JPH0661566A

JPH0661566A - 光学デバイスとその製造方法

Info

Publication number: JPH0661566A
Application number: JP4211070A
Authority: JP
Inventors: Teruhiro Shiono; 照弘塩野; Kuni Ogawa; 久仁小川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1994-03-04
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JP2768154B2

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光源と、レンズ等の光学素子を有した
光学デバイスに関し、小形で、構造が安定で、しかも製
造が容易で、光源の波長変動が生じない光学デバイスを
提供する。【構成】基板５表面に、第１の光学素子２と、反射形
でしかも回折形の集光作用を有する第２の光学素子を設
け、基板５裏面に半導体レーザ１を設け、半導体レーザ
１からの発振光４を、第１及び第２の光学素子２、３に
入射させ、第２の光学素子３によって反射回折した光７
を半導体レーザ１の表面出射端９に入射させ、第１の光
学素子２により、発振光４Ａをコリメートして出射光８
としてとりだすものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光源と、コリメ
ータレンズ等の光学素子を有した光学デバイスに関する
ものであり、特に、半導体レーザ光源を有していなが
ら、小形であり構造が安定で、光源の波長変動が生じな
い光学デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ光源は、小形軽量である
が、温度により、波長が変動する特徴があり、特に波長
安定が求められる光システムでは、そのままでは使いに
くいという問題点があった。これを解決する方法として
図６に示す光学デバイスがあった（末田哲夫：「オプト
ロニクス技術活用のための光学部品の使い方と留意
点」、ｐ.９０、オプトロニクス社）。

【０００３】半導体レーザ１の裏面出射端１３より出射
された発振光１５は、コリメータレンズ１０により平行
光となり、直線グレーティング１２に入射する。このグ
レーティング１２は、選択波長に対して、リトローの条
件で設けられていて、つまり、選択された波長での１次
回折光７のみが発振光１５に対して平行に回折され、再
びコリメータレンズ１０で集光され、半導体レーザ１の
裏面出射端１３に入射する。他の波長の１次回折光は裏
面出射端１３には入射しない。これにより、レーザ発振
波長が、選択波長に引きずり込まれ、表面出射端９から
安定波長の発振光１４’として、出射される。この発振
光１４’をコリメータレンズ１１で平行化すれば、波長
安定な平行光１４として、光学システムに使用すること
ができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図６に示した従来の光
学デバイスでは、半導体レーザ１を波長安定化するため
に、コリメータレンズ１０と直線グレーティング１２と
いう少なくとも２つの部品を組み合わせて用いているた
め、小型化が困難であり、さらにそれぞれの位置合わせ
や、グレーティング１２の微妙な傾き角調整も難しく、
出射レーザ光１４’を平行化する場合には、さらにコリ
メータレンズ１１の調整も行なわなければならず、つま
り光学的アライメントが難しく、組立に時間・人手がか
かるという課題があった。また、組み立てても、温度変
化、振動等の外乱に弱く、安定性に欠けるという課題が
あった。さらに、これらの光学部品１０、１１、１２は
別々に製造しなければならないという課題があった。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
で、小形で、光学アライメントが簡単で、しかも構造が
安定で、製造も容易な光学デバイスを提供するものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、基板と、上記基板の表面に形成した第１
の光学素子と、上記基板の表面に形成した反射形でしか
も回折形の集光作用を有する第２の光学素子と、半導体
レーザからなり、上記半導体レーザからの発振光を、上
記第２の光学素子に入射させ、上記第２の光学素子によ
って反射回折させた光を上記半導体レーザの表面出射端
に入射させることを特徴とする光学デバイスを提供する
ものである。

【０００７】

【作用】本発明は、発振レーザ光を波長選択して、レー
ザ出射端面にもどすことにより、半導体レーザの波長を
安定化させる第２の光学素子と、レーザ光を、例えば、
コリメートさせたり、集光させたりする、第１の光学素
子を、同一基板上に形成した構造であるため、小形にな
り、これらの光学素子の位置合わせも、公知のプレーナ
技術で容易に正確にでき（作製と同時に位置合わせが行
えるので、作製後の組立の必要がない）、また構造も安
定になり、またこれらの光学素子は、どちらをも含む金
型を作製し、光学素子を同時に複製することにより、相
対的位置関係を保ったままで、一度に製造できる。

【０００８】

【実施例】図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の第１
の実施例の光学デバイスの基本構成を示す断面図、上面
図であり、図２は、本発明の第１の実施例の光学デバイ
スにおいて、各波長の反射回折の様子を示す側面図であ
る。本発明の第１の実施例を図１、２を用いて詳細に説
明する。

【０００９】本発明の第１の実施例の光学デバイスは、
図１に示すように、例えば４.５ｍｍ厚のガラス基板５
の表面に、第１の光学素子２と、その回りに第２の光学
素子３を形成し、第１の光学素子２の中央真下の基板５
の裏面に、半導体レーザ１を設けている。第１の光学素
子２は、口径が例えば１ｍｍの透過形のマイクロフレネ
ルレンズであり、点光源をコリメートするように設定さ
れている。このマイクロフレネルレンズは、例えば、最
大溝深さが１.３μmの同心円の鋸歯形状グレーティング
からなり、外周にいくほど周期が小さくなる構造をして
いる。第２の光学素子３は、反射形で集光作用を有する
反射形回折光学レンズであり、口径が例えば１ｍｍ〜
１.３ｍｍのドーナツ形で、点光源を、同じ位置に焦点
をもつように反射集光するように設定されている。この
光学素子３は、例えばＡｇやＡｌ、Ａｕ等の金属層また
は誘電体の多層膜の反射層６を上面に設けた、例えば最
大溝深さが０.２４μmの同心円の鋸歯形状反射形グレー
ティングからなる。グレーティング周期は、最内周から
最外周まで、例えば２.４μmから１.８μmまで徐々に小
さくなっている。この素子３は反射形のマイクロフレネ
ルレンズの外周部分に相当する。

【００１０】半導体レーザ１の表面出射端９からの発振
光４（例えば、中心波長が０.７８μm周辺）は、基板５
内を通って、発振光の周辺部分４Ｂは、第２の光学素子
３に入射する。第２の光学素子３に入射した発振光４Ｂ
は、例えば、５０％の回折効率で反射回折されて、選択
された波長（例えば０.７８０μm）での反射１次回折光
７のみが、半導体レーザ１の表面出射端９に集光されて
入射する。入射光量は、表面出射端９の反射率に依存し
ていたが、本実施例では、全発振光量の、例えば、５％
から３３％を入射光量としたが、これは、表面出射端９
のほぼ反射率（例えば５％）以上にすれば、波長変動を
抑制する効果があった。図２に示しているように、（図
２では、選択波長を基準にした波長差Δλの光に対し
て、それぞれ集光の様子を示し、光線を示す実線は波長
が選択波長λのとき（Δλ＝０）のときで、１点鎖線、
点線は、それぞれ、Δλ＞０のとき、Δλ＜０のときで
ある）、他の波長（例えば０.７７〜０.７９μm）の１
次回折光は、第２の光学素子３での回折角が異なるた
め、表面出射端９にはほとんど入射しない（Δλ＞０の
ときは焦点距離が短くなり、Δλ＜０のときは、逆に長
くなる）。これにより、レーザ発振波長が、選択波長に
引きずり込まれ、同一の表面出射端９から安定波長の発
振光４として、出射される。この発振光中央部４Ａは、
第１の光学素子２により、コリメートされて、平行出射
光８として出力する。例えば、光ディスクのピックアッ
プ等の光学システムに利用するにはこの光８を用いる。
本実施例では、反射回折光として、１次のものを用いた
が、２次等の他の次数の回折光を用いてもよい。

【００１１】第２の光学素子は、半導体レーザ１へのフ
ィードバック用として用いているが、基板５の外周部に
ドーナツ形に形成することにより、中央部の発振光４Ａ
の光量を減らすことがなく、また、発振光周辺部４Ｂ
は、ビーム成形のため、従来では多くの場合、故意に用
いていなかったが、本実施例の光学デバイスでは、この
光４Ｂを有効利用するという効果がある。また、通常半
導体レーザ１からの発振光は円形ではなく細長い楕円で
あるため、その楕円の長軸方向に合わせるように、第２
の光学素子３をドーナツ形の両端に部分的に形成しても
よい。

【００１２】このように、本発明者は、波長選択するグ
レーティングとレンズの働きを、第２の光学素子３にさ
せ、これを、出射光４をコリメートする第１の光学素子
２と同一基板５上に形成することにより、光学デバイス
が小形になり、これらの光学素子の位置合わせも、公知
のプレーナ技術で容易に正確にでき、作製と同時に位置
合わせが行えるので、作製後の組立の必要もなくなり、
また構造も安定になり、非常に効果があることを発見し
た。

【００１３】本実施例の第２の光学素子３は、レーザ１
の表面出射端９から素子２、３の形成したガラス面まで
の距離をａとすると、位相シフト関数として、Φ（ｒ）
＝λ／（ｎπ）・（√（ａ²＋ｒ²）−ａ）−２ｍπで与
えられる。ただし、λは、光の波長、ｒは、レンズ３の
中心からの距離、ｎは基板５の屈折率である。ｍは０≦
Φ≦２πを満たす整数である。これは近似的に、焦点距
離がｆ＝ａ／２のレンズである。

【００１４】光学素子２、３の製造方法としては、公知
のプレーナ技術の１つである電子ビーム描画法を用い
た。すなわち、ガラス板５上にコーティングした、例え
ば、ＰＭＭＡやＣＭＳ等の電子ビームレジストに第１と
第２の光学素子２、３に対応するように、電子ビームを
同心円状に照射し、現像処理を行なうことにより、膜厚
を変化させ、その後、第２の光学素子３上のみに反射層
６を堆積した。大量生産は、反射層６を堆積する前に、
第１と第２の光学素子を同時に含む金型を作製し、例え
ば、ＵＶ硬化樹脂を用いて金型から複製し、反射層６を
堆積すれば原盤と同一の光学素子２、３が同時に、相対
的位置関係を保ったままで作製でき、本発明の光学デバ
イスが、低価格で製造可能である。また、光学素子２、
３が、熱的に問題がある場合は、現像後、イオンビーム
エッチングや、弗酸等でガラス板５に転写すると熱的に
も安定になる。

【００１５】本実施例では、光学素子２、３を構成する
グレーティングのパターン形状は円形としたが、半導体
レーザ１からの出射光４の発散球面波は、一般に非点収
差が発生するため、グレーティングのパターン形状を楕
円形とすることにより、逆の方向に非点収差を発生させ
て無収差にすることも可能である。また、本実施例で
は、光学素子２、３を構成するグレーティングの断面形
状は鋸歯形状にしたが、これは、矩形形状でも、回折効
率は悪くなるが、同様の効果がある。さらに、本実施例
では、第１の光学素子を回折形のレンズとしたが、屈折
形の平凸レンズでも、レンズ厚が大きくなるものの一体
化としての効果はある。

【００１６】また、第１の光学素子２と半導体レーザ１
の位置合わせが、第２の光学素子３を設けたことによっ
て、第２の光学素子３からの反射１次回折光が、表面出
射端９にくるようにすればよいため、簡単になる。ま
た、出射光８の波長をモニターして、設計波長になるよ
うに位置合わせを行なえば、位置合わせの自動化も容易
にできるという効果もある。

【００１７】図３は本発明の第２の実施例の光学デバイ
スの基本構成を示す断面図（ａ）と上面図（ｂ）であ
る。第１の実施例と異なる点について説明する。

【００１８】本実施例では、基板５として、左下部を、
基板５下面から例えば、３０°の角度で斜め方向に切断
した、例えば厚さ４ｍｍのガラス板を用い、その切断部
分に、半導体レーザ１の表面出射端９を垂直に設置して
ある。表面出射端９から出射された発振光４は、基板５
上面に形成した第１、第２の光学素子２Ａ、２Ｂに、垂
直方向から例えば３０°の斜角度で入射する。第１の光
学素子２Ａを取り囲むように形成した第２の光学素子３
Ａに入射した発振光４Ｂは、第１の実施例と同じく、選
択波長の反射１次回折光７が表面出射端９に入射し、波
長を選択波長で固定化する。第１の光学素子２Ａに入射
した発振光４Ａは、反射コリメートされて、基板下面に
設けた反射層６Ａに反射され、基板５を通過し、外部に
コリメートされた出射光８として出射される。基板５の
表面から斜め方向外部に、出射光８を出射させることに
よって、通常の半導体レーザ光が細長い楕円であるが、
発振光４の楕円の長軸を、基板５内を伝搬する発振光４
の光軸（または、半導体レーザ１から第１の光学素子２
Ａへの光軸）と平行になるように、半導体レーザ１を設
置することにより、その楕円率が小さくなり（円形に近
づき）、ビーム成形される効果がある。

【００１９】第１の光学素子２Ａは、例えば、長軸方向
１ｍｍ、短軸方向０.８６ｍｍのサイズの反射形でしか
も斜入射用（例えば３０°の斜入射角）の回折光学マイ
クロレンズで、第２の光学素子３Ａも、例えば、長軸方
向１ｍｍから１.３ｍｍ、短軸方向０.８６ｍｍから１.
１ｍｍのサイズの斜入射用の反射形回折光学レンズであ
り、どちらの素子２Ａ、３Ａの上面にも反射層６Ａ’を
堆積している。第１の光学素子２Ａは、構成するグレー
ティングは、断面が鋸歯形状で、パターン形状は楕円形
であり、楕円形の中心位置は、外周部にいくにしたがっ
て、楕円形の光源１側の長軸方向とは逆方向に、徐々に
ずれており、それぞれ、斜入射で生じる非点収差、コマ
収差を補正した構造になっている。第２の光学素子３Ａ
は、断面が矩形形状で、平面的には、放物線状のグレー
ティングが、光源１側に近づくにつれて、周期と曲率が
徐々に大きくなる構造をしている。

【００２０】本実施例では、基板５上に第１と第２の光
学素子２Ａ，３Ａを形成した構造について述べたが、以
下述べる第３、４の実施例ともに、さらに多くの光学素
子を同一基板５上に形成して、ジグザグ光路を利用して
光学的処理を行なわせる、公知のプレーナ光学系にも用
いることができる。

【００２１】図４は本発明の第３の実施例の光学デバイ
スの基本構成を示す断面図（ａ）と下面図（ｂ）であ
る。第２の実施例と異なる点について説明する。

【００２２】本実施例では、半導体レーザ１、第２の光
学素子３Ｂ、第２の光学素子２Ｂをすべて、例えば１.
５ｍｍ厚の基板５の下面にこの順で設けている。基板５
下面に傾けて設置した半導体レーザ１からの発振光４
は、基板５内をジグザグ伝搬する形で、第２の光学素子
３Ｂに入射し、出射する反射１次回折光７は、逆向きに
ジグザグ伝搬する形で、半導体レーザ１の表面出射端９
に入射し、発振波長を固定化する。第２の光学素子３Ｂ
から出射された０次回折光（透過光）は、さらにジグザ
グ伝搬する形で、第１の光学素子に入射し、コリメート
されて、出射光８として、取り出すものである。

【００２３】本実施例では、第２の実施例と比べて、光
源１からコリメータレンズである第１の光学素子２まで
の光路長を長くとれるため、基板５の厚さを薄くでき、
あるいは第１の光学素子２は長焦点でよいため設計作製
が楽になる。さらに、第２の光学素子３Ｂの大きさが第
１の光学素子２Ｂのおよそ半分ですむため、電子ビーム
描画で作製するとき、作製が楽になる。

【００２４】図５は本発明の第４の実施例の光学デバイ
スの基本構成を示す断面図（ａ）と下面図（ｂ）であ
る。第３の実施例と異なる点について説明する。

【００２５】本実施例では、半導体レーザ１、第１の光
学素子２Ｃ、第２の光学素子３Ｃをすべて、例えば、３
ｍｍ厚の基板５の下面にこの順で設けている。基板５下
面に傾けて設置した半導体レーザ１からの発振光４は、
基板５内をジグザグ伝搬する形で、第１の光学素子２Ｃ
に入射し、コリメートされ、さらにジグザグ伝搬する形
で、均一周期の直線グレーティングである第２の光学素
子３Ｃに入射し、その反射１次回折光７は、逆向きにジ
グザグ伝搬する形で、第１の光学素子２Ｃをへて半導体
レーザ１の表面出射端９に入射し、発振波長を固定化す
る。第２の光学素子３Ｃから出射された０次回折光（透
過光）は、基板５内を伝搬して出射光８として、取り出
すものである。

【００２６】本実施例では、第２の光学素子３Ｃは、均
一周期の直線グレーティングでよいため、第３の実施例
と比べて設計作製が楽になるという効果がある。

【００２７】以上、本発明の光学デバイスについて、実
施例について述べたが、第１と第２の光学素子以外に第
３あるいは複数の他の光学素子を、同一基板上に形成し
ても同様の効果が得られる。また、これらの実施例の光
学デバイス以外に、それぞれの光学デバイスの構成を組
み合わせた光学デバイスも構成可能であり、同様の効果
を有するのは言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、小形で、
光学アライメントが簡単で、しかも構造が安定で、製造
も容易な光学デバイスが実現可能であるという効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例の光学デバイス
の基本構成を示す断面図（ｂ）は同上面図

【図２】本発明の第１の実施例の光学デバイスにおい
て、各波長の反射回折の様子を示すを示す側面図

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例の光学デバイス
の基本構成を示す断面図（ｂ）は同上面図

【図４】（ａ）は本発明の第３の実施例の光学デバイス
の基本構成を示す断面図（ｂ）は同下面図

【図５】（ａ）は本発明の第４の実施例の光学デバイス
の基本構成を示す断面図（ｂ）は同下面図

【図６】従来の光学デバイスの構成を示す側面図

【符号の説明】

１半導体レーザ２第１の光学素子３第２の光学素子４発振光５基板６反射層７反射１次回折光８出射光９表面反射端

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、上記基板上に形成した第１の光学
素子と、上記基板上に形成した反射形でしかも回折形の
集光作用を有する第２の光学素子と、半導体レーザから
なり、上記半導体レーザからの発振光を、上記第２の光
学素子に入射させ、上記第２の光学素子によって反射回
折させた光を上記半導体レーザの表面出射端に入射させ
ることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】第１の光学素子は、回折形の光学素子であ
ることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】第２の光学素子は、第１の光学素子の回り
に形成してなり、半導体レーザからの発振光を、上記第
１の光学素子に入射させ、出射させることを特徴とする
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項４】第１の光学素子は、反射形の光学素子であ
り、半導体レーザから上記第１の光学素子への光軸は基
板表面に対して垂直ではなく、傾いていることを特徴と
する請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項５】半導体レーザからの発振光を、第２の光学
素子に入射させ、出射された０次回折光を、第１の光学
素子に入射させることを特徴とする請求項４に記載の光
学デバイス。
【請求項６】第２の光学素子は、均一周期の直線グレー
ティングであって、半導体レーザからの発振光を、第１
の光学素子に入射させ、出射された光を、上記第２の光
学素子に入射させることを特徴とする請求項４に記載の
光学デバイス。
【請求項７】発振光の楕円の長軸を、半導体レーザから
第１の光学素子への光軸と平行にさせるように上記半導
体レーザを設けることを特徴とする請求項４に記載の光
学デバイス。
【請求項８】半導体レーザの表面出射端に入射させる光
の、発振光に対する割合は、表面出射端の反射率以上に
することを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項９】第１の光学素子と第２の光学素子を同時に
含む金型を作製し、上記金形を用いて、第１の光学素子
と第２の光学素子を同時に複製することを特徴とする請
求項１に記載の光学デバイスの製造方法。