JPH01320652A

JPH01320652A - 光学ヘッド装置

Info

Publication number: JPH01320652A
Application number: JP63155279A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Taketomi; 義尚武富; Takaaki Tomita; 孝明富田; Seiji Nishiwaki; 青児西脇; Shinji Uchida; 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: 1989-12-26
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: JP2605357B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ブリツタ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ＦＯに集れ、焦点ＦＯ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
グカブラ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３８．３
９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ＦＯ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倍信号が得られる。また
グ【ノーティングビームスプリッタ３５により二つの導
波光３８．３つに分離されることでナイフＴ−ツヂによ
るフォーカスエラー検出と同様の原理で光デイスク記録
面のデイフォーカス量が受光素子４０Ａ、４０Ｂ、４１
Ａ、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
き４１Ａ、４１Ｂの和信号とを差分することでＴＥ倍信
号得られる。−方、加算増幅器４２により受光素子４．
ＯＡ、４’ＯＢ、４　］、　Ａ、４１Ｂの相信号を得、
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倍信号が得
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か
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
プリツク３５による光の回折角が変わり、導波光３４が
平ｆ−ｉ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４″る。ま
た集光グレーチイングツＪブラ、（６からの出射光３７
の回折角が変わるので、焦点位ＲＦＯが変位する。更に
、それぞれ受光素子４０Ａ、、４０Ｂおよび４　］、　
Ａ　、　４１　）３に集光されるニーつの導波光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ツク：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
イフォーカスを生じさせる。

第一に、第１３図（ａ）、（ｂ）は集光グレーティング
カブラからの出射光の光分布を示す説明図であり、グレ
ーディング３６の出力結合効率η０はη０−（ＰＬの光
量）／（ＰＬ−）−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（Ｐｉモ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７７０は増大する。しか
し、（ｂ）図の光分布は（ａ）図の光分布に比ベアンバ
ランスな分布であり、焦点に於ける集光性が劣化１ろ。

第三に、第１４図は集光グレー・ティングカブラからの
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
とが相似形の時に人力結合効率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でおり、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、２Ｘ２
ｍｒｎ２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ＦＯに於
ける集光性を劣化させることなくグレ−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を太き（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ＦＯ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
くデイフォーカスを生じやすい、大面積の集光グレーチ
イングツｙブ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（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（、
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ＦＯ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（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太き（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（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（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５
Ｂ、５Ｃを挟んで軸りを中心に形成され、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を挟んで軸り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志
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６Ａ、６Ｂ、６Ｃが基板１に直交する軸りを中心に
形成されている。第３図（ａ）に示すように、軸り上に
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ｊ＋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が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４Ｄ
、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６Δ、６Ｂ、６Ｃでの放
射モート光１０Ａ、　１０Ｂ、ＩＯＣは１／４波長板ｌ
ｌを透過し、それぞれ軸り上の焦点ＦＯ，Ｆｌ。

Ｉパ２に集光される。ただし、ＦＯはＦｌ、Ｆ２に挟ま
れた位置にある。

光ディスク１２の記録面１３は軸りに直交して焦点！”
　Ｏ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ＯＡ、ＩＯＢ、　１０ｃはそれぞれ反射
光１０Ａ’　、ＩＯＢ’　、ＩＯＣ’となり、１／４波
長板１１を経てそれぞれグレーティング６Ａ、６Ｂ、６
Ｃ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、薄膜充電素子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（、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ｅｔＴに
よってディスク径方向ｍ″に回折し、焦点Ｆからの反射
光１０Δ“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］４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４０の差信号が得られ、フォーカスエラー信号と
する。

第５図は戻り先人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ＡＢＣの順路で反射する。グレーティング上の６点に
ＦＣの方向で入射する光は効率よ（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’　＝　ｔ　ａ　ｎ＝　（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Ｏとなり極大をなし、変換効率
８Ｃ”は反射面がＦｌ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比出力得られ、８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＝（ＰＬの光量）／（Ｐ１十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
布が中心軸り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と中心軸り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（、また、設けない方が結合効率は高（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例の放射モード光２１は金属薄膜１
９により反射するため放射モード光２０は金属薄膜１９
のない場合より太き（、光デイスク記録面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
Ａ、レーザー光の波長をλ、導波路の実効屈折率をＮ、
として次式で与えられる。

ｓｉｎθ＝Ｎ−λ／Ａ　　　　　　　　−（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Ｎ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Ｎｏから八Ｎだけ増加するとすれ
ば回折角はｓ　ｉ　ｎ−１（ＮＯ＋ΔＮ−（λθ＋Δλ
）／Ａ）−ｓｉｎ−＋（ＮＯ−λ０／Ａ）　　　−（３
＞だけ増加し、 ΔＮ＝Δλ／Ａ　　　　　　　　　　・・・（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ｘＥ＝　　−ｊωμ
Ｈｘ）（＝Ｊ＋ｊωε０εＥ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Ｎ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Ｎ
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１
０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を軸りを中心として設け、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、焦点の位置は軸りに沿ってＦＯからＦＯ
’に変わる。

よって、ＦＥ倍信号出力を電源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（、高精度のグレーティングを大面債
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のである。

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（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を太き（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（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、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１
１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ディングカブ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
グレーティングカブ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、４
Ａ、４Ａ’　、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄ・・・薄膜光電素子、
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・誘電体層、６Ａ、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、ＩＯＢ、Ｉ
ＯＣ・・・放射モード光、１１・・・１／４波長板、Ｆ
Ｏ，Ｆｌ、Ｆ２・・・焦点、１２・・・光ディスク、１
３・・・記録面、ＩＯＡ’　、１０Ｂ’　、ＩＯＣ’・
・・反射光、１４．１５・・・差動増幅器、１６・・・
加算増幅器、１８・・・半導体レーザ。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第３図（Ｃ１）（ｂ）第４図第５図第　６　図　　　　　　　　　（（２）浸ＩＦＩ面位１第７図第８図＼第９図　　　へ第１０図第１１図第１２図５１３図　　　　　（α）（ｂ）第１４図３２　Ｊ４　　　　　ダ７３６

Claims

【特許請求の範囲】

（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。
（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。