JP2543210B2

JP2543210B2 - 光学ヘッド装置

Info

Publication number: JP2543210B2
Application number: JP1508307A
Authority: JP
Inventors: 青児西脇; 義尚武富; 真司内田; 孝明冨田; 潤一麻田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1989-08-02
Publication date: 1996-10-16
Anticipated expiration: 2011-10-16

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は情報を光ディスクに記録または再生する光学
ヘッド装置に関する。

背景技術従来より、情報を光ディスクに記録または再生する光
学ヘッド装置を薄膜化する技術が提案されており、例え
ば特許出願番号PCT/JP88/01344に示されているものがあ
る。第１図はこの従来の薄膜光学ヘッド装置の構成を示
す。第１図において、透明基板2Sは中空形状のSi基板１
を挟み、その表面にはグレーティング4B、4Cが形成され
ている。透明基板2Sは例えば熱硬化性樹脂などで構成さ
れており、グレーティング4C、4Bの凹凸はスタンパーの
グレーティングを転写することで形成される。グレーテ
ィング4Cは点Ｏを通る軸Ｌを中心軸にする円形領域上に
形成され、中心軸Ｌに対し同心円もしくはスパイラル状
の凹凸周期構造である。またグレーティング4Bは軸Ｌを
中心にする輪帯領域上に形成され、中心軸Ｌにたいし同
心円もしくはスパイラル状の凹凸周期構造である。グレ
ーティング4B、4Cは互いに重なることがなく、その間に
は輪帯形状の隙間が存在する。透明基板2S上には低屈折
率の透明層５を挟んでこれよりも高屈折率の導波層3B、
3Cが形成されている。なお透明層５は薄くその表面に透
明基板2S上のグレーティングの凹凸が残っており、この
凹凸上に形成された導波層がグレーティングカプラとし
て機能する。導波層3Bの屈折率は導波層3Cの屈折率より
も大きく、その膜厚は導波層3Cの膜厚よりも小さい。導
波層3Bは中心軸Ｌを中心にした輪帯領域上に形成され、
導波層3Cは中心軸Ｌを中心にした円形領域上に形成され
ている。導波層3Bの内周部と導波層3Cの外周部は導波層
3Cが導波層3Bを覆い隠す形で重なりあい、その重畳領域
はグレーティングカプラ4Cとグレーティングカプラ4Bと
の間の輪帯領域に位置する。基板１上には導波層3Bの最
内周部に相当する位置に輪帯形状の光検出器６が形成さ
れている。

半導体レーザー８から出射するレーザー光は集光レン
ズ９により平行光となる。さらに、1/4波長板10C、偏光
子10によって同心円状偏光（振動面が円の接線方向にあ
る偏光状態）または放射偏光（偏光面が円の接線方向に
ある偏光状態）に変換されたレーザー光11はグレーティ
ングカプラ4Cにより入力結合して、導波層3C内を放射方
向に伝搬するTEモードまたはTMモードの導波光12Cとな
る。導波光12Cは導波層3Cから導波層3Bを経て導波光12B
となり、この導波光がグレーティングカプラ4Bにより放
射されて中心軸Ｌ上の点Ｆに集光する放射モード光13と
なる。光ディスクの反射面16は軸Ｌに直交してほぼ焦点
Ｆの位置にあり、光は反射面16を反射し、反射光17Bと
なり、グレーティングカプラ4Bにより入力結合して導波
層3B内の中心に向かう導波光18Bに変換される。導波光1
8Bは導波層3Bの最内周端で放射され、基板１上の光検出
器６によりその光量が検出される。

第２図は上記従来例における信号検出の説明図であ
る。グレーティングカプラ4Bは中心Ｏを通る３つの直線
で六つの領域（すなわち、4B1,4B2,4B3,4B4,4B5,4B6）
に分割されており、4B4,4B5,4B6は中心Ｏに対しそれぞ
れ4B1,4B2,4B3の対角位置にあり、対角位置にあるグレ
ーティングは互いに同じ形状（凹凸構造）をなしてい
る。グレーティングカプラ4B1および4B4からの放射光は
共にFCに集光し、グレーティングカプラ4B2と4B5、およ
び4B3と4B6からの放射光はそれぞれ中心軸Ｌ上の点FA、
FBに集光する。なおFCはFA、FBのほぼ中点に位置する。
光検出器６は中心Ｏを通る４つの直線で八つの領域（す
なわち、6B1,6B2,6B3,6B4,6B4′,6B5,6B6,6B1′）に分
割されている。6B1,6B1′及び6B4,6B4′はそれぞれ光デ
ィスクの回転方向に等分割されてグレーティングカプラ
4B1及び4B4の内周側に面しており、4B1及び4B4によって
入力結合した帰還導波光の光量を検出する。6B2、6B3、
6B5、6B6もそれぞれの4B2、4B3、4B5、4B6の内周側に面
し、それぞれのグレーティングカプラによって入力結合
した導波光の光量を検出する。加算増幅器100、101によ
り、それぞれ6B1,6B4の和信号と6B1′,6B4′の和信号を
とり、差動増幅器102によりそれらの差分をとることでT
E信号103、加算増幅器104により加算して再生信号105と
する。一方、加算増幅器106、107によってそれぞれ6B2,
6B5の和信号と6B3,6B6の和信号をとり、差動増幅器108
によりそれらの差分をとってFE信号109とする。

第３図は反射光入射角の変化を示す説明図である。放
射光の出射位置ＡでのグレーティングピッチΛは径ｒの
関数として次式で与えられる。

Λ＝λ／（Ｎ＋r/（f²＋r²）^1/2 …（１）すなわち、グレーティングピッチΛを径ｒの関数とする
ことで焦点Ｆへの集光性を持たせている。ここで、λは
レーザー光の波長、Ｎは導波路の等価屈折率、ｆは焦点
距離である。（ただし、実際には光ディスク反射面は透
明板に覆われているので、収束光が平行平板を透過する
ときに生じる球面収差を補正する必要があり、（１）式
にその補正項を加える必要がある。）放射モード光13の
回折角θは次式で与えられる。

sinθ＝λ／Λ−Ｎ …（２）また、θ、ｒ、ｆの間には次の関係がある。

tanθ＝r/f …（３）反射面16が焦点位置Ｆにあるときは光はAFA′の順路で
反射するが、反射面16が焦点位置Ｆよりεだけ近い（ま
たは遠い）ときはABCの順路で反射する。グレーティン
グカプラ上のＣ点にFCの方向で入射する光は効率よく導
波光に変換されるが、FCの方向からずれるに従って変換
効率（入力結合効率）は落ちる。FCの方向からのずれ角
度（θ−θ′）は近似的に次式で与えられる。

θ−θ′＝tan^-1（２εr/（f²＋r²）） …（４）従って、εが大きくなるにしたがって、ずれ角度（θ−
θ′）が増大し変換効率は落ちる。

なお、グレーティングカプラ4B1,4B2,4B3からの放射光
集光点をそれぞれ異ならすのに、（１）式に基づき異な
った焦点距離ｆに対してそれぞれのグレーティングカプ
ラを設計する方法がある。また（２）式によれば、同一
のグレーティングを用いながら各カプラ領域における導
波路の等価屈折率Ｎを変えることで焦点の分離を行うこ
ともできる。例えば導波層の厚みを4B2,4B1,4B3の順で
厚くすると等価屈折率Ｎはこの順に大きくなり、容易に
焦点を分離させることができる。等価屈折率Ｎに差異を
持たせる方法として屈折率の異なる材料を同じ導波層上
に装荷する方法もある。

第４図（ａ）は反射面の位置変化に対する反射光の入
力結合効率変化を示す説明図、（ｂ）は反射面の位置変
化に対するFE信号出力の変化を示す説明図である。

（４）式から明かなように、グレーティングカプラ4B2,
4B5により導波光に変換される入力結合効率19Aは反射面
の位置により変動し、反射面がFAの位置で極大をなす曲
線を描く。同様に、グレーティングカプラ4B3,4B6によ
り導波光に変換される結合効率19Bは反射面がFBの位置
で極大となる曲線を描く。結合効率はそのまま帰還導波
光の光量に比例するので、FE信号109は（ｂ）に示すよ
うに反射面のディフォーカスにたいしＳ字カーブ特性を
なすのでフォーカス制御が可能である。

また、そのゼロクロス点は反射面がFCに位置するとき
に相当し、この時グレーティングカプラ4B1,4B4により
導波光に変換される結合効率19Cは最大となる。従っ
て、反射面がFCに位置するとき光ディスク反射面上の信
号（ピットまたはドット）の影響が反射光17Bの光分布
変動または光量変動、すなわち帰還導波光18Bの光量変
動として現れ、信号105から高品質の再生信号が得られ
る。

一方、光ディスクの反射面16にはディスク回転方向に
沿って径方向に周期的な案内溝またはピットが形成され
ており、反射面がFCに位置するときにはトラッキングエ
ラーが反射光17Bのディスク径方向における光量アンバ
ランスとして現れる。従って導波光18Bの光量をディス
ク回転方向の分割線で等分割して検出し、その差をとれ
ばいわゆるプッシュプル法の原理で信号103からTE信号
が得られる。

第５図は直線偏光を同心円状の偏光に変換する原理の
説明図である。集光レンズ９により平行光となった直線
偏光のレーザー光は1/4波長板10Cを透過することで円偏
光の光11′（偏光状態11A′、11B′,11C′,11D′）とな
る。偏光子10はホモジェニアス型の液晶素子によって構
成され、透明基板22、23の間にホモジェニアス型液晶24
が設けられている。透明基板22,23の表面25、26は中心
Ｏに対する同心円の接線方向に対し45度傾いた方向（方
向24A,24B,24C,24D）にラビングされており、液晶24も
この方向に沿って配向する。液晶24をその透過光の配向
方向成分が1/4波長遅れる（または進む）ように設計す
れば円偏光の光11′を同心円偏光または放射偏光の光11
にすることができる。同心円偏光の場合、その偏光方向
は11A,11B,11C,11Dとなる。同心円偏光の光がグレーテ
ィングカプラ4Cによって導波層3C内に入力結合すると、
その導波光12CはTEモードとなるが、放射偏光の光ではT
Mモードとなる。また導波光12Cすなわち12BがTEモード
であればグレーティングカプラ4Bからの放射光は同心円
偏光であり、TMモードであれば放射偏光となる。なお偏
光子10はなくてもよく、この時グレーティングカプラ4C
のグレーティングピッチΛがTEモード結合用に（すなわ
ちTEモード導波光の等価屈折率に対する（１）式の解と
して）設計されておれば導波光12CはTEモードとなり、T
Mモード結合用に設計されておればTMモードとなる。

しかしながら、このような方式の光学ヘッド装置にお
いて以下の問題点があった。

第１に、グレーティングカプラ4Bから放射される同心
円偏光または放射偏光の光13の集光性は悪い。第９図の
曲線（ａ）は同心円偏光（または放射偏光）の光に対す
る反射面上（（ξ，η）座標）の光強度分布断面図を示
す。すなわち同心円偏光（または放射偏光）の光は中心
に対する対角位置の電界ベクトルが互いに逆ベクトルを
なし集光点で互いに打ち消し合うので、その集光性が悪
い。

第２に、グレーティングカプラ4Bは輪帯形状であり、
光ディスクの反射面が光を回折（散乱）しやすい形状で
あれば光ディスクからの反射光が輪帯形状から大きくは
み出すので、グレーティングカプラ4Bによって導波光に
変換される光量は小さく、再生信号や制御信号の信号品
質（C/N等）が悪くなる。

第３に、信号再生が反射光量、入力結合光量の増減に
よるもので、磁気信号すなわち光の偏光状態の変化を利
用した信号の再生ができない。

第４に、プッシュプル法によるTE信号出力はピット形
状が深さ1/8波長の時に最大、1/4波長の時にゼロとな
る。従ってピット深さがほぼ1/5波長のコンパクトディ
スク（CD）には従来例のごときプッシュプル法によるTE
信号検出が困難である。

発明の開示本発明はかかる問題点を解消し、極めて新規な光学ヘ
ッド装置を提供するものである。すなわち、本発明は導
波路内に設けられた周期構造を同心円もしくはスパイラ
ル状として導波光を導波路外にある点に集光する光学ヘ
ッド装置において、周期構造からの放射光を直線偏光、
または円偏光等の偏光状態に変換する手段を有するか、
放射光の位相遅れを同心円中心に対する偏角に等しくす
る位相差手段を有することを特徴とするものである。ま
た、放射光を1/4波長板またはこれと前記位相差手段に
通して集光、受光することで反射面上の磁気信号再生を
行うことを特徴とするものである。

図面の簡単な説明第１図は従来例の薄膜光学ヘッド装置の断面構成図、
第２図は従来例における信号検出を示す説明図、第３図
は従来例における戻り光入射角の変化を示す説明図、第
４図（ａ）、（ｂ）は従来例における反射面の位置変化
に対する戻り光の入力結合効率変化とFE信号出力変化を
示す説明図、第５図（ａ）、（ｂ）は従来例における直
線偏光を同心円偏光に変換する原理の説明図、第６図は
本発明の一実施例における光学ヘッド装置の断面構成
図、第７図はその動作説明図、第８図は同実施例におけ
る信号検出の説明図、第９図（ａ）、（ｂ）は偏光状
態、開口条件の差異に対する焦平面上での光強度分布比
較図、第10図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例における
同心円偏光を直線偏光に変換する原理の説明図、第11図
（ａ）、（ｂ）は放射光の位相遅れを同心円中心に対す
る偏角に等しくする本発明の実施例の説明図、第12図
（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施例における光学ヘッ
ド装置の断面構成図、第13図は磁気信号再生についての
本発明の第２実施例における信号検出の説明図、第14図
は本発明の第２実施例における偏光状態の変化を示す説
明図、第15図は本発明の第２実施例における帰還導波光
のパワー密度と偏角の関係図、第16図はTE信号検出につ
いての本発明の第３実施例における信号検出の説明図、
第17図は本発明の第３の実施例に於けるTE信号検出原理
を示す説明図、また第18図はその動作波形図、第19図は
その電気的ブロック図である。

発明を実施するための最良の形態以下に本発明の実施例について説明する。第６図から
第10図は本発明の第一実施例である。以下従来例と同一
のものは同一番号を付し、その説明を省略する。第６図
は本発明の第１実施例の断面図を示す。第６図におい
て、Si基板１上に低屈折率の透明層２を形成し、その上
に高屈折率の透明層３を形成する。透明層３は円形状の
部分3Aとこれを取り巻く輪帯状の部分3Bとからなり、そ
れらの間は断絶している。透明層3A、3Bの表面には中心
軸Ｌに対し同心円もしくはスパイラル状のグレーティン
グカプラ4A、4Bがそれぞれ中心軸Ｌに同心した円形領域
上（または輪帯領域上）と輪帯領域上に形成されてい
る。グレーティングは例えばマスク露光とエッチング技
術を用いて透明層上に凹凸を形成することで作成でき
る。透明層3Aの表面には低屈折率の透明層5Aを挟んで高
屈折率の透明層3Cが形成され、透明層3Cは透明層3Bとそ
のグレーティングカプラ4Bの内周側に面した領域で接す
る。透明層3Cの表面には中心軸Ｌに対し同心円もしくは
スパイラル状のグレーティングカプラ4Cが中心軸Ｌに同
心した円形の領域上に形成されている。透明層3Bの表面
にはグレーティングカプラ4Bの領域を覆う形で低屈折率
の透明層5Bが形成されており、透明層5Bの屈折率は透明
層5Aに等しい。すなわち透明層3A、3Bの膜厚が等しけれ
ば、それらの等価屈折率も等しくなる。Si基板１には透
明層3A,3B間の断絶部に相当する位置に光検出器6A、6B
が形成されており、その検出器6A、6Bを覆う形で透明層
5A内に反射膜７が形成されている。なお、光検出器6Aは
6Bの内周側に面している。また、中心軸Ｌ近傍のSi基板
１はエッチング等によって中空状態にされている。

半導体レーザー８を出射した直線偏光の光は集光レン
ズ９により集光され、偏光子10Aによって同心円偏光
（または放射偏光）の光11に変換された後、グレーティ
ングカプラ4Cによって導波層3C内に入力結合し、層内を
外周方向に向かって伝搬するTEモード（またはTMモー
ド）の導波光12Cとなる。導波光12Cは導波層3Cの最外周
領域で導波層3Cから導波層3Bに移り導波光12Bとなる。
導波光12Bはグレーティングカプラ4Bにより放射されて
同心円偏光（または放射偏光）の放射光13となり、偏光
子10Bを透過することで直線偏光の光14に変換され、光
ディスクの反射面16上の点Ｆに集光する。反射面16を反
射する光は偏光子10Bを透過することで再び同心円偏光
（または放射偏光）の光17A、17Bに変換され、グレーテ
ィングカプラ4Aと4Bにより導波層3A、3B内に入力結合し
てそれぞれ層内を外周方向、内周方向に向かって伝搬す
るTEモード（またはTMモード）の導波光18A、18Bとな
る。導波光18A、18Bともに導波層3A、3Bの最外端部、最
内端部で放射され、それぞれ光検出器6A、6Bに受光され
る。なお、反射膜７は導波層3A、3Bの端部からの放射光
を反射し放射光の殆どを光検出器6A、6Bに受光させる一
方、導波光12Cの散乱光や外乱光が光検出器6A、6Bへ漏
れ込むのを防ぐ。

第７図は上記実施例の外観図である。グレーティング
カプラ4Bは中心Ｏを通る３つの直線で六つの領域（すな
わち、4B1,4B2,4B3,4B4,4B5,4B6）に分割されている。
グレーティングカプラ4B1および4B4は中心Ｏの対角位置
にあり、その放射光は共にFCに集光する。グレーティン
グカプラ4B2と4B5、4B3と4B6もそれぞれ中心Ｏの対角位
置にあり、それらの放射光は共に中心軸Ｌ上の点FA、FB
に集光する。なお、FCはFA、FBのほぼ中点に位置する。

第８図は上記発明の実施例における信号検出の説明図
である。光検出器6Bは中心Ｏを通る４つの直線で八つの
領域（すなわち、6B1,6B2,6B3,6B4,6B4′,6B5,6B6,6B
1′）に分割されている。また光検出器6Aも中心Ｏを通
る直線で２つの領域（すなわち、6A1,6A2）に分割され
ている。光検出器6B1,6B1′及び6B4,6B4′はそれぞれグ
レーティングカプラ4B1及び4B4の内周側に面し、4B1及
び4B4によって入力結合した導波光の光量を検出する。
光検出器6B2,6B3,6B5,6B6もそれぞれ4B2,4B3,4B5,4B6の
内周側に面し、それぞれのグレーティングカプラによっ
て入力結合した導波光の光量を検出する。また、光検出
器6A1,6A2はそれぞれ光検出器6B1,6B2,6B3,6B4と6B4′,
6B5,6B6,6B1′の内周側に面し、グレーティングカプラ4
Aによって入力結合した導波光の光量を検出する。な
お、6B1,6B1′及び6B4,6B4′及び6A1,6A2はそれぞれで
等分割されており、その分割線は集光点FCに於ける光デ
ィスクの回転方向に平行である。

信号検出は、加算増幅器100,101によりそれぞれ6B1,6B
4,6A1の和信号と6B1′,6B4′,6A2の和信号をとり、差動
増幅器102によりそれらの差分をとることでトラッキン
グエラー（TE）信号103、加算増幅器104により加算して
再生信号105とする。一方、加算増幅器106、107によっ
てそれぞれ6B2,6B5の和信号と6B3,6B6の和信号をとり、
差動増幅器108によりそれらの差分をとってフォーカス
エラー（FE）信号109とする。これらのTE信号、FE信
号、再生信号の検出原理は従来例と同一であり、その説
明を省略する。

次に本発明の光学ヘッド装置の集光特性について説明
する。前述のごとく、グレーティングカプラ4Bからの放
射光13は導波光12BがTEモードであれば同心円偏光の光
となり、TMモードであれば放射偏光の光となる。第９図
（ａ）、（ｂ）の曲線（イ），（ロ），（ハ）はsinθ
＝0.44〜0.60の輪帯開口、一様強度分布に対する焦平面
上（（ξ，η）座標）の光強度分布断面図を示しおり、
（イ）は同心円偏光（または放射偏光）の光、（ハ）は
直線偏光（または円偏光）の光である。（イ），（ハ）
の比較から、同心円偏光（または放射偏光）の光は中心
に対する対角位置の電界ベクトルが互いに逆ベクトルを
なし集光点で互いに打ち消し合うのでその集光性は悪
く、高い集光性を得るには放射光13を直線偏光、円偏光
などの空間的に均質な偏光状態に変換しなければならな
い。一方、反射光17A、17Bのグレーティングカプラへの
入力結合効率は反射光の偏光状態にも関係し、反射光が
放射光の偏光状態からずれればそれだけ結合効率が劣化
する。この様に同心円偏光（または放射偏光）の放射光
に高い集光性と高い反射光入力結合効率を持たせるには
可逆的に直線偏光、同心円偏光の変換を行う偏光素子が
必要である。なお、第９図（ａ）、（ｂ）の曲線（ニ）
はsinθ＝0.00〜0.50の円形開口、一様強度分布に対す
る直線偏光（または円偏光）の光の焦平面上光強度分布
断面図であり、（ハ），（ニ）の比較から輪帯開口の採
用によりメインローブのスポット径を著しく小さくする
ことができる。第９図の曲線（ハ）に示したスポット径
ｄ（すなわちエアリー円盤の暗線部の直径）はｄ＝1.10
μｍ程度であり、円形開口のスポット径1.90μｍに比べ
て極めて小さい。従って、記録用の光ディスクの場合、
反射信号の直径はレーザービームのスポット径ｄによっ
てきまることから、信号記録の密度を飛躍的に向上させ
ることができる。

第10図（ａ）、（ｂ）は直線偏光、同心円偏光の変換
を行う偏光素子の説明図である。この変換を実現する偏
光素子はすでに従来例第５図に示したが、その他に例え
ば特願昭63-196583号に示されたものがある。すなわ
ち、透明基板22,23の間に液晶24を設け、透明基板22の
表面25は中心Ｏに対する同心円の接線方向に沿ってラビ
ングされており、透明基板23の表面26は一方向に沿って
ラビングされている。従って、液晶24は基板表面25近傍
では中心Ｏに対する同心円の接線方向（21A,21B,21C,21
D,21E,21F,21G,21H）に沿って配向し、基板表面26近傍
では一方向20に沿って配向する。この偏光素子を偏光子
10Bに用いれば、適当な液晶材料と液晶厚を選ぶこと
で、同心円偏光（または放射偏光）の放射光13を直線偏
光の光14に、また直線偏光の反射光14′を同心円偏光
（または放射偏光）の光17に変換できる。従って直線偏
光への変換により第９図の曲線（ｃ）のごとき高い集光
性のスポットが得られ、偏光変換の可逆性により偏光状
態の差異による結合効率の低下が抑えられる。（この同
じ偏光素子を直線偏光を同心円偏光（または放射偏光）
の光11に変換する偏光子10Aにも用いることができ
る。）第11図は同心円偏光（または放射偏光）を他の偏光状
態に変換する本発明の他の実施例である。第11図（ａ）
において、位相差板27は中心に対する偏角φの位置での
透過光の位相遅れがφとなるように、一周でλ/2（n-
1）（ただしｎは位相差板の屈折率）の段差が付けられ
ている。同心円偏光（または放射偏光）は中心に対する
対向位置の電界ベクトルが互いに逆ベクトルをなすた
め、集光点での光強度分布が第９図の曲線（イ）に示す
ごとく中心位置で打ち消しあって０となる。これに対し
位相差板27を反射面16との間に置くことで、位相差板27
を透過する同心円偏光（または放射偏光）の放射光13
は、中心に対する対向位置の電界ベクトルが互いに同一
ベクトルの光28となり、集光点での光強度分布が第９図
の曲線（ｂ）に示すごとく改善される。なお位相差板27
を反射面16との間に置く代わりに、光源８と入力グレー
ティングカプラ4Cの間に置くことでも同一の効果が得ら
れる。

第11図（ｂ）は第11図（ａ）と同一の効果を得るため
の、同心円偏光（または放射偏光）を他の偏光状態に変
換する本発明の他の実施例である。すなわち導波層3Cと
接する低屈折率の透明層5Aの最外周部の形状が、中心に
対する偏角φの位置での導波光12Bの位相遅れがφとな
るように、一周でλ/2|N_B−N_C｜（ただしN_B，N_Cはそれ
ぞれ導波光12B,12Cの等価屈折率）の段差が付けられて
いる。従ってグレーティングカプラ4Bからの放射光13
は、中心に対する対向位置の電界ベクトルが互いに同一
ベクトルの光となり、集光点での光強度分布が第９図の
曲線（ロ）に示すごとく改善される。

第12図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ導波層の構成を変え
た本発明の他の実施例を示す断面図である。なお、第１
の実施例と同一の構成は同一番号を付け、その説明を省
略する。第12図（ａ）において、低屈折率の透明層２が
Si基板１上に形成され、その表面にエッチング技術を用
い透明層２（またはその上に構成した他の透明層）に凹
凸を形成することで、グレーティングカプラ4A,4B,4Cを
形成する。透明層２の上には高屈折率の透明層３が形成
され、透明層３は輪帯状の部分3Aとそれを取り巻く輪帯
状の部分3Bとからなりそれらの間は断絶している。透明
層3Aの表面には低屈折率の透明層5Aを挟んで高屈折率の
透明層3Cが形成され、透明層3Cはその外周側で透明層3B
とそのグレーティングカプラ4Bの内周側に面した領域で
接し、内周側の円形領域で透明層２と接する。透明層3B
の表面にはグレーティングカプラ4Bの領域を覆う形で低
屈折率の透明層5Bが形成されており、透明層5Bの屈折率
は透明層5Aに等しく、透明層3A、3Bの等価屈折率は等し
い。Si基板１には透明層3A,3B間の断絶部に相当する位
置に光検出器6A、6Bが形成されており、その検出器6A、
6Bを覆う形で透明層5A内に反射膜７が形成されている。
この様な構成を用いることでグレーティングカプラ4A,4
B,4Cを透明層２上に一括して形成できるため、第１の実
施例に比べてグレーティングカプラ形成における工数削
減とカプラ間の位置ずれ低減の効果が得られる。

一方、第12図（ｂ）において、Si基板１上に低屈折率
の透明層２を形成し、その上に高屈折率の透明層３が形
成されている。透明層３は輪帯状の部分3Aとそれを取り
巻く輪帯状の部分3Bとからなり、それらの間は断絶して
いる。透明層3Aの表面には低屈折率の透明層5Aを挟んで
高屈折率の透明層3Cが形成され、透明層3Cは透明層3Bと
そのグレーティングカプラ4Bの内周側に面した領域で接
し、内周側の円形領域で透明層２と接する。透明層3Bの
表面にはグレーティングカプラ4Bの領域を覆う形で低屈
折率の透明層5Bが形成されており、透明層5Bの屈折率は
透明層5Aに等しく、透明層3A、3Bの等価屈折率は等し
い。透明層3Cの表面には中心軸Ｌに対し同心円もしくは
スパイラル状のグレーティングカプラ4Cが中心軸Ｌに同
心そた円形の領域上に形成されている。Si基板１には透
明層3A,3B間の断絶部に相当する位置に光検出器6Bが、
透明層3Aの最内周部に相当する位置に光検出器6Aが形成
されており、その検出器6A、6Bを覆う形で透明層5A内に
それぞれ反射膜7A,7Bが形成されている。同心円偏光
（または放射偏光）に変換された光11はグレーティング
カプラ4Cによって導波層3C内に入力結合し、層内を外周
方向に向かって伝搬するTEモード（またはTMモード）の
導波光12Cとなる。導波光12Cは導波層3Cの最外周領域で
導波層3Cから導波層3Bに移り導波光12Bとなる。導波光1
2Bはグレーティングカプラ4Bから放射して同心円偏光
（または放射偏光）の放射光13となり、偏光子10Bを透
過することで直線偏光の光14に変換され、光ディスクの
反射面16上の点Ｆに集光する。反射面16を反射する光は
偏光子10Bを透過することで再び同心円偏光（または放
射偏光）の光17A、17Bに変換され、グレーティングカプ
ラ4Aと4Bにより導波層3A、3B内に入力結合してそれぞれ
層内を内周方向に向かって伝搬するTEモード（またはTM
モード）の導波光18A、18Bとなる。導波光18A、18Bとも
に導波層3A、3Bの最内端部で放射され、それぞれ光検出
器6A、6Bに受光される。なお、反射膜7A、7Bは導波層3
A、3Bの端部からの放射光を反射し放射光の殆どを光検
出器6A、6Bに受光させる一方、導波光12Cの散乱光や外
乱光が光検出器6A、6Bへ漏れ込むのを防ぐ。一般に反射
光17Aのグレーティングカプラ4Aによる導波光18Aへの結
合効率は反射光17Aの光分布に依存し、分布によっては
導波方向を内周側にした方が高い結合効率になる場合が
あり、この時本実施例により反射光の結合効率向上が図
れる。なお、導波方向が内周側になるか外周側になるか
はグレーティングカプラ4Aのピッチ設計によって決ま
る。

次に本発明の第２の実施例を第13図から第15図に基づ
いて説明する。第２実施例の光学ヘッド装置は放射光の
偏光変換手段と再生信号検出方法を除いて本発明の第１
実施例の光学ヘッド装置と同じ構成であり、第１実施例
の説明図である第６図、第７図を兼用し、同一の構成の
ものはその説明を省略する。第１実施例では偏光変換手
段に偏光子10Bを用いたが、第２実施例では1/4波長板を
用いる。第13図は上記発明の第２実施例における信号検
出の説明図である。光検出器6Aまたは6Bは1/4波長板の
光学軸29に平行な直線を含む、中心Ｏを通る４つの直線
で八つの領域（すなわち、33A,33B,33C,33D,33E,33F,33
G,33H）に等分割されている。加算増幅器110、112、114
により光検出器33A、33C,33E、33Gの加算を行い、加算
増幅器111、113、115により光検出器33B、33D、33F、33
Hの加算を行い、差動増幅器116によりそれらの差動をと
ることで記録ドット信号（磁気信号）の再生信号118、
加算増幅器117により加算をとることでピット（凹凸）
信号の再生信号119を得る。

第14図は上記発明の第２実施例に於ける偏光状態の変
化を示す説明図である。放射光13は同心円偏光（振動面
の方向13A、13B、13C、13D、13E、13F、13G、13H）であ
り、光学軸29の1/4波長板を透過することで、偏角φ＝
０、90、180、270度の偏光状態は変わらないがφ＝45、
135、225、315度での偏光状態は円偏光（30B、30D、30
F、30H）となり、それらの間の偏角位置では楕円偏光と
なる。また反射光17A,17Bは1/4波長板を２回透過するこ
とで偏角φ＝０、90、180、270度の偏光状態は変わらな
いがφ＝45、135、225、315度での偏光状態は放射偏光
（31B、31D、31F、31H）となり、それらの間の偏角位置
では楕円偏光となる。第15図は本発明の第２実施例に於
ける帰還導波光のパワー密度と偏角の関係図を示す。反
射光17Aまたは17Bはグレーティングカプラ4Aまたは4Bに
より入力結合して導波光18Aまたは18Bに変換される。出
射側の導波光12BがTEモードとすれば13A、13C、13E、13
Gの同心円偏光の光は入力結合してTEモードの導波光、3
1B、31D、31F、31Hの放射偏光の光はTMモードの導波光
となり、それらの間の偏角位置での楕円偏光の光はTE、
TMモードが混在した導波光となる。一般にTEモード導波
光とTMモード導波光の等価屈折率は微小ながら異なるの
で、（１）式から放射モード光の回折角もTEモード導波
光とTMモード導波光とで異なってくる。従って、TEモー
ド導波光の放射回折角度で戻ってきた同心円偏光の光の
導波光（TEモード）への入力結合効率は大きいが、同じ
角度で戻ってきた放射偏光の光（31B、31D、31F、31H）
の導波光（TMモード）への入力結合効率は小さい。すな
わち入力結合する導波光はほぼTEモードでありTMモード
導波光がほぼ除去されるので、帰還導波光のパワー密度
は偏角φに対し第15図に示す周期曲線32を描く。光ディ
スクの反射面が磁性体材料で形成され、磁気光学効果に
よって反射光の偏光面がαだけ回転すれば、第14図に於
ける1/4波長板透過後の反射光偏光状態の配置もαだけ
回転し、第15図に於ける周期曲線32はαだけシフトして
周期曲線33となる。この様に磁気信号有無に伴う偏光面
の変化が帰還導波光の光量分布の回転として現れるの
で、差動増幅器116による信号出力118により磁気信号の
再生が可能となる。なお上記の説明では導波光12BをTE
モードとしたがTMモードであっても同様の原理で磁気信
号の再生が可能である。また、偏光子10Bの代わりに1/4
波長板を用いた上記実施例では中心Ｏに対する対角位置
の電界ベクトルが互いに逆ベクトルをなし集光点で互い
に打ち消し合うのでその集光性は悪い。従って第11図で
示したような、放射光の位相遅れを同心円中心Ｏに対す
る偏角φに等しくする手段等と組み合わせることで集光
性の向上を図らなければならない。例えば、1/4波長板
を第11図（ａ）で示した位相差板27と組み合わせ光軸に
沿って並列に配置することで集光点での強度分布は第９
図の曲線（ｂ）と似たものとなり、集光性が改善され
る。

次に本発明のTE信号検出についての本発明の第３の実
施例を第16図、第17図に基づいて説明する。第３実施例
の光学ヘッド装置はTE信号検出方法を除いて本発明の第
１実施例の光学ヘッド装置と同じ構成であり、第１実施
例の説明図である第６図、第７図を兼用し、同一の構成
のものはその説明を省略する。

第16図は上記発明の第３実施例における信号検出の説
明図である。光検出器6Aまたは6Bは光ディスクの回転方
向34に平行な直線を含む、中心Ｏを通る２つの直線で４
つの領域（すなわち、35A,35B,35C,35D）に等分割され
ている。加算増幅器120により光検出器35B、35Dの加算
を行い、加算増幅器121により光検出器35A、35Cの加算
を行い、加算増幅器122により２つの加算信号を加算し
て再生信号124とし、差動増幅器123により２つの加算信
号を差分して信号125とする。

第17図は上記実施例に於けるTE信号検出原理を示す説
明図、また第18図はその動作波形図、第19図はその電気
的ブロック図である。である。光ディスク反射面上に形
成されたピット36にたいしビームスポットがε_Ｔのオフ
トラック量で走査する時、ビームスポットが37Aの位置
にあれば光は38Aの方向に回折し光検出器35Cの検出光量
が増大する。一方、ビームスポットが37Bの位置にあれ
ば38Bの方向に回折し光検出器35Dの検出光量が増大す
る。またビームスポットが37A、37B間にある時はピット
36による回折により各検出器での検出光量が減少する。
従って信号125は（ａ）のごとき波形、再生信号124は
（ｂ）のごとき波形を示す。信号124を比較回路126によ
りレベル−v₁で比較し、レベル−v₁を越える信号波形
（ｃ）が得られる。信号波形（ｃ）を遅延回路127で遅
延させたのが信号波形（ｄ）であり、信号波形（ｃ）を
反転回路128で反転させAND回路129で遅延信号（ｄ）とA
NDをとったものが信号波形（ｅ）である。信号波形
（ａ）上の信号133における振幅v_Tはオフトラック量ε
_Ｔの正負によってその極性が反転し、オフトラック量ε
_Ｔの大小によって増減するので、信号波形（ｅ）をゲー
ト信号とし、サンプルホールド回路130によって信号波
形（ａ）のピーク出力v_Tを検出すればこの信号132をTE
信号として用いることができる。とくにコンパクトディ
スクのようにピット深さがλ/5のディスクはプッシュプ
ル法によるTE信号検出が難しいが、上記の方法によれば
高感度のTE信号検出が行える。

なお、上記実施例では信号波形（ａ）上の信号133に
おける振幅v_TをTE信号に用いたが、信号134の振幅を用
いてもよく、また振幅ではなく信号波形（ａ）をあるレ
ベルで比較した場合の検出信号の時間幅をTE信号に用い
ることもできる。

産業上の利用可能性以上本発明の光学ヘッド装置により、直線偏光、同心
円偏光（放射偏光）の変換を行う偏光素子や、同心円偏
光（放射偏光）の対向位置の電界ベクトルを互いに同一
ベクトルの光に変換する位相差板等の手段を用いること
で高い集光性のスポットが得られ、高密度信号の記録が
可能な薄膜の光ヘッドを提供できる。また光放射用グレ
ーティングカプラの内側の円形領域に受光用のグレーテ
ィングカプラを形成することで、この領域への反射光を
も導波光に変換・検出でき、再生信号や制御信号の信号
品質向上を図ることができる。また1/4波長板またはこ
れと前記位相差板等を用いることでグレーティングカプ
ラが光ディスクからの磁気信号成分を含む反射光に対し
ていわゆる検光子の働きをし、受光素子を分割して帰還
導波光を検出することで磁気信号の再生が可能となる。
また受光素子を分割して帰還導波光を検出することで、
再生専用光ディスクなどの深さ1/5〜1/4波長のピットを
持つ光ディスクに対してもトラッキング制御が可能な光
学ヘッド装置を提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者麻田潤一大阪府茨木市南春日丘６丁目９番39号 (56)参考文献特開昭63−173239（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の導波層に入力するレーザー光源から
のレーザー光を、前記第一の導波層内の一点Ｏより層内
に沿って放射方向に伝搬する導波光に変換する結合手段
と、前記第１の導波層の領域内にあって前記点Ｏを中心
にして形成された同心円もしくはスパイラル状の周期構
造Ａとにより集光手段を構成し、前記周期構造Ａにより
前記導波光が放射され前記第１の導波層外の少なくとも
１つの点に集光することを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項２】請求の範囲第１項において、前記集光手段
と集光点との間に偏光手段を構成し、この偏光手段を透
過することで前記集光手段からの放射光が直線または円
偏光に変換されることを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項３】請求の範囲第２項において、前記集光点近
傍に置かれた反射面からの反射光が前記偏光手段を透過
することで再び前記放射光の偏光状態に変換されること
を特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項４】請求の範囲第１項において、前記集光手段
と集光点との間に、点Ｏに対する導波層内偏角φの位置
での透過光の位相遅れがφとなる位相差板を構成するこ
とを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項５】請求の範囲第１項において、前記第１の導
波層の上面側または下面側に他の透明層を接触させ、該
透明層の最外周形状をほぼ蝸牛形とすることで、前記第
１の導波層と前記透明層との間の接触長の増分が前記点
Ｏを中心とする偏角φの大きさに比例させ、偏角φの位
置での放射光の位相遅れがφとなることを特徴とする光
学ヘッド装置。
【請求項６】請求の範囲第１項において、前記レーザー
光源と結合手段との間に、点Ｏに対する導波層内偏角φ
の位置での結合手段に対する入力光の位相遅れがφとな
る位相差板を構成することを特徴とする光学ヘッド装
置。
【請求項７】請求の範囲第１項または第２項から第６項
において、前記集光点の近傍にある反射面からの反射光
は前記周期構造Ａにより前記第１の導波層内を伝搬する
導波光に変換され、前記第１の導波層もしくはこれより
分岐して形成された他の導波層に近接させて光検出手段
を構成し、この検出手段により前記帰還導波光の光量を
検出することを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項８】請求の範囲第１項または第２項から第７項
において、前記周期構造Ａの内周側に第２の導波層を構
成し、この第２の導波層の領域内に前記点Ｏを中心にし
て同心円もしくはスパイラル状の周期構造Ｂを設け、こ
の周期構造Ｂにより前記集光点の近傍にある反射面から
の反射光を前記第２の導波層内の導波光に変換すること
を特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項９】請求の範囲第８項において、前記第２の導
波層もしくはこれより分岐して形成された他の導波層に
近接させて光検出手段を構成し、この検出手段により前
記帰還導波光の光量を検出することを特徴とする光学ヘ
ッド装置。
【請求項１０】請求の範囲第７項または第９項におい
て、前記集光手段と集光点との間に1/4波長板を構成
し、前記反射面を磁性体材料で形成し、前記検出手段は
前記中心Ｏを通り前記1/4波長板の光学軸を含む直線で
八等分割され、それぞれの分割された検出手段で前記帰
還導波光を検出し、互いに隣り合わない、一つ飛びの位
置関係にある４つの分割検出手段の検出信号を加算し、
残りの分割検出手段の検出信号を加算し、それらの差分
を再生信号とすることを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項１１】請求の範囲第７項または第９項におい
て、前記反射面にはピットまたはドットがトラックに沿
って形成されており、前記検出手段は前記中心Ｏを通り
前記トラック方向の直線を含む二直線で４等分割され、
それぞれの分割された検出手段で前記帰還側導波光を検
出し、前記分割検出手段のうち対角位置にある分割検出
手段の検出信号を加算し、残りの分割検出手段の検出信
号を加算し、それら２組の加算信号を差分して差分信号
とし、前記２組の加算信号を加算して再生信号とし、前
記差分信号と再生信号とを組み合わせることでトラッキ
ングエラー信号を得ることを特徴とする光学ヘッド装
置。
【請求項１２】特許請求の範囲第11項において、前記再
生信号を検出レベルv1の第一の比較回路で比較して２値
化された検出信号を得、前記２値化された検出信号を遅
延回路で遅延させて遅延信号を得、前記検出信号を反転
回路で反転させて反転信号を得、AND回路によって前記
遅延信号と反転信号とのAND信号を得、このAND信号をゲ
ート信号として前記差分信号のピーク値または信号長を
サンプルホールドし、そのサンプルホールド信号をトラ
ッキングエラー信号とすることを特徴とする光学ヘッド
装置。