JP3551506B2 - 光ディスク装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は情報メモリとしての光ディスクの信号を記録、または再生する光ディスク装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術について、例えば応用光エレクトロニクスハンドブック（監修：野口健一、大越孝敬、昭晃堂発行、１９８９年初版）ｐ．５８９に記載の光磁気ヘッドに基づいて説明する。図１３は従来の光磁気ヘッドの原理構成図を示す。半導体レーザー１から出射する光はコリメートレンズ３３によって平行光となり、ハーフミラー３４に入射し、入射光の７０％が透過して、直線偏光の状態で対物レンズ３５により光ディスク１２の磁気信号面１２Ａに集光する。信号面１２Ａを反射する光は対物レンズ３５を経てその３０％がハーフミラー３４を反射した後、１／２波長板３６により偏光面を一定角だけ回転させて偏光ビームスプリッター３７に入射し、この入射光はほぼ同光量の光に分離されて、それぞれ透過成分は光検出器３８ａに、反射成分は光検出器３８ｂに入射して光量が検出され、それらの差動信号３９が差分回路４０により検出される。
【０００３】
信号面１２Ａを反射する光は、信号面の磁化方向によって偏光面がεまたは−εだけ回転するので、信号の有無（磁化方向の差）によって偏光面は合計２εだけ回転し、この差は差動信号３９の変動として現れる。
【０００４】
対物レンズ３５を透過する戻り光量を１、ハーフミラー３４の反射率をβ、偏光ビームスプリッター３７の透過軸と入射光偏光面のなす角をθとすると、光検出器３８ａで検出される透過成分の光量はβｃｏｓ^２（θ−ε）からβｃｏｓ^２（θ＋ε）に変動するのに対し、光検出器３８ｂで検出される反射成分の光量はβｓｉｎ^２（θ−ε）からβｓｉｎ^２（θ＋ε）に変動し、光検出器３８ａ、３８ｂの差動信号はβ｛ｃｏｓ^２（θ−ε）−ｓｉｎ^２（θ−ε）｝からβ｛ｃｏｓ^２（θ＋ε）−ｓｉｎ^２（θ＋ε）｝に変化する。無信号時には透過成分と反射成分とが同光量であることからｓｉｎ^２θ＝ｃｏｓ^２θがなりたつので、差動信号振幅ΔＳは（数１）で与えられる。
【０００５】
【数１】

【０００６】
この（数１）におけるεの大きさは非常に小さいので、（数１）は（数２）に近似できる。一般には、β＝０．３程度（３０％）であるので、戻り光量で標準化された信号振幅はΔＳ＝１．２εとなる。
【０００７】
【数２】

【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の光磁気ヘッドに於て以下の問題点があった。すなわち、ハーフミラー３４、偏光ビームスプリッター３７は、高精度に研磨されたプリズムにＴｉＯ_２等の高屈折率の膜とＳｉＯ_２等の低屈折率の膜とを決められた膜厚で交互に積層して作製するのでコストが高く、１／２波長板３６も水晶などの結晶を厚み管理しながら研磨し張り合わせて作製するのでコストが高い。また、多数の光学素子を組み合わせるために、調整コストも高く、光ヘッドの大きさも大きくなる。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑み、コストが安く、大きさが小さく、光磁気信号の再生も可能な光ディスク装置を提供することを目的する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の光ディスク装置は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出射するレーザー光の光軸を入射光軸としたとき前記入射光軸と直交する透明基板上に構成された導波層と、前記導波層上または下あるいは前記導波層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上または下あるいは前記道は層内の何れかの領域に前記入射光軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層にほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置された信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面上の信号を再生する装置において、導波層に入射するレーザー光の偏光状態が直線偏光であり、信号面が磁性材料で形成され、光検出器が前記入射光軸を中心とする輪帯の形状をなし、前記直線偏光の方向にほぼ平行な直線とこれに直交する直線で４等分され、その対角位置領域から検出される信号を和算して２組の和信号を得、これらの差分を再生信号とする。
【００１１】
また、第２の光結合手段の位置における導波層の膜厚を厚くするか、導波層または透明基板を形成する媒質に複屈折性を持つものを採用することで、第２の光結合手段の位置において導波光のＴＥモードに対する等価屈折率とＴＭモードに対する等価屈折率の差を０．０００４以下に収まっている。
【００１２】
また、第１の光結合手段と第２の光結合手段の間で前記透明基板上に段差構造があってもよい。
【００１３】
さらに、第２の光結合手段の平均的な半径位置（すなわち第２の光結合手段を外側と内側で等面積に分割する半径位置）において、放射に関わるＴＥモード導波光及びＴＭモード導波光の位相が揃っており、第２の結合手段の内、入射光軸に直交する直線に対し４０±５゜から５０±５゜の角をなす領域からは、信号面へ集光する光を放射しなくてもよい。
【００１４】
さらに、第２の光結合手段の位置において透明基板と導波層の間には第１の金属反射層と第１の透明誘電体層がこの順に積層されていてもよく、第１の光結合手段の位置に相当する導波層の上には第２の透明誘電体層と第２の金属反射層がこの順に積層されていても良い。
【００１５】
また、導波層が第１の高屈折率透明膜と低屈折率透明膜と第２の高屈折率透明膜をこの順に積層されることで構成されていてもよく、この時第１の光結合手段における周期構造は前記低屈折率透明膜上（又は内、又は下）に形成されている。
【００１６】
また、レーザー光源と透明基板との間に１／２波長板を配置してもよく、この１／２波長板によりレーザー光源から出射するレーザー光の電気ベクトルの方向は９０゜だけ回転しており、第１の光結合手段の最外周の形状は楕円状であってもよく、この時第１の光結合手段への入射光の電気ベクトルの方向と楕円形状の長軸方向は一致している。
【００１７】
【作用】
本発明は上記した構成によって、信号面における磁性材料の磁化方向の差が帰還導波光の強度分布（すなわち光検出器上の放射光強度分布）の変化として現れ、対角位置領域の和信号を差分することで、信号面上の磁気信号を電気信号として読みとることができる。
【００１８】
また、ＴＥモードとＴＭモードの等価屈折率の差が小く、ＴＥモード導波光及びＴＭモード導波光の位相も揃っているので、第２の光結合手段が収差の少ない集光素子として機能する。
【００１９】
また、段差構造により導波層が折れ曲がるので、導波光がこの段差部を通過することで導波モードが変化し、第１の光結合手段より帰還導波光を入射光軸方向とは違った方向に放射できる。
【００２０】
また、４０±５゜から５０±５゜の角度をなす領域からの収束光がないことで、集光スポットのサイドローブが分散し、信号トラック上でのサイドローブ振幅が小さいスポットが得られる。
【００２１】
さらに、第２の光結合手段（または第１の光結合手段）より第１の金属反射層（または第２の金属反射層）側に放射する光はこれを反射し、反対側に放射される成分と重なり互いに干渉するので、第１の透明誘電体層（または第２の透明誘電体層）の膜厚を調整することで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損失係数をＴＭモード導波光の放射損失係数の２倍以上、または１／２以下、または等しくなるように設定することができ、磁気信号の再生感度を高めたり、光学系の伝達効率を高める作用をなす。
【００２２】
同じく、第１の透明誘電体層の厚さは、導波層を伝搬するＴＥモードの光は通すがＴＭモードの光はその数割が金属反射層により吸収されるようにも設定でき、この構成でも磁気信号の再生感度を向上させることができる。
【００２３】
さらに、導波層を多層構造にし、その中間層に周期構造を形成することで、放射損失係数設定の自由度を広げることができる。また、第１の光結合手段への入射光の電気ベクトルの方向と楕円形状の長軸方向とは一致しているので、放射損失係数の小さいＴＭモード導波光は長軸に沿った長い結合長で励起され、放射損失係数の大きいＴＥモード導波光は短軸に沿った短い結合長で励起され、ともに高い結合効率での励起がなされる。
【００２４】
【実施例】
以下本発明の第１実施例の光ディスク装置について、図１から図６までを参照しながら説明する。なお従来例と同一の部材には同一番号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２５】
図１は、本発明の第１実施例における光ディスク装置の断面構成図、図２はその多層膜構造の断面構成図、図３は光の伝送経路を示す説明図を示している。
【００２６】
図２に於いて、例えば石英などの透明基板３上にはＡｌやＣｒなどの金属層４が成膜され、軸Ｌを中心とする円形の領域でエッチングされている。金属層４上にはＳｉＯ_２などの透明層５が成膜され、透明層５の表面は同心円状のグレーティング５Ａ、５Ｂが形成されている。透明層５上にはＳｉＮ，ＳｉＯＮやＴａ_２Ｏ_５などの高屈折率の膜で導波層６が形成されており、この導波層６の存在でグレーティング５Ａ、５Ｂはカプラとして機能する。導波層６は、軸Ｌを中心とする円６Ｔ内の領域でエッチングされてこの位置での膜厚が薄い。
【００２７】
この導波層６上にはＳｉＯ_２などの透明層７が成膜され、その上にＡｌやＣｒなどの金属層８が成膜され、金属層８は軸Ｌを中心とする円形の領域を残してそれ以外の領域がエッチングされている。金属層８の上はＳｉＯ_２などの透明層９が成膜され保護層として作用する。なお、導波層６や透明層５、７には屈折率異方性（複屈折）があっても良い。
【００２８】
図１、図２に示すように、半導体レーザー１を出射する光は、１／２波長板１６を透過することで電気ベクトルが９０゜回転し、光軸と軸Ｌが一致した状態で、軸Ｌに沿って透明基板３を通過し、グレーティングカプラ５Ａに入射する。入射光２は直線偏光の状態であり、光軸法平面上での等強度線が楕円状をなしており、その長軸方向に電気ベクトル２ｂの方向が一致する（図３参照）。
【００２９】
グレーティングカプラ５Ａの最外周の形状は、前述の等強度線と相似した楕円状をなしており、方位に応じて結合長が異なっている。カプラ５Ａに入射する光は、全体として中心Ｏ（軸Ｌと導波層６の交点）から外周側に向かう１次モード導波光１０ａを励起する。
【００３０】
また、入射光の内、導波層６を透過する成分は金属層８で反射し、再び導波層６に入射して１次モード導波光１０ａの励起を強める。
【００３１】
透明層５の表面は金属層４のエッチング部の存在により、軸Ｌを中心とする円形の領域で階段構造をなし、導波層６もこの位置で折れ曲がった構造（段差構造６Ｓ）をなす。この段差構造６Ｓを通過することで、１次モード導波光１０ａは、そのほとんどがより安定したモードである０次モード導波光１０ｂに変化し、円６Ｔを境にした導波層の厚膜構造部に移って、０次モード導波光１０ｃの状態でグレーティングカプラ５Ｂより放射される。
【００３２】
放射光の内、金属層４側に放射する成分はこれを反射し、反対側（光ディスク基板１２側）に放射される成分と重なり、互いに干渉して放射光１１ａとなる。カプラ５Ｂのグレーティングピッチは径方向に変調されており、この効果で放射光１１ａは光ディスク基板１２の裏面側にある信号面１２Ａ上の点Ｆに集光する。信号面１２Ａを反射する光１１ｂは、グレーティングカプラ５Ｂに入射して中心Ｏの方向に伝搬する０次モード導波光１３ｃを励起し、入射光の内で導波層６を透過する成分は金属層４を反射して再び導波層６に入射し、導波光１３ｃの励起を強める。導波光１３ｃは円６Ｔを境にした導波層の薄膜構造部、及び段差構造６Ｓに移っても０次モードを維持し（１３ｂ、１３ａ）、０次モード１３ａの状態でグレーティングカプラ５Ａより放射される。この放射光の内、金属層８側に放射する成分はこれを反射し、反対側（光検出器１５側）に放射される成分と重なり、互いに干渉して放射光１４となる。
【００３３】
１次モード導波光１０ａを励起する入射光２が軸Ｌに沿っているのに対し、放射光１４は０次モード導波光からの放射であるので、軸Ｌに対しある角度（ｓｉｎ^−１（Ｎ_０−Ｎ_１）、ただしＮ_０，Ｎ_１は０次、１次モードの等価屈折率）をなす方位に出力する。光検出器１５は、その放射方向に配置されており、軸Ｌを中心とする輪帯の形状をなしている。
【００３４】
図３で示すように、点Ｏを原点としｘ軸を入射光電気ベクトル２ｂの方向、ｙ軸をこれに直交する方向にとると、ｘ軸方向に励起され伝搬する導波光はＴＭモードであり、ｙ軸方向に励起され伝搬する導波光はＴＥモードである。また、ｘ，ｙ軸の間の方位には、ＴＥ，ＴＭモードが合わさった状態で伝搬する（以下、ｘ，ｙ軸に沿った伝搬光について説明をするが、ＴＥ，ＴＭに関する議論はそれ以外の方位についても同様である）。
【００３５】
入射光のＴＭモード導波光への結合の強さは、ＴＥモード導波光への結合の強さに比べ弱いので、結合効率（入力効率）を高めるには、ＴＭモード励起側の結合長をＴＥモード励起側のそれより大きくする必要がある。この条件は、グレーティングカプラ５Ａの最外周の形状を楕円にすることで満足され、ＴＥ，ＴＭモードともそれぞれの最適の結合条件で励起される。
【００３６】
グレーティングカプラ５Ａで励起され、外周側に伝搬するＴＭモード導波光１７ａ、ＴＥモード導波光１８ａは、輪帯状のグレーティングカプラ５Ｂから放射されるが、入力の時と同様、放射光への結合の強さはＴＭモードの方が弱く、結合長の均一なカプラ５Ｂからほとんど全てのＴＥモード光１８ａが放射される場合でも、ＴＭモード光１７ａはその一部１７ｃが放射されずにカプラの領域をすり抜けてしまう。すなわち、カプラ５Ｂからの出力効率はＴＥモードで大きく、ＴＭモードで小さい（例えばＴＥモードで１００％、ＴＭモードで５０％）。
【００３７】
光ディスク信号面１２Ａは集光点Ｆに位置し、この面を反射する光はカプラ５Ｂに入射し、中心Ｏ方向に向かう導波光を励起する。例えば、放射光１７ｂに対する反射光１９ｂはＴＭモードの導波光１９ａを、放射光１８ｂに対する反射光２０ｂはＴＥモードの導波光２０ａを励起する。カプラ５Ｂに於けるこれらの戻り光の入力効率は出力効率と等しく、ＴＥモード励起で大きく、ＴＭモード励起で小さくなる（例えばＴＥモードで１００％、ＴＭモードで５０％）。
【００３８】
なお、ＴＥモード光１８ａからの放射光１８ｂの集光点ＦＢは、ＴＭモード光１７ａからの放射光１７ｂの集光点ＦＡとは異なり、ＴＥモード光１８ａの等価屈折率をＮ_ＴＥ、、ＴＭモード光１７ａの等価屈折率をＮ_ＴＭ、収束光の焦点距離をｆ（＝ＯＦ）とすると、軸Ｌ上で（数３）で示すδの距離をなす。
【００３９】
【数３】

【００４０】
但し、（数３）の係数Ｋは開口により決まり、一般には２．５程度の値をなすので、ｆ＝２ｍｍとするとδ＝５０００（Ｎ_ＴＥ−Ｎ_ＴＭ）μｍである。すなわち、一般にはカプラ５Ｂによる収束光は２重焦点となり、集光性をよくするには少なくても｜δ｜≦２．５λの条件が必要である（ただし、λはレーザーの波長）。この条件はλ＝０．８μｍとして（数４）で表される。
【００４１】
【数４】

【００４２】
また、カプラ５Ｂの位置で（数４）が満たされても、中心Ｏから段差構造６Ｓの間、および段差構造６Ｓから円６Ｔの間では、ＴＥ／ＴＭの等価屈折率差は大きく異なる。このため段差構造６Ｓの径、円６Ｔの径を最適化して、カプラ５Ｂの平均的な半径位置（厳密にはカプラ５Ｂを外側と内側で等面積に分割する半径位置）において、放射に関わるＴＥモード導波光とＴＭモード導波光との位相を揃える必要がある。この時、収束光の最良像点Ｆは集光点ＦＡとＦＢの間に存在し、（数４）の最悪条件（｜Ｎ_ＴＥ−Ｎ_ＴＭ｜＝０．０００４）でも、Ｓｔｒｅｈｌ強度は１割程度の劣化に収まる。最適な６Ｓ、６Ｔの半径ｒ_１，ｒ_２は、カプラ５Ｂの平均的な半径をｒ_３として（数５）を満たす。
【００４３】
【数５】

【００４４】
但し、（数５）は厳密に満たされる必要はなく、右辺が２（ｍ−０．１）πλから２（ｍ＋０．１）πλの範囲に収まればよい。従ってΔ_１、Δ_２が０．０１程度の大きさとすればｒ_１，ｒ_２の精度は±２０πλの誤差が許容でき、半導体プロセスに於けるパターニング精度がサブミクロンのオーダーにあることを考えれば、段差構造６Ｓ、円６Ｔの径の設定は難しい工程ではない。
【００４５】
図４は、本発明の第１実施例における導波層の膜厚と等価屈折率の関係（分散特性）を示す説明図である。同図（ａ）は導波層６の屈折率を１．９０、透明層５および７の屈折率を１．４５とした場合、同図（ｂ）は導波層６に屈折率異方性（複屈折）があり、膜面法線方向の屈折率１．９０５、膜面方向の屈折率１．９００とした場合である。
【００４６】
図４（ａ）のごとく、導波層６に異方性がない場合は、導波層の膜厚２〜３μｍ程度で、ＴＥ０モードとＴＭ０モードとの等価屈折率差を０．０００４以下に抑えることができる。第１実施例で導波層６の中心部は、軸Ｌを中心とする円６Ｔ内の領域をエッチングして膜厚を薄くしたが、カプラ５Ｂを含む円６Ｔ外の領域での膜厚を厚いまま残したのは、この厚膜によるＴＥ／ＴＭモード等価屈折率の近接効果を狙ったためである。
【００４７】
また、図４（ｂ）のごとく異方性がある場合は、導波層の膜厚１μｍ前後で、ＴＥ０モードとＴＭ０モードとの等価屈折率差を０．０００４以下に抑えられ、図４（ａ）の方式に比べ円６Ｔ前後での導波層膜厚差を小さくできるので、この位置での導波損失を小さくできる。異方性がもっと大きい場合は、円６Ｔ内の領域をエッチングして膜厚を薄くする必要がなくなり、作製プロセスをより簡素化できる。
【００４８】
図５は、本発明の第１実施例における伝搬光の強度分布の変化を表す説明図である。縦軸は伝搬光の強度、横軸は伝搬方位（ｘｙ座標に於ける偏角φ）を表す（図３参照）。グレーティングカプラ５Ａで励起される導波光１０ａの強度は、入射光２の等強度線の径に比例するので、曲線２１に示すようにφ＝０゜、１８０゜で極大、９０゜、２７０゜で極小となる。
【００４９】
グレーティングカプラ５Ｂから放射される光の強度は、出力効率がＴＥモードで大きくＴＭモードで小さいので、曲線２２に示すようなほぼ均一な分布にすることができる。
【００５０】
従って、ＴＥモードからの放射光とＴＭモードからの放射光とは強度が等しく、電気ベクトルの位相差もないので、放射光の偏光はｘ，ｙ軸以外の出力位置においても直線偏光となる。
【００５１】
光ディスク信号面１２Ａからの反射光が励起する帰還導波光の強度は、カプラ５Ｂに於ける入力効率がＴＥモードで大きくＴＭモードで小さいので、曲線２３に示すようにφ＝０゜、１８０゜で極小、９０゜、２７０゜で極大となる（αはＴＭ／ＴＥの入力効率比）。
【００５２】
なお、信号面が磁性膜で形成され、磁気信号が存在する場合には、カー効果またはファラデー効果により、光ディスク信号面１２Ａからの反射光の偏光方向が回転し、曲線２４（破線）で示すように帰還導波光の強度分布が変化する。曲線２４は曲線２３に比べ信号面の磁化方向によってεだけ偏角φ方向にシフトした分布であり、磁化方向が反転すれば−εだけシフトした分布になる。
【００５３】
この効果を利用し、帰還導波光の強度分布は、カプラ５Ａより放射され光検出器１５により受光される光の強度分布に等しいので、０゜≦φ≦９０゜、１８０゜≦φ≦２７０゜の領域の光量和と、９０゜≦φ≦１８０゜、２７０゜≦φ≦３６０゜の領域の光量和との差分をとることで、磁化方向の変化に対応する偏角φ方向へのシフトを認識でき、磁気信号の再生が可能になる。
【００５４】
図６は、本発明の第１実施例における光検出器の分割例を示す説明図であり、ｘ，ｙ軸は図３に示したものに対応する。
【００５５】
図６（ａ）のように、ｘ軸、ｙ軸に沿った分割（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を光検出器１５に加え、各対角位置の和信号（Ａ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄ）の差分（Ａ＋Ｃ−（Ｂ＋Ｄ））を考える。図５の曲線２３を関数ｆ（φ）で表すと、磁化方向の反転によって帰還導波光の強度分布は、ｆ（φ−ε）とｆ（φ＋ε）との間を変動する。ここで図５で現れた係数α（ＴＭ／ＴＥの入力効率比）を使ってｆ（φ）を（数６）で表す。
【００５６】
カプラ５Ｂに入射する戻り光量（図５の曲線２２に対応する光量）を１とし、カプラ５Ｂにより入力結合した光が全て光検出器１５により受光されるとして、（Ａ＋Ｃ−（Ｂ＋Ｄ））の差分信号による差動信号振幅ΔＳは（数７）で与えられる。また、εの大きさは非常に小さいので、（数７）は次式に近似できる。
【００５７】
【数６】

【００５８】
【数７】

【００５９】
【数８】

【００６０】
戻り光量で標準化された信号振幅は、α＝０．５とするとΔＳ＝０．７ε、α＝１．０とするとΔＳ＝１．４εとなり、従来例（ΔＳ＝１．２ε）と同レベルの信号感度が得られる。当然、ＣＤ等の凹凸信号や相変化光ディスク等の濃淡信号の再生は全光検出器の和信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）で実現でき、従来通りの信号感度が得られる。この様に、光学系を変えることなく光検出器の信号処理方式を変えるだけで、記録原理の異なる光ディスクの信号を容易に再生できる。
【００６１】
なお、図６（ｂ）はＴＥ（トラッキングエラー）信号検出に対応する光検出器の分割例、図６（ｃ）はＦＥ（フォーカシングエラー）信号検出に対応する光検出器の分割例を示す。光ディスクの回転はｘ軸方向に一致し、図６（ｂ）に於いて差信号（Ａ−Ｂ）によりいわゆるプッシュプル法の原理で、ＴＥ信号が検出できる。また、図６（ｃ）に於いて和信号（Ａ＋Ｃ）は、図３におけるＴＥモード光による集光点ＦＢからの反射による信号であり、和信号（Ｂ＋Ｄ）はＴＭモード光による集光点ＦＡからの反射による信号である。
【００６２】
図３に於いて、信号面１２Ａが点Ｆから点ＦＡに近づくと、反射光１９ｂが入力の位相整合条件に近づき、反射光２０ｂは外れるので、和信号（Ｂ＋Ｄ）は大きく和信号（Ａ＋Ｃ）は小さくなる。反対に点Ｆから点ＦＢに近づくと、和信号（Ｂ＋Ｄ）は小さく和信号（Ａ＋Ｃ）は大きくなる。
【００６３】
従って、（数４）で示した｜Ｎ_ＴＥ−Ｎ_ＴＭ｜の大きさがある一定値に精密に設定できる場合、差信号（Ａ＋Ｃ−ｍ（Ｂ＋Ｄ））によりＦＥ信号が検出できる。なお、帰還光の強度分布は図５の曲線２３に従うので、定数ｍの大きさは一般に１より大きい。また、（ｃ）では中心Ｏを通る２直線でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに等分割したが、ｍ＝１としてＡ，Ｃの交角を広く、Ｂ，Ｄの交角を狭くしても良い。
【００６４】
この様に、本発明の第一実施例は、従来例に於ける多数のレンズ、プリズムの組合せを、透明基板上の多層膜構造に置き換えたものであり、部品点数を大幅に低減できる上、調整作業も少なく、大きな基板の上に膜やグレーティングを一括して形成した後、割断することで大きな量産効果が得られる。また、ミクロンサイズの導波層内で光の集光、分岐が可能となるので大きさの小さい光ヘッドが得られ、光磁気信号の再生も可能である。
【００６５】
光磁気信号再生原理の基本は、ＴＥモード導波光とＴＭモード導波光との差別化にある。図３で説明した実施例では、ＴＥ／ＴＭの差別化がグレーティングカプラ５Ｂによる放射光への結合の強さが、ＴＥ／ＴＭで異なる（ＴＥモードの結合係数がＴＭモードの結合係数より大きい）ことで達成されている。
【００６６】
これ以外にも、様々な差別化の方法が考えられる。図７は本発明の第２実施例における光磁気信号の再生原理を示す説明図であり、その構成は、透明層５の膜厚ｄ_Ｓの大きさを除いて第１実施例と同じである。
【００６７】
一般に、ＴＭモード導波光は、ＴＥモード導波光に比べ近接する金属層に吸収されやすく、図７に於いて透明層５の膜厚ｄ_Ｓを小さくしていくと、ＴＥモード導波光２５は減衰することなく導波層６を伝搬するが、ＴＭモード導波光２６は金属層４により吸収され、減衰の度合いが大きくなる。
【００６８】
仮にカプラ５Ａからカプラ５Ｂに伝搬する間に、ＴＥモード導波光２５は全く減衰しないが、ＴＭモード導波光２６は半分に減衰するとすると、図５の曲線２１に示される強度分布の導波光は、カプラ５Ｂから放射されるときには曲線２２の強度分布に、カプラ５Ｂからの帰還導波光がカプラ５Ａに達したときには曲線２３の強度分布となり、この分布は信号面の磁化方向により曲線２４に変化するので、第１の実施例と同様に光磁気信号の再生が可能となる。
【００６９】
図８は、本発明の第３実施例における光磁気信号の再生原理を示す説明図である。その構成は、導波層とグレーティングに関する構成の違い以外は第１実施例と同じである。第１実施例との相違点のみ説明を加えれば、導波層はＳｉＯ_２などの低屈折率の膜６ｂをＴａ_２Ｏ_５などの高屈折率の膜６ａと６ｃで挟んで構成されており、グレーティングカプラ６Ａは高屈折率の膜６ａ上に成膜された低屈折率の膜６ｂをエッチングして同心円状の周期構造を形成し、この上に膜６ｃを成膜することで形成されている。
【００７０】
この構成で、透明層７の膜厚ｄ_Ｃに対するグレーティングカプラ６Ａの放射損失係数を計算したのが図９であり、波長０．８２μｍ、グレーティングのピッチと深さを０．５５及び０．０６μｍ（グレーティングの形状は正弦波状）、透明層５、７の屈折率を１．４５、導波層６ａ、６ｂ，６ｃの屈折率をそれぞれ２．２、１．４５、２．２、金属層８の光学定数を２．２＋７．５ｉとした。
【００７１】
図９より、ｄ_Ｃ＝１．０９μｍのとき、各導波モードの放射損失係数は、ＴＥ０で２０（１／ｍｍ）、ＴＭ０で０（１／ｍｍ）、ＴＥ１で１２（１／ｍｍ）、ＴＭ１で７（１／ｍｍ）となる。
【００７２】
従って、カプラ５Ａの最外周形状を長軸／短軸＝１２／７の楕円状し、入射光の偏光方向を長軸方向と一致させれば、長軸、短軸方向にそれぞれＴＭ１、ＴＥ１モードの導波光を効率よく励起できる。
【００７３】
一方、０次モードの帰還導波光はＴＥ０モードは全て放射されるが、ＴＭ０モードはほとんど放射されずにカプラ５Ａをすり抜ける。従って帰還導波光の強度分布が図５の曲線２２に示されるものとすれば、カプラ５Ａから放射される光は曲線２３（ただしα＝１）の強度分布となり、この分布は信号面の磁化方向により曲線２４に変化するので、第１の実施例と同様に光磁気信号の再生が可能となる。さらにα＝１の設定が可能なので、信号感度も第１実施例より大きい。
【００７４】
第１実施例でも、透明層７の厚さｄ_Ｃを調整することで、放射光と金属層８からの反射光との干渉の度合いを変えて、ある程度の放射損失係数の設定ができたが、本実施例では導波層を多層構造とし、その中間層にグレーティングを形成することで、放射損失係数の設定の自由度を大幅に広げたものである。
【００７５】
なお、本実施例において、カプラ５Ａの放射損失係数が透明層７の膜厚ｄ_Ｃの関数であったことと同様に、カプラ５Ｂの放射損失係数も透明層５の厚さｄ_Ｓの関数であり、その大きさを適切に設定することで、ＴＥ０とＴＭ０の放射損失係数を一致させ、ＴＥ０、ＴＭ０ともその全てをカプラ５Ｂから放射させることができる。従って、第１の実施例に比べ２倍程度、伝達効率を高めることができる。
【００７６】
また、本実施例に於いて、導波層６ａ、６ｂ，６ｃの仕様（屈折率、膜厚）及び厚さｄ_Ｃを変更することで、ＴＭ１の放射損失係数をＴＥ１モードの放射損失係数より大きくすることも可能で、このとき第１実施例で示した１／２波長板１６は不要となる。
【００７７】
図１０はＴＥ０モードとＴＭ０モードとの等価屈折率差を０．０００４以下に抑えるための、本発明の第４実施例における断面構成図である。その構成は外周部での導波層に関する構成の違い以外は、第１実施例と同じである。
【００７８】
第１実施例との相違点のみ説明を加えれば、外周部（円６Ｔの外周側）での導波層は、ＳｉＯ_２などの低屈折率の膜６ｂをＳｉＮ，ＳｉＯＮやＴａ_２Ｏ_５などの高屈折率の膜６ａと６ｃで挟んで構成されている。
【００７９】
実際のプロセスでは、膜６ａ、６ｂ，６ｃをこの順序で成膜した後、軸Ｌを中心とする中心の円径領域で膜６ｃ、６ｂ、及び６ａの一部をエッチングして作製する。
【００８０】
この構成で、外周部の３層の導波層構造部に於ける分散特性（膜６ａの膜厚と等価屈折率の関係）を計算したのが図１１であり、波長０．８２μｍ、透明層５、７の屈折率を１．４５、導波層６ａ、６ｂ，６ｃの屈折率をそれぞれ１．９、１．４５、２．１、膜６ｂ、６ｃの膜厚を０．１３４、０．２７μｍとした。膜６ａの膜厚が０．６７〜１．０７μｍのときに、ＴＭ０とＴＥ１の等価屈折率差が０．０００４以下とすることができる。
【００８１】
図１２は光ヘッドの集光性能をよくするための、本発明の第５実施例における説明図であり、（ａ）はカプラ５Ｂの形状、（ｂ）は光ディスク信号面での集光スポット等強度分布図を示し、ｘ，ｙ軸は図３のそれに対応する。本実施例はカプラ５Ｂの形状の違い以外は第１実施例と同じであり、同一部についての説明は省略する。
【００８２】
図１２（ａ）に示すように、カプラ５Ｂにおけるｘ軸から４０±５゜から５０±５゜の偏角をなす領域（５ａ）が遮光され（少なくとも点Ｆへの集光には寄与せず）、光の集光はその他の領域（５ｂ）からの放射光によりなされている。
この様な開口形状を採用することで、図１２（ｂ）に示すように、集光スポットのメインローブ３０を取り巻くサイドローブに強弱の分布が現れ、サイドローブが走査トラック３２ａと２つの隣接トラック３２ｂ，３２ｃとの間に押し込まれた形になる。
【００８３】
メインローブ３０の形状は、５ａの開口制限を行う前とほとんど変化せず、走査トラック３２ａ上のサイドローブ強度は弱まっているので、第１実施例に比べ更に光ディスク信号の良好な再生（高感度、低クロストーク、低符号間干渉）が実現できる。なお、本実施例は従来例の如き一般の光学系にも適用できるものである。
【００８４】
なお、以上の実施例で、半導体レーザー１とカプラ５Ａとの間にコリメーターレンズを配置してもよく、また、透明層７、反射層８、保護層９のない構造であってもよい。さらに、各実施例を複合した構成も考えられるが、その効果も複合したものが得られる。
【００８５】
【発明の効果】
以上本発明の光ディスク装置により、透明基板上の多層膜構造でほとんどの光学系を構成でき、部品点数が著しく少なく、光ヘッドの組立がプロセス技術で置き換えられる。量産効果の大きな半導体プロセスとの整合性もあるので、作製コストを安くでき、大きさが小さく、信号処理方式を変えるだけで光磁気信号の再生も可能な光ディスク装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における光ディスク装置の断面構成図
【図２】本発明の第１実施例における光ディスク装置の多層膜構造の断面構成図
【図３】本発明の第１実施例における光ディスク装置の光の伝送経路を示す説明図
【図４】（ａ）は、本発明の第１実施例における導波層の膜厚と等価屈折率との関係を示し、導波層に屈折率異方性が無い場合の一例の説明図
（ｂ）は、同実施例の導波層の膜厚と等価屈折率との関係を示し、導波層に屈折率異方性がある場合の一例の説明図
【図５】本発明の第１実施例における伝搬光の強度分布の変化を表す説明図
【図６】（ａ）は、本発明の第１実施例における光検出器の一分割例を示す説明図
（ｂ）は、同実施例の光検出器の他の分割例の一例を示す説明図
（ｃ）は、同実施例の光検出器の別の分割例の一例を示す説明図
【図７】本発明の第２実施例における光磁気信号の再生原理を示す説明図
【図８】本発明の第３実施例における光磁気信号の再生原理を示す説明図
【図９】本発明の第３実施例における膜厚ｄ_Ｃとカプラ６Ａの放射損失係数の関係を示す説明図
【図１０】本発明の第４実施例における断面構成図
【図１１】本発明の第４実施例における膜６ａの膜厚と等価屈折率の関係を示す説明図
【図１２】（ａ）は、本発明の第５実施例におけるカプラ５Ｂの形状の一例を示す説明図
（ｂ）は、同実施例の集光スポット等強度分布を示す一例の説明図
【図１３】従来例に於ける光ディスク装置の原理構成図
【符号の説明】
１ 半導体レーザー
２ 入射光
３ 透明基板
４、８ 金属層
５、７、９ 透明層
５Ａ、５Ｂ 同心円状のグレーティングカプラ
６ 導波層
１０ａ、１０ｂ，１０ｃ 導波光
１１ａ 放射光
１１ｂ 反射光
１２ 光ディスク基板
１２Ａ 信号面
１３ａ、１３ｂ，１３ｃ 帰還導波光
１４ 帰還放射光
１５ 光検出器
１６ １／２波長板

Claims (12)

1. レーザー光源と、前記レーザー光源から出射するレーザー光の光軸を入射光軸としたとき前記入射光軸と直交する透明基板上に構成された導波層と、前記導波層上または下あるいは前記導波層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上または下あるいは前記導波層内の何れかの領域に前記入射光軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層にほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置された信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面上の信号を再生する装置において、前記導波層に入射するレーザー光の偏光状態が直線偏光であり、前記信号面が磁性材料で形成され、前記光検出器が前記入射光軸を中心とする輪帯の形状をなし、前記直線偏光の方向にほぼ平行な直線とこれに直交する直線とで４等分され、その対角位置領域から検出される信号を和算して２組の和信号を得、これらの差分を再生信号とすることを特徴とする光ディスク装置。
2. 前記第２の光結合手段の位置における導波層の膜厚を厚くし、ＴＥモードに対する等価屈折率とＴＭモードに対する等価屈折率との差を０．０００４以下に収めることを特徴とする請求項１に記載の光ディスク装置。
3. 前記導波層または前記透明基板何れかを形成する媒質は複屈折性を持ち、この複屈折の作用で前記第２の光結合手段の位置において、導波光のＴＥモードに対する等価屈折率とＴＭモードに対する等価屈折率との差を０．０００４以下に収めることを特徴とする請求項１に記載の光ディスク装置。
4. 第１の光結合手段と第２の光結合手段との間で、透明基板上に段差構造があり、この段差構造により導波層が折れ曲がり、導波光がこの段差部を通過することで導波モードが変化し、前記第１の光結合手段より帰還導波光を前記入射光軸方向とは違った方向に放射することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光ディスク装置。
5. 第２の光結合手段を外側と内側で等面積に分割する平均的な半径位置において、放射に関わるＴＥモード導波光及びＴＭモード導波光の位相が揃っていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光ディスク装置。
6. 前記第２の結合手段の内、前記入射光軸に直交する直線に対し４０±５゜から５０±５゜の角をなす領域からは、前記信号面へ集光する光を放射しないこと特徴とする請求項１に記載の光ディスク装置。
7. 第２の光結合手段の位置において、透明基板と導波層との間には第１の金属反射層と第１の透明誘電体層とがこの順に積層されており、前記第２の光結合手段より集光点側に放射する光は、前記第１の金属反射層側に放射してこれを反射する光と干渉し、前記第１の透明誘電体層の膜厚を調整することで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損失係数を、ＴＭモード導波光の放射損失係数の２倍以上、または１／２以下になるように設定することを特徴とする、請求項１〜４または６のいずれかに記載の光ディスク装置。
8. 第１の光結合手段の位置に相当する導波層の上には、第２の透明誘電体層と第２の金属反射層とがこの順に積層されており、前記第１の光結合手段より光検出器側に放射する光は、前記第２の金属反射層側に放射してこれを反射する光と干渉し、前記第２の透明誘電体層の膜厚を調整することで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損失係数を、ＴＭモード導波光の放射損失係数の２倍以上、または１／２以下になるように設定することを特徴とする請求項１〜４または６のいずれかに記載の光ディスク装置。
9. 第２の光結合手段の位置において、透明基板と導波層との間には金属反射層と透明誘電体層とがこの順に積層されており、前記第２の光結合手段より集光点側に放射する光は、前記金属反射層側に放射してこれを反射する光と干渉し、前記透明誘電体層の膜厚を調整することで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損失係数をＴＭモード導波光の放射損失係数と等しくすることを特徴とする請求項１〜６または８のいずれかに記載の光ディスク装置。
10. 導波層が、第１の高屈折率透明膜と低屈折率透明膜と第２の高屈折率透明膜とをこの順に積層されることで構成されており、第１の光結合手段における周期構造は前記低屈折率透明膜上（又は内、又は下）に形成されることを特徴とする、請求項１から６、または８のいずれかに記載の光ディスク装置。
11. レーザー光源と透明基板との間に１／２波長板を配置し、この波長板によりレーザー光源から出射するレーザー光の電気ベクトルの方向を９０゜だけ回転させること特徴とする、請求項１〜４または６のいずれかに記載の光ディスク装置。
12. 第１の光結合手段の最外周の形状が楕円状であり、その長軸方向を入射光の電気ベクトルの方向と一致させること特徴とする、請求項１〜４または６のいずれかに記載の光ディスク装置。

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