JPH04205732A - 光ピックアップ - Google Patents

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〕 本発明は光情報記録再生装置の光ピックアップに関し、
特に、光導波路を用いた光ピックアップに関する。

〔従来の技術〕

従来、画像信号や音声信号等の記録媒体として光ディス
クや光磁気ディスク等の光記録媒体を用いる光情報記録
再生装置が実用化されているが、この光情報記録再生装
置において、光記録媒体に記録されている信号を読み取
るための光ピックアップに光導波路（導波路素子）を用
いたものが提案されている（例えば、特開昭６３−６１
４３０号公報参照）。

ここで、第６区は従来の光導波路を用いた光ピックアッ
プの一例を示すものであって、以下、この従来技術につ
いて説明する。

第６図において、光源１１６からの出射光１１５はコリ
メートレンズ１１７を通り透明基板１２３を透過し、対
物レンズ１１８を通って光デイスク１１３上の記録媒体
面１１４に集光する。そして、記録媒体面１１４からの
反射戻り光は再び対物レンズ１１８を通って集束され、
透明基板］２３上の２分割集光グレーティングカプラー
１３１．１３２に入射し、回折によって透明基板１２３
上の光導波層１２２に結合する。

この結合後については第８図を参照して説明する。

尚、第８図は第６図に示す光ピックアップの光導波路の
平面形状と電気回路を示すものである。

第８図において、グレーティングカプラー１３１゜１３
２により２分割集束された先導波層１２２中の２光束１
１５”は、合焦時において光検知器ＰＤＩ、　ＰＤ２及
びＰＤ３．　ＰＤ４の中心に夫々集光するようになって
いる。ここで、各光検知器ＰＤＩ、　ＰＤ２及びＰＤ３
．　ＰＤ４の光電変換出力を夫々Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄとする
とき、焦点誤差信号△Ｆは、 △Ｆ＝（Ａ＋ＤＩ−（Ｂ＋Ｃ） で与えられ、トラッキング誤差信号△Ｔは、△Ｔ＝（Ａ
＋Ｂ）−（Ｃ十Ｄ） で与えられ、記録信号Ｓは、 Ｓ＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ で与えられる。

次に、第７図は従来技術による光ピックアップの別の例
を示すものであって、第７図に示す光ピックアップは、
第６図の透明基板１２３の代わりに不透明の半導体基板
１５０を用いた例であり、光源１１６からの出射光１１
５はコリメートレンズ１１７を透過した後、光導波層１
２２及び基板１５０との界面で反射されて対物レンズ１
１８方向へ向かうようになっており、この点が第６図の
例とは異なっている点であるが、その他の構成は同様で
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第６図乃至第８図に示した従来の光ビッグア
ップにおいては、光記録媒体からの戻り光を先導波層１
２２に結合させるために２分割集光型のグレーティング
カプラー１３１．１３２を用いている。このグレーティ
ングカプラー等、導波路への入射光の結合器（カプラー
）において、特定の導波モードを導波路へ導波するため
には、特定の入射角でカプラーに光を入射させる必要が
あり、この特定の入射角より実際の入射角がずれると導
波モードの励起効率が低下するという問題がある。

一般に、この角度ずれによる励起効率の低下は、入射光
の光束の導波路上への投影された長さ（光の進行方向の
奥行き）が長いほど大きくなり、短いほど小さくなる。

すなわち、入射光束の幅か大きいと特定の入射角からの
ずれによる励起効率の低下が大きいため、入射角の調節
に高精度を必要とし、高効率の維持も困難になる。この
ため、光ピックアップ全体の光利用効率が低下し、Ｓ／
Ｎ比が低下するという問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、導波
路素子と光カプラーを用いた光ビッグアップにおいて、
カプラーへの入射角のずれにより生じる結合効率の低下
を防ぐことにより、光利用効率の低下及びそれより生じ
る記録信号読み取り時におけるＳ／Ｎ比の低下を防ぐこ
とを目的とし、これらの問題が解消された光ピックアッ
プ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〕

上記目的を達成するため、本願請求項１記載の光ピック
アップは、光源と、光源からの出射光を略平行光束にす
る光学系と、信号検出用の導波路素子と、凹凸レンズよ
り成るビームエキスパンダー／コンプレッサーと、集光
用の光学系とを備え、上記ビームエキスパンダー／コン
プレッサーは、上記導波路素子と集光用光学系との間に
配置されており、このビームエキスパンダー／コンプレ
ッサーにより、より細いビームがカプラーに入射するよ
うにされている。そして、上記信号検出用導波路素子は
、基板上に形成された光導波路と、この光導波路に光を
結合させるカプラーと、光を分割集光する導波路光学素
子と、光検出器とから構成されている。

また、本願請求項２記載の光ピックアップでは、上記構
成の光ピックアップにおいて、光源として半導体レーザ
を用い、凹凸レンズより成るビームエキスパンダー／コ
ンプレッサーの代わりに、ビ−ムの一方向のみを拡大す
るビーム整形器を用いた構成となっている。

〔作　　用〕

請求項１記載の光ピックアップにおいては、集光用光学
系と、カプラー（光結合器）を備える信号検出用導波路
素子との間に、ビームエキスパンダー／コンプレッサー
を設けたことにより、このビームエキスパンダー／コン
プレッサーが無い場合ニ比べて、より細いビームをカプ
ラーに入射させることが可能になる。従って、入射ビー
ムに対する導波路素子の配置精度、特に角度の許容度が
大きくなり、入射角度の設定がより容易になる。

また、請求項２記載の光ピックアップにおいては、光源
に出射ビームが楕円形となる半導体レーザを用い、ビー
ムエキスパンダー／コンプレッサーの代わりにビーム整
形器を用いているため、奥行き方向が横方向に対して細
い入射ビームを導波路素子に入射させることができる。

したがて、請求項１の構成と同様の作用効果を持つこと
に加え、より大きなＮＡ（開口数）のコリメートレンズ
を用いることができるようになる。

〔実　施　例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す光ピックアップの概略
構成図、第２図は同上光ピックアップの信号検出用導波
路素子の平面図である。

第１図及び第２図において、符号１は光源、２はコリメ
ートレンズ、３は信号検出用の導波路素子、４は導波路
素子３の透明基板、５は基板４上に装荷された先導波層
、６はプリズムカプラー、７は導波路凹面鏡、９　（９
ａ、　９ｂ、　９ｃ、　９ｄ）は光検知器、１０ａ、　
１０ｂはビーム整形器として作用するプリズム、１１は
対物レンズ、１３は基板１２上に形成された光記録媒体
を夫々示している。

第１図において、光源１からの出射光はコリメートレン
ズ２により平行光束にされ、導波路素子３上のプリズム
カプラー６に入射する。そして、プリズカプラ−６と導
波路素子３の透明基板４上に装荷された先導波層５との
境界において反射された入射光の一部は再びプリズムカ
プラー６を出射し、プリズム１０ａ及び１０ｂにより光
束を広げられ、対物レンズ１１により基板１２上の光記
録媒体１３の記録面上に集光する。そして、光記録媒体
１３の記録面からの戻り光は再び対物レンズ１１及びプ
リズム１０ａ、　ｌｏｂを通って光束が狭められてプリ
ズムカプラー６に入射する。そして、プリズムカプラー
６により戻り光の一部は導波路素子３の先導波層５に結
合し、光導波層５中を伝搬してゆく。

次に第２図において、導波路素子３の先導波層５中を伝
搬する導波光は、導波路凹面鏡７により２分割され、光
検知器９ａ、　９ｂ及び９ｃ、　９ｄの夫々中間に集光
する。

ここで、光源１としては、空間的及び時間的コヒーレン
スの良いものか望ましく、本実施例では半導体レーザを
用いている。次にコリメートレンズ２及び対物レンズ１
１に関しては、通常レンズの他に、非球面レンズ、分布
屈折率レンズ、フレネルレンズ、及びそれらの組合せ等
が考えられる。

また、この実施例では光源として半導体レーザを＝８− 用いているため、ビームの一方向のみを拡大するビーム
整形器としてプリズム１０ａ、　１０ｂを用いているが
、プリズム１０ａ、　１０ｂの代わりに、凹及び凸のシ
リンドリカルレンズでも代用することができる。

また、プリズム１０ａ、　１０ｂは２個使用して、透過
する光線の方向が変化しないように配置されているが、
光束の方向が変わってもよければ１つでもかまわない。

また、導波路素子３は、透明基板４上に光導波層５、プ
リズムカプラー６か装荷されている。このとき、透明基
板４、先導波層５、プリズムカプラー６の屈折率を夫々
ｎ、、ｎ、、ｎいとするとき、 ｎ　、　＜　ｎ　ｔ　＜　ｎ　ｐ を満たさなければならない。

また、導波路凹面鏡７は、フ第１・リソグラフィによる
パターニングにより、ドライ、ウェットのエツチング、
切削、イオンミーリング等の方法により先導波層５を除
去することにより作製できる。

また、光検知器９ａ、　９ｂ、　９ｃ、　９ｄについて
は、α−８１をＣＶＤ等で光導波層上に装荷した光検知
器を示している。

また、透明基板４及び光導波層５の材料については、誘
電体、ガラス、プラスチック、半導体等が考えられ、光
導波層５の形成方法としては、蒸着、スパッタリング、
塗布、結晶成長、酸化、イオン注入、イオン交換、熱拡
散等の方法が考えられる。

また、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板を透明基板４の代
わりに用いると、光検知器９ａ、　９ｂ、　９ｃ。

９ｄを基板中に不純物拡散及び結晶成長法等により直接
作成することが可能となる。もし基板４として光源１の
波長に対して不透明な材料を用いる場合には、光導波層
５と基板４の間に透明材料の薄膜からなるバッファ層を
設ければよい。

次に、導波路素子３上のプリズムカプラー６、導波路凹
面鏡７、及び光検知器９ａ、　９ｂ、　９ｃ、　９ｄの
配置については、対物レンズ１１による光束の焦点が正
しく光記録媒体面上にある場合（合焦位置）に、導波路
凹面Ｒ７の２つの集光束の焦点が光検知器９ａ、　９ｂ
及び９ｃ、　９ｄの夫々中間に集光するようにプリズム
カプラー６、導波路凹面鏡７、光検知器９ａ、　９ｂ、
　９ｃ、　９ｄの配置を調節しておく。

次に上記光ピックアップの信号検出動作について説明す
る。光検知器９ａ、　９ｂ、　９ｃ、　９ｄの各出力を
Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄとすると、焦点誤差信号△Ｆは、ΔＦ＝
（Ａ十Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ） で与えられ、トラッキング誤差信号△Ｔは、△Ｔ　＝（
Ａ　十Ｂ）−（Ｃ十Ｄ） で与えられ、記録信号Ｓは、 Ｓ＝Ａ＋Ｂ十Ｃ＋Ｄ で与えられる。

合焦状態から光記録媒体１３が対物レンズ１１に近づい
た場合、導波路素子３への戻り光は合焦時に比べて発散
ぎみの光束となり、Ａ＜ＢかつＣ＞Ｄとなり、ΔＦ＜０
となる。反対に光記録媒体１３が対物レンズ１１から遠
ざかった場合、導波路素子３への戻り光は収束ぎみとな
り、Ａ＞ＢかっＣ＜Ｄとなる。このため、ΔＦ＞Ｏとな
る。

したがって、ΔＦ＝Ｏとなるようにアクチュエータ（図
示せず）により対物レンズ１１のみ、あるいはピックア
ップ全体を光軸方向に動かすことにより、オートフォー
カシングが可能になる。

また、トラッキングについては、ΔＴ＝Ｏとなるように
、やはりアクチュエータにより対物レンズ１１のみ、あ
るいはピックアップ全体をトラック方向に垂直に動かす
ことによりオートトラッキングが可能になる。

また、光源１として半導体レーザを用いた場合、出射ビ
ームの形状（強度分布）は活性層に対し垂直方向が長く
水平方向が短い楕円状となる。このため、コリメートレ
ンズ２のＮＡ（開口数）を大きくシ、出射ビームを全て
受光するとすると、平行ビームは楕円状の強度分布を持
つことになる。

このため、活性層を第１図の紙面に平行になるように半
導体レーザを配置すると、楕円状の入射ビームの長径方
向が第１図の紙面に垂直な方向になり、後述するような
理由で入射角の許容範囲が広がることになる。この時、
出射光の電界ベクトルは第１図の紙面に平行となるが、
この方向を変化させたければ、コリメートレンズ２とプ
リズム力ブラー６の間に適当な方向の１／２波長板を挿
入することにより、光軸に対して垂直な任意の方向に電
界ベクトルの向きを設定することができる（尚、このこ
とは本発明の全ての実施例について共通である）。

次に、別の実施例を第３図を用いて説明する。

本実施例では、第１図及び第２図で説明した実施例にお
ける導波路素子３とは構成が異なる導波路素子を用いた
例であり、この導波路素子では、プリズムカプラー６の
代わりにグレーティングカプラー６”を用い、導波路凹
面鏡７の代わりに導波路レンズビームスプリッタ８ａ、
　８ｂを用いている。

上記グレーティングカプラー６゛としては、直線状の装
荷型を採用しているが、やや曲線状でもよく、体積位相
をでもよい。また、導波路レンズビームスプリッタ８ａ
、　８ｂは、光導波層５より高屈折率の材料を装荷し、
第３図のような形状にパターニングしたもので、グレー
ティングカプラー６“からの光束を２分割し、光検知器
９ａ、　９ｂ及び９ｃ。

９ｄの中間に夫々集光させる働きをする。

尚、これら以外の部分は第１図、第２図の実施例とほぼ
同様であるが、焦点誤差信号ΔＦ−（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋
Ｃ）の符号は第１図、第２図の実施例の場合に比べ反対
となる。この他の信号は全て同様である。また、この実
施例は基板で入射光を反射させているため、基板に反射
性の半導体材料、金属材料を用いるか、あるいは基板４
と先導波層５の間に金属等の反射膜や反射用多層膜等を
設ける必要がある。

次に第３の実施例を第４図を用いて説明する。

この実施例においては、第１図及び第２図に示した実施
例と異なり、光源１からの出射光がコリメートレンズ２
で平行光束とされた後、ハーフミラ−あるいは偏光ビー
ムスプリッタ１４を通り、ビーム整形器として作用する
プリズム１０ａ、　１０ｂを通って光束が広げられて対
物レンズ１１により光記録媒体１３上に集光する。光記
録媒体１３からの戻り光は再び対物レンズ１１を通って
平行光束とされた後、プリズム１０ａ、　１０ｂを通っ
て光束を細められ、ハーフミラ−あるいは偏光ビームス
プリッタ１４によす反射され、プリズムカプラー６に入
射する。

尚、導波路素子３の平面的構成は、第２図あるいは第３
図に示したもの等が適用できる。また、導波路素子３の
作製法及び各種信号の検出方法は第１図、第２図、第３
図の各実施例の場合とほぼ同様である。また、この実施
例ではプリズム（あるいは凹及び凸のシリンドリカルレ
ンズ）１０ａ、　１０ｂを偏光ビームスプリッタ１４と
導波路素子３との間に設けてもよい。

次に、別の実施例について述べる。

光源１として、これまでの実施例では、主に出射ビーム
が楕円状になる半導体レーザを用いていたが、この他に
各種固体レーザ、気体レーザ、第２高調波発生器、ＬＥ
Ｄ等が考えられる。これらの光源の場合、出射ビームが
円形に近い光源であるため、コリメートレンズのＮＡや
焦点距離を調節することにより、細い円形平行ビームを
得ることができる。この場合には、第１図乃至第４図の
各実施例において、プリズム１０ａ、　１０ｂの代わり
に、凹レンズと凸レンズを組み合わせたビームエキスパ
ンダー／コンプレッサーを挿入する。すなわち、ビーム
エキスパンダー／コンプレッサーを挿入し、ビームエキ
スパンダー作用により光束を広げることにより対物レン
ズに必要な光束の径を保ち、戻り光に対してはコンプレ
ッサー作用で導波路素子３に入射する光束を小さくする
ことができる。

尚、上記各実施例において、集光用光学系とビームエキ
スパンダー／コンプレッサーあるいはビーム整形器は、
必ずしも分離して存在する必要はなく、一体的に形成さ
れていてもよい。

次に、第１図乃至第４図の各実施例における導波路素子
３に用いられるカプラーとしてのプリズムカプラー６あ
るいはグレーティングカプラー６゜の入射ビーム径と結
合効率との関係についてやや詳しく説明する。

第５図はカプラーがプリズムカプラーの場合を示してい
る。

波長λの光源の場合、入射光の波数ｋ。は、ｋ０＝２π
／λ で与えられる。

プリズムカプラー６の場合、入射光の入射角をＯとし、
プリズムカプラー６の屈折率をｎｐ１光導波層５中の結
合したいモードの伝搬定数をβとするとき、 β＝ｎ　ｐ　ｋ　ｏ　Ｓ　ｌ　ｎ　６　＋　ｎ　　　　
　　　　　”　’　（１）となるような入射角θ＝θ１
．．を選ぶ必要がある。

しかし、実際の入射角ＯがＯｌ、、からやや異なった場
合、式（１）の条件からはずれてしまう。これを位相不
整合量２△と呼ぶ。この２Δは以下のように表わせる。

２△＝β−ｎｏｋｏｓ１ｎθ　　　　　　・（２）この
ような状態のときの入射光の光導波層５中の伝搬定数β
を持つ導波モードへの結合効率ηは、以下の式に比例す
る。

η（ｆｌ／［１＋（△／Ｃ）’：］　　　　　・・・（
３）ここでＣは結合定数であり、プリズムカプラー６の
場合にはプリズムカプラー６と光導波層５の距離に関係
するので、入射光によって発生するエバネッセント波と
導波モード光との結合の強度を表わす定数である。

次に、（１）式の条件か満たされた場合、位相不整合量
はΔ＝Ｏとなる。このときエバネッセント波から導波モ
ード光へパワーが最大移行するのに必要な距離を結合長
しとすると、Ｌは、Ｌ−π／（２Ｃ）　　　　　　　　
　　　・・・（４）で表わされる。

第５図において、入射光の先導波層５へ平行な方向への
射影を２とする。このとき、ＩＱ＝ＬとなるようにＣを
選ぶ。すなわち、プリズムカプラー６と光導波層５との
距離を調節すると最も効率よくエバネッセント波から導
波モード光へ光のパワーが移行することになる。

ここで、（４）式の関係から入射ビームの奥行き方向の
径が大きくなる、すなわちΩが長くなった場合、Ｒ＝Ｌ
を満たすためにＬが大きくなる。このためには結合定数
Ｃを小さくする必要がある。

このとき、Δ＝０で完全に入射角Ｏ−θ、。のときは最
大の結合効率ηが得られるが、Ｏ≠Ｏ３、でΔ≠０の場
合のηは（３）式に従う。このとき特定の位相不整合量
△が存在するときの結合効率ワは、結合定数Ｃが小さい
ほど小さくなる。すなわち、入射ビームの奥行き方向の
径が大きいほど、特定の角度ずれに対する結合効率の低
下が大きくなることになる。このため、径の大きな入射
ビームはど、Ｏｌｎからの角度のずれの許容値が小さく
なる傾向になる。

このため、結合効率ηを高く保つ許容角度精度は、ビー
ム径をより小さくすることで緩くすることができる。

したがって、本発明のようにビームエキスパンダー／コ
ンプレッサーあるいはビーム整形器を設けて、先導波層
に結合される戻り光束のビーム径を細くした場合には、
許容角度精度をゆるくすることができ、結合効率ηを高
く保つことができる。

尚、カプラーとしてグレーティングカプラーを用いた場
合については、（２）式の第３項にに＝（２π／Δ）の
項を加えるだけで同じ議論が成り立つ。尚、Ａは格子定
数である。

〔発明の効果〕

以上、図示の実施例に基づいて説明したように、本願請
求項１記載の光ピックアップにおいては、集光用光学系
と、カプラーを備える信号検出用導波路素子との間に、
ビームエキスパンダー／コンプレッサーを設けたことに
より、このビームエキスパンダー／コンプレッサーが無
い場合に比べて、より細いビームをカプラーに入射させ
ることが可能になる。従って、入射ビームに対する導波
路素子の配置精度、特に角度の許容度が大きくなり、入
射角度の設定がより容易になるため、結合効率の低下を
防ぐことができ、Ｓ／Ｎ比の低下も防ぐことができる。

また、請求項２記載の光ピックアップにおいては、光源
に出射ビームが楕円形となる半導体レーザを用い、ビー
ムエキスパンダー／コンプレッサーの代わりにビーム整
形器を用いているため、奥行き方向が横方向に対して細
い入射ビームを導波路素子に入射させることができるた
め、請求項１の構成と同様の作用効果を持つことに加え
、より大きなＮＡ（開口数）のコリメートレンズを用い
ることができるようになるため、光の利用効率をさらに
大きくすることができ、信号のＳ／Ｎ比を大きくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光ピックアップの概略
構成図、第２図は同上光ピックアップの信号検出用導波
路素子の平面図、第３図は本発明の別の実施例を示す信
号検出用導波路素子の平面図、第４図は本発明のさらに
別の実施例を示す光ピックアップの概略構成図、第５図
はカプラーへの入射ビーム径と結合効率との関係の説明
図、第６図乃至第８図は従来技術の説明図である。 １・・・・光源、２・・・・コリメートレンズ、３・・
・・信号検出用の導波路素子、４・・・・基板、５・・
・・光導波層、６・・・・プリズムカプラー、６゛・・
・・グレーティングカプラー、７・・・導波路凹面鏡、
９゜９ａ、　９ｂ、　９ｃ、　９ｄ−光検知器、１０ａ
、　１０ｂ・・−ビーム整形器あるいはビームエキスパ
ンダー／コンプレッサー、１１・・・対物レンズ、１３
・・・・光記録媒体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と、光源からの出射光を略平行光束にする光学
   系と、信号検出用の導波路素子と、凹凸レンズより成る
   ビームエキスパンダー／コンプレッサーと、集光用の光
   学系とを備え、上記ビームエキスパンダー／コンプレッ
   サーは上記導波路素子と集光用光学系との間に配置され
   、該ビームエキスパンダー／コンプレッサーにより、よ
   り細いビームがカプラーに入射するようにされており、
   且つ、上記信号検出用導波路素子は、基板上に形成され
   た光導波路と、この光導波路に光を結合させるカプラー
   と、光を分割集光する導波路光学素子と、光検出器とか
   ら構成されていることを特徴とする光ピックアップ。 ２、請求項１記載の光ピックアップにおいて、光源とし
   て半導体レーザを用い、凹凸レンズより成るビームエキ
   スパンダー／コンプレッサーの代わりに、ビームの一方
   向のみを拡大するビーム整形器を用いることを特徴とす
   る光ピックアップ。