JPH0427901A - 複屈折回折格子型偏光子 - 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、 光ピツクアップ等において用いられ る複屈折回折格子型偏光子に関する。

従来の技術 従来、 この種の複屈折回折格子型偏光子として第３図に示すよ
うなものがある。これは、”　８８春の応用物理学会予
稿集ｐ、８４８において「２９ａ−ＺＨ−１０複屈折回
折格子型偏光子」として発表されたものであり、光学的
異方性を持つ結晶、ここではＬｉＮｂ０．基板ｌの光学
軸を含む面に例えば１００７１１１ピツチの周期的なイ
オン交換を施してプロトン交換領域２を形成することに
より出射側回折格子３を形成し、このプロトン交換領域
２上に誘電体膜４を装荷することにより入射側回折格子
５を形成した構造を持つ。プロトン交換領域２では、波
長１１３μｍの異常光線に対して屈折率が０．０９ｐｍ
増加し、常光線に対しては約０．０４減少する。よって
、プロトン交換領域２での常光線の位相差を誘電体Ｍ４
で相殺することにより、常光線は直進させ、異常光線だ
けを回折させ得る偏光子となる。即ち、このような複屈
折回折格子型偏光子６は、相直交する２直線偏光を回折
光と透過光とに分けるものである。ここでは常光線成分
と異常光線成分とを含む入射光をＯ１±１重回折光に分
ける。

よって、このような複屈折回折格子型偏光子６は光磁気
ディスク装置における光磁気信号の読取り用として用い
ることができる。第４図は、′　８９秋の応用物理学会
予稿集ｐ、９７２においてｒ３０ａ−ＰＢ−３光磁気デ
ィスクヘッド用検光子機能付きホログラム光学素子」と
して発表された光磁気ディスク用の光ピツクアップへの
応用例を示すものである。この光ピツクアップは、半導
体レーザ７から射出されたレーザ光をレンズ８、偏光ビ
ームスプリッタ９、対物レンズ１０を経て光磁気ディス
ク１１に集光照射し、光磁気ディスク１１からの反射光
を再び対物レンズ】０を経て偏光ビームスプリッタ９で
反射させ入射光と分離し、レンズ１２を経てホログラム
光学素子１２で受光素子１４に分離結像させるものであ
る。このホログラム光学素子１２が第３図に示した複屈
折回折格子型偏光子機能を利用したもので、第５図に示
すようにＯ９±１９上折光に分けて８分割の受光素子１
２に結像させ、焦点誤差、トラック誤差とともに、光磁
気信号の検出に供するものである。ここに、光磁気信号
は＋１次光と一１次光との合計光量と、０次光の光量と
の差により検出される。

一方、光磁気信号を読取るためのホログラムはそのピッ
チを細かくすることによっても実現される。即ち、表面
レリーフ型グレーティングの波長とピッチ、深さを適宜
制御することで、ＴＥとＴＭとの偏光の回折効率が異な
るからである（′８７秋の応用物理学会予稿集ｐ、７０
３参照）。第６８！Ｉは、このような表面レリーフ型グ
レーティング１４の断面形状を誇張して示したものであ
り、ピッチＡ＝０．３２ｐｍ、深さｄ＝ｏ、２５４ａ、
入射光の波長λ＝０．８３μｍの場合であれば、その回
折効率と格子ピッチ依存性との特性は第７図のようにな
る。図中、実線はＯ次ＴＭ、−点鎖線は０次ＴＥ、二点
鎖線は１次ＴＥ、破線は１次ＴＭを示す。ここに、表面
レリーフ型グレーティングは、その格子深さをピッチ以
上であって２倍程度の深溝とすれば、さらに高い効率が
得られることも知られている。

発明が解決しようとする課題 ところが、第３図に示したような複屈折回折格子６を利
用した光磁気ピックアップにあっては、ピッチが１１０
０ｐと大きいため、ラマン−ナス回折現象によるもので
ある。よって、回折効率は高々３４％程度と低いもので
ある。また、＋１次光と一１次光との両方を検知するこ
とにより６８％となったとしても、＋１次光と−１次光
とに対する受光素子は別個であるため、各々の受光素子
の雑音も各々独立に生ずるものとなり、Ｃ／Ｎはやはり
３４％の回折効率時のものと同等となる。よって、高い
Ｃ／Ｎを望めないものである。

また、第６図に示したような微小ピッチ回折格子なる表
面レリーフ型グレーティング１４を用いた光磁気ピック
アップにあっては、ピッチが波長と同程度又はそれ以下
と小さいため、光源の波長変動によって回折角が大きく
変動し、実用上、問題となる。この点を、回折角を表す
次式を用いて説明する。即ち、格子ピッチをΛ、波長を
λ、入射角をθｉ、回折角を００とすると、 なる式が成立する。即ち、ピッチＡが微小になると波長
λの係数１／Ａは大きくなる。このため、入射波長＾が
変化した際に回折角θ０が大きく変化することが分る。

例えば、入射角θ１＝３０゜でλ＝Ａの場合において、
波長λが１％変化（実用上の半導体レーザで生じ得る変
化値）した際、回折角θ０は上式より３０．６６４°と
なる。この結果、受光素子上での光軸移動は３４０μｍ
にも達する。例えば、非点収差法による焦点誤差検出の
光軸移動許容範囲が２０μｍ程度であることを考えると
、この先軸移動量が如何に大きいかが分る。

以上の点をまとめて図示すると、第８図のようになる。

即ち、複屈折回折格子型偏光子６の場合には波長変動に
よる影響は許容範囲内にあるが回折効率が低く、逆に、
微小ピッチ回折格子１４の場合には回折効率が高いもの
の波長変動に対する影響が許容値を越えてしまうもので
ある（ただし、格子深さは各ピッチにおいて最大の回折
効率を得る深さとする）。

課題を解決するための手段 入射側回折格子と出射側回折格子との複屈折回折格子よ
りなり、格子ピッチをΛ、入射光の波長をλ、単位波長
変化量当りで許容される回折角変化量をＸ、入射側回折
格子の深さをＴ１、出射側回折格子の深さをＴ、とし、
入射側回折格子についてその高屈折率部分の格子方向の
屈折率をｎ１１、格子直交方向の屈折率を貼１、低屈折
率部分の格子方向の屈折率をｎ１１、格子直交方向の屈
折率をｎ１２’　、格子方向の中心屈折率をＮ１１、格
子直交方向の中心屈折率をＮ　ｌ　ｌとし、出射側回折
格子についてその高屈折率部分の格子方向の屈折率を０
２１、格子直交方向の屈折率をｎ８３、低屈折率部分の
格子方向の屈折率をｎ３３、格子直交方向の屈折率をｎ
１２’　、格子方向の中心屈折率をＮ　ｔ　＋　を格子
直交方向の中心屈折率をＮ。とじたとき、各諸元が、 Ａ圧］７而＞ゝ　　゛°゛゛°°°°°°°°°°゛°
°゛°′°個ｎ１２’　Ｔ、　十ｎ１２’　Ｔｓ　＃　
ｎ（＋Ｌ　＋　ｎ１２Ｔ、−・川（ｃ）なる各式を満足
するように構成した。

作用 複屈折回折格子型構造において、各諸元が、上記（Ａ）
〜（Ｄ）の各式を満足することにより、格子深さが深く
て波長変動を許容し得る範囲で格子ピッチが細かくなり
、高回折効率にして、波長変動に対して安定したものと
なる。

実施例 本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づいて説明す
る。第３図ないし第８図で示した部分と同一部分は同一
符号を用いて示す。本実施例は、前述した２つの従来方
式による欠点をなくし、双方の長所を活かすように、複
屈折回折格子型偏光子６構造をベースとするが、その格
子深さを深くし、格子ピッチを波長変動を許容し得る範
囲で細かくし、第８図特性において、両者の中間領域Ｃ
を実現するようにしたものである。

まず、波長変動を許容し得る格子ピッチＡの条件を以下
のように導出する。まず、入射角をθｉ、回折角をθＯ
５入射光の波長をλ、格子ピッチを八とすると、回折条
件式は ｓｉｎθｉ　＋　ｓｉｎθ０＝λ／Ａ　　　　　　・・
・・・・・・・・・・・・・（１）で表される。いま、
波長変動Δλが生じた場合の回折角の変化をΔθ０とす
ると、（１）式はｓｉｎθｉ　＋　５ｉｎ（θ０＋Δθ
０）＝（λ＋Δλ）／Ａ・・・・・・・・・（２）とな
る。ここに、Δθ０くθ０として（２）式を展開すると
、ｓｉｎΔθ０＃Δθ０％ｃＯ８Δθ０＃ｌによりとな
る。（３）式に（１）式を代入すると、Δθｏ　ｃｏｓ
θ０＝Δλ／Ａ　　　　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（４）となる。即ち、 Δθ０１ Δ＾　　　Ａｃｏｓθ０ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）が
成立する。ここに、回折をブラッグ回折とすると、θ１
＝００とおけるので、（１）式からλ ｓｉｎθｏ　＝　ｓｉｎθｉ＝− Ａ が成立する。（６）式より、 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
６）ｃｏｓθｏ＝Ｊ１ −　ｓｉｎ”Ｏｏ　＝　Ｊ　１ −（λ／２Ａ）’ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
７）となる。（７）式を（５）式に代入すると、となる
。この（８）式から、波長変動を許容し得る格子ピッチ
八を算出できる。

例えば、回折格子からの距離が３０ｍｍ、受光素子上で
の許容光軸移動長を２０μｍ（焦点誤差検出で一般的な
許容値）、波長を０．８３μｍとすると、Δθ０／Δλ
’＝６．７　Ｘ　１０−’［ｒａｄｌとなり、これを満
たすＡは、Ａ＃１５μｍとなる。結局、許容できる単位
波長変化当りの回折角変化をＸとすると、Ｒマ■πＷ＜
ゝ　°゛°°”°゛°゛“°°゛°°゛°゛°（Ａ）な
る条件を満足すればよい。

次に、高回折効率を得るための条件を検討する。

まず、回折格子のＱ値は、格子深さをＴ、中心屈折率を
ｎｏとすると、 Ｑ＝２πλＴ／ｎｏＡ”　　　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（９）で表される。

Ｑ＜１の場合に得られる最高回折効率は、高々３３．９
％であることが文献により知られている（コロナ社発行
「光波電子光学」小山状部、西原浩著、ｐ、１１８参照
）。複屈折回折格子の場合、レジスト（＝プロトン交換
領域２）の中心屈折率をｎ８、深さをＴＲ，ＬｆＮｂＯ
。

（＝基板１）の中心屈折率をｎＬｓ深さをＴＬとすると
、 となる。ここに、ｎＲ＝＝１１６６、Ｔ、＝０．４ｐｍ
、ｎＬ＝２．　２、Ｔ、＝５．３ｐｍ、　　Δ＝１００
ｐ＋＋＋、　　λ＝１１３ｐｍとすると、Ｑ＝２．２Ｘ
１０−”となり、Ｑ＜１の領域となる。

そこで、本実施例では、高回折効率を得るために、Ｑ＞
１となるようにする。Ｑ＞１の場合であれば、第３図に
対応する第１図の複屈折回折格子型偏光子６構成におい
て、回折格子に対して直交方向の偏光を考えると、 となる。ただし、材料は、上述したレジストやＬｉＮｂ
０．に限らないので、一般論として、第１図に示すよう
に、入射側回折格子５の深さをＴ１、出射側回折格子３
の深さをＴ、とし、入射側回折格子５について、その高
屈折率部分の格子方向の屈折率をｎ、１、格子直交方向
の屈折率をｎｌ１２低屈折率部分の格子方向の屈折率を
ｎ１１、格子直交方向の屈折率をｎ１２’　、格子方向
の中心屈折率をＮ１１、格子直交方向の中心屈折率をＮ
　ｌ　ｍとし、出射側回折格子３についてその高屈折率
部分の格子方向の屈折率を０２１、格子直交方向の屈折
率をｎヨ３、低屈折率部分の格子方向の屈折率をｎ３格
子直交方向の屈折率を０３□　、格子方向の中心屈折率
をＮ３．、格子直交方向の中心屈折率をＮ３゜とじた。

このように、（Ａ）（Ｂ）式を満たすように、回折格子
３，５を構成すれば、波長変動に強く、高回折効率のも
のとなる。ただし、本実施例の対象とする複屈折回折格
子型のものにあっては、格子直交方向の偏光にとっては
高回折効率で格子方向の偏光にとっては低回折効率にし
て、光磁気信号を読取るという特徴がある。即ち、第１
図において、格子方向の偏光にとっては回折格子が無き
が如くふるまう必要があるので、格子ピッチのｌ／２の
距離を持たせた光線Ｑ、　　Ｑ、の感する回折格子の光
学長が同じでなければならない。よって、格子方向の偏
光にとっては、 ｎ＋＋’　Ｔ＋　十ｎｍ％　Ｔ、　＃ｎ１２Ｔ、　＋　
ｎ１２Ｔ、　　・−（ｃ）を満たすような屈折率ｎ１２
　　、　ｎ１２　　、　ｎ１２。

ｎヨ１（入射側が表面レリーフ型であって、外気に接し
ていればｎ１２’　＃　ｌ　）を持つような材料を選び
、第３図に準じた作製において、Ｔ１２　Ｔ、を実現す
る必要がある（これは、第３図に示したような複屈折回
折格子型偏光子６の特徴である）。

例えば、ｎ１２＝　ｎ１２　＝　１　、６６、ｎ１２’
　＝ｎ　′＝１、ｎ１２＝２，２４６、ｎ１２’　＝２
．２８６、ｎ１２＝２．２９、ｎ１２’　＝２．２０な
る材料を選定して構成したとする。すると、Ｎ１１＝Ｎ
１２＝　（１，６６＋１）／２＝１１３３、Ｎ１１＝（
ｎ＊＋　＋　ｎｍ＋’　）　／　２”　２．　２６６、
Ｎ１１＝（ｎ１２＋ｎ１２’　）／２＝２．２４５とな
り、これらの数値を（Ｃ）式に代入すると、 Ｔ、　＝　１６．５Ｔ、　　　　　　　　　・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（１１）となる。また、使
用する波長λをλ＝０．８３μ馬とし、格子ピッチＡを
（Ａ）式より求めた１５μｍとすると、 Ｔ、　）　−１，６８８Ｔ　　＋　９３．８６　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）となる。

これらの（ＩＩ）（１２）式をグラフ化して示すと、第
２図のようになる。図中の交点Ｐは（Ｔ１２　Ｔ、）＝
（５，３３，８７９）となる。この値は、第３図構造に
おいて、λ＝１１３μｍ、プロトン交換深さ＝５．３μ
ｍ、レジスト膜厚＝４００ｎｍ、格子ピッチ＝１００μ
ｍ、回折角＝０，７４°、異常光線損失＝２９．１ｄＢ
、常光線損失＝１１４ｄＢ　（これらの損失はフレネル
損失１１３ｄＢを含む）、偏光分離度＝２７．７ｄＢと
した場合の最小のＴ　ｌ　ｌＴヨであり、第２図中のＰ
点より右上の実線の部分であってもよい。このような設
計は、材料に応じて任意になし得る。

なお、回折させる偏光は格子方向のものであってもよい
。これは、使用する材料によっても変更され得るもので
ある。また、屈折率回折格子の屈折率は連続して変化す
るものであってもよい。この場合、光線Ｑ１２　Ｑ、は
屈折率の極大、若しくは極小（光線Ｑ１２　Ｑ、の何れ
でもよい）をとることになる。また、入出射方向は相対
的なものであり、入射方向が逆であっても同様の効果が
得られることはもちろんである。

発明の効果 本発明は、上述したように複屈折回折格子型構造におい
て、その各諸元が、（Ａ）〜（Ｄ）なる各式を満足する
ように構成したので、格子深さが深くて波長変動を許容
し得る範囲で格子ピッチが細かくなり、高回折効率にし
て、外部条件等に起因する波長変動に対して安定した偏
光子を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す原理的構造図、第２図
は特性図、第３図は従来の複屈折回折格子型偏光子構造
を示す斜視図、第４図はその光磁気ピックアップへの適
用例を示す光学系構成図、第５図はそのホログラム光学
素子及び受光素子の斜親図、第６図は微小ピッチ回折格
子の従来例を示す構造図、第７図はλ／ｄ−回折効率特
性図、第８図はＡ／λ−回折効率及び回折角変化／波長
変化特性図である。 ３・・・出射側回折格子、５・・・入射側回折格子」 図 」 図 入／ｄ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入射側回折格子と出射側回折格子との複屈折回折格子よ
   りなり、格子ピッチをΛ、入射光の波長をλ、単位波長
   変化量当りで許容される回折角変化量をＸ、入射側回折
   格子の深さをＴ＿１、出射側回折格子の深さをＴ＿２と
   し、入射側回折格子についてその高屈折率部分の格子方
   向の屈折率をｎ＿１＿１、格子直交方向の屈折率をｎ＿
   １＿２、低屈折率部分の格子方向の屈折率をｎ＿１＿１
   ’、格子直交方向の屈折率をｎ＿１＿２’、格子方向の
   中心屈折率をＮ＿１＿１、格子直交方向の中心屈折率を
   Ｎ＿１＿２とし、出射側回折格子についてその高屈折率
   部分の格子方向の屈折率をｎ＿２＿１、格子直交方向の
   屈折率をｎ＿２＿２、低屈折率部分の格子方向の屈折率
   をｎ＿２＿１’、格子直交方向の屈折率をｎ＿２＿２’
   、格子方向の中心屈折率をＮ＿２＿１、格子直交方向の
   中心屈折率をＮ＿２＿２としたとき、各諸元が、 １／Λ√１−（λ／２Λ）＾２＜Ｘ・・・・・（Ａ）２
   πλ／Λ＾２（Ｔ＿１／Ｎ＿１＿２＋Ｔ＿２／Ｎ＿２＿
   ２）＞１・・・・・（Ｂ）ｎ＿１＿１’Ｔ＿１＋ｎ＿２
   ＿１’Ｔ＿２≒ｎ＿１＿１Ｔ＿１＋ｎ＿２＿１Ｔ＿２・
   ・・・・（Ｃ）Ｎ＿１＿２＝ｎ＿１＿２＋ｎ＿１＿２’
   ／２、Ｎ＿２＿２＝ｎ＿２＿２＋ｎ＿２＿２’／２・・
   ・・・（Ｄ）なる各式を満足するようにしたことを特徴
   とする複屈折回折格子型偏光子。