JPH0763909A - 光回折素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】導波光を、高い位置精度で並ぶ複数の集光スポ
ットを形成する空間放射光に変換する光回折素子を提供
する。 【構成】基板１２の上にスラブ型（平面型）の導波路１
４が形成されており、その上にＦＧＣ１６が設けられて
いる。ＦＧＣ１６は、次式 【数１】 で示されるラインパターンの回折格子で構成されてい
る。さらに導波路１４の上には、ＦＧＣ１６の手前すな
わち導波光が入射する側に矩形の遮光溝１８が設けられ
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、光ディスク用ピックア
ップなどに用いられるマルチビームを生成するための光
回折素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ピックアップは、光ディスク上の微細
なピット（凹凸）を検出するため、トラックを追従する
機能を有する必要がある。その手法の一つに３ビーム法
がある。図１５に、３ビーム法を用いた光ピックアップ
の光学系を示す。半導体レーザーから射出された光は、
回折格子によって三本のビーム（０次光、＋１次光、−
１次光）に分割され、コリメーターレンズにより平行化
された後、対物レンズにより集光され、光ディスク上に
三つのスポット（一つの主スポットと二つの副スポッ
ト）として照射される。光ディスクからの反射光は対物
レンズとコリメーターレンズを通過した後、ビームスプ
リッターにより偏向され、検知器面上に照射される。検
知器面には、主スポット用フォトダイオードが中央に、
その前後に副スポット用フォトダイオードが配置されて
おり、二つの副スポット用フォトダイオードの出力差よ
りトラッキングエラー信号が得られる。

【０００３】３ビーム法を用いた光ピックアップでは回
折格子や集光レンズなど多くの光学素子が必要であり、
これらのすべてを個別の部品とし、これを組み立てるこ
とにより光ピックアップを構成した場合、それ自体かな
り大きなものとなってしまう。また、光学部品毎に調整
が必要なため、全体としての調整もかなり煩雑なものと
なってしまう。

【０００４】このような不都合を改善した光ピックアッ
プとして、一つの基板上に複数の光学素子を一体的に設
けたものが、例えば特開昭６１−７１４２８において提
案されている。その構成を図１６に示す。

【０００５】台座の上には、導波路を形成した基板と、
半導体レーザーが設けられている。半導体レーザーは、
その射出光が導波路に結合するように、その射出面が導
波路の端面に接する状態で固定されている。導波路上に
は、半導体レーザーから射出された光を平行光に変える
コリメート用回折格子、平行光を三分割する分割用回折
格子、分割された光を外部空間中に射出すると共に集光
する集光用回折格子、光ディスク（図示せず）で反射さ
れた光を受光する受光素子が設けられている。

【０００６】半導体レーザーから射出された光は、コリ
メート用レンズで平行光に変えられた後、分割用回折格
子により三つに分けられる。三つに分かれた導波光はそ
れぞれ、集光用回折格子によって、空間中に直線的に並
んだ三つの点に集光する空間放射光に変換される。これ
らの集光スポットは、図示しない光ディスクの記録面に
照射され、そこからの反射光が受光素子に照射される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の光ピ
ックアップは、個別の部品を組み立てるものに比べると
大幅な小型化が可能である反面、回折格子パターンがビ
ームスポットの位置関係に大きく影響を与えるため、そ
の作製には非常に高い描画精度が要求される。このた
め、その製造は容易なものではない。この点について以
下に説明する。

【０００８】図１６に示したような、導波光を空間中の
一点に集光する空間放射光に変換する回折格子は、集光
型回折格子結合器（Focusing Grating Coupler：以下Ｆ
ＧＣと略す）と呼ばれ、一般に光学式露光法や電子線露
光法などの半導体製造プロセスを用いて作製される。そ
の製造には、露光倍率のずれなどにより、位置や寸法に
通常数ミクロン程度の誤差が伴なう。図１６の光ピック
アップでは三つのＦＧＣが設けてあり、その各々からの
放射光が別々にスポットを結ぶため、回折格子パターン
の作製誤差がそのままスポット位置の誤差となる。例え
ば、スポットの間隔の１０μｍ、回折格子パターンの作
製誤差を１μｍとすると、スポット間隔誤差が１０％と
なり、三つのスポットの位置関係を精度良く保つ必要の
ある３ビーム法においては無視できない誤差となる。

【０００９】このように、現実の製造技術の素子作製精
度を考慮すると、図１６に示した構成の光ピックアップ
で、相互の集光スポットの位置精度に優れているものを
製造することはかなり難しい。

【００１０】本発明は、導波光を複数の集光スポットを
結ぶ空間放射光に変換する光回折素子で、その集光スポ
ットの相互の位置精度が優れている光回折素子を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光回折素子は、
導波路と、導波路上に形成された回折格子であって、導
波光を空間中の一点に集光する集束性の放射光に変換す
る回折格子と、回折格子からの放射光に干渉を生じさせ
る干渉誘起手段とを有している。

【００１２】

【作用】干渉誘起手段は、例えば、回折格子の手前にお
いて、導波路に設けた溝や導波路上に設けた光吸収膜で
構成される。または、回折格子の中央を横切って延び
る、導波路上または導波路下に設けた光吸収部で構成さ
れる。あるいは、導波路の形状を二股に分かれた形状と
し、この分岐した部分の上に回折格子を配置することに
より構成することもできる。また別の手法として、中央
部分に回折格子パターンがない回折格子で構成すること
もできる。あるいは、回折格子の中央を通り導波光の進
行方向に平行な線に対して対称的な形状の直線的な回折
格子パターンを持つ回折格子で構成してもよい。このよ
うな干渉誘起手段を設けた本発明の光回折素子において
は、導波光の導波方向に平行かつ回折格子の中央を通る
線に対して対称的な二つの回折格子があると疑似的に見
なせ、この疑似的な二つと見なせる回折格子から空間中
に放射された光は互いに干渉する。この干渉によって、
焦点面上には光強度のピークが周期的に現れる。これら
のピークは、そのひとつひとつを集光スポットを見なす
ことができる。次に、これについて図面を用いて説明し
よう。

【００１３】図１２に示すように、ｘ1 軸上に二つのス
リットがあり、このスリットを通過した平行光をレンズ
で集光する場合を考える。スリット開口幅をａ、スリッ
ト間隔をｃ、レンズの焦点距離をｆとする。一般に、有
限のスリットに平行光を入射させると、スリットを通過
した光はある特定の回折パターンを形成することが知ら
れている。図のようにスリットが複数存在する場合、各
々のスリットを通過した光の干渉により、レンズ焦点位
置ｚ＝ｆでのｘ2 軸上の光振幅分布Ｕ2(ｘ2)は、

【００１４】

【数１】 となる。ここに、

【００１５】

【数２】 である。図１３にｘ2 軸上の光強度分布｜Ｕ2(ｘ2)｜²
を示す。このようにｘ２軸上では光強度が周期的に変化
し、そのピークの間隔ｄはλｆ／ｃで与えられる。例え
ばｆ＝１０００μｍ、ｃ＝５０μｍ、λ＝０．６３２８
μｍとすると、ｄ＝１２．６５６μｍとなる。光強度分
布のピークは集光スポットと見なすことができ、したが
って回折格子において図１２と同等の構成を実現すれ
ば、図１３のように等間隔で並ぶ三つの集光スポットが
得られることになる。

【００１６】なお、図１２では二つのスリットの場合に
ついて説明したが、スリットの数は二つ以上ならいくつ
でもよく、スリットの数によらずスポット間隔は一定で
ある。

【００１７】ここで、ＦＧＣの集光の原理について簡単
に説明する。導波路上に形成されたＦＧＣとその焦点位
置の関係を図１４に示す。図中、（ａ）はその側断面
図、（ｂ）はその上面図である。導波層の実効屈折率を
Ｎ、焦点位置ｆの座標を（ｆｘ ，ｆy ，ｆz ）とする
と、ＦＧＣパターンのライン形状は以下の方程式から決
定される。

【００１８】

【数３】 ここで、ｍは任意の整数、λは入射波の波長を示す。

【００１９】ここでスリットおよびＦＧＣの作製誤差に
ついて考える。スポットの間隔ｄはλｆ／ｃで与えられ
るので、作製誤差がスポット間隔に与える影響は特開昭
６１−７１４２８に比べてはるかに小さいことが分か
る。仮にｃ＝１００μｍ、作製誤差１μｍとすると、ス
ポット間隔ｄの誤差はｃの誤差と同程度であるので、１
％となり無視できる範囲となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
説明する。第一実施例の光回折素子を図１に示す。基板
１２の上にスラブ型（平面型）の導波路１４が形成され
ており、その上にＦＧＣ１６が設けられている。ＦＧＣ
１６は、上述の（３）式で示されるラインパターンの回
折格子で構成されている。ＦＧＣ１６の手前には矩形の
遮光溝１８が設けられている。ここで「手前」とは、入
射導波光の進行方向に関して後方を指すものとし、以
後、本明細書中において「手前」という用語を用いた場
合はこの意味である。

【００２１】遮光溝１８は導波路１４の内部を進行する
導波光を遮るため、全体の構成は図１２と等価なものと
なる。従って、ＦＧＣ１６から空間中に放射された光は
互いに干渉し合い、その焦点面においては複数の集光ス
ポットと等価な干渉パターンが得られる。

【００２２】第二実施例の光回折素子を図２に示す。第
一実施例と同様に、基板１２の上に導波路１４が形成さ
れ、その上にＦＧＣ１６が設けられている。導波路１４
の上にはＦＧＣ１６の手前に光吸収膜２０が設けられて
いる。光吸収膜２０は、例えばＡｌやＣｒ等の金属膜で
作られる。

【００２３】光吸収膜２０の下を通過する導波光は、こ
こを通過する際に吸収され、完全には遮断されないもの
の、光吸収膜２０の下を通過しない導波光に比べると、
その強度は非常に弱いものとなる。従って、図１２とほ
ぼ等価な構成となり、ＦＧＣ１６の焦点面には複数の集
光スポットが得られる。

【００２４】第三実施例の光回折素子を図３に示す。基
板１２の上に導波路１４が形成され、その上にＦＧＣ１
６が設けられている。ＦＧＣ１６と導波路１４の間に
は、その中央に当たる部分に光吸収膜２２が形成されて
いる。このような光吸収膜２２は、導波路１４の内部に
金属等を拡散することにより容易に形成できる。

【００２５】光吸収膜２２の下を導波する光は、光吸収
膜２２で吸収されるため、ＦＧＣ１６から空間中には放
射されない。従って、光は、光吸収膜２２の両側の部分
のＦＧＣ１６から放射される。空間放射光は互いに干渉
し、ＦＧＣ１６の焦点面上に複数の集光スポットを形成
する。

【００２６】第四実施例の光回折素子を図４に示す。基
板１２の上の全面に導波路１４が設けられており、その
上にＦＧＣ１６が形成されている。基板１２と導波路１
４の間には、ＦＧＣ１６の中央部に相当する部分に、光
吸収膜２４が設けられている。

【００２７】光吸収膜２４の上を導波する光はこれに吸
収され、光吸収膜２４の上を導波しない光に比べると非
常に弱められる。このため、ＦＧＣ１６から放射される
光は、光吸収膜２４の両側に当たる部分からのものがほ
とんどとなる。従って、ＦＧＣ１６の焦点面には複数の
集光スポットが現れる。

【００２８】第五実施例の光回折素子を図５に示す。基
板１２の上には、端部がコ字状になっているチャンネル
型の導波路２６が形成されており、そのコ字状端部の上
にＦＧＣ１６が設けられている。このような導波路は、
例えば基板中に高屈折材料を拡散して作られる。

【００２９】導波路２６の内部を導波する光は、コ字状
の端部からＦＧＣ１６に入射し、空間放射光に変換され
る。空間放射光は、導波路２６のコ字状端部の上に位置
するＦＧＣ１６の両側の部分から放射されるため、互い
に干渉して焦点面上に複数の集光スポットを形成する。

【００３０】第六実施例の光回折素子を図６に示す。ス
ラブ型の導波路１４の上に二つのＦＧＣ２８ａと２８ｂ
が形成されている。この二つのＦＧＣ２８ａと２８ｂ
は、前述の（３）式のラインパターンの回折格子を導波
光の進行方向に延びる中央部を除いて形成することによ
り得られる。

【００３１】導波光は二つのＦＧＣ２８ａと２８ｂによ
り空間放射光に変換され、空間放射光は互いに干渉して
その焦点面（ＦＧＣ２８ａと２８ｂは共通の焦点を持っ
ている）に複数の集光スポットを形成する。

【００３２】図６の光回折素子を用いた光ピックアップ
を図７に示す。基板１２の上に設けた導波路１４の上
に、上述した二つのＦＧＣ２８ａと２８ｂが形成されて
いる。導波路１４の端面に半導体レーザー３０が取り付
けられている。ＦＧＣ２８ａと２８ｂの手前に、半導体
レーザー３０から射出された光を平行光に変えるための
コリメート用回折格子３２が設けられている。さらに導
波路１４の上には、ＦＧＣ２８ａと２８ｂの前方のとこ
ろに、受光素子３６が設けられている。

【００３３】半導体レーザー３０から射出された光は導
波路１４に入射する。導波路１４に入射した発散性の導
波光はコリメート用回折こうし３２で平行光に変えら
れ、ＦＧＣ２８ａと２８ｂに入射する。ここで導波光は
一部がＦＧＣ２８ａと２８ｂから空間中に放射される。
この放射光は光ディスク３４の面上に三つのスポットと
して照射される。その反射光は受光素子３６で受光さ
れ、情報再生に必要な信号が得られる。

【００３４】第七実施例の光回折素子を図８に示す。ス
ラブ型の導波路１４の上にＦＧＣ３８が形成されてい
る。ＦＧＣ３８は、前述の（３）式で表される曲線を左
右対称の折れ線で近似したラインパターンの回折格子で
構成されている。

【００３５】図８のＦＧＣ３８の回折格子パターンのひ
とつを拡大したものを図９に示す。図中、細線が（３）
式を満足する曲線で、太線がＦＧＣ３８の回折格子パタ
ーンを示すもので、曲線上の点Ｐ1 （端）と点Ｐ2 （中
心）を結ぶ直線となっている。このような折れ線状の回
折格子パターンを通過した光は、理想球面波に対してｘ
方向に図のような位相差を持つ波面として射出される。
これは極めて狭いスリットを通過した直後の波面と等価
である。従って、図１２の場合と同様に、干渉により焦
点面上に複数のスポットが得られる。本実施例は、光を
遮断しないため、前述の実施例に比べて、光の利用効率
が高いという利点がある。

【００３６】第八実施例の光回折素子を図１０に示す。
スラブ型の導波路１４の上に四つのＦＧＣ４０ａ、４０
ｂ、４０ｃ、４０ｄが設けられている。これらのＦＧＣ
４０ａ〜４０ｄの回折格子パターンは、前述の（３）式
で表されるラインパターン上に位置している。本実施例
は、図６に示した実施例と同じ思想に基づくものであ
り、図６の実施例が図１２のように二つのスリットを配
置した構成と等価となる構成になっているのに対して、
本実施例は図１２においてスリットの数を四つにした場
合と等価となる構成になっている。図１２において、ス
リットの数は多いほど集光スポットの径は小さくなるの
で、図６の実施例に比べて、径の小さい複数の集光スポ
ットが得られる。

【００３７】第九実施例の光回折素子を図１１に示す。
本実施例では、ＦＧＣ４２を構成している各回折格子パ
ターンは、図８に示した実施例と同じ思想により、前述
の（３）式で表されるラインパターンを四本の直線で近
似した四つの直線部４２ａ〜４２ｄからなっている。図
８の実施例が図１２のように二つのスリットがある場合
と等価な構成となっているのに対して、本実施例は図１
２においてスリットを四つに増やした場合と等価な構成
となっている。従って、ＦＧＣ４２の焦点面に得られる
複数の集光スポットは、第八実施例と同様に、図８の実
施例のものよりも小径のものとなる。

【００３８】本発明の用途の一例として本明細書中では
３ビーム法の光ピックアップを示したが、その用途はこ
れに限るものでなく、本発明は等間隔で並ぶ複数の集光
スポットを必要とするあらゆる用途に適用可能である。

【００３９】また本明細書中ではＦＧＣおよび導波路の
作製プロセスの詳細については触れないが、導波路は、
基板上にスパッタリング法や蒸着法などにより薄膜を形
成することにより作製でき、また回折格子は、導波路の
表面に光感光材料を塗布し、マスク等を用いて部分的に
露光した後に現像し、これをマスクとしてエッチングな
どの手段で導波層表面に微細な凹凸を形成することで作
製できる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、高い位置精度で等間隔
に並ぶ複数の集光スポットを得ることのできる光回折素
子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光回折素子の第一実施例を示す図
で、（ａ）はその側端面図、（ｂ）はその上面図であ
る。

【図２】本発明による光回折素子の第二実施例を示す図
で、（ａ）はその側端面図、（ｂ）はその上面図であ
る。

【図３】本発明による光回折素子の第三実施例を示す図
で、（ａ）はその側端面図、（ｂ）はその上面図であ
る。

【図４】本発明による光回折素子の第四実施例を示す図
であり、（ａ）はその側端面図、（ｂ）はその上面図で
ある。

【図５】本発明による光回折素子の第五実施例を示す図
であり、（ａ）はその側端面図、（ｂ）はその上面図で
ある。

【図６】本発明の第六実施例の光回折素子の上面図であ
る。

【図７】図６の光回折素子を用いた光ピックアップの構
成を示す図である。

【図８】本発明の第七実施例である光回折素子を示す図
である。

【図９】図８のＦＧＣの回折格子パターンのひとつを拡
大して示す図である。

【図１０】本発明の第八実施例の光回折素子を示す上面
図である。

【図１１】本発明の第九実施例である光回折素子で用い
るＦＧＣの上面図である。

【図１２】本発明の原理を説明するための図である。

【図１３】図１２のｘ2 軸上における光強度分布を示す
グラフである。

【図１４】導波路上に形成されたＦＧＣとその焦点位置
の関係を示す図であり、（ａ）はその側面図、（ｂ）は
その上面図である。

【図１５】３ビーム法を用いた光ピックアップの光学系
を示す図である。

【図１６】ひとつの基板上に複数の光学素子を一体的に
設けた特開昭６１−７１４２８に開示されている光ピッ
クアップの構成を示す図である。

【符号の説明】

１４…導波路、１６…ＦＧＣ、１８…遮光溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路と、 導波路上に形成された回折格子であって、導波光を空間
   中の一点に集光する集束性の放射光に変換する回折格子
   と、 回折格子からの放射光に干渉を生じさせる干渉誘起手段
   とを有している光回折素子。