JPH05196813A - 回折格子型光偏光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ニオブ酸リチウム結晶板に、回折格子とイオン
交換領域を形成することにより、薄い回折格子型光偏光
素子をうること。 【構成】ニオブ酸リチウム結晶板の主面に、周期を有す
る所定深さの溝を形成し、その溝を形成した部分のみに
溝の深さ方向に対して垂直にイオン交換領域を形成し、
イオン交換を施した領域とイオン交換を施さない領域と
の間で受ける異常光線成分の位相変化を相殺する。 【効果】薄くて小型の光偏光素子を得る、さらにニオブ
酸リチウム結晶基板を用い半導体プロセス技術により素
子を加工する事が出来るため、安価に安定した品質の素
子を大量に供給することが出来る。これを光ディスク用
光ヘッドに適用することによりヘッドの小型化が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを利用し
た各種光学装置に使用する複屈折偏光板、特に偏光方向
によって回折効率の子となる回折格子型偏光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光素子特に偏光ビームスプリッタは、
直交する偏光間で光の伝搬方向を変化せしめる素子で、
従来はグラントムソンプリズムやロッシェンプリズム
等、複屈折の大きい結晶の光反射面におっける偏光によ
る透過ないしは全反射の違いを利用して光路を分離する
ものや、ガラス等の等方性の光学媒質でできた全反射プ
リズムの反射面に誘電体多層膜の偏光による屈折率の違
いを利用して、光を全反射あるいは、透過させるものが
多く使われていた。

【０００３】これらは、光ファイバ通信用光源モジュー
ルや光ディスク装置用光ヘッド等の光アイソレータを構
成する部品として使われている。

【０００４】例えば、光ディスク装置用光ヘッドでは、
光ディスク基板からの情報信号を光源である半導体レー
ザに戻すこと無く効率よく受光光源系へ導く光アイソレ
ータ素子として、１／４波長板と組み合わせて使用され
る。

【０００５】また、光通信用光源モジュールでは、光フ
ァイバコネクタ等からの反射光が光源である半導体レー
ザに再入射するのを防止する光アイソレータとして、光
磁性材料のファラデー効果を利用して偏光を４５度回転
させる偏光回転子（ファラデー回転子）と組み合わせて
用いられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これら従来の偏光分離
素子は大型であるという問題点がある。光学的異方性結
晶を用いた偏光素子にしろ光軸に対して４５度ないしそ
れ以上に斜めに配した反射鏡界面を持つことから、少な
くとも透過ビーム径のルート２倍の立方体となる。特
に、光ディスク装置用ヘッドに用いる場合には透過ビー
ムが大きいため、従来の偏光素子は一辺が８〜１０ｍｍ
の立方体となっており、光ディスク装置用ヘッドの大き
さを大きくしている原因のひとつになっている。

【０００７】本発明の目的は、上記従来の偏光素子の難
点を除去し、極めて薄い回折格子型偏光素子を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の回折格子型光偏
光板の構成は、ニオブ酸リチウム結晶板の主面に、周期
を有する所定深さの溝を形成し、その溝を形成した部分
のみに溝の深さ方向に対して垂直にイオン交換領域を形
成し、イオン交換を施した領域とイオン交換を施さない
領域との間で受ける異常光線成分の位相変化を相殺する
ことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明の素子においては、ニオブ酸リチウム結
晶の複屈折性と、イオン交換を施すことによる複屈折性
の変化を利用し、常光線成分に関しては、位相変化がπ
となる条件を満たし、また、異常光線成分にたいして
は、位相変化が０となる条件を満たすように溝の深さと
イオン交換層の深さを調整する。これによって本発明の
回折格子型偏光板は常光線成分に対しては効率の高い回
折格子として働き、異常光線成分に対しては単なる位相
シフタとしてのみ機能する回折格子型光偏向素子とな
る。ニオブ酸リチウムの厚みはせいぜい１ｍｍ程度と薄
いものが使用できるため、極めて薄い偏光素子が提供で
きる。

【００１０】また、格子溝の形成は、半導体を形成する
ときのプレーナ技術を用い、特にイオンミリング、イオ
ンエッチング等のドライ加工技術を応用する事が出来る
ことから、製造プロセスも簡単である。

【００１１】以下本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。

【００１２】

【実施例】

（実施例 １）図１は本発明の実施例の回折格子型光偏
光素子の斜視図であって、１はニオブ酸リチウム結晶
板、２はイオン（プロトン）交換領域であり、この交換
領域を周期的に形成して回折格子が設けてある。さら
に、該回折格子を透過させる光のうち異常光成分が前記
イオン交換領域で受ける位相変化を相殺させるために、
その手段として、イオン交換を施した領域の表面のみを
所望の深さだけエッチングを施してエッチング溝３が形
成されている。本実施例では、Ｘ板のニオブ酸リチウム
結晶に、Ｚ軸方向に周期を有するイオン交換領域と非イ
オン交換領域で構成された回折格子を形成してある。

【００１３】異常光線に対する非プロトン交換領域の屈
折率Ｎｅは２．１７６７６、プロトン交換に伴う屈折率
変化△Ｎｅは＋０．０９、常光線成分に対する非プロト
ン交換領域の屈折率Ｎｏは２．２６２９６、プロトン交
換に伴う屈折率変化△Ｎｏは−０．０４であった。

【００１４】図２の断面を有し、図１の斜視図に示した
構造の回折格子に入射光４が入射すると、Ｙ軸方向に振
動する偏光成分即ち常光成分は、イオン交換領域の表面
がエッチングされているため（エッチング溝があるた
め）、位相変化は発生せず、回折格子として働かない。
従って、入射光は０次光５として結晶板１を直進通過す
る。一方、入射光のうちＺ軸方向に振動する偏光成分す
なわち、異常光成分に対してはイオン交換領域の屈折率
は周期的に異なるため光学的位相格子に入射した事にな
り、１次回折光６となって結晶板１から出射する。

【００１５】同様に図２において、入射光としてＰ偏光
７即ち異常光成分と、Ｓ偏光８即ち異常光成分を回折格
子に入射するとＰ偏光光は回折してＳ偏光光は回折され
ずに直進するため、光を偏光成分毎に分離する機能が生
じる。

【００１６】ここで、光利用効率の高い光偏光板を得る
ためには、下記の数１，数２を満たす設計諸元となるよ
うに回折格子型光偏光素子を形成すれば良い。即ち異常
光線成分にたいしてイオン交換領域を通過する光線と非
イオン交換領域を通過する光線の位相差が０となる条件

【００１７】

【数１】Ｎｅｔ＝ｔ＋△Ｎｅｄ 常光線成分にたいしてイオン交換領域を通過する光線と
非イオン交換領域を通過する光線の位相差がπとなる条
件を同時に満たせば良い。

【００１８】

【数２】（Ｎｏ−１）ｔ−△Ｎｏｔ＝λ／２ λ：波長 ここで図２に示した様に、ｄはプロトン交換領域の深
さ、ｔはエッチング溝の深さである。本実施例の場合、
ｄは約３μｍ、ｔは０．２２９μｍとなる。

【００１９】次に、上記格子の製造方法を図３により説
明する。

【００２０】ニオブ酸リチウム結晶基板１にプロトン交
換を行う際のマスクとするための金属Ｃｒ膜９を形成
し、この上にホトレジスト１０を塗布し、所定の回折格
子パターンが得られるように、ホトリソグラフィにより
ホトレジスト膜を紫外線露光、現像する。次に、得られ
たホトレジストパターンをマスクにして、金属Ｃｒ膜を
ウェットエッチングまたはドライエッチングによりレジ
ストパターンを転写する。次に、レジスト及びＣｒパタ
ーンをマスクにしてイオンミリング、あるいは反応性イ
オンエッチングによりニオブ酸リチウム結晶表面をエッ
チングしてエッチング溝を形成する。レジストを除去し
た後、Ｃｒパターンをマスクにして安息香酸中に浸して
プロトン交換を行い、最後に金属Ｃｒをウェットエッチ
ングにより除去して回折格子型光偏光素子を形成する。

【００２１】ニオブ酸リチウム結晶にプロトン交換を施
す方法は、光導波路を形成する方法として良く知られて
おり、例えば２５０℃程度に暖めた安息香酸中にニオブ
酸リチウム結晶を３時間程度浸すと３μｍ程度の深さの
プロトン交換層が形成される。更に、温度と時間を増加
させると交換深さを５μｍ程度まで増加させる事が出来
る。安息香酸単体を用いても良いが、安息香酸リチウム
を安息香酸の中にある程度配合して、拡散深さ、拡散ス
ピードをコントロールするのが精度の高い格子を得るの
に適している。

【００２２】以上述べた方法により形成した回折格子型
光偏光素子は、常光、異常光成分の分離機能として３０
ｄＢ以上の消光比が得られる事が確認された。

【００２３】（実施例 ２）実施例１の回折格子型光偏
光素子の光ディスク装置用光ヘッドへの適用例を述べ
る。

【００２４】図４は、光ヘッドの構成を示したものであ
り、ニオブ酸リチウム結晶板にはサーボ信号、情報信号
検出用回折格子である回折格子型光偏光素子の機能を有
した光偏光素子が形成されている。

【００２５】半導体レーザ１０より出射したＳ偏光光
は、コリメータレンズ１１により平行光束になり、３ス
ポット形成用回折格子１２に入射した後、本発明の回折
格子型光偏光素子１３に入射する。この偏光素子におい
ては、Ｓ偏光光は回折されずに単に透過する。透過光は
１／４λ板１４により円偏光となり、対物レンズ１５に
より光ディスク１６面上にスポットを形成する。一方、
光ディスクで反射した光は、１／４λ板１４でＰ偏光光
に変換され、回折格子型光偏光機能を有しかつ非点収差
を与えるように楕円パターンの集合体であるホログラム
光偏光素子１３で回折されて、サーボ検出用ホトダイオ
ード１７上に集光される。

【００２６】本実施例の光ヘッドでは、レーザからの出
射光はまず３スポット形成用回折格子１２に入射して光
ディスク面上でトラック溝を跨ぐ３スポットを形成し、
いわゆる３スポット法によりトラッキング誤差信号を検
出する。また、フォーカス誤差信号は、非点収差法によ
り検出される。

【００２７】ここで、光偏光機能を有したホログラムで
回折されるのは、光ディスクからの反射光のみである事
から、従来に比較してロスの少ない光ヘッド光学系とな
る。また、従来の偏光ビームスプリッタに比較して、小
型の素子となるため光ヘッドの重量、大きさを低減する
事が出来る。

【００２８】なお本発明は、レンズを２個用いる無限系
の光ヘッドに関して述べたが、レンズを対物レンズのみ
にした図５に示した有限系の光ヘッドにおいても同様の
効果を得ることができる。有限系の光ヘッドの場合、光
偏光素子の溝深さ及びイオン交換層の深さはいずれも均
一ではなく、光軸からずれるに従って徐々にその深さは
浅くなっている。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば薄く
て小型の光偏光素子を得ることができ、さらにニオブ酸
リチウム結晶基板を用い半導体プロセス技術により素子
を加工する事が出来るため、安価に安定した品質の素子
を大量に供給することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の回折格子型光偏光素子の斜視
図である。

【図２】その断面図である。

【図３】光偏光素子を製造するときのプロセスを示した
図である。

【図４】本発明の光偏光素子を光ディスク装置用光ヘッ
ドに応用したときの光ヘッドの構成図である。

【図５】同構成図である。

【符号の説明】

１…ニオブ酸リチウム結晶板、２…イオン交換領域、３
…エッチング溝、４…入射光、５…０次光、６…１次回
折光、１０…半導体レーザ、１１…コリメータレンズ、
１３…光偏光素子、１５…対物レンズ、１６…光ディス
ク、１８…不均一溝深さ光偏光素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川本 和民 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 伊藤 顕知 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ニオブ酸リチウム結晶板に周期を有する所
   定深さの溝を形成し、その溝を形成下部分のみに溝の深
   さ方向に対して垂直にイオン交換領域を形成し、イオン
   交換を施した領域とイオン交換を施さない領域との間で
   受ける位相変化を相殺することを特徴とした回折格子型
   光偏光素子。