったが、光学情報を消去する場合には、レーザ光源1から消去用ビームを出力し、上記記録用ビーム2と同じ光路を経て光ディスク8の記録膜上のピットに消去用ビームを照射し、そのピットが形成された記録膜部分を非晶質状態から結晶状態に相変化させてピットを消去させる。
 上述のように、この実施形態の光学ヘッドによれば、レーザ光が直線偏光であり、そのレーザ光は偏光ビームスプリッタ5に対してP偏光であるため、偏光ビームスプリッタ5を光パワーの損失が生じることなく透過させることができる。また、記録膜上で反射されて1/4波長板6を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ5に対してS偏光であるため、偏光ビームスプリッタ5の斜面5aにおいて、光パワーの損失が生じることなく反射させることができる。従って、この実施形態の光学ヘッドによれば、光の利用効率を高めることができる。
 次に、上記した光学ヘッドの他の実施形態について説明する。図2にその構成を示す。図に示すように、コリメータレンズ4から出た平行光線の光軸上には、入射面が約45°傾いた干渉フィルタ14が設けられている。干渉フィルタ14は、その外面14aおよび内面14bに多層干渉膜がコーティングされており、その膜厚の調整にて、記録用ビーム2が外面14aで反射し、再生用ビーム3が内面14bで反射するようにし、記録用ビーム2と再生用ビーム3の光路を同一にする。
 このことにより、干渉フィルタ14にて反射した記録用ビーム2と再生用ビーム3の光軸を一致させることができるため、記録用ビーム2が最初に照射された記録膜上の位置(原点)を装置に記憶しておけば、次に再生用ビーム3を照射するときの原点合わせが不要となる。なお、上記した構成において、適用する光記録情報媒体の種類に応じ、レーザ光の数、波長が適宜設定される。例えば、DVDのように高密度記録同時再生を行う場合には、上記したものと異なる波長の記録用と再生用のレーザ光が使用され、また上記したCD規格の波長での再生を行う場合には、さらにもう1つの波長のレーザ光が使用される。
 次に、レーザ光源1の構成について説明する。図3に、レーザ光源1の主要部をなす半導体レーザアレイの構成を示す。図3(a)において、ヒートシンク24上にサブマウント23が設置され、サブマウント23上に第1、第2の半導体レーザチップ21、22が並列に集積配置されている。第1、第2の半導体レーザチップ21、22の光軸は平行で、光軸間の距離は、200ないし300μm程度である。
 サブマウント23は、ダイヤモンド製の基板、あるいはシリコン製の基板に金メッキが施されたものであり、ヒートシンク24は、銅製の基板に金メッキが施されたものである。なお、サブマウント23、ヒートシンク24は放熱基板を構成している。第1の半導体レーザチップ21は、波長830nmの記録用ビームを出力し、第2の半導体レーザチップ22は、波長780nmの再生用ビームを出力する。この場合、図3の紙面における裏面から表面方向にビームを出力する。
 この図3(a)に示す半導体レーザアレイは、図1に示す基台1a上に設置され、その基台1aにガラス製のパッケージ1bが被せられて図1に示すレーザ光源1が構成される。なお、半導体レーザアレイは、図3(b)に示すように、第1、第2の半導体レーザチップ21、22を積層したものであってもよい。
 上記した図3(a)の構成のように、波長の異なる2つの半導体レーザチップ21、22を同一基板上に配置した場合、それらの光軸がずれると記録再生精度が低下するため、レーザ光の光軸を高精度に設定することが重要になる。そこで、その光軸設定を容易かつ高精度にした半導体レーザアレイの例について以下説明する。
 図4は、その第1の例を示す半導体レーザアレイの斜視図である。波長a(830nm)の記録用ビームを出力する第1の半導体レーザチップ21と、波長b(780nm)の再生用ビームを出力する第2の半導体レーザチップ22とが、サブマウント23の上面に並列配置されている。ここで、サブマウント23には、ガイド溝23a、23bが平行に形成されており、ガイド溝23a、23b内に第1、第2の半導体レーザチップ21、22が設置される。従って、第1、第2の半導体レーザチップ21、22をガイド溝23a、23bに沿って設置するだけで、容易かつ高精度に平行な光軸を得ることができる。
 次に、上記した半導体レーザアレイの製造方法について説明する。まず、サブマウント23となるシリコン基板を用意し、その上にシリコン酸化膜をスパッタ法により堆積する。その上にホトリソグラフィによりフォトレジストをパターニングし、レジストをマスクとしてシリコン酸化膜をフッ酸などによりエッチングする。
 次に、パターニングしたシリコン酸化膜をマスクとして、シリコン基板をエッチングし、ガイド溝23a、23bを形成する。この場合、半導体レーザチップの装着を容易にするため、半導体レーザチップの幅よりもガイド溝の幅を大きくしておく。例えば、半導体レーザチップの幅を300μmとすると、ガイド溝の幅を305μm程度にしておく。
 次に、ガイド溝23a、23bを形成したシリコン基板の表面にチタン、ニッケルおよび金の薄膜をこの順に形成する。これらは、第1、第2の半導体レーザチップ21、22のそれぞれの下部電極と電気的に接続される共通電極となる。この後、金錫はんだを用いて第1、第2の半導体レーザチップ21、22を、ガイド溝23a、23bに沿って取り付ける。この場合、図5(図4に示す半導体レーザアレイを光出力方向からみた平面図)に示すように、第1、第2の半導体レーザチップ21、22のそれぞれの一方の側面(レーザビームと平行になる面)をガイド溝23a、23bの一方の端部に合わせる、例えば図に示すように、ガイド溝23a、23bの左側端部A、Bに半導体レーザチップ21、22の左側側面を合わせることにより、第1、第2の半導体レーザチップ21、22間の距離を一定にして取り付け精度を高くすることができる。
 なお、第1、第2の半導体レーザチップ21、22のそれぞれの上部電極は、ワイヤボンディングにより、図示しない駆動回路と電気的に接続される。上記した構成によれば、ガイド溝23a、23bは、上述した半導体技術を用いて精度よく作製できるため、第1、第2の半導体レーザチップ21、22を高精度に配置でき、それぞれの光軸を平行にすることができる。
 図6に、図5に示すものの変形例を示す。この変形例では、サブマウント23に1つのガイド溝23cを形成し、その両端部C、Dに第1、第2の半導体レーザチップ21、22の左側側面、右側側面を位置合わせして、第1、第2の半導体レーザチップ21、22を取り付けるようにしている。このような構成としても、第1、第2の半導体レーザチップ21、22間の距離を一定にして取り付け精度を高くすることができる。
 また、サブマウント23は1つにすることなく、図7に示すように、サブマウント233上にサブマウント231、232を積層形成し、サブマウント231、232上に半導体レーザチップ21a、22a、21b、22bをそれぞれ設置して、波長の異なる4つのレーザビームを出力するようにすることもできる。
図8は本発明の実施例に関するものである。
 この実施例では、図示のように、サブマウント23の両面に互いに対向するようにして第1、第2のガイド溝23c、23dを形成し、第1、第2の半導体レーザチップ21、22をサブマウント23の両面に取り付けるようにしている。この場合、第1、第2の半導体レーザチップ21、22は互いに対向している。第1、第2のガイド溝23c、23dは、図示のように、第1、第2の半導体レーザチップ21、22の長さ方向全体に亘って形成されている。
 また、2つの半導体レーザチップ21、22の距離はサブマウント23の厚さとガイド溝23c、23dの深さによって決まるが、どちらも精度よく作製することができるので、半導体レーザチップ21、22間の距離も精度よくすることができる。
 なお、図示のように、第1、第2の半導体レーザチップ21、22の出光方向は互いに同じ方向である。
 図9に、さらに他の変形例を示す。この変形例では、ガイド溝23e、23fを、断面が三角形になるように形成し、その一面において第1、第2の半導体レーザチップ21、22の底面を取り付けている。なお、図4〜図9に示す例において、サブマウント23は図3に示すようにヒートシンク24上に設置される。なお、図8に示す例においては、第1、第2の半導体レーザチップ21、22が設置されている面およびその光出力面を除く面において、ヒートシンク24上にサブマウント23が設置される。
 また、サブマウント23にガイド溝23a、23b等を形成する場合、サブマウント23に突起を形成したり、サブマウント23に他の基板を張りつけるなどして、突起間あるいは他の基板間でガイド溝を形成するようにしてもよい。次に、1つの半導体レーザチップから波長の異なる2つのレーザ光を出力するようにした例について説明する。
 半導体レーザチップは、活性層を含む複数の半導体層にて構成されているが、その発振波長は、活性層のバンドギャップで決まる。従って、バンドギャップが異なる2つの活性層を100μm程度以下の狭い間隔で並べると、1素子サイズで、波長の異なる2つのレーザ光を出力する半導体レーザチップが実現できる。そこで、以下に示す例では、混晶化技術を用いて2つの活性層のバンドギャップを異ならせている。ここで、混晶化とは、不純物原子を熱拡散したり、あるいはイオン注入によって不純物を導入した後に熱処理を行うことにより、ヘテロ界面によって空間内に隔てられていた構成元素が混じり合って結晶変態が変化する現象である。この混晶化技術を使い、低しきい値電流でかつ横モードが制御された半導体レーザチップを実現することができる。
 図10に、この例における半導体レーザチップの斜視図を示す。図に示すように、GaAsウェハ31上に、n型GaAsのバッファ層32、n型AlGaAsのクラッド層33、GaAsの活性層34、p型AlGaAsのクラッド層35、およびp型GaAsのキャップ層36が積層形成されている。ここで、クラッド層35、およびキャップ層36は、2つに分離された素子領域を形成するリッジ構造となっており、それぞれの素子領域のキャップ層36上に開口部を有して絶縁層(SiO2層)37が形成され、その上に上部電極38が形成されている。また、GaAsウェハ31には下部電極39が形成されている。
 ここで、上記した2つの素子領域における活性層34は、混晶化技術を用いて互いにバンドギャップが異なるように形成されており、これによって、それぞれの素子領域から異なる波長のレーザ光が出力される。次に、上記半導体レーザチップの製造方法について図11の工程図を基に説明する。
 〔図11(a)の薄膜堆積工程〕まず、GaAsウェハ31にn型GaAsのバッファ層32を2μm、n型AlGaAsのクラッド層33を1μm、さらにGaAsの活性層34を0.1μm、p型AlGaAsのクラッド層35を1μm、さらにp型GaAsのキャップ層36を1μm、それぞれMOCVD法により堆積する。AlGaAsのGaに対するAl組成は0.5とする。
〔図11(b)のリッジ形成工程〕フォトリソ工程により、クラッド層35およびキャップ層36を幅4μmのリッジ構造とし、横モードを制御する(横方向への電流の流れを制限して発光領域を規定する)。この工程により、2つに分離されたリッジ領域(素子領域)が形成される。
 〔図11(c)のSi薄膜形成工程〕右側のリッジ領域にSi薄膜40を真空蒸着する。
 〔図11(d)の熱処理工程〕675℃、5時間の熱処理を施す。この熱処理は、活性層34にSi原子を熱拡散させて結晶変態を起こさせるために行う。この工程によって、右側のリッジ領域の点線で示す範囲でSi原子が熱拡散して混晶化が生じる。その結果、右側のリッジ領域と左側のリッジ領域において活性層34のバンドギャップが異なることになる。
 〔図11(e)の電極形成工程〕SiO2 層37を成膜し、窓開けを行ってそれぞれに上部電極38を形成するとともに、裏面に下部電極39を形成する。
 そして、素子長400μmに劈開し、図10の半導体レーザチップを作製する。このようにして作製された半導体レーザチップにおいて、駆動電流100mAにおける各領域からの発光波長は、混晶化しない領域で約800nm、混晶化した領域で約700nmであった。なお、上記図11(c)に示す工程では、混晶化を行うためにSi薄膜40を真空蒸着して全体に熱処理を施すものを示したが、右側のリッジ領域にSiをイオン注入し全体に熱処理を施して、Si原子を活性層14に導入し混晶化を行うようにしてもよい。
 また、左右のリッジ領域に混晶化を行うとともにその混晶化の程度を異ならせて、それぞれのバンドギャップを異ならせるようにしてもよい。なお、この例における半導体レーザチップは、サブマウント23上に設置されるが、その場合に、図4〜図9に示した例のサブマウント23上に複数設置するようにすれば、それらの光軸合わせを高精度に行うとともに、より多くの波長を有するレーザ光を出力することができる。
 また、上述した全ての例において、半導体レーザチップは、サブマウント23上でなく、直接ヒートシンク24上に形成するようにしてもよい。
本発明の一実施形態に係る光学ヘッドの構成図である。 図1に示すものの変形例を示す構成図である。 図1中のレーザ光源の主要部をなす半導体レーザアレイの構成図である。 ガイド溝に第1、第2の半導体レーザチップを設置した半導体レーザアレイの斜視図である。 図4に示す半導体レーザアレイを光出力方向からみた平面図である。 図4に示す半導体レーザアレイの変形例を示す平面図である。 サブマウントを積層した半導体レーザアレイを示す平面図である。 本発明の一実施形態における半導体レーザアレイを示す平面図である。 図4に示す半導体レーザアレイのさらに他の変形例を示す平面図である。 波長の異なる2つのレーザ光を出力する半導体レーザチップの斜視図である。 図10に示す半導体レーザチップの製造工程を示す工程図である。
符号の説明
 1…レーザ光源、
 2…記録用ビーム、
 3…再生ビーム、
 4…コリメータレンズ、
 5…偏光ビームスプリッタ、
 6…1/4波長板、
 7…対物レンズ、
 8…光ディスク、
 9…フィルタ、
 10…ハーフミラー、
 11、13…レンズ、
 12、14…フォトダイオード、
 14…干渉フィルタ、
 21…第1の半導体レーザチップ、
 22…第2の半導体レーザチップ、
 23…サブマウント、
 24…ヒートシンク。

Claims (10)

  1. 記録用ビーム(2)と再生用ビーム(3)を出力するレーザ光源(1)を備え、このレーザ光源からの記録用ビームにより光情報記録媒体に情報を記録し、前記再生用ビームにより前記光情報記録媒体に記録された情報を再生するようにした光学的記録再生装置用光学ヘッドであって、
     前記レーザ光源は、前記記録用ビームを出力する第1の半導体レーザチップ(21)と前記再生用ビームを出力する第2の半導体レーザチップ(22)とが1つの基板(23)上に集積配置された半導体レーザアレイを有しており、
     前記基板の両面にそれぞれ第1、第2のガイド溝(23c、23d)が形成されており、前記第1、第2の半導体レーザチップが前記ガイド溝に沿って設置されていることを特徴とする請求項1に記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  2. 前記基板の両面にそれぞれ形成された第1、第2のガイド溝は互いに対向しており、
     前記第1、第2のガイド溝内に設置された前記第1、第2の半導体レーザチップは互いに対向していることを特徴とする請求項1に記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  3. 前記第1、第2のガイド溝は、前記第1、第2の半導体レーザチップの長さ方向全体に亘って形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  4. 前記第1、第2のガイド溝内に設置された前記第1、第2の半導体レーザチップの出光方向は互いに同じ方向であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1つに記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  5. 前記基板はサブマウントであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1つに記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  6. 前記サブマウントはシリコン基板であることを特徴とする請求項5に記載の光学記録再生装置用光学ヘッド。
  7. 前記基板は放熱基板であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1つに記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  8. 前記半導体レーザアレイは前記第1、第2の半導体レーザチップを配置された前記基板と該基板が設置されたヒートシンクとにより構成されており、
     該半導体レーザアレイは基台(1a)上に設置され、
     前記基台にはガラス製のパッケージが(1b)が被せられていることを特徴とする請求項5に記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  9. 前記基板は、少なくとも表面において前記第1、第2の半導体レーザチップの共通電極となる導電性材料を有していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
  10. 前記ガイド溝は前記記録用ビーム(2)及び前記再生用ビーム(3)の出光方向と平行に形成されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の光学的記録再生装置用光学ヘッド。
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