JP2010231873A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザと受光素子基板とを一体的に集積化した光デバイスにおいて、各部品の相互位置の誤差の累積による性能劣化を回避し、射出光の光強度分布や偏光方向などの光学的設定の自由度が確保できるようにする。
【解決手段】半導体レーザ１が搭載され、半導体レーザの搭載部と光路変換ミラーが一体形成されたサブマウント２と、光ディスクの記録トラックの接線に略平行及び直交する分割線によって分割された受光領域を有する受光素子３とを備え、射出、半導体レーザ１から射出され光路変換ミラー７によって反射されて射出される光束は、光束断面形状の長軸方向、短軸方向、あるいは直線偏光の方向の少なくとも一つが、受光素子の分割線に対して、所定の角度をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に光ディスク等の光情報記録媒体の記録及び／又は再生用光ピックアップに用いる光デバイスに関する。

従来、情報記録媒体である光ディスクとしては、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）が知られており、また、さらに高密度記録に対応したＢＤ（Blu-ray Disc）などが提案されている。光ディスクには、大容量化、高密度化が要請されている。光ディスクの大容量化、高密度化に伴って、これら光ディスクの再生及び／又は記録を行う光ピックアップにおいては、光源の短波長化及び対物レンズ開口数（ＮＡ）の向上が図られており、この光ピックアップを構成する受発光素子や光学部品の寸法や相互位置関係にも、さらに高い精度が求められている。

また、光ディスクの用途の多様化に伴って、可搬性の高い記録再生装置が求められ、光ピックアップの小型化、軽量化と信頼性との両立が求められており、この要請に対応して、光ピックアップにおける光源となる半導体レーザ、受光素子基板となるＰＤＩＣ（Photo Detector IC）、光路変換機能、光路分岐機能及びレンズ機能を備えたホログラム素子、さらに、ミラー等を一体集積化した光デバイスが提案されている。そして、この光デバイスにおいても、光ディスクの大容量化、高密度化に伴って、各部の寸法や相互位置関係に高精度化が求められており、かつ、低価格化も求められている。

本件出願人は、特許文献１に記載されているように、ＰＤＩＣ上に、光路変換ミラー、サブマウント及び半導体レーザをそれぞれ別体で搭載し、半導体レーザと受光素子とを一体化し集積化した光デバイスを提案している。

また、特許文献２には、受光素子基板、光路変換ミラー及びサブマウントが一体形成され、半導体レーザはサブマウントを介さずＰＤＩＣに取付けて構成した光デバイスが記載されている。

特開２００５−０５６４８０公報 特開２０００−１９６１７６公報

ところで、上記特許文献２の光デバイスの場合、光路変換ミラーを半導体基板に対するエッチングにより作製する。この光デバイスにおいて、受光素子は、電子回路とともにＰＤＩＣとして作製され、回路規模や周波数特性の観点から、例えば、いわゆる０．５μｍルールといったアナログＩＣとしては微細な作製プロセスを必要とする。そのため、作製プロセス後の面積単価が高価である。そして、半導体レーザの搭載部やエッチングによる光路変換ミラーも一体的に作製されるため、総面積が冗長となり、全体として高価なものとなってしまう。

また、光路変換ミラーの作製に適した結晶方位を有しながら、アナログＩＣの作製プロセスにも適した半導体基板を用いなければならない。さらに、前述したアナログＩＣの作製プロセスとエッチングプロセスとを半導体基板全体で通過させる必要があり、作製時間が長くなり、また、先に作製した部分が、後の作製プロセスにおいて傷損を被る虞がある。

また、一体の半導体基板により受光部及び発光部の配置が制約されるため、受光素子基板を作製した後には、受光部及び発光部間の相互位置関係を変更することが不可能であり、調整により修正することができず、また、僅かな設計変更にも対応することができない。さらに、光路変換ミラーにより反射された光束の強度分布や直線偏光の方向の変更が困難である。

一方、上記特許文献１に記載の光デバイスの場合、ＰＤＩＣ上に、光路変換ミラー、サブマウント及び半導体レーザをそれぞれ別体で搭載する。そのため、光路変換ミラー、サブマウント及び半導体レーザの搭載時の位置の誤差が累積してしまうという問題がある。また、部品点数が多いため、搭載工程も多くなり、さらに、光路変換ミラーにより反射された光束の強度分布や直線偏光の方向を調整するためには、画像処理や搭載姿勢制御が必要となり、製造工程が煩雑である。さらに、光路変換ミラーとなるガラス製のミラーが高価である。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、半導体サブマウントに搭載した半導体レーザと受光素子基板とを一体的に集積化した光デバイスにおいて、部品点数を削減し、また、各部品の相互位置の誤差の累積による性能劣化を回避し、調整工程を簡素化しつつ、射出光の光強度分布や偏光方向などの光学的設定の自由度が確保できる光デバイスを提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る光デバイスは、以下の構成の少なくとも一を有するものである。

〔構成１〕
半導体レーザが搭載され半導体レーザを搭載する搭載部及び半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され配線基板上に設置されたサブマウントと、サブマウントとは異なる基板から作製され配線基板上に設置された受光素子基板とを備えたことを特徴とするものである。

〔構成２〕
半導体レーザが搭載され半導体レーザを搭載する搭載部及び半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され配線基板上に設置されたサブマウントと、サブマウントと同一の基板上に作製されかつサブマウントと切断分離されて配線基板上に設置された受光素子基板とを備えたことを特徴とするものである。

〔構成３〕
半導体レーザが搭載され半導体レーザを搭載する搭載部及び半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され配線基板上に設置されたサブマウントと、配線基板上に設置された受光素子基板と、受光素子基板上に設けられ受光素子基板上に写像された光ディスクの記録トラックの接線に略平行な分割線及び直交する分割線によって複数の領域に分割された受光領域を有する受光素子とを備え、サブマウントが、配線基板上に写像された光ディスクの記録トラックの接線に対して回転された位置に設置されていることによって、半導体レーザから射出されサブマウントの光路変換ミラーによって反射されてこの光デバイス外に射出される光束は、光束断面形状の長軸方向、光束断面形状の短軸方向、あるいは、直線偏光の方向の少なくとも一つが、受光素子の各分割線に対して、略平行ではなく、また、直交せず、所定の角度をなしていることを特徴とするものである。

本発明によれば、射出部品点数を削減すると共に、各部品の相互位置の誤差の累積による性能劣化を回避し、射出光の強度分布や偏光方向を任意に設定することができる。

本発明に係る光デバイスを用いた光ピックアップの構成を示す斜視図である。 本発明に係る光デバイスの構成を示す分解斜視図である。 本発明に係る光デバイスの構成を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 本発明に係る光デバイスと光ディスクとの位置関係を示す上面図である。 本発明に係る光デバイスの構成の他の例を示す分解斜視図である。 半導体レーザと受光素子とを一体化し集積化した従来の光デバイスであって、記録トラックに対して回転させて配置した光デバイスの構成を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る光デバイスを用いた光ピックアップの構成を示す斜視図である。

本発明に係る光デバイスは、図１に示すように、記録トラック５８に沿って情報信号が記録された情報記録媒体である光ディスク５５に対して収束光を照射し、この収束光の光ディスク５５からの反射光を検出して、情報信号を読み取る光ピックアップに適用することができる。

本発明に係る光デバイスは、金属板の打抜き材からなり樹脂パッケージ５に一体化されて補強された配線基板となるリードフレーム４を有している。リードフレーム４の上面の金属露出部分（搭載部）には、光路変換ミラー７を一体形成したサブマウント２が搭載されている。このサブマウント２上には、光路変換ミラー７に対向して、半導体レーザ１が搭載されている。サブマウント２は、光路変換ミラー７に対向する位置に、半導体レーザ１が搭載されるための平面部が形成されている。

また、リードフレーム４上には、サブマウント２の側方に位置して、ＰＤＩＣ（受光素子）３が搭載されている。ＰＤＩＣ３の上面には、表面から数μｍの範囲内に、受光領域１１や、図示しない増幅演算回路等が、半導体プロセスにより形成されている。

これらサブマウント２及びＰＤＩＣ３は、リードフレーム４上に相互位置決めされて搭載されている。

光ピックアップにおいて、サブマウント２上に搭載された半導体レーザ１から射出された光束は、光路変換ミラー７により反射され、ホログラム素子１９を透過して、対物レンズ２５に入射される。この光束（往路光）は、ホログラム素子１９においては何らの作用も受けずに透過する。

対物レンズ２５に入射した光束は、この対物レンズ２５によって収束光となり、光ディスク５５の信号記録上に集光され、この信号記録面上に光スポット５６を形成する。

そして、光ディスク５５の信号記録面において反射された反射光（複路光）は、対物レンズ２５に戻り、この対物レンズ２５を経てホログラム素子１９に入射する。このホログラム素子１９は、光ディスク５５からの反射光の通過領域を含む平面上に形成されている。なお、このホログラム素子１９は、透明基板１８上に、微細周期構造として作製されている。

ここで、光ディスク５５上の記録トラック５８の接線に平行な軸（図１中のＹ軸）をタンジェンシャル軸５９と呼び、このタンジェンシャル軸５９に直交し光ディスク５５の回転中心軸６０を通る軸（図１中のＸ軸）をラジアル軸６１と呼ぶ。光ディスク５５に対する往復の光束の光軸５７（図１中のＺ軸）は、これらタンジェンシャル軸５９及びラジアル軸６１のいずれとも直交する。

ホログラム素子１９に入射した光ディスク５５からの反射光は、このホログラム素子１９において、回折作用を受ける。ホログラム素子１９は、複数の分割線２０，１５，１６，１７によって複数の領域（８領域）に分割されている。光ディスク５５からの反射光は、ホログラム素子１９の分割された領域のそれぞれにおいて、異なる、または、同一の回折作用を受ける。回折作用を受けた光ディスク５５からの反射光は、１次回折光として、光軸５７に対して所定の角度をなして０次光より分岐され、２組の回折光群（計４本の回折光）として射出される。これら２組の回折光群は、互いに空間的に離間する位置において、ＰＤＩＣ３上に入射する。

ＰＤＩＣ３上には、受光素子１１が形成されている。ホログラム素子１９を経た２組の回折光群は、いずれも受光素子１１に漏れなく入射して、光スポット２２，２３を形成する。すなわち、受光素子１１は、ホログラム素子１９を経た反射光を検出する。

受光素子１１は、２本の分割線２１，２４によって４つの受光領域に分割されている。この受光素子１１は、分割された受光領域ごとに、入射した光束の光量に応じた光電変換を行い、信号出力を行う。この受光素子１１は、４つの受光領域に分割されているので、４本の信号出力を行う。これら４本の信号出力を演算することにより、光ディスク５５に記録された情報信号の読取り信号及び各種のエラー信号が生成される。

図２は、本発明に係る光デバイスの構成を示す分解斜視図である。

この光デバイスにおいて、光路変換ミラー７を有するサブマウント２は、図２に示すように、同一のウエハ（Ｓｉ単結晶基板）１２内において作製される。すなわち、サブマウント２は、ウエハ１２内に複数が配列された状態に形成されて、このウエハ１２を個々のサブマウント２に切断することによって作製される。

サブマウント２を作製するためのウエハ１２としては、エッチドミラーである光路変換ミラー７を作製するのに適した安価な基板（いわゆるオフ基板）を用いることができ、例えば、４インチのものであってもよい。

一方、ＰＤＩＣ３は、サブマウント２とは別のウエハ１３内において作製される。すなわち、ＰＤＩＣ３は、ウエハ１３内に複数が配列された状態に形成されて、このウエハ１３を個々のＰＤＩＣ３に切断することによって作製される。

ＰＤＩＣ３を作製するためのウエハ１３としては、高速演算回路に適したエピウエハ（いわゆるジャスト基板）を用い、いわゆるサブμｍルールを適用した装置により作製プロセスを実行することが可能な、例えば、６インチウエハであることが好ましい。

このように、サブマウント２及びＰＤＩＣ３を、それぞれ別個のウエハ１２，１３から作製することにより、これらサブマウント２及びＰＤＩＣ３は、全く独立に最適なプロセス、サイズ及び厚さを選択して作製することが可能である。

この光デバイスにおいては、ＰＤＩＣ３の表面を、光学的及び機械的基準面として用いている。そして、サブマウント２及び半導体レーザ１は、ＰＤＩＣ３の表面に半導体プロセスにより形成された図示しないアライメントマーク等を基準として、μｍオーダの精度でリードフレーム４上に搭載される。

図３は、本発明に係る光デバイスの構成を示す上面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

この光デバイスにおいては、光路変換ミラー７は、半導体レーザ１が搭載されるサブマウント２に対して、予め一体的に形成されている。そのため、半導体レーザ１及びサブマウント２の搭載工程においては、これら半導体レーザ１及びサブマウント２間の相互位置関係のみを制御すればよい。

従来の光デバイスにおいて、サブマウント２と光路変換ミラー７とが別体となっている場合には、これらサブマウント２及び光路変換ミラー７間の相対位置関係を高精度に制御する必要があり、また、両者を別工程で搭載することに鑑みると、両者間には数十μｍの空隙（クリアランス）が確保されている必要がある。そのため、従来の光デバイスにおいては、半導体レーザ１の発光点６と、光路変換ミラー７に反射されることによる見かけの発光点１４との間隔を短縮するには限界がある。

これに対し、本発明に係る光デバイスにおいては、見かけの発光点１４の位置を決める光路変換ミラー７は、発光点６の位置を決めるサブマウント２に一体的に同一のウエハ１２上において形成されるため、前述したような空隙（クリアランス）は必要ではない。

したがって、この光デバイスにおいては、発光点６と見かけの発光点１４との間隔を相対的に数十μｍとすることができ、図１に示すように、発光点６から円錐状に広がって射出される光束の有効発散角が一定（例えば、片側１０°程度）であるとすると、発光点６と見かけの発光点１４との間隔の二乗に比例して、光路変換ミラー７上において必要な反射面積を小さくすることができる。そのため、射出波面として厳しい管理、例えば、波面収差のＲＭＳ値（Root Mean Square：二乗平均）を０．０５λ程度未満とする管理が必要となる光路変換ミラー７の表面状態の管理が容易となり、Ｓｉウエハにエッチングにより形成する場合の歩留りを向上させることができる。

図４は、本発明に係る光デバイスと光ディスクとの位置関係を示す上面図である。

この図４においては、光デバイスが、光ディスク５５より、光ピックアップの光学系において光学的に写像される位置関係を示しており、通常の光強度分布（光束断面形状）及び偏光方向を示している。

本発明に係る光デバイスにおいては、サブマウント２は、リードフレーム４上に写像される光ディスク５５の記録トラック５８の接線に対して回転された位置に設置され固定されている。そして、半導体レーザ１から射出されサブマウント２の光路変換ミラー７によって反射されてこの光デバイス外に射出される光束は、光束断面形状の長軸方向、光束断面形状の短軸方向、あるいは、直線偏光の方向のいずれか一つ乃至二つが、受光素子１１の各分割線２１，２４に対して、略平行ではなく、また、直交せず、所定の角度をなしている。

そのため、この光デバイスを用いた光ピックアップにおいては、光ディスク５５からの戻り光をホログラム素子１９により受光素子１１に戻す場合に、ホログラム素子１９の波長依存性による回折光の位置変動や、トラッキングエラー信号及びフォーカスエラー信号の検出方式等による制約を受けずに、光ディスク５５の再生品位に影響する射出光の偏光方向と記録トラック５８との相対角度や、対物レンズ瞳における強度分布を調整することができ、最適な偏光方向、あるいは、対物レンズの瞳端における光強度を設定することが可能になり、ひいては、線密度及び記録トラック密度のいずれにおいても光学的性能を両立させることが可能になる。

図６は、半導体レーザと受光素子とを一体化し集積化した従来の光デバイスであって、記録トラックに対して回転させて配置した光デバイスの構成を示す平面図である。

ここで、図６に示すように、半導体レーザ１０４と受光素子１１０とを一体化し集積化した従来の光デバイスを用いて、見掛けの発光点と受光素子１１０との相対関係を維持しつつ、射出光の直線偏光の方向を記録トラック５８に対して所定角度傾けて、タンジェンシャル方向の射出光強度分布とラジアル方向の射出光強度分布とを調整する場合には、光路変換ミラー１０５とサブマウント１０３のいずれをも回転させたうえに、相互の位置関係を精密に計算したうえで、位置関係を定める必要があった。

これに対し、本発明に係る光デバイスにおいては、光路変換ミラー７がサブマウント２に対して一体となっているので、半導体レーザ１の発光点と光路変換ミラー７との相互位置関係を精度良く定めたうえで、この位置関係を維持したまま、一体的に位置決めしてリードフレーム４上に載置することができ、簡便、かつ、精度よく位置決めを行うことができる。

なお、ＢＤディスクに対応した光ピックアップにおいては、対物レンズ２５に至る光強度分布に敏感であり、タンジェンシャル軸５９とラジアル軸６１とで同等の強度分布が求められる場合があり、この場合には、ビーム整形光学系が必要となる場合がある。

なお、ウエハ１２には、オフ基板を、ウエハ１３には、ジャスト基板を用いることができる。ジャスト基板とは、インゴットＳｉの所定の結晶面に平行な角度で切り出されたものをいう。オフ基板とは、インゴットＳｉの所定の結晶面に対して所定の角度で切り出されたものをいう。

〔第２の実施の形態〕
ところで、この光デバイスにおいては、前述したように、サブマウント２はサブマウント用のウエハ１２から作製され、ＰＤＩＣ３はＰＤＩＣ用のウエハ１３から作製される。ここで、図２に示すように、サブマウント用のウエハ１２の厚さをｈ、ＰＤＩＣ用のウエハ１３の厚さをｊとする。このとき、各ウエハ１２，１３間、あるいは、ウエハ内の面内分布により、±３μｍ程度の厚さ誤差が生ずる。

ここで、サブマウント２がΔｈの厚さ誤差を有して厚さｈ′となり、ＰＤＩＣ３がΔｊの厚さ誤差を有して厚さｊ′となっているとする。この場合、図３中の（ｂ）に示すように、双方の誤差が逆方向であると、見かけの発光点１４から受光領域１１の表面までの高さの差は、設計値ｄに対し、Δｄ＝Δｈ＋Δｊの合計誤差を持ってしまう。前述のように、各ウエハ１２，１３の厚み誤差が、各々±３μｍで、見かけの発光点１４から受光領域１１の表面までの高さの差の誤差限界が±５μｍであるとすると、Δｄは、最大で、Δｄmax＝３＋３＝６（μｍ）となってしまい、誤差限界の５μｍを超えてしまう虞がある。

図５は、本発明に係る光デバイスの構成の他の例を示す分解斜視図である。

そこで、サブマウント２とＰＤＩＣ３とで、元になるウエハを別体化によるメリットよりも、光学的精度を重視する用途では、図５に示すように、サブマウント２、光路変換ミラー７及びＰＤＩＣ３を一枚のウエハ１２上に作製し、これを切断して、隣接するチップ同士を同一のデバイスに用いることにより、同一のウエハ厚とみなすことができるので、光学的な高さ関係の精度を向上させることが可能である。

すなわち、この実施の形態の光デバイスにおいては、サブマウント２及びＰＤＩＣ３は、ともに同一のウエハ１２上において複数が作製され、切断されて作製される。サブマウント２もＰＤＩＣ３もＳｉ単結晶基板から作製されることに着目すれば、半導体工程等は類似しているため、同一のウエハ１２内に作製可能である。この場合、このウエハ１２の厚さｈは、サブマウント２及びＰＤＩＣ３において共通となる。

さらに、形状的に双方の一辺の長さを共有するものとすれば、ウエハ１２内で両者を隣接した配置とすることができ、ウエハ研磨による厚さの面内分布を考慮しても、双方を完全に同一の厚さで作製することが可能である。すなわち、図５に示すように、サブマウント２の長辺と、ＰＤＩＣ３の短辺とを同一として隣接させ、切出した後のＰＤＩＣ３を９０°回転させて、同一のリードフレーム４上に搭載することができる。

この実施の形態においても、半導体レーザ１は、ＰＤＩＣ３の表面を光学的及び機械的基準面として用いて、半導体プロセスで形成された（図示しない）アライメントマーク等を基準として、μｍオーダの精度でサブマウント２上に搭載される。

ここで、サブマウント２がΔｈの厚さ誤差を有して厚さｈ′となり、ＰＤＩＣ３もΔｈの厚さ誤差を有して厚さｈ′となっているとする。この場合、双方の誤差が同一方向であるので、Δｄ＝Δｈ−Δｈ＝０となって、誤差が相殺され、図３中の（ｂ）に示すように、見かけの発光点１４から受光領域１１の表面までの高さの差は、設計値ｄに対し、誤差のない状態となる。前述のように、ウエハ１２の厚み誤差が、±３μｍであっても、見かけの発光点１４から受光領域１１の表面までの高さの差の誤差は略０（μｍ）となり、誤差限界を超えることがない。

そして、この実施の形態においては、前述の実施の形態と同様に、光路変換ミラー７がサブマウント２に一体的に形成されているので、サブマウント２、光路変換ミラー７及びＰＤＩＣ３が同一のウエハから作製され、総合的な位置精度が向上される。

本発明に係る光デバイスは、主に、光ディスク等の光情報記録媒体の記録及び／又は再生用光ピックアップにおいて用いられる。

１ 半導体レーザ
２ サブマウント
３ ＰＤＩＣ
４ リードフレーム
５ 樹脂パッケージ
６ 発光点
７ 光路変換ミラー
１１ 受光領域
１２ サブマウント用のウエハ（半導体基板）
１３ 受光素子用のウエハ（半導体基板）
１４ 見かけの発光点

Claims (3)

1. 半導体レーザが搭載され、前記半導体レーザを搭載する搭載部及び前記半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され、配線基板上に設置されたサブマウントと、
   前記サブマウントとは異なる基板から作製され、前記配線基板上に設置された受光素子基板と
   を備えたことを特徴とする光デバイス。
2. 半導体レーザが搭載され、前記半導体レーザを搭載する搭載部及び前記半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され、配線基板上に設置されたサブマウントと、
   前記サブマウントと同一の基板上に作製され、かつ前記サブマウントと切断分離されて、前記配線基板上に設置された受光素子基板と
   を備えたことを特徴とする光デバイス。
3. 半導体レーザが搭載され、前記半導体レーザを搭載する搭載部及び前記半導体レーザから射出したレーザ光を反射する光路変換ミラーが一体化形成され、配線基板上に設置されたサブマウントと、
   前記配線基板上に設置された受光素子基板と、
   前記受光素子基板上に設けられ、前記受光素子基板上に写像された光ディスクの記録トラックの接線に略平行な分割線及び直交する分割線によって複数の領域に分割された受光領域を有する受光素子と
   を備え、
   前記サブマウントが、前記配線基板上に写像された前記光ディスクの記録トラックの接線に対して回転された位置に設置されていることによって、前記半導体レーザから射出され前記サブマウントの光路変換ミラーによって反射されてこの光デバイス外に射出される光束は、光束断面形状の長軸方向、光束断面形状の短軸方向、あるいは、直線偏光の方向の少なくとも一つが、前記受光素子の各分割線に対して、略平行ではなく、また、直交せず、所定の角度をなしている
   ことを特徴とする光デバイス。

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