JP2008016161A - 受発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子において、1枚の平行平板をレーザ出射光軸に対して傾けて設ける方法では、各レーザ素子の非点収差量が異なる場合は補正に限度があった。また、複数のレーザ素子の光軸間距離を、波長による屈折率差を利用してレーザ素子の光軸間距離である約100μm程度まで変移させるのは現実的に困難であり、光学材料も制限されてしまう。
【解決手段】半導体レーザ装置2は、異なる波長および非点収差量を有する複数のレーザ素子3a,3bを一つのパッケージ1に収めた受発光素子であって、各々のレーザ素子3a,3bの非点収差量を個別に補正し、かつお互いのレーザ光軸間距離を任意に変移させる平行平板16a,16bを各レーザ素子3a,3bの近傍に有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えばDVDとCDといったような複数の規格の光ディスクを記録、再生しうる光ピックアップ装置に用いられる光源等において、複数の半導体レーザ素子を一つのレーザパッケージに有する受発光素子に関し、複数のレーザ素子の光軸間距離を任意に調整するとともに、各々のレーザ素子の有する収差を個々に補正するものである。
従来、異なる規格の光ディスク、例えばDVDとCD等を記録・再生できる光ピックアップ装置においては、複数の半導体レーザ素子を一つのレーザパッケージに備えた受発光素子、いわゆる2波長レーザが使用されてきている。
図4に一般的な2波長レーザを用いた光ピックアップ装置の構成を示す。図4において、半導体レーザパッケージ101内にある2つのレーザ光源の内、波長のより短い第1の光源102の光軸103は、ピックアップ基台側の光軸104に一致しており、波長の長い第2の光源105は、その光軸106が第1の光源102の光軸103と平行になるように配置される。その距離として、例えば約100μm程度離れて設置されている。第1の光源102から出射された発散光107は、コリメートレンズ108にて平行光109もしくは略平行光にされた後、対物レンズ110に入射し、光ディスク111へ集光され、ディスク基板上に記された情報ピットにより回折・反射する。この回折・反射光は再び対物レンズ110、コリメートレンズ108を透過し、半導体レーザ装置に戻ってくる。この戻り光は半導体レーザパッケージ101上に固着されたホログラム素子112で回折を受ける。このホログラム素子112は、戻り光を半導体レーザ素子内に備えられた複数の受光素子113に導くために、特定の波長の光に対して回折を作用させるもので、光ピックアップ装置の小型化、集積化には不可欠である。このホログラム素子112によって戻り光を所望の受光素子113に導いており、受光素子1113で受けた光の強弱によって光ディスク111の各種信号を生成するのである。また、第2の光源105から出射された光も、第1の光源102の場合と同等の光路を辿る。しかしながら、第2の光源105の光軸106はピックアップ基台側の光軸104上に無いため、コリメートレンズ108および対物レンズ110の中心軸に対して斜めに入射することになり、光学性能の劣化を受けてしまう。波長の短い光源(図では、第1の光源102)はレンズ等の収差の影響を受けやすいために、上述のように、劣化に対して余裕のある波長の長い方の光源(第2の光源105)が基台側の光軸104から外れて配置されている場合が多い。
ところで、光ピックアップ装置においては、光ディスクから反射した光がレーザ素子に戻ることにより発生してしまうノイズを低減するため、および高周波重畳回路等の電気部品数を低減しコストを下げるために、マルチモード発振をする半導体レーザ素子を使用することがある。このマルチモード発振のレーザにおいては、レーザ素子の発光点位置が水平方向(レーザの活性層の幅方向)と垂直方向(活性層の幅方向に垂直な方向)で特に大きく異なる傾向にある。この発光点位置の差異、つまり非点隔差に起因して、その他の光学系の組み合わせによっては約30mλ程度の大きな非点収差が発生してしまい、この収差を補正する何らかの手段が必要となっている。
また、複数のレーザ素子を一つのレーザパッケージに有する一般的な構成において、上述のようなレーザ素子が有する非点収差を補正する方法としては、第1の公知例である特許文献1で示される光ピックアップ装置がある。図5は、特許文献1に記載された従来の非点収差補正手段を示すものであり、図4と同一の符号のものは同様の機能を有するものである。図5において、200は非点収差量がほぼ一致している二つのレーザ素子を搭載したレーザパッケージであり、202は二つのレーザ素子が持つほぼ同量の非点収差を打ち消す傾斜角にて配置された一つの平行平板202からなる透光部材である。レーザ光のような発散光103はその発散束中において、光軸104に対して傾斜して配置された平行平板202を透過すると非点収差が発生することは自明であり、その非点収差量は平行平板202の厚み、屈折率、傾斜角などのパラメータに依存している。特許文献1では、平行平板などの透光部材が、二つのレーザ素子102、105の有する共通の非点収差量を打ち消すようなパラメータで配置されている。二つの半導体レーザ素子102、105がほぼ同等の非点収差量を有するという前提により、一つの非点収差補正手段で複数のレーザ素子の収差を補正できることを特徴としている。
また、上述のような複数のレーザ素子を一つのレーザパッケージに有する一般的な構成において、複数のレーザ素子の光軸の一方が基台側の光軸から大きくずれて配置されるために光学性能の劣化を引き起こすという問題に対しては、お互いのレーザ光軸を近づける方法が対策として考えられる。その具体例としては、第2の公知例である特許文献2で示される半導体レーザ装置がある。図6は、特許文献2に記載された従来の半導体レーザ装置を示すものである。図6において、一つのレーザパッケージ300内に波長の短い光源301と、波長の長い光源302であるレーザ素子が備えられている。異なる波長を有する複数のレーザ素子(光源301、302)から出射した光は、レーザ装置の外装をなすレーザパッケージ300に備えられた平行平板303を透過する。この平行平板303は複数のレーザ光源の光軸304、305に対して傾けて備えられているので各々の光軸は、入射面と出射面の両面で屈折作用を受け、平行平板303への入射前後において、図中のXの方向に平行に変移する。一般に光学部材の屈折率は波長に依存し、波長の短いレーザ光ほど屈折作用を大きく受けるため、光軸に対して同一の傾斜角を有する共通の平行平板を透過した場合には、図6のように短波長側のレーザ光源301の方が、長波長のレーザ光よりも平行変移量が大きくなる。この作用を利用し、平行平板303の傾斜方向が波長の長いレーザ光源302に近づくように傾斜して配置することで、傾斜した平行平板303に入射する前の二つのレーザ素子の光軸間距離306を小さくすることができる。逆に図示していないが、平行平板303の傾斜方向が波長の短いレーザ素子301に近づくように傾斜して配置することで、レーザ光の光軸間距離306を大きくすることができる。このように、平行平板とレーザ素子の位置関係、および平板の傾斜角を任意に設定することで複数のレーザの光軸間距離を任意に調整可能とすることを特徴としている。
特開2000−251314号公報 特開2001−237501号公報
しかしながら、上記のような従来の光ピックアップ装置および受発光素子である半導体レーザ装置には、以下に列挙する課題点があった。
第1の公知例においては、二つのレーザ素子の有する非点収差量がほぼ同一であるという前提があり、非点収差量が異なる場合には、平行平板に代表される一つの透光部材では両方の非点収差を同時に補正することができない。一般に光ピックアップ装置等においては、一つのレーザパッケージ内に有する複数のレーザ素子は、お互いに波長が異なる。波長が異なるレーザ素子では、レーザの設計パラメータが異なり、結果的にお互いの素子中の水平方向(レーザの活性層の幅方向)と垂直方向(活性層の幅方向に垂直な方向)の発光点の位置(非点隔差)が異なる、つまり非点収差が異なる場合が多い。また非点収差の大きいマルチモードレーザと非点収差の小さいシングルモードレーザを同一レーザパッケージに備えた場合には、特にお互いの非点収差量の差が大きくなり、第1の公知例では両方の非点収差を補正することができない。このように第1の公知例では、使用可能なレーザの適用範囲が狭いという課題があった。
また第2の公知例においては、複数のレーザ素子の光軸間距離を、波長による屈折率差を利用した平行平板の傾斜角で10μm程度の領域で微調整することは可能であるが、レーザ素子の光軸間距離である約100μm程度まで変移させるのは現実的に困難であった。波長による屈折率差を示す指標は、光学材料のアッベ数であるが、一般的なBK7といった光学硝子におけるアッベ数は64程度であり、それ以外の光学材料でも20から70の範囲である。光ピックアップ装置で使用されるような波長範囲では、前記アッベ数範囲での屈折率差は、大きくても0.01程度であり、この屈折率差で光軸を近づけるのは厚み15mmの平行平板を使用し、かつ光軸に対する傾斜角を90度近くにすることでやっと成立するような条件である。これは小型化を要求される光ピックアップにとっては傾けた平行平板が空間を大きく占有してしまい、また各種の収差量が非常に大きくなり実現が困難である。さらに複数の波長の屈折率差の適用範囲が限られてしまうため使用する光学材料が制限されてしまうという課題があった。
さらに、図6のようにレーザパッケージのカバーキャップに透光部材を傾けて設置する構成ために、レーザパッケージ内に受光素子を配置して、その受光素子に戻り光を導くような回折機能を有するホログラム素子をパッケージに固着することができず、半導体レーザ素子の集積化が困難となっていた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、レーザパッケージ内に備えられた複数のレーザ素子が有する非点収差をパッケージ内で個別に補正し、またレーザ光軸間距離を大きく変移させ得る半導体レーザ装置に代表される受発光素子を提供することを目的とする。
前記従来例の課題を解決するために、本発明の受発光素子は、異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ素子の非点隔差量を個別に補正する複数の透光部材を設けたことを特徴とする。
または、異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ光の光軸を複数の透光部材によって個別に変化させ、お互いのレーザ光軸間距離を任意に変移させることを特徴とする。
または、異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ素子の非点隔差量を個別に補正し、かつお互いのレーザ光軸間距離を任意に変移させる複数の透光部材を有することを特徴とする。
また、これら発明において、レーザ素子の有する非点隔差量を補正するため、もしくはお互いのレーザ光軸間距離を任意に変移するために、前記透光部材の数は、前記レーザ素子の数に一致することを特徴とする。
また、前記透光部材は、平行平板であることを特徴とする。
また、前記透光部材は、受発光素子の外形パッケージ内に備えられることを特徴とする。
また、前記透光部材は、外形パッケージ内のレーザ素子に近接して備えられることを特徴とする。
また、前記平行平板が、複数のレーザ素子の各々の異なる非点隔差量及び非点隔差量に起因する非点収差量を補正するため、もしくはお互いの光軸間距離を変移させるため、それぞれ光軸に対して異なる角度で傾けられていることを特徴とする。
また、外形パッケージへの入射光を受光する受光素子と、前記受光素子へ入射光を導くための、回折作用を有する光学部材とを備え、前記受光素子はパッケージ内に、前記光学部材は外形パッケージ出射面に設けられることを特徴とする。
また、本発明の半導体レーザ装置は、上記の受発光素子を有する。
また、本発明の光ピックアップ装置は、上記半導体レーザ装置を有する。
本発明の受発光素子によれば、非点収差量の異なる複数のレーザ素子を一つのレーザパッケージに備える場合においても、各収差量を個別に最適に補正することができる。さらに複数のレーザ光軸間距離を大きく変移させることができる。また個々のレーザ素子の近傍に各々傾斜させた平行平板を備えることで、収差補正と光軸間距離の変更を同時に実現することが可能となる。また、パッケージ内のレーザ素子近傍にて収差補正や光軸距離変移を実現することが可能であるために、半導体レーザ装置に代表される受発光素子を集積化させるのに必要な回折機能等を有するホログラム素子といった光学部材をパッケージの出射面に固着させることが可能となる。また、レーザパッケージ出射面に比べてレーザ素子近傍では有効光束径が非常に小さいため、前記のような平行平板は非常に小さくて済むためコスト的にも有利である。さらに、波長による屈折率差を考慮せず、各々のレーザ素子に最適な光学材料を使用すればよいので、材料の選択範囲が広くなる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態)
(実施の形態の構成)
図1は、本発明の実施の形態における受発光素子の構成を示す断面図である。ここでは、受発光素子の代表として、光ピックアップ装置などに使用される半導体レーザ装置を例として示す。
図1において、レーザパッケージ1は、樹脂もしくは金属材料で形成された半導体レーザ2の外枠であり、パッケージ内部にあるレーザ素子3(3a,3b)や、受光素子4等を外部から封止している。
レーザ素子3aおよび3bはそれぞれ、光の誘導放出現象を利用し、コヒーレント光を出射する光源である。材料はAlGaAs系、GaInP系といった各種化合物半導体から形成されている。化合物の組み合わせ等により任意の波長の光を出射することができる。例としてDVD用の650nm、CD用の780nmといった波長の光を出射しているとする。レーザ素子3aと3bは、レーザ光の出射面を同一方向に向けて約100μm程離れて配置され、異なる波長の光を出射している。
シリコン基板5は、上記複数のレーザ素子3を熱融着などの方法により、互いの出射光軸が平行になるように固定している。
基台側の光軸6は、本発明における半導体レーザ装置2が、光ピックアップ装置等に使用される場合において、図示していない光ピックアップ基台に搭載されるコリメートレンズや対物レンズの中心軸を示す。
また、図2はレーザ素子の有する非点収差を説明する概略図である。発光点11aおよび11bはそれぞれレーザ素子3a,3bの水平方向(レーザの活性層の幅方向であり、図中のX方向)の発光点位置を示し、12aおよび12bはレーザ素子3a,3bの垂直方向(活性層の幅方向に垂直な方向であり、図中のY方向)の発光点位置を示す。また、レーザ光軸13aはレーザ素子3aから出射される発散光の中心軸を示し、レーザ光軸13bはレーザ素子3bから出射される発散光の中心軸を示す。お互いの光軸は平行もしくは略平行になるようレーザ素子3a,3bが配置されている。通常、垂直方向の発光点12a,12bはレーザ素子3a,3bの出射端面14上付近に位置し、水平方向の発光点11a,11bはレーザ素子の出射端面14から数μmから数十μm程度内部に位置する。この垂直方向と水平方向と発光点の差がいわゆる非点隔差15であり、これが各種光学部品に対して非点収差として作用する。また、この非点隔差15はレーザ素子の設計やばらつきなどで異なってくる。本発明においては、複数のレーザ素子が有する非点隔差量および非点収差量は互いに異なっている。
図1における平行平板16aおよび16bは、それぞれ平行な二平面を有する光学硝子もしくは樹脂材料にて形成され、レーザ光を透過させる透光部材である。平行平板はパッケージ内部にあるレーザ素子の数に一致した数が配置されている。各平板は、各レーザ素子が有する非点収差量をそれぞれ打ち消す角度、もしくは各レーザ光軸をお互いに近接させるよう変移させる角度にてレーザ素子と同じくシリコン基板5に固着されている。個々の平板の傾斜角度は同一である必要はない。また、平行平板16aおよび16bが一体的に形成されてもよい。
ホログラム素子7は、光学硝子もしくは樹脂材料にて形成された光学部材であり、レーザパッケージ1のレーザ光出射面側に、UV照射により硬化する接着剤等を用いて固着されている。ホログラム素子7には、レーザに入射してくる光、例えば光ディスク装置における光ディスクからの戻り光をレーザパッケージ内に備えられた受光素子4に導くために、所望の波長に対して回折機能を作用させる回折格子を有する。
受光素子4は、シリコン基板5上に複数個形成されており、例えば光ディスからの戻り光を受光し、光の強弱信号を電気信号に変換する。この電気信号は図示していないレーザの出力端子から半導体レーザ外部へ出力される。この受光素子4と、受光素子へ戻り光を導くホログラム素子7が半導体レーザ装置2に備えられていることで、レーザの高集積化が実現されている。
(実施の形態の作用)
以上の構成において、半導体レーザ装置2はその内部にある複数のレーザ素子3から出射されたレーザ光が有する非点収差を各々のレーザ素子直前に備えられた平行平板16a,16bにより各々に補正し、光軸間距離を近接させる。
すなわち図3のように平行平板16a、16bの厚みをそれぞれt、t、レーザ素子3a、3bの波長に対する屈折率をn、n、平行平板16a,16bへの入射前後の空間における屈折率を1、平行平板16a,16bの法線と各レーザ光軸の入射角をθ1a、θ1bとすると、発散光束が傾いた平行平板16a,16bを透過した後、X方向とY方向で非点隔差量ΔZが、
ΔZ=t・(n−1)・sinθ/(n−sinθ3/2
という式で発生する。ここで、添え字のa,bは省略している。またレーザ素子が通常有する非点隔差を低減する場合には、図3のX−Z面上の方向で平行平板の屈折率と厚みを決めた上で任意に傾ければよく、上式のt、n、θのパラメータを複数の平行平板それぞれに任意に設定することで、各々のレーザ素子が有する非点隔差に起因する非点収差量を個別に打ち消すことができる。
また、上式と同じパラメータを使用して、さらに平行平板の入射面における屈折角をθとし、傾けた平行平板の入射前後でのX方向の変移αは、
α=t・sin(θ−θ)/cosθ
という式で与えられる。ここで、θ=sin−1(sinθ/n)である。従って、各々のレーザ素子直前に配置された平行平板をお互いに図3のような向きに傾けることで任意の量だけ光軸を近接させることができる。
(実施の形態の効果)
以上の構成によれば、複数のレーザ素子を有する半導体レーザ素子において、各素子が有する非点隔差、それに起因する非点収差を補正し、また各レーザ光軸間距離を近接することが可能となり、レーザとしての光学特性を向上することができる。
(他の実施の形態)
なお、上述の実施の形態では、半導体レーザ装置を受発光素子の代表として示したが、本発明においては、半導体レーザ装置に関わらず複数の発光素子を有する全ての装置に適用される。
また、上述の実施の形態では、半導体レーザパッケージ内に備えられているレーザ素子の非点収差補正、光軸間距離変移を実現する光学部材として、平行平板の傾斜の例で説明したが、これに限らず各レーザ素子近傍にシリンドリカルレンズや三角プリズムなどの各種光学部材を配置することで実現しても構わない。
また、上述の実施の形態では、複数のレーザ素子の持つ非点収差をそれぞれ打ち消す例を示したが、それぞれの非点収差を所望の量に設定するように適用してもよい。
また、上述の実施の形態では、レーザ素子の持つ光軸をお互いに近接させる例を示したが、任意の光軸間距離設定に適用してもよい。
なお、上述の実施の形態では半導体レーザパッケージ内に備えられているレーザ素子が二つの例で説明したが、三つ以上で実施することも可能である。この場合、レーザ素子数量に一致した透光部材を使用することで本発明の優位性がより顕著に示される。三つ以上の波長のレーザ素子の場合、従来技術で言及されているような一つの平行平板の傾けでは、全ての波長に対して光軸の変移、非点収差の最適化を満たす条件が限定されてしまうが、本発明ではそれぞれの波長のレーザ素子に最適な透光部材を個別に選択できるため適用範囲が広いため、より有効となる。
また、上述の実施の形態では半導体レーザ素子と受光素子およびホログラム素子を一体化したレーザパッケージについて光ピックアップを構成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、レーザ素子と受光素子およびホログラム素子を個別に配置する場合にも広く適用することができる。いずれもこの実施の形態に限定されるものではない。
本発明にかかる受発光素子は、非点収差量が異なるレーザ素子を同一パッケージに備えていても個々のレーザ素子の収差を補正することが可能であり、また複数のレーザ素子の光軸間距離を任意に変移可能となるので、複数の光源を有する光ヘッド、こられを備えた機器、装置等として有用である。
本発明の実施の形態における受発光素子の構成を示す断面図 同受発光素子のレーザ素子の非点隔差を説明するための模式図 同受発光素子のレーザ素子の細部を示す概念図 従来の一般的な光ピックアップの構成図 第1の公知例における従来の非点収差補正手段の構成図 第2の公知例における半導体レーザ装置の構成図
符号の説明
1 レーザパッケージ
2 半導体レーザ装置
3 複数のレーザ素子
3a 短波長レーザ素子
3b 長波長レーザ素子
4 受光素子
5 シリコン基版
6 基台側の光軸
7 ホログラム素子
11a レーザ素子3aの水平方向の発光点
11b レーザ素子3bの水平方向の発光点
12a レーザ素子3aの垂直方向の発光点
12b レーザ素子3bの垂直方向の発光点
13a レーザ素子3aの発散光の中心軸
13b レーザ素子3bの発散光の中心軸
14 出射端面
15 非点隔差
16a レーザ素子3aに対する平行平板
16b レーザ素子3bに対する平行平板
101 半導体レーザパッケージ
102 第1の光源
103 第1の光源の光軸
104 基台側の光軸
105 第2の光源
106 第2の光源の光軸
107 第1の光源の出射光
108 コリメートレンズ
109 平行光
110 対物レンズ
111 光ディスク
112 ホログラム素子
113 受光素子
200 レーザパッケージ
202 平行平板
300 レーザパッケージ
301 波長の短い光源
302 波長の長い光源
303 平行平板
304 波長の長い光源による光軸
305 波長の短い光源による光軸
306 光軸間距離

Claims (11)

  1. 異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ素子の非点隔差量を個別に補正する複数の透光部材を設けたことを特徴とする受発光素子。
  2. 異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ光の光軸を複数の透光部材によって個別に変化させ、お互いのレーザ光軸間距離を任意に変移させることを特徴とする受発光素子。
  3. 異なる波長および非点隔差量を有する複数のレーザ素子を一つのパッケージに収めた受発光素子であって、各々のレーザ素子の非点隔差量を個別に補正し、かつお互いのレーザ光軸間距離を任意に変移させる複数の透光部材を有することを特徴とする受発光素子。
  4. レーザ素子の有する非点隔差量を補正するため、もしくはお互いのレーザ光軸間距離を任意に変移するために、前記透光部材の数は、前記レーザ素子の数に一致することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の受発光素子。
  5. 前記透光部材は、平行平板であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の受発光素子。
  6. 前記透光部材は、受発光素子の外形パッケージ内に備えられることを特徴とする請求項1または5のいずれかに記載の受発光素子。
  7. 前記透光部材は、外形パッケージ内のレーザ素子に近接して備えられることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の受発光素子。
  8. 前記平行平板が、複数のレーザ素子の各々の異なる非点隔差量及び非点隔差量に起因する非点収差量を補正するため、もしくはお互いの光軸間距離を変移させるため、それぞれ光軸に対して異なる角度で傾けられていることを特徴とする請求項5に記載の受発光素子。
  9. 外形パッケージへの入射光を受光する受光素子と、前記受光素子へ入射光を導くための、回折作用を有する光学部材とを備え、前記受光素子はパッケージ内に、前記光学部材は外形パッケージ出射面に設けられることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の受発光素子。
  10. 請求項1ないし9のいずれかに記載の受発光素子を有する半導体レーザ装置。
  11. 請求項10記載の半導体レーザ装置を有する光ピックアップ装置。
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WO2014073201A1 (ja) * 2012-11-08 2014-05-15 パナソニック株式会社 計算機ホログラムを用いた表示装置

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