JP2605357B2

JP2605357B2 - 光学ヘッド装置

Info

Publication number: JP2605357B2
Application number: JP63155279A
Authority: JP
Inventors: 義尚武富; 孝明富田; 青児西脇; 真司内田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JPH01320652A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用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。

従来の技術従来の技術について、例えば第46回応用物理学会学術
講演会2p−Ｌ−15の講演に示されているものに基づいて
説明する。第12図は従来の光学ヘッド装置の構成図を示
す。基板31上に誘電体層を挟んで導波層32が形成され、
半導体レーザ33から出射するレーザ光は導波層32内を層
内に沿って広がり、TEモードの導波光34となる。導波光
34は導波層32上に形成されたグレーティングビームスプ
リッタ35によって平行光に変換され、集光グレーティン
グカプラ36によりその一部が放射モード光37となる。

放射モード光37は焦点F0に集れ、焦点F0に位置する光
ディスク12の記録面を反射し、集光グレーティングカプ
ラ36により再び導波光に変換され、グレーティングビー
ムスプリッタ35により二つの導波光38、39に分離され、
それぞれ受光素子40A,40Bおよび41A,41Bに集光される。

光ディスクの記録面にはディスク回転方向ｍに周期的
な案内溝Ｔが形成されており、反射光は案内溝Ｔによっ
てディスク径方向ｍ′に回折し、焦点F0からの反射光を
ディスク回転方向ｍで分割して検出し、その差をとれば
トラッキングエラー信号（TE信号）が得られる。またグ
レーティングビームスプリッタ35により二つの導波光3
8、39に分離されることでナイフエッヂによるフォーカ
スエラー検出と同様の原理で光ディスク記録面のディフ
ォーカス量が受光素子40A,40B,41A,41B上の光量分布の
差異として現れる。従って、差動増幅器44により受光素
子40A,40Bの和信号と41A、41Bの和信号とを差分するこ
とでTE信号が得られる。一方、加算増幅器42により受光
素子40A、40B、41A、41Bの和信号を得、再生信号とす
る。更に、差動増幅器43より受光素子40A、41Aの和信号
と40B、41Bの和信号とを差分することでフォーカスエラ
ー信号（FE信号）が得られる。

発明が解決しようとする課題このような従来の光学ヘッド装置に於て以下の問題点
があった。

第一に、半導体レーザは温度や出力パワーの大小によ
って波長変動を起こすが、この時グレーティングビーム
スプリッタ35による光の回折角が変わり、導波光34が平
行光からずれた状態で集光グレーティングカプラ36に入
射するので出射光37の収差が増大する。また集光グレー
ティングカプラ36からの出射光37の回折角が変わるの
で、焦点位置F0が変位する。更に、それぞれ受光素子40
A,40Bおよび41A,41Bに集光される二つの導波光38、39の
集光点38′,39′は波長変動に伴いグレーティングビー
ムスプリッタ35での光ののスポット位置のずれが制御信
号を乱し光ディスクの記録面上でディフォーカスを生じ
させる。

第二に、第13図（ａ），（ｂ）は集光グレーティング
カプラからの出射光の光分布を示す説明図であり、グレ
ーティング36の出力結合効率η０はη０＝（P1の光量）
／（P1＋P2の光量）で表される。グレーティングの損失
係数を大きくすることで（ａ）図の光分布は（P1＋P2の
光量）＝一定のまま（ｂ）図の光分布になり、このとき
出力結合効率η０は増大する。しかし、（ｂ）図の光分
布は（ａ）図の光分布に比べアンバランスな分布であ
り、焦点に於ける集光性が劣化する。

第三に、第14図は集光グレーティングカプラからの出
射光と戻り光の光分布を示す説明図であり、集光グレー
ティングカプラ36で集光され焦点位置の反射面で反射す
ることで戻り光の光分布Ｃは出射光の光分布Ａと対称と
なる。一般にグレーティングの出力分布と入力分布とが
相似形の時に入力結合効率ηｉ（戻り光46が導波光47に
変換される効率）は100％となるが、Ｃの戻り光の光分
布はＡの戻り光の光分布と相似形になく、入力結合効率
ηｉは小さい。

第四に、集光グレーティングカプラ36の理想的な形状
は同芯円から微妙にずれており、電子ビーム描画法によ
って理想的な形状に近いものが加工されるが、電子ビー
ム描画法が適用できる加工面積は比較的小さく、２×2m
m²をこえるものは加工精度が保証されない。

第五に、半導体レーザ33と導波層32の結合は端面結合
方式であるため、高い結合効率は得られない。

すなわち、従来の光学ヘッド装置に於て、焦点F0に於
ける集光性を劣化させることなくグレーティングの出力
結合効率η０を上げることは不可能であり、またグレー
ティングの入力結合効率ηｉを大きくすることが困難で
ある、半導体レーザの波長変動に伴い出射光の収差が増
大しかつ焦点位置F0が変位する、検出器の構成が複雑で
波長変動に伴う検出器上のスポット位置のずれが大きく
ディフォーカスを生じやすい、大面積の集光グレーティ
ングカプラを加工する適切な技術がない、半導体レーザ
光の結合効率を高くできないなどの問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑み、集光性を劣化させるこ
となく出力結合効率を向上させ、グレーティングの入力
結合効率を大きくし、戻り光の導波光と出射側の導波光
とが結合せず、かつ戻り光の導波光が半導体レーザに帰
還せず、半導体レーザの波長変動に影響を受けない安定
した集光特性を持ち、半導体レーザ光の結合効率が高
く、制御信号の検出構成が簡単で波長変動に影響を受け
ないフォーカス制御を行うことが出来、更に焦点位置F0
を電気的な信号で変位させることのできる光学ヘッド装
置を提供することを目的とする。。

課題を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するため、レーザ光源と、
このレーザ光源からのレーザ光を薄膜透明誘電体層内に
導波させ導波光とするための円錐状導波路と、この円錐
状導波路につながる導波層内に同心円もしくはスパイラ
ルの周期構造Ａを設けた。さらに、２つの同心円もしく
はスパイラル周期構造A1,A2を前記周期構造Ａの内周側
もしくは外周側に同心させたことを特徴とする。

作用上記の様な構成により、半導体レーザの光を効率良く
導波光とすることができ、さらに出射光の光分布が中心
軸を取り巻くリング状になっているため焦点に於ける集
光性を劣化させることなくグレーティングの出力結合効
率を上げることが可能であり、また戻り光の光分布が戻
り光の位置での出射光の光分布と相似形になりグレーテ
ィングの入力結合効率を大きくすることが可能となる。

また、戻り光の導波光がTMモードであるので出射側の
TEモード導波光と結合せずこれを乱すことなく導波し、
かつ戻り光の導波光は薄膜受光素子によって放射モード
となって減衰するので、半導体レーザに帰還する光量は
小さく半導体レーザのノイズを小さくすることが出来
る。

さらに、実効屈折率が波長の増加に対し増加し半導体
レーザの波長変動による回折角変動を抑えることで、出
射光の収差の増大、焦点位置の変動を防ぐことができ、
制御信号の検出構成が簡単で波長変動に影響を受けない
フォーカス制御を行うことが出来る。更に導波路内の金
属薄膜に電流を流し電流密度ベクトルの大きさ及び方向
を変えることで、導波路の実効屈折率を変化させ焦点位
置を変位させることができる。

実施例以下本発明の実施例を第１図から第11図に基づいて説
明する。第１図、第２図は本発明の第１実施例の光学ヘ
ッド装置の構成図を示す。第１図、第２図に示すよう
に、基板１上に誘電体層２、導波層３が形成され、導波
層３上にリング状の薄膜光電素子4B,4Cが誘電体層5B,5C
を挟んで軸Ｌを中心に形成され、その内側に等分割され
た半円弧状の薄膜光電素子4A,4A′が誘電体層5Aを挟ん
で軸Ｌを中心に形成されている。薄膜光電素子4A,4A′
の分割方向ｎは光ディスク12の回転方向ｍと一致する。

誘電体層5A,5B,5Cの間及びその外周側には同芯円状ま
たはスパイラル状の周期構造すなわちグレーティング6
A,6B,6Cが基板１に直交する軸Ｌを中心に形成されてい
る。第３図（ａ）に示すように、軸Ｌ上に配置される半
導体レーザ７からのレーザ光８′は円錐状導波路から入
射し、導波層３内を層内に沿って広がり、TEモードの導
波光８となる。

ここで、第３図（ａ）に基づき、円錐状導波路につい
て説明を行う。基板１上に設けた円錐状のくぼみにおい
て、誘電体層２′の厚みt¹は、導波条件を満たす他の部
分の厚みt²に比べて薄くなっている。ここでは放射モー
ド条件が満たされるため半導体レーザ18からのレーザ光
８′が導波層３に導かれることになる。

これは第４図に示すような従来から用いられているプ
リズムによる結合方式に等しく、他の方式に比べて結合
効率が非常に高いという利点がある。本発明の実施例と
の比較をすれば、厚みの薄い誘電体層２′がギャップに
相当し、基板１がプリズムに相当する。低い屈折率を有
する誘電体層２′を介することにより、レーザ光８′が
導波光として結合されるわけである。尚、円錐状導波路
７と導波層３の境界部においては第３図（ｂ）に示した
ような適切な曲率を持つ曲がり導波路とすることによっ
て、導波光８の導波損失を防ぐのが望ましい。

さて、第２図に戻って再び説明を続ける。この導波光
８は導波層３上に形成されたリング状の薄膜光電素子4
D、およびグレーティング6A,6B,6Cによりその一部が放
射モード光となる。（導波光がTEモードの場合、薄膜光
電素子4A,4B,4Cによる影響は誘電体層5A,5B,5Cを挟んで
いるため小さく、その放射モード光は小さい。）薄膜光
電素子4Dでの放射モード光によりレーザ光の光量が検出
され、パワー制御回路９により半導体レーザ光量が一定
に保たれる。グレーティング6A,6B,6Cでの放射モード光
10A,10B,10Cは1/4波長板11を透過し、それぞれ軸Ｌ上の
焦点F0,F1,F2に集光される。ただし、F0はF1、F2に挟ま
れた位置にある。

光ディスク12の記録面13は軸Ｌに直交して焦点F0に位
置しており、光は記録面13を反射する。すなわち放射モ
ード0A,10B,10Cはそれぞれ反射光10A′,10B′,10C′と
なり、1/4波長板11を経てそれぞれグレーティング6A,6
B,6Cにより導波層３内の中心に向かうTMモード導波光8
A,8B,8Cに変換され、TEモードの導波光８と結合せず導
波光８を乱すことなく導波する。導波光8A,8B,8Cは薄膜
光電素子4A,4B,4Cにより放射モード光となりそれぞれの
光量が検出される（導波光がTMモードの場合、薄膜光電
素子4A,4B,4Cによる影響は誘電体層5A,5B,5Cを挟んでい
ても大きく、放射モード光となる。）。すなわち、戻り
光の導波光は薄膜受光素子によって減衰するので、半導
体レーザに帰還する光量は小さく、帰還結合による半導
体レーザのノイズは小さい。

光ディスクの記録面13にはディスク回転方向ｍに周期
的な案内溝Ｔが形成されており、反射光は案内溝Ｔによ
ってディスク径方向ｍ′に回折し、焦点Ｆから反射光10
A′をディスク回転方向ｍで分割して検出し、その差を
とればトラッキングエラー信号が得られる。従って、差
動増幅器14により薄膜受光素子4Aと4A′の差信号を得、
トラッキングエラー信号とする。一方、加算増幅器16に
よの和信号を得信号とする。

なお、4A、4A′、4B、4Cの和信号を再生信号としても
よい。更に、差動増幅器15より薄膜受光素子4Bと4Cの差
信号が得られ、フォーカスエラー信号とする。

第５図は戻り光入射角の変化を示す説明図である。反
射面17が焦点位置Ｆにあるときは光はAFA′の順路で反
射する。反射面17が焦点位置Ｆよりεだけ近いときはAB
Cの順路で反射する。グレーティング上の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は落ちる。FCの方向か
らのずれ角度（θ−θ′）は近似的に（１）式で与えら
れる。

θ−θ′＝tan^-1（２εr/（f²＋r²）） …（１）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。

第６図（ａ）は反射面の位置に対する戻り光の導波光
への変換効率の変化を示す説明図、同図（ｂ）は反射面
の位置に対するフォーカスエラー（FE）出力の変化を示
す説明図である。グレーティング6B,6Cにより導波光に
変換される戻り光の変換効率8B′,8C′は反射面の位置
により変動し、変換効率8B′は反射面がF2の位置でずれ
角度が０となり極大をなし、変換効率8C′は反射面がF1
の位置で極大となる。変換効率はそのまま導波光光量に
比例するため、変換効率8B′,8C′の差をとることでFE
出力が得られ、Ｓ字カーブをなすことからフォーカス制
御が可能であることがわかる。すなわち、薄膜受光素子
4Bと4Cの差信号よりフォーカスエラー信号が得られる。

第７図はグレーティングからの出射光と戻り光との光
分布を示す説明図であり、グレーティングの出力結合効
率η０はη０＝（P1の光量）／（P1＋P2の光量）で表さ
れる。出力結合効率η０はグレーティングの損失係数を
大きくすることで増大するが、この時出射光の光分布が
中心軸Ｌを取り巻くリング状になっているため、焦点Ｆ
に於ける集光性は劣化しにくい。

また反射面17で反射することで戻り光の光分布P3は出
射光の光分布P1と中心軸Ｌに関して対称となり、これは
そのまま戻り光の位置での出射光の光分布と相似形にあ
る。すなわち、グレーティングの出力分布と入力分布と
が相似形となるので入力結合効率ηｉは100％である。
よって戻り光はほとんど導波光に変換される。

第８図は導波路の構成を変えた第３の実施例である。
基板１上に金属薄膜19を設けその上に誘電体層２、導波
層３が形成されている以外は第１実施例と同じである。
但し、円錐状導波路７においては金属薄膜19を設ける必
要はなく、また、設けない方が結合効率は高くなる。グ
レーティング6Aでの放射モード光は基板１側の放射モー
ド光21と1/4波長板11側の放射モード光20とに分かれ、
基板１側の放射モード光21は金属薄膜19により反射する
ため放射モード光20は金属薄膜19のない場合より大き
く、光ディスク記録面13に照射される光の光量が増え
る。放射モード光20の回折角θは、放射モード光の出射
位置でのグレーティングピッチをΛ、レーザー光の波長
をλ、導波路の実効屈折率をΝ、として次式で与えられ
る。

sinθ＝Ν−λ／Λ …（２）第９図はレーザー光の波長と導波路の実効屈折率との
関係を示す。一般に導波路が誘電体層のみで形成されて
いるとき、実効屈折率Νは波長λに対し単調に減少する
特性カーブ22を示す（図中ｎsは誘電体層２の屈折率、
ｎfは導波層３の屈折率である。）。しかし、第３実施
例のごとく金属薄膜を含む構成では境界条件の違いや金
属の光学定数が波長λに大きく依存することから、適切
な材料と適切な金属層膜厚、導波層膜厚、誘電体層膜厚
を選ぶことで波長の増加に対し増加する部分を持つ特性
カーブ23が得られる。仮に波長がλ０からλ０＋Δλに
増加したとき実効屈折率がΝ０からΔΝだけ増加すると
すれば回折角は sin^-1（Ν０＋ΔΝ−（λ０＋Δλ）／Λ） −sin^-1（Ν０−λ0/Λ） …（３）だけ増加し、 ΔΝ＝Δλ／Λ …（４）であれば回折角が波長変動によらず一定となる。

したがって金属薄膜を適切に選び組み合わせること
で、波長変動による回折角変動を抑えることができ、収
差の増大、焦点位置の変化等の問題は生じない。

第10図は本発明の第４の実施例である。一般に導波路
の場はマックスウェルの方程式よりで与えられ、電流密度ベクトルＪにより場の状態が異な
る。場の状態が異なれば実効屈折率Ｎは異なるので、実
効屈折率Νは電流密度ベクトルＪに依存する。よって導
波路内の金属薄膜に電流を流し、電流密度ベクトルＪの
大きさ及び方向を変えることで、導波路の実効屈折率Ν
は変化し、この結果（２）式より回折角θが変化する。
すなわち、焦点の位置を変えることが可能である。第10
図において、金属薄膜19の内周と外周にそれぞれ金属リ
ング25,24を軸Ｌを中心として設け、この金属リング間
に電源26によって電圧を加えることで、金属薄膜19の内
周から外周（または外周から内周）に電流27を流せば、
焦点の位置は軸Ｌに沿ってF0からF0′に変わる。よっ
て、FE信号の出力を電源26の駆動信号に用いればフォー
カス制御を行うことができる。

第11図はグレーティングの加工法の一例を示す説明図
である。レジストの塗布された円形基板28を回転させ、
エネルギービーム29を照射して、円形基板28をその径方
向30に動かすことで、同芯円もしくはスパイラルのグレ
ーティングを形成することができる。エネルギービーム
29は固定されており、グレーティングの加工精度は円形
基板28の送り精度で決まるが、一般に回転体の加工精度
は高く、高精度のグレーティングを大面積にわたって形
成することができる。

なお、本発明は情報を光ディスクに記録または再生す
る光ヘッドに限らず、一般に半導体レーザーの光を集光
する装置として適用できるもである。

発明の効果以上のように本発明の光学ヘッド装置では、円錐状導
波路による効率の良いレーザ光の導波結合ができ、出射
光の光分布が中心軸を取り巻くリング状になっているた
め焦点に於ける集光性を劣化させることなくグレーティ
ングの出力結合効率を上げることが可能であり、また反
射面で反射することで戻り光の光分布が戻り光の位置で
の出射光の光分布と相似形になりグレーティングの入力
結合効率ηｉを大きくすることが可能となる。

さらに、実効屈折率が波長の増加に対し増加し半導体
レーザの波長変動による回折角変動を抑えることで、出
射光の収差の増大、焦点位置の変動を防ぐことができ、
制御信号の検出構成が簡単で波長変動に影響を受けない
フォーカス制御を行うことが出来る。更に導波路内の金
属薄膜に電流を流し電流密度ベクトルの大きさ及び方向
を変えることで、導波路の実効屈折率を変化させ焦点位
置を変位させることができ、実用的に極めて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に於ける光学ヘッド装置の
構成図、第２図は同装置の断面を示した構成図、第３図
（ａ）は同装置の円錐状導波路の断面図、同図（ｂ）は
円錐状導波路と導波層の接合部を示す説明図、第４図は
一般に用いられているプリズム結合方式を示す原理図、
第５図は同装置の戻り光入射角の変化を示す説明図、第
６図（ａ）は同装置の反射面の位置に対する戻り光の導
波光への変換効率の変化を示す説明図、同図（ｂ）は反
射面の位置に対するフォーカスエラー（FE）出力の変化
を示す説明図、第７図は同装置のグレーティングからの
出射光と戻り光との光分布を示す説明図、第８図は導波
路の構成を変えた本発明の第３の実施例に於ける光学ヘ
ッド装置の構成図、第９図はレーザ光の波長と導波路の
実効屈折率との関係を示す説明図、第10図は本発明の第
４の実施例に於ける光学ヘッド装置の構成図、第11図は
グレーティングの加工法を示す説明図、第12図は従来の
光学ヘッド装置の構成図、第13図は従来の装置に於ける
集光グレーティングカプラからの出射光の光分布を示す
説明図、第14図は従来の装置に於ける集光グレーティン
グカプラからの出射光と戻り光の光分布を示す説明図で
ある。１……基板、２……誘電体層、３……導波層、4A,4A′,
4B,4C,4D……薄膜光電素子、5A,5B,5C……誘電体層、6
A,6B,6C……グレーティング、７……円錐状導波路、８
……導波光、９……パワー制御回路、10A,10B,10C……
放射モード光、11……1/4波長板、F0,F1,F2……焦点、1
2……光ディスク、13……記録面、10A′,10B′,10C′…
…反射光、14,15……差動増幅器、16……加算増幅器、1
8……半導体レーザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内田真司大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−263350（ＪＰ，Ａ) 国際公開90／1768（ＷＯ，Ａ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に円錐状導波路と、同心円状もしく
はスパイラル状の周期構造とを備え、前記円錐状導波路
を前記周期構造の内周側に同心させて設け、レーザ光源
の光を前記円錐状導波路によって導波させ、この導波さ
れた光を前記周期構造によって微小光スポットとして集
光することを特徴とする光学ヘッド装置。
【請求項２】一部に円錐状のくぼみを有する高屈折率平
面基板の上に低屈折率の誘電体薄膜を設けバッファ層と
し、その上に高屈折率の誘電体薄膜を設け導波層とし、
前記バッファ層の厚みを前記くぼみ上においてのみ薄く
して円錐状導波路を構成したことを特徴とする請求項１
記載の光学ヘッド装置。