JP2742325B2

JP2742325B2 - 光ヘッド装置

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Publication number: JP2742325B2
Application number: JP2242694A
Authority: JP
Inventors: 康夫日良; 秀己佐藤; 貴子福島; 和民川本; 顕知伊藤; 正孝芝; 昭有本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1998-04-22
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: JPH04123329A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光通信或いは光デイスク装置等のオプトエレ
クトロニクス機器に用いる光集積回路、光学装置に係
り、とくに半導体レーザ光源の波長変動によって生じる
各種の収差や光の分散等を補正するに好適な光集積回路
と光学装置に関する。

［従来の技術］従来の光通信や光情報装置用等の光学部品は、レン
ズ、プリズム、グレーテイングなどのバルク部品を機械
的に組合せて構成していたので、個々の部品の外形寸法
が大きいため小型化が困難であり、また高価であった。
また、これらを機械的に組合せた光学装置は長時間の使
用に対して部品間の位置ずれを生じるため信頼性が劣る
という問題もあった。

近年はこれらの問題を解決するために、単一の基板上
に発光素子、受光素子、導波路形（薄膜形）レンズやグ
レーテイング等の光学素子を集積化して大幅に小型化、
低コスト化し、また信頼性を向上することのできる光集
積回路（光IC）が検討されている。

上記光学素子の中で光導波路に光を入射したり出射さ
せたりするためのグレーテイングカプラ（一種の導波路
形回折格子）はキーデバイスの一つであり、その具体的
な設計方法に関しては1972年発行のAppl.Opt.誌、第11
巻、第10号のJ.H.Harris,et al著「Theory and Design
of Periodic Couplers」、および、1977年発行のAppl.P
hys.誌、第14巻のT.TamirおよびS.T.Peng著「Analysis
and Design of Grating Couplers」に論じられており、
また、特開昭60−248245号公報および特開昭61−296540
号公報にはその光デイスク装置用光ヘツドへの適用例が
開示されている。

第22図は従来装置における光導波路よりの出射光を光
デイスクに照射する部分を説明する図である。

光集積回路基板１の表面部の光導波路４内を進行する
導波光７はグレーテイングカプラ３により回折されて角
度A00方向に曲げられてプリズム２を介して出射し、ミ
ラー30により反射され対物レンズ９により集束後、光デ
イスク10に照射されるようになっていた。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術においては、グレーテイングカプラ３の
回折角A00が導波光７の波長に依存して変化するので、
複数の波長成分を含む半導体レーザを光源とする場合に
は回折角A00に広がりが生じ、このため光デイスク10に
対する照射光を十分に収束出来ないという問題があっ
た。

さらに、半導体レーザには温度変動その他の原因によ
って発振モードが変化するという性質があり、これによ
り導波光７の波長が変化すると回折角A00が変化して光
デイスク10上の光スポット位置が変動する。この光スポ
ット位置の変動はランダム、かつ瞬時に発生するため、
第22図の各部品を搭載した光ピックアップの位置制御技
術、例えばトラッキング／ジッタサーボ等では追随出来
ないという問題があった。

さらに、半導体レーザ光を光導波路４に入射する場合
には、光導波路４への入射角が狭い範囲に限定されるた
め波長の広がりを有する半導体レーザ光のマルチモード
発振のレーザ光の一部のみしか入射することが出来ず、
このため入射結合効率が低いという問題があった。

本発明の目的は、上記各問題点を改善した光学素子お
よび光学式情報処理装置を提供することにある。

さらに、表面弾性波や音響光学偏向器により導波光を
高速に偏向して高速アクセスする光学式情報処理装置に
おいて、上記波長変動の影響を低減してトラッキングサ
ーボおよびフォーカシングサーボ範囲を広げることので
きる光ヘッドを提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するため、本発明に係る光ヘッド装置
の構成は、基板上に光導波路と、該光導波路内にレーザ
光を導波する第１の回折格子であるグレーティングカプ
ラと、前記基板上のレーザ光出射部に第２の回折格子で
あるエシュレット型回折格子を設け、上記グレーティン
グカプラより出射されたレーザ光の波長変動に基づく出
射角の分散を前記エシュレット型回折格子により補償す
るようにしたことを特徴とするものである。

前項において、上記光導波路のレーザ光の波長がλ_１
ないしλ_２の範囲に分布するときに、上記波長λ_１と波
長λ_２の平均値に対してブラッグ条件を満たすようにグ
レーティングカプラの格子間隔Λを設定したことを特徴
とするものである。

前項いずれかにおいて、前記光導波路上に表面弾性波
を発生して該光導波路内のレーザ光を前記光導波路外に
出射する光偏向器を設けたことを特徴とするものであ
る。

前項いずれかにおいて、前記レーザ光出射部と前記エ
シュレット型回折格子の光入射部にそれぞれプリズムを
設けたことを特徴とするものである。

前項いずれかにおいて、前記エシュレット型回折格子
が回折して出射する光を集光して情報記録担体上に照射
する対物レンズを備えたことを特徴とするものである。

前項において、前記基板を固定し、前記エシュレット
型回折格子と前記対物レンズを移送可能な移送台上に取
付けるようにしたことを特徴とするものである。

前項のいずれかにおいて、前記情報記録担体上に照射
された光の反射光のうち、前記エシュレット型回折格子
により回折されて前記基板へ入射され、さらに前記グレ
ーティングカプラもしくは前記光偏向器により回折され
る前記反射光成分を受光して回折するホログラム部と、
該ホログラム部からの回折光を受光する光検出器とを前
記基板上に設けたことを特徴とするものである。

前項いずれかにおいて、前記レーザ光入射部にエシュ
レット型回折格子を設け、前記エシュレット型回折格子
により前記レーザ光の波長変動による前記基板への該レ
ーザ光の入射角変動を補償するようにしたことを特徴と
するものである。

前項において、前記エシュレット型回折格子をプリズ
ムを介して前記基板に取り付るようにしたことを特徴と
するものである。

本発明に係る光ヘッド装置の他の構成は、基板上に光
導波路と、該基板上の前記レーザ光入射部に第１のエシ
ュレット型回折格子と、該光導波路内にレーザ光を導波
する第１の回折格子であるグレーティングカプラと、該
光導波路内のレーザ光を当該光導波路外に出射する第２
のグレーティングカプラと、基板上のレーザ光出射部に
第２の回折格子であるエシュレット型回折格子を設け、
前記入射レーザ光の波長変動による該レーザ光の前記基
板の入射角変動を低減すると共に、前記第２のグレーテ
ィングカプラより出射されたレーザ光の波長変動に基づ
く出射角の分散を前記エシュレット型回折格子により補
償するようにしたことを特徴とするものである。

前項において、前記光導波路部に表面弾性波を発生す
る光偏向器を設けたことを特徴とするものである。

前項いずれかにおいて、前記第２のエシュレット型回
折格子の回折光を集光して情報記録担体上に照射する対
物レンズを備え、前記情報記録担体上への照射光の反射
光が、前記エシュレット型回折格子により回折されて前
記基板に入射され、前記グレーティングカプラ、もしく
は前記光偏向器により反射された前記反射光成分を受光
して回折するホログラム部と、該ホログラム部からの回
折光を受光する光検出器とを前記基板上に設けたことを
特徴とするものである。

前項いずれかにおいて、該該光導波路内の第１の回折
格子であるグレーティングカプラおよび前記基板上のレ
ーザ光出射部の第２の回折格子であるエシュレット型回
折格子の諸元をレーザ光の波長変動に基づく出射角の分
散を補償するような所定値としたことを特徴とするもの
である。

［作用］以上のように構成した本発明の光ヘッド装置は、基板
上の光導波路からグレーティングカプラまたは表面弾性
波利用の光偏向器により出射されるレーザ光の多波長化
ならびに波長変動による出射角変動等をエシュレット型
回折格子により補償して出射光束の平行度を高め、同時
に光路を変換するとともに出射光束の幅を広げ、これを
対物レンズにより微細な光スポットに集光する。

さらに、上記エシュレット型回折格子と対物レンズと
を移送台により移動して、光スポットを光ディスク上の
所定の位置に移動する。

さらに、光ディスク等の情報記録担体からの反射光強
度を上記基板に設けたホログラム部と光検出器により検
出する。

さらに、上記基板の上記レーザ光入射部に設けた他の
エシュレット型回折格子により上記入射レーザ光の多波
長化ならびに波長変動による適正入射角からのミスマッ
チを低減する。

［実施例］以下、本発明の各実施例について順次説明する。

第１〜14図は光導波路より出射する光の波長変動を補
償して光デイスクに照射する本発明の実施例に関する
図、第15〜21図はレーザダイオードからの入射光を効率
的に光導波路に入射することのできる本発明の実施例に
関する図である。

以下、上記図面の順序に従って本発明の実施例を順次
説明する。

第１図は光導波路よりの光を対物レンズを経由し光デ
イスク面に結像するための本発明実施例の断面図であ
り、この部分は光集積回路において最も重要な部分の一
つである。

基板１上に形成した光導波路４内の導波光７はグレー
テイングカプラ３により基板１内に解析された後、プリ
ズム２で屈折して例えば実線で示す光71のように空気中
に出射する。プリズム５に入射された光71はプリズム５
に貼り合わされた色収差補正機能を有するエシュレット
型回折格子８により回折されてプリズム５より出射し、
対物レンズ９により集光され光デイスク10上にスポット
像を結ぶ。

周知のようにグレーテイングカプラ３における回折角
は光の波長に依存して変化する。プリズム２および５に
おける屈折角も同様に光の波長に依存して変化する。上
記回折角と屈折角等の分散が加算されるので光71は広が
りをもってエシュレット型回折格子８へ入射する。

本発明では上記エシュレット型回折格子８により上記
入射光の分散を補償して回折させ、対物レンズ９に平行
光を入射するようにする。これにより光デイスク10上に
は最も微細な光スポットを結像させることができるので
ある。

上記分散された光成分の全てが上記光スポット内に結
像されるので、光エネルギの無駄がなく高い光利用効率
を得ることができる。また、光の波長が変化しても光ス
ポット位置が変化しないので、レーザダイオードの発振
モード変化により上記光スポット位置が変動することが
ない。

以下、上記エシュレット型回折格子８が行う上記入射
光波長変動の補償に関する計算式について説明する。な
お、下記の計算式に用いる記号を第２図にまとめて示し
た。

（１）入射角，出射角，回折角，屈折角の算出式 A10＝π/2−θ−A00 ……（２） A30＝A20−δ＋θ ……（４） A40が基板面に対して水平となる条件； A40＝π/2−δ 故に δ＝π/2−A40 ……（６） A50＝π/2−ω１ ……（７） A60H＝A50−A60＝π/2−ω１−A60 ……（９） α＝π−（ω１＋ω２−A60）＝π/2−ω２＋A60H ……（10） sinα−sinβ＝λ/D/Ng 故に sinβ＝sinα−λ/D/Ng ……（11）プリズム５に対して垂直に出射する条件； β＝ω２ ……（12）ブレーズ角BA,エシュレット型回折格子の色収補正グ
レーテイングでの回折前後のビーム幅の比Bexは下式で
表わされる。

BA＝（α−β）/2 ……（13） Bex＝cosβ/cosα ……（14）（２）波長依存性，即ち各角度のλに関する微分係数の
算出式；（イ）dA00/dλを求める（１）式より（ロ）dA10/dλを求める。

（２）式より（ハ）dA20/dλを求める（３）式よりｄ（Ns・sinA10）＝dNs・sinA10＋Ns・ｄ（sinA10）
……（19）（ニ）dA30/dλを求める（４）式より（ホ）dA40/λを求める（５）式より（ヘ）dA50/dλを求める幾何学的関係より（ト）dA60/dλを求める（８）式より（チ）dA60H/dλを求める（９）式より（リ）ｄα/dλを求める（10）式より（ヌ）ｄβ/dλを求める（11）式より色収差補正用のエシュレット型回折格子８およびその
他の角度パラメータは上記式（34）よりｄβ/dλ＝０と
なる条件を求めて設計することが出来る。

Λs,N,Ns,Ng,dN,dNs,dNg等を与え、任意のθに対する
δを求め、次に任意のω１に対するＤおよびω２を求め
るようにする。上記θとω１はある程度自由に選択する
ことができる。上記の計算には２分割法その他の数学的
手法が適用できる。

また、上記dN,dNs,dNg等の屈折率の分散値には適切な
値を用いる必要があり、これがいい加減な値であると正
しい設計値が得られない場合が多い。

式（11）はブラッグ条件を示すものである。レーザ光
の波長分布範囲がλ（１）〜λ（２）であるときλはこ
の範囲内の値になるが、λ（１）とλ（２）の平均値に
相当する波長λが上記ブラック条件を満たすようにする
ことが本発明にとっては重要である。換言すればブラッ
グ条件の近傍で回折が起こるようにすると強い強度の光
が得られるのである。

第３図および第４図は上記計算式を用いてコンピュー
タにより反復計算を収斂させて得られた解の一例であ
る。

基板１としてＹカット面を用いたLiNbO₃結晶を用い、
その表面に金属Tiを拡散させて屈折率を増加させて光導
波路７を設ける。また、光導波路７上にTiO₂によりグレ
ーテイングカプラ３を形成し、基板１の端面にはBK7ガ
ラスのプリズム２を貼りあわせる。

なお、基板１には石英、SiO₂系ガラス、誘導体結晶等
を、また、光導波路７にはSiO₂系ガラス層、金属拡散
層、カルコゲナイドガラス層、TiO₂層,ZnS層等を用いる
ことができる。

第１図において、導波光はTE0の伝搬モードで伝搬さ
れ、光導波路７はグレーテイングカプラ３により回折さ
れてプリズム２に入射した後、基板面に対して平行に出
射される。エシュレット型回折格子８はガラス基板面上
に高分子材料のグレーテイングを形成し、その上に金属
膜を塗布して作成する。このエシュレット型回折格子８
はBK7ガラスのプリズム５に固定される。エシュレット
型回折格子８にて回折されたレーザ光はプリズム５にて
屈折し、対物レンズ９で集光され、光ディスク10の面上
に焦点を結ぶ。

なお、エシュレット型回折格子８のグレーテイング形
成用材料としては、この他にSiO₂ガラス、高分子化合物
等を、また、プリズム用にはSiO₂系ガラスを用いること
ができる。

このように、本発明では光学素子や光導波路、グレー
テイング等の薄膜光学素子等に一般的に用いられている
材料を全般的に使用でき、半導体製造用のリソグラフィ
技術や真空技術により各素子を製造することが出来る。

第３図の実施例１では、グレーテイングカプラ３の格
子間隔Λは1.5μｍ、対物レンズ９の焦点距離は5mm、半
導体レーザの中心波長λ（０）は0.785μｍであり、波
長λ（０）に対する光導波路７の実行屈折率Ｎは2.185
8,基板及びプリズム２の屈折率Ns,Ngはそれぞれ、2.176
76および1.51134である。また、上記N,Ns,Ng等の分散係
数はdN＝−0.1135,dNs＝−0.1135,dNg＝−0.021154であ
る。基板１の切断角θを36度として上記計算式によりエ
シュレット型回折格子を設計した結果、格子間隔Ｄの適
正値として1.474μｍという値を得た。このときのブレ
ーズ角BAは17.78度、角度の諸元はα＝72.55度、β＝3
6.99度、δ＝16.76度、ω１＝40.00度、ω２＝36.99度
であった。

上記設計における回折角の波長依存性ｄβ/dλの値は
極めて小さいため、波長λが変化しても光の出射角は殆
ど変化しない。たとえば、波長λが0.80μｍに変化した
場合でも上記ｄβ/dλは−0.0887という小さな値であ
り、これはエシュレット型回折格子がない従来装置の値
の1/100以下の値である。このため、波長変動により光
デイスク面上の光スポット位置の変動は殆ど無視できる
程度に小さくなり、光ディスクに記録された情報の読み
飛ばしが発生しなくなるのである。

第３図及び第４図の本発明実施例２、３、４等はグレ
ーテイングカプラ３の格子間隔Λをそれぞれ３、５、７
μｍとした場合である。設計諸元は上記Λの値に依存
し、Λが大きいほど上記ｄβ/dλの値は小さくなり、光
ディスク面上の光スポット位置の波長依存性も小さくな
る。何れの場合にも、エシュレット型回折格子の導入に
より上記ｄβ/dλが従来装置の場合に較べて1/100以下
に小さくできるのである。

第５図は上記第１図に示した本発明実施例における光
の波長変化に対する光スポットの位置変動量を第20図に
示した従来装置と比較して示す図である。従来装置では
特性線IIに示すように波長λが中心波長λ（０）＝0.77
8μｍより0.001μｍ程度低くなると光スポットの位置変
動量Δｘは0.5μｍ以上となるのに対し、本発明装置で
は特性線Ｉに示すように、同じ波長変化に対するΔｘは
略0.01〜0.02μｍ程度である。これより、本発明により
光スポットの位置変動量を従来比で1/50ないし1/25に低
減できることがわかる。

第６図は第１図におけるプリズム２と５を省略した本
発明の他の実施例を示す図である。

前記の計算式（１）〜（34）において、Ng＝１、dNg
＝０とおき、同様の手順で設計することができる。

第７、８図の実施例５〜８欄は第６図の設計諸元の一
例を示すものである。実施例５〜８はプリズムを用いた
前記実施例１〜４に較べ同一の格子間隔Λに対するｄβ
/dλの値が若干大きくなっているものの、同様にΛが大
きいほど上記ｄβ/dλの値は小さく、光ディスク面上の
光スポット位置の波長依存性も小さくなる。何れの場合
にも、エシュレット型回折格子の導入により上記ｄβ/d
λが従来装置の場合に較べて1/100以下に小さくでき
る。

第１図において、基板１の切断角θとプリズム５の頂
角ω１等を必要に応じて変えることができる。

第９図に示した実施例10は頂角ω１を90度とした場
合、また、実施例11は最少のｄβ/dλが得られるように
λ（０）におけるｄβ²/dλ^２が最小となる条件を求め
て設計した場合である。

第10図はΛ＝３μｍにおけるθ、ω１、ｄβ²/dλ^２
間の関係を示すもので、θとω１を最適化することによ
りｄβ²/dλ^２をゼロとする条件が得られることがわか
る。

第９図の実施例11は上記第10図にもとずいて設計した
結果であり、θ＝32.5度、ω１＝23.0度、Ｄ＝4.731μ
ｍにおいてｄβ/dλ＝−0.0001という極めて小さな値が
得られている。これにより、グレーテイングカプラ３に
おいて生じる色収差はほぼ完全に除去することができ
る。

第11図はグレーテイングカプラ３の代わりに弾性表面
波（SAW）素子を用いた本発明の他の実施例を示す図で
ある。ＸカットのLiNbO₃基板１の表面をプロトン交換し
てその屈折率を上昇させて光導体波路４を形成し、その
上にアルミニウム薄膜のクシ型電極11を設け、これに10
0〜1000MHzの高周波信号を印加し光導体波路４にSAWを
発生させて導体光７を回折させる。

上記高周波信号の周波数を変えることにより格子間隔
Λを等価的に変化させ、回折角を変えることができるの
で、出射光を高速に偏向することができる。したがって
これを光ディスク用の光ヘッドに用いてそのアクセス時
間を短縮することができる。

グレーテイングカプラ３を用いる場合と同様に波長変
化により回折角が変化するが、この変化はエシュレット
型回折格子８により同様に取り除くことが出来る。

第12図は上記第11図に対する設計諸元の一例を示す図
である。上記他の本発明実施例と同様に極めて低いｄβ
/dλの値が得られている。

第13図は光デイスク10より反射された信号光の強度を
検出するための信号検出用光素子を基板１内に集積した
本発明の実施例を示す図である。反射光強度を検出する
ことにより、入射レーザ光の強度を適正値に制御するこ
とができる。

上記信号検出用光素子はホログラム20とホトダイオー
ド21（光検出器）により構成される。光デイスク10より
反射された信号光は基板１の表面で反射してホログラム
20に入射し、さらに、反射してホトダイオード21に入射
する。したがって、ホトダイオード21により光デイスク
10に記録された情報を読み取り、あるいは光デイスク10
に記録する情報を検出することができる。従来装置のよ
うにこれらの情報を検出するための素子を別途設ける必
要がなく、基板１内に集積して小型化することが出来る
のである。

第13図において、グレーテイングカップラ３の受容角
は通常小さいので基板１に入射する上記反射光は光導波
路４内に導波することができず、図示のように基板１の
表面で反射してホログラム20に入射する。また、ホログ
ラム20のパターンは反射光がホトダイオード21上に焦点
を結ぶように設計する。

なお、第13図では反射光をグレーテイングカップラ３
では反射するようにしたが、第11図に示した弾性波12の
発生部分も同様に反射するので、上記ホログラム20やホ
トダイオード21等を第11図の基板上に設けて反射光強度
を同様にして検出することができる。

ここで、反射光13がホログラム20にて発生する色収差
は、グレーテイングカップラ３にて発生する色収差と類
似するのでエシュレット型回折格子８により同様にして
除去することができる。

光ディスク装置では光ディスク上の信号パターンを正
しく追尾するためにトラッキング、ジッタ等のサーボが
かけられる。

第14図（ａ）はこのようなサーボを行うために、エシ
ュレット型回折格子８と対物レンズ９を他の部分から分
離し、ベアリング22等により移動可能とする本発明の実
施例を示す図である。同図（ｂ）と（ｃ）は上記エシュ
レット型回折格子８にプリズム51または52を取付けた場
合である。

上記の構成ではエシュレット型回折格子８と対物レン
ズ９のみを移動するので可動部の質量を小さくでき、光
ディスク10に照射する光スポットの位置を高速に制御す
ることができる。

また第14図より明らかなように、エシュレット型回折
格子８面の取付角Ｃを90度より小さくすると入射光の幅
１に対して出射光の幅Ｌを拡大することができる。第22
図に示した従来装置のようにミラー30により入射光を90
度曲げる場合には入射光の幅１と出射光の幅Ｌは等しく
なり、Ｌを広げることが出来ない。周知のように、出射
光の幅Ｌが広いほど対物レンズ９により鋭く絞られた光
スポットが得られる。また、角度Ｃが小さければ光ヘッ
ドを薄型にすることが出来る。本発明ではエシュレット
型回折格子８を用いるので、角度Ｃを小さくして光ヘッ
ドを薄型にしたうえ、光路を90度曲げて微細な光スポッ
トを得ることができるのである。

幅Ｌと幅ｌの比L/lの値はエシュレット型回折格子８
への入射角αと同回折角βにより定まり、 L/l＝cosβ/cosα となる。第１〜13図にて説明した本発明の各実施例にお
いては上記L/lの値は1.5〜２となっている。

また、上記回折角βはエシュレット型回折格子８の格
子間隔Ｄに依存し、格子間隔Ｄはグレーテイングカプラ
３の格子間隔Λに関係する。したがって、ビーム幅を拡
大するにはこれらの諸元を適宜設定すればよいことにな
る。

第15〜21図は半導体レーザ光を入射させる場合に入射
効率を改善する本発明の実施例を説明する図である。

第15図において、半導体レーザ14の出射光16はコリメ
ートレンズ15によりコリメートされてプリズム６に入射
し、エシュッレット型回折格子81にて回折され、プリズ
ム６と基板１の界面で屈折しグレーテイングカプラ３に
より光導波路４内に導かれる。

第16図は第15図の上面図である。第15図では説明の都
合上拡大して示されてエシュッレット型回折格子81は実
際には相対的に第16図に示すような大きさになる。

エシュレット型回折格子81の代わりにミラーを用いる
と半導体レーザ14の波長変化に伴ってグレーテイングカ
プラ３への入射角が変化しないため入射効率が著しく低
下するのであるが、エシュレット型回折格子81を用いる
と上記入射効率の低下を防止することができるのであ
る。

以下、上記エシュレット型回折格子81に関する設計計
算式について説明する。なお、下記の計算式に用いる記
号を第17図にまとめて示した。

（１）入射角，出射角，回折角，屈折角の算出式 αＩ＝ω2I ……（35） sinαＩ−sinβＩ＝λ/D/Ng ……（36） A20I＝−θＩ＋ω2I＋βＩ ……（37） A10I＝sin¹（ng/ns）sinA20I ……（38） A00I＝π/2−（θＩ＋A10I） ……（39）（２）波長依存性，即ち各角度のλに関する微分係数の
算出式ｄαI/dλ＝０ ……（40）ｄβI/dλ＝（1/D）（Ng−λdNg）／（Ng²cosβＩ） ……（41） dA20I/dλ＝−ｄβI/dλ ……（42） dA10I/dλ ＝｛dNg・sinA20I＋（dA20I/dλ）（Ng/cosA20I）Ns −dNs・NgsinA20I｝／（Ns²cosA10I） ……（43） dA00I/dλ＝dA10I/dλ ……（44）第18図は上記の計算式を用いてコンピュータによりdA
00I/dλ＝０となるように計算を収斂させて得られた解
の一例である。

第18図の実施例15は第15図に示したグレーティングカ
プラ３の格子間隔Λを３μｍ、半導体レーザ14の中心波
長λ（０）を0.785μｍ、プリズム６の頂角θＩを36度
として計算し、αＩ＝21.80度、βＩ＝ω2I＝53.54度、
およびエシュレット型回折格子81の格子間隔Ｄとして1.
200μｍという結果を得たものである。

上記実施例15の光学素子を試作したところ、第19図に
示すように結果を得た。

エシュレット型回折格子を用いない従来装置の場合、
波長λが中心波長λ（０）＝0.785μｍから±0.001μｍ
ずれると、入射レーザ光の光導波路４への結合を良さを
示す規格化入射効率ηは殆どゼロにまで低下するのに対
し、本発明の場合は波長λが±0.01μｍずれても上記η
の劣化は無視できる程度に少ないことがわかる。

また、半導体レーザ14の中心波長λ（０）を0.785μ
ｍから0.8μｍにシフトしてもレーザ光は0.785μｍの場
合と同様にグレーティングカプラ３に良好に結合され、
光導波路４に導波することが確認できた。

入射角θＩが最適値から100分の１度ずれると上記入
射効率ηは1/3程度に低下する。従来装置の場合、上記
波長λ＝0.8μｍのときの入射角θＩのずれは0.709度と
なるので入射効率ηはほぼ完全にゼロとなる。これに対
して本発明の場合はの同入射角θＩのずれは0.0016度と
極めて少ない値なので入射効率ηの低下を生じないので
ある。

第18図に示した実施例16は入射角θＩを60度に設定し
た場合であり、波長λが0.785μｍから0.8μｍに変化し
たときの入射角θＩのずれは0.0011度と実施例15に較べ
てさらに小さな値が得られる。したがって、波長λの変
動による入射効率ηの低下は更に少なくなるのである。

第20図は第15図におけるプリズム６を除去した本発明
の実施例を示す図であり、式（35）〜（44）を用いた第
15図の場合と同様の設計により、半導体レーザの波長シ
フトにより生じる悪影響を除去することが出来る。

第21図は第15図におけるプリズム６とコリメータレン
ズ15とを除去した本発明の実施例を示す図であり、半導
体レーザ14の発散光をグレーティングカプラ３に直接結
合させるためにエシュレット型回折格子81のパターンを
変更することにより設計式（35）〜（44）を用いること
ができ、同様に半導体レーザの波長シフトにより生じる
悪影響を除去することが出来る。

上記各本発明の実施例においては、第１〜14図は光ヘ
ッド装置のレーザ光出射部に関するものであり、第15〜
21図は光ヘッド装置のレーザ光入射部に関するものであ
った。このように入射部と出射部とを別個に説明したの
は説明の都合によるためであり、実際には上記本発明の
レーザ光入射部と同出射部と一体化して光ヘッド装置を
構成しても良いことは勿論である。

エシュレット型回折格子には反射型と透過型がある
が、本発明には得られた波長範囲内で高い回折効率が得
られ、また、第１図や第15図等に示したように光路変換
ができること等の理由により反射型が適している。

また、上記本発明に用いた各エシュレット型回折格子
はルーリングエンジンを用いた周知の方法により製作す
ることができる。たとえば、金属基板あるいはガラス基
板上にアルミニウム等の金属膜を形成し、ダイアモンド
バイト等の工具を用いた加工により所定のパターンを形
成し、次いでこれをスタンパとして紫外線硬化樹脂等の
高分子材料を用いガラス基板上にレプリカをとり、その
上にアルミニウム等の反射膜を形成するようにする。こ
の際、ダイアモンドバイト工具で加工するスタンパの断
面形状は回折効果の点で三角形状が望ましく、その角度
は式（13）より求めるようにする。

このようにして製作したエシュレット型回折格子はエ
ポキシ、アクリル等の接着剤によりプリズムや基板等に
容易に貼りあわせることが出来る。

エシュレット型回折格子はこの他にイオンビーム加工
により製造することができる。所定間隔の高分子レジス
トパターンをガラス基板に形成後、イオンンビームを斜
め方向から照射して上記三角形パターンを形成する。こ
のパターン上にアルミニウム等の反射膜を形成するよう
にする。

この他エシュレット型回折格子は、金型を用いてプラ
スチック成形後、あるいは金属ブロックを直接加工する
ことによっても製作することができる。

［発明の効果］本発明によれば、上記光導波路外に出射されるレーザ
光のマルチモード発振（多波長化）や、レーザ光の波長
変動により生じる上記出射角の変動等をエシュレット型
回折格子が補償するので、幅広で平行度の良いレーザ光
を出射することができ、これにより微細な光スポットが
得られるので、光デイスクその他の光情報記録単体にS/
N良く情報を記録し、また記録された情報をS/N良く読み
だすことができ、さらに上記光スポットの位置変動を抑
圧することができる。

さらに、表面弾性波利用の光偏向器により上記レーザ
光を上記光導波路外に出射し、同時にその出射角を制御
するので、上記光スポットの位置を制御することができ
る。。

さらに、移送台により上記エシュレット型回折格子と
対物レンズを移動するので、上記光スポットの位置を光
デイスク、記録紙等の情報記録担体上の所定の位置に移
動することができる。

さらに、上記情報記録担体からの反射光強度を検出す
ることができるので、これにより入射光強度を適正に制
御することができる。

さらに、上記基板のレーザ光入射部に設けたエシュレ
ット型回折格子により、上記入射レーザ光の多波長化、
波長変動等による入射角変動を低減し、上記レーザ光の
入射効率を向上することができる。

さらに、上記レーザ光入射部のエシュレット型回折格
子をプリズムにより上記基板に結合して一体化できるの
で、相対的な位置変動を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第６図、第11図、第13図はそれぞれ光集積回路
からのレーザ光出射に係る本発明実施例の構成を示す
図、第２図、第17図はそれぞれ本発明実施例と計算式に
用いる記号を説明する図、第３図、第４図、第７〜９
図、第12図はそれぞれ光集積回路からのレーザ光出射に
係る本発明実施例の設計諸元を示す図、第５図、第10図
はそれぞれ光集積回路からのレーザ光出射に係る本発明
実施例の特性図、第14図は本発明実施例の可動型エシュ
レット型回折格子の概念図、第15図、第16図、第20図、
第21図はそれぞれ光集積回路へのレーザ光入射に係る本
発明実施例の構成を示す図、第18図は光集積回路へのレ
ーザ光入射に係る本発明実施例の設計諸元を示す図、第
19図は光集積回路へのレーザ光入射に係る本発明実施例
の特性図、第22図は光集積回路からのレーザ光出射に係
る従来装置の構成を示す図である。１……基板、２、５、６……各プリズム、３……グレー
ティングカプラ、４……光導波路、７……導波光、８、
81……各エシュレット型回折格子、９……対物レンズ、
10……光ディスク、11……クシ型電極、12……弾性波、
13……反射光、14……半導体レーザ、15……コリメート
レンズ、16……レーザ光、20……ホログラム、21……ホ
トダイオード、22……ベアリング、30……ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川本和民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)発明者伊藤顕知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)発明者芝正孝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)発明者有本昭東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開昭62−36753（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−117511（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−5309（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−97104（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に光導波路と、該光導波路内にレー
ザ光を導波する第１の回折格子であるグレーティングカ
プラと、前記基板上のレーザ光出射部に第２の回折格子
であるエシュレット型回折格子を設け、上記グレーティ
ングカプラより出射されたレーザ光の波長変動に基づく
出射角の分散を前記エシュレット型回折格子により補償
するようにしたことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項２】請求項１において、上記光導波路内のレー
ザ光の波長がλ_１ないしλ_２の範囲に分布するときに、
上記波長λ_１と波長λ_２の平均値に対してブラッグ条件
を満たすようにグレーティングカプラの格子間隔Λを設
定したことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項３】請求項１、２のいずれかにおいて、前記光
導波路上に表面弾性波を発生して該光導波路内のレーザ
光を前記光導波路外に出射する光偏向器を設けたことを
特徴とする光ヘッド装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、前
記レーザ光出射部と前記エシュレット型回折格子の光入
射部にそれぞれプリズムを設けたことを特徴とする光ヘ
ッド装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかにおいて、前
記エシュレット型回折格子が回折して出射する光を集光
して情報記録担体上に照射する対物レンズを備えたこと
を特徴とする光ヘッド装置。
【請求項６】請求項５において、前記基板を固定し、前
記エシュレット型回折格子と前記対物レンズを移送可能
な移送台上に取付るようにしたことを特徴とする光ヘッ
ド装置。
【請求項７】請求項５および６のいずれかにおいて、前
記情報記録担体上に照射された光の反射光のうち、前記
エシュレット型回折格子により回折されて前記基板へ入
射され、さらに前記グレーティングカプラもしくは前記
光偏向器により回折される前記反射光成分を受光して回
折するホログラム部と、該ホログラム部からの回折光を
受光する光検出器とを前記基板上に設けたことを特徴と
する光ヘッド装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかにおいて、前
記レーザ光入射部にエシュレット型回折格子を設け、前
記エシュレット型回折格子により前記レーザ光の波長変
動による該レーザ光の前記基板への入射角変動を補償す
るようにしたことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項９】請求項８において、前記エシュレット型回
折格子をプリズムを介して前記基板に取り付けるように
したことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１０】基板上に光導波路と、該基板上の前記レ
ーザ光入射部に第１のエシュレット型回折格子と、該光
導波路内にレーザ光を導波する第１の回折格子であるグ
レーティングカプラと、該光導波路内のレーザ光を当該
光導波路外に出射する第２のグレーティングカプラと、
基板上のレーザ光出射部に第２の回折格子であるエシュ
レット型回折格子とを設け、前記入射レーザ光の波長変
動による該レーザ光の前記基板の入射角変動を低減する
と共に、前記第２のグレーティングカプラより出射され
たレーザ光の波長変動に基づく出射角の分散を前記エシ
ュレット型回折格子により補償するようにしたことを特
徴とする光ヘッド装置。
【請求項１１】請求項10において、前記光導波路部に表
面弾性波を発生する光偏向器を設けたことを特徴とする
光ヘッド装置。
【請求項１２】請求項10および11のいずれかにおいて、
前記第２のエシュレット型回折格子の回折光を集光して
情報記録担体上に照射する対物レンズを備え、前記情報
記録担体上への照射光の反射光が、前記エシュレット型
回折格子により回折されて前記基板に入射され、前記グ
レーティングカプラ、もしくは前記光偏向器により反射
された前記反射光成分を受光して回折するホログラム部
と、該ホログラム部からの回折光を受光する光検出器と
を前記基板上に設けたことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１３】請求項１ないし12のいずれかにおいて、
該該光導波路内の第１の回折格子であるグレーティング
カプラおよび前記基板上のレーザ光出射部の第２の回折
格子であるエシュレット型回折格子の諸元をレーザ光の
波長変動に基づく出射角の分散を補償するような所定値
としたことを特徴とする光ヘッド装置。