JP2658818B2

JP2658818B2 - 複屈折回折格子型偏光子及び光ヘッド装置

Info

Publication number: JP2658818B2
Application number: JP5227379A
Authority: JP
Inventors: 昭知大場
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH06308309A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバー通信用
光源モジュールや、光ディスク用光ヘッドに使われる複
屈折回折格子型偏光子とそれを用いた光ヘッド装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】偏光子、特に偏光ビームスプリッタは、
直交する偏光間での光の伝搬方向を異ならしめることに
よって特定の偏光を得る素子である。従来、偏光ビーム
スプリッタとしては、グラントムソンプリズムやロッシ
ョンプリズムなど、複屈折の大きな結晶のはり合わせ面
における偏光による透過ないしは反射の違いを利用し、
光路を分離するもの、またはガラスなどの等方性光学媒
質でできたプリズムは合わせ型ビームスプリッタのはり
合わせ面に誘電体多層膜を設け、この誘電体多層膜の偏
光による干渉の違いを利用して、光を反射ないし透過さ
せるものが多く使用されている。しかしながら、これら
の素子は大型であること、生産性が低いこと、価格が高
いことなどの欠点がある。また、上記バルク型の偏光子
は偏光子機能のみ持ち、光ディスク用光ヘッドに用いた
場合、焦点誤差検出機能及びトラック誤差検出機能など
の複合化が難しく光ヘッドの小型化が困難である。

【０００３】一方、近年小型で生産性が高く、偏光子機
能以外にも機能を複合化できる偏光子として、特開昭６
３−３１４５０２号公報に記載されている複屈折回折格
子型偏光子が知られている。図７は、この複屈折回折格
子型偏光子の断面図である。複屈折結晶であるニオブ酸
リチウム基板１のＸ板、あるいはＹ板に安息香酸による
プロトン交換を施すと、一例として光ディスク装置に一
般的に用いられる０．７８μｍの波長の光に対しては基
板の結晶光学軸に平行な偏光の光である異常光に対する
屈折率は約０．１２増加し、その光学軸に垂直な偏光の
光である常光に対する屈折率は約０．０４減少する。そ
こでプロトン交換を施した交換領域２と施さない非交換
領域を周期的に配置した格子にすると回折格子として作
用する。この格子に交換領域２を通過する常光と非交換
領域を通過する常光の位相差を相殺するために交換領域
２上に適当な厚さの位相補償膜３を形成すると、常光に
対してはこの格子は回折格子としては働かず、常光を回
折せずに透過させることができる。つまり、この格子は
単なる透明基板に見える。上記の常光に対する位相差相
殺条件を満足させながら交換領域２の深さを変えること
により異常光に対する位相差がπでかつプロトン交換領
域２と交換されていない領域の幅が等しいときは、異常
光は完全に回折される。これらの位相関係は次式で与え
られる。

【０００４】｛Δｎ_e・Ｔ_p＋（ｎ_d−ｎ_{o u t}）・Ｔ
_d｝・２π／λ＝π ｛Δｎ_o・Ｔ_p＋（ｎ_d−ｎ_{o u t} ）・Ｔ_d｝・２π／
λ＝０ここでｎ_d、Ｔ_dは位相補償膜３の屈折率及び厚さ、Ｔ
_pはプロトン交換領域２の深さ、Δｎ_e、Δｎ_oはプロ
トン領域２の異常光、常光の屈折率変化量、ｎ_{o u t}は
ホログラム基板外の屈折率すなわち空気層ではｎ_{o u t}
＝１である。またλは光の波長である。

【０００５】またプロトン交換領域２と位相補償膜３を
交互に配置し、異常光に対してプロトン交換領域２を通
過する光と誘電体の位相補償膜３を通過する光の位相差
を０、常光に対してはその位相差をπとして、かつプロ
トン交換領域２と位相補償膜３の幅を等しくすることに
よっても偏光機能が実現できる。この場合は異常光が回
折されずに透過し、常光が完全に回折される。

【０００６】また、この複屈折回折格子型偏光子を光ヘ
ッド装置に利用している例として、特開平３−２９１３
７号公報、特開平３−２９１２９号公報に記載されてい
るホログラム素子がある。これらのホログラム素子は図
７に示す断面構造をとりながら、格子パターンは光ヘッ
ドの焦点誤差信号、トラック誤差信号を検出するために
図８に示すように回折方向が異なる複数の格子領域から
形成されている。同様な格子パターンとして図９のよう
に格子領域が分割されたパターンもある。

【０００７】図１０は特開平３−２９１２９号公報記載
のビデオディスク、追記型光ディスクと書き替え型の相
変化光ディスク用の光ヘッド装置である。半導体レーザ
１０から出射した光は、ホログラム素子１６に常光とし
て入射し回折されずに透過して、コリメーティングレン
ズ１１、１／４波長板１３、対物レンズ１２を通過後、
光ディスク１４上に集光する。光ディスク１４からの戻
り光は逆の経路を通り、ホログラム素子１６に再入射す
る。この戻り光はその偏光面が１／４波長板１３により
元の偏光に対して９０度回転しており、ホログラム素子
１６に対して異常光として入射するため完全に回折さ
れ、＋１次回折光５０及び−１次回折光５１が第１光検
出器３０と第２光検出器３１で受光される。図１１は光
検出器に入射した回折光の状態を示す図である。図８の
ホログラム上の領域Ａ５と領域Ｂ６から回折光は１１に
示す収束点４０と４１に収束する。焦点誤差信号は図８
のホログラムパターン上の分割線９がナイフエッヂとし
て働き、これらの回折光よりダブルナイフエッヂ法で検
出する。トラック誤差信号は図１１の収束点４２、４３
に収束する領域Ｃ７と領域Ｄ８からの回折光の差からプ
ッシュプル法で検出する。記録信号は第２光検出器３１
で受光した光あるいは、第１光検出器３０及び第２光検
出器３１で受光した光量の和より検出する。さらに、高
次の回折光を受光することにより一層信号量を大きくす
ることができる。

【０００８】図１２は特開平３−２９１３７号公報記載
の光磁気ディスク用の光ヘッド装置である。半導体レー
ザ１０からの出射光はコリメーティングレンズ１１、偏
光ビームスプリッタ１８、対物レンズ１２を通過後、光
磁気ディスク１５上に集光する。光磁気ディスク１５か
らの戻り光は逆の光路をたどり、偏光ビームスプリッタ
１８により光軸外に分離され、レンズ１９で収束光とな
りホログラム素子１７で異常光成分が回折され、第１、
第２、第３光検出器３２、３３、３４で受光される。こ
の偏光ビームスプリッタ１８は半導体レーザ１０からＰ
偏光光を一部反射、及び透過させ、それに直交するＳ偏
光光即ち、光磁気ディスク１５の反射時のカー効果によ
って生じたわずかな偏光光を全て反射する偏光特性を持
つ。記録信号は差動検出法を用いてホロブラム素子１７
の偏光子機能により偏光分離された０次回折光と１次回
折光より検出する。＋１次回折光５２と−１次回折光５
４の和と０次回折光５３の差より検出する場合は、戻り
光の偏光方向とホログラム素子の結晶光学軸が約４２度
の角度をなせば光量がバランスして記録信号が小さなノ
イズで検出できる。−１次回折光５４と０次回折光５３
の差より検出する場合は、約３２度に設定すればよい。
図１３は光検出器に入射する回折光の状態を説明するた
めの図である。焦点及びトラック誤差信号は第１光検出
器３２に入射する＋１次回折光５２を用いて図１１と同
じように検出する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の複屈折回
折格子型偏光子は、透過型のため格子層の形成には、プ
ロトン交換領域を深く、位相補償膜を厚くする必要があ
るため長い作製時間を要した。さらに、この素子を上記
の従来の光ヘッド装置に利用した場合は一層の小型化が
困難であった。本発明の目的は、短時間で格子層が形成
可能な複屈折回折格子型偏光子とそれを利用した一層の
小型化が可能な光ヘッド装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の複屈折回折格子
型偏光子は光学異方性を持つ結晶板の主面に周期的に設
けられたイオン交換領域と誘電対から成る回折格子の表
面に全反射膜が形成されていることを特徴とする。

【００１１】前記回折格子と反対の面の全面あるいは一
部の領域に偏光ビームスプリッタ層が設けられているこ
とを特徴とする。

【００１２】本発明の光ヘッド装置は光源と、前記光源
からの光を記録媒体上に絞り込む結像レンズ系と、前記
記録媒体からの戻り光の偏光を前記光源からの光の偏光
と直交するように変換する４分の１波長板と、前記光源
からの光を前記結像レンズ系へ反射し前記戻り光を回折
するホロブラム素子と、前記回折された光を受光する光
検出器から構成され、前記ホログラム素子は光学異方性
を持つ結晶板の主面に周期的に設けられたイオン交換領
域と誘電対から成る回折格子の表面に全反射膜が形成さ
れていることを特徴とする。

【００１３】本発明の光ヘッド装置は光源と、前記光源
からの光を記録媒体上に絞り込む結像レンズ系と、前記
光源からの光を前記結像レンズ系へ反射し前記記録媒体
からの戻り光を回折及び反射するホログラム素子と、前
記回折及び反射された光を受光する光検出器から構成さ
れ、前記ホログラム素子は光学異方性を持つ結晶板の主
面に周期的に設けられたイオン交換領域と誘電体から成
る回折格子の表面に全反射膜が形成されており、前記回
折格子と反対の面の一部の領域に偏光ビームスプリッタ
層が設けられていることを特徴とする。

【００１４】本発明の光ヘッド装置は、光源と、前記光
源からの光を記録媒体上に絞り込む結像レンズ系と、前
記光源からの光の一部を前記結像レンズ系へ反射し、前
記記録媒体からの戻り光の一部を透過させる偏光ビーム
スプリッタと、前記の偏光ビームスプリッタを透過した
前記記録媒体からの戻り光を反射回折するホログラム素
子と前記反射回折された光を受光する光検出器から構成
され、前記偏光ビームスプリッタは、偏光分離する面の
一部の領域に偏光ビームスプリッタ層が形成されてお
り、前記ホログラム素子は光学異方性を持つ結晶板の主
面に周期的に設けられたイオン交換領域と誘電体から成
る回折格子の面に全反射膜を形成し、前記回折格子の反
対の面と前記偏光ビームスプリッタの偏光分離面が接着
されていることを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明の複屈折回折格子型偏光子の作用・原理
は次の通りである。本発明の複屈折回折格子型偏光子で
は図１に示すような反射型の構造をとっている。この構
造では光が格子層を往復するため従来の透過型の構造に
比べ、必要なプロトン交換領域２及び位相補償膜３の格
子層の厚さを半分以下にすることが可能となる。従来の
技術で述べたように異常光が回折し、常光が反射するに
はプロトン交換領域２を通過する光とプロトン交換のな
い領域を通過する光の位相差が異常光でπ、常光で０で
あればよい。その時の位相関係は次式で表される。

【００１６】（Δｎ_e・２Ｔ_p＋’ｎ_d・２Ｔ_d’）・２π／λ＝π （Δｎ_o・２Ｔ_p＋’ｎ_d・２Ｔ_d’）・２π／λ＝ｏこれによりＴ_p、Ｔ_dは次のように求められる。

【００１７】Ｔ_p’＝λ／｛４・（Δｎ_e−Δｎ_o）｝Ｔ_d’＝−Δｎ_o／ｎ_d・Ｔ_p’ この時のプロトン交換領域２の深さ及び誘電体の位相補
償膜３の厚さは、前記の従来の技術で述べた透過型の場
合に比べるとその関係は次式のようになる。

【００１８】Ｔ_p’＝Ｔ_p／２Ｔ_d’＜Ｔ_d／２格子に光が斜入射する場合は垂直入射に比べ光路長が長
くなるので、より一層のプロトン交換領域２及び位相補
償膜３の薄型化可能となる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の複屈折回折格子型偏光子の第
１の実施例の断面図である。位相補償膜３としてニオブ
酸リチウム基板１とほぼ同じ２．２の屈折率の誘電体膜
を用いている。０．７８μｍの波長の光に対しては、従
来の透過型の構造では位相補償膜の厚さが約８００ｎ
ｍ、プロトン交換層の深さが約２．４μｍ必要であるが
本発明の反射型の構造では約２００ｎｍの厚さの位相補
償膜と、約１．２μｍの深さのプロトン交換領域により
偏光子機能が実現できる。この誘電体膜としてはＮｂ₂
Ｏ₅，ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅などがある。全反射膜４と
しては金属膜あるいは誘電体の多層反射膜がある。

【００２０】図２は本発明の複屈折回折格子型偏光子の
第２の実施例を示す断面図である。複屈折回折格子型偏
光子の透過型の構造として従来の技術で述べたように特
開平４−２９２８５３号に記載されているプロトン交換
領域と誘電体の位相補償膜が交互に配置された構造であ
り、図２の実施例はこれを反射型にしたものである。

【００２１】図３（ａ）は本発明の光ヘッド装置の第１
の実施例の図で、ビデオディスク、追記型光ディスクと
書き替え型の相変化光ディスク用の光ヘッド装置であ
る。ホログラム素子２０は裏面が上で述べた反射型の複
屈折回折格子型偏光子の構造となっており、その格子パ
ターンは焦点及びトラック誤差信号検出用に従来の技術
で述べた図８または図９に示すパターンとなっている。
光源の半導体レーザ１０からの光はホログラム素子２０
にこの格子層で回折されずに反射される偏光で入射す
る。その反射光はコリメーティングレンズ１１でコリメ
ートされ、１／４波長板１３、対物レンズ１２を通過
後、光ディスク１４上に集光される。光ディスク１４で
反射された戻り光は逆の光路をとおりホログラム素子２
０に再入射する。この時の偏光は１／４波長板１３の往
復の通過により元の偏方向から９０度回転しているため
ホログラム素子２０により回折され、その回折光は第１
及び第２光検出器３５、３６で受光される。図３（ｂ）
は各光検出器での回折光の状態を示しており、従来の技
術で述べた方法と同様にして焦点、トラック誤差信号及
び記録信号を検出する。

【００２２】図４（ａ）は本発明の光ヘッド装置の第２
の実施例の図で、上記の第１の実施例の半導体レーザと
光検出器をモジュール６０内に一体化している。図４
（ｂ）はそのモジュール６０の図である。半導体レーザ
チップ２５から出射した光は、ミラー２４で反射されホ
ログラム素子２０へ向かう。また、ホログラム素子２０
から戻り光は光検出素子群２７に入射して上で述べたよ
うに焦点及びトラック誤差信号及び記録信号が検出され
る。

【００２３】図５（ａ）は本発明の光ヘッド装置の第３
の実施例の図で、光磁気ディスク用の光ヘッド装置であ
る。このホログラム素子２１は裏面に反射格子層２２、
表面に一部の領域に偏光ビームスプリッタ層２３が形成
されている。この反射格子層２２は上に述べた反射型の
複屈折回折格子型偏光子の構造をしており、その格子パ
ターンは焦点及びトラック誤差信号検出用に従来の技術
で述べた図８または図９に示すパターンとなっている。
表面の偏光ビームスプリッタ層２３は特定の偏光をほと
んど透過させ、それに直交する偏光は一定の光量比で透
過及び反射させる偏光特性を有し、表面への誘電体多層
膜の形成あるいは上記のような偏光特性を持った偏光ビ
ームスプリッタ基板を表面に張り付けることによって形
成可能である。光源の半導体レーザ１０からの光はホロ
グラム素子２１の偏光ビームスプリッタ層２３で上記の
一部反射される偏光入射する。その反射光は、コリメー
テイングレンズ１１でコリメートされ、対物レンズ１２
を通過後、光磁気ディスク１５上に集光される。光磁気
ディスク１５で反射された戻り光は逆の光路をとおりホ
ログラム素子２１に再入射する。偏光ビームスプリッタ
層２３に於いて戻り光のうち元の偏光は一部透過し、そ
れに直交する偏光即ち、光磁気ディスク１５面での反射
時のカー効果により生じたわずかな偏光はほとんど透過
する。偏光ビームスプリッタ層２３を透過してきたこれ
らの光は裏面の反射格子層２２により回折及び反射さ
れ、その回折光及び反射光は光検出器３７で受光され
る。

【００２４】図５（ｂ）は光検出器３７での回折光の状
態を示している。回折光のうち＋１次回折光より従来の
技術で述べた方法と同様にして焦点及びトラック誤差信
号を検出する。記録信号も従来の技術で述べたようにし
て上記の戻り光の偏光方向とホログラム素子２１の結晶
光学軸とを適当な角度に設定することにより０次回折光
と−１次回折光あるいは、０次回折光と±１次回折光の
差動検出できる。また、より高次回折光を受光すること
によって記録信号の増大を図ることも可能である。

【００２５】図６（ａ）は本発明の光ヘッド装置の第４
の実施例の図で、上記の第３の実施例の半導体レーザと
光検出器をモジュール６１内に一体化している。図６
（ｂ）はそのモジュール６１の図である。半導体レーザ
チップ２５から出射した光はミラー２４で反射されホロ
グラム素子２１へ向かう。また、ホログラム素子からの
戻り光は光検出素子群２６に入射して上で述べたように
焦点及びトラック誤差信号及び記録信号が検出される。

【００２６】さらに、図１４は本発明の第５の実施例の
図で、上記の第３及び第４の実施例に於いてホログラム
素子２１に偏光ビームスプリッタ層２３を形成する代わ
りに、三角プリズム７０の斜面に偏光ビームスプリッタ
層７１を形成し、ホログラム素子７２の格子層と反対の
面をこの斜面に張りつけた場合である。ホログラム素子
７２と三角プリズム７０をつける方法として、接着剤を
注入する方法がある。例えばプリズム７０に使われるガ
ラスの屈折率と同等の屈折率の透明なもの例えば光硬化
性樹脂などを用いると、ホログラム素子、プリズム間の
反射損が軽減され、また境界での屈折による影響も小さ
くなる。信号の検出方法は上記と同じである。

【００２７】

【発明の効果】本発明の複屈折回折格子型偏光子は反射
型構造をとることにより製造時間を短縮することがで
き、素子の低コストを図ることができる。また、本発明
の光ヘッド装置では反射型の複屈折回折格子型偏光子を
用いるため光ヘッド装置の小型化が実現でき、さらに光
源と光検出器をモジュール化することにより光ヘッド装
置の一層の小型化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複屈折回折格子型偏光子の第１の実施
例を示す断面図である。

【図２】本発明の複屈折回折格子型偏光子の第２の実施
例を示す断面図である。

【図３】本発明の光ヘッド装置の第１の実施例を示す図
である。

【図４】本発明の光ヘッド装置の第２の実施例を示す図
である。

【図５】本発明の光ヘッド装置の第３の実施例を示す図
である。

【図６】本発明の光ヘッド装置の第４の実施例を示す図
である。

【図７】従来のホログラム素子の断面図である。

【図８】従来のホログラム素子の格子パターンを示す図
である。

【図９】従来のホログラム素子の格子パターンを示す図
である。

【図１０】従来の光ヘッド装置を示す図である。

【図１１】光検出器に入射する回折光の状態を示す図で
ある。

【図１２】従来の光ヘッド装置を示す図である。

【図１３】光検出器に入射する回折光の状態を示す図で
ある。

【図１４】本発明の光ヘッド装置の第５の実施例を示す
図である。

【符号の説明】

１ニオブ酸リチウム基板２プロトン交換領域３位相補償膜４全反射膜５領域Ａ６領域Ｂ７領域Ｃ８領域Ｄ９分割線１０半導体レーザ１１コリメーティングレンズ１２対物レンズ１３１／４波長板１４光ディスク１５光磁気ディスク１６、１７、２０、２１、７２ホログラム素子１８偏光ビームスプリッタ１９レンズ２２反射格子層２３、７１偏光ビームスプリッタ層２４ミラー２５半導体レーザチップ２６、２７光検出素子群３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７光
検出器４０、４１、４２、４３収束点５０、５１、５２、５３、５４回折光６０、６１モジュール７０三角プリズム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学異方性を持つ結晶板の主面に、周期
的に設けられたイオン交換領域と誘電体とから成る回折
格子の表面に全反射膜が形成されていることを特徴とす
る複屈折回折格子型偏光子。
【請求項２】前記回折格子と反対の面の全面あるいは
一部の領域に偏光ビームスプリッタ層が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の複屈折回折格子型偏光
子。
【請求項３】光源と、前記光源からの光を記録媒体上
に絞り込む結像レンズ系と、前記記録媒体からの戻り光
の偏光を前記光源からの光の偏光と直交するように変換
する４分の１波長板と、前記光源からの光を前記結像レ
ンズ系へ反射し前記戻り光を回折するホログラム素子
と、前記回折された光を受光する光検出器から構成さ
れ、前記ホログラム素子は光学異方性を持つ結晶板の主
面に周期的に設けられたイオン交換領域と誘電体から成
る回折格子の表面に全反射膜が形成されていることを特
徴とする光ヘッド装置。
【請求項４】光源と、前記光源からの光を記録媒体上
に絞り込む結像レンズ系と、前記光源からの光を前記結
像レンズ系へ反射し前記記録媒体からの戻り光を回折及
び反射するホログラム素子と、前記回折及び反射された
光を受光する光検出器から構成され、前記ホログラム素
子は光学異方性を持つ結晶板の主面に周期的に設けられ
たイオン交換領域と誘電体から成る回折格子の表面に全
反射膜が形成されており、前記回折格子と反対の面の一
部の領域に偏光ビームスプリッタ層が設けられているこ
とを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項５】光源と、前記光源からの光を記録媒体上
に絞り込む結像レンズ系と、前記光源からの光の一部を
前記結像レンズ系へ反射し、前記記録媒体からの戻り光
の一部を透過させる偏光ビームスプリッタと、前記の偏
光ビームスプリッタを透過した前記記録媒体からの戻り
光を反射回折するホログラム素子と、前記反射回折され
た光を受光する光検出器から構成され、前記偏光ビーム
スプリッタは、偏光分離する面の一部の領域に偏光ビー
ムスプリッタ層が形成されており、前記ホログラム素子
は光学異方性を持つ結晶板の主面に周期的に設けられた
イオン交換領域と誘電体から成る回折格子の面に全反射
膜を形成し、前記回折格子の反対の面と前記偏光ビーム
スプリッタの偏光分離面が接着されていることを特徴と
する光ヘッド装置。