KR20010102380A - 광 정보 처리 장치 - Google Patents

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KR20010102380A
KR20010102380A KR1020017010811A KR20017010811A KR20010102380A KR 20010102380 A KR20010102380 A KR 20010102380A KR 1020017010811 A KR1020017010811 A KR 1020017010811A KR 20017010811 A KR20017010811 A KR 20017010811A KR 20010102380 A KR20010102380 A KR 20010102380A
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light emitting
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도시아끼 다나까
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가나이 쓰토무
가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

DVD 장치의 광 헤드는 일면에 발광 소자(반도체 레이저 소자)와 복수개의 수광 소자가 설치된 기판의 타면측에 회절광 분리 소자, λ/4 판, 집광용 포커스 렌즈를 갖는 유전체판을 순차 단계적으로 집적화시켜 일체화되어 있다. 이러한 구성에 의해, 반도체 레이저 소자의 전방 출사단에서 출사된 레이저광(송신광)이 회절광 분리 소자, λ/4 판, 집광용 포커스 렌즈를 갖는 유전체판을 순차적으로 통과하여 기록 매체(광 기록 매체)의 기록면에 결상되는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광은 상기 송신광이 통과한 광로를 반대로 되돌아가 상기 λ/4판에 의해 그 위상이 바뀌고 회절광 분리 소자에 의해 1차 회절광이 2방향으로 분리되어 각각 수광 소자의 수광면에 도달하는 결과, 근접장 기록에 의한 정보의 재생 또는/및 기록을 수행할 수 있다.

Description

광 정보 처리 장치{Optical Information Processor}
종래의 광 정보 처리 장치에서는 광 디스크 등의 기록 매체로부터 고밀도의 정보(광 메모리)를 판독하거나 기록하기 위해 광원인 반도체 레이저의 파장을 짧게 하는 것이 필수적이었다. 이에 관한 종래 기술로는 반도체 레이저 소자로 파장이 가장 짧은 청자색 레이저에 대한 일예가 재패니즈·저널·어플라이드·피직스·레터즈, 1996년 35권 L74 - L76페이지(Jpn J. Appl. Phys. 1996, 35, pp. L74-L76)에 기재되어 있다.
그러나, 상기 종래 기술은 광원의 특징만을 활용하고 있을 뿐, 광 픽업 기구의 발광 소자나 수광 소자 등의 광소자나 광학계를 합친 광 헤드의 소형 경량화에 대해서는 기여하지 못하고 있다. 또한, 발광 소자에서 출사된 레이저광을 집적하는 포커스(focus) 렌즈를 통해 근시야상으로 모으고, 미소 스폿(spot)을 기록 매체(광 기록 매체)상에 형성하는 근접장 기록에 따라 광 신호를 처리하는 시스템으로 구성되어 있지 않다. 근접장 기록으로는 레이저광 파장과 광학계 렌즈의 개구수로 결정되는 것보다 더욱 미소한 메모리를 기록 판독할 수 있으므로 고밀도 기록이 가능하다.
본 발명은 고속 고밀도의 신호 처리가 가능한 광 정보 처리 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시 형태(실시 형태1)인 DVD 장치의 광 픽업 기구의 일부를 나타낸 모식도이다.
도2는 본 실시 형태1의 DVD 장치의 광 픽업 기구를 나타낸 사시도이다.
도3은 본 실시 형태1의 DVD 장치의 시스템 구성을 나타낸 블록도이다.
도4는 본 실시 형태1의 DVD 장치에 있어서의 광 픽업 기구의 광 헤드의 발광 소자 및 수광 소자의 배열 방향에 따른 단면도이다.
도5는 상기 광 헤드의 발광 소자 및 수광 소자의 배열 방향과 직교하는 방향에 따른 단면도이다.
도6은 상기 광 헤드의 모식적 평면도이다.
도7은 상기 발광 소자와 수광 소자가 형성된 기판을 나타낸 단면도이다.
도8은 상기 발광 소자 부분을 나타낸 단면도이다.
도9는 상기 수광 소자 부분을 나타낸 단면도이다.
도10은 본 실시 형태1의 기판에 형성되는 발광 소자 및 수광 소자를 형성하기 위한 선택 성장층의 패턴을 나타낸 평면도이다.
도11은 본 실시 형태1의 광 헤드의 회절광 분리 소자를 나타낸 평면도이다.
도12는 본 실시 형태1의 광 헤드의 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈를 나타낸 평면도이다.
도13은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태2)인 DVD 장치의 광 헤드를 나타낸 모식적 단면도이다.
도14는 본 실시 형태2에 있어서의 발광 소자와 수광 소자가 형성된 기판을 나타낸 모식적 단면도이다.
도15는 본 실시 형태2의 발광 소자 부분을 나타낸 단면도이다.
도16은 본 실시 형태2의 수광 소자 부분을 나타낸 단면도이다.
도17은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태3)인 DVD장치의 광 헤드에 있어서의 집적화된 발광 소자와 수광 소자를 나타낸 기판의 모식적 단면도이다.
도18은 본 실시 형태3의 수광 소자를 나타낸 단면도이다.
도19는 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태4)의 광 헤드를 나타낸 모식적 단면도이다.
도20은 본 실시 형태4에 있어서의 집적화된 발광 소자와 수광 소자의 일부를 나타낸 기판의 모식적 단면도이다.
도21은 본 실시 형태4에 있어서의 기판에 형성되는 발광 소자 및 수광 소자를 형성하기 위한 선택 성장층의 패턴을 나타낸 평면도이다.
도22는 본 실시 형태4의 변형예에 있어서의 기판에 형성되는 발광 소자 및 수광 소자를 형성하기 위한 선택 성장층의 패턴을 나타낸 평면도이다.
도23은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태5)의 광 헤드를 나타낸 모식적 단면도이다.
도24는 본 실시 형태5에 있어서의 집적화된 발광 소자와 수광 소자의 일부를 나타낸 기판의 모식적 단면도이다.
도25는 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태6)의 광 헤드를 나타낸 모식적 단면도이다.
도26은 종래의 DVD 장치에 있어서의 분리된 광학 소자에 의한 광 픽업 기구를 나타낸 모식도이다.
종래 기술은 기존의 광 헤드 구성으로 되어있기 때문에 광 헤드의 소형 경량화를 수행할 수 없어 고속화에 대처할 수 없없다. 따라서, 광원의 특징만으로는 광 정보 처리 시스템 장치의 고속 액서스에 전혀 기여할 수 없었다.
즉, 도26은 종래의 광 픽업 기구를 도시한 모식도이다. 발광 소자(반도체 레이저 장치)(7)에서 출사된 송신광(레이저광)(13)은 편광 분리 회절 격자(6)와 λ/4 판(5)을 순차 통과하고, 빔 스플리터(splitter)(4) 및 다시 입상 미러(3)에 의해 각각 광로(10)가 바뀌어 대물 렌즈(2)를 통해 기록 매체(광 기록 매체:디스크)(1)의 기록면에 집광되어 결상된다. 또한, 기록 매체(1)에서 반사된 반사광(24)은 대물 렌즈(2)를 지나 입상 미러(3)에 의해 반사되어 빔 스프리터(4)를 통과하며, 그 이후 집광 레즈(8)에 의해 집광되어 수광 소자(9)의 수광면에 집광된다.
이와 같이 종래의 광 픽업 기구는 분리된 광학 소자에 의해 구성되며 또한 각 광학 소자는 공간을 통해 광학적으로 접속되는 구성으로 이루어짐에 따라 용적이나 중량이 커진다. 크기는 세로, 가로 및 높이가, 예를 들면 60×40×10mm 정도이다.
본 발명자는 발광 소자(반도체 레이저) 및 수광 소자를 동일 기판에 면형으로 집적화하는 동시에 발광 소자에서 출사되는 레이저광(송신광)을 기판면에서 수직인 방향으로 출사하며 또한 기판에 수직인 방향으로 회절광 분리 소자나 집광 소자(렌즈)를 단계적으로 집적화시켜 소형 경량의 광 헤드를 형성할 수 있는 것에 착안하여 본 발명을 이루게 되었다.
또한, 이 구조에서는 송신광의 출사 방향, 집광이나 회절광의 수신에 대응되도록 각 소자를 설계함에 따라 근시야상으로 모으는 근접장 기록과 회절광 분할 제어를 통해 기록 매체의 기록 마크의 기록과 재생을 수행할 수 있으며, 종래 기술로는 대처할 수 없던 고밀도 기록과 그 재생을 고속으로 수행할 수 있는 광 정보 처리 장치를 달성하는 것도 확인되었다.
본 발명의 목적은 고밀도 기록과 그 재생이 고속도로 수행될 수 있는 광 정보 처리 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 상기 및 그 이외의 목적과 신규 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 명확해진다.
본원에서 개시되는 발명 가운데 대표적인 것의 개요를 간단히 설명하면 다음과 같다.
(1) 발광 소자, 수광 소자 및 광로에 위치하며 빛을 제어하는 복수의 광학 소자를 가지며, 상기 발광 소자의 전방 출사단에서 출사된 송신광을 기록 매체의 기록면에 결상시키는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광을 상기 수광 소자의 수광면에 결상시키는 광학계를 구성하고, 상기 기록 매체에 기록된 정보의 재생 또는/및 기록 매체로의 정보의 기록을 수행하는 광 정보 처리 장치로, 일면에 설치되어 면내 방향으로 송신광을 출사하는 발광 소자(반도체 레이저 소자) 및 면내에서 나오는 상기 송신광의 반사광을 수광하는 복수개의 수광 소자를 가지며 상기 발광소자 및 상기 수광 소자를 결정 성장법을 통해 형성할 수 있는 베이스 재료로 이루어지는 동시에 상기 송신광 및 상기 반사광을 투과시키는 절연 소재로 이루어진 기판과, 상기 기판의 타면측에 중첩되며 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 수광 소자를 통해 수광하도록 광로를 수정 변경하는 회절광 분리 소자와, 상기 회절광 분리 소자에 중첩되는 λ/4 판과, 상기 λ/4 판에 중첩되며 상기 송신광을 상기 기록 매체의 기록면에 집광시키는 동시에 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 기판측에 집광시키는 렌즈를 구성하는 유전체판을 갖는다.
상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4 판, 상기 유전체판은 집적화되며 또한 기계적, 물리적으로 일체화되어 광 정보 처리 장치의 광 픽업 기구의 서스펜션 암에 장착되는 광 헤드를 구성한다. 이 광 헤드의 중량은 고속 스윙을 견뎌낼 정도에서 경량으로 한다. 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4 판, 상기 유전체판은 10-9내지 10-10Torr 정도의 고진공하에서의 열압착에 의한 분자간힘에 의해 접착된다.
상기 렌즈는 상기 송신광을 기록 매체의 기록면에 근시야상으로 결상시키며 근접장 기록에 따라 기록 매체의 정보를 재생하거나 정보를 기록하도록 구성되어 있다. 상기 근시야상은 상기 유전체판의 표면으로부터 수nm에서 수백nm의 범위에서 결상된다.
상기 렌즈 및 회절광 분리 소자는 그레이팅 회절 격자로 형성되는데, 상기 렌즈는 회절 격자 렌즈로 구성됨에 따라 반사광을 회절시켜 1차 회절광을 발생시키며, 회절된 1차 회절광을 회절광 분리 소자를 통해 분리시키고 상기 수광 소자에 의해 수광되도록 구성되어 있다. 상기 그레이팅 회절 격자는 굴절율이 서로 다른 적어도 2종류의 영역으로 이루어지며, 바람직하게는 이방성이 큰 결정으로 형성한다. 상기 그레이팅 회절 격자의 굴절율이 서로 다른 적어도 2종류의 영역은 불순물의 확산 또는 이온 주입을 통해 형성한다.
상기 발광 소자는 상기 기판의 일면에 절연 마스크를 이용한 선택 성장을 통해 형성되는 반도체 결정을 바탕으로 형성되는 반도체 레이저 구성으로, 단면에서 레이저광을 출사하는 활성층은 상기 발광 소자가 설치되는 상기 기판의 일면에 수직인 방향을 따라 배치되며, 상기 기판면에 수직인 방향으로 유도 방출광을 공진 증폭하도록 구성되어 있다. 상기 발광 소자의 활성층의 양단에 반사막을 설치하는 동시에 상기 활성층의 전방 출사단의 반사막은 상기 기판의 일면에 반도체 결정을 선택 성장시킬 때에 이용한 절연 마스크로 구성하며, 또한, 전방 출사단의 반사막의 반사율은 타단측 반사막의 반사율보다 작게 형성되어 있다. 상기 발광 소자의 활성층은 다중 양자 우물 구조 또는 양자 우물층에 격자 변형(歪)을 도입한 변형 다중 양자 우물 구조이다.
상기 수광 소자의 수광 영역은 면형 수광 영역 또는 도파로형(導波路型) 수광 영역으로 형성되어 있다. 상기 복수개의 수광 소자의 검출 정보를 통해 송신광의 광 출력 제어 및 포커스나 트래킹(tracking)을 보정하도록 구성되어 있다. 상기 수광 소자는 상기 기판의 일면에 절연 마스크를 이용한 선택 성장을 통해 형성되는 반도체 결정을 바탕으로 형성된다. 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자는 상기 기판에 단일구조(monolithic)로 형성되어 있다.
(2) 상기 (1)의 구성에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4 판, 상기 유전체판은 투명 접착 재료로 각각 접착되어 있다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서, 상기 회절광 분리 소자와 상기 λ/4 판의 사이에는 상기 발광 소자에서 출사된 송신광의 주연 부분을 반사시키는 반사체가 설치되는 동시에 상기 기판의 일면에는 상기 송신광의 광 출력을 검출하는 수광 소자가 설치되는데, 상기 반사체에서 반사된 송신광의 반사광이 송신광의 광 출력을 검출하는 상기 수광 소자의 수광면에 도달되도록 구성되어 있다.
(4) 상기 (1) 내지 (3)의 구성에 있어서, 상기 발광 소자의 전방 출사단측의 기판 부분에는 상기 발광 소자에서 출사된 송신광을 제어하는 변조기가 설치된다.
(5) 상기 (1) 내지 (4)의 구성에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판은 단일구조로 형성되어 있다.
상기 (1)의 수단에 의하면 하기의 효과를 얻을 수 있다.
(a) 광 정보 처리 장치의 광 헤드에 있어서, 발광 소자(반도체 레이저 소자)의 전방 출사단에서 출사된 송신광은 기판, 회절광 분리 소자, λ/4판, 렌즈를 갖는 유전체판을 순차적으로 통과하여 기록 매체(광 기록 매체)의 기록면에 결상되는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광은 상기 송신광이 지나간 광로를 반대로 되돌아가 상기 λ/4판에 의해 그 위상이 바뀌고 회절광 분리 소자에 의해 1차 회절광이 2방향으로 분리되어 각각 수광 소자의 수광면에 도달되도록 구성되어 있기 때문에 근접장 기록을 통한 정보의 재생 또는/및 기록을 수행할 수 있다.
(b) 상기 발광 소자 및 수광 소자를 갖는 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판, 렌즈를 갖는 유전체판이 계층적으로 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 종래 기술로는 구성할 수 없는 기능성과 소형 경량화를 달성할 수 있는 광 헤드를 제공할 수 있다. 일예로, 광 헤드의 세로와 가로 및 높이를 5mm, 5mm, 9mm로 할 수 있다. 따라서, 광 픽업 기구의 서스펜션 암에 광 헤드를 장착한 구조에서는 하드 디스크의 헤드와 함께 서스펜션 암을 고속으로 이동(스윙)시킬 수 있으며, 광 정보 처리 장치(DVD 장치)에서도 기록, 재생을 고속도로 처리할 수 있다.
(c) 상기 발광 소자 및 수광 소자를 갖는 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판, 렌즈를 갖는 유전체판이 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 광로를 짧게 할 수 있으며, 레이저광의 이용 효율을 각별히 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 광로의 단축에 따라 광 기록 매체의 기록 마크에 대한 포커스, 트래킹 보정이나 리드(재생)의 액서스 시간을 단축시킬 수 있고 광 정보 처리의 고속화를 달성할 수 있다.
(d) 상기 발광 소자 및 수광 소자를 갖는 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판, 렌즈를 갖는 유전체판이 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 송신광 및 반사광의 광로에 공기가 존재하지 않으며 광 손실을 작게 억제할 수 있으므로, 송신광 출력의 향상이나 수광 소자의 수광 감도를 높일 수 있다. 특히 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판 및 유전체판이 분자간력에 의해 접착되는 구조에서는 한층 광 손실이 작아지며 송신광 출력의 향상이나 수광 소자의 수광 감도 향상을 통해 광 정보 처리 장치의 성능은 높아진다.
(e) 상기 (c) 및 (d)에 따른 광 정보 처리 장치의 광 픽업 기구에 있어서, 광로의 단축과 광 손실의 저감을 통해 레이저광의 출력을 낮출 수 있으며 레이저 발진의 저소비 전력화를 도모할 수 있다.
(f) 근접장 기록을 수행할 수 있기 때문에 광 정보 처리 장치의 고밀도 기록을 달성할 수 있다.
(g) 상기 렌즈 및 회절광 분리 소자가 불순물의 확산 또는 이온 주입을 통해 형성되는 2종류의 영역을 갖는 그레이팅 회절 격자에 의해 형성되기 때문에 고정밀 또한 간단하게 제조할 수 있어 광 헤드의 비용 저감을 달성할 수 있다.
(h) 발광 소자(반도체 레이저 소자) 및 수광 소자가 기판에 반도체 제조 기술을 통해 단일구조로 형성될 수 있기 때문에 고정밀도이면서도 저가로 제조할 수 있으며, 광 헤드의 저비용화를 달성할 수 있다.
(i) 반도체 레이저 소자(발광 소자)의 전방 출사단의 반사막의 반사율이 타단측 반사막의 반사율보다 작기 때문에 송신광의 광출력 향상을 도모할 수 있다. 또한, 상기 전방 출사단의 반사막을 반도체 레이저 소자를 형성하기 위해 선택 성장을 통해 반도체 결정을 형성할 때에 사용되는 절연 마스크로 형성하기 때문에 제조 비용의 저감을 달성할 수 있다.
(j) 반도체 레이저는 다중 양자 우물 구조 또는 양자 우물층에 격자 변형을 도입한 변형 다중 양자 우물 구조이기 때문에 레이저광의 고출력화를 달성할 수 있다.
(k) 수광 소자의 수광 영역이 면형 수광 영역 또는 도파로형 수광 영역으로형성되어 있어 수신 신호인 반사광을 효율적으로 검지할 수 있기 때문에 각 수광 소자의 검출 신호에 의거하여 포커스 보정이나 트래킹 보정 나아가 송신광의 광출력 제어을 수행할 수 있으므로, 제어성이 높은 광 정보 처리 장치를 제공할 수 있다.
상기 (2)의 수단에 따르면 상기 (1)의 구성에 의한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상기 (3)의 수단에 따르면 상기 (1) 및 (2)의 구성에 의한 효과와 아울러 반도체 레이저 소자에서 출사되어 기록 매체의 기록면에 집광되지 않는 레이저광 부분을 회절광 분리 소자와 상기 λ/4 판의 사이에 설치된 반사체로 반사시키고 그 반사광을 광출력 검출용 수광 소자로 검출하도록 구성되어 있기 때문에 효과적으로 레이저광의 광 출력 제어(APC 제어)를 수행할 수 있다.
상기 (4)의 수단에 따르면 상기 (1) 내지 (3)의 구성에 의한 효과와 아울러 변조기를 통해 반도체 레이저 소자에서 출사되는 송신광을 제어할 수 있다.
상기 (5)의 수단에 따르면 상기 (1) 내지 (4)의 구성에 의한 효과와 아울러 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판이 단일구조로 형성되기 때문에 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판 상호의 계면에서 발생되는 광 손실이 극히 작아져서 레이저광의 이용 효율은 향상된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다. 아울러 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일 기능을 갖는 것은 동일 부호를 붙이고 그 반복되는 설명은 생략한다.
(실시 형태1)
제1 내지 제12도는 본 발명의 일 실시 형태(실시 형태1)인 광 정보 처리 장치에 관한 도면이다.
본 발명은 광 정보 처리 장치의 광 픽업 기구의 광 헤드를 초소형 경량으로 제작하고, 이 광 헤드가 장착되는 슬라이더인 서스펜션 암을 고속으로 동작시켜 액서스 시간의 대폭적인 단축을 도모하는 동시에 근접장 기록을 통해 고밀도 기록을 가능하게 하는 것이다.
즉, 광 헤드는 일면에 발광 소자(반도체 레이저 소자)와 복수개의 수광 소자가 설치된 기판의 타면측에 회절광 분리 소자, λ/4 판, 집광용 포커스 렌즈를 갖는 유전체판을 순차 계층적으로 집적화한 구조로 되어 있다. 또한, 각 부품은 고진공하에서 열압착을 통해 분자간력에 의해 접착되며 기계적, 물리적으로 일체화되어 있다.
또한, 발광 소자 및 수광 소자는 기판의 일면에 면형, 즉 광로가 기판에 수직 또는 교차하는 방향으로, 수광 소자는 면과 면을 통해 광학적 접속이 이루어지는 구조형으로 단일구조로 배치되어 있다. 아울러, 발광 소자 및 수광 소자를 제외한 다른 광학 소자도 광로가 면 접속되는 면형으로 형성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 상기 발광 소자의 전방 출사단에서 출사된 레이저광(송신광)은 회절광 분리 소자, λ/4 판, 집광용 포커스 렌즈를 갖는 유전체판을 순차적으로 통과하여 기록 매체(광 기록 매체)의 기록면에 결상되는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광은 상기 송신광이 지나는 광로를 반대로 되돌아가는데, 상기 λ/4판에 의해 그 위상이 바뀌고 회절광 분리 소자에 의해 1차 회절광이 2방향으로 분리되어 각각의 수광 소자의 수광면에 도달하면 근접장 기록에 의한 정보의 재생 또는/및 기록을 수행할 수 있다.
본 실시 형태1에 따른 광 헤드는, 예를 들면 배선의 용적을 포함하여도 세로와 가로 및 높이를 5×5×9mm로 작게 할 수 있으며, 용적을 종래의 약 1/100로 축소할 수 있어 극히 가볍다.
본 실시 형태1에 따른 광 헤드는 반도체 레이저 소자로 이루어진 발광 소자의 전방 출사단에서 광 헤드의 기록 매체와 대면하는 면까지의 거리가 짧아져 광로의 축소화를 도모할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 설명한다.
도1 및 도2는 광 정보 처리 장치의 광 픽업 기구의 일부를 나타낸 사시도이다. 도2에 도시된 것처럼 지지판(60)의 상면에는 이송 모터(61)가 배치되고, 이 이송 모터(61)의 구동부로부터 서스펜션 암(12)이 돌출되어 있다. 상기 서스펜션 암(12)의 선단 부분에는 도1에 도시된 것처럼 광 헤드(11)가 장착되어 있다. 광 헤드(11)는 이송 모터(VCM:Voice Coil Motor)(61)가 구동되면 기록 매체(광 기록 매체: 광 디스크)(1)의 하면을 따라 이동한다.
광 헤드(11)는, 도1에 도시된 것처럼, 광 헤드(11)의 외주면 부분에서 서스펜션 암(12)에 고정되는 구조 또는 광 헤드(11)의 일면측에 모든 전극이 배치되기 때문에 이들 전극을 통해 면 실장 구조로 광 헤드(11)를 서스펜션 암(12)에 고정시키는 구조가 채용된다. 이러한 면 실장 구조에서 광 헤드(11)의 실장 부분은 배선 기판 구조가 된다.
이하에서 상세히 도시되는 바와 같이, 도1에서는 광 헤드(11)의 하면 중앙에 발광 소자(반도체 소자)(16)가 배치되고, 그 양측에 수광 소자(17)가 배치된다. 또한, 발광 소자(16) 및 수광 소자(17)가 설치된 기판(14)에는 회절광 분리 소자(19), λ/4판, 집광용 포커스 렌즈(회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21))를 갖는 유전체판(22)이 순차 계층적으로 집적화되어 있다.
그 결과, 발광 소자(16)의 전방 출사단에서 출사된 레이저광(송신광)(13)은 기판(14), 회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20), 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21), 유전체판(22)을 순차적으로 통과하여 광 디스크(1)의 기록면에 결상된다. 또한, 기록면에서 반사된 반사광(24)은 상기 송신광이 지나온 경로를 반대로 되돌아가는데, 상기 λ/4판(20)에서 그 위상이 바뀌고 회절광 분리 소자(19)에 의해 2방향으로 1차 회절광{반사 회절광(24b)}이 분리되어 발광 소자(16)의 양측에 위치하는 수광 소자(17)의 수광면에 도달하게 된다.
이러한 광 픽업 구성에서는 광축이 일 축이며 광학 소자(광학 부품)가 하나로 정리되어 있기 때문에 발광 소자(16)에서 광 디스크(1)까지의 송신광(레이저광) 광로를 극단적으로 짧게 할 수 있으므로, 레이저 광의 이용 효율을 향상시키는 광픽업을 구성할 수 있다. 또한, 상기 포커스 렌즈(21)가 송신광(13)을 광 디스크(1)의 기록면에 근시야상으로 결상시킴에 따라 근접장 기록에 의한 고밀도의 기록 재생이 가능하다.
아울러, 광 헤드(11)가 집적화된 구조로 구성되어 있기 때문에 소형 경량이 가능하여 종래 기술로는 실현할 수 없던 고속의 기록 재생이 가능하다.
따라서, 본 실시 형태1에 따르면 고속 고밀도의 기록 재생이 가능하다.
여기서, 광 정보 처리 장치의 시스템 개요에 대해서 도3을 참조하여 간단히 설명한다.
광 정보 처리 장치는 호스트 컴퓨터(70), 상기 광 픽업 기구 등을 포함하는 메카니즘(71), 상기 메카니즘(71)을 구동 제어하는 마이크로 컴퓨터(72) 및 서보 회로(73), 광 픽업 기구(픽업)의 신호를 처리하는 기록 재생 신호 처리 회로(74)를 갖는 구성으로 되어 있다.
메카니즘(71)에 있어서, 기록 매체(1)는 디스크 모터(75)에 의해 회전 제어된다. 기록 매체(1)의 하면측에는 픽업인 광 헤드(11)와 스래드(thread) 모터(76)가 배치되어 있다.
기록 재생 신호 처리 회로(74)는 기록 신호 처리 회로계와 재생 신호 처리 회로계를 갖는다.
기록 신호 처리 회로계는 호스트 컴퓨터(70)에 인터페이스(77)를 통해 순차적으로 접속되는 인코더 회로(78), 기록 신호 처리 회로(79), 레이저 변조 회로(80)로 구성되는데, 상기 레이저 변조 회로(80)를 통해 광 헤드(11)의 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)의 광출력을 제어한다.
재생 신호 처리 회로계는 호스트 컴퓨터(70)에 인터페이스(77)를 통해 순차적으로 접속되는 디코더 회로(81), 재생 신호 처리 회로(82), 프리앰프(preamplifier) 회로(83)로 구성된다. 프리앰프 회로(83)는 광 헤드(11)의 수광 소자(17)에서 출력되는 광 디스크(1)의 리드 신호에 파형 등화, 증폭 처리를 수행하여 재생 신호 처리 회로(82)로 출력한다. 재생 신호 처리 회로(82)는 PLL회로를 통해 클럭(clock), 데이터의 재생을 수행하고 복조 처리, 오류 검출, 오류 정정을 수행하여 디코더 회로(81)로 재생 신호를 출력한다. 디코더 회로(81)는 복수개의 출력선으로부터 지정된 출력선을 선택하여 그것을 기록 신호 처리 회로(79)를 통해 호스트 컴퓨터(70)로 출력한다.
서보 회로(73)는 포커스 서보(85), 트래킹 서보(86), 스래드 서보(87)를 갖는다. 서보 회로(73)는 광 헤드(11)를 포함하는 광 픽업 기구나 스래드 모터(76)를 제어한다. 디스크 모터(75)는 기록 신호 처리 회로(79)나 재생 신호 처리 회로(82)에 접속되는 디스크 서보에 접속되며 디스크 서보에 의해 회전 제어된다.
마이크로 컴퓨터(72)는 메카니즘 제어(88), 서보 제어(89), 시스템 제어(90), 호스트 통신 제어(91) 등의 제어부를 가지며, 기록 재생 신호 처리 회로(74)나 서보 회로(73)와 접속되어 있다.
이와 같은 시스템 구성에 의해 광 디스크(1)의 기록 재생이 수행된다.
본 실시 형태1의 광 헤드(11)는 도4 내지 도6에 도시된 것과 같은 구조로 되어 있다. 도4는 발광 소자 및 수광 소자의 배열 방향에 따른 단면도이고, 도5는상기 단면과 직교하는 방향에 따른 단면도이다. 또한, 도6은 광 디스크(1)의 전극의 배치 상태를 나타낸 모식적 평면도이다.
본 실시 형태1에서는 발광 소자(16) 및 수광 소자(17)로 이용되는 재료를 질화물 반도체 재료로 설명한다. 발광 소자(16)와 수광 소자(17)의 구성에 대한 상세한 설명은 후술한다.
먼저, 자외역에서 가시역에 이르는 파장역에서 투명한 단결정으로 이루어진 기판(14), 예를 들면 사파이어 기판(14)을 이용하며 그 위에 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)와 수광 소자(17)를 설치한다. 이때, 사파이어 기판의 기판면은 (0001) C면으로 하며, 상기 기판(14)의 일면상에 소정 패턴으로 이루어진 절연막 마스크(15)를 형성하고 선택 성장 기술을 이용하여 발광 소자(16)와 수광 소자(17)를 형성하기 위한 반도체층을 설치한다.
이때, 수광 소자(17)는 발광 소자(16)와 다른 재료나 구조로 형성하여도 되고 또한 동일한 재료로 형성하여도 된다.
절연막 마스크(15)는 굴절율이 다른 2개의 유전체막의 다주기 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 이루어진 고반사막도 겸한다. 예를 들면, 재료로는 SiO2(굴절율 1.45)와 SiN(굴절율 1.95)의 조합 혹은 Al2O3(굴절율 1.6)와 AlN(굴절율 2.1)의 조합 등이 이용된다. 상기 조합의 주기수를 조절하여 레이저광의 반사율을 제어할 수 있다.
발광 소자의 경우에는 그 이후에 반도체층의 형성을 통해 활성층(발광 활성층)을 상기 기판(14)이나 절연막 마스크(15)에 수직으로 형성하고, 광도파층이 상기 활성층을 가로 방향으로 끼고있는 모양으로 구성한다. 상기 수직 활성층에 대한 하측의 반사경으로는 상기 절연막 마스크(15)가 이용되고, 상측에는 새로이 유전체 절연막으로 이루어진 반사막(고반사막)(18)을 형성한다.
고반사경(18)은 절연막 마스크(15)의 상기 구성과 동일하게 제작된다. 이로써, 기판과 수직인 공진기(95)를 가지며 레이저광(13)을 기판과 수직인 방향으로 출사하는 발광 소자(16)인 반도체 레이저 소자를 구성할 수 있다. 또한, 반사경인 고반사막(18)의 반사율을 절연막 마스크(15)보다 크게 설정하면 반도체 레이저의 출사 광출력을 기판의 이면(타면) 쪽으로 크게 할 수 있다.
상기 절연막 마스크(15)측이 공진기(95)의 전방 출사단이 되며 레이저광은 기판면에 수직 방향인 면내 방향으로 출사된다.
수광 소자(17)는 선택 성장 기술을 통해 절연막 마스크의 패턴폭을 발광 소자용과 수광 소자용으로 구별함으로써, 동일 재료로 각각을 구성할 수 있다. 이 때, 일회의 결정 성장을 통해 발광 소자(16)와 수광 소자(17)를 단일구조로 집적화한 소자를 얻게 된다.
기판(14)의 타면측에는 투명하며 유전체 재료로 이루어진 판(25), 예를 들면 LiNbO3로 이루어진 판(25)에 접착 또는 씰, 불순물 확산 혹은 이온 주입 등을 통해 굴절율이 다른 회절 격자형 영역으로 이루어진 회절광 분리 소자(19)를 형성한다. 회절광 소자(19)를 형성한 LiNbO3로 이루어진 판(25)을 기판(14)에 접착 또는 부착하여도 된다.
회절 격자는 입사광을 0차광과 회절된 1차광{반사 회절광(24b)}으로 분리시킬 수 있으며, 회절광 분리 소자(19)로 기능한다.
다음에는 회절광 분리 소자(19)의 위에 석영이나 투명 유전체막 혹은 투명 플라스틱 수지로 이루어진 λ/4 판(1/4 파장판)(20)을 접착 또는 부착한다. 이 λ/4 판(20)은 레이저광(13)의 파장을 λ라고 하는 경우에 반사광과의 위상을 서로 제거하는 파장판이 된다.
아울러, 회절 격자형에 원주형 홈을 형성하여 회절광에 대한 집광 작용을 지니게 한 집광용 포커스 렌즈(회절 격자형 집광용 포커스 렌즈)(21)를 유전체판(22)의 일면에 형성한다. 유전체판(22)은 유전체 재료, 예를 들어 LiNbO3로 이루어진다.
또한, 상기 기판(14)과 회절광 분리 소자(19){판(25)}, λ/4 판(20), 유전체판(22)의 각 부품은 10-9내지 10-10Torr 정도의 고진공하에서 열압착에 의한 분자간력에 의해 접착되며 기계적, 물리적으로 일체화된다.
또한, 반도체 레이저 소자(16)의 전방 출사단에서 광 헤드의 기록 매체와 대면하는 유전체판(22)의 표면까지의 거리가 짧아져 광로의 단축화를 도모할 수 있다.
본 실시 형태1에서는 기판(14)의 일면에 송신광(13)을 출사하는 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)와 기판(14) 등을 투과한 반사광(24)을 수광하는 수광 소자(17)를 복수개 배치하고, 상기 송신광(13) 및 반사광(24)의 광로(10)에 알맞게 다른 광학 소자{회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20), 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)}를 배치하여 광 헤드(11)를 구성한다.
따라서, 광 헤드(11)는 유전체판(22)의 외측의 극근방에서 근시야상을 결상시킬 수 있다. 상기 유전체판(22)의 굴절율 n은 적어도 공기의 굴절율 1보다 커야하며, 이 조건을 만족시켜 결상되는 근시야상의 크기는 회절 격자 렌즈의 개구수가 NA인 경우에 λ/(nNA)에 비례하며 유전체 기판의 굴절율 n에 대응하는 크기 만큼 작게 모이게 된다. 그 결과, 근접장에 의한 기록 재생이 가능해진다. 상기 근시야상은 유전체판(22)의 표면으로부터 수nm에서 수백nm의 범위에서 결상된다.
본 실시 형태1의 집적 면형 광 헤드(11)는 반도체 레이저 소자(16)의 송신광(레이저광)(13)을 제어하고 기록 매체의 기록 마크(메모리)를 판독하며 그 신호를 수광 소자(17)를 통해 수신하는데, 그 제어 및 수신은 다음과 같이 수행된다. 발광 소자인 반도체 레이저 소자(16)에서 출사된 송신광(13)은 기판(14)과 회절광 분리 소자(19) 및 λ/4 판(20)을 지나 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)에 의해 유전체판(22)의 안으로 집광되며, 유전체판(22)의 외측의 극근방에서 수십 내지 수백㎛의 범위에 떨어진 곳에서 결상된다. 즉, 송신광(13)은 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)에 의해 집광되고, 기록 매체(1)의 메모리(26)에 맞도록 결상되며 메모리(26)의 신호를 싣고 반사되어 되돌아온다. 반사광(24)은 유전체판(22)을 지나 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)에 의해 회절되어 집광되는데, 회절광 분리 소자(19)에 의해 0차광과 1차광으로 분리된 반사 회절광(24b)이 수광 소자(17)에 의해 수광된다. 반사 회절광(24b)의 신호는 포커스 에러나 트래킹 에러를 보정하기 위한 신호로 사용된다. 회절광 분리 소자(19)는 반도체 레이저 소자(16)에서 출사되는 레이저광{송신광(13)}의 광로에서 그 역할을 다하지 못하나, 복로에서는 반사광(24)을 분리시켜 1차 회절광을 수광 소자(17)의 수광면(수광 영역)으로 안내하는 역할을 수행한다.
이하, 도4 내지 도10을 이용하여 발광 소자와 수광 소자의 구성에 대해서 상세히 설명한다.
도7 내지 도9에 도시된 것처럼, 투명한 사파이어 단결정으로 이루어진 기판(14)의 일면에 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)와 수광 소자(17)를 형성한다. 예를 들면, 질화물 반도체 재료의 청자색 레이저는 (0001) C면 사파이어 기판을 이용하며 그 위에 먼저 버퍼층을 포함하는 n형 GaN 광도파층(27)을 전면에 유기 금속 기상 성장(MOVPE)법을 통해 결정 성장한다. 도4 및 도5에서는 광도파층(27)을 형성하지 않는데, 이는 없어도 된다.
다음에는 굴절율이 다른 2개의 유전체막의 다주기 DBR구조로 이루어진 절연막 마스크(15)를 형성한다. 절연막 마스크(15)는 SiO2(굴절율 1.45)와 AlN(굴절율 1.95)의 조합 혹은 Al2O3(굴절율 1.6)와 AlN(굴절율 2.1)의 조합 등을 통해 구성한다.
상기 절연막 마스크(15)의 발광 소자(16)의 영역에는 좁은 육각 형상의 창문 패턴, 수광 소자(17)의 영역에는 비교적 넓은 육각 형상의 창문 패턴을 설치한다(도10 참조).
그 후, 상기 절연막 마스크(15)를 선택 성장용 마스크로 이용하여 MOVPE법을 통해 결정을 선택 성장한다. 이때, 발광 소자의 경우에는 n형 GaN/AlGaN 광도파층(28), GaInN/GaN/AlGa 변형 다중 양자 우물 구조 활성층(29), p형 GaN/AlGaN 광도파층(30)을 순차적으로 에피택셜(epitaxially) 선택 성장시키고, 수광 소자의 경우에는 n형 GaN/AlGaN 광도파층(31), GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32), p형 GaN/AlGaN광도파층(33)을 순차적으로 에피택셜 선택 성장시킨다.
일회의 결정 성장을 통해 발광 소자(16)와 수광 소자(17)를 단일구조로 설치하면 수광 소자의 층(31, 32 및 33)은 발광 소자의 층(28, 29 및 30)에 상당하게 된다.
발광 소자(16)는 최초 수광 소자의 단면에 나타난 것과 같은 단면 형상을 가지나, 리소그래피와 드라이 가공을 통해 도7에 도시된 것과 같은 구성이 된다. 상면에서 본 경우, 리소그래피와 드라이 가공에 의해 광도파층(28)의 상측에 있는 활성층(29)의 수평 부분이 제거되면 발광 소자(16)는 도10에 도시된 것처럼 둥굴게 잘린 모양으로 광도파층과 활성층에 인접하게 형성된다. 이때, 수광 소자(17)에는 마스크를 실시하여 가공되지 않도록 한다.
그 다음에는 재차 리소그래피와 드라이 가공을 통해 발광 소자(16)를 더욱 가공하여 도6에 도시된 것처럼 육각형의 하나의 측면에만 활성층(29)이 남도록 설정한다. 위에서 본 활성층(29)의 줄무늬(stripe) 폭을 1㎛에서 5㎛의 범위로 하고, 기본 가로 모드가 안정되게 전반도파할 수 있는 조건으로 설정할 필요가 있다. 기본 가로 모드이고 또한 레이저 빔의 형상이 세로 가로의 종횡비를 1에 가깝게 하여 진원형 빔 형상으로 하는 것이 중요하다. 상기의 줄무늬 폭의 범위에서 활성층의 설계를 수행하면 진원형 레이저 빔 형상을 얻을 수 있다.
수광 소자(17)에 대해서도 발광 소자(16)와 동시에 가공을 실시하는데, 도6에 도시된 것처럼 3분할하여 포커스 에러나 트래킹 에러를 보정하기 위한 분할 수신 제어를 위해 분할된 수광 영역으로 한다.
그 후, 발광 소자(16)의 광도파층(28)의 측면에 형성된 활성층(29)의 상측 단면부에 유전체 다층막 DBR구조의 반사막(고반사막)(18)을 설치하고 절연막 마스크(15)와 합쳐서 반사경으로 한다.
광도파층(28)이 정육각 주형(柱形)으로 성장하기 때문에 측면에 성장하는 활성층(29)은 기판면에 수직으로 형성될 수 있으며 상기 반사경에 의해 수직 공진기(95)(도4 참조)가 구성될 수 있다.
고반사막(18)은 고반사막을 구성하는 절연막 마스크(15)와 동일한 제작 수법을 통해 형성하고, SiO2(굴절율 1.45)와 SiN(굴절율 1.95)의 조합 혹은 Al2O3(굴절율 1.6)와 AlN(굴절율 2.1)의 조합 등을 통해 구성한다. 고반사막(18)의 반사율을 절연막 마스크(15)보다 크게 설정하면 발진된 레이저광의 대부분이 출사광{송신광(13)}으로 기판(14)의 내면 방향으로 출력된다.
또한, 도4에 도시된 것처럼 고반사막(18)을 활성층{공진기(95)}의 상단측 뿐만 아니라 양측면에도 설치한다. 활성층보다 굴절율이 낮고 공기보다 굴절율이 높은 재료인 유전체막을 상기 활성층의 양측에 설치하면 기본 가로 모드가 얻을 수 있는 활성층의 줄무늬 폭을 제약하는 조건이 완화되어 보다 넓은 줄무늬 폭에서 기본 가로 모드가 안정되게 제어된다.
아울러, 고반사막(18)으로 덮으면 활성층에서 누출되는 레이저광의 비율을 저감시킬 수 있고, 광자 리싸이클링으로 광 여기(pumping)에 사용하면 레이저광의 발진 효율을 높이는 것도 가능하다.
여기서, 발광 소자(16)와 수광 소자(17)의 관계에 있어서의 중요한 점을 아래에 설명한다. 기록 매체(1)에 의해 반사되어 되돌아오는 반사광(24)을 수광 소자의 수광층(32)에서 흡수하도록 수광층(32)은 레이저광이 갖는 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 가져야만 한다. 이는 결정 성장시의 조건에 의해 달성된다.
즉, 상기 선택 성장시에 기판면과 수직인 상측에는 성장 속도를 크게 하고 수평 방향이 되는 가로측에는 성장 속도가 상대적으로 작도록 조건을 설정한다. 이와 같이 설정하면 발광 소자(16)의 활성층(29)의 양자 우물층이 상대적으로 얇은 막 두께로 이루어지며 양자 준위(準位)간 에너지는 커진다. 수광 소자(17)의 수광층(32)은 상대적으로 두꺼운 막의 양자 우물층으로 이루어지기 때문에 양자 준위간 에너지가 작아져 보다 에너지가 큰 레이저광을 흡수하는 효과를 발생시키게 된다. 따라서, 동시에 동일 재료로 발광 소자(16)와 수광 소자(17)를 형성하여도 레이저광을 흡수하여 광 제어에 사용할 수 있는 신호를 얻을 수 있다.
발광 소자(16)와 수광 소자(17)의 상세를 각각 확대한 도8 및 도9에 나타내었다. 도8에서는, 수직 공진기의 반사막(반사경)(18)을 형성한 후, 리프트 오프(lift-off)법을 통해 p측 전극(애노드 전극)(34)이 p형 광도파층(30)에 접촉되도록 제작한다. n측 전극(캐소드 전극)(35)은 도시되지 않았으나 리프트 오프법을 통해 층(27){또는 층(14)}에 접하도록 설치한다(도5 참조). 도9의 수광 소자의 수광 영역은 면형의 수광층을 통한 면형 수광으로 되어 있다.
기판(14)의 일면에 발광 소자(16) 및 수광 소자(17)를 형성하는 경우에는 도10 및 도6에 도시된 것처럼 선택 성장용 절연막 마스크(15)의 패턴을 고려하여 설정하고, 정육각주의 하나의 측면에 남을 활성층(29)과 수광 소자(17)가 일직선상에 배치되도록 배열시키는 것이 중요하다.
회절광 분리 소자(19)는 반사광(24)의 회절을 수광 신호로 분할 검지하기 위해 기판(14)의 이면(타면)측에 설치된다. 회절광 분리 소자(19)는 도11에 도시된 것처럼 투명한 유전체 재료로 이루어지는 판(25)에 회절 격자를 설치하여 형성된다. 회절 격자는 발광 소자(16)의 활성층(29)의 중앙부를 중심으로 원형상으로 설치되고, 그 회절 격자 패턴은 0차광과 ±1차 회절광을 발생시키는 평행 패턴으로 되어 있다.
그로 인해, 회절광 분리 소자(19)는 발광 소자(16)의 송신광(13)에 대한 왕로에서는 그 역할을 다하지 못하나, 광 디스크(1)에 의해 반사된 반사광(24)에서 1차 회절광을 분리시켜 수광 소자(17)로 입사시키는 기능을 갖게 된다. 회절광 분리 효과를 크게하기 위해서는 이방성이 높은 결정 재료에 굴절율이 다른 영역을 주기적으로 설치하는 것이 유효하다. 회절 격자형으로 주기적으로 굴절율이 다른 영역을 설치함으로써, 평면형 결정 기판에 제작할 수 있다. 아울러, 회절 격자로 형성된 회절광 분리 소자(19)는 반사광(24)을 회절시키고, 1차 회절광을 2개의 수광 소자(17)에 나누어 신호 처리할 수 있도록 한다. 반사광(24)의 1차 회절광을 분리시킬 수 있으며, 레이저 소자의 양측에 설치된 수광 소자에 분리된 1차 회절광을 각각 입력시키면 포커스나 트래킹 보정의 신호 처리가 가능하다.
회절광 분리 소자(19)의 제작에는 이방성이 높은 결정 재료인 유전체 재료를 이용하는데, LiNbO3가 일반적이며 이방성을 높이기 위해 MgO 등의 재료를 첨가하여도 된다. 또한, 본 내용의 효과를 달성하는 재료라면 다른 유전체 재료 LiTaO3, Al2O3나 ZnO 등의 재료를 이용할 수도 있다
본 실시 형태1에서는 발광 소자(16)의 양측에 각각 수광 소자(17)를 배치하여 구성하기 때문에 회절광 분리 소자(19)가 반사광(24)을 2방향으로 분리시키는 구조로 구성되나, 수광 소자(17)가 발광 소자(16)를 포함하는 동일 선상에 배치되지 않고 발광 소자(16)의 주위에 각각 각도를 두고 배치되는 경우에는 반사광(24)을 각 수광 소자(17)로 나누는 회절광 분리 소자(19)를 구성하는 회절 격자의 패턴을 그에 맞추어 선택 성형한다.
유전체판(22)의 일면측에는 회절 격자가 설치된 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)가 형성되어 있다. 이 포커스 렌즈(21)는 발광 소자(16)의 송신광(13)을 집광하여 광 디스크(1)상에 결상시키는 기능을 갖는다. 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)는 이방성이 높은 투명한 결정 재료에 굴절율이 다른 영역을 주기적으로 설치하여 제작한다. 재료는 편광 분리 소자의 형성에 이용되는 유전체로 한다. 포커스 렌즈(21)는 도12에 도시된 것처럼 원형상의 회절 격자에 의해 형성되고, 수직 공진기에서 출사된 레이저광의 확장각을 고려하여 레이저광 분포를 모두 둘러싸도록 구성한다. 따라서, 레이저광(송신광)(13)의 광축에 대해 대칭적으로 집광이나 회절 분리가 이루어진다.
상기 회절광 분리 소자(19)나 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)는 그레이팅 회절 격자로 형성되는데, 회절 격자는 굴절율이 다른 적어도 2종류의 영역으로 이루어지며, 바람직하게는 이방성이 큰 결정으로 형성한다. 예를 들면, 2종류의 영역에 의해 구성되는 회절 격자는 불순물의 확산 또는 이온 주입을 통해 형성할 수 있다. 이와 같은 제작 방법은 패턴이 정확해지는 동시에 제작 비용이 저렴하게 되는 실익이 있다.
수광 소자(17)는 도6에 도시된 것처럼 발광 소자(16)의 양측에 배치되며 나아가 3분할된 구조로 이루어지는데, 반사광(24)을 신호광으로 이용하여 포커스나 트래킹 보정의 제어에 사용된다. 반사광(24)은 회절광 분리 소자(19)에 의해 분리되어 반사 회절광(24b)이 되며 복수개의 수광 소자에 의해 검지된다.
복수개의 수광 소자의 신호의 합신호를 이용하여 포커스 에러 신호 검출 및 트래킹 신호 검출에 사용한다. 수광 소자의 전류 출력을 전압 변환하는 전류-전압 앰프를 설치하고, 이를 통해 각 신호를 앰프 출력하며 좌우의 차신호(差信號)를 포커스 에러 신호 및 트래킹 신호로 한다.
즉, 광 디스크(1)로부터의 신호를 발광 소자(16)의 양측의 수광 소자(17)에서 검지하는데, 회절 분리 소자를 통해 회절된 ±1차 회절광을 효율적으로 검출한다.
아울러 신호 검출법에 있어서, 포커스 에러 신호 검출을 스폿 사이즈 검출로 하며 차신호를 이용하기 위하여 수광 소자의 영역을 3분할한다. 검출에 이용되는 신호는 도12에 도시된 것처럼 수광 소자의 각각 I, II, III, IV, V, VI의 영역에서 수신된 미약한 전류 출력을 바탕으로 한다. 신호 검출용 미약 전류를 각각 수광 소자의 영역에 대응시켜서 각각 PD1, PDII, PDIII, PDIV, PDV, PDVI로 한다.
이들 신호 가운데, 포커스 에러 신호 검출에는 PDI + PDIII + PDV의 합신호 PD(1)과 PDII + PDIV + PDVI의 합신호 PD(2)로 2분할된 신호 전류를 설정해 두고, PD(1)과 PD(2)의 차신호를 광 디스크의 포커스 에러에 대한 보정 신호로 한다. 실제로는 수광 소자의 미약 전류를 전압 변환하는 전류-전압 증폭기나 전류원을 회로에 설치해 두고, PD(1)과 PD(2)의 전류 신호를 전압 변환한 각 신호를 증폭기 출력으로 한다. 포커스 에러 신호(F)를 F = PD(1) - PD(2)로 나타낸 경우에 포커스 서보는 F=0이면 포커스가 맞는 경우로 판단하고, F>0이면 광 디스크가 본 광 헤드로부터 포커스가 맞는 경우보다 멀어진 경우로 판단하고, F<0이면 광 디스크가 본 광 헤드로부터 포커스가 맞는 경우보다 가까운 경우로 판단한다. 이로 통해, 포커스 에러 신호 검출과 포커스 서보 제어를 실현할 수 있다. 또한, 포커스 에러 신호 검출에 이용되는 수광 소자의 전압 신호 PD(1)과 PD(2)의 합신호를 고주파 신호용으로 사용할 수 있다.
한편, 트래킹 에러 신호 검출에는 PDI + PDIV의 합신호 PD(3)과 PDIII +PDVI의 합신호 PD(4)의 합신호를 이용하는데, 실제로는 PD(3)과 PD(4)의 전류 신호를 전류-전압 증폭기를 통해 전압 변환시킨 각 신호를 증폭기 출력으로 다룬다. 트래킹 에러 신호(T)를 T = PD(3) - PD(4)로 나타낸 경우에 트래킹 서보는 T=O이면 광 디스크의 트랙상에 레이저광 빔이 위치하는 경우로 판단하고, T>0 또는 T<0이면 광 디스크의 트랙에서 레이저광 빔이 좌우 어느 한쪽으로 어긋나있는 경우로 판단한다. 이를 통해, 트래킹 에러 신호 검출과 트래킹 서보 제어를 실현할 수 있다.
이상에 의해, 본 실시 형태1의 광 헤드(11)를 이용하여 발광 소자(16)인 청자색 반도체 레이저 소자의 레이저광을 광 디스크의 기록 매체 메모리에 집광시켜 포커스에 결상시키고, 기록 및 판독한 메모리의 정보를 갖는 반사광을 회절시켜 분리한 신호광을 분할된 수광 소자를 통해 검지하며, 포커스 서보와 트래킹 서보의 제어를 달성하는 광 정보 처리 장치를 구성할 수 있다.
본 실시 형태1에 따르면 아래의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 광 정보 처리 장치의 광 헤드(11)에 있어서, 반도체 레이저 소자(16)의 전방 출사단에서 출사된 송신광(13)이 기판(14), 회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20), 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)를 갖는 유전체판(22)을 순차적으로 통과하여 기록 매체(광 기록 매체)(1)의 기록면에 결상되는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광(24)은 상기 송신광(13)이 지난 광로를 반대로 되돌아가 상기 λ/4판(20)에 의해 그 위상이 바뀌고 회절광 분리 소자(19)에 의해 1차 회절광이 2방향으로 분리되어 각각 수광 소자(17)의 수광면에 도달하도록 구성되어 있기 때문에 근접장 기록에 의한 정보의 재생 또는/및 기록을 수행할 수 있다.
(2) 본 실시 형태1의 반도체 레이저 소자(16)는 수직 공진기 구조로, 레이저광의 도파 안내하는 방향으로 이득 영역을 결합할 수 있으며 또한 반사막(반사경)까지 연속해서 이득을 얻을 수 있으므로, 종래의 면 발광형 반도체 레이저 소자보다 고출력 동작이 가능하다. 본 실시 형태1에서는 진원 형상의 기본 가로 모드를 확보하면서 자외역에서 청자색 파장역인 380 내지 430nm로 발진하며 광출력은 20 내지 50nW를 달성할 수 있다.
(3) 상기 반도체 레이저 소자(16) 및 수광 소자(17)를 갖는 기판(14), 회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20), 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21)를 갖는 유전체판(22)이 계층적으로 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 종래 기술로는 구성할 수 없던 기능성과 소형 경량화를 달성할 수 있는 광 헤드를 제공할 수 있다. 종래 기술에서는 분리된 광학계의 경우에 광 헤드의 크기인 세로와 가로 및 높이가, 예를 들면 60×40×10mm 정도인데 반하여 본 기술에서는 배선의 용적을 포함하여도 세로와 가로 및 높이를 5×5×9mm로 작게 할 수 있고, 용적은 종래의 약 1/100로 축소할 수 있으며, 중량도 극히 가볍게 할 수 있다. 따라서, 광 픽업 기구의 서스펜션 암(12)에 광 헤드(11)를 장착한 구조에서 하드 디스크의 헤드와 함께 서스펜션 암을 고속으로 이동(스윙)시킬 수 있고, 광 정보 처리 장치(DVD 장치)에서도 기록, 재생을 고속도로 처리할 수 있다.
(4) 상기 광 헤드(11)는 각 광학 소자가 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 광로를 짧게 할 수 있으며, 레이저광(송신광)(13)의 이용 효율을 각별히 향상시킬 수 있다. 또한, 광로의 단축에 의해 분할된 수광 소자 영역에서의 감도가 현격히 향상되며, 광 기록 매체의 기록 마크(26)에 대한 포커스, 트래킹 보정이나 리드(재생)의 액서스 시간을 단축할 수 있고 광 정보 처리의 고속화를 달성할 수 있다.
(5) 상기 광 헤드(11)는 각 광학 소자가 집적화되어 기계적, 물리적으로 일체화되어 있기 때문에 송신광(13) 및 반사광(24)의 광로에 공기가 존재하지 않으며 광 손실을 작게 억제할 수 있으므로, 반도체 레이저 소자(16)의 송신광 출력의 향상이나 수광 소자(17)의 수광 감도를 높일 수 있다. 특히 광 헤드(11)를 구성하는 기판(14), 회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20) 및 유전체판(22)이 분자간력에 의해 접착되어 있는 구조에서는 한층 광 손실이 작아지고 송신광 출력의 향상이나 수광 소자의 수광 감도 향상을 통해 광 정보 처리 장치의 성능은 높아진다.
(6) 상기 (4) 및 (5)에 따른 광 정보 처리 장치의 광 픽업 기구에 있어서, 광로의 단축과 광 손실의 저감으로 레이저광 출력을 낮출 수 있으며 레이저 발진의 저소비 전력화를 도모할 수 있다.
(7) 근접장 기록을 수행할 수 있기 때문에 광 정보 처리 장치의 고밀도 기록을 달성할 수 있다.
(8) 상기 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈(21) 및 회절광 분리 소자(19)가 불순물의 확산 또는 이온 주입을 통해 형성되는 2종류의 영역을 갖는 그레이팅 회절 격자로 형성되기 때문에 정밀도가 높고 또한 간단하게 제조할 수 있어 광 헤드(11)의 비용 저감을 달성할 수 있다.
(9) 반도체 레이저 소자(16) 및 수광 소자(17)가 기판(14)에 반도체 제조 기술을 통해 단일구조로 형성될 수 있기 때문에 고정밀도이면서 저가로 제조할 수 있는 동시에 결정 성장 횟수를 최소한으로 억제하여 발광 및 수광 기능별 소자를 구성할 수 있으므로 광 헤드(11)의 저비용화를 달성할 수 있다.
(10) 반도체 레이저 소자(16)의 전방 출사단의 반사막을 구성하는 절연막 마스크(15)의 반사율이 타단측 반사막(18)의 반사율보다 작기 때문에 송신광(13)의 광출력 향상을 도모할 수 있다. 또한, 상기 전방 출사단의 절연막 마스크(15)가 반도체 레이저 소자(16)를 형성하기 위하여 선택 성장을 통해 반도체 결정을 형성할 때에 사용되는 절연 마스크로 형성되기 때문에 제조 비용의 저감을 달성할 수 있다.
(11) 반도체 레이저 소자(16)가 다중 양자 우물 구조 또는 양자 우물층에 격자 변형을 도입한 변형 다중 양자 우물 구조이기 때문에 레이저광의 고출력화를 달성할 수 있다.
(12) 수광 소자(17)의 수광 영역이 면형 수광 영역 구성으로 되어 있어 수신 신호인 반사광을 효율적으로 검지할 수 있기 때문에 각 수광 소자의 검출 신호에 의거하여 포커스 보정이나 트래킹 보정 나아가 송신광의 광출력 제어를 수행할 수 있으므로, 제어성이 높은 광 정보 처리 장치를 제공할 수 있다.
(13) 광 정보 처리 장치(DVD 장치)에서는 종래의 분리된 광학계에 비해 액서스 시간을 단축할 수 있으며, 반도체 레이저 소자(16)로부터 출사되어 광 디스크(1)에 의해 반사되어 되돌아오는 반사광(24)의 광 신호 처리를 고속화할 수 있는 동시에 단체의 발광 소자인 동일 파장의 반도체 레이저 소자를 이용하는 경우보다 유전체 기판(22)의 굴절율 만큼 작은 메모리를 읽을 수 있으므로, 고밀도화에 유효하다. 본 실시 형태1의 광 헤드(11)는 기록 매체의 고쳐 쓰기 횟수가 백만회를 넘어도 기능하며, 오차율이 작은 실용적인 신호 처리를 수행할 수 있는 근접장 기록을 가능하게 한다.
(실시 형태2)
도13 내지 도16은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태2)인 DVD 장치에 관한 도면으로, 도13은 광 헤드를 나타낸 모식적 단면도이고, 도14는 집적화된 발광 소자와 수광 소자를 나타낸 모식적 단면도이며, 도15는 발광 소자 부분을 나타낸 모식적 단면도이고, 도16은 수광 소자 부분을 나타낸 단면도이다.
본 실시 형태2의 광 헤드(11)는 상기 실시 형태1의 광 헤드(11)와 발광 소자(16) 및 수광 소자(17)의 구조가 다를 뿐 다른 구조는 동일하다. 또한, 도13 및 도14에서는 설명의 편의를 위해 한 쌍의 수광 소자(17)의 사이에 배치되어 있는 발광 소자(16)의 단면 구조 및 회절광 분리 소자(19)를 90도 회전시킨 상태로 나타내었다. 또한, 실시 형태2 이후의 실시 형태에서도 동일한 도면을 이용한다.
도15에 도시된 것처럼, 발광 소자(16)는 상기 실시 형태1의 발광 소자(16)와 전극 구조가 다른 것으로, GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 활성층(29)의 좌측에 설치된 p형 GaN/AlGaN 광도파층(30)의 반사막(18)에서 떨어진 표면에 아노드(anode) 전극(p측 전극)(34)이 설치되고, 활성층(29)의 우측에 설치된 n형 GaN/AlGaN 광도파층(28)의 반사막(18)에서 떨어진 표면에 캐소드(cathode) 전극(n측 전극)(35)이 설치된 구조로 되어 있다.
이 구조에서는 상기 실시 형태1의 도7이나 도8에 도시된 광도파층(27)이 필요없어 광도파층(27)을 생략할 수 있다. 따라서, 기판(14)에 절연막 마스크(15)를 형성하고, 일회의 선택 성장을 통해 발광 소자(16)를 형성하기 위한 반도체층을 설치할 수 있다.
수광 소자(17)는 상기 실시 형태1이 면형 수광 영역을 갖는 구조인데 반하여 본 실시 형태2의 수광 소자(17)는 도16에 도시된 것처럼 도파로형 수광 영역을 갖는 구조로 되어 있다.
본 실시 형태2의 경우에는, 도9에 나타낸 상기 실시 형태1의 p형 광도파층(33)과 수광층(32)의 수평 방향의 일부를 제거하고 GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32)으로 둘러싸인 n형 GaN/AlGaN 광도파층(31)의 상단의 반사막(18)에서 떨어진 부분에 캐소드 전극(n극 전극)(35)을 설치하고, GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32)의 외측의 p형 GaN/AlGaN 광도파층(33)의 반사막(18)에서 떨어진 부분에는 아노드 전극(p측 전극)(34)을 형성하여 도파로형 수광 영역을 형성한 것이다.
본 실시 형태2에도 실시 형태1의 광도파층(27)을 설치할 필요가 없다. 따라서, 기판(14)에 절연막 마스크(15)를 형성하고 일회의 선택 성장을 통해 수광 소자(17)를 형성하기 위한 반도체층을 설치할 수 있다.
본 실시 형태2의 수광 소자(17)의 수광 소자 구조는 도파로형 수광층으로, 반사막(18)이 고반사막으로 작용하기 때문에 기록 매체로부터의 반사광을 외부로 누설시키지 않고 보다 효율적으로 수광하여 감도를 올릴 수 있다.
도15의 발광 소자(16)와 도16의 수광 소자(17)의 구조를 이용한 경우, 발광 소자와 수광 소자의 단일구조의 집적 소자는 도14와 같이 되고, 집적 면형 광 헤드의 구성은 도13과 같이 된다.
도13의 구성에 있어서, 투명 기판(14)의 하측 광학 소자는 실시 형태1의 도4의 구성과 완전히 동일하다. 도14에서 인지할 수 있듯이, 수직 공진기의 반사경(15)에서 출사된 레이저광은 투명한 기판(14)만을 통과하여 회절광 분리 소자(19)에 도달하기 때문에 상대적으로 도파광 손실을 저감시킬 수 있다. 따라서, 레이저광의 이용 효율을 개선할 수 있다.
본 실시 형태2에서는 상기의 효과 이외에 상기 실시 형태1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(실시 형태3)
도17 및 도18은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태3)인 DVD 장치에 관한 도면으로, 도17은 광 헤드에 있어서의 집적화된 발광 소자와 수광 소자를 나타낸 모식적 단면도이고, 도18은 수광 소자를 나타낸 단면도이다.
본 실시 형태3은 상기 실시 형태1과 마찬가지로 집적 면형 광 헤드(11)를 구성하나, 수광 소자(17)의 수광층의 감도를 향상시키기 위한 수광 소자(17)의 구조를 제안하고 있다. 즉, 실시 형태1의 수광 소자(17)는 도9에 도시된 것처럼 광도파층(27)상에 n형 GaN/AlGaN 광도파층(31), GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32), p형 GaN/AlGaN 광도파층(33)을 설치하고, 아울러 상기 p형 GaN/AlGaN 광도파층(33)상에 p측 전극(34)을 설치한 구조로 되어 있는데, 본 실시형태3의 수광 소자(17)는 상기 p형 GaN/AlGaN 광도파층(33)상에 반도체 초격자 DBR구조의 고반사막(36)을 형성하는 동시에 이 반도체 초격자 DBR 구조 고반사막(36)상에 재차 p형 GaN/AlGaN 광도파층(57)을 설치하고, 이 p형 GaN/AlGaN 광도파층(57)상에 p측 전극(34)을 설치한 구조로 되어 있다. 상기 반도체 초격자 DBR 구조 고반사막(36)은 MOVPE법을 통해 수광 소자를 선택 성장시켜 형성할 때에 형성한다.
반도체 초격자 DBR구조 고반사막(36)은 기판(14), 광도파층(27), n형 GaN/AlGaN 광도파층(31), GaInN/GaN/AlGa 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32), p형 GaN/AlGaN 광도파층(33)을 통과한 반사광을 반사시켜 다시 GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(32)을 투과시키기 때문에 반사광을 효율적으로 검출할 수 있으며 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 신호 처리에 사용되는 전류 신호 및 전압 신호도 커지므로 신호 오류율의 저감을 한층 더 도모할 수 있다.
본 실시 형태3의 그 이외의 효과는 상기 실시 형태1과 동일하다.
(실시 형태4)
도19 내지 도21은 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태4)인 DVD 장치에 관한 도면으로, 도19는 광 헤드를 나타낸 단면도이고, 도20은 집적화된 발광 소자와 수광 소자의 일부를 나타낸 단면도이며, 도21은 발광 소자와 수광 소자의 배치 상태를 나타낸 평면도이다.
본 실시 형태4에서의 광 헤드(11)는 상기 실시 형태1과 마찬가지로 집적 면형 광 헤드를 구성하는데, 발광 소자(16)와 하측에 전계 흡수형 변조기(23)를 설치하고, 반도체 레이저 소자(16)의 연속광을 변조기(23)로 변조시킨 펄스광을 사용하여 광 디스크의 기록 매체에 펄스광 라이트나 소거를 수행한다.
먼저, 전계 흡수형 변조기(23)를 설치하려면 상기 실시 형태1과 마찬가지로 기판(14)의 일면에 광도파층(27)을 설치하고, 그 이후 계속해서 MOVPE법을 통해 결정 성장하여 도20의 GaInN/GaN/AlGaN 변형 다중 양자 우물 구조 전계 흡수층(37), p형 GaN/AlGaN 광도파층(38)을 설치한다.
이어서, 절연막 마스크(39)를 설치하고 리소그래피와 에칭 가공을 통해 개구부를 형성한다. 절연막 마스크(39)를 선택 성장용 마스크로 하여 p형 GaN/AlGaN 광도파층(40), 도프(dope)되지 않은 GaN층(41)까지 선택 성장시킨다.
다음에는 수광 소자를 설치할 영역에 해당하는 부분에 도20에 도시된 것처럼 에칭 단차를 광도파층(27)에 이르기까지 형성한다. 그 후, 고반사막이 되는 절연막 마스크(15)를 설치하고 실시 형태1과 마찬가지로 발광 소자와 수광 소자를 설치한다. 발광 소자와 수광 소자의 전극을 설치할 때에 변조기용 p측 전극(42)과 n측 전극(43)을 형성한다.
이상으로, 전계 흡수형 변조기(23)를 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)의 하측(전방 출사측)에 단일구조로 집적화할 수 있다.
전계 흡수층(37)은 레이저광이 갖는 에너지보다 큰 양자 준위간의 실효적인 밴드 갭 에너지를 갖도록 구성하는데, 변조기용 전극에 역 바이어스를 인가하면 레이저광을 흡수한다. 변조기용 전극에 인가되는 역 바이어스의 크기에 따라 소광비가 큰 레이저광의 펄스 신호가 출력된다.
한편, 본 실시 형태4의 광 헤드(11)에서는 반도체 레이저 소자(16)의 전방 출사광중 광 디스크에 도달하지 않는 반사광을 검출하는 반사막(45)과 수광 소자(17)가 설치되어 있는 것도 본 발명의 특징중 하나이다.
즉, 도19에 도시된 것처럼 회절광 분리 소자(19)에 중첩되는 λ/4 판(20)의 면측에 유전체막 다주기 고반사막으로 이루어진 반사막(유전체막 다주기 고반사막)(45)이 설치되어 있다. 이 유전체막 다주기 고반사막(45)은 도너츠형으로 형성되며 도너츠형 구멍내를 반도체 레이저 소자(16)에서 출사된 레이저광(13)이 투과하는데, 레이저광(13) 주위의 광 부분은 상기 유전체막 다주기 고반사막 (45)에 의해 반사된다.
상기 반도체 레이저 소자(16)와 반사광(24)을 검출하는 수광 소자(17)의 사이에는 상기 유전체막 다주기 고반사막(45)에 의해 반사된 반사광(58)을 수광하는 수광 소자(17)가 설치되어 있다.
이와 같이 구성하면, 반도체 레이저 소자(16)에서 출사된 레이저광(13)의 확장 주변부가 반사막(45)에 의해 반사되고, 이 반사광(58)이 반도체 레이저 소자(16) 근처의 수광 소자(17)에 입사된다. 따라서, 레이저광(13)의 출사광의 일부를 사용하여 일정한 광 출력으로 동작시키는 APC(Automatically Power Control)회로를 삽입한 수광 제어를 가능하게 할 수 있다.
수광 소자(17)중 APC제어를 위한 수광 소자를 발광 소자에 근접하게 설치하고 ±1차 회절된 복귀광을 다른 수광 소자(17)로 수광하여 독립되게 기능하도록 설정한다. 이것은 기판(14)의 두께, 반사막(45)의 배치 및 회절광 분리 소자(19)의 회절각을 고려하여 설계함으로써 독립되게 수광하도록 기능시키는 것을 달성할 수 있다.
반사막(45)의 중앙부를 통과한 레이저광은 송신광(13)이 되어 광 디스크의 기록, 재생에 사용된다.
또한, 본 실시 형태4에서 반사막(45)의 도너츠 형상의 구멍을 진원으로 형성하면 송신광(13)의 빔 스폿 형상을 원으로 형성하는 것도 가능하다.
도21은 APC제어를 위한 수광 소자(17)를 발광 소자(16)에 근접되게 설치한 경우의 평면도를 도시한 것이다. APC제어는 수광 소자VII와 수광 소자VIII가 수신한 미약 전류 신호의 합신호를 전류-전압 증폭기를 통해 변환하여 전압 신호로 다룬다. 또한, 도22와 같이 발광 소자(16)에 근접되게 APC제어를 위한 수광 소자VII와 VIII를 설치하여도 기능시킬 수 있다.
본 실시 형태4에 따르면 광학 렌즈에 대한 커플링 효과가 높은 원형 레이저 빔을 달성할 수 있고, 또한 집적화된 전계 흡수형 외부 변조기를 통해 수백MHz에서 수GHz로 레이저광을 고속 변조시킬 수 있는 면형 레이저 광원을 얻을 수 있다. 또한, APC제어를 더함으로써 정광 출력으로 안정되게 고속 변조한 펄스광을 출사할 수 있으며, 기록 매체의 메모리 라이트나 소거용 전류 펄스 신호에 추종하는 정방형 광 펄스열을 달성할 수 있기 때문에 캐리어(carrier) 대 노이즈(noise)의 비 C/N이 보다 높고 지터(jitter)에 강한 메모리를 기록시키기에 이르렀다. 본 내용의 집적 면형 광 헤드를 탑재시키면 광학계 및 전기 회로계를 비교적 간략화한 광정보 처리 장치를 구성할 수 있다.
(실시 형태5)
도23 및 도24는 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태5)인 DVD 장치에 관한 도면으로, 도23은 광 헤드를 나타낸 단면도이고, 도24는 집적화된 발광 소자와 수광 소자를 나타낸 단면도이다.
본 실시 형태5의 광 헤드(11)는 상기 실시 형태1과 마찬가지로 집적 면형 광 헤드를 구성하는데, 이용하는 재료를 변경하여 제작되어 있다.
즉, 질화물 반도체 재료에서 인계인 AlGaInP 재료로 실시 형태1의 도7에 상당하는 발광 소자와 수광 소자를 기판상에 형성한다. 질화물 반도체 재료에서는 자외에서 청자색 파장역의 레이저광이, 인계인 AlGaInP재료에서는 적색의 파장역인 레이저광이 달성된다.
먼저, 기판면이 (111)면인 도시되지 않은 n형 GaAs기판상에 n형 GaInP층을 포함하는 n형 AlGaInP 광도파층(47)을 격자 정합되도록 MOVPE법을 통해 설치한다.
다음에는, n형 GaAs기판상의 n형 AlGaInP 광도파층(47)의 상면에 기판면이 (111)면인 n형 GaP기판(46)을 열처리를 통해 접착시킨다. 그 후, 상기 n형 GaAs기판을 선택적으로 에칭 제거하여 n형 GaP기판(46)상에 n형 AlGaInP 광도파층(47)이 제공된 반도체판을 형성한다.
다음에는, 상기 실시 형태1과 마찬가지로 활성층(49)의 레이저광 발진파장을 고려하여 설계된 고반사막인 절연막 마스크(15)를 설치한 후, 발광 소자(16)와 수광 소자(17)를 형성한다. 이때, 발광 소자(16)는 절연막 마스크(15)를 이용하여MOVPE법을 통해 n형 AlGaInP 광도파층(48), GaInP/AlGaInP 변형 다중 양자 우물 구조 활성층(49), p형 AlGaInP 광도파층(50)을 선택 성장시켜 구성한다. 기판면에 수직인 활성층(49)에는 활성층(49)의 레이저광 발진 파장을 고려하여 설계된 반사막(18)을 상측 단면부에 설치하여 수직 공진기의 반사경으로 한다.
수광 소자(17)는 발광 소자(16)와 마찬가지로 선택 성장시켜 n형 AlGaInP 광도파층(51), GaInP/AlGaInP 변형 다중 양자 우물 구조 수광층(52), n형 AlGaInP 광도파층(53)을 형성한다. 여기서, 층(50)이나 층(53)에는 전극용 컨택트층인 p형 GaAs층을 표면에 형성해 둔다. 발광 소자(16)나 수광 소자(17)의 p측 전극이나 n측 전극을 설치하면 실시 형태1의 도7과 같이 단일구조로 집적화된 발광 소자와 수광 소자를 구성할 수 있다.
n형 GaP기판(46)의 하측은 활성층(49)에서 출사된 적색 레이저광의 발진파장을 고려하여 설계되나, 그 이외는 실시 형태1과 동일하게 해서 광학 소자를 형성하여 도23에 도시된 집적 면형 광 헤드(11)를 구성한다. 본 실시 형태5는 실시 형태1에 대해서도 설명하였으나 실시 형태3이나 실시 형태4에 상당하는 구조에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.
본 실시 형태5에 따르면 발광 소자(반도체 레이저 소자)(16)는 파장이 630 내지 690nm로 발진한다. 본 내용의 수직 공진기 구조는 진원 형상의 기본 가로 모드를 확보하면서 이 발진 파장역에서 종래의 면 발광형 반도체 레이저 소자보다 최대 광출력을 크게 할 수 있는데, 광 출력 30 내지 70mW의 고출력 동작을 가능하게 한다. 그 이외의 특성은 실시 형태1의 집적 면형 광 헤드와 동일하며 각 광 소자는 동일하게 기능한다.
(실시 형태6)
도25는 본 발명의 다른 실시 형태(실시 형태6)인 광 헤드를 나타낸 단면도이다.
본 실시 형태6은 광 헤드(11)의 유전체판(22)에 설치되는 집광용 렌즈를 위상 프레넬 광학 렌즈(54)로 하여 색수차를 해소시킨 것이다. 이 구성은 상기 실시 형태1 내지 실시 형태5의 어느 것에도 적용할 수 있으나, 실시 형태1에 적용한 예에 대해서 설명한다.
즉, 실시 형태1 내지 실시 형태5의 구성의 광 헤드에서, 집광용 렌즈는 홈형 혹은 굴절율 차이를 갖는 회절 격자로 구성되는 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈이기 때문에, 레이저광을 입력하여 회절시켜 얻어진 광에 색수차가 발생하는 경우도 있다.
따라서, 본 실시 형태6에서는 광 헤드(11)의 집광용 렌즈를 위상 프레넬 광학 렌즈(54)로 구성한다. 위상 프레넬 광학 렌즈(54)는 볼록 렌즈의 구면 혹은 비구면에 대한 광로 길이를 발진 파장 λ으로 하며 두께를 λ/(n-1)가 되도록 깎아낸 모양을 가로로 나열한 구성이다. 여기서, n은 위상 프레넬 광학 렌즈를 구성하는 재료의 굴절율이다. 렌즈(54)를 형성할 때에 윤대(輪帶)를 출사하는 광의 사이에 평균적으로 λ의 광로차가 생긴다는 조건을 고려하여 r(m)은 r(m) = (2mλf)1/2로 나타낸다. 여기서, f는 윤대를 출사하는 하나의 광선의 포커스 거리이다. 렌즈(54)의 윤대를 도25에 도시된 것처럼 제작하는 경우, 반경 r(m)마다 높이 λ/(n-1)의 윤대를 도24의 단면에 나타낸 것처럼 깎아내서 형성한다. 각 윤대에 입사되는 파장λ의 광선은 원래의 볼록 렌즈와 같이 굴절되며 공통의 포커스에 모여 하나의 포커스 거리를 갖게 된다. 렌즈(54)는 파장λ의 광에 대해서 개구 전면에 걸쳐 입사광을 1차 스펙트럼에 집중시키는 회절 효과가 이상적으로 하나인 회절광 소자로 사용할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, 렌즈(54)를 위상 프레넬 광학 렌즈로 형성함에 따라 색수차를 현저히 저감시키며 이상적으로는 색수차가 없는 볼록 렌즈로 작용시킬 수 있다. 따라서, 광 헤드(11)를 통해 주고 받는 광 신호의 처리에 있어서, 캐리어 대 노이즈 비 C/N이 현격하게 높고 지터에 강한 메모리 신호를 재생할 수 있으며, 신호 에러를 극단적으로 억제시켜 신호 오류율의 저감에 유효했다.
이상 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시 형태에 의거하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않으며 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지로 변경 가능하다는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면, 발광 소자(16)는 임의의 레이저 소자이면 된다. 특히 반도체 레이저, 고체 레이저 혹은 가스 레이저 등의 여러 레이저 소자를 포함한다. 또한 발광 소자(16) 및 수광 소자(17)를 갖는 기판(14), 회절광 분리 소자(19), λ/4 판(20)을 단일구조로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 반도체층의 성장 베이스가 되는 기판(14)으로 Al2O3나 SIC등도 이용할 수 있고, 기판(14)의 타면측에 반도체층이나 석영 혹은 Al2O3나SIC를 형성하고, 그 이후 회절광 분리 소자(19)를 형성하기 위한 회절 격자를 형성하고, 그 이후 λ/4 판(20)을 석영으로 형성한다. 반사막(45)을 형성하는 경우에는 회절광 분리 소자(19)를 형성한 이후에 반사막(45)을 형성하고, 그 이후 λ/4 판(20)을 형성한다.
이 구조에서는 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판이 단일구조로 형성되기 때문에 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판의 상호 계면에서의 광 손실이 극히 작아져 레이저광의 이용 효율은 더욱 향상된다.
또한, 상기 기판, 회절광 분리 소자, λ/4 판 및 집광용 렌즈를 갖는 유전체판을 각각 투명 접착재로 접착하여 집적화시켜 기계적·물리적으로 일체화된 구조로 하여도 상기 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 DVD 장치에 적용한 예에 대해서 설명하였는데, 본 발명은 DVD 장치 이외의 광 정보 처리 장치, 예를 들면 CD나 CD-R 등 다른 장치에도 동일하게 적용할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 광 정보 처리 장치를 실현할 수 있다.
(1) 투명한 기판의 일면에 발광 소자(수직 공진기 구조의 반도체 레이저 소자)와 수광 소자를 배치하고, 상기 기판의 타면에 순차 적층적으로 기판, 회절광 분리 소자, λ/4판, 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈를 집적화시켜 광로를 단축하며 또한 근접장 기록·재생이 가능한 광 헤드를 구성하기 때문에 고밀도의 광 기록을 달성할 수 있다.
(2) 투명한 기판의 일면에 발광 소자(수직 공진기 구조의 반도체 레이저)와 수광 소자를 배치하고, 상기 기판의 타면에 순차적으로 기판, 회절광 분리 소자, λ/4판, 회절 격자형 집광용 포커스 렌즈를 집적화시켜 소형 경량의 광 헤드를 구성하기 때문에 슬라이더가 되는 서스펜션 암에 본 발명에 따른 광 헤드를 직접 장착할 수 있으며, 종래와 비교해서 고속으로 동작시킬 수 있고 고속 액서스로 광 기록·재생을 달성할 수 있다.
(3) 수직 공진기 구조의 반도체 레이저 소자에서는 진원 형상의 기본 가로 모드를 확보하면서 종래의 면 발광 레이저 소자보다 고출력 레이저 작동을 달성할 수 있다.
(4) 수광 소자는 발광 소자와 함께 일괄하여 단일구조로 집적화할 수 있다.
(5) 상기 (1)에 따른 광 헤드의 구성을 통해 광로 길이를 각별히 짧게 할 수 있으므로, 레이저광의 이용 효율을 개선할 수 있는 동시에 수광 소자의 감도 향상을 도모할 수 있다.
(6) 상기 (1) 및 (2)에 따른 광 정보 처리 장치에서는 광 기록 매체의 메모리에 대한 포커스, 트래킹 보정이나 리드 액서스 시간을 단축한 고속화가 가능해지는 동시에 종래의 광 헤드 기술에서는 읽을 수 없었던 최소 메모리의 판독도 가능해진다.
(7) 디지털·비디오·디스크(DVD)의 ROM이나 RAM 등의 차세대 광 정보 처리 장치에 본 발명을 적용하면 고밀도이며 고속으로 정보 신호 처리가 가능해지는 동시에 광 정보 처리 장치의 광 픽업계를 보다 편리하게 구성할 수 있으며, 그로인해광 정보 처리 장치의 제작 비용 저감도 달성할 수 있다.

Claims (20)

  1. 발광 소자, 수광 소자 및 광로에 위치하며 빛을 제어하는 복수의 광학 소자를 가지며, 상기 발광 소자의 전방 출사단에서 출사된 송신광을 기록 매체의 기록면에 결상시키는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광을 상기 수광 소자의 수광면에 결상시키는 광학계를 구성하고, 상기 기록 매체에 기록된 정보의 재생 또는/및 기록 매체로의 정보의 기록을 수행하는 광 정보 처리 장치에 있어서,
    일면에 설치되어 면내 방향으로 송신광을 출사하는 발광 소자 및 면내에서 나오는 상기 송신광의 반사광을 수광하는 복수개의 수광 소자를 가지며 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자를 결정 성장법을 통해 형성할 수 있는 베이스 재료로 이루어지는 동시에 상기 송신광 및 상기 반사광을 투과시키는 절연 소재로 이루어진 기판과,
    상기 기판의 타면측에 중첩되며 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 수광 소자를 통해 수광하도록 광로를 수정 변경하는 회절광 분리 소자와,
    상기 회절광 분리 소자에 중첩되는 λ/4 판과,
    상기 λ/4 판에 중첩되며 상기 송신광을 상기 기록 매체의 기록면에 집광시키는 동시에 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 기판측에 집광시키는 렌즈를 구성하는 유전체판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 정보 처리장치.
  2. 발광 소자, 수광 소자 및 광로에 위치하며 빛을 제어하는 복수의 광학 소자를 가지며, 상기 발광 소자의 전방 출사단에서 출사된 송신광을 기록 매체의 기록면에 결상시키는 동시에 상기 기록면에서 반사된 반사광을 상기 수광 소자의 수광면에 결상시키는 광학계를 구성하고, 상기 기록 매체에 기록된 정보의 재생 또는/및 기록 매체로의 정보의 기록을 수행하는 광 정보 처리 장치에 있어서,
    일면에 설치되어 면내 방향으로 송신광을 출사하는 발광 소자 및 면내에서 나오는 상기 송신광의 반사광을 수광하는 복수개의 수광 소자를 가지며 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자를 결정 성장법을 통해 형성할 수 있는 베이스 재료로 이루어지는 동시에 상기 송신광 및 상기 반사광을 투과시키는 절연 소재로 이루어진 기판과,
    상기 기판의 타면측에 중첩되며 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 수광 소자를 통해 수광하도록 광로를 수정 변경하는 회절광 분리 소자와,
    상기 회절광 분리 소자에 중첩되는 λ/4 판과,
    상기 λ/4 판에 중첩되며 상기 송신광을 상기 기록 매체의 기록면에 집광시키는 동시에 상기 기록 매체로부터의 반사광을 상기 기판측에 집광시키는 렌즈를 구성하는 유전체판을 포함하고,
    상기 회절광 분리 소자와 상기 λ/4 판의 사이에는 상기 발광 소자에서 출사된 송신광의 주연 부분을 반사시키는 반사체가 설치되는 동시에 상기 기판의 일면에는 상기 송신광의 광 출력을 검출하는 수광 소자가 설치되고, 상기 반사체에서 반사된 송신광의 반사광은 송신광의 광 출력을 검출하는 상기 수광 소자의 수광면에 도달되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광 소자의 전방 출사단측의 기판 부분에는 상기 발광 소자에서 출사된 송신광을 제어하는 변조기가 설치된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판, 상기 유전체판은 집적화된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판, 상기 유전체판은 기계적, 물리적으로 일체화된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판, 상기 유전체판은 투명 접착 재료로 각각 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판, 상기 유전체판은 10-9내지 10-10Torr정도의 고진공하에서의 열압착에 의한 분자간력으로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판, 상기 회절광 분리 소자, 상기 λ/4판은 단일구조로 형성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 송신광을 기록 매체의 기록면에 대하여 근시야상으로 결상시켜 근접장 기록에 의한 기록 매체의 정보를 재생하거나 정보를 기록하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 근시야상은 상기 유전체판의 표면으로부터 수nm에서 수백nm의 범위에서 결상되는 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈 및 회절광 분리 소자는 그레이팅 회절 격자로 형성되는데, 상기 렌즈는 회절 격자 렌즈로 구성됨에 따라 반사광을 회절시켜 1차 회절광을 발생시키며, 회절된 1차 회절광을 회절광 분리 소자를 통해 분리시키고 상기 수광 소자에 의해 수광되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 그레이팅 회절 격자는 굴절율이 서로 다른 적어도 2종류의 영역으로 이루어지며, 바람직하게는 이방성이 큰 결정으로 형성한 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 그레이팅 회절 격자의 굴절율이 서로 다른 적어도 2종류의 영역은 불순물의 확산 또는 이온 주입을 통해 형성한 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 소자는 상기 기판의 일면에 절연 마스크를 이용한 선택 성장을 통해 형성되는 반도체 결정을 바탕으로 형성되는 반도체 레이저 구성으로, 단면에서 레이저광을 출사하는 활성층은 상기 발광 소자가 설치되는 상기 기판의 일면에 수직인 방향을 따라 배치되며, 상기 기판면에 수직인 방향으로 유도 방출광을 공진 증폭하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 발광 소자의 활성층의 양단에 반사막을 설치하는 동시에 상기 활성층의 전방 출사단의 반사막은 상기 기판의 일면에 반도체 결정을 선택 성장시킬 때에 이용한 절연 마스크로 구성되며, 또한, 전방 출사단의 반사막의 반사율은 타단측 반사막의 반사율보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 소자의 활성층은 다중 양자 우물 구조 또는 양자 우물층에 격자 변형을 도입한 변형 다중 양자 우물 구조인 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수광 소자의 수광 영역은 면형 수광 영역 또는 도파로형 수광 영역으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수광 소자는 상기 기판의 일면에 절연 마스크를 이용한 선택 성장을 통해 형성되는 반도체 결정을 바탕으로 형성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자는 상기 기판에 단일구조로 형성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 수광 소자의 검출 정보를 통해 송신광의 광 출력 제어 및 포커스나 트래킹을 보정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광 정보 처리 장치.
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