JP2540188B2 - 光ディスク駆動装置 - Google Patents
光ディスク駆動装置Info
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- JP2540188B2 JP2540188B2 JP63117143A JP11714388A JP2540188B2 JP 2540188 B2 JP2540188 B2 JP 2540188B2 JP 63117143 A JP63117143 A JP 63117143A JP 11714388 A JP11714388 A JP 11714388A JP 2540188 B2 JP2540188 B2 JP 2540188B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は集光グレーティングカップラを備えた光ディ
スク駆動装置に係り、特に光収差低減のパラメータを緩
和するに好適な構造の光素子を搭載した光ディスク駆動
装置に関する。
スク駆動装置に係り、特に光収差低減のパラメータを緩
和するに好適な構造の光素子を搭載した光ディスク駆動
装置に関する。
回折格子を利用して、光導波路から外部に光を取り出
しかつ集光する従来の集光グレーティングカップラにつ
いては、例えば電子情報通信学会技術報告OQE86−84（1
986）の第15頁から第22頁において、その収差特性が詳
細に論じられている。そのカップラの構造は第３図のよ
うになっている。すなわち、グレーティングカップラ37
は半導体又は誘導体又はガラスの光学基板31上に形成さ
れた導波層32上に、不等間隔曲線形状の回折格子33を形
成し、これを用いて、導波光34を導波路上部空間へ射出
せしめかつ集束させるものである。
しかつ集光する従来の集光グレーティングカップラにつ
いては、例えば電子情報通信学会技術報告OQE86−84（1
986）の第15頁から第22頁において、その収差特性が詳
細に論じられている。そのカップラの構造は第３図のよ
うになっている。すなわち、グレーティングカップラ37
は半導体又は誘導体又はガラスの光学基板31上に形成さ
れた導波層32上に、不等間隔曲線形状の回折格子33を形
成し、これを用いて、導波光34を導波路上部空間へ射出
せしめかつ集束させるものである。
更に、前記集光グレーティングカップラにバルクの対
物レンズ36を組合せたハイブリッド型の集光グレーティ
ングカップラについては、テクニカル・ダイジェスト・
オブ・フアースト・マイクロオプティクス・コンファレ
ンスの第202頁から第205頁、1987年〔Technical Digest
of 1st Microoptics Conference,Page 202〜205（198
7）〕において、その収差特性が論じられている。その
構造は第４図のように、第３図で示した不等間隔回折格
子33から成る集光グレーティングカップラ37と対物レン
ズ36を組合せたものである。
物レンズ36を組合せたハイブリッド型の集光グレーティ
ングカップラについては、テクニカル・ダイジェスト・
オブ・フアースト・マイクロオプティクス・コンファレ
ンスの第202頁から第205頁、1987年〔Technical Digest
of 1st Microoptics Conference,Page 202〜205（198
7）〕において、その収差特性が論じられている。その
構造は第４図のように、第３図で示した不等間隔回折格
子33から成る集光グレーティングカップラ37と対物レン
ズ36を組合せたものである。
なお、第５図は、第３図の集光グレーティングカップ
ラ37を用いた光ディスク駆動装置に使用する光集積ピッ
クアップ（光ヘッド）の具体的構造を示したものであ
る。図において、31はSi基板、31aはバッファ層、32は
導波層、33は不等間隔曲線形状回折格子、33aはグレー
ティング層、34は導波光、34aは光ディスク35の記録情
報ピット35aからの戻り反射光、36は集光対物レンズ、3
7は集光グレーティングカップラ、38は戻り反射光を分
割するグレーティングビームスプリッタ、39はレーザ光
源（半導体レーザ）、40は受光素子（ホトダイオードか
ら成る受光器）をそれぞれ示す。
ラ37を用いた光ディスク駆動装置に使用する光集積ピッ
クアップ（光ヘッド）の具体的構造を示したものであ
る。図において、31はSi基板、31aはバッファ層、32は
導波層、33は不等間隔曲線形状回折格子、33aはグレー
ティング層、34は導波光、34aは光ディスク35の記録情
報ピット35aからの戻り反射光、36は集光対物レンズ、3
7は集光グレーティングカップラ、38は戻り反射光を分
割するグレーティングビームスプリッタ、39はレーザ光
源（半導体レーザ）、40は受光素子（ホトダイオードか
ら成る受光器）をそれぞれ示す。
上記集光グレーティングカップラ37は、不等間隔曲線
形状の回折格子から構成され、回折格子33の間隔を光の
進行方向に行くに従って狭くすることにより導波路上部
空間に射出できるようになっている。
形状の回折格子から構成され、回折格子33の間隔を光の
進行方向に行くに従って狭くすることにより導波路上部
空間に射出できるようになっている。
しかし、上記従来の技術では以下に述べるような二つ
の技術課題があった。
の技術課題があった。
その第１の課題は、従来の集光グレーティングカップ
ラにおいては、前述のごとく不等間隔の曲線形状回折格
子により導波光を導波路上部空間に射出する構成となっ
ているが、上部空間に射出する光量は導波路に入射した
レーザ光の約1/2で、残りの導波光は大半が基板内に漏
れ有効に活用されていない。同様の理由で、光ディスク
の記録・再生ピットから反射される光情報も、同じよう
な光路をたどることとなり、集光グレーティングカップ
ラに入射した光量の何割かは基板内に漏れ、再び導波路
に戻る光量はかなり少なくなってしまう。この基板内に
漏れる導波光を有効に活用する方法も試みられているが
未だ十分なものは報告されていない。
ラにおいては、前述のごとく不等間隔の曲線形状回折格
子により導波光を導波路上部空間に射出する構成となっ
ているが、上部空間に射出する光量は導波路に入射した
レーザ光の約1/2で、残りの導波光は大半が基板内に漏
れ有効に活用されていない。同様の理由で、光ディスク
の記録・再生ピットから反射される光情報も、同じよう
な光路をたどることとなり、集光グレーティングカップ
ラに入射した光量の何割かは基板内に漏れ、再び導波路
に戻る光量はかなり少なくなってしまう。この基板内に
漏れる導波光を有効に活用する方法も試みられているが
未だ十分なものは報告されていない。
次に第２の課題は、光の収差を低減させるため各光学
系のパラメータを如何にして緩和させることができるか
ということである。これは集光グレーティングカップラ
の構造に係わることであり、その構成を基本的に見直す
必要がある。
系のパラメータを如何にして緩和させることができるか
ということである。これは集光グレーティングカップラ
の構造に係わることであり、その構成を基本的に見直す
必要がある。
例えば第４図についてみると、光ディスクピックアッ
プの対物レンズ36の収差については以下のような制限が
ある。I0を無収差のときの光ディスクのピット（焦点）
35aにおける光強度、ΦＡ（Ｐ）を焦点35を集束点とす
る球面波と実際の波面のある点Ｐにおける位相のずれと
すると、焦点付近の点Ｑにおける規格化光強度ｉ（Ｑ）
は次式で定義される。
プの対物レンズ36の収差については以下のような制限が
ある。I0を無収差のときの光ディスクのピット（焦点）
35aにおける光強度、ΦＡ（Ｐ）を焦点35を集束点とす
る球面波と実際の波面のある点Ｐにおける位相のずれと
すると、焦点付近の点Ｑにおける規格化光強度ｉ（Ｑ）
は次式で定義される。
ただし、面積分dsはレンズの開口面上で行う。収差が
小さいときは、（１）式のexpを展開し I0＝｜∫∫ds|2 ……（２） であることを考慮すると、ｉ（Ｑ）は次式となる。
小さいときは、（１）式のexpを展開し I0＝｜∫∫ds|2 ……（２） であることを考慮すると、ｉ（Ｑ）は次式となる。
ｉ（Ｑ）＝１−４π２・ΔΦP 2 ……（３） ただし 実用上十分な対物レンズを得るには、ｉ（Ｑ）の値を
0.8以上としなければならないとされている（マレシャ
ルの条件）。そのためにはΔΦＰをほぼ0.07以下とする
ように波面収差の発生を抑制する必要がある。
0.8以上としなければならないとされている（マレシャ
ルの条件）。そのためにはΔΦＰをほぼ0.07以下とする
ように波面収差の発生を抑制する必要がある。
一方、光ディスクのように高密度に記録された情報を
読み出す場合、焦点および光のスポットサイズを小さく
するためNA（レンズの直径／焦点距離）を0.45以上にす
る必要がある。
読み出す場合、焦点および光のスポットサイズを小さく
するためNA（レンズの直径／焦点距離）を0.45以上にす
る必要がある。
ところが、前記電気情報通信学会技術報告OQE86−84
で論じられている第３図のような集光グレーティングカ
ップラの場合、NAを0.45とするとき、レーザの波長ずれ
Δλ、導波光の実効屈折率のずれΔｎ、レーザ光の光軸
からのずれδを、それぞれ以下のようにしなければなら
ない。
で論じられている第３図のような集光グレーティングカ
ップラの場合、NAを0.45とするとき、レーザの波長ずれ
Δλ、導波光の実効屈折率のずれΔｎ、レーザ光の光軸
からのずれδを、それぞれ以下のようにしなければなら
ない。
しかしながら、例えば通常の波長λ＝0.78（μｍ）の
半導体レーザを光源として使用する場合、Δλとして0.
5％程度を考えなければならず、前記条件は極めて厳し
い。δの上限値も極めて小さな値であり、これを満足す
る位置合せを行うことは極めて難しい。
半導体レーザを光源として使用する場合、Δλとして0.
5％程度を考えなければならず、前記条件は極めて厳し
い。δの上限値も極めて小さな値であり、これを満足す
る位置合せを行うことは極めて難しい。
また、前記テクニカル・ダイジェスト・オフ・ファー
スト・マイクロオプティクス・コンファレンスで論じら
れている第４図のようなバイブリッド型集光グレーティ
ングカップラの場合、NAを0.447としたとき、Δλ、Δ
ｎ、δの上限値はそれぞれ、 となり、対物レンズを使用しない場合より大幅に改善さ
れるものの、Δλ、δに関してはなお実用化レベルには
達しない。
スト・マイクロオプティクス・コンファレンスで論じら
れている第４図のようなバイブリッド型集光グレーティ
ングカップラの場合、NAを0.447としたとき、Δλ、Δ
ｎ、δの上限値はそれぞれ、 となり、対物レンズを使用しない場合より大幅に改善さ
れるものの、Δλ、δに関してはなお実用化レベルには
達しない。
このように、僅かな構造パラメータのずれが大きな収
差を生じせしめる原因は、集光グレーティングカップラ
37が、光軸に関して回転対称となっていないためであ
る。前記電気情報通信学会OQE86−84で論じられている
ように、集光グレーティングカップラ37の波面収差関数
ΦＡ（Ｐ）は次式となる。
差を生じせしめる原因は、集光グレーティングカップラ
37が、光軸に関して回転対称となっていないためであ
る。前記電気情報通信学会OQE86−84で論じられている
ように、集光グレーティングカップラ37の波面収差関数
ΦＡ（Ｐ）は次式となる。
ただしｘ、ｙは第３図上に示した平面座標系によるも
のとする。（７）の各項のうちｘ、ｙについて最低次で
ある２次の項は、不等間隔曲線形状の回折格子を用いる
集光グレーティングカップラに特有のものでありバルク
の光軸に関して回転対称なレンズには存在しない。これ
は光学系が光軸に対して回転対称でないことから生じる
もので、決して除去できず、また最も大きな値を持つた
め、集光グレーティングカップラが大きな収差を持つ原
因となっている。
のとする。（７）の各項のうちｘ、ｙについて最低次で
ある２次の項は、不等間隔曲線形状の回折格子を用いる
集光グレーティングカップラに特有のものでありバルク
の光軸に関して回転対称なレンズには存在しない。これ
は光学系が光軸に対して回転対称でないことから生じる
もので、決して除去できず、また最も大きな値を持つた
め、集光グレーティングカップラが大きな収差を持つ原
因となっている。
本発明の目的は、上記二つの課題を解決することにあ
り、その目的は、各パラメータの許容精度の制限値を大
きく緩和せしめ、改良された実用化可能な集光グレーテ
ィングカッラを備えた光ディスク駆動装置を提供するこ
とにある。
り、その目的は、各パラメータの許容精度の制限値を大
きく緩和せしめ、改良された実用化可能な集光グレーテ
ィングカッラを備えた光ディスク駆動装置を提供するこ
とにある。
光ディスクを回転駆動する手段と； この光ディスク面と所定の間隔をおいて、光ディスク
の半径方向に走査駆動し、光情報の記録・再生を行なう
光ヘッドと； この光ヘッドを走査駆動するアクチュエータと； 光ヘッドの入出力信号を処理する入出力信号処理手段
と を具備した光ディスク駆動装置であって、 前記光ヘッドは、 光学基板と； この光学基板の表面に形成された光学基板より屈折率
の高い導波層からなる光導波路と； 光導波路からの導波光を光学基板へ所定の角度θで出
射せしめる等間隔直線状の回折格子と； この出射光を光導波路表面に垂直な方向に全反射させ
る傾角を前記出射角度θとほぼ同じ角度とした基板端面
と； 全反射した光導波路表面の光を光学基板の上方部に集
束せしめるフレネルレンズと； 半導体レーザと； 光ディスク面からの反射光をフレネルレンズ及び回折
格子を介して光導波路上に形成されたビームスプリッタ
と； ビームスプリッタの出力信号を受光検出する受光検出
手段と を有して成る光ディスク駆動装置により達成される。
の半径方向に走査駆動し、光情報の記録・再生を行なう
光ヘッドと； この光ヘッドを走査駆動するアクチュエータと； 光ヘッドの入出力信号を処理する入出力信号処理手段
と を具備した光ディスク駆動装置であって、 前記光ヘッドは、 光学基板と； この光学基板の表面に形成された光学基板より屈折率
の高い導波層からなる光導波路と； 光導波路からの導波光を光学基板へ所定の角度θで出
射せしめる等間隔直線状の回折格子と； この出射光を光導波路表面に垂直な方向に全反射させ
る傾角を前記出射角度θとほぼ同じ角度とした基板端面
と； 全反射した光導波路表面の光を光学基板の上方部に集
束せしめるフレネルレンズと； 半導体レーザと； 光ディスク面からの反射光をフレネルレンズ及び回折
格子を介して光導波路上に形成されたビームスプリッタ
と； ビームスプリッタの出力信号を受光検出する受光検出
手段と を有して成る光ディスク駆動装置により達成される。
なお、集光グレーティングカップラにおいて、光導波
路から基板内に導波光を効率よく射出させるに際し、射
出角度θが式 を満足するものでなければならない理由について以下詳
述する。
路から基板内に導波光を効率よく射出させるに際し、射
出角度θが式 を満足するものでなければならない理由について以下詳
述する。
つまり、−１次光のみを基ば内に効率よく射出させる
必要がある。いま、基板の屈折率ns、導波光の実効屈折
率をＮ、回折格子のピッチをΛとする。このとき第２図
（ａ）のように−１次光（光路を矢印で示す）を導波路
32からθをなす角度で基板31内方向へ射出せしめる条件
は ただし、λ：使用レーザ光の波長 そして−１次光が光導波路32上部の空気側Ａへ射出し
ない条件は、 （８）、（９）より、 一方、射出光は基板端面で全反射する必要があるか
ら、 求める条件は式（10）で、かつ式（11）を満足するθ
である。これを1/ns関数として図示すると第２図（ｂ）
のようになる。故に、式（11）が満たされれば式（10）
は満たされるので、求める条件は同図に斜線を施した領
域を示す式（11）となる。
必要がある。いま、基板の屈折率ns、導波光の実効屈折
率をＮ、回折格子のピッチをΛとする。このとき第２図
（ａ）のように−１次光（光路を矢印で示す）を導波路
32からθをなす角度で基板31内方向へ射出せしめる条件
は ただし、λ：使用レーザ光の波長 そして−１次光が光導波路32上部の空気側Ａへ射出し
ない条件は、 （８）、（９）より、 一方、射出光は基板端面で全反射する必要があるか
ら、 求める条件は式（10）で、かつ式（11）を満足するθ
である。これを1/ns関数として図示すると第２図（ｂ）
のようになる。故に、式（11）が満たされれば式（10）
は満たされるので、求める条件は同図に斜線を施した領
域を示す式（11）となる。
また、この導波光の射出角度θは、導波路の屈折率と
導波路に隣接して設けた等間隔の直線状回折格子のピッ
チとの関係から一義的に設定されるものであり、これら
のパラメータに所定値に設定することにより容易に任意
の値に設定することができる。
導波路に隣接して設けた等間隔の直線状回折格子のピッ
チとの関係から一義的に設定されるものであり、これら
のパラメータに所定値に設定することにより容易に任意
の値に設定することができる。
本発明の導波路に隣接して設けた等間隔の直線回折格
子は、導波光の導波路から基板内に効率よく射出せしめ
る作用をし、射出角度θはこの回折格子のピッチと導波
路を構成する光学材料の屈折率とを任意に選択すること
により一義的に設定することができる。そして基板内に
入射した導波光は基板端面で全反射し、導波路上部空間
に、しかも導波路面に垂直に出射するよう、この基板端
面が導波路面とθの前記導波光の基板内への射出角度θ
と同一の角度をもって傾斜し、鏡面に研磨されている。
前記基板端面で全反射された導波光は、基板表面に形成
されたレンズ手段、例えばフレネルレンズにより上部空
間の一点（通常は光ディスクの情報記録・再生面上）に
収束される。
子は、導波光の導波路から基板内に効率よく射出せしめ
る作用をし、射出角度θはこの回折格子のピッチと導波
路を構成する光学材料の屈折率とを任意に選択すること
により一義的に設定することができる。そして基板内に
入射した導波光は基板端面で全反射し、導波路上部空間
に、しかも導波路面に垂直に出射するよう、この基板端
面が導波路面とθの前記導波光の基板内への射出角度θ
と同一の角度をもって傾斜し、鏡面に研磨されている。
前記基板端面で全反射された導波光は、基板表面に形成
されたレンズ手段、例えばフレネルレンズにより上部空
間の一点（通常は光ディスクの情報記録・再生面上）に
収束される。
一方、光路を上記と逆にたどれば、一点に収束された
光はレンズ手段を介して基板内に入射し、基板端面で全
反射し、θの角度をもって導波路に入射すると共に回折
格子の作用により導波路内を直進する。
光はレンズ手段を介して基板内に入射し、基板端面で全
反射し、θの角度をもって導波路に入射すると共に回折
格子の作用により導波路内を直進する。
以下、図面を用いて本発明を具体的に説明する。
実施例１ 第１図は本発明の一実施例となる集光グレーティング
カップラを示したもので、第１図（ａ）は断面図、第１
図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。
カップラを示したもので、第１図（ａ）は断面図、第１
図（ｂ）は平面図をそれぞれ示す。
図において、11は例えば屈折率2.177のニオブ酸リチ
ウム（LiNbO3）のごとき光学材料から成る基板、12は基
板より屈折率の高い導波層で、この例ではニオブ酸リチ
ウム基板上にチタンを蒸着し、これを熱処理して基板表
層にチタンを熱拡散して約1.5μｍの導波層を形成し
た。13は導波層上に形成した等間隔の直線状回折格子
で、導波路よりも屈折率の大きい光学材料で形成され、
この例では屈折率2.4のチタン酸化物（TiO2）膜を導波
路上に形成し、リソグラフィによるパターン形成技術に
よりピッチ2.59μｍの直線状回折格子を光の進行方向に
4mmにわたり形成した。14は導波層12上の回折格子13の
前方に設けられたレンズ手段で、この例では導波層12上
に周知の技術で口径約2mmの透過型フレネルレンズが形
成された。なお、レンズの口径は導波光の幅の等しいか
それより大とする。レンズとしては、その他バルクのレ
ンズでもよいが、基板上に集積化しコンパクトな構成と
する上からフレネルレンズが好ましい。15は基板表面の
30度の角度に切断・研磨された反射面からなる基板端面
であり、この傾斜角は導波光16の射出角度θに等しく形
成されている。17は光の焦点ｆである。また第１図
（ｂ）に示した導波光16はコリメートされた平行光であ
る。
ウム（LiNbO3）のごとき光学材料から成る基板、12は基
板より屈折率の高い導波層で、この例ではニオブ酸リチ
ウム基板上にチタンを蒸着し、これを熱処理して基板表
層にチタンを熱拡散して約1.5μｍの導波層を形成し
た。13は導波層上に形成した等間隔の直線状回折格子
で、導波路よりも屈折率の大きい光学材料で形成され、
この例では屈折率2.4のチタン酸化物（TiO2）膜を導波
路上に形成し、リソグラフィによるパターン形成技術に
よりピッチ2.59μｍの直線状回折格子を光の進行方向に
4mmにわたり形成した。14は導波層12上の回折格子13の
前方に設けられたレンズ手段で、この例では導波層12上
に周知の技術で口径約2mmの透過型フレネルレンズが形
成された。なお、レンズの口径は導波光の幅の等しいか
それより大とする。レンズとしては、その他バルクのレ
ンズでもよいが、基板上に集積化しコンパクトな構成と
する上からフレネルレンズが好ましい。15は基板表面の
30度の角度に切断・研磨された反射面からなる基板端面
であり、この傾斜角は導波光16の射出角度θに等しく形
成されている。17は光の焦点ｆである。また第１図
（ｂ）に示した導波光16はコリメートされた平行光であ
る。
ここで、回折格子を構成する酸化チタン（TiO2）の厚
み、フレネルレンズの焦点距離ｆ及び口径Ｄについてさ
らに詳述すると、光ピックアップヘッドの対物レンズと
してフレネルレンズを用いる場合には開口数NA〜0.5と
しなければならない。このレンズの実質的な開口数は、
回折格子の開口数で決まる。いま、第１図（ｂ）に図示
のように回折格子のｘ方向の開口長をLx、ｙ方向の開口
長をLyとする。回折格子による射出光が基板11表面とθ
の角をなす方向へ射出させるとき、フレネルレンズ14へ
入射する光線束の面積なLxcosθ×Lyである。例えば、
本実施例のようにθ＝30度、ｆ＝2mmとすると、 Lx＝2.30mm、Ly＝1.15mm とする必要がある。このとき、フレネルレンズの口径Ｄ
は全光束をカバーするために である必要がある。
み、フレネルレンズの焦点距離ｆ及び口径Ｄについてさ
らに詳述すると、光ピックアップヘッドの対物レンズと
してフレネルレンズを用いる場合には開口数NA〜0.5と
しなければならない。このレンズの実質的な開口数は、
回折格子の開口数で決まる。いま、第１図（ｂ）に図示
のように回折格子のｘ方向の開口長をLx、ｙ方向の開口
長をLyとする。回折格子による射出光が基板11表面とθ
の角をなす方向へ射出させるとき、フレネルレンズ14へ
入射する光線束の面積なLxcosθ×Lyである。例えば、
本実施例のようにθ＝30度、ｆ＝2mmとすると、 Lx＝2.30mm、Ly＝1.15mm とする必要がある。このとき、フレネルレンズの口径Ｄ
は全光束をカバーするために である必要がある。
また、回折格子から射出する光の振幅はｘ軸方向にex
p（−αｘ）の依存性をもって射出する。ここでαを放
射損失係数とよぶ。開口数を確保するためには、αLx
１という条件が必要である。上記の例の場合、 αの値は、基板11、導波層12、回折格子13の屈折率と
厚みで決まる。上記のように、屈折率ns＝2.177のLiNbO
3、導波層12の屈折率Ｎ＝2.187、回折格子として屈折率
ng＝2.4のTiO2を用いたとき、α〜0.4とするためには、
回折格子の厚みを約30nmとすればよい。
p（−αｘ）の依存性をもって射出する。ここでαを放
射損失係数とよぶ。開口数を確保するためには、αLx
１という条件が必要である。上記の例の場合、 αの値は、基板11、導波層12、回折格子13の屈折率と
厚みで決まる。上記のように、屈折率ns＝2.177のLiNbO
3、導波層12の屈折率Ｎ＝2.187、回折格子として屈折率
ng＝2.4のTiO2を用いたとき、α〜0.4とするためには、
回折格子の厚みを約30nmとすればよい。
再び、第１図（ａ）、（ｂ）に示す構成の集光グレー
ティングカップラの説明に戻り、各光学系のパラメータ
について検討する。
ティングカップラの説明に戻り、各光学系のパラメータ
について検討する。
ここで、光源（この図では省略）のレーザ光の波長を
λ、導波光16の実効屈折率をＮ、基板11の屈折率をns、
等間隔直線形状の回折格子13の格子間隔をΛとする。回
折格子13を用いｍ次光を基板方向に基板表面とθの角度
の方向へ光を射出するためには、 という条件を満たす必要がある。通常、回折光としては
−１次光を用いる。さらに条件式（６）の他に を満たされれば、導波光は基板方向のみに射出され空気
中へは射出されないので大きな効率が得られる。ｍ＝−
１としθ＝30（度）のとき式（12）より 例えば基板11として屈折率ns＝2.177のLiNbO3を用い
導波層12をTiの熱拡散で作製しＮ＝2.187とし、光源と
してλ＝0.78（μｍ）の半導体レーザを用いたとする
と、Λ＝2.59（μｍ）となり、フォトリソグラフィ技術
で十分作製可能な値となる。またこのとき条件式（12）
も満足されるので、導波光は基板方向のみに効率よく射
出せしめることが可能である。
λ、導波光16の実効屈折率をＮ、基板11の屈折率をns、
等間隔直線形状の回折格子13の格子間隔をΛとする。回
折格子13を用いｍ次光を基板方向に基板表面とθの角度
の方向へ光を射出するためには、 という条件を満たす必要がある。通常、回折光としては
−１次光を用いる。さらに条件式（６）の他に を満たされれば、導波光は基板方向のみに射出され空気
中へは射出されないので大きな効率が得られる。ｍ＝−
１としθ＝30（度）のとき式（12）より 例えば基板11として屈折率ns＝2.177のLiNbO3を用い
導波層12をTiの熱拡散で作製しＮ＝2.187とし、光源と
してλ＝0.78（μｍ）の半導体レーザを用いたとする
と、Λ＝2.59（μｍ）となり、フォトリソグラフィ技術
で十分作製可能な値となる。またこのとき条件式（12）
も満足されるので、導波光は基板方向のみに効率よく射
出せしめることが可能である。
回折格子13によって射出せしめられた光の入射方向
と、基板端面の研磨面15の法線方向となす角度をφとす
ると、 ns sinφ＞１ ……（15） のとき全反射が起こる。本件実施例の場合、ns＝2.17
7、φ＝30（度）なので全反射が起こる範囲式（15）に
含まれている。
と、基板端面の研磨面15の法線方向となす角度をφとす
ると、 ns sinφ＞１ ……（15） のとき全反射が起こる。本件実施例の場合、ns＝2.17
7、φ＝30（度）なので全反射が起こる範囲式（15）に
含まれている。
次にフレネルレンズ14の焦点距離をｆとし、フレネル
レンズの中心を原点として第１図（ｂ）のような座標系
をとる。フレネルレンズの形状式は、 で与えられる。このフレネルレンズは光軸に関し軸対称
であるから、収差の最低次数は３次である。３次の波面
収差関数は、例えばMeierの文献、J.Opt.Sco.Amer.,Vo
l.55,No.8（1965）の987頁から992頁において論じられ
ているように次式となる。
レンズの中心を原点として第１図（ｂ）のような座標系
をとる。フレネルレンズの形状式は、 で与えられる。このフレネルレンズは光軸に関し軸対称
であるから、収差の最低次数は３次である。３次の波面
収差関数は、例えばMeierの文献、J.Opt.Sco.Amer.,Vo
l.55,No.8（1965）の987頁から992頁において論じられ
ているように次式となる。
ただし、ｘ＝r cosθ、ｙ＝r sinθとして極座標で表
示した。またλ′は実際の光源の波長である。
示した。またλ′は実際の光源の波長である。
本実施例の場合、５次以上の収差を十分小さいとして
無視し、式（３）、（４）、（17）を用いて、マレシャ
ル条件を満たすΔｎ、Δλ、δの許容上限値を求める。
すなわち、｜Δn|、｜Δλ｜、｜δ｜の上限値は次式と
なる。
無視し、式（３）、（４）、（17）を用いて、マレシャ
ル条件を満たすΔｎ、Δλ、δの許容上限値を求める。
すなわち、｜Δn|、｜Δλ｜、｜δ｜の上限値は次式と
なる。
式（５）、（６）と（18）とを比較すると、本実施例
の上限値となる式（18）は式（５）で示す従来の第３図
の集光グレーティングカップラより大幅に緩和されてい
る。また、式（６）で示す従来の集光バルクレンズを用
いた第４図のハイブリッド型集光グレーティングカップ
ラに対しては、｜Δn|では若干劣るものの、｜δ｜、｜
Δλ｜に関しては改善されている。式（18）のΔ｜Δλ
｜が許容されるならば、波長λ＝0.78（μｍ）の半導体
レーザを用いたとき、実際の波長変動は±４（nm）まで
許容されるので、実用可能なレベルとなる。また、｜Δ
n|に関しても基板として屈折率ns＝2.177のLiNbO3を用
い、実効屈折率Ｎ＝2.187の導波光16を用いるとき、実
際の実効屈折率変動は0.0035であり、これは熱拡散や成
膜など通常のプロセスでも十分制御できるので問題はな
い。
の上限値となる式（18）は式（５）で示す従来の第３図
の集光グレーティングカップラより大幅に緩和されてい
る。また、式（６）で示す従来の集光バルクレンズを用
いた第４図のハイブリッド型集光グレーティングカップ
ラに対しては、｜Δn|では若干劣るものの、｜δ｜、｜
Δλ｜に関しては改善されている。式（18）のΔ｜Δλ
｜が許容されるならば、波長λ＝0.78（μｍ）の半導体
レーザを用いたとき、実際の波長変動は±４（nm）まで
許容されるので、実用可能なレベルとなる。また、｜Δ
n|に関しても基板として屈折率ns＝2.177のLiNbO3を用
い、実効屈折率Ｎ＝2.187の導波光16を用いるとき、実
際の実効屈折率変動は0.0035であり、これは熱拡散や成
膜など通常のプロセスでも十分制御できるので問題はな
い。
実施例２ 次に、上記第１図（ａ）、（ｂ）図示の集光グレーテ
ィングカップラを用いて光集積ヘッドを形成する例につ
いて説明する。ヘッドの原理は例えば第５図の従来例と
同じであるが、同図と集光グレーティングカップラ37の
部分を前述の本件実施例のそれで置換すれば容易に実現
できる。なお、従来装置の第５図においては、レーザ光
源39からレーザ導波光34が導波路32に導かれる光路に
は、コリメータが表示されていないが、本発明実施例に
おいては、平行光を回折格子13に導入するため上記光路
にコリメータを配設する。本発明の好ましい実施例によ
ればレーザ光源、集光グレーティングカップラ、集光レ
ンズ、受光器等の光学系を共通の基板上に集積化するこ
とができ、光ヘッドの小型軽量化を可能とする。
ィングカップラを用いて光集積ヘッドを形成する例につ
いて説明する。ヘッドの原理は例えば第５図の従来例と
同じであるが、同図と集光グレーティングカップラ37の
部分を前述の本件実施例のそれで置換すれば容易に実現
できる。なお、従来装置の第５図においては、レーザ光
源39からレーザ導波光34が導波路32に導かれる光路に
は、コリメータが表示されていないが、本発明実施例に
おいては、平行光を回折格子13に導入するため上記光路
にコリメータを配設する。本発明の好ましい実施例によ
ればレーザ光源、集光グレーティングカップラ、集光レ
ンズ、受光器等の光学系を共通の基板上に集積化するこ
とができ、光ヘッドの小型軽量化を可能とする。
実施例３ 第６図は、上記実施例２の光集積ヘッドを従来の光デ
ィスク駆動装置に応用した場合の光ディスク駆動装置44
の概略図を示したものである。本実施例の特徴は、アク
チュエータ43上に光集積ヘッド41が搭載され、光学系の
構成が簡素化された点にある。光ディスク駆動装置の動
作原理は従来装置と変わらず、回転駆動制御手段でコン
トロールされたモータ43により光ディスク35は回転す
る。この回転する光ディスクの半径方向にアクチュエー
タ42に搭載された光集積ヘッド41が走査制御手段により
走査駆動し、それと同期して光ディスク35からの光情報
が電気信号に変換され、必要な信号処理を信号処理手段
で処理されるものである。
ィスク駆動装置に応用した場合の光ディスク駆動装置44
の概略図を示したものである。本実施例の特徴は、アク
チュエータ43上に光集積ヘッド41が搭載され、光学系の
構成が簡素化された点にある。光ディスク駆動装置の動
作原理は従来装置と変わらず、回転駆動制御手段でコン
トロールされたモータ43により光ディスク35は回転す
る。この回転する光ディスクの半径方向にアクチュエー
タ42に搭載された光集積ヘッド41が走査制御手段により
走査駆動し、それと同期して光ディスク35からの光情報
が電気信号に変換され、必要な信号処理を信号処理手段
で処理されるものである。
以上のように本発明によれば、 （１）導波路から−１次光のみを効率よく基板内に射出
することができ、導波光の損失を少なくでき、光信号を
増大させることができた。
することができ、導波光の損失を少なくでき、光信号を
増大させることができた。
（２）光学系の各パラメータの緩和を図ることができ
た。すなわち、本発明によれば、第１図のような完全モ
ノリシックの集光グレーティングカップラを用いても、
第４図のようなハイブリッド型の集光グレーティングカ
ップラと同等もしくはそれ以上の｜Δn|、｜Δλ｜、｜
δ｜の許容上限値を与えることができ、第３図のような
構成の集光グレーティングカップラより収差を大幅に低
減することができる。特に、｜Δλ｜に関しては、波長
λ＝0.78（μｍ）の通常の半導体レーザを用いても十分
の許容範囲を得ることができた。
た。すなわち、本発明によれば、第１図のような完全モ
ノリシックの集光グレーティングカップラを用いても、
第４図のようなハイブリッド型の集光グレーティングカ
ップラと同等もしくはそれ以上の｜Δn|、｜Δλ｜、｜
δ｜の許容上限値を与えることができ、第３図のような
構成の集光グレーティングカップラより収差を大幅に低
減することができる。特に、｜Δλ｜に関しては、波長
λ＝0.78（μｍ）の通常の半導体レーザを用いても十分
の許容範囲を得ることができた。
第１図は本発明の一実施例となる集光グレーティングカ
ップラの構成図で、第１図（ａ）は断面図、第１図
（ｂ）はその平面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明
の集光グレーティングカップラにおいて、導波光が基板
内に射出する角度θと基板端面での全反射により上部空
間に出射する機構を説明するための模式図、第３図は従
来の光集積グレーティングカップラの概略図、第４図は
同じく従来装置の概略図、第５図は、第４図の装置を用
いた従来の光集積ピックアップの構成図、第６図は本発
明の光集積ヘッドを用いた光ディスク駆動装置の構成を
説明する概略説明図である。 図において、 11……基板、12……光導波層 13……等間隔の直線形状回折格子 14……透過型フレネルレンズ 15……基板端面斜め研磨面 16……導波光、17……焦点 31……基板、32……光導波層 33……回折格子、34……導波光 35……光ディスク、36……対物レンズ 37……集光グレーティングカップラ 38……グレーティングスプリッタ 39……半導体レーザ 40……受光器（ホトダイオード） 41……光ヘッド、42……アクチュエータ 43……モータ、44……光ディスク駆動装置
ップラの構成図で、第１図（ａ）は断面図、第１図
（ｂ）はその平面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明
の集光グレーティングカップラにおいて、導波光が基板
内に射出する角度θと基板端面での全反射により上部空
間に出射する機構を説明するための模式図、第３図は従
来の光集積グレーティングカップラの概略図、第４図は
同じく従来装置の概略図、第５図は、第４図の装置を用
いた従来の光集積ピックアップの構成図、第６図は本発
明の光集積ヘッドを用いた光ディスク駆動装置の構成を
説明する概略説明図である。 図において、 11……基板、12……光導波層 13……等間隔の直線形状回折格子 14……透過型フレネルレンズ 15……基板端面斜め研磨面 16……導波光、17……焦点 31……基板、32……光導波層 33……回折格子、34……導波光 35……光ディスク、36……対物レンズ 37……集光グレーティングカップラ 38……グレーティングスプリッタ 39……半導体レーザ 40……受光器（ホトダイオード） 41……光ヘッド、42……アクチュエータ 43……モータ、44……光ディスク駆動装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日良 康夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 佐藤 秀己 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−188911（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−117150（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−152111（ＪＰ，Ｕ)
Claims (1)
- 【請求項１】光ディスクを回転駆動する手段と； この光ディスク面と所定の間隔をおいて、光ディスクの
半径方向に走査駆動し、光情報の記録・再生を行なう光
ヘッドと； この光ヘッドを走査駆動するアクチュエータと； 光ヘッドの入出力信号を処理する入出力信号処理手段と を具備した光ディスク駆動装置であって、 前記光ヘッドは、 光学基板と； この光学基板の表面に形成された光学基板より屈折率
の高い導波層からなる光導波路と； 光導波路からの導波光を光学基板へ所定の角度θで出
射せしめる等間隔直線状の回折格子と； この出射光を光導波路表面に垂直な方向に全反射させ
る傾角を前記出射角度θとほぼ同じ角度とした基板端面
と； 全反射した光導波路表面の光を光学基板の上方部に集
束せしめるフレネルレンズと； 半導体レーザと； 光ディスク面からの反射光をフレネルレンズ及び回折
格子を介して光導波路上に形成されたビームスプリッタ
と； ビームスプリッタの出力信号を受光検出する受光検出
手段と を有して成る光ディスク駆動装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63117143A JP2540188B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 光ディスク駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63117143A JP2540188B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 光ディスク駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01287602A JPH01287602A (ja) | 1989-11-20 |
| JP2540188B2 true JP2540188B2 (ja) | 1996-10-02 |
Family
ID=14704522
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63117143A Expired - Lifetime JP2540188B2 (ja) | 1988-05-16 | 1988-05-16 | 光ディスク駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2540188B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03283024A (ja) * | 1990-03-30 | 1991-12-13 | Hitachi Ltd | 光ピックアップ |
| JPH03256236A (ja) * | 1990-03-07 | 1991-11-14 | Hitachi Ltd | 光ピックアップ |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60188911A (ja) * | 1984-03-08 | 1985-09-26 | Canon Inc | 光結合器 |
| JPS60152111U (ja) * | 1984-03-16 | 1985-10-09 | 工業技術院長 | 光フアイバ・受光素子結合器 |
| JPS62117150A (ja) * | 1985-11-15 | 1987-05-28 | Alps Electric Co Ltd | 光学式ピツクアツプ |
-
1988
- 1988-05-16 JP JP63117143A patent/JP2540188B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01287602A (ja) | 1989-11-20 |
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