JPS58188342A - 半導体レ−ザ光雑音低減方法 - Google Patents

半導体レ−ザ光雑音低減方法

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JPS58188342A
JPS58188342A JP57070391A JP7039182A JPS58188342A JP S58188342 A JPS58188342 A JP S58188342A JP 57070391 A JP57070391 A JP 57070391A JP 7039182 A JP7039182 A JP 7039182A JP S58188342 A JPS58188342 A JP S58188342A
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semiconductor laser
optical
prism
laser
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JP57070391A
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Toshio Sugiyama
俊夫 杉山
Hideo Suenaga
秀夫 末永
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/125Optical beam sources therefor, e.g. laser control circuitry specially adapted for optical storage devices; Modulators, e.g. means for controlling the size or intensity of optical spots or optical traces
    • G11B7/127Lasers; Multiple laser arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/005Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体レーザを光源として用いる光デイスク再
生装置などの光学的情報処理装置において、半・薄体レ
ーザの発生する光雑音を低減する方法に関するものであ
る。
従来から、単−縦モード半導体レーザでは、素子端面か
ら放射された光が外部の反射面で反射して出射端面へ帰
還すると、一定電流でレーザ素子を駆動しても光出力が
変動し、信号再生などの場合にはこれが光雑音となって
良好な信号を検出することが国難となることが知られて
いた。
このため、光通信や光デイスク再生装置など半導体レー
ザを光学情報処理に利用する場合には、帰還光による半
導体レーザ雑音の発生を防ぐために偏光分離などの手段
によって半導体レーザ卓子へ極力光が戻らないようにし
ていた。しかし、帰還光量を完全に零にすることは実際
には不可能であり、また、光学部品の精度、組立精度な
どのばらつきによって、半導体レーザへの帰還光量が出
射光曖の0.1m程度になると、光雑音が急激に増加し
てしまう。したがって半導体レーザへの滑還光曖を極力
少なくして半導体レーザの光雑音を抑制する使用法は部
品精度や組立精度が非常に厳しくなるという欠点があっ
た。
#c1図(IL)は光ディスク再生用ビックアップ光学
系の基本構成を示したものである。半導体レーザ1の発
光点8から放射されたレーザ光をカップリングレンズ2
で平行光として、偏光プリズム3および1/4波長板4
を通過させた後、絞抄こみレンズ5によυディスク上の
反射面6上で光スボ。
ト9に絞りこむ。反射面からの反射光は再び収りこみレ
ンズ5j6よび1/4波長板4を通過し、偏光プリズム
3によって鷹にけりだされて光検出器7に1して一気信
号に変換される。
従来、この礪の半導体レーザを使用する場合には1/4
波長板4と・線光プリズム30組みあわせによって原理
上はディスクからの反射光が半導体レーザへは戻らない
ように1.ている。すなわち、第1図(blに示す如く
、直線偏九している半導体レーザからの出射光は偏波面
を1/4波長板の結晶軸に対して45°の角度をなして
入射させることにより、1/4波長板通過後のレーザ光
は円偏光になる。このレーザ光が反射面で反射し、再び
1/4波長板を通過すると、最初の偏光方向とは偏波面
が90°回転した直線側となる。90’偏光方向が異な
る光は偏光プリズムを透過せずに反射するために半導体
レーザへは戻らなくなる。しかし、光学部品の精度、組
立種度また光学的異方性(vl屈折)などにより、微少
ではあるが発光点8にレーザ光がS、tすることは櫛け
られない。たとえば第1図(a)でディスク7の反射面
6からの反射光が偏光プリズム3で光検出器7へ最大に
導が扛るように調整したとき、光検出器7と半導体レー
ザ1へ分配さ扛る比率を200対1、半導体レーザ1と
カップリングレンズ2の結合効率を、すなわち半導体レ
ーザの前方に出射された全光量に対するカップリングレ
ンズ通過後の光量比を20チ、反射面の反射率を90q
6と考えると、半導体レーザの前方への出射光の0.0
9〜0.11程度の光が発光皐8へ戻ることになる。こ
の程度の光量によっても単−縦モード半導体レーザは光
雑音を発生して信号再生を妨害する。
本発明の目的は、単−縦モード半導体レーザの光雑音の
発生を低減させ、半導体レーザを光源として用いる光学
的情報処理装置において良好なS/Nを得るための方法
を提供す゛ることにある。
前述のとおり、屈折率導波型の半導体レーザにおいては
、素子への帰還光量が光雑音レベルに密接に関係してい
る。
出願人がいろいろな半導体レーザで帰還光1と光雑音の
関係を祥しく測定したところ、雑音レベルは帰還光量に
対して単調増加ではなく、ある帰踵光普においてピーク
をもつという事実を発見した。この−例を第2図に示す
。横軸は帰還光量率すなわち半導体レーザの端面めたり
の全出射光鎗に対する孝子発光点への帰還光量の割合を
示す。
縦軸はレーザ光を光検出器で観測した場合、直流出力を
1とした時の帯域幅I Hzあたりの相対雑音強度を表
わす。dい換えれば、相対雑音強度10−13とはI 
Q 1cHz  帯域幅で測定した場合のS/N9Q 
dBに相等する。測定は5QQkl(Zの帯域で、屈折
率導波型の単−縦モード半導体レーザを光出力3+nV
V一定のまt卓子1度を20′0〜60′Oまで変化さ
せて行ない、第2図はその時の最大雑音レベルをプロッ
トしたものである。
この結束によ扛ば、4肝のピークは帰還光量率が0.1
優付近にあり、これ以上帰還を率を増加させると雑音は
逆に減少する。このため、帰還光量率を少なくするので
はなく、lチ以上まで増加させピークの右目で半導体レ
ーザを1史用することにより雑音の発生を小さくするこ
とができる。
第3図tal g ヨヒlb)に0.11%還および2
%帰還時に、横軸に温度をとった場合の相対雑音強度の
変化のようすを示す。21程度の光帰還により雑音強度
の変動が0.1m帰還時に比べ10 dB以上小さくな
り、雑音低減に効果のあることがわかる。
#J2図の雑音強度のカーブは、レーザ素子やレーザ端
面と反射面との光学的距離によりやや異なるが、帰還光
量率を1チ以上とすることにより大部分の4合、雑音の
ピークを越え雑音の変動はほぼ落ちつく。
帰還光量率は大きくとってもレーザ雑音そのものに関し
ての障害は少ないが、信号光量が減少するため、邂気系
とのS/Nが問題になってくる。
したがって、帰還光量率は1チから10係程度が適当で
あり、S/Nの点からは14〜3慢程度がよく好ましく
、標準値としては2チ程度で充分である。
帰還光量率は後述するように、力、プリングレンズの結
合効11Aqや光学部品の効率などから計算できるため
、これがxc16〜10チの範囲になるよう光学系を設
定する。
以下、本発明の実現方法を図面を参照して説明する。
まず、光学系の構成は第1図(a)と同一のtま、1/
4波長板へ入射するレーザ光の偏波面と1/4波長板の
結晶軸とのなす角θを第4図(a)に示す如く正規の4
5°からずらすことによって所定の帰還光量を得る場合
を説明する。
41図(a)の系において、174波長板を光学系の光
軸を中心に、回転させたとき、ディスクからの反射光が
イ扁光プリズム3をレーザ1側へ透過する割合T3は、
θの関数として であり、これは44図tblのようになる。ここで、光
学系を次のように仮定する。カップリングレンズ2はN
A(開口数)を0.15として、半導体レーザ1とカッ
プリングレンズ2の結合効率ダを20チ、ディスク6の
鏡面部での反射率R6を0.9.レンズ2.5および偏
光プリズム3および1/4波長板4の片道での表面反射
および減衰による光損失L2 、L、、L3 、L4を
各々1優、ただし光の往路でのカップリングレンズの損
失L2はダによマれるものとする。この他のこの光学系
の損失はないものとする。この系では、半導体レーザの
発光点8とディスク上のスポット9は互いに僧と結偉の
関係にあるので、ディスクからの反射光のうち力、プリ
ングレンズ2に入射した光量にし/ズ2による損失し2
  を差しひいた光量が発光点8へ戻ると考えられる。
しだがって、レーザへの帰還光量率FはF=ηx (1
−L 2)x(1−L3)2x(1−L4)2x(1−
L、)2×ル x T。
〜O,17XT3 となる。帰還光量率を1優以上とするためには、’r3
>s、s優とすればよい。帰還光量率を2俤とするとき
にはT3bt2%  とすればよい。
このとき1/4波長板の配置角度θは、θ=’ (co
s ’ (2T、−1) )から±7°以上、帰還光量
比を2優とする場合には±10°程tfj回転させて用
いる。これは逆に言えば、光検出器7の光量を最大値に
対して、T。
だけ減少するように1/4波長板を回転させて調整すれ
ばよい。
帰還光量比を上限のinsとする場合には、T3=58
10=200または70’となるが信号光量もT3だけ
減少するので帰還光量比を大きくする場合には、電気系
など他の部分のS/Nとの兼ねあいを考慮する必要はあ
る。
第5図は、基本構成は第1図IN)と同様であるが光テ
ィスフ再生用ピックア、ブにおいて、いゎゆる3スポッ
ト方式のトラッキングを行なうために、回折格子10 
、 F6よびトラ、キング誤差検出用の光検出器12a
、12bと検出レンズ11を含んだ光学系である。この
光学系においては、レーザ■からでて平行光となったレ
ーザ光は、回折格子10をとおると0次光、±1次光お
よび高次の回折光に分かれる。±1次光は絞りこみレン
ズ5によって主スポット9の両側にスポット13&+1
3bを生じ、この両スポットの反射光を光検出器12a
、12bで受け、両者の差動信号からトラ、りずれを得
る。このような回折格子を用いた光学系において、前述
のように1/4波長板を回転させてレーザー、へ光を戻
すばあいには光が帰路に回折格子1°を横切る際にも回
折光を生じる。
このうち士1次の回折光はレンズ2を通ってレーザ端面
と同一平面上にスポット15a、15bを結ぶため、発
光点8には戻らず、雑音低減には寄ノ 与しない。したがって帰還光量率の計算は以下のように
なる。
レーザ光が回折格子を通過する際の入射光に対する0次
の透過光量の割合T。を0.7とし、他の光学系の効率
は前例と同一とする。Toが往復で効くので帰還光量率
Fは F=ηX(1−L2)X(1−L、)X(1−L、)X
(1−Ls)”xRxT   xT 6      G      3 =0.08×T。
となる。
したがって、Fを1優は上とするにはT、を12係以上
とするために1/4波長板を正規の位置から±10’以
上45°り内回転させればよい。ただしこの例に5いて
はFの最大値は8mまでしかとれないことになる。Fを
標準値である2優とするときはT3が24係、θ=30
0または60゜となり、1/4波長板を±15°程度回
転させて用いればよい。
一般に半導体レーザはチップの膜厚方向とそれに垂直な
方向ではビームの広がシ角が異なり、単に半導体レーザ
の出射光の全部をレンズで絞りこむと、スポットが楕円
になってしまい、光スポ。
トを充分に小さく紋りこむことができなくなる。
窮1図(ILlj6よび第5図の例では、これを円形に
近づけるため、カップリングレンズ2としてNAの小さ
いものを用い、レーザ光の中央部だけを利用している。
一方、第6図(al 、 fly)では、1個または2
個のプリュスタープリズム16&、16bを用いて、ビ
ーム形状を整形するようにしている。このため、カップ
リングレンズ2には、NAが0.5程度の比較的大きい
ものを使用でき、光の利用効率を高くできる。次に、こ
の光学系における所定の帰還光量率の実現法を示す。
第6図(a)はブリュースタープリズム16&を1個用
いた場合である。カップリングレンズ2のNAは0.5
を用いたとし、η=8096とする。また、プリズム1
61Lの損失Ltsは片道で21とし、他の光学系の効
率は第1図の場合と等しいとする。
帰還光量率Fは F’=vx(1−L )x(t −L ずx(t −L
 )2X(1−L )”2            S
            4           1
1x(1−L  )”xRxT 16       6      3 =0.65xT。
となる。Fをlチル1oチにする場合、T、=15〜I
5チであり、1/4波長板を±35°〜11.5°回転
させればよい。標準帰還光緻率2%では T、=3%、
θ=40’tたは50’l/4波長板を±5°41!度
回転させる。
第6図(b)のように2個のブリュースタープリズムを
用いる場合も同様に計算すると、T、=1.6〜16m
で帰還光量4F=1〜1o幅は達成でき、この時の1/
4波長板の回転角は、ブリュースタープリズムが1個の
時とほぼ同程度で±35°〜士12°である。標準帰還
光量率2憾では T3=32チで、1/4波長板の回転
角はやはり±50である。
以上のようにカップリングレンズ2のNAが大きイ場合
には、F=11s!f、テT、 =1.514トする。
このため、偏光プリズムの消光比がt、S憾程匿と比較
的部品精度の低いものを用いる場合には1/4波長板を
正規の位置、すなわちθ=45゜付近で用いても、自動
的に1優程度の帰還光量率は達成できる場合がある。但
し、この様な場合でも余裕をみて標準値の2係程度とす
るのが望ましい。
これらブリュースタープリズムを用いた光学系に−に第
5図に示した回折格子10をそう人した場合には、往復
での0次光の透過率T を考慮して、l光プリズムの透
過率T3 を決定すればよいことはぎうまでもない。
以上では、帰還光量率1〜10%を達成するために、1
/4波長板を光学系の光軸を中心に回転させて偏光プリ
ズムの透過率T3を変化させる方法を述べた。これに対
して、1/4波長板を入射光軸に対し傾けて配置するこ
とによっても同様に所定のT3を得ることは可能である
。また、1/4波長板ではなく、位相シフト着そのもの
が所定のT3を得らnるように設定された光学素子を用
いてもよい。
以上に示した光学部品を含む系、または、光学系の配置
順序を変えた場合においても、要は発光点への帰還光量
率が1〜10チとなるよう、偏光プリズムの透過率T3
を174波長板を用いて設定すれば、レーザ雑音の低減
効果を得ることが可能である。
1/4波長板と偏光プリズムを使用した場合では、比較
的少ないレーザ出力で効率よく信号光蓋が得られるとい
う利点がある。
次に、所定の帰還光量率を得るために、上述のようなレ
ーザ光の偏光を利用しない方法を示す。
第7図は、第1図(2)の光学系において1/4波長板
4と偏光プリズム3を偏光の影響をあまりうけず一定の
透過率と反射率をもったプリズム17に置き換えたもの
である。このような性質をもった光学部品を以後半透明
プリズムとよぶことにする。この場合には次のようにし
て所定帰還光を得る。
半透明プリズムの入射光量に対する透過率を10反射率
をR1□とする。なお、半透明プリズム自体の吸収など
の損失によって、必ずしもTiffとR17の和が1と
はならず、一般には ルIT+T1□くl である。
半導体レーザーからでた光はカップリングレンズ2で平
行光になった後、半透明プリズム17に入射する。ここ
に、入射光に対してT1□だけが反射面側へ透過し、P
Lllは光検出器7とは反対側へけりだされる。一方、
反射面6で反射した光が再び半透明プリズムへ入射する
と更に、ここで透過光と反射光に分かれ、R17に相当
する光量が検出器7に到達し、T17に相当する光量が
発光点8へ帰還することになる。
ここで、半透明プリズムによる損失を無視し、R+’r
   =1 17    1丁 であるとし、結合効率ダを20* 、他の光学部品の効
率は上述の場合と同様とする。帰還光量率Fは F=りx(1−L、)x(1−L2)xR6xT1□=
 0.17 X T” 7 となり、Fを1〜10tsとする為には半透明プリズム
の透過率TI7を22〜27優とすればよい。
標準的な帰還光量率でめるF=21とするためにはT、
=3411であり、半透明プリズムは反射率”17を6
6係、透過率T17を34優とすることにより達成でき
る。
第8図は、半透明プリズムを使用した場合、第5図に対
応し7て回折格子10及び凸レンズ11を挿入したピッ
クアップ光学系である。回折格子1 (’lの0次光の
透過効率T。を70係として同様に計算すると、F=1
1で T1.=34’mF=2% でT、7=48’4
となるo  したがって、この場合、帰還光量率を2俤
とする1合には、半透明プリズムの反射率と透過率がほ
ぼ等しい、いわゆる一般のハーフプリズムを用いればよ
い。
なお、第8図の例で光検出器25はレーザからの出射光
が、最初に半透明プリズムで横にけりだされる光を受け
て、レーザ電流を制御するために用いるものである。
また、半透明プリズム17の17b面を通過する光が外
部で反射し、再度17b面に入射して光検出器7へ到達
するのを防止するために、17b面をスリガラスなどを
用いて光が散乱するような処理を行なってもよい。また
同様な意味から17b面に頌きを与えて、光検出器7へ
この光が戻らない工うにしてもよい。
以上の説明では、すべて反射型の光デイスク再生装置に
適用した場合について説明したが、本発明は、これに限
らず透過型光ディスク装置にも適用可能である。第91
凶[IL)に透過型光ディスク装置における本発明の一
例を示す。半導体レーザlから出射された光は透過型の
光ディスク6/ 上でスポット9を結び、情報ビットが
ある場合にはその透過光が光検出器7で受光さnる。第
9図ta)の場合、半導体レーザ1への帰還光は、ディ
スク6′ 以外の別の反射面18上に結んだ光スポット
19を発光点8へ戻すことによって得る。力、プリング
レンズ2による結合効率ダを20’! 、反射面18の
反射率”111を901.凸レンズ11による片道の損
失し11を1優とする。半透明プリズム17の反射率を
”T7とすると、帰還光量率FはF”−+7x(1−L
  )”x(1−L  )xRxR2+I      
      2      II     l?=0.
17XFL2 7 Fを1−10係とする為には、”17を24〜77チと
する。F−2チではFL1□=34優である。な8、こ
の場合には、ディスク6′の面上に焦点9を結ばせる他
に、又射面18上にも正確に焦点19を結ばせる必要が
ある。一方、第9図ib)のようにレンズ11を用いず
、光ビームを直接、反射面18に当てることも原理的に
は可能である。しかし、この場合、帰屑光を発光点8に
正確に帰虐させるのがやや困帷となる。
また、透過光方式のピックアップの場合には、反吋面1
8の反射率R7,を変化させて」I光量を制御すること
も可能である。
尚、今までは半透明プリズムを用いて説明を行なったが
、第1O図のように、プリズム構造ではなく、半透明ミ
ラー板を用いて全く同様であることは拷うまでもない。
g!は半導体レーザの発光点8に全出射光の1−1O4
の光量を戻すように透IM率または反射率を制御すれば
よい。
半透明プリズムを用いた場合においては、1/4波長板
が不快となり、コストが低減できる。また、偏光の性質
を利用していないので、ディスクにリタデーシ曹ン(l
(屈折性)がある場合でも、反射光量の変動を少なくで
きるという利点があ−る。
以上の説明では、帰還九駄を半導体レーザの前方から得
たが、帰還光を半・薄体レーザの後方光から得ることも
可能である。第11図は第1図の光学系に、半導体レー
ザ1の後方光を利用して光帰還を行なうためにレンズ2
1および半透明鏡22を加えたものである。レンズ21
によって、半透明鏡22の反射面にスポット24をつく
り、この反射光を後方側の発光点8へ帰還させるように
している。尚、一般に半導体レーザの後方光は光出力を
制御するためのモニタ用として用いられるが、本例では
半透明鏡22からの透過光を光検出器23で受光させる
ことによりこの機能を持たせている。レンズ21のNA
を0.15として、結合効率り′ を20優とし、半透
明−22の反射率をル2□、光の帰路におけるレンズ2
1の損失L2、を1優とすると、帰還光量率Fは 1・にv’xRx(1−L  ) 22           22! 崎(1,2x [七2□ である。したがって、Fを1〜101とするためには、
半透明鏡22の反射率R2□を5〜50優にすればよい
。Fを標準帰遣歇である2俤とする場合6cはル2□を
10%とすればよい。尚、この場合にも許透明繞22の
反射1用上でレーザ光が正確に焦a24を結ぶよう調整
する必要がある。
このように、半導体レーザの後方光を利用して光帰還を
かける場合には、偏光プリズム3.1/4波長板4など
、前方光測の光学系は従来と同じでよいため、レーザ光
の利用効率を酸も大きくできるという利点がある。なら
、第11図の方法と上述した方法とを組みあわせて、前
方光および後方光の両方で、所定の帰還量を得るように
してもよい0 本発明は1頂上ボベたように、半導体レーザの射出光量
の1%から101を、半導体レーザの発光点に戻してや
ることにLうて、導−縦モード半導体レーザの光雑音を
大幅に低減でき、その結果ディスクより良責な信号を検
出できる。
【図面の簡単な説明】
#c1図(al 、 tt))は光ピツクアップの構成
を説明するための図、第2図は半導体レーザへの帰還光
量とレーザ雑音レベルの関係を示す図、第3図(a)。 lb)は帰置光による雑音低減効果を示す図、第4図(
a) 、 fblは1/4波長板の設定角と帰還光量の
関係を示す図、第5図は1回折格子を用いた光ピツクア
ップの構成図、46図1a) 、 (blはブリー−ス
タープリズムを用いた光ピツクアップの構成図、第7図
は半透明プリズムを用いた光ピツクアップの構成図、第
8図は半透明プリズムと回折格子を用いたピックアップ
の構成図、第9図+a) 、 (b)は半透明プリズム
を用いた透4型光ディスク再生用ピ、クアップの構成図
、第10図は半透明鏡を用い走光ピックアップの構成図
、第11図は半導体レーザの後方光を帰踵させるための
光ピツクアップ構成図である。 l・・・・牟−縦モード半導体レーザ、2 ・・・カッ
プリングレンズ、3.・・・・・・偏光プリズム4・・
・・・1/4波長板 5.・・・・絞りこみレンズ6・
・・・・反射面    7.・・・・・・光検出器8.
8′ ・・・・発光点 9・・・・・・光スポット10
・・・・・・回折格子  11.・・・・・・凸レンズ
12・・・・トラッキング誤差検出用光検出器13a、
13b・・・・トラッキング用サイドスポット+5a、
15b  ・・・帰還光によってできるサイドスポット i6a、+6b・・・・ブリュースタープリズム17・
・・・・・半透明プリズム 18・・・反射面19・・
・・光スポット   20・・・・・・≠透明鏡21・
・・・・・凸レンズ    22・・・・・半透明鏡2
3・・・・・・モニタ用光検出器 24・・・・・・元スポット 1PlI圀((1) 71、r 図 (が) a 垢4園(a) 、、     第4@(〆す 粍晶軸1て灯4Y儂遠動の股光^襲 ρ拓 5 図 8 6  図  (a) 87 圀 第8図 /16   / 糖q@(at 島9目(ボン 躬 IQ  図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. l、単−縦モード半導体レーザを光源として用いる光学
    的情報処理装置において、該半導体レーザが方端面あた
    り出射する全出射光量のうち1mから10優相当光量を
    該半導体レーザの発光点に帰還させることを特徴とする
    半導体レーザ光雑音低減方法。
JP57070391A 1982-01-22 1982-04-28 半導体レ−ザ光雑音低減方法 Pending JPS58188342A (ja)

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