JPH0425725A - 光検出器 - 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】 致夏光互 本発明は、光検出器に関し、より詳細には、グレーティ
ングカプラ及びフォトディテクタを用いた光集積デイバ
イス光メモリに用いられる光ピツクアップにおいて、光
検出部に光集積デバイスを用いるような光検出器に関す
る。例えば、光ピツクアップ、追記書き込み型（ＷＯＲ
Ｍ））−ラック制御のサンプルサーボに適用されるもの
である。

災米技恵 第５図は、光集積デバイスを用いた従来の光ピツクアッ
プを示す図で、図中、４１は光ディスク、４２はフォー
カシンググレーティングカプラ（ＦＧＣ）、４３はツウ
イングレーティングフォーカシングビームスプリッタ、
４４は光導波路、４５はバッファ層、４６はＳｉ基板、
４７はフォトデイテクタ（ＰＤ）、４８はレーザダイオ
ードである。

このような構成において、フォーカス訊差信号（Ｆ○倍
信号はフーコー法を用いているため、フォーカスビーム
スプリッタ４３からフォトディテクタ４７までの距離が
非常に長くなＤ、しかも、両方のフォトディテクタ４７
のスプリットの位置に（対物レンズがディスク面４１上
に合焦のとき）集光スポットがくるようにすることは難
しかった。

また用いられている偏光性回折格子が、波長の変化によ
って特性の大幅に変化するグレーティングカプラである
ため、半導体レーザを使うためには波長安定化の方策を
施す必要がある。

また、先に提案された光集積デバイスを用いた光ピツク
アップは、フォーカシング検出機能のみを有するものや
、フォトディテクタを光軸に近いところに配設したため
フォーカシング誤差信号を検出できないものであった。

目　　　　　的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
光集積デバイスに用いられる先導波路素子固有の特性を
生かすことによＤ、シンプルな構成で、調整箇所も少な
く、フォーカス誤差信号（Ｆ○倍信号を検出し、かつ半
導体レーザの波長制御信号（ＬＭ倍信号を発生し、しか
も光デイスク面上の情報の読取信号（ＲＦ倍信号を出力
する機能を有するような光メモリに用いられる光ピツク
アップの光検出器を提供することを目的としてなされた
ものである。

碧−一」又 本発明は、上記目的を達成するために、（１）導波層を
有する光導波路に光を入射・結合・導波するために、ビ
ームの光軸から外れた位置で前記導波層上に設けられた
複数のグレーティングカプラと、該グレーティングカプ
ラの両側に配置され、該グレーティングカプラによって
結合した光量を検出するための複数のフォトディテクタ
とから成る光検出器において、前記複数のグレーティン
グカプラのピッチΔ□＋Ａ２は、結合方向の長さをり。

垂直入射時の結合を最適にするピッチＡ。とじたの範囲
であること、更には、（２）前記複数のグレーティング
カプラのピッチ八〇、Ａ２が、垂直入射時の結合を最適
にするピッチＡ０に対し、Ａ１＋Ａ、＝２Ａ。

の関係を有するピッチであること、更には（３）前記複
数のグレーティングカプラの間に光導波路の導波層を取
り除くか、または光を吸収する材料を先導波層の上また
は下につけることによＤ、互いに光が干渉しないように
したことを特徴としたものである。以下、本発明の実施
例に基づいて説明する。

第１図（、）〜（ｃ）は、本発明による光検出器の一実
施例を説明するための構成図で、図（、）は平面図、図
（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図（ｃ）は図（ａ
）のＢ−Ｂ’断面図である。

図中、１はフォトディテクタａ、２はフォトディテクタ
ｂ、３はフォトディテクタＣ１４はフォトディテクタｄ
、５はボンディングパットａ、６はボンディングパット
ｂ、７はボンディングパットＣ１８はボンディングパッ
トｄ、９は第１のグレーティングカプラ（ピッチＡｔ）
、１０は第２のグレーティングカプラ（ピッチＡ２）、
１１は導波路ミラー、１２はＡＭ配線パターン、１３は
導波層、１４は導波路ミラ一端面、１５はバッファ層、
１６はＳｉ基板、１７はアイソレーション用の溝、Ｐは
ビームのあたる範囲、Ｑは光軸である。

図（ａ）は、Ｓｉ基板１６上にバッファ層（主にＳｉｎ
、）１５をのせ、その上に導波層１３を載せた光導波路
を示すものである。周期の異なる複数の（本発明の実施
例では２つ）グレーティングカプラ９，１０が、光軸Ｑ
から各々外れた位置に配置されている。

また、複数のグレーティングカプラ９，１ｏの間には、
アイソレーション用の溝１７が掘ってあＤ、各々のグレ
ーティングで結合した光が互いに干渉しないようにしで
ある。この溝１７の両端は光導波路ミラー１１となって
おＤ、結合した光を効率よく、しかも小さなフォトディ
テクタに集光させるため、凹面となっていて電気信号の
高速化に対応している。

第３図はグレーティングカプラの入射角に対する結合光
量特性を示す図で、グレーティングカプラ９，１０の入
射角に対する結合光量特性（各フォトディテクタの出力
信号）は第３図（ａ）のようになる。（但し、入射角θ
は、垂直入射の場合でグレーティングカプラ１０に対し
てはフォトディテクタｂ側へ倒れた時の角度を正とし、
グレーティングカプラ９に対してはフォトディテクタｄ
側へ倒れたときの角度を正とする）。このとき、グレー
ティングカプラ９による最適な結合の入射角θは、僅か
に負に寄ったときに、フォトディテクタｄに入Ｄ、逆に
僅かに正に寄ったときはフォトディテクタＣに入る。θ
＝０のときは両フォトディテクタｃ、ｄに少しづつ入る
ようになっている。グレーティングカプラ１ｏの方は、
θが僅かに正のときにフォトディテクタｂへ最適結合時
の光量が入Ｄ、θが僅かに負のときはフォトディテクタ
ａへ入る。θ＝０のときはフォトディテクタａ、ｂに少
しづつ入るようになっている。このことは１丁度入射光
の先導波路面上に進む方向に最適結合するようになって
いる（＋１次回折による結合）のがグレーティングカプ
ラ９で、グレーティングカプラ１０は戻る方向に最適結
合するようになっている（−次回折による結合）ことに
なる。

グレーティングカプラの構造を結合方向へ対称な構造に
作れば、θが、正負対称になＤ、相対するフォトディテ
クタへ結合することになるため、第３図（ａ）のような
フォトディテクタの出力特性（光量特性）が得られる。

第１図（ｂ）、（ｃ）は、同図（ａ）の１点鎖線Ａ−Ａ
’　、Ｂ−Ｂ’で示した断面を見たものである。グレー
ティングカプラ９，１０で光導波路の導波層１３へ結合
した光は、効率よくフォトディテクタへ導光できるよう
に構成され、図（ｂ）では、導波路ミラー１１の部分は
、全反射ミラーでは導波層１３がなく、場合によっては
、導波路ミラ一端面１４に金属を付けたりして正反射ミ
ラーとして使ったりする。図（Ｃ）は、２つのグレーテ
ィングカプラの間にある溝１７を示したものである。こ
の導波路ミラー１１の代わりにレンズを利用しても良い
。また、フォトディテクタ１〜４の電気容量を特に問題
にしないときは集光光学系を特に作製しなくても良い。

なお、第１図（、）〜（ｃ）において、フォトディテク
タ５〜８の出力をａ　＝　ｄとする場合に、再生信号（
ＲＦ倍信号は（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）。

波長制御信号（ＬＭ倍信号は（ａ十ｂ）−（ｃ＋ｄ）、
このＬＭ倍信号トラッキング誤差信号（ＴＲ信号）に等
しいものであるが、Ｏ〜数Ｈｚの場合がＬＭ倍信号、数
１０Ｈ２〜数１０ＫＨｚの場合がＴＲ信号である。また
サンプルサーボではＲＦ倍信号利用してＴＲ信号を得る
ため帯域による分離をしなくても良い。またフォーカス
誤差信号（Ｆ○倍信号は（ａ＋ｄ）−、（ｂ＋ｃ）であ
る。

第２図は、第１図に示した光検出器を光ピツクアップと
して用いる場合の構成図で、図中、２１は光ディスク、
２２は対物レンズ、２３は接着剤、２４は光検出器、２
５はグレーティングカプラ、２６は１／４波長板、２７
は偏光ビームスプリッタ、２８はコリメートレンズ、２
９は半導体レーザ、３０はペリチエ素子、３１はペルチ
ェ素子ドライブ用アンプである。半導体レーザ２９から
発する光は、コリメートレンズ２８で平行光として、偏
光ビームスプリッタ２７を通り抜けて、対物レンズ２２
により光デイスク２１面上に集光する。

ここで反射した光は、再び対物レンズ２２を通して平行
光となＤ、今度は偏光ビームスブリット２７で反射して
光検出器２４へ垂直に入る。

次に、第１図のグレーティングカプラ９に対応するフォ
トディテクタ（ＰＤ）３．４及びグレーティングカプラ
１０に対応するフォトディテ’）’ｌ　（ＰＤ）１．２
の検出信号による光ディスク２１の情報の読取信号、す
なわち再生信号（ＲＦ倍信号、波長制御信号（ＬＭ倍信
号及び、フォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号について説明
する。第３図（ｂ）は、前述した第３図（ａ）の各グレ
ーティングカプラのフォトディテクタ１，２とフォトデ
ィテクタ３，４の差をとった信号で、このように入射角
に対し、（ａ−ｂ）と、（ｄ−ｃ）は８字カーブとなる
。実際には波長の変化により特性は変化し、例えば波長
λ→大に対し、第３図（Ｃ）では、第１のグレーティン
グカプラ９の特性を示していて、山形のピークは垂直入
射時の方向へ近づき、フォトディテクタｄの特性は右へ
、フォトディテクタＣの出力特性は左へ向く。図（ｄ）
は、第２のグレーティングカプラ１０の特性を示してい
て、波長λ→大で、垂直入射角から、山形の特性は遠ざ
かるように働き、フォトディテクタ１の出力ａは左へ、
フォトディテクタ２の出力すは右へ向かう。本発明の方
式で、第３図（ｂ）のような８字カーブを得るには少な
くとも、これらフォトディテクタの出力信号の山形の特
性の裾がθ＝０にかかるようになっていれば良い。

これらの効果は、グレーティングカプラでの結合が＋１
次回折（第１のグレーテイングカプラ９＝図（Ｃ））及
び、−１次回折（第２のグレーテイングカプラ１０＝図
（ｄ））であることによる。

もし、波長λ＝λ。のときが、光ピツクアップの動作す
べき波長であるとすると、第３図（ａ）のように、２組
の出力信号の特性ａ、ｂ及びｃ、ｄはほぼ重なＤ、θ＝
０（後で述へる対物の光デイスク面上の合焦時）の動作
点では等しくなるため、（ａ　−ｂ　）及び（ｄ−ｃ）
は零となＤ、しかも第３図（ｂ）のように両者の対角度
特性はほぼ重なる。θ＝０のときのこうした特性は、λ
≠λ。のとき、即ち、前述のように図（ｃ）及び図（ｄ
）のような変化、例えばλ〉λ。であると図（Ｃ）では
、θ＝Ｏのときのフォトディテクタｄ及びＣの出力信号
は増え、図（ｄ）では減る。λ〈λ。

ではその逆となＤ、波長制御信号 Ｌ　Ｍ　＝　（ａ、　＋　ｂ　）　−（ｃ　＋　ｄ　）
とすると、波長制御信号（ＬＭ倍信号は、θ＝０におい
て、波長λに対し、第３図（ｈ）のような８字カーブを
得る。この波長制御信号（ＬＭ倍信号によって第２図の
ように、ペルチェ素子３０を制御するなどして、半導体
レーザの波長−温度特性を利用した波長の制御ができる
ようになる。

次に、フォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号について説明す
る。フォーカスの検出は、グレーティングカプラの入射
角θに対する変化を捉えることにより検出する。対物レ
ンズと光ディスクの間の距離が焦点距離ｆよりδだけ長
くなると、戻り光は平行光ではなくなＤ、ビームの半径
をｈとするとビーム周辺の平行からのずれ角は、 の収束光（θ＞Ｏ）となＤ、逆にδだけ短いときは、発
散光（θ＜Ｏ）となる。これを利用すると、第３＠（ａ
）のようなフォトディテクタの出力信号特性が得られ、
フォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号として、 のいずれかを利用することができる。

本発明の構成のとき、とくに、Ｆ○＝　（ａ−ｂ）＋（
ｄ−ｃ）を利用すると、波長のごく僅かな変化に対して
、θ＝Ｏ近傍の出力信号が、一定となるという特徴をも
っている。これを第３図（ｅ）（ｆ）（ｇ）により説明
する。図（Ｃ）２図（ｄ）でも示したように、波長λ→
大に対し、フォトディテクタｄ、ｃの出力信号は特性の
山形がθ＝Ｏ寄りになＤ、フォトディテクタａ、ｂは遠
ざかるように働く。これを図（ｅ）は、フォトディテク
タａとｄについて一緒に、＠（ｆ）は、フォトディテク
タｂ、ｃについて一緒に示したものである。

このようにλ＝λ０のときを中心として、波長が変化す
ると左右に山形が変化する。ところで、θ＝０近傍では
このとき１片方が増加すると片方が減少するという効果
が得られる６即ち、波長λ→大に対しては、図（ｅ）の
場合、ｄ→大、ａ→小となＤ、また図（ｆ）では、Ｃ→
大、ｂ　−＋　ホとなる。これによＤ、対物レンズの合
焦付近（θ＝０）付近では１図（ｇ）に示すように波長
に安定なフォーカス誤差信号（Ｆ○倍信号を得ることが
できる（波長がかわってもθ；０近辺のＦＯ信号の波形
はかわらない）。

次に、光ディスクの情報の読取信号（ＲＦ倍信号は、光
デイスク面上のピットと呼ばれる凸凹による合焦点での
光の干渉によって得られる反射光の光量の変化によって
得られる。すなわち、グレーティングカプラ９，１０で
結合した光の総光量の変化を知ることにより得られる。

従って、情報の読取信号 ＲＦ　＝ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ となる。これもフォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号のとき
に示したように、図ｃｅ＞やｌ１ｉｉｌ（’ｆ）のθ＝
０のときの対波長特性かられかるように、合焦付近での
情報の読取信号（ＲＦ倍信号の波長依存性は少なくなる
。

最後に、グレーティングカプラのピッチＡ１とＡ２につ
いて説明する。

グレーティングカプラのグレーティングの屈折率分布を
ｎ　（ｘ）＝　ｎユｃｏｓ（Ｋ　１ｘ）＋　ｎｃｏｎｓ
ｔとする。ここにｎユは屈折率変調度、ｎ　ｃｏｎｓｔ
は平均屈折率であＤ、ＫはＸ方向のグレーティングベク
トルとする。ここで、グレーティングのスペクトルを求
める。グレーティングカプラの開口をＤとすると。

５ｉｎｃｘ＝　− となる。ｋ、＝にの近くの最初の零クロス点は。

５ｉｎＣ（±π）＝ＯよＤ、 であＤ、開口りが大きいほど、シンク関数の幅が狭くな
ることを示している。第４図（、）はシンク関数を示す
。

いま、グレーティングカプラのピッチＡ□及びＡ２は±
１次回折光による結合のときは少なくとも、 ここに、Ｋｏは垂直入射条件を完全に満たすときのグレ
ーティングカプラ（ピッチＡ、）のグレーティングベク
トル 八〇 に□、に２はそれぞれグレーティングカプラ９及び１０
のグレーティングベクトルで、 である。グレーティングカプラの結合効率がｎ　（ｘ）
の変調度にほぼ比例する範囲では、スペクトル５（ｋｌ
ｌ）の大きさがそのｋ。に対応する入射結合条件におけ
る結合効率と考えられるので、グレーティングカプラ９
及び１ｏの垂直入射時のに、＝に工ｊ　Ｋ、に対し、両
者とも零になる位置（第４図（ｂ））よりに０に近くな
ければならないため、この不等式が成立する。変型して
、なるピッチＡ　１　Ｈ Ａ２でなけれなばならない。

こう すると、 結合条件式は光導波路の等側屈折率をＮとして、 よりθ１〉Ｏｌ θ！　＜　０ （ｎｏは入射媒質の屈折率） λ θ工。

θ２は垂直入射、 即ちθ＝０に近い非常に小 さな値である。

現実には、入射角θに対する結合光量特性が、第４図（
Ｃ）のようになっているときが限界であＤ、これよりも
、θ□及びθ２が互いに近い状態で扱うのが良い、その
とき、前述のフォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号や情報の
読取信号（ＲＦ倍信号の波長安定化の機能を有効に生か
すために、また、波長制御信号（ＬＭ倍信号を効果的に
得るためには、グレーティングカプラのピッチＡ工やＡ
２は、Ａｏに対して大小対称に八〇からずらした大きさ
にとるのが良い。従って、 Ａ□＋Ａ２＝２Ａ。

にとるのが良い。こうすると、入射角θ＝０に対λ、＝
ＮＡ２ よＤ、基準入射光λ。＝ＮＡ、、を中心に対称となるた
め、波長制御信号（ＬＭ倍信号はλ＝λ。においで、零
となる８字カーブ（第３図（ｈ））が得られ、グレーテ
ィングカプラ９及び１ｏの特性が、λの変化に伴って対
称に変化するため、第３図（ｅ）＋　　（ｆ）＋　　（
ｇ）で説明したような波長に対する変化が少ないフォー
カス誤差信号（Ｆ○倍信号や情報の読取信号（ＲＦ倍信
号が得られる。

これらはもちろん電気的に補正を加えることも可能であ
るが、この光検出器の作製の段階でできる限Ｄ、最適な
条件にしておいた上で、最終的に微調を電気で行なうの
が望ましい。光ディスクのトラック方向との兼ね合いを
考えることによＤ、グレーティングカプラ９とグレーテ
ィングカプラ１０の結合光量差（ａ＋ｂ）　＝（ｃ＋ｄ
）（波長制御信号ＬＭと同じ）は、トラック誤差信号（
ＴＲ信号）の検出も可能である。このとき比較的緩やか
な変化をする波長制御信号（ＬＭ倍信号は、０〜数Ｈｚ
　＜らい、トラック誤差信号（ＴＲ信号）は、数十Ｈｚ
＜らいから、数十ＫＨｚというように分けて使う（プッ
シュプル法によるＴＲ信号の帯域の下限は、通常ディス
クの回転で決まる）。

羞−一来 以上の説明から明らかなように、本発明によると、以下
のような効果がある。

（１）複数のグレーティングカプラを光軸から外すこと
によＤ、Ａ、＜Ａ、＜Ａ工なるピッチＡ１゜Ａ２の２つ
のグレーティングは、波長制御信号以外に、フォーカス
誤差信号の出力も可能となった。

（２）複数のグレーティングカプラが設計時の波長λ＝
λ。、入射角θ＝０において波長制御信号ＬＭ＝Ｏを自
動的に満たすようになＤ、電気的な調整が必要なくなっ
た。また、フォーカス誤差信号（ＦＯ倍信号や情報の読
取信号（ＲＦ倍信号が、λ＝λ、の近傍において波長が
変化しても変化しなくなった。

（３）複数のグレーティングカプラで結合した導波光が
互いに隣のフォトディテクタへ流入し影響し合うことが
なくなＤ、いわゆるクロストークが非常に小さくなった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光検出器の一実施例を説明する
ための構成図、第２図は、第１図に示した光検出器を光
ピツクアップとして用いた場合の構成図、第３図は、グ
レーテングカプラの入射角に対する結合光量特性を示す
図、第４図は、シング関数及び入射角に対する結合光量
特性を示す図。 第５図は、光集積デバイスを用いた従来の光ピツクアッ
プを示す図である。 １・・・フォトディテクタａ、２・・・フォトディテク
タし、３・・・フォトディテクタＣ１４・フォトディテ
クタｄ、５・・・ボンディングパットａ、６・・・ボン
ディングパットｂ、７・・ボンディングパットＣ１８・
・・ボンディングパットｄ、９・・第１のグレーティン
グカプラ（ピッチＡ工）、１０・・・第２のグレーティ
ングカプラ（ピッチＡ２）、１１・・・導波路ミラー、
１２・・・ＡＱ、配線パターン、１３・・・導波層、１
４・・・導波路ミラ一端面、１５・・バッファ層、１６
・・・Ｓ　ｉ　基板、　１７・・・アイソレーション用
の溝、Ｐ・・・ビームのあたる範囲、Ｑ・・・光軸。 特許呂願人　　株式会社　リ　コ 第 図 （Ｃ） （ａ） 第 図 （ｂ） 出力信号 （ｈ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導波層を有する光導波路に光を入射・結合・導波す
   るために、ビームの光軸から外れた位置で前記導波層上
   に設けられた複数のグレーティングカプラと、該グレー
   ティングカプラの両側に配置され、該グレーティングカ
   プラによって結合した光量を検出するための複数のフォ
   トディテクタとから成る光検出器において、前記複数の
   グレーティングカプラのピッチΛ＿１、Λ＿２は、結合
   方向の長さをＤ、垂直入射時の結合を最適にするピッチ
   Λ＿０とした場合に、 Λ＿０＜Λ＿１＜Λ＿０（１＋Λ＿０／Ｄ）Λ＿０（１
   −Λ＿０／Ｄ）＜Λ＿２＜Λ＿０の範囲であることを特
   徴とする光検出器。 ２、前記複数のグレーティングカプラのピッチΛ＿１、
   Λ＿２が、垂直入射時の結合を最適にするピッチΛ＿０
   に対し、 Λ＿１＋Λ＿２＝２Λ＿０ の関係を有するピッチであることを特徴とする請求項１
   記載の光検出器。