JPH0246412A

JPH0246412A - 光学ヘッド装置

Info

Publication number: JPH0246412A
Application number: JP63196590A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Taketomi; 義尚武富; Seiji Nishiwaki; 青児西脇; Takaaki Tomita; 孝明富田; Shinji Uchida; 真司内田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-08-05
Filing date: 1988-08-05
Publication date: 1990-02-15
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPH0816727B2

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
ッド装置に関するものである。

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１８図は従来の光学ヘッド装置の構成を示すものであ
る。図中基板１３１上に誘電体層を挟んで導波層１３２
が形成され、半導体レーザ１３３から出射するレーザ光
は導波層１３２内を層内に沿って広がり、ＴＥモードの
導波光１３４となる。

導波光１３４は導波層１３２上に形成されたグレーティ
ングビームスプリッタ１３５によって平行光に変換され
、集光グレーティングカプラ１３６によりその一部が放
射モード光１３７となる。放射モード光１３７は焦点Ｆ
Ｃに集光され、焦点ＦＣに位置する光ディスク１５の反
射面を反射し、集光グレーティングカプラ１３６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１３５により二つの導波光１３８．１３９に分離され
、それぞれ受光素子１４０Ａ、　　１４０Ｂおよび１４
１Ａ、　　１４１Ｂに集光される。光ディスク１５の反
射面にはディスク回転方向２６に沿って径方向に周期的
な案内溝が形成されており、反射光はディスク径方向に
回折する。

従って、トラッキングエラー信号はディスク径方向にお
ける反射光１３７の光量差として現れ、導波光１３８．
１３９の光量を検出し、その差をとればトラッキングエ
ラー（ＴＥ）信号が得られる（いわゆるプッシュプル方
式である）。

また、グレーティングビームスプリッタ１３５により二
つの導波光１３８．１３９に分離されることで、ナイフ
エッヂによるフォーカスエラー（ＦＥ）検出と同様の原
理で光デイスク反射面のデイフォーカス量が受光素子１
４０Ａ、　　１４０Ｂ。

１４１Ａ、　　１４１Ｂ上の光量分布の差異として現れ
る。従って、差動増幅器１４４により受光素子１４０Ａ
１１４０Ｂの和信号と１４１Ａ、１４１Ｂの和信号とを
差分することでＴＥ倍信号得られ、差動増幅器１４３よ
り受光素子１４０Ａ１１４１Ａの和信号と１４０Ｂ１１
４１Ｂの和信号とを差分することでＦＥ倍信号得られる
。

一方、加算増幅器１４２により受光素子１４ＯＡ１１４
０Ｂ、１４１Ａ、１４１Ｂの和信号を得、これを再生信
号とする。

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が
あった。

第一に、半導体レーザの発光点を導波路端面に極めて近
接して配置しなければならず、要求される端面精度や位
置調整精度が厳しい。さらに、この方式ては基本モード
以外のモードを選択的に励振することが困難である（例
えば、　「光集積回路」、オーム社、西原　他）。実際
に、この方式での入力結合は安定性が悪く、また高い入
力効率も得られていない。

第二に、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
プリッタ１３５による光の回折角が変わり、導波光１３
４が平行光からずれた状態で集光グレーティングカプラ
１３６に入射するのでその非平行性と光路長の差により
出射光１３７の収差（七＜に非点収差）が増大し、再生
機能（または記録機能）は低下する。また集光グレーテ
ィングカプラ１３６からの出射光１３７の回折角が変わ
るので、焦点位置ＦＣが変位する。波長変動がモードホ
ッピングによって生ずる場合、焦点位置ＦＣの変位は瞬
間的になされ、その間の信号再生（または信号記録）は
行われない。更に、それぞれ受光素子１４０Ａ、１４０
Ｂおよび１４１Ａ、１４１Ｂに集光される二つの導波光
１３８．１３９の集光点１３８Ｆ、　　１３９Ｆは波長
変動に伴いグレーティングビームスプリッタ１３５での
光の回折角が変わるので矢印のごとく変位し、この受光
素子上のスポット位置のずれが制御信号を乱し光ディス
クの反則面上でデイフォーカスを生じさせ、再生機能（
または記録機能）はさらに低下する。

第三に、導波層の膜厚が設計値からずれた場合、導波光
の等側屈折率がずれグレーティングビームスプリッタ１
３５による光の回折角が変わり、導波光１３４が平行光
からずれた状態で集光グレーティングカプラ１３６に入
射するので出射光１３７の収差が増大し、再生機能（ま
たは記録機能）は低下する。

第四に、第１９図（ａ）、　　（ｂ）は集光グレーティ
ングカプラからの出射光の光分布を示す概略図であり、
グレーティング１３６の出力結合効率η。はパワー分配
比を１としたとき、 ηｏ”（ＰＬの光ｉｆ）／（Ｐ１＋Ｐ２の光量）で表さ
れる。グレーティングの放射損失係数を大きくすること
で（ａ）図の光分布は（Ｐｉ−１−Ｐ２の先爪）＝一定のまま（ｂ）図の光分布になり、このとき出力結合効率
η０は増大する。しかし、　（ｂ）図の光分布は（ａ）
図の光分布に比ベグレーティング面内での光量変化が大
きく、片側（図中では右側）での光量が著しく低下する
ため、実質的なＮ、Ａ、（開口率）の低下につながり焦
点に於ける集光性が劣化する。

第五に、第２０図は集光グレーティングカプラからの出
射光と光デイスク反射面からの戻り光の光分布を示す概
略図であり、焦点位置の反射面を反射することで戻り光
１４６の光分布Ｃは出射光１４５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
似形の時に入力結合効率η１（戻り光１４６が導波光１
４７に変換される結合効率、ただしパワー分配比を１と
する）は１００％となるが、Ｃの戻り光の光分布はＡの
出射光の光分布と相似形ではなく、入力結合効率η１は
小さい。

従って、受光素子１４０Ａ、１４０Ｂ　　および１４１
Ａ、　　１４１Ｂで検出される検出光量は小さく、制御
信号、再生信号の品質（ｓ　／　ｎ　）は悪い。

第六に、グレーティングビームスプリッタ１３５の透過
光回折効率は０次回折光の効率が高ければ±１次回折光
の効率は低く、±１次回折光の効率が高ければ０次回折
光の効率は低いため、集光グレーティングカプラ１３６
に向かうＯ次回折光の光量を大きくすれば、受光素子１
４０Ａ、１４０Ｂおよび１４１Ａ、１４１Ｂに向かう±
１次回折光の光量は小さく、受光素子に向かう±１次回
折光の光量を大きくすれば、グレーティングカプラに向
かうＯ次回折光の光量は小さくなる。すなわち、光デイ
スク反射面への伝達効率と受光素子への伝達効率の両立
を図ることができない。また、戻り光の０次回折透過光
は半導体レーザ１３３に戻り、これと帰還結合してレー
ザの発振が乱される。

本発明はかかる点に鑑み、レーザ光を効率良く導波光に
変換でき、集光性が高く、集光性を劣化させることなく
出力結合効率を向上させ、ディスクからの反射信号光の
グレーティングへの入力結合効率を太きくシ、光デイス
ク反射面への伝達効率と受光素子への伝達効率の両立を
図りともに高い効率にすることができ、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
動及び波長誤差、導波層の膜厚誤差による集光性の劣化
が小さく、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可能な光学ヘ
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、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ
光を導波路に導き導波光とする結合手段と、−点０を中
心にして導波路に設けられた同芯円もしくはスパイラル
の周期構造とを備えた光学ヘッド装置であって、導波路
の上に設けた誘電体層と、これに接して配置される円錐
型反射プリズムによって結合手段を構成したものである
。

また、円錐型反射プリズムの外周形状をレーザ光源の発
光強度分布に倣った形状に形成したこと、円錐型反射プ
リズムの屈折率を２．０以上とじたこと、円錐型反射プ
リズムを接着する構造とし誘電体層を接着剤層で形成し
たこと、あるいは、円錐型反射プリズムを誘電体層の上
に接着する構造とし円錐型反射プリズムと接着剤の屈折
率が等しいか、またはその差が小さくなるよう構成した
ものである。

作用本発明は上記構成により、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
が高く、導波光の全てを放射させても集光性は劣化しに
＜＜、集光性を劣化させることなく周期構造（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
相似形になり戻り光の入力結合効率を大きくすることが
可能となる。また出射光の放射回折角の差異が小さいの
で半導体レーザの波長変動及び波長誤差、導波層の膜厚
誤差による回折角変動の差異も小さく収差（すなわち集
光性の劣化）も小さい。

なおこの場合の収差は球面収差であり、収差影響は最良
像点の位置すれとして現れ、その品質（集光性、５ＴＲ
Ｅ）ＩＬ’ｓ　ＤＥＦＩＮＩＴＩＯＮ　）の劣化が小さ
いので、最良像点が光ディスクの反射面に追従するよう
制御されている限り信号再生特性、信号記録特性などに
与える影響は小さい。また最良像点の位置ずれの方向は
反射面の法線方向にありその位置ずれ量は小さく、半導
体レーザの瞬間的な波長変動による信号再生、信号記録
への影響は小さい。

また、周期構造の周期内の形状、屈折率差異などを変え
ることで出射光の光分布を調整し、焦点に於ける集光性
を高めることができる。

また、グレーティングビームスプリッタなどを介せずに
フォーカス制御を行うことが出来るので、光デイスク反
射面への伝達効率と受光素子への伝達効率の両立を図り
、ともに高い効率にすることができる。

また、反射光の入力結合効率の差を利用してフォーカス
制御信号の検出を行うので波長変動に影響を受けない制
御を行うことが出来る。

また、戻り光の導波光は検出手段によって吸収されるの
で、半導体レーザに帰還する光量は小さく半導体レーザ
のノイズを小さくすることが出来る。

また、円錐型反射プリズムによって半導体レーザの発光
分布が反転され、導波路の放射特性分布に近い光分布で
入力結合が行なわれるため、高い入力効率を得ることが
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図は本発明の実施例におけるの光
学ヘッド装置の構成を示す。

第１図に示すように、透明基板１、偏光子２．１／４波
長板３、集光レンズ４、半導体レーザ５がホルダ６によ
って固定されている。半導体レーザ５から出射するレー
ザ光７は集光レンズ４により平行光となり、１／４波長
板３、偏光子２を透過することで直線偏光が同心円状の
偏光に変換され、透明基板１の中心に配置された円錐型
反射プリズム８による入力カプラによって導波光となる
。

透明基板１上には第２図に示すように、中空形状の導波
路基板９が固定されている。尚、導波路基板９を、例え
ば単結晶シリコンなどによって構成した場合、透明基板
１は省略可能である。

第３図は本発明の実施例における光学ヘッド装置の断面
図を示す。導波路基板９上にはグレーティング１０の形
成された透明層１１を挟んで透明層１１よりも高屈折率
の導波層１２が形成されている。透明層１１は例えば熱
硬化性樹脂などで構成されており、スタンパ−のグレー
ティングを転写することで凹凸のグレーティング１０が
形成される。導波層１２の上には、これよりも低屈折率
の誘電体層１３が設けられ、さらにこの上に円錐型反射
プリズム８が配置される。

１／４波長板３、偏光子２によって同心円状偏光に変換
されたレーザ光７は、透明層１１、導波層１２、誘電体
層１３を一旦透過した後、円錐型反射プリズム８の円錐
面で反射する。

この反射光は既知のプリズム結合法と同じ原理によって
導波層１２内に入力結合し、導波層１２内を放射方向に
伝搬するＴＥモードもしくはＴＭモードの導波光１４と
なる。

なお、この円錐型反射プリズム８による入力カプラにつ
いては、後に詳細に述べる。

さて、導波光１４はグレーティング１０により放射モー
ド光１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃとなり、それぞれ導波路基
板９に直交する中心軸１８上の点ＦＡ、ＦＢ、ＦＣに集
光される。ただし、ＦＣはＦＡ１　ＦＢに挟まれた位置
にある。光ディスク１５の反射面１６は軸１８に直交し
てほぼ焦点ＦＣの位置にあり、光は反射面１６を反射す
る。すなわち放射モード光１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃはそ
れぞれ反射光２ＯＡ、２０Ｂ、２０Ｃとなり、グレーテ
ィング１０により入力結合して導波層１２内の中心に向
かう導波光２１に変換される。

透明層１１上には導波層１２よりも高屈折率の誘電体層
２３を挟んで導波層１２よりも低屈折率の誘電体層１３
が中心軸１８を中心として形成されており、誘電体層２
３はその外周側で導波層１２と接している。導波光２１
は導波層１２から誘電体層２３に分岐し、誘電体層２３
から放射されて導波路基板９上に形成された光検出器２
４によりその光量が検出される。

第４図は、円錐型反射プリズム８によって構成される入
力カプラの詳細図である。レーザ光７は、透明層１１、
導波層１２、誘電体層１３を透過し、円錐型反射プリズ
ム８の円錐面で反射する。なお、円錐面には適切な全反
射コーティングを施しておく。

このときの反射角θ１　と、円錐型反射プリズム８の頂
角θ６は次のような関係にある。

θ、　＝　π／２−θｉｌ／２反射後、レーザ光７はθ２＝２θ１なる角度で進み、誘
電体層１３の厚みが適切であればこれを介して導波層１
２内に位相整合条件を満足するモードの光を励振し、こ
れが導波光１４となる。尚、このときの位相整合条件は
、円錐型反射プリズム８の屈折率をｎ、とすれば次式で
表わされる。

ｎ、ｓｉｎθｅ＝Ｎ但し、Ｎは導波層１２の等側屈折率である。

本来、角度θ２は誘電体層１３の屈折率ｎｄとｎ、で決
まる全反射条件を満たしており、円錐型反射プリズム８
から誘電体層１３、さらには導波層１２への光エネルギ
の伝達はない。しかし、誘電体層１３の厚みが薄くなる
と、全反射の際にわずかにプリズム外部に漏れ出すエバ
ネッセント波によって導波層１２への光エネルギの伝達
が生じ、導波光１４となる（以下これを、結合光と呼ぶ
）。

同様に、導波層１２から円錐型反射プリズム８への光の
伝達も生じ、これは導波光１４からみれば損失となる（
以下、これを損失光と呼ぶ）。

一方、円錐型反射プリズム８の外側、つまり誘電体層１
３が自由表面をもつ領域では、導波光１４は完全に導波
層内に閉じこめられる。即ち、大気中（ｎ＝１、真空中
も同様）では前記の位相整合条件は満足できないからで
ある。従って、効率良く導波光１４を励振するためには
、誘電体層１３が円錐型反射プリズム８と接している領
域において、結合光と損失光のバランスを適切に保たな
ければならない。これには、誘電体層１３の厚みの最適
化が必要なのはもちろんであるが、同時にＢ− 入射する光の強度分布を最適化する必要がある。

この目的に対して円錐型反射プリズム８を用いた構成は
好適である。つまり、第５図に示すように、円錐型反射
プリズム８を用いたことによって、入射時にガウシアン
分布を有していたレーザ光７の入射光分布７Ａが反転さ
れ、反射光分布７Ｂとなる。この反射光分布７Ｂは導波
路の放射特性７Ｃに極めて良く似た特性を有しており、
入射結合効率を最大にする上で最適な特性である。

また、円錐型反射プリズム８を用いた構成は、半導体レ
ーザ光を効率良く入力結合させる上でも有用である。一
般に、半導体レーザの発光分布は、第６図（ａ）の破線
で示したような楕円型発光分布である。これを、Ｘ方向
と、Ｘ方向にわけて光強度を観察すると第６図（ｂ）右
側の図のようになる。また、この反射光分布は同図左側
のような光分布となる。ここで、Ｘ方向の反射光分布７
ｄは、円錐型反射プリズム８の中心から半径ｒ、の点を
越えると著しくその強度が減少することがわかる。これ
は、Ｘ方向が楕円型発光分布の短軸方向分布に相当する
ためである。半径ｒ、に達するまでの間は、結合光の方
が損失光よりも大きいため、導波光は次第に増幅され、
半径ｒ、の点で最大となる。しかし、反射光分布７ｄは
、半径ｒ。

を越えると導波路の放射特性７ｃとのずれが著しくなり
、結合光よりも損失光の方が大きくなるため、導波光は
次第に減衰してしまう。従って、最大の導波結合を実現
するためには、円錐型反射プリズム８の外周を半径ｒ、
にてカットし、導波光を完全に導波層内に閉じこめれば
良い。これを、全周方向に置き換えて考えると、円錐型
反射プリズム８の外周形状は初期の円形８Ａから、半導
体レーザの発光分布にならって楕円形８Ｂとすることが
理想的であることがわかる。

第７図には、円錐型反射プリズム８の頂角θｅが１２０
°　の場合を図示した。このとき、頂点近傍で反射した
光は円錐面に沿って進行するようになり、頂角θｅを、
これより小さくすることはできないことがわかる。これ
が円錐型反射プリズム８を用いた構成の制約条件である
。従って、円錐面での反射角θ、は最大３０′　となる
ため、円錐型反射プリズム８の屈折率ｎ、を２．０以上
として全反射条件を満足させることによって、円錐面の
反射コーティングをなくすことができる。

ｎ、ｓｉｎθ１　≧　１　　（全反射条件）θ１　≦　
３０°　（制約条件）、’、　　ｎ、　　≧　２．０なお、上記の制約条件の中ですべての導波モードの光を
励振する事が可能であり、実用上前等支障はない。

第８図は、誘電体層１３を接着剤層で置き換えて構成し
た入力カプラの構成図である。誘電体層１３は、必ずし
も第４図のように導波層１２全体を覆っている必要はな
く、この例のように円錐型反射プリズム８の下面にのみ
存在すれば良い。

これを接着剤層で置き換えれば誘電体を製膜する必要は
なく、製造上のメリットを得る。

第９図は、円錐型反射プリズム８の屈折率と接着剤の屈
折率を等しいか、もしくはその差が小さくなるように選
択した場合の入力カプラの構成である。これによって、
接着剤層の厚み誤差に対して許容幅が拡大する。さらに
、わずかな屈折率の差があるときは、発生する干渉縞に
よる接着面傾きの補正が可能になる。

第１０図は本発明の実施例における信号検出のブロック
図である。グレーティング１０は中心Ｏを通る３つの直
線で六つの領域（すなわち、１０Ａ、　　ＩＯＡ’、　
　ＩＯＢ、　　ＩＯＢ’、　　ＩＯＣ，１０Ｃ”）に分
割されており、ＩＯＡ’、　　１０Ｂ’Ｉ　ＯＣ’は中
心Ｏに対しそれぞれＩＯＡ、ＩＯＢ。

１０Ｃの対角位置にある。グレーティング１０Ａ。

１０Ａ”によって放射モード光１７Ａが放射され反射光
２ＯＡが入力結合される。また、ＩＯＢ。

１０Ｂ’によって放射モード光１７Ｂが放射され反射光
２０Ｂが入力結合され、１０Ｃ５１００′によって放射
モード光１７Ｃが放射され反射光２０Ｃが入力結合され
る。グレーティング１０の内周側には光検出器２４が形
成されており、中心Ｏを通る４つの直線で八つの領域（
すなわち、２４Ａ、２４Ａ’、２４Ｂ、２４Ｂ’、２４
Ｇ、２４Ｃ’、２４Ｄ、２４Ｄ’）に分割されている。

２４Ｃ，２４Ｄは等分割されてグレーティング１０Ｃの
内周側に面しておりＩＯＣによって入力結合した導波光
の光量を検出する。２４Ｇ’、２４Ｄ”も等分割されて
１００′の内周側に面しており、２４Ａ、２４Ｂ、２４
Ａ’　　２４Ｂ’もそれぞれ１０Ａ１１０Ｂ、ＩＯＡ’
　　　ＩＯＢ”の内周側に面し、それぞれのグレーティ
ングによって入力結合した導波光の光量を検出する。

なお、２４Ｃ，２４Ｄおよび２４Ｇ’、２４Ｄ°の分割
線２５は第２図における光ディスクの回転方向２６に平
行である。

第２図に示すように、光ディスク１５の反射面にはディ
スク回転方向２６に沿って径方向に周期的な案内溝が形
成されており、反射光はディスク径方向に回折し、トラ
ッキングエラー信号は焦点ＦＣからの反射光２０Ｃのデ
ィスク径方向における光量アンバランスとして現れ、導
波光２１の光量をディスク回転方向２６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、加算増幅器２７Ａ１２７Ｂによってそれぞれ２
４Ｇ、２４Ｃ’の和信号と２４Ｄ、２４Ｄ′の和信号を
とり、差動増幅器２８Ａによりそれらの和信号の差分を
とることでトラッキングエラー信号（ＴＥ倍信号が得ら
れる。また、加算増幅器２７Ｃにより２４Ｃ，２４Ｃ’
の和信号と２４Ｄ、２４Ｄ’の和信号を加算して再生信
号が得られる。一方、加算増幅器２７Ｄ１２７Ｅによっ
てそれぞれ２４Ａ、２４Ａ’の和信号と２４Ｂ、２４Ｂ
’の和信号をとり、差動増幅器２８Ｂによりそれらの和
信号の差分をとることでフォーカスエラー信号（ＦＥ倍
信号が得られる。

第１１図は戻り光入射角の変化を示す説明図である。放
射モード光の出射位置ＡでのグレーティングピッチＡは
径ｒの関数として次式で与えられる。

Ａ＝λ／　（Ｎ十ｒ／　（ｆ２＋ｒ２）”２）−−−（
１）ここで、λはレーザ光の波長、Ｎは導波路の等側屈
折率、ｆは焦点距離である（ただし、実際には光デイス
ク反射面は透明板に覆われているので、収束光が平行平
板を透過するときに生じる球面収差を補正する必要があ
り、（１）式はその補正項を加える必要がある）。

放射モード光１７の回折角θは次式で与えられる。

−５ｉｎθ＝Ｎ−λ／Ａ　　　−−−（２）従って、放
射モード光１７が焦点Ｆに集光し、反射面１６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１６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０点にＦＣの方向で入
射する光は効率よく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（入力結合効率）は落ちる
。ＦＣの方向からのずれ角度（θ−θ′）は近似的に次
式で与えられる。

θ−θ’＝ｔａｎ”（２εｒ／（ｆ２＋ｒ２））　　−
−−（３）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１２図（ａ）は反射面の位置に対する戻り光の導波光
への入力結合効率の変化を示す特性図、（ｂ）は反射面
の位置に対するフォーカスエラー（ＦＢ）出力の変化を
示す特性図である。

グレーティングＩＯＡ、　　ＩＯＡ’および１０Ｂ。

１０Ｂ゛により導波光に変換される戻り光の入力結合効
率３８Ａ、３８Ｂは反射面の位置により変動し、結合効
率３８Ａは反射面がＦＡの位置でずれ角度が０となり極
大をなし、結合効率３８Ｂは反射面がＦＢの位置で極大
となる。結合効率はそのまま導波光光量に比例するため
、第４図に示すように差動増幅器２８Ｂにより光検出器
２４Ａ。

２４Ａ゛の和信号と２４Ｂ、２４Ｂ”の和信号の差分を
とることでＦＥ信号出力が得られ、結合効率３８Ａ１３
８Ｂの差分が８字カーブを描くことから、このＦＥ倍信
号反射面のデイフォーカスにたいし８字カーブ特性をな
し、フォーカス制御が可能であることがわかる。

なお、フォーカス制御が行われ反射面がＦＣの位置にあ
るとき、グレーティング１０Ｃ，ＩＯＣ’により導波光
に変換される戻り光の入力結合効率３８Ｇは極大となる
ので、この時のＴＥ信号品質、再生信号品質は良好であ
る。

なお、グレーティングからの放射光の集光点を分離する
方法として、焦点距離ｆをグレーティングの各領域でそ
れぞれ異なった値をとる方法の他に、焦点距離ｆを統一
しグレーティングにおける導波層の厚みを変えることで
それぞれの等側屈折率Ｎを変えて集光点を分離する方法
がある。

例えば、導波層の厚みをＩＯＡ　（１０Ａ”）、１０Ｃ
（ＩＯＣ’　）、ＩＯＢ　（ＩＯＢ”）の順で厚くする
と等側屈折率Ｎはこの順に大きくなり、容易に集光点を
分離することができる。

第１３図は本発明の実施例における光検出部の断面図で
ある。誘電体層２３の導波層１２と接している部分りは
テーパー状であり、外周にむかうにしたがって膜厚が小
さくなり、その最外周部の膜厚はｔｃである。導波光１
２は誘電体層２３との導波層１２との境界面２９におい
て外周方向に伝搬するに従い屈折率のより高い誘電体層
２３に移るが、誘電体層２３の膜厚が小さくなるので再
び導波層１２に戻って境界面２９の領域を通過する。

特にｔｃが誘電体層２３に於ける導波光のカットオフ膜
厚よりも小さければ境界面２９の領域を通過する際のエ
ネルギー損失を小さくすることができる。

一方、反射側導波光２１は境界面２９において内周方向
に伝搬するに従い屈折率のより高い誘電体層２３に移り
、伝搬にともなって誘電体層２３の膜厚が大きくなるの
で再び導波層１２に戻ることなく導波層１２と分岐して
誘電体層２３内の導波光３０となる。この分岐の度合は
境界面２９の長さＬを変えることで調整でき、導波光２
１の全てを導波光３０にすることもできる。誘電体層２
３の内周側には透明層１１との間にグレーティング３１
が形成されている。グレーティング３１により導波光３
０は放射され、光検出器２４によって検出される。例え
ば導波路基板９にシリコン結晶を選び、その上に光検出
器２４を形成すれば応答速度の早い信号検出が可能であ
る。

第１４図は本発明の他の実施例における光学ヘッド装置
の光検出部の断面図である。放射用グレーティング１０
の位置では透明層１１上に金属薄膜３２が形成され、そ
の上に導波層１２が導波層１２よりも低屈折率の誘電体
層１３を挟んで形成されている。この金属薄膜３２によ
って、グレーティング１０により基板側に放射される光
が反射し、空気側に放射される光の光量が増える。光検
出器２４の位置では透明層１１上に導波層１２よりも高
屈折率の誘電体層２３を挟んで導波層１２よりも低屈折
率の誘電体層３４が形成されており、誘電体層２３はそ
の外周側で導波層１２と接している。さらに、低屈折率
の誘電体層３４上には金属薄膜３３が形成され、誘電体
層１３により導波層１２は金属薄膜３３と隔てられてい
る。導波光２１は導波層１２から誘電体層２３に分岐し
、導波光３０となる。誘電体層２３の内周側には透明層
１１との間にグレーティング３１が形成されおり、この
グレーティング３１により導波光３０は放射され、受光
素子２４によって検出される。グレーティング３１によ
り金属薄膜３３側に放射される光はこれを反射するので
、検出光■は増大する。なお、グレーティング３１のか
わりに誘電体層２３の内周側の厚さを導波光のカットオ
フ膜厚よりも小さくすることで導波光３０を放射させ、
これを検出することもできる。

第１５図（ａ）（ｂ）は直線偏光を同心円状の偏光に変
換する原理図である。集光レンズ４により平行光となっ
たレーザ光３９は３９Ａ、３９Ｂ。

３９Ｃ，３９Ｄに示す方向の直線偏光であり、光学軸が
３Ａ方向の１／４波長板３を透過することで直線偏光の
光３９（偏光方向３９Ａ、３９Ｂ。

３９Ｃ，３９Ｄ）は円偏光の光４０（偏光方向４０Ａ、
４０Ｂ、４０Ｃ，４０Ｄ）となる。偏光子２はＴＮ型と
ホモジニアス型の２組の液晶素子によって構成され、透
明基板２Ａ、２Ｂの間にホモジニアス型液晶４３．透明
基板２Ｂ、２Ｃの間にＴＮ型液晶４４を設ける。ホモジ
ニアス型液晶４３は９０度回転の偏光を行い、透明基板
２Ａ、２Ｂの表面にそって同心円状に配向されており、
その光学軸も４３Ａのごとく同心円方向となる。従って
円偏光の光４０（偏光方向４０Ａ、４０Ｂ。

４０Ｇ、４０Ｄ）は光４１（偏光方向４１Ａ、４１Ｂ、
４１Ｃ，４１Ｄ）となる。ＴＮ型液晶４４は透過前後で
偏光方向が反時計方向に４５度回転するものを用い、そ
の結果光４１（偏光方向４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ，４１
Ｄ）は同心円方向の偏光の光４２（偏光方向４２Ａ、４
２Ｂ、４２Ｃ。

４２Ｄ）となる。

なお、ホモジニアス型液晶４３の配向方向は放射状でも
よく、この時ＴＮ型液晶４４に透過前後で偏光方向が時
計方向に４５度回転するものを用いれば同心円方向の偏
光の光４２が得られる。電界ベクトルが同心円状偏光の
光が円錐カプラ８（またはグレーティングカプラ３７）
によって導波層１２内に入力結合されると、導波光１４
はＴＥモードとなり、磁界ベクトルが同心円状偏光の光
ではＴＭモードとなる。

第１６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る。一般にグレーティングのピッ
チに対する凸部の幅（ただし導波層１２の境界面での幅
であり、屈折率変調によるグレーティングの場合は高屈
折率部の幅）の比が１／２のとき放射損失係数は最も大
きくなる。この凸部の幅の比が位置によらず１／２のと
き、放射光は内周から外周にむかって指数関数的に減少
する光分布４５となる。グレーティングの出力結合効率
はグレーティングの放射損失係数を大きくすることで増
大させるこ七ができ、グレーティングの領域内で放射光
の光分布が導波方向に減少してＯとなれば１００％（た
だしパワー分配比を１としたときの値）である。この時
出力結合効率を上げることによって実質的にＮ、　　Ａ
、　　が小さくなるが、放射光の光分布は中心軸１８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
性の劣化は小さい。

なお、凸部の幅の比が１／２からずれる（すなわちＯも
しくは１に近い）はど放射損失係数は小さくなり、凸部
の幅の比を位置に応じて変えることで、放射光の光分布
を変えることができる。例えば、外周から内周にむかっ
て凸部の幅の比が１／２からずれるようにすれば、放射
光を光分布４６のように強度の最大値を外周にずらした
分布にすることができる。光分布４６は光分布４５に比
べ実質的にＮ、　　Ａ、　　が大きく、焦点位置の集光
性がよい。またグレーティングの領域内で放射光の光分
布が導波方向に減少して０となっているので光分布４６
の出力結合効率はほぼ１００％である。

よって出力結合効率と集光性の両立を図ることが容易で
ある。一方、戻り光の光分布は焦点位置の反射面１６を
反射することで中心軸１８に関して放射光の光分布と対
称な光分布となり、これはそのまま戻り光の位置での放
射光の光分布と相似形にある。すなわち、グレーティン
グの出力光分布と入力光分布とが相似形となるので入力
結合効率ηＪは１００％（ただしパワー分配比を１とし
たときの値）である。よって戻り光は効率よく導波光２
１に変換される。

なお、放射損失係数は凸部の幅の比のみならず凹凸の段
差（屈折率変調によるグレーティングの場合は変調部の
屈折率差異）によってもコントロールでき、同様に強度
の最大値を外周にずらした分布にすることができる。

第１７図は半導体レーザのパワー分布と光デイスク反射
面上のビームスポット形状の関係を示す説明図である。

半導体レーザから出射する光はその放射角が接合面方向
に小さく接合面直交方向に大きいので、円錐カプラ８（
またはグレーティングカプラ３７）に入射する光は楕円
状のパワー分布４７（等高線表示）をなす（ａ）。この
パワー分布４７と、円錐カプラ８（またはグレーティン
グカプラ３７）の占める領域４８内での放射損失係数の
大きさ（一定でない場合はその分布）とによって導波層
１２内に入力結合した導波光１４のパワー分布４９が決
まる。一般に入力結合効率を最大にするように入力カプ
ラを設計すると、　（ｂ）に示すように中心点０から偏
角θの方向に伝搬する導波光のパワー分布Ｉ（θ）は楕
円状になり、例えばｙ軸方向は弱くＸ軸方向は強くなる
。

従ってこのようなパワー分布の導波光をグレーティング
によって放射し１つの点に集光させれば（Ｃ）に示すよ
うにＸ軸方向に絞れた楕円状のスポット５２になる。集
光点でのスポット形状は円形状が好ましく、このために
は入力効率を落としてパワー分布Ｉ（θ）を円形状にす
るしかない。

本発明の実施例ではグレーティング１ｏを六つの領域に
分割し、グレーティングｔｏｃ、ｔｏｃ”による放射モ
ード光１７Ｃを反射面上の集光点ＦＣに集光させた。従
って直線５０１５１に挟まれた導波光パワー分布の大き
い領域５４．５５をグＬ／−７−イ７グＩＯＡ、　　Ｉ
ＯＡ’、　　ＩＯＢ、　　１０Ｂ゛に対応させれば、反
射面上の集光点ＦＣに於けるスポット形状５３はＸ軸方
向に膨らんで円形状に近くなる。したがって、入力効率
を落とすことなく集光点でのスポット形状を円形状にす
ることができ、半導体レーザから出射する光を効率的に
利用できる。

なお、本発明の実施例において、出射光の放射回折角の
差異が小さいので半導体レーザの波長変動及び波長誤差
、導波層の膜厚誤差による回折角変動の差異も小さく収
差（すなわち集光性の劣化）も小さい。なお、この場合
の収差は球面収差であり、収差影響は最良像点の位置す
れとして現れ、ソノ品質（集光性、５ＴＲＥＨＬ’Ｓ　
ＤＥＦＩＮＩＴＩＯＮ）　ノ劣化が小さいので、最良像
点が光ディスクの反射面に追従するよう制御されている
限り信号再生特性、信号記録特性などに与える影響は小
さい。また最良像点の位置ずれの方向は反射面の法線方
向にありその位置ずれ量は小さく　（５ｎｍの波長変動
でおよそ４μｍの位置ずれ）、半導体レーザの瞬間的な
波長変動による信号再生、信号記録への影響は小さい。

すなわち、一般にモードホッピングにより２ｎｍ程度の
波長変動が生ずるが、この時の最良像点の位置ずれは反
射面の法線方向に１〜２μｍ程度である。１〜２μｍ程
度のデイフォーカスが生じた時、信号再生、信号□記録
が全くされないわけでなく、その特性（再生特性、記録
特性）は多少劣化するがその程度は小さい。

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、一般にレーザの光を集光する装置と
して適用できるものである。

発明の効果以上本発明の光学ヘッド装置により、円錐型反射プリズ
ムによる入力光強度分布の最適化が図れるため高効率な
入力結合が可能となり、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が高
く、導波光の全てを放射させても集光性は劣化し難く、
集光性を劣化させることなく周期構造（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
になり戻り光の入力結合効率を大きくすることが可能と
なる。また出射光の放射回折角の差異が小さいので半導
体レーザの波長変動及び波長誤差、導波層の膜厚誤差に
よる回折角変動の差異も小さく収差（すなわち集光性の
劣化）も小さい。

なお、この場合の収差は球面収差であり、収差影響は最
良像点の位置すれとして現れ、その品質（集光性、５Ｔ
ＲＥＨＬ’Ｓ　ＤＥＦＩＮＩＴＩＯＮ　）の劣化が小さ
いので、最良像点が光ディスクの反射面に追従するよう
制御されている限り信号再生特性、信号記録特性などに
与える影響は小さい。また最良像点の位置ずれの方向は
反射面の法線方向にありその位置ずれ量は小さく、半導
体レーザの瞬間的な波長変動による信号再生、信号記録
への影響は小さい。また、周期構造の周期内の形状、屈
折率差異などを変えることで出射光の光分布を調整し、
焦点に於ける集光性を高めることができる。また、グレ
ーティングビームスプリッタなどを介せずにフォーカス
制御を行うことが出来るので、光デイスク反射面への伝
達効率と受光素子への伝達効率の両立を図り、ともに高
い効率にすることができる。また、反射光の入力結合効
率の差を利用してフォーカス制御信号の検出を行うので
波長変動に影響を受けない制御を行うことが出来る。ま
た、戻り光の導波光は検出手段によって吸収されるので
、半導体レーザに帰還する光量は小さく半導体レーザの
ノイズを小さくすることが出来る。また、フォーカス制
御信号検出用の分割周期構造を導波光のパワー密度が高
い領域に形成するで、入力効率を落とすことなく集光点
でのスポット形状を円形状にすることができ、半導体レ
ーザから出射する光を効率的に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の実施例における光学ヘッド装
置の構成を示す斜視図、第３図は同実施例における光学
ヘッド装置の断面図、第４図は円錐型反射プリズムによ
って構成される入力カプラの詳細図、第５図は円錐型反
射プリズムによって、光分布が変換される様子を示した
原理図、第６図（ａ）は半導体レーザの発光分布と入力
結合効率を最適化するための円錐型反射プリズム外周形
状を示す構成図、第６図（ｂ）は半導体レーザのＸ方向
とｙ方向の発光分布が円錐型反射プリズムによって変換
される様子を示す原理図、第７図は円錐型反射プリズム
頂角の制約条件を示す概略図、第８図は誘電体層を接着
剤で構成した本発明の実施例における光学ヘッド装置の
構成図、第９図は円錐型反射プリズムと接着剤層の屈折
率を合わせた場合の本発明の実施例における光学ヘッド
装置の構成図、第１０図は本発明の実施例における信号
検出のブロック図、第１１図は本発明の実施例における
戻り光入射角の変化を示す概略図、第１２図（ａ）は本
発明の実施例における反射面の位置に対する戻り光の導
波光への入力結合効率の変化を示す特性図、第１２図（
ｂ）は反射面の位置に対するフォーカスエラー（ＦＥ）
出力の変化を示す特性図、第１３図は本発明の実施例に
おける光検出部の断面図、第１４図は本発明の他の実施
例における光検出部の断面図、第１５図は本発明の実施
例における直線偏光を同心円状の偏光に変換する原理図
、第１６図は本発明の実施例におけるグレーティングか
らの出射光と戻り光との光分布を示す概略図、第１７図
は本発明の実施例における半導体レーザのパワー分布と
光デイスク反射面上のビームスポット形状の関係を示す
概略図、第１８図は従来の光学ヘッド装置の構成図、第
１９図は従来の光学ヘッド装置における集光グレーティ
ングカプラからの出射光の光分布を示す概略図、第２０
図は従来の光学ヘッド装置における集光グレーティング
カプラからの出射光と光デイスク反射面からの戻り光の
光分右図である。１・・透明基板、２・・偏光子２．３・・１／４波長板
、４・・集光レンズ、５・・半導体レーザ、６・・ホル
ダー　７・・レーザ光、８・・円錐型反射プリズム９・
・導波路基板、１０．ｌ０Ａ−Ｃ，ＩＯＡ’〜Ｃ′・・
グレーティング、１１・・透明層、１２・・導波層、１
３・・誘電体層、１４・・導波光、１５・・光ディスク
、１６・・反射面、１７．１７Ａ−Ｃ・・放射モード光
、　１８・・中心軸、ＦＡ、ＦＢ、　　ＦＣ・・集光点
、２０．２０Ａ−Ｃ・・反射光、２１・・反射側導波光
、２３・・誘電体層、２４．　２４Ａ−Ｄ。２４Ａ’　−Ｄ’　・・光検出器。代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　ほか１名一汝匣ｉＫ画軍ｌ　　ヘ検冒蓋０＼派 −ｆＵ［義に々繋４Ｉ徴壷ＬセΦ田Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を
導波路に導き導波光とする結合手段と、一点０を中心に
して前記導波路に設けられた同芯円もしくはスパイラル
の周期構造とを備え、前記導波路の上に設けた誘電体層
と、これに接して配置される円錐型反射プリズムによっ
て前記結合手段を構成したことを特徴とする光学ヘッド
装置。
（２）円錐型反射プリズムの外周形状をレーザ光源の発
光強度分布に倣った形状に形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。
（３）円錐型反射プリズムの屈折率を２．０以上とした
ことを特徴とする請求項１記載の光学ヘッド装置。
（４）円錐型反射プリズムを接着する構造とし、誘電体
層を接着剤層で形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。
（５）円錐型反射プリズムを誘電体層の上に接着する構
造とし、、前記円錐型反射プリズムと接着剤の屈折率が
等しいか、またはその差が小さくなるよう構成したこと
を特徴とする請求項１記載の光学ヘッド装置。