JPH08147785A

JPH08147785A - 光ディスク装置

Info

Publication number: JPH08147785A
Application number: JP6287850A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nishiwaki; 青児西脇; Junichi Asada; 潤一麻田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1996-06-07
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP3551506B2

Abstract

(57)【要約】【目的】安価小型で、光磁気信号の再生も可能な光デ
ィスク装置の提供。【構成】透明基板3上に成膜した金属層4は軸Lを中心
とする円形領域でエイッチンク゛し、表面に同心円状のク゛レーティン
ク゛5A、5Bを備えた透明層5を成膜し、ク゛レーティンク゛5A、5Bは
軸Lを中心とする円6T内でエッチンク゛した導波層6の存在でカフ
゜ラとして機能する。半導体レーサ゛1の出射光は1/2波長板16
を透過しカフ゜ラ5Aに入射し、中心Oから外周側に向かう導
波層6の入射光で励起した1次モート゛導波光10aは段差構造6
Sを通過し0次モート゛導波光10bに変化し、0次モート゛導波光10
cの状態でク゛レーティンク゛カフ゜ラ5Bで放射され、光テ゛ィスク基板12
の裏面側の信号面12A上の点Fに集光後、反射光11bはク゛レ
ーティンク゛カフ゜ラ5Bに入射し、中心Oの方向に伝搬する0次モート゛
導波光13cを励起し、0次モート゛13aの状態でク゛レーティンク゛カフ゜ラ
5Aで放射され、光検出器15で受光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は情報メモリとしての光デ
ィスクの信号を記録、または再生する光ディスク装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術について、例えば応用光エレ
クトロニクスハンドブック（監修：野口健一、大越孝
敬、昭晃堂発行、１９８９年初版）ｐ．５８９に記載の
光磁気ヘッドに基づいて説明する。図１３は従来の光磁
気ヘッドの原理構成図を示す。半導体レーザー１から出
射する光はコリメートレンズ３３によって平行光とな
り、ハーフミラー３４に入射し、入射光の７０％が透過
して、直線偏光の状態で対物レンズ３５により光ディス
ク１２の磁気信号面１２Ａに集光する。信号面１２Ａを
反射する光は対物レンズ３５を経てその３０％がハーフ
ミラー３４を反射した後、１／２波長板３６により偏光
面を一定角だけ回転させて偏光ビームスプリッター３７
に入射し、この入射光はほぼ同光量の光に分離されて、
それぞれ透過成分は光検出器３８ａに、反射成分は光検
出器３８ｂに入射して光量が検出され、それらの差動信
号３９が差分回路４０により検出される。

【０００３】信号面１２Ａを反射する光は、信号面の磁
化方向によって偏光面がεまたは−εだけ回転するの
で、信号の有無（磁化方向の差）によって偏光面は合計
２εだけ回転し、この差は差動信号３９の変動として現
れる。

【０００４】対物レンズ３５を透過する戻り光量を１、
ハーフミラー３４の反射率をβ、偏光ビームスプリッタ
ー３７の透過軸と入射光偏光面のなす角をθとすると、
光検出器３８ａで検出される透過成分の光量はβcos
²(θ−ε)からβcos²(θ＋ε)に変動するのに対し、光
検出器３８ｂで検出される反射成分の光量はβsin²(θ
−ε)からβsin²(θ＋ε)に変動し、光検出器３８ａ、
３８ｂの差動信号はβ｛cos ²(θ−ε)−sin²(θ−ε)｝
からβ｛cos²(θ＋ε)−sin²(θ＋ε)｝に変化する。無
信号時には透過成分と反射成分とが同光量であることか
らsin²θ＝cos²θがなりたつので、差動信号振幅ΔＳは
（数１）で与えられる。

【０００５】

【数１】

【０００６】この（数１）におけるεの大きさは非常に
小さいので、（数１）は（数２）に近似できる。一般に
は、β＝０．３程度（３０％）であるので、戻り光量で
標準化された信号振幅はΔＳ＝１．２εとなる。

【０００７】

【数２】

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の光磁
気ヘッドに於て以下の問題点があった。すなわち、ハー
フミラー３４、偏光ビームスプリッター３７は、高精度
に研磨されたプリズムにＴｉＯ₂等の高屈折率の膜とＳ
ｉＯ₂等の低屈折率の膜とを決められた膜厚で交互に積
層して作製するのでコストが高く、１／２波長板３６も
水晶などの結晶を厚み管理しながら研磨し張り合わせて
作製するのでコストが高い。また、多数の光学素子を組
み合わせるために、調整コストも高く、光ヘッドの大き
さも大きくなる。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑み、コストが安
く、大きさが小さく、光磁気信号の再生も可能な光ディ
スク装置を提供することを目的する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の光ディスク装置は、レーザー光源と、前記
レーザー光源から出射するレーザー光の光軸と直交する
透明基板上に構成された導波層と、前記導波層上または
下あるいは前記道は層内の何れかに形成された前記入射
光軸を中心とする同心円状周期構造を持つ第１の光結合
手段と、前記第１の光結合手段と同心してこれを取り囲
む前記導波層上または下あるいは前記道は層内の何れか
の領域に前記入射光軸を中心とし径方向にピッチの変調
された同心円状周期構造を持つ第２の光結合手段とから
なり、前記導波層にほぼ垂直に入射する前記レーザー光
は、前記第１の光結合手段により導波層内で中心から外
周側に伝搬する導波光を励起し、この導波光は、前記第
２の光結合手段より放射して集光する光となり、この集
光点近傍に配置された信号面を反射する光が、前記第２
の光結合手段に入力して中心方向に伝搬する導波光を励
起し、この帰還導波光を前記第１の光結合手段より放射
して、その放射方向に配置された光検出器により光量を
検出し、前記信号面上の信号を再生する装置において、
導波層に入射するレーザー光の偏光状態が直線偏光であ
り、信号面が磁性材料で形成され、光検出器が前記入射
光軸を中心とする輪帯の形状をなし、前記直線偏光の方
向にほぼ平行な直線とこれに直交する直線で４等分さ
れ、その対角位置領域から検出される信号を和算して２
組の和信号を得、これらの差分を再生信号とする。

【００１１】また、第２の光結合手段の位置における導
波層の膜厚を厚くするか、導波層または透明基板を形成
する媒質に複屈折性を持つものを採用することで、第２
の光結合手段の位置において導波光のＴＥモードに対す
る等価屈折率とＴＭモードに対する等価屈折率の差を
０．０００４以下に収まっている。

【００１２】また、第１の光結合手段と第２の光結合手
段の間で前記透明基板上に段差構造があってもよい。

【００１３】さらに、第２の光結合手段の平均的な半径
位置（すなわち第２の光結合手段を外側と内側で等面積
に分割する半径位置）において、放射に関わるＴＥモー
ド導波光及びＴＭモード導波光の位相が揃っており、第
２の結合手段の内、入射光軸に直交する直線に対し４０
±５゜から５０±５゜の角をなす領域からは、信号面へ
集光する光を放射しなくてもよい。

【００１４】さらに、第２の光結合手段の位置において
透明基板と導波層の間には第１の金属反射層と第１の透
明誘電体層がこの順に積層されていてもよく、第１の光
結合手段の位置に相当する導波層の上には第２の透明誘
電体層と第２の金属反射層がこの順に積層されていても
良い。

【００１５】また、導波層が第１の高屈折率透明膜と低
屈折率透明膜と第２の高屈折率透明膜をこの順に積層さ
れることで構成されていてもよく、この時第１の光結合
手段における周期構造は前記低屈折率透明膜上（又は
内、又は下）に形成されている。

【００１６】また、レーザー光源と透明基板との間に１
／２波長板を配置してもよく、この１／２波長板により
レーザー光源から出射するレーザー光の電気ベクトルの
方向は９０゜だけ回転しており、第１の光結合手段の最
外周の形状は楕円状であってもよく、この時第１の光結
合手段への入射光の電気ベクトルの方向と楕円形状の長
軸方向は一致している。

【００１７】

【作用】本発明は上記した構成によって、信号面におけ
る磁性材料の磁化方向の差が帰還導波光の強度分布（す
なわち光検出器上の放射光強度分布）の変化として現
れ、対角位置領域の和信号を差分することで、信号面上
の磁気信号を電気信号として読みとることができる。

【００１８】また、ＴＥモードとＴＭモードの等価屈折
率の差が小く、ＴＥモード導波光及びＴＭモード導波光
の位相も揃っているので、第２の光結合手段が収差の少
ない集光素子として機能する。

【００１９】また、段差構造により導波層が折れ曲がる
ので、導波光がこの段差部を通過することで導波モード
が変化し、第１の光結合手段より帰還導波光を入射光軸
方向とは違った方向に放射できる。

【００２０】また、４０±５゜から５０±５゜の角度を
なす領域からの収束光がないことで、集光スポットのサ
イドローブが分散し、信号トラック上でのサイドローブ
振幅が小さいスポットが得られる。

【００２１】さらに、第２の光結合手段（または第１の
光結合手段）より第１の金属反射層（または第２の金属
反射層）側に放射する光はこれを反射し、反対側に放射
される成分と重なり互いに干渉するので、第１の透明誘
電体層（または第２の透明誘電体層）の膜厚を調整する
ことで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損失係数
をＴＭモード導波光の放射損失係数の２倍以上、または
１／２以下、または等しくなるように設定することがで
き、磁気信号の再生感度を高めたり、光学系の伝達効率
を高める作用をなす。

【００２２】同じく、第１の透明誘電体層の厚さは、導
波層を伝搬するＴＥモードの光は通すがＴＭモードの光
はその数割が金属反射層により吸収されるようにも設定
でき、この構成でも磁気信号の再生感度を向上させるこ
とができる。

【００２３】さらに、導波層を多層構造にし、その中間
層に周期構造を形成することで、放射損失係数設定の自
由度を広げることができる。また、第１の光結合手段へ
の入射光の電気ベクトルの方向と楕円形状の長軸方向と
は一致しているので、放射損失係数の小さいＴＭモード
導波光は長軸に沿った長い結合長で励起され、放射損失
係数の大きいＴＥモード導波光は短軸に沿った短い結合
長で励起され、ともに高い結合効率での励起がなされ
る。

【００２４】

【実施例】以下本発明の第１実施例の光ディスク装置に
ついて、図１から図６までを参照しながら説明する。な
お従来例と同一の部材には同一番号を付し、詳しい説明
は省略する。

【００２５】図１は、本発明の第１実施例における光デ
ィスク装置の断面構成図、図２はその多層膜構造の断面
構成図、図３は光の伝送経路を示す説明図を示してい
る。

【００２６】図２に於いて、例えば石英などの透明基板
３上にはＡｌやＣｒなどの金属層４が成膜され、軸Ｌを
中心とする円形の領域でエッチングされている。金属層
４上にはＳｉＯ₂などの透明層５が成膜され、透明層５
の表面は同心円状のグレーティング５Ａ、５Ｂが形成さ
れている。透明層５上にはＳｉＮ,ＳｉＯＮやＴａ₂Ｏ ₅
などの高屈折率の膜で導波層６が形成されており、この
導波層６の存在でグレーティング５Ａ、５Ｂはカプラと
して機能する。導波層６は、軸Ｌを中心とする円６Ｔ内
の領域でエッチングされてこの位置での膜厚が薄い。

【００２７】この導波層６上にはＳｉＯ₂などの透明層
７が成膜され、その上にＡｌやＣｒなどの金属層８が成
膜され、金属層８は軸Ｌを中心とする円形の領域を残し
てそれ以外の領域がエッチングされている。金属層８の
上はＳｉＯ₂などの透明層９が成膜され保護層として作
用する。なお、導波層６や透明層５、７には屈折率異方
性（複屈折）があっても良い。

【００２８】図１、図２に示すように、半導体レーザー
１を出射する光は、１／２波長板１６を透過することで
電気ベクトルが９０゜回転し、光軸と軸Ｌが一致した状
態で、軸Ｌに沿って透明基板３を通過し、グレーティン
グカプラ５Ａに入射する。入射光２は直線偏光の状態で
あり、光軸法平面上での等強度線が楕円状をなしてお
り、その長軸方向に電気ベクトル２ｂの方向が一致する
（図３参照）。

【００２９】グレーティングカプラ５Ａの最外周の形状
は、前述の等強度線と相似した楕円状をなしており、方
位に応じて結合長が異なっている。カプラ５Ａに入射す
る光は、全体として中心Ｏ（軸Ｌと導波層６の交点）か
ら外周側に向かう１次モード導波光１０ａを励起する。

【００３０】また、入射光の内、導波層６を透過する成
分は金属層８で反射し、再び導波層６に入射して１次モ
ード導波光１０ａの励起を強める。

【００３１】透明層５の表面は金属層４のエッチング部
の存在により、軸Ｌを中心とする円形の領域で階段構造
をなし、導波層６もこの位置で折れ曲がった構造（段差
構造６Ｓ）をなす。この段差構造６Ｓを通過すること
で、１次モード導波光１０ａは、そのほとんどがより安
定したモードである０次モード導波光１０ｂに変化し、
円６Ｔを境にした導波層の厚膜構造部に移って、０次モ
ード導波光１０ｃの状態でグレーティングカプラ５Ｂよ
り放射される。

【００３２】放射光の内、金属層４側に放射する成分は
これを反射し、反対側（光ディスク基板１２側）に放射
される成分と重なり、互いに干渉して放射光１１ａとな
る。カプラ５Ｂのグレーティングピッチは径方向に変調
されており、この効果で放射光１１ａは光ディスク基板
１２の裏面側にある信号面１２Ａ上の点Ｆに集光する。
信号面１２Ａを反射する光１１ｂは、グレーティングカ
プラ５Ｂに入射して中心Ｏの方向に伝搬する０次モード
導波光１３ｃを励起し、入射光の内で導波層６を透過す
る成分は金属層４を反射して再び導波層６に入射し、導
波光１３ｃの励起を強める。導波光１３ｃは円６Ｔを境
にした導波層の薄膜構造部、及び段差構造６Ｓに移って
も０次モードを維持し（１３ｂ、１３ａ）、０次モード
１３ａの状態でグレーティングカプラ５Ａより放射され
る。この放射光の内、金属層８側に放射する成分はこれ
を反射し、反対側（光検出器１５側）に放射される成分
と重なり、互いに干渉して放射光１４となる。

【００３３】１次モード導波光１０ａを励起する入射光
２が軸Ｌに沿っているのに対し、放射光１４は０次モー
ド導波光からの放射であるので、軸Ｌに対しある角度
（sin^- ¹(Ｎ₀−Ｎ₁)、ただしＮ₀,Ｎ₁は０次、１次モード
の等価屈折率）をなす方位に出力する。光検出器１５
は、その放射方向に配置されており、軸Ｌを中心とする
輪帯の形状をなしている。

【００３４】図３で示すように、点Ｏを原点としｘ軸を
入射光電気ベクトル２ｂの方向、ｙ軸をこれに直交する
方向にとると、ｘ軸方向に励起され伝搬する導波光はＴ
Ｍモードであり、ｙ軸方向に励起され伝搬する導波光は
ＴＥモードである。また、ｘ，ｙ軸の間の方位には、Ｔ
Ｅ，ＴＭモードが合わさった状態で伝搬する（以下、
ｘ，ｙ軸に沿った伝搬光について説明をするが、ＴＥ，
ＴＭに関する議論はそれ以外の方位についても同様であ
る）。

【００３５】入射光のＴＭモード導波光への結合の強さ
は、ＴＥモード導波光への結合の強さに比べ弱いので、
結合効率（入力効率）を高めるには、ＴＭモード励起側
の結合長をＴＥモード励起側のそれより大きくする必要
がある。この条件は、グレーティングカプラ５Ａの最外
周の形状を楕円にすることで満足され、ＴＥ，ＴＭモー
ドともそれぞれの最適の結合条件で励起される。

【００３６】グレーティングカプラ５Ａで励起され、外
周側に伝搬するＴＭモード導波光１７ａ、ＴＥモード導
波光１８ａは、輪帯状のグレーティングカプラ５Ｂから
放射されるが、入力の時と同様、放射光への結合の強さ
はＴＭモードの方が弱く、結合長の均一なカプラ５Ｂか
らほとんど全てのＴＥモード光１８ａが放射される場合
でも、ＴＭモード光１７ａはその一部１７ｃが放射され
ずにカプラの領域をすり抜けてしまう。すなわち、カプ
ラ５Ｂからの出力効率はＴＥモードで大きく、ＴＭモー
ドで小さい（例えばＴＥモードで１００％、ＴＭモード
で５０％）。

【００３７】光ディスク信号面１２Ａは集光点Ｆに位置
し、この面を反射する光はカプラ５Ｂに入射し、中心Ｏ
方向に向かう導波光を励起する。例えば、放射光１７ｂ
に対する反射光１９ｂはＴＭモードの導波光１９ａを、
放射光１８ｂに対する反射光２０ｂはＴＥモードの導波
光２０ａを励起する。カプラ５Ｂに於けるこれらの戻り
光の入力効率は出力効率と等しく、ＴＥモード励起で大
きく、ＴＭモード励起で小さくなる（例えばＴＥモード
で１００％、ＴＭモードで５０％）。

【００３８】なお、ＴＥモード光１８ａからの放射光１
８ｂの集光点ＦＢは、ＴＭモード光１７ａからの放射光
１７ｂの集光点ＦＡとは異なり、ＴＥモード光１８ａの
等価屈折率をＮ_TE、、ＴＭモード光１７ａの等価屈折率
をＮ_TM、収束光の焦点距離をｆ（＝ＯＦ）とすると、軸
Ｌ上で（数３）で示すδの距離をなす。

【００３９】

【数３】

【００４０】但し、（数３）の係数Ｋは開口により決ま
り、一般には２．５程度の値をなすので、ｆ＝２ｍｍと
するとδ＝５０００(Ｎ_TE−Ｎ_TM)μｍである。すなわ
ち、一般にはカプラ５Ｂによる収束光は２重焦点とな
り、集光性をよくするには少なくても｜δ｜≦２．５λ
の条件が必要である（ただし、λはレーザーの波長）。
この条件はλ＝０．８μｍとして（数４）で表される。

【００４１】

【数４】

【００４２】また、カプラ５Ｂの位置で（数４）が満た
されても、中心Ｏから段差構造６Ｓの間、および段差構
造６Ｓから円６Ｔの間では、ＴＥ／ＴＭの等価屈折率差
は大きく異なる。このため段差構造６Ｓの径、円６Ｔの
径を最適化して、カプラ５Ｂの平均的な半径位置（厳密
にはカプラ５Ｂを外側と内側で等面積に分割する半径位
置）において、放射に関わるＴＥモード導波光とＴＭモ
ード導波光との位相を揃える必要がある。この時、収束
光の最良像点Ｆは集光点ＦＡとＦＢの間に存在し、（数
４）の最悪条件（｜Ｎ_TE−Ｎ_TM｜＝０．０００４）で
も、Ｓｔｒｅｈｌ強度は１割程度の劣化に収まる。最適
な６Ｓ、６Ｔの半径ｒ₁,ｒ₂は、カプラ５Ｂの平均的な
半径をｒ₃として（数５）を満たす。

【００４３】

【数５】

【００４４】但し、（数５）は厳密に満たされる必要は
なく、右辺が２(ｍ−0.1)πλから２(ｍ＋0.1)πλの範
囲に収まればよい。従ってΔ₁、Δ₂が０．０１程度の大
きさとすればｒ₁,ｒ₂の精度は±２０πλの誤差が許容
でき、半導体プロセスに於けるパターニング精度がサブ
ミクロンのオーダーにあることを考えれば、段差構造６
Ｓ、円６Ｔの径の設定は難しい工程ではない。

【００４５】図４は、本発明の第１実施例における導波
層の膜厚と等価屈折率の関係（分散特性）を示す説明図
である。同図（ａ）は導波層６の屈折率を１．９０、透
明層５および７の屈折率を１．４５とした場合、同図
（ｂ）は導波層６に屈折率異方性（複屈折）があり、膜
面法線方向の屈折率１．９０５、膜面方向の屈折率１．
９００とした場合である。

【００４６】図４（ａ）のごとく、導波層６に異方性が
ない場合は、導波層の膜厚２〜３μｍ程度で、ＴＥ０モ
ードとＴＭ０モードとの等価屈折率差を０．０００４以
下に抑えることができる。第１実施例で導波層６の中心
部は、軸Ｌを中心とする円６Ｔ内の領域をエッチングし
て膜厚を薄くしたが、カプラ５Ｂを含む円６Ｔ外の領域
での膜厚を厚いまま残したのは、この厚膜によるＴＥ／
ＴＭモード等価屈折率の近接効果を狙ったためである。

【００４７】また、図４（ｂ）のごとく異方性がある場
合は、導波層の膜厚１μｍ前後で、ＴＥ０モードとＴＭ
０モードとの等価屈折率差を０．０００４以下に抑えら
れ、図４（ａ）の方式に比べ円６Ｔ前後での導波層膜厚
差を小さくできるので、この位置での導波損失を小さく
できる。異方性がもっと大きい場合は、円６Ｔ内の領域
をエッチングして膜厚を薄くする必要がなくなり、作製
プロセスをより簡素化できる。

【００４８】図５は、本発明の第１実施例における伝搬
光の強度分布の変化を表す説明図である。縦軸は伝搬光
の強度、横軸は伝搬方位（ｘｙ座標に於ける偏角φ）を
表す（図３参照）。グレーティングカプラ５Ａで励起さ
れる導波光１０ａの強度は、入射光２の等強度線の径に
比例するので、曲線２１に示すようにφ＝０゜、１８０
゜で極大、９０゜、２７０゜で極小となる。

【００４９】グレーティングカプラ５Ｂから放射される
光の強度は、出力効率がＴＥモードで大きくＴＭモード
で小さいので、曲線２２に示すようなほぼ均一な分布に
することができる。

【００５０】従って、ＴＥモードからの放射光とＴＭモ
ードからの放射光とは強度が等しく、電気ベクトルの位
相差もないので、放射光の偏光はｘ，ｙ軸以外の出力位
置においても直線偏光となる。

【００５１】光ディスク信号面１２Ａからの反射光が励
起する帰還導波光の強度は、カプラ５Ｂに於ける入力効
率がＴＥモードで大きくＴＭモードで小さいので、曲線
２３に示すようにφ＝０゜、１８０゜で極小、９０゜、
２７０゜で極大となる（αはＴＭ／ＴＥの入力効率
比）。

【００５２】なお、信号面が磁性膜で形成され、磁気信
号が存在する場合には、カー効果またはファラデー効果
により、光ディスク信号面１２Ａからの反射光の偏光方
向が回転し、曲線２４（破線）で示すように帰還導波光
の強度分布が変化する。曲線２４は曲線２３に比べ信号
面の磁化方向によってεだけ偏角φ方向にシフトした分
布であり、磁化方向が反転すれば−εだけシフトした分
布になる。

【００５３】この効果を利用し、帰還導波光の強度分布
は、カプラ５Ａより放射され光検出器１５により受光さ
れる光の強度分布に等しいので、０゜≦φ≦９０゜、１
８０゜≦φ≦２７０゜の領域の光量和と、９０゜≦φ≦
１８０゜、２７０゜≦φ≦３６０゜の領域の光量和との
差分をとることで、磁化方向の変化に対応する偏角φ方
向へのシフトを認識でき、磁気信号の再生が可能にな
る。

【００５４】図６は、本発明の第１実施例における光検
出器の分割例を示す説明図であり、ｘ，ｙ軸は図３に示
したものに対応する。

【００５５】図６（ａ）のように、ｘ軸、ｙ軸に沿った
分割（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を光検出器１５に加え、各対角
位置の和信号（Ａ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄ）の差分（Ａ＋Ｃ−(Ｂ
＋Ｄ)）を考える。図５の曲線２３を関数ｆ(φ)で表す
と、磁化方向の反転によって帰還導波光の強度分布は、
ｆ(φ−ε)とｆ(φ＋ε)との間を変動する。ここで図５
で現れた係数α（ＴＭ／ＴＥの入力効率比）を使ってｆ
(φ)を（数６）で表す。

【００５６】カプラ５Ｂに入射する戻り光量（図５の曲
線２２に対応する光量）を１とし、カプラ５Ｂにより入
力結合した光が全て光検出器１５により受光されるとし
て、（Ａ＋Ｃ−(Ｂ＋Ｄ)）の差分信号による差動信号振
幅ΔＳは（数７）で与えられる。また、εの大きさは非
常に小さいので、（数７）は次式に近似できる。

【００５７】

【数６】

【００５８】

【数７】

【００５９】

【数８】

【００６０】戻り光量で標準化された信号振幅は、α＝
０．５とするとΔＳ＝０．７ε、α＝１．０とするとΔ
Ｓ＝１．４εとなり、従来例（ΔＳ＝１．２ε）と同レ
ベルの信号感度が得られる。当然、ＣＤ等の凹凸信号や
相変化光ディスク等の濃淡信号の再生は全光検出器の和
信号（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ)で実現でき、従来通りの信号感
度が得られる。この様に、光学系を変えることなく光検
出器の信号処理方式を変えるだけで、記録原理の異なる
光ディスクの信号を容易に再生できる。

【００６１】なお、図６（ｂ）はＴＥ（トラッキングエ
ラー）信号検出に対応する光検出器の分割例、図６
（ｃ）はＦＥ（フォーカシングエラー）信号検出に対応
する光検出器の分割例を示す。光ディスクの回転はｘ軸
方向に一致し、図６（ｂ）に於いて差信号（Ａ−Ｂ）に
よりいわゆるプッシュプル法の原理で、ＴＥ信号が検出
できる。また、図６（ｃ）に於いて和信号（Ａ＋Ｃ）
は、図３におけるＴＥモード光による集光点ＦＢからの
反射による信号であり、和信号（Ｂ＋Ｄ）はＴＭモード
光による集光点ＦＡからの反射による信号である。

【００６２】図３に於いて、信号面１２Ａが点Ｆから点
ＦＡに近づくと、反射光１９ｂが入力の位相整合条件に
近づき、反射光２０ｂは外れるので、和信号（Ｂ＋Ｄ）
は大きく和信号（Ａ＋Ｃ）は小さくなる。反対に点Ｆか
ら点ＦＢに近づくと、和信号（Ｂ＋Ｄ）は小さく和信号
（Ａ＋Ｃ）は大きくなる。

【００６３】従って、（数４）で示した｜Ｎ_TE−Ｎ_TM｜
の大きさがある一定値に精密に設定できる場合、差信号
（Ａ＋Ｃ−ｍ（Ｂ＋Ｄ））によりＦＥ信号が検出でき
る。なお、帰還光の強度分布は図５の曲線２３に従うの
で、定数ｍの大きさは一般に１より大きい。また、
（ｃ）では中心Ｏを通る２直線でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに等分
割したが、ｍ＝１としてＡ，Ｃの交角を広く、Ｂ，Ｄの
交角を狭くしても良い。

【００６４】この様に、本発明の第一実施例は、従来例
に於ける多数のレンズ、プリズムの組合せを、透明基板
上の多層膜構造に置き換えたものであり、部品点数を大
幅に低減できる上、調整作業も少なく、大きな基板の上
に膜やグレーティングを一括して形成した後、割断する
ことで大きな量産効果が得られる。また、ミクロンサイ
ズの導波層内で光の集光、分岐が可能となるので大きさ
の小さい光ヘッドが得られ、光磁気信号の再生も可能で
ある。

【００６５】光磁気信号再生原理の基本は、ＴＥモード
導波光とＴＭモード導波光との差別化にある。図３で説
明した実施例では、ＴＥ／ＴＭの差別化がグレーティン
グカプラ５Ｂによる放射光への結合の強さが、ＴＥ／Ｔ
Ｍで異なる（ＴＥモードの結合係数がＴＭモードの結合
係数より大きい）ことで達成されている。

【００６６】これ以外にも、様々な差別化の方法が考え
られる。図７は本発明の第２実施例における光磁気信号
の再生原理を示す説明図であり、その構成は、透明層５
の膜厚ｄ_Sの大きさを除いて第１実施例と同じである。

【００６７】一般に、ＴＭモード導波光は、ＴＥモード
導波光に比べ近接する金属層に吸収されやすく、図７に
於いて透明層５の膜厚ｄ_Sを小さくしていくと、ＴＥモ
ード導波光２５は減衰することなく導波層６を伝搬する
が、ＴＭモード導波光２６は金属層４により吸収され、
減衰の度合いが大きくなる。

【００６８】仮にカプラ５Ａからカプラ５Ｂに伝搬する
間に、ＴＥモード導波光２５は全く減衰しないが、ＴＭ
モード導波光２６は半分に減衰するとすると、図５の曲
線２１に示される強度分布の導波光は、カプラ５Ｂから
放射されるときには曲線２２の強度分布に、カプラ５Ｂ
からの帰還導波光がカプラ５Ａに達したときには曲線２
３の強度分布となり、この分布は信号面の磁化方向によ
り曲線２４に変化するので、第１の実施例と同様に光磁
気信号の再生が可能となる。

【００６９】図８は、本発明の第３実施例における光磁
気信号の再生原理を示す説明図である。その構成は、導
波層とグレーティングに関する構成の違い以外は第１実
施例と同じである。第１実施例との相違点のみ説明を加
えれば、導波層はＳｉＯ₂などの低屈折率の膜６ｂをＴ
ａ₂Ｏ₅などの高屈折率の膜６ａと６ｃで挟んで構成され
ており、グレーティングカプラ６Ａは高屈折率の膜６ａ
上に成膜された低屈折率の膜６ｂをエッチングして同心
円状の周期構造を形成し、この上に膜６ｃを成膜するこ
とで形成されている。

【００７０】この構成で、透明層７の膜厚ｄ_Cに対する
グレーティングカプラ６Ａの放射損失係数を計算したの
が図９であり、波長０．８２μｍ、グレーティングのピ
ッチと深さを０．５５及び０．０６μｍ（グレーティン
グの形状は正弦波状）、透明層５、７の屈折率を１．４
５、導波層６ａ、６ｂ，６ｃの屈折率をそれぞれ２．
２、１．４５、２．２、金属層８の光学定数を２．２＋
７．５ｉとした。

【００７１】図９より、ｄ_C＝１．０９μｍのとき、各
導波モードの放射損失係数は、ＴＥ０で２０(１／ｍ
ｍ)、ＴＭ０で０(１／ｍｍ)、ＴＥ１で１２(１／ｍ
ｍ)、ＴＭ１で７(１／ｍｍ)となる。

【００７２】従って、カプラ５Ａの最外周形状を長軸／
短軸＝１２／７の楕円状し、入射光の偏光方向を長軸方
向と一致させれば、長軸、短軸方向にそれぞれＴＭ１、
ＴＥ１モードの導波光を効率よく励起できる。

【００７３】一方、０次モードの帰還導波光はＴＥ０モ
ードは全て放射されるが、ＴＭ０モードはほとんど放射
されずにカプラ５Ａをすり抜ける。従って帰還導波光の
強度分布が図５の曲線２２に示されるものとすれば、カ
プラ５Ａから放射される光は曲線２３（ただしα＝１）
の強度分布となり、この分布は信号面の磁化方向により
曲線２４に変化するので、第１の実施例と同様に光磁気
信号の再生が可能となる。さらにα＝１の設定が可能な
ので、信号感度も第１実施例より大きい。

【００７４】第１実施例でも、透明層７の厚さｄ_Cを調
整することで、放射光と金属層８からの反射光との干渉
の度合いを変えて、ある程度の放射損失係数の設定がで
きたが、本実施例では導波層を多層構造とし、その中間
層にグレーティングを形成することで、放射損失係数の
設定の自由度を大幅に広げたものである。

【００７５】なお、本実施例において、カプラ５Ａの放
射損失係数が透明層７の膜厚ｄ_Cの関数であったことと
同様に、カプラ５Ｂの放射損失係数も透明層５の厚さｄ
_Sの関数であり、その大きさを適切に設定することで、
ＴＥ０とＴＭ０の放射損失係数を一致させ、ＴＥ０、Ｔ
Ｍ０ともその全てをカプラ５Ｂから放射させることがで
きる。従って、第１の実施例に比べ２倍程度、伝達効率
を高めることができる。

【００７６】また、本実施例に於いて、導波層６ａ、６
ｂ，６ｃの仕様（屈折率、膜厚）及び厚さｄ_Cを変更す
ることで、ＴＭ１の放射損失係数をＴＥ１モードの放射
損失係数より大きくすることも可能で、このとき第１実
施例で示した１／２波長板１６は不要となる。

【００７７】図１０はＴＥ０モードとＴＭ０モードとの
等価屈折率差を０．０００４以下に抑えるための、本発
明の第４実施例における断面構成図である。その構成は
外周部での導波層に関する構成の違い以外は、第１実施
例と同じである。

【００７８】第１実施例との相違点のみ説明を加えれ
ば、外周部（円６Ｔの外周側）での導波層は、ＳｉＯ₂
などの低屈折率の膜６ｂをＳｉＮ,ＳｉＯＮやＴａ₂Ｏ₅
などの高屈折率の膜６ａと６ｃで挟んで構成されてい
る。

【００７９】実際のプロセスでは、膜６ａ、６ｂ，６ｃ
をこの順序で成膜した後、軸Ｌを中心とする中心の円径
領域で膜６ｃ、６ｂ、及び６ａの一部をエッチングして
作製する。

【００８０】この構成で、外周部の３層の導波層構造部
に於ける分散特性（膜６ａの膜厚と等価屈折率の関係）
を計算したのが図１１であり、波長０．８２μｍ、透明
層５、７の屈折率を１．４５、導波層６ａ、６ｂ，６ｃ
の屈折率をそれぞれ１．９、１．４５、２．１、膜６
ｂ、６ｃの膜厚を０．１３４、０．２７μｍとした。膜
６ａの膜厚が０．６７〜１．０７μｍのときに、ＴＭ０
とＴＥ１の等価屈折率差が０．０００４以下とすること
ができる。

【００８１】図１２は光ヘッドの集光性能をよくするた
めの、本発明の第５実施例における説明図であり、
（ａ）はカプラ５Ｂの形状、（ｂ）は光ディスク信号面
での集光スポット等強度分布図を示し、ｘ，ｙ軸は図３
のそれに対応する。本実施例はカプラ５Ｂの形状の違い
以外は第１実施例と同じであり、同一部についての説明
は省略する。

【００８２】図１２（ａ）に示すように、カプラ５Ｂに
おけるｘ軸から４０±５゜から５０±５゜の偏角をなす
領域（５ａ）が遮光され（少なくとも点Ｆへの集光には
寄与せず）、光の集光はその他の領域（５ｂ）からの放
射光によりなされている。この様な開口形状を採用する
ことで、図１２（ｂ）に示すように、集光スポットのメ
インローブ３０を取り巻くサイドローブに強弱の分布が
現れ、サイドローブが走査トラック３２ａと２つの隣接
トラック３２ｂ，３２ｃとの間に押し込まれた形にな
る。

【００８３】メインローブ３０の形状は、５ａの開口制
限を行う前とほとんど変化せず、走査トラック３２ａ上
のサイドローブ強度は弱まっているので、第１実施例に
比べ更に光ディスク信号の良好な再生（高感度、低クロ
ストーク、低符号間干渉）が実現できる。なお、本実施
例は従来例の如き一般の光学系にも適用できるものであ
る。

【００８４】なお、以上の実施例で、半導体レーザー１
とカプラ５Ａとの間にコリメーターレンズを配置しても
よく、また、透明層７、反射層８、保護層９のない構造
であってもよい。さらに、各実施例を複合した構成も考
えられるが、その効果も複合したものが得られる。

【００８５】

【発明の効果】以上本発明の光ディスク装置により、透
明基板上の多層膜構造でほとんどの光学系を構成でき、
部品点数が著しく少なく、光ヘッドの組立がプロセス技
術で置き換えられる。量産効果の大きな半導体プロセス
との整合性もあるので、作製コストを安くでき、大きさ
が小さく、信号処理方式を変えるだけで光磁気信号の再
生も可能な光ディスク装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における光ディスク装置の
断面構成図

【図２】本発明の第１実施例における光ディスク装置の
多層膜構造の断面構成図

【図３】本発明の第１実施例における光ディスク装置の
光の伝送経路を示す説明図

【図４】（ａ）は、本発明の第１実施例における導波層
の膜厚と等価屈折率との関係を示し、導波層に屈折率異
方性が無い場合の一例の説明図（ｂ）は、同実施例の導波層の膜厚と等価屈折率との関
係を示し、導波層に屈折率異方性がある場合の一例の説
明図

【図５】本発明の第１実施例における伝搬光の強度分布
の変化を表す説明図

【図６】（ａ）は、本発明の第１実施例における光検出
器の一分割例を示す説明図（ｂ）は、同実施例の光検出器の他の分割例の一例を示
す説明図（ｃ）は、同実施例の光検出器の別の分割例の一例を示
す説明図

【図７】本発明の第２実施例における光磁気信号の再生
原理を示す説明図

【図８】本発明の第３実施例における光磁気信号の再生
原理を示す説明図

【図９】本発明の第３実施例における膜厚ｄ_Cとカプラ
６Ａの放射損失係数の関係を示す説明図

【図１０】本発明の第４実施例における断面構成図

【図１１】本発明の第４実施例における膜６ａの膜厚と
等価屈折率の関係を示す説明図

【図１２】（ａ）は、本発明の第５実施例におけるカプ
ラ５Ｂの形状の一例を示す説明図（ｂ）は、同実施例の集光スポット等強度分布を示す一
例の説明図

【図１３】従来例に於ける光ディスク装置の原理構成図

【符号の説明】

１半導体レーザー２入射光３透明基板４、８金属層５、７、９透明層５Ａ、５Ｂ同心円状のグレーティングカプラ６導波層１０ａ、１０ｂ，１０ｃ導波光１１ａ放射光１１ｂ反射光１２光ディスク基板１２Ａ信号面１３ａ、１３ｂ，１３ｃ帰還導波光１４帰還放射光１５光検出器１６１／２波長板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源と、前記レーザー光源から出
射するレーザー光の光軸と直交する透明基板上に構成さ
れた導波層と、前記導波層上または下あるいは前記道は
層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同
心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の
光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上また
は下あるいは前記道は層内の何れかの領域に前記入射光
軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期
構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層に
ほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結
合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波
光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より
放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置され
た信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力
して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波
光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向
に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面
上の信号を再生する装置において、前記導波層に入射す
るレーザー光の偏光状態が直線偏光であり、前記信号面
が磁性材料で形成され、前記光検出器が前記入射光軸を
中心とする輪帯の形状をなし、前記直線偏光の方向にほ
ぼ平行な直線とこれに直交する直線とで４等分され、そ
の対角位置領域から検出される信号を和算して２組の和
信号を得、これらの差分を再生信号とすることを特徴と
する光ディスク装置。
【請求項２】レーザー光源と、前記レーザー光源から出
射するレーザー光の光軸と直交する透明基板上に構成さ
れた導波層と、前記導波層上または下あるいは前記道は
層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同
心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の
光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上また
は下あるいは前記道は層内の何れかの領域に前記入射光
軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期
構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層に
ほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結
合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波
光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より
放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置され
た信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力
して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波
光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向
に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面
上の信号を再生する装置において、前記第２の光結合手
段の位置における導波層の膜厚を厚くし、ＴＥモードに
対する等価屈折率とＴＭモードに対する等価屈折率との
差を０．０００４以下に収めることを特徴とする光ディ
スク装置。
【請求項３】レーザー光源と、前記レーザー光源から出
射するレーザー光の光軸と直交する透明基板上に構成さ
れた導波層と、前記導波層上または下あるいは前記道は
層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同
心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の
光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上また
は下あるいは前記道は層内の何れかの領域に前記入射光
軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期
構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層に
ほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結
合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波
光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より
放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置され
た信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力
して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波
光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向
に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面
上の信号を再生する装置において、前記導波層または前
記透明基板何れかを形成する媒質は複屈折性を持ち、こ
の複屈折の作用で前記第２の光結合手段の位置におい
て、導波光のＴＥモードに対する等価屈折率とＴＭモー
ドに対する等価屈折率との差を０．０００４以下に収め
ることを特徴とする光ディスク装置。
【請求項４】第１の光結合手段と第２の光結合手段との
間で、透明基板上に段差構造があり、この段差構造によ
り導波層が折れ曲がり、導波光がこの段差部を通過する
ことで導波モードが変化し、前記第１の光結合手段より
帰還導波光を前記入射光軸方向とは違った方向に放射す
ることを特徴とする、請求項１〜３何れかに記載の光デ
ィスク装置。
【請求項５】第２の光結合手段を外側と内側で等面積に
分割する平均的な半径位置において、放射に関わるＴＥ
モード導波光及びＴＭモード導波光の位相が揃っている
ことを特徴とする、請求項１〜４何れかに記載の光ディ
スク装置。
【請求項６】レーザー光源と、前記レーザー光源から出
射するレーザー光の光軸と直交する透明基板上に構成さ
れた導波層と、前記導波層上または下あるいは前記道は
層内の何れかに形成された前記入射光軸を中心とする同
心円状周期構造を持つ第１の光結合手段と、前記第１の
光結合手段と同心してこれを取り囲む前記導波層上また
は下あるいは前記道は層内の何れかの領域に前記入射光
軸を中心とし径方向にピッチの変調された同心円状周期
構造を持つ第２の光結合手段とからなり、前記導波層に
ほぼ垂直に入射する前記レーザー光は、前記第１の光結
合手段により導波層内で中心から外周側に伝搬する導波
光を励起し、この導波光は、前記第２の光結合手段より
放射して集光する光となり、この集光点近傍に配置され
た信号面を反射する光が、前記第２の光結合手段に入力
して中心方向に伝搬する導波光を励起し、この帰還導波
光を前記第１の光結合手段より放射して、その放射方向
に配置された光検出器により光量を検出し、前記信号面
上の信号を再生する装置において、前記第２の結合手段
の内、前記入射光軸に直交する直線に対し４０±５゜か
ら５０±５゜の角をなす領域からは、前記信号面へ集光
する光を放射しないこと特徴とする光ディスク装置。
【請求項７】第２の光結合手段の位置において、透明基
板と導波層との間には第１の金属反射層と第１の透明誘
電体層とがこの順に積層されており、前記第２の光結合
手段より集光点側に放射する光は、前記第１の金属反射
層側に放射してこれを反射する光と干渉し、前記第１の
透明誘電体層の膜厚を調整することで、放射に関わるＴ
Ｅモード導波光の放射損失係数を、ＴＭモード導波光の
放射損失係数の２倍以上、または１／２以下になるよう
に設定することを特徴とする、請求項１〜４または６何
れかに記載の光ディスク装置。
【請求項８】第１の光結合手段の位置を除いて透明基板
と導波層との間には、金属反射層と透明誘電体層がこの
順に積層されており、前記透明誘電体層の厚さは前記導
波層を伝搬するＴＥモードの光をほとんど通すが、ＴＭ
モードの光の数割が前記金属反射層により吸収されるよ
うに決定されていることを特徴とする、請求項１〜４ま
たは６何れかに記載の光ディスク装置。
【請求項９】第１の光結合手段の位置に相当する導波層
の上には、第２の透明誘電体層と第２の金属反射層とが
この順に積層されており、前記第１の光結合手段より光
検出器側に放射する光は、前記第２の金属反射層側に放
射してこれを反射する光と干渉し、前記第２の透明誘電
体層の膜厚を調整することで、放射に関わるＴＥモード
導波光の放射損失係数を、ＴＭモード導波光の放射損失
係数の２倍以上、または１／２以下になるように設定す
ることを特徴とする請求項１〜４または６何れかに記載
の光ディスク装置。
【請求項１０】第２の光結合手段の位置において、透明
基板と導波層との間には金属反射層と透明誘電体層とが
この順に積層されており、前記第２の光結合手段より集
光点側に放射する光は、前記金属反射層側に放射してこ
れを反射する光と干渉し、前記透明誘電体層の膜厚を調
整することで、放射に関わるＴＥモード導波光の放射損
失係数をＴＭモード導波光の放射損失係数と等しくする
ことを特徴とする請求項１〜６または９何れかに記載の
光ディスク装置。
【請求項１１】導波層が、第１の高屈折率透明膜と低屈
折率透明膜と第２の高屈折率透明膜とをこの順に積層さ
れることで構成されており、第１の光結合手段における
周期構造は前記低屈折率透明膜上（又は内、又は下）に
形成されることを特徴とする、請求項１から６、または
９何れかに記載の光ディスク装置。
【請求項１２】レーザー光源と透明基板との間に１／２
波長板を配置し、この波長板によりレーザー光源から出
射するレーザー光の電気ベクトルの方向を９０゜だけ回
転させること特徴とする、請求項１〜４または６何れか
に記載の光ディスク装置。
【請求項１３】第１の光結合手段の最外周の形状が楕円
状であり、その長軸方向を入射光の電気ベクトルの方向
と一致させること特徴とする、請求項１〜４または６何
れかに記載の光ディスク装置。