JP3698243B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばコンパクトディスクシステムやビデオディスクシステム等の光ディスクシステムにおいて使用される光ピックアップに組み込まれる、ホログラム付きの半導体レーザ装置(以下、ホログラムレーザと称する)に関する。特に、光ディスクに反射して戻ってきた半導体レーザ素子の光をホログラム素子により回折し、記録信号を正確に読み出すためのトラッキング信号、フォーカス信号、記録信号等を分離して受光素子または受光素子付き信号処理集積回路へ各々導いて出力信号を得ることが可能なホログラムレーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
図6に従来のホログラムレーザ100の概略構成を示す。なお、この図においては、簡単のため、配線関係は省略して示している。
【0003】
このホログラムレーザ100においては、金属からなるブロック3に半導体レーザ素子4、レーザ出力モニター用受光素子5a一体型サブマウント5、信号検出用受光素子2が搭載され、ホログラム素子1は上記ブロック3を覆うようにかぶせられたキャップ6の天面6aに搭載されている。キャップ6はアイレット7の上面7aに設けられ、ブロック3はアイレット7の上面7aに一体的に形成されている。
【0004】
ホログラム素子は、通常、ガラスやアクリル樹脂等の光透過特性の良い材料によって作製される。このホログラム素子1において、通常、ホログラム1bはその上面1aに形成されている。
【0005】
信号検出用受光素子2は、Si基板上に、複数の受光部に分割されたフォトダイオード2aを形成したものである。通常、この信号検出用受光素子2には信号処理用回路も一体的に形成されているので、信号検出用受光素子2を以下OPICと称する。
【0006】
このOPIC2は、半導体レーザ素子4の発光点Aよりも上部に配置されており、半導体レーザ素子4の後端面から出射されるモニター光Lの影響を受けないようにされている。
【0007】
このように構成されたホログラムレーザ100においては、光ディスクにより反射されて戻ってきた信号光のうち、ホログラム1bで回折された+1次回折光および−1次回折光J、Kのいずれかを利用して信号検出が行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以下、信号検出に用いる回折光をK、不要な回折光をJとして説明を行う。
【0009】
ホログラムレーザの組立調整時においては、OPIC2上の規定の位置Bへ信号光Kが入射するように、できるだけ容易に、かつ、精度良くホログラム素子1の位置を調整することが最大の課題である。
【0010】
ここで、信号光Kが入射する規定の位置Bは、レーザ発光点Aの位置と、ホログラム形成面1aの位置と、OPIC2の位置とによってほぼ決定される。このうち、ホログラム素子1はキャップ6の天面6aに搭載されるので、高さ方向(z方向)に調整することはできない。
【0011】
このため、例えばOPIC2とキャップ6の高さ方向の距離のばらつきを吸収するためには、ホログラム素子1をキャップ6の天面6aの平面内で平行移動または回転して調整する必要がある。しかし、この場合には、ホログラム1bの中心と半導体レーザ素子4の発光点Aの位置とがずれることになるので、ホログラムレーザとしての性能を低下させる要因となる。
【0012】
さらに、OPIC2の受光部(フォトダイオード2a)において例えばx方向の長さを長くすることにより、ホログラム素子1の平行移動に伴う信号光入射位置Bのx方向の変化を吸収する必要がある。その結果、OPIC2の受光部2aの寸法を大きくする必要が生じ、周波数応答特性が低下するため、高速化された光ディスクシステムに用いることができないという問題が発生する。
【0013】
また、半導体レーザ素子4の発光点Aは、光学設計の際には集光レンズ(図示せず)の後側焦点の位置にあるものとして設計するが、実際の組立調整時にはホログラムレーザ100の基準面であるアイレット7の上面7aからの高さだけで調整される。
【0014】
従って、高さ方向に関して、半導体レーザ素子4の発光点Aの位置は、ブロック3の厚さのばらつき分だけばらつくことになる。同様に、ホログラム1bの位置はキャップ6の高さおよびホログラム素子1の厚さのばらつき分だけばらつき、OPIC2の位置はブロック3の厚さおよびOPIC2の厚さのばらつき分だけばらつくことになる。
【0015】
このばらつきについて、図7を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
基準面7aから半導体レーザ素子4の発光点Aまでの高さの設計値をz1とし、そのばらつきの標準偏差値をΔz1とする。同様に、基準面7aからOPIC2への信号光の入射点Bまでの高さの設計値をz2とし、そのばらつきの標準偏差値をΔz2とし、基準面7aからキャップ6のホログラム搭載面(天面)6aまでの高さの設計値をz3とし、そのばらつきの標準偏差値をΔz3とする。
【0017】
キャップ6のホログラム搭載面6aからホログラム1b(ホログラム1bの形成面1a)までの高さをz4とし、そのばらつきの標準偏差値をΔz4とすると、ホログラム1bからOPIC2への信号光の入射点Bまでのz方向の距離z5のばらつきの標準偏差Δz5は、
Δz5=√(Δz2 2+Δz3 2+Δz4 2) ・・・(1)
となる。
【0018】
特に、キャップ6は金属の薄板をプレス加工して作製されるため、高さのばらつきΔz3が大きく、これがホログラム1bの位置を精度良く決定するために調整時間が長くかかる原因となっていた。即ち、画像認識等によりホログラム素子1の位置を測定する際に、最終的に必要な精度に対してずれが大きすぎる場合が多く、粗調整を行ってから最終調整を行う等、組立工程が複雑になっていた。
【0019】
このようにホログラム1bとOPIC2との位置調整が終わった段階で、半導体レーザ素子の発光点Aとホログラム1bとのz方向の距離z6のばらつきの標準偏差Δz6は、
Δz6=√(Δz1 2+Δz3 2+Δz4 2) ・・・(2)
となる。
【0020】
従って、半導体レーザ素子の発光点Aとホログラム1bとのz方向の距離z6においても、キャップ6の高さのばらつきΔz3の影響を受ける。その結果、ホログラム1bとOPIC2との位置関係を最適化してしまうと、半導体レーザ素子4とホログラム1bとの位置関係が悪くなるおそれがあり、両方を同時に最適化するように調整しなければならない。
【0021】
ところが、設計時に考慮するべき寸法ばらつきは、高さ方向(z方向)に限らず、x方向およびy方向のばらつきも考慮する必要があり、また、半導体レーザ素子の発振波長の変化等、組立調整では除けない要因もある。また、キャップ6およびホログラム素子1のみならず、他の半導体レーザ装置を構成する部材の寸法ばらつきの許容範囲(以下、公差と称する)をできる限り小さくしなければならず、部品の作製が困難になるという問題があった。
【0022】
さらに、組立調整に時間をかけることも避ける必要がある。即ち、OPIC2とホログラム1との距離の設計値からのずれは、調整により幾らでも小さくすることができるが、精度良く調整しようとすれば調整に時間がかかり、作製時間が長くなるため、実用的ではない。
【0023】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、半導体レーザ装置を構成する部材の搭載位置精度を高くして調整に要する時間を短くすることができ、各部材に必要とされる精度が低く、部品の作製が容易であり、さらに、OPICの受光部を小さくして光ディスクシステムの高速化を図ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子から出射され、外部で反射されて戻ってきた光を回折するホログラムを有するホログラム素子と、該ホログラム素子により回折された±1次回折光のいずれか一方を受光して信号を検出する信号検出用受光素子とを少なくとも備え、該半導体レーザ素子、該ホログラム素子および該信号検出用受光素子が同一のブロックに搭載されており、前記ブロックは、寸法精度および寸法安定性に優れた材質であって、金属、配線パターンを形成可能なセラミック、液晶ポリマーまたはエンジニアリングプラスティックからなり、前記ブロックは、内部に前記半導体レーザ素子が光を上方に出射するように配置される空洞と、前記半導体レーザ素子から上方に出射される光が前記ホログラム素子を通過するように該空洞を覆って該ホログラム素子が搭載される天面と、前記空洞とは隔壁を介して設けられ前記信号検出用受光素子が前記半導体レーザ素子の発光点よりも下方に位置するように搭載される部分とを有することを特徴とする。
【0027】
前記ホログラムにより回折された±1次回折光のうち、信号検出に寄与しない回折光を、前記ブロックの天面で遮断して前記空洞の内部に直接進入しないようになっていてもよい。
【0028】
前記ホログラム素子は、前記半導体レーザ素子側の表面に前記ホログラムを有していてもよい。
【0029】
前記半導体レーザ素子の下方に、レーザ出力モニター用受光素子をさらに有していてもよい。
【0031】
前記隔壁は、前記ホログラムにより回折された光のうち、信号検出に用いられる光が前記信号検出用受光素子に入射する経路部分に切り欠きを有していてもよい。
【0032】
以下に、本発明の作用について説明する。
【0033】
本発明にあっては、半導体レーザ素子とホログラム素子と信号検出用受光素子が同一のブロックに搭載され、寸法精度を高くできないキャップを用いていないので、部材の搭載精度が高くなり、調整に要する時間が短くなる。また、各部材に必要な精度を低くすることができ、OPICの受光部を小さくして光ディスクシステムの高速化を図ることができる。
【0034】
上記ブロックとして、寸法精度および寸法安定性に優れた材質を用いることにより、さらに部材の搭載精度を高くすることができる。特に、金属を用いれば、発熱による半導体レーザ素子の温度上昇を防止して信頼性を向上することができ、さらに、OPICの温度上昇による暗電流の増加等の特性劣化を防止することができる。また、配線パターンを形成可能なエンジニアリングプラスティック、例えば液晶ポリマー等は、高耐熱成形が可能で、メッキも可能であり、精度も良いので、量産性を向上することができる。さらに、配線パターンを形成可能なセラミックを用いれば、温度上昇を防止すると共に、金属以上に搭載精度の向上を図ることができる。
【0035】
上記ホログラムにより回折された±1次回折光のうち、信号検出に寄与しない回折光を、上記ブロックの天面で遮断することにより、OPICの受光部に不要な光が直接入射しないようにすることができる。
【0036】
上記ホログラム素子は、上記ホログラムを半導体レーザ素子側の表面に形成することにより、ホログラム素子の厚みによるばらつき要因が無くなるので、搭載精度をより一層高くすることができる。
【0037】
上記半導体レーザ素子の後端面側に、さらに受光素子を設けてレーザ出力をモニターしてもよい。この場合、半導体レーザ素子が設けられている部分と、信号検出用受光素子が設けられている部分との間に隔壁を設ければ、半導体レーザ素子の後端面側から出射されるモニター光がOPICに入射せず、良好な信号特性が得られる。
【0038】
この隔壁は、上記ホログラムにより回折された光のうち、信号検出に用いられる光がOPICに入射する経路部分を削って開けることにより、上記半導体レーザ素子の後端面側から出射されるモニター光がOPICに入射しないようにすると共に、OPICに充分高い強度の信号光を入射することができる。よって、S/N比を高くして、より良好な信号特性が得られる。
【0039】
さらに、上記OPIC2を半導体レーザ素子の発光点より下部に配置することにより、ホログラムとOPICとの距離を長くして、回折角を小さく保つことが可能となる。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【0041】
(実施形態1)
図1は本実施形態1のホログラムレーザ200の概略構成を示す斜視図であり、図2はそのP−P’線部分の断面図である。なお、図1においては、簡単のため、ホログラム素子1を省略して示している。
【0042】
このホログラムレーザ200は、半導体レーザ素子4、レーザ出力モニター用受光素子5a一体型サブマウント5および信号検出用受光素子2を搭載しているブロック31に、天面31aを基準面としてホログラム素子1も搭載している。このホログラム素子1は、キャップに搭載する場合と同様に、UV樹脂等の接着剤によりブロック31に固定されている。なお、図1中、B1、B2、B3はOPIC2の受光素子である。また、リードは図示していないが、メッキにより配線してもよく、別のものを付加してもよい。
【0043】
このホログラムレーザ200の構成によれば、図6に示した従来のホログラムレーザ100のように、寸法精度の高くできない薄板をプレスして作製されるキャップを用いていないので、ホログラム素子1の搭載精度を高くすることができる。さらに、ブロック31に半導体レーザ素子4、OPIC2、ホログラム素子1を搭載し、ブロック31の天面31aを基準面としているので、より搭載精度を高くすることができる。
【0044】
以下、この点について、図3を参照しながら詳細に説明する。
【0045】
半導体レーザ素子4とOPIC2は、ブロック31の天面(上面)31aを基準として搭載してあるので、基準面31aからホログラム1b(ホログラム1bの形成面1a)までのz方向の距離z14、および基準面31aからOPIC2への信号光の入射点Bまでのz方向の距離z12は、いずれも規定の値から機械精度の範囲で変動するだけである。その変動量の標準偏差を各々Δz14およびΔz12とすると、ホログラム1bからOPIC2への信号光の入射点Bまでのz方向の距離z15の変動量の標準偏差Δz15は、
Δz15=√(Δz12 2+Δz14 2) ・・・(3)
となる。
【0046】
一方、基準面31aから半導体レーザ素子4の発光点Aまでのz方向の距離z11の変動量(ばらつき)の標準偏差値をΔz11とすると、ホログラム1bと半導体レーザ素子4の発光点Aとのz方向の距離z16のばらつきの標準偏差Δz16は、
Δz16=√(Δz11 2+Δz14 2) ・・・(4)
となる。
【0047】
従って、z15およびz16は、いずれも、変動量の大きいキャップの厚さの変動量が無い分だけ、図7を用いて説明した従来のホログラムレーザ100に比べて変動量が小さくなる。
【0048】
即ち、ブロック31に直接ホログラム素子1を搭載することによって、ホログラム素子1と半導体レーザ素子4の距離、およびホログラム素子1とOPIC2に距離のばらつきは、従来構造に比べてキャップの高さばらつきの分が無くなるために小さくなって、より一層精度が向上する。なお、x方向およびy方向のばらつきについては、セラミック等の材料を用いることにより材料精度が上がれば、向上させることができる。但し、外形の形状によっても効果が異なる。
【0049】
このように、キャップ高さばらつきの要因を減らすことができ、基準面合わせによりレーザやホログラム等の取り付けが容易であるので、組立調整に要する時間も短くすることができる。また、キャップを設けていないので、部品点数も少なくすることができる。さらに、OPICとキャップの高さ方向の距離のばらつきを吸収するためにホログラム素子をキャップの天面の平面内で平行移動または回転移動させる調整移動量を従来に比べて小さくすることができるので、ホログラムの中心と半導体レーザ素子の発光点Aとの位置ずれが小さく、ホログラムレーザとしての性能を高くすることができる。また、高さ方向のばらつき要因を減らすことにより、従来のようにOPICの受光部寸法を大きくして信号光入射位置Bのx方向の変化を吸収する必要がない。よって、受光部サイズを小さくすることができ、高速の光ディスクシステムに対応することができる。
【0050】
このブロック31としては、寸法精度および寸法安定性に優れた材質を用いるのが望ましい。例えばCuやFe等の金属、配線パターンを形成可能な液晶ポリマーやポリフタルアミド樹脂等のエンジニアリングプラスティック、またはAlN等のセラミックを用いることができるが、これらに限定されるわけではない。
【0051】
なお、本実施形態では、キャップを用いていないために半導体レーザ素子4が外気に直接曝されることになるが、半導体レーザ素子4の作製技術の向上によって、ホログラムレーザ200の信頼性が損なわれることはない。
【0052】
さらに、本実施形態においては、ホログラム1bによって回折される光のうち、信号検出に寄与しない回折光Jをブロック31の天面31aに入射させて遮断することにより、直接パッケージ内部へ進入しないようにしている。このような配置は、回折角θとホログラム素子1の厚さdによって簡単に設定することができる。即ち、回折光Jとブロック31の天面31aとの交点のx座標は、
x=d・tanθ ・・・(5)
によって計算される。
【0053】
なお、本実施形態では、OPIC2が半導体レーザ素子4の発光点Aの高さと同じ程度であるかまたはより高い位置にあり、ホログラム1bがホログラム素子1の上面にある場合の例について説明している。この場合には、信号光Kはホログラム1bで回折され、ホログラム素子1の中を通過してOPIC2の上に落射する。この場合、ホログラムの中を光が進み、そこで距離を取ることができるので、ブロック(ステム)を薄くすることができる。本実施形態では、従来のようにキャップを用いないことにより、ホログラム素子1の厚みが厚くなっているが、これによって特性的には問題は生じない。材料コストについても、樹脂ホログラム等を用いれば、大きな影響は生じない。
【0054】
(実施形態2)
図4は本実施形態2のホログラムレーザ300の概略構成を示す斜視図である。
【0055】
このホログラムレーザ300は、OPIC2が半導体レーザ素子4の発光点Aより下部に配置されている。
【0056】
このため、ブロック32の上面32aに搭載されたホログラム素子1中を通過した信号光Kが、ブロック32で遮断されないように、その経路部分に切り欠きを設けている。なお、この場合には、半導体レーザ素子4の搭載位置によっては、半導体レーザ素子4の後端面から出射されるモニター光がOPIC2の受光部に回り込むおそれがある。よって、信号光Kの経路以外は半導体レーザ素子4を収納した空洞部とOPIC2を搭載した部分との間をブロック32でふさぐことにより、遮光している。
【0057】
(実施形態3)
図5(a)は本実施形態3のホログラムレーザ400の概略構成を示す斜視図であり、(b)はその断面図である。
【0058】
このホログラムレーザ400は、OPIC2が半導体レーザ素子4の発光点Aより下部に配置されている。また、ブロック33の上面33aに搭載されたホログラム素子1は、その下面、即ち、半導体レーザ素子4の発光点A側にホログラム1bが形成されている。
【0059】
本実施形態によれば、ホログラム素子1の厚みばらつきに起因するホログラム1bと半導体レーザ素子4の発光点Aとの距離のばらつきが生じないので、さらに位置精度を向上させることができる。
【0060】
本実施形態においても、ホログラム1bで回折された信号光Kが、ブロック33で遮断されないように、その経路部分に切り欠きを設けている。また、図5(b)に示すように、半導体レーザ素子4の後端面から出射されるモニター光LがOPIC2の受光部に照射されないように、半導体レーザ素子4を収納した空洞部とOPIC2を搭載した部分との間をブロック(隔壁)33bでふさいでいる。
【0061】
さらに、OPIC2を半導体レーザ素子の発光点より下部に形成してあるので、ホログラムとOPIC2との距離を長くすることができ、回折角を小さく保つことができる。
【0062】
なお、本実施形態では他の実施形態に比べてホログラム素子1を薄くしてあるが、これは、ホログラムを半導体レーザ素子側に設けたためであり、これによって特性上や製造上の影響は生じない。
【0063】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、半導体レーザ素子やOPICが搭載されたブロック上にホログラム素子を搭載することにより、部材の搭載精度を高くして調整に要する時間を短くすることができる。また、各部材に必要な精度を低くしてもよいので、部品の作製が容易になる。さらに、従来のようにOPICの受光部を大きくする必要がないので、高速化された光ディスクシステムにも対応することができる。
【0064】
上記ブロックとして、金属や配線パターンを形成可能な液晶ポリマーやエンジニアリングプラスティック、セラミック等を用いれば、さらに寸法精度および寸法安定性を高くすることができ、信頼性を向上することができる。
【0065】
上記ホログラムにより回折された±1次回折光のうち、信号検出に寄与しない回折光を、上記ブロックの天面で遮断することにより、OPICの受光部に不要な光が直接入射しないようにすることができる。よって、信号をより正確に読み出すことができる。
【0066】
上記ホログラムを、ホログラム素子の半導体レーザ素子側の表面に形成することにより、ホログラム素子の厚みによるばらつき要因が無くなるので、さらに搭載精度を高くすることができる。また、OPICを半導体レーザ素子の発光点よりも下部に配置することにより、ホログラムとOPICの距離を長くして、ホログラムの回折角を小さく保つことができる。よって、ホログラムのピッチを大きくして生産を安定化することができる。
【0067】
半導体レーザ素子が設けられている部分と、信号検出用受光素子が設けられている部分との間に隔壁を設ければ、半導体レーザ素子の後端面側から出射されるモニター光がOPICに入射するのを防ぐことができる。よって、信号をより正確に読み出すことができる。
【0068】
この隔壁は、上記ホログラムにより回折された光のうち、信号検出に用いられる光がOPICに入射する経路部分を削って開けることにより、上記半導体レーザ素子の後端面側から出射されるモニター光がOPICに入射しないようにすると共に、OPICに充分高い強度の信号光を入射することができる。よって、S/N比を高くして、より良好な信号特性が得られ、より正確に信号光を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1のホログラムレーザの概略構成を示す斜視図である。
【図2】図1のP−P’線部分の断面図である。
【図3】実施形態1のホログラムレーザについて、部材の搭載精度を説明するための図である。
【図4】実施形態2のホログラムレーザの概略構成を示す斜視図である。
【図5】(a)は実施形態3のホログラムレーザの概略構成を示す斜視図であり、(b)はその断面図である。
【図6】従来のホログラムレーザの概略構成を示す断面図である。
【図7】従来のホログラムレーザについて、部材の搭載精度を説明するための図である。
【符号の説明】
1 ホログラム素子
1a ホログラム素子の上面
1b ホログラム
2 OPIC
2a OPICの受光部
3、31、32、33 ブロック
4 半導体レーザ素子
5 レーザ出力モニター用受光素子一体型サブマウント
5a レーザ出力モニター用受光素子
6 キャップ
6a キャップの上面
7 アイレット
7a アイレットの上面
31a、32a、33a ブロックの上面
33b 隔壁
A 半導体レーザ素子の発光点
B OPICへの信号光の入射点
J 信号検出に用いられない回折光
K 信号検出に用いられる回折光
Claims (5)
- 半導体レーザ素子と、
該半導体レーザ素子から出射され、外部で反射されて戻ってきた光を回折するホログラムを有するホログラム素子と、
該ホログラム素子により回折された±1次回折光のいずれか一方を受光して信号を検出する信号検出用受光素子とを少なくとも備え、
該半導体レーザ素子、該ホログラム素子および該信号検出用受光素子が同一のブロックに搭載されており、
前記ブロックは、寸法精度および寸法安定性に優れた材質であって、金属、配線パターンを形成可能なセラミック、液晶ポリマーまたはエンジニアリングプラスティックからなり、
前記ブロックは、内部に前記半導体レーザ素子が光を上方に出射するように配置される空洞と、前記半導体レーザ素子から上方に出射される光が前記ホログラム素子を通過するように該空洞を覆って該ホログラム素子が搭載される天面と、前記空洞とは隔壁を介して設けられ前記信号検出用受光素子が前記半導体レーザ素子の発光点よりも下方に位置するように搭載される部分とを有することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記ホログラムにより回折された±1次回折光のうち、信号検出に寄与しない回折光を、前記ブロックの天面で遮断して前記空洞の内部に直接進入しないようになっている請求項1に記載の半導体レーザ装置。
- 前記ホログラム素子は、前記半導体レーザ素子側の表面に前記ホログラムを有する請求項1に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザ素子の下方に、レーザ出力モニター用受光素子をさらに有する請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 前記隔壁は、前記ホログラムにより回折された光のうち、信号検出に用いられる光が前記信号検出用受光素子に入射する経路部分に切り欠きを有する請求項1に記載の半導体レーザ装置。
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