JPH06251412A

JPH06251412A - 光ピックアップ

Info

Publication number: JPH06251412A
Application number: JP5035636A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shirane; 健司白根
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】量産に適した高いＮＡの集光素子を有し、光の
利用効率が高く、低コストで作製可能な高性能な集積型
の光ピックアップを提供する。【構成】本発明の光ピックアップは、シリコン基板１上
に光導波路３が形成された集積型の光ピックアップであ
り、光導波路３には、ホログラム記録材料４が塗布され
て光導波路への光の結合を果たすホログラム入力カプラ
２０ａおよび導波路内の導波光の射出を果たす集光ホロ
グラムカプラ２０ｂが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学的記録媒体（以
下、光ディスク）を用いて情報を記録および／または再
生する際に用いられる光ピックアップに関し、特に、小
型軽量な光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気ディスク装置に代表されるコ
ンピュータの補助記憶装置においては小形化、高密度
化、情報アクセスの高速化等の要求が拡大している。こ
のような要求に対応すべく、記録情報の高密度・大容量
化を目指して光ディスクを利用した光情報記録技術の研
究・開発が盛んに行われており、この光情報記録技術に
おいてのキーコンポーネントとなる光ピックアップは様
々なものが考案・開発され実用化されてきている。

【０００３】しかしながら、従来の光ピックアップは、
半導体レーザ、集光レンズ、ビームスプリッタ等の個別
の光学素子を組み合わせて構成されているため、情報読
取りの高速化には不可欠な光ピックアップの小型化に限
度がある。そこで、このような問題点を解決するため
に、光導波路を利用した集積型光ピックアップが提案さ
れており、例えば、電子通信学会・量子エレクトロニク
ス研究会（ＯＱＥ）予稿８５−７２に記載されているよ
うなものが知られている。

【０００４】以下、図１３を参照して、上記文献に開示
された光ピックアップについて説明する。シリコン基板
８１上にバッフア層８２を介して形成された光導波路８
３の端面には半導体レーザ８４が固定されている。この
半導体レーザ８４から出射された光は、光導波路８３に
結合し、ビームスプリッタ８５を介して集光グレーティ
ングカプラ８６によって光ディスク１０上に回折限界ま
で集光される。そして、光ディスクで情報記録ピットに
応じて強度変調された反射光は、集光グレーティングカ
プラ８６によって、再び光導波路８３に結合される。こ
の戻り光は、ビームスプリッタ８５により分波、集光さ
れて、シリコン基板８１上に形成された４分割の光検出
器８７に向かって光導波路８３内を伝搬して行く。そし
て、分割された各検出素子の出力は、所定の演算処理が
施され、情報読取信号、フォーカスエラー信号、トラッ
キングエラー信号となる。この場合、フォーカスエラー
信号の検出はフーコー法、トラッキングエラー信号の検
出はプッシュプル法によっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記論文に記載された
光ピックアップによれば、小型、軽量化を達成すること
はできるが以下のような問題点がある。

【０００６】第１として、現状の半導体作製技術では量
産が困難であることがあげられる。図１３に示すピック
アップは、集光素子として集光グレーティングカプラ
（ＦＧＣ）が用いられている。これはサブミクロンのピ
ッチを有する微細なグレーティングであり、現状では電
子ビーム直接描画によらなければ作製することが困難で
ある。この場合、１つの素子を描画するためには、条件
にもよるが数十分から１時間以上の時間が必要となる。
従って、現状の作製方法では将来の実用、量産化に対応
することは不可能である。

【０００７】第２として、電子ビーム描画装置上の問題
から、一度に描画出来る範囲が限られるため、数ｍｍに
わたる大きな開口の素子を作製することが困難であり、
高ＮＡ化が難しいという問題がある。

【０００８】第３として、グレーティングカプラによる
出射光量分布の問題がある。一般に光導波路上に形成さ
れたＦＧＣからの出射光は、導波光入力端から指数関数
的に減衰する光量分布を持っており、これは図１３に示
されるＦＧＣ８６についても同様である。すなわち、こ
れは開口内全域ではなく、一部から徐々に光が出射する
ことと等価となり、実質的な開口が小さくなる。従っ
て、集光性能上不利であり、実用上大きな問題となる。
また、上記ＦＧＣを戻り光の入力カプラとして用いた場
合にも、上述した特性が結合効率の低下をもたらす原因
となる。

【０００９】本発明の目的は、上述した問題点を解決
し、量産に適した高いＮＡの集光素子を有し、光の利用
効率が高く、低コストで作製可能な高性能な集積型の光
ピックアップを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に光導波路を有する集積化された
光ピックアップにおいて、前記光導波路に、光導波路へ
の光の結合および／または導波路内の導波光の射出を果
たす体積型ホログラムを設けたことを特徴としている。

【００１１】

【本発明の概要】本発明では、集積型の光ピックアップ
に以下の手段を用いることにより、上記問題点を解決し
ている。以下、本発明に係る光ピックアップに用いられ
る手段について詳細に説明する。

【００１２】まず、第１および第２の問題点を解決する
ため、本発明では集光素子として、体積型ホログラムに
よるブラッグカプラを採用する。すなわち、本発明で
は、図１に示すように、導波路基板であるシリコン基板
１上にバッファ層２および導波路（層）３を形成し、こ
の導波層３の上にホログラム記録材料４を塗布する。そ
して、このホログラム記録材料４に体積型ホログラムと
してブラッグカプラを記録し、従来のＦＧＣの代わりと
して機能させる。

【００１３】このブラッグカプラの記録は、図２（ａ）
に模式的に示した光学系により行われる。以下、この記
録工程（干渉露光法）について説明する。図２（ａ）に
示すように、光ピックアップの使用光源と同じ波長のレ
ーザ光源５からのレーザ光をビームスプリッタ６により
２つに分離する。一方の光はミラー７を介して適当な入
射角で結合プリズム８に入射し、導波路内に導かれ導波
光９となる。もう一方の光はミラー１１を介して集光レ
ンズ１２に入射し、回折限界まで集光されたのち、理想
的な空間球面波としてシリコン基板上のホログラム記録
材料４に入射する。この入射位置の下には、結合プリズ
ム８によって結合された導波光９が伝搬しており、ホロ
グラム記録材料４内にはエバネッセント波のテールが存
在する。従って、導波光９と空間球面波１３との間で干
渉が起こり、そのパターンがホログラム記録材料４内に
体積ホログラムとして記録される。そして、所定の現象
処理を施したのち、図２（ｂ）のように記録時と正反対
の向きから導波光を入射させると、体積ホログラムの波
面再生機能により、空間球面波１３が記録時とは反対向
きの光として再生される。

【００１４】上述したように記録された体積ホログラム
は、導波光を空間球面波に、また逆に外部からの空間球
面波を導波光に変換する機能を有し、従来例のＦＧＣと
全く同一の機能を果たす。また、この方法によれば、あ
らゆる波面の空間光と導波光とを結合するカプラを作製
することもできる。例えば、簡単な例として、図２
（ａ）中の集光レンズ１２を取り除いて同様の記録を行
えば、空間平面波と導波光とを結合するリニアグレーテ
ィングカプラと同等の機能を持った素子を作製すること
が可能である。

【００１５】次に、第３の問題点を解決するための手段
について説明する。図３（ａ）に示すように、一般に、
ＦＧＣなど、従来のグレーティングカプラ８６からの出
射光は、導波光が入力した側から指数関数的に減衰する
光量分布をもっている。しかし、先に指摘したように、
このような分布は集光特性、効率両方の観点から不利で
ある。理想的には図３（ｂ）に示すように、ガウシアン
形の光量分布となることが望ましい。

【００１６】ところで、本発明では、上述した体積型ホ
ログラムによるブラッグカプラを採用するため、一般の
ＦＧＣとは若干事情が異なる。ブラッグカプラは空間光
と導波光エバネッセント波との干渉パターンを体積型ホ
ログラムとして記録したものであり、この記録の強さは
干渉させる二つの光の強度に依存している。すなわち記
録時の光が強い場合ほど強く書き込まれたホログラムが
作製される。具体的には、記録時の光が強いほど、ホロ
グラム記録材料内で起こる屈折率変化がより大きくな
り、より回折効率が高いホログラムとなる。

【００１７】実際の記録では、ほぼ一様な光量の導波光
側面部分にガウシアン形の光量分布の空間光が入射し、
干渉、記録されるために、作製されたホログラムの回折
効率は、図４（ｂ）のようなガウシアン分布を持つこと
になる。従って、このようなカプラから出射する光は、
本来の特性（通常のＦＧＣなど一様な回折効率の場合の
特性；図４（ａ）参照）を示す分布に、図４（ｂ）で示
すガウシアン分布を掛け合わせたものとなり、図４
（ｃ）で示すような光量分布を示す。このままでも従来
と比較してかなり改善された光量分布と言えるが、本発
明ではこれをさらに理想に近付けるため、通常生じる指
数関数形分布を相殺するような回折効率分布をホログラ
ムに付加する。すなわち、図５（ａ）に示す指数関数形
の透過率分布を有した減衰フィルタ１５を、図５（ｂ）
に示すように書き込み用空間光の光路内に配置する。こ
の結果、得られる光量分布は、本来の特性を示す分布
（ｃ）が減衰フィルタの特性を示す分布（ｄ）によって
相殺された状態の特性を示す分布（ｅ）と、（ｆ）で示
すガウシアン分布を掛け合わせたものとなり、（ｇ）で
示すようにレベルの高いものとなる。

【００１８】本発明の光ピックアップは、上記手段に加
え、さらに、光源からの光を導波路内に導く方法とし
て、以下の手段を採用する。すなわち、光源を導波路端
面に結合するのではなく、図６に示すように、光源１６
を導波路が形成されたシリコン基板１と別体とし、光源
１６から射出された光を反射ミラー１７を介して、ブラ
ッグカプラなどの入力カプラ２０によって導波路に結合
させる方法を採用する。この場合、光源１６とシリコン
基板（チップとする）との位置関係は、チップをシーク
方向に移動した場合でも、常に光源からの光が導波路へ
入力結合されるように、図７に示すような配置とする。

【００１９】ところで、本発明の光ピックアップでは、
トラックエラー検出方法として従来例と同様プッシュプ
ル法を想定している。しかし、図７に示す配置関係で
は、導波路内の光の伝搬方向とトラックの走る方向とが
直行しているため、このままでは従来例と同様にトラッ
クエラー信号を検出することが出来ない。

【００２０】そこで、本発明では図８に示すように、入
力カプラ２０ａから結合された導波光が光ディスクに向
けて出射する前に、導波光の伝搬方向をトラック方向と
平行となるように変換する導波路ミラー２８を導波層３
に設け、トラック方向と平行になった導波光を集光カプ
ラ２０ｂによって光ディスクに向けて射出し、上記問題
を回避する。この導波路ミラー２８は、具体的には、図
９に示すように、導波層３上に高屈折率膜３４を装荷し
実効屈折率の高い部分を形成することにより、この境界
部分を全反射ミラーとして機能させればよい。また、散
乱などの損失を押さえるため、境界部分はテーパ形状と
すればよい。これはマスクを用いたスパッタの回り込
み、あるいは各種ウエットエッチング手法等により容易
に実現可能である。

【００２１】但し本発明においては、図８の構成から明
らかなように、導波路ミラー２８を直角反射ミラーとし
て用いるため、全反射ミラーとして機能させるには相当
の屈折率差を境界部に与える必要があり、材料選択や、
装荷層厚などが問題となる。この対策として、図１０に
示すようなへの字型に構成された二段反射による直角反
射の導波路ミラー２８ａを採用する。このように、への
字型の実効屈折率境界を設けることにより、一回の反射
における入射角を小さくし、全反射に必要な実効屈折率
差を小さく抑えることができる。

【００２２】

【実施例】以上説明した手段が用いられた本発明に係る
光ピックアップの実施例について説明する。なお、前述
した構成要素と同一の構成要素については同一の参照符
号が付されている。

【００２３】図１１は、本発明の第１の実施例を示す斜
視図である。シリコン基板１上には従来と同様な方法を
用いてバッフア層２、４分割光検出素子３５、および導
波層３が作製される。その後、フォーカシンググレーテ
ィングビームスプリッタ（以下、ＦＧＢＳ）３６、およ
び前述した方法によって所定の位置に導波路ミラー２８
ａ，ホログラム入力カプラ２０ａ，集光ホログラムカプ
ラ２０ｂが作製される。なお、ＦＧＢＳ３６はグレーテ
ィングのピッチが大きいため、フォトリソグラフィによ
って作製される。また、ホログラム入力カプラ２０ａ上
には、プリズムミラー３７が固定される。

【００２４】そして、図示しないコリメート光学系を含
む光源１６から出射された平行ビームは、プリズムミラ
ー３７によって反射され、垂直にホログラム入力カプラ
２０ａ上に入射し、ここで導波路３内に導かれて導波光
３０となる。この導波光３０は、導波路３内を伝搬した
のち導波路ミラー２８ａによって２段階の全反射を受け
て９０°光路を変換され、ＦＧＢＳ３６を通過して集光
ホログラムカプラ２０ｂに入射する。この集光ホログラ
ムカプラ２０ｂによって導波光は集光空間光に変換さ
れ、光ディスク１０上に集束する。

【００２５】光ディスク１０によって反射された光は、
再度集光ホログラムカプラ２０ｂに入射し、導波光に変
換される。この導波光はＦＧＢＳ３６により分岐、集光
されて、４分割光検出器３５に入射する。分割された各
検出素子からの出力は、図示しない演算回路により所望
の信号処理が施され、情報信号、サーボエラー信号を出
力する。

【００２６】このような光ピックアップの構成により、
以下の利点が得られる。ＦＧＢＳ３６は、通常のフォト
リソグラフィを用いて作製され、かつ体積型ホログラム
によるブラッグカプラ２０ａ，２０ｂは、干渉露光法を
用いて作製されるため、光ピックアップとしてのチップ
を大量生産することができる。すなわち良好な干渉が起
こるように図２（ａ）に示す光学系を一度調整してしま
えばあとはこの干渉露光を同一基板上で位置を変えて随
時行うことにより、大量の集光素子を一枚の基板上に形
成することが可能である。干渉露光そのものに要する時
間は、秒からせいぜい分単位であるから、短時間のうち
に大量のピックアップ用集光素子を基板上に作製するこ
とができる。

【００２７】集光用のカプラ２０ｂは体積型ホログラム
であり、ブラッグカプラとして機能するため、空間光と
導波光とは１対１で結合される。すなわち１ビーム結合
であって、従来のＦＧＣで問題となっていた基板側放射
光による出力効率低下の問題も解決され、高効率の集光
カプラとして機能する。これはホログラム入力カプラ２
０ｂについても同様であり、高効率の入力カプラとして
機能する。この場合、干渉させる２つの光の幅を大きく
すれば、原理的にいくらでも大きな開口の素子を作製す
ることが可能であり、電子ビーム直接描画では困難だっ
た高ＮＡ化を容易に達成することができる。

【００２８】集光ホログラムカプラ２０ｂは、その作製
工程において、図５（ｃ）で示すような本来の集光素子
の光量分布の特性を相殺するように、図５（ｄ）で示す
ような光量分布の特性を有するフィルタによって補正し
たため、完成したカプラからの出射光の光量分布は、図
５（ｇ）で示すようなガウス形となる。これにより、集
光素子全体の開口がそのまま光出射開口となり、従来の
ような実効的なＮＡの低下を防ぐことができる。従っ
て、素子としての集光機能が高くなる。

【００２９】従来のＦＧＣでは、極端な指数関数形光量
分布を避けるために、あまり高い回折効率を設定できな
かったが、本発明に用いられる集光用カプラ２０ｂで
は、そのような問題もなく、回折効率の高い素子とする
ことができるため、結果として出力結合効率が向上す
る。

【００３０】光源１６を光ピックアップとしてのチップ
と別体したことにより、従来困難であった光源と導波路
との結合工程が無くなる。すなわち、従来では、光源の
導波路（チップ）への取付けは、固定と調整を一度に行
わなければならないという難しさがあったが、本実施例
の構成によれば、チップと光源とを所定の配置関係で組
み付けた後も微調整する余地を残すことが可能となる。
この結果、組立・調整作業を容易なものとなり、結果と
して光ピックアップの作製工数を軽減することができ
る。この場合、光源からの光を導波路に結合するカプラ
は、体積型ホログラムによって作製されているので、良
好な入力効率が得られる。

【００３１】導波路ミラー２８ａは、図１０に示すよう
な二段反射によるもので構成されているので、実効屈折
率境界部に装荷する高屈折率層の屈折率を１回の反射に
よるものよりも低く抑えることができ、装荷層厚を薄く
抑えることができる。これは装荷する高屈折率膜をＦＧ
ＢＳ３６のグレーティング層と兼ねることができること
を意味しており、作製プロセスの簡素化にも貢献する。
例として、装荷膜を窒化シリコンと仮定すると、図１０
に示す構成で機能させるのに必要な装荷層厚は数１００
オングストロームであり、１度の成膜で両者を兼用でき
ることを意味する。導波光が一度の反射で所望の偏向が
得られるように導波路ミラーを構成すると、より厚い装
荷膜が必要され、このようなプロセスの簡素化は不可能
である。また、導波路ミラー２８ａを図１０に示すよう
に、への字型に構成することにより、反射光学系をコン
パクトに収めることができ、チップサイズを小型化する
ことができる。

【００３２】次に、前記実施例にさらに積極的に集光ホ
ログラムカプラ２０ｂの高ＮＡ化を図ったピックアップ
を第２の実施例として図１２に示す。この実施例では、
導波路ミラー２８ａと集光ホログラムカプラ２０ｂとの
間の導波路にビームエクスパンダ５０が作製されてい
る。このビームエクスパンダ５０により、導波路ミラー
２８ａで反射された導波光は、その幅が広げられる。な
お、集光ホログラムカプラ２０ｂは、この広げられたビ
ーム幅に対応する大きな開口を有するものが作製されて
いる。このような構成により、従来では考えられなかっ
た高いＮＡの性能を持った集光素子を集積形の光ピック
アップで実現することができる。その他の構成、効果に
ついては前記第１の実施例と同様なので詳細な説明は省
略する。

【００３３】以上本発明の実施例を説明したが、本発明
は上記実施例に限定されることはなく、種々変形するこ
とが可能である。本発明は、集積化された光ピックアッ
プの導波路に、干渉露光法を用いて体積型ホログラムに
よるブラッグカプラを作製したことに特徴を有してい
る。このため、導波路が形成されたチップの形状、構成
は種々変形することができ、集光カプラのみを体積型ホ
ログラムによって構成し光源を導波路（チップ）にその
まま取付けるような構成であっても良い。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、量産に適した高いＮＡ
の集光素子を有し、光の利用効率が高く低コストで作製
可能なコンパクトな光ピックアップを提供することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】導波路にブラッグカプラを記録する前のチップ
の断面図である。

【図２】（ａ）は、導波路にブラッグカプラを記録する
光学系を示す図、（ｂ）は、導波路にブラッグカプラが
記録された後の導波光の射出状態を示す図である。

【図３】（ａ）は、従来のＦＧＣからの射出光の光量分
布を示す図、（ｂ）は、ガウシアン形の光量分布を示す
図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は、導波路に作製されたブラッ
グカプラからの射出光の光量分布を説明する図である。

【図５】（ａ）は、減衰フィルタの構成およびその特性
を示す図、（ｂ）は、減衰フィルタを用いて導波路にブ
ラッグカプラを記録する光学系を示す図、（ｃ）〜
（ｇ）は、減衰フィルタを用いて導波路に作製されたブ
ラッグカプラからの射出光の光量分布を説明する図であ
る。

【図６】光源と導波路を有する基板との配置関係を示す
側面図である。

【図７】図６の光源と導波路を有する基板との配置関係
の平面図である。

【図８】本発明に係る光ピックアップの第１実施例を示
し、チップ部分の概略を示す平面図である。

【図９】導波路に導波路ミラーを作製するための手段を
示す図である。

【図１０】導波路に作製される導波路ミラーの構成を示
す図である。

【図１１】本発明に係る光ピックアップの第１実施例を
示す斜視図である。

【図１２】本発明に係る光ピックアップの第２実施例を
示す平面図である。

【図１３】従来の光ピックアップの構成を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１…シリコン基板、３…導波層（路）、４…ホログラム
記録材料、１０…光ディスク、１５…減衰フィルタ、１
６…光源、２０ａ…ホログラム入力カプラ、２０ｂ…集
光ホログラムカプラ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に光導波路を有する集積化された
光ピックアップにおいて、前記光導波路に、光導波路へ
の光の結合および／または導波路内の導波光の射出を果
たす体積型ホログラムを設けたことを特徴とする光ピッ
クアップ。