JP2002025104A - 集積光ヘッド装置 - Google Patents
集積光ヘッド装置Info
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Abstract
なる光ディスクを一台の装置で記録、再生するための光
ヘッドにおいて、波長の異なる3個の半導体レーザのス
ポットを低収差で光ディスク上に形成し、同時にヘッド
の小型、薄型、集積化を実現する。 【解決手段】2波長モノリシックGaAs半導体レーザの2
個の発光点位置と、青紫色波長のGaN半導体レーザの発
光点位置を左右非対称に形成し、波長の異なる3つの半
導体レーザ発光点位置を近づけて配列し、OEIC,PDパ
ターン、および、反射ミラー付基板にインデクスアライ
メントして集積化する。
Description
れた半導体レーザ光を光ディスク上に当て、記録、ある
いは再生する装置の技術分野に属する。
D-Rewritable仕様と、波長650nmのDVD、DVD-ROM、DVD-R
AM仕様の各種光ディスクをいずれもかけることのできる
光ディスク装置が登場したが、異なる波長の半導体レー
ザ毎に光源部と光検知器が分離している。さらに将来的
には、記録密度をさらに向上した青色、あるいは、紫色
以下の短波長レーザがつかわれる状況にあり、光ヘッド
の部品点数増加は避けられない見通しである。このた
め、光源と光検知器の実装集積密度があがらず、光ディ
スク装置全体の小型化、薄型化が阻まれていた。このた
め、従来から特開平1-150244や、日経エレクトロニク
ス、 1999.11.29 (No. 758),p49に見られるように、光
ディスクの再生ヘッドの光検知器部分と半導体レーザを
ハイブリッド集積化する試みがなされて来た。しかし、
上記公知例には、半導体レーザの位置決め誤差の低減の
必要性が記載されているだけで、位置合わせ精度向上の
具体的な方法については何も開示されていない。
ヘッドの集積化には、上記波長の異なる3種の半導体レ
ーザを並列に配置し、一つの光学系で三つの半導体レー
ザのスポットを光ディスク上に形成する必要がある。し
かし、該光学系は比較的開口数の大きい対物レンズを持
っており、画角、すなわち、低収差を保証する光軸方向
に対する中心光線(物点と像点を結ぶ線)の角度は有限
である。言いかえれば、3個の半導体レーザのうちの一
個を、光ディスク上で十分収差の取れたスポットに形成
できても、他方のスポットは収差でボケてしまうという
事体が生じる。また、3個の半導体レーザの発光点の相
対位置合わせも重要な課題である。従って、上記従来例
では、装置全体の薄型化、小型化が抱える問題を完全に
解決されたとは言い難い状況である。
を解決して、波長780nmのCD、波長650nmのDVD、そし
て、波長400nm近辺の新しい超高密度光ディスクなど、
各種光ディスクを互換性を持って記録再生できるドライ
バ装置全体の小型化、薄型化のためのブレークスルーを
提供するものである。即ち、波長780nm、650nmの異なる
2個の発光部を持つモノリシックなGaAs半導体レーザ
と、波長410nmのGaN半導体レーザを、対応する波長に感
度を持つ自動焦点検出、および、トラッキング検出用光
検知器をモノリシックに形成した半導体基板からなる集
積モジュールを搭載した光ヘッドにより、光ディスクを
記録再生する装置において、該2種の半導体レーザの発
光点を、前記GaAs半導体レーザと前記GaN半導体レーザ
との中央に対して左右非対称位置に形成し、該複数の発
光点を該光ヘッド光学系の画角が許容する範囲内にはい
るように互いに近づけて配列する。
は、波長780nmと波長650nmの異なる2種のGaAs半導体レ
ーザをモノリシックに作成したレーザ光源と、波長400n
m近辺のGaN半導体レーザと、これらの異なる波長に対応
する三種の光検知器をマスク精度で位置合わせした上で
該2個の半導体レーザをハイブリッド集積化し、モノリ
シック並みに部品点数を削減する。そして、従来、複数
光路であった光ヘッドを単一の光路とし、かつ、該3個
の半導体レーザの発光点を左右非対称位置に形成し、該
発光点を互いに近づけて配列した集積モジュールを提供
するものである。
たシリコン基板上と、半導体レーザ双方に位置合わせ用
のインデクスマークをつけて、可視光、あるいは赤外光
を照射し、それらの像をCCDや撮像管などの光電変換面
に結ばせてコンピュータに取りこみ、各々のマークの重
心や形を計算して位置合わせを行うものである。重心計
算のため、位置合わせ精度はサブミクロンのオーダーで
達成可能である。
たシリコン基板上に反射ミラーを形成するものである。
すなわち、9.7度近辺のオフ基板を用意し、シリコン
の異方性エッチングにより45度近辺の反射ミラーを形
成し、半導体レーザからのビームをこのミラーで反射さ
せ、シリコン基板面に対し、ほぼ直角方向にビームを曲
げるものである。
たシリコン基板上に光検知器で発生した光電流を電気的
に増幅するアンプをモノリシックに形成し、かつ、斜め
ミラー、位置合わせインデクスマークを作り付けるもの
である。
ドのような熱伝導率の高い基板に位置合わせ用のインデ
クスマークを付け、高い精度で該2個の半導体レーザ、
反射用のプリズムミラー、光検知器、そして、アンプを
ハイブリッド集積するものである。
成を示すものである。すなわち、半導体基板1、2波長
モノリシックGaAs半導体レーザチップ4a、1波長GaN半
導体レーザ4b、反射ミラー5、光検知器7、8、9など
からなる集積モジュール100からのレーザ光は、それ
ぞれ、ビーム6a,6b,6cとなり、コリメータレンズ10で
平行光となり、立上げミラー11、回折格子板12など
を経て対物レンズ13に至り、光ディスク14面にスポ
ット15a、15b,16として形成される。対物レンズ
13は半導体レーザ波長に応じて複数個からなる場合、
あるいは、複数の波長の光を集光できる単体の場合があ
る。該レンズはアクチュエータ17により、光ディスク
の回転に伴う動きに応じて記録面上に焦点合わせされ、
かつ、トラッキング、すなわち、ディスク面上の記録ト
ラック18を追随するものである。かくして、半導体レ
ーザのオン・オフに応じて信号が光ディスク上にピット
の列として記録され、あるいは、既に記録されたピット
を読み出して信号を再生するものである。このように、
集積モジュール100に複数の半導体レーザを集積すれ
ば、コリメータレンズ10、対物レンズ13、立ち上げ
ミラー11などが一個となり、光ヘッドの光路を単一化
することができる。すなわち、本光ヘッドを使えば、例
えば、厚さ1.2mmのCD、CD−Rを、GaAs半導体レーザ4
aのうちの波長λa(=780nm)の発光部分で記録再生し、
厚さ0.6mmのDVD、DVD-RAMをGaAs半導体レーザ4aのうち
の波長λb(=650nm)の発光部分で記録再生し、さらに、
波長λc(=400nm)近辺のGaN半導体レーザ4bで記録再生
することができる。
る。これは偏光性の4分割回折格子23と4分の一波長
板24を張り合わせて一体にした複合素子で、半導体レ
ーザチップ側に偏光性の4分割回折格子を向けて配置す
る。偏光性の4分割回折格子は、複屈折性の光学結晶板
や液晶板からなり、入射光が常光線の場合は屈折せずに
透過し、異常光線の場合は回折格子として作用する。半
導体レーザ4a,4bから出射された直線偏光のビーム6a,6
b,6cは、偏光性の4分割回折格子と4分の1波長板の複
合素子12に入射した時、常光線として入射した場合は
偏光性回折格子部分では回折せずにそのまま透過して、
複合素子12の4分の1波長板により円偏光となる。光
ディスクで反射したレーザビーム6a,6b,6cは、複合素子
12の4分の1波長板により異常光線となり、偏光性の
4分割回折格子で回折される。図2に示した複合素子は
境界線21と22で4つの領域に分割されている。円2
0はレーザビーム6a,6bあるいは6cを示し、4分割回折
格子により、4つの+一次回折光と4つの一1次回折光
に分離されて、半導体基板1の光検知器部7、または8
に至り、光電変換されて自動焦点信号、トラックング信
号、そして、情報信号となる。以下詳細に説明する。
ら見た半導体基板1の表面を示す。32aで示す8つの
黒塗りの4分の1円は、上記回折格子23で分離された
波長λaのレーザビームを示し、32bで示す8つの塗
りつぶさない4分の1円は回折格子で分離された波長λ
bのレーザビームを示す。32cは波長λcに対応して
いる。7は焦点ずれ検出信号を得るための光検出素子
で、波長λaのレーザビーム32aを受光する8つの短
冊型光検出素子7aと、波長λbのレーザビーム32b
を受光する8つの短冊型光検出素子7b、波長λcのレ
ーザビーム32cを受光する8つの短冊型光検出素子7c
とからなる。焦点ずれ検出方法は、4分割ビームによる
ナイフエッジ法(フーコー法)を用い、図3(a)に示
したごとくアルミニューム等の導電性薄膜33で結線す
れば、ワイヤーボンディング用パット34のA端子とB
端子から差動用の信号が得られる。8はトラックずれ検
出信号と情報再生信号を得るための光検出素子で、4つ
の光検出素子8の出力信号は半導体基板上に形成したア
ンプ35を通りパット34のD端子とE端子とF端子と
G端子から出力される。9は半導体レーザチップ4aと
4bの発光光量を監視するための光検出素子で、光検出
素子9の出力信号はパット34のC端子から出力され
る。点31a、31b、31cは、半導体レーザチップ
4aと4bから放射したレーザビーム6a、6b、6c
の半導体ミラー5面上の反射位置を示す。
子ピッチPがすべて等しく回折格子の方向が縦線21に
対して+α度、−α度、+3α度、−3α度、とし、ま
たコリメートレンズの焦点距離をfcとすれば、回折格
子で分離された波長λaのレーザビーム32aは、点3
1aを中心とした半径Ra=fc*λa/Pの円周上で
中心から2α度の間隔の位置に集光する。同様に、回折
格子で分離された波長λbのレーザビーム32bは、点
31bを中心とした半径Rb=fc*λb/Pの円周上
で中心から2α度の間隔の位置に集光する。回折格子で
分離された波長λcのレーザビーム32cは、点31c
を中心とした半径Rc=fc*λc/Pの円周上で中心
から2α度の間隔の位置に集光する。点31aと31c
の間隔である半導体レーザチップ4aと4bの発光点間
隔Dを、ほぼD≒fc*(λc−λa)/Pとすれば、
波長λaのレーザビームの集光位置と波長λcのレーザ
ビームの集光位置をほぼ一致させることができ、本実施
例のように、異なる波長のビームで光検出素子やアンプ
を共通化でき、半導体基板1の表面を節約できるばかり
か、ワイヤーボンディング用パットや出力線の数を低減
できるので、半導体基板1を収納するパッケージの小型
化にも効果がある。
置における半導体基板1の断面構造を示す。半導体ミラ
ー5はレーザチップ取付け面2に対して45度の角度で
形成するのが好適である。例えば、シリコン基板による
ミラー面の加工では、シリコン(100)面を水酸化カリ
ウム系の水溶液でエッチングすると、(100)面に対す
る(111)面のエッチング速度がほぼ2桁遅い為に、平
坦な(111)面を斜面とする四角錐台状の凹部が形成さ
れるという異方性エッチングに基づいている。このと
き、 (111)面が(100)面となす角は約54.7°と
なるため、45度の半導体ミラーを形成するためには、
例えば表面に対して結晶軸が傾斜したオフアングル約
9.7度のシリコン基板を用いる必要がある。しかしなが
ら、オフアングル角は、光検出素子や電子回路形成のた
めの半導体プロセスの適合性も考慮して決める必要があ
り、半導体ミラー5が45度からずれる場合があり、レ
ーザビーム6a、6b、6cの出射方向が半導体基板1
の垂直方向からずれる場合がある。
ッチングによる加工ではなく、反射プリズム50を搭載
するものである。一般に、光ディスクの記録用半導体レ
ーザでは、再生専用型に比べて出力が高く、入力電力が
大きい。このため熱が発生し、これを放熱する構造を採
用する必要がある。通常、この種の半導体レーザのサブ
マウントには、シリコンカーバイトが使われる。本発明
の一実施例では、シリコンカーバイド基板51の上に半
導体レーザ4a,4bを半田付けする。半導体レーザからの
ビームは、反射ミラープリズム50で反射され、図3で
説明したと同じ光路を経て信号再生される。光検知器群
7,8を形成したシリコン基板52、53はシリコンカ
ーバイト基板51に半田付けされる。このとき、半田バ
ンプ群54によるセルフアライメント方式を使って半導
体レーザの発光点との相対位置合わせを高精度に行うこ
とができる。図4(b)は図4(a)のAA断面図である。図
4(c)は図4(a)の立面図である。
位置を示すものである。すなわち、CD、CD-R、CD-Rewri
table光ディスクの波長λaに対応する発振波長を持つ半
導体レーザ部分とDVD、DVD-RAM光ディスクの波長λbに
対応する発振波長をもつ半導体レーザ部分をGaAs基板上
にモノリシックに形成する4a。そして、該二つの発光
点5a,5bを通常、半導体レーザの中央にある発光点位置
51a,51bと異なり、中央より左右非対称の位置に形
成する。一方、波長400nm近辺の青紫色の発振波長を持
つGaN基板の半導体レーザ4bの発光点5cを通常の発
光位置51cではなく、隣接する2波長モノリシック半
導体レーザ側に寄せて形成する。そして、両者の発光点
位置が近づく方向に2種の半導体レーザを実装する。こ
うすれば、図1で示した単路光学系において、3つの発
光点がつくる画角を小さく取ることが可能となり、光デ
ィスク上でのスポット15a、15b、16を低い収差
で形成することができる。
ージである。すなわち、導通ピン201のついたパッケ
ージ基板200、および、シリコン基板202からな
る。図6(b)は、図6(a)におけるA-A断面図であり、キ
ャップ203、パッケージの封止ウインド204からな
っている。パッケージのウインド204は、図1におけ
る複合素子12を兼ねることができる。
したパッケージの別の例である。すなわち、図7(a)
はパッケージの構造を示し、(b)は破線AA‘におけ
る断面図、(c)は破線BB‘における断面図である。
42はリード線で半導体基板1のパット34とボンディ
ングワイヤーで接続される。半導体基板1を取付ける台
座43面は、レーザビーム6aや6bの出射方向が垂直
方向となるように傾けてある。44は半導体基板1を密
閉するための硝子カバーで、硝子カバー44の内側には
レーザビーム6aや6bの外周部分を反射するための反
射面45が設けてある。反射面45による反射ビームを
半導体基板1の光検出素子9で受光し、半導体レーザチ
ップ4aと4bの発光光量を監視するための信号を得
る。
体基板に高い精度で搭載する方法について、図8、9、
10、および、図11を用いて説明する。すなわち、
図8は本発明によるインデクスパターン400をシリコ
ン基板1に付けたものである。401はソルダーパター
ンであり、この上に半導体レーザを半田接着する。ソル
ダパターン401には、電極パターン402が繋げて形
成される。
4bの裏面に形成したソルダパターン501、および、
位置合わせ用のインデクスパターン502である。図1
0は基板1上のインデクスパターン400と半導体レー
ザ4a,4bの裏面上のインデクスパターン502を位置合
わせする方法を説明するものである。すなわち、基板
1、及び、半導体レーザ4a,4bを赤外線600で表面、
あるいは、裏面から照明し、反射光、あるいは、透過光
を顕微鏡601で受け、インデクスパターンを拡大して
ビデオモニタ602に映し出す。そして、コンピュータ
603により各々のインデクスパターン400、502
のセンター位置を算出し、二つのセンターの位置ずれが
一定の値になるまで、基板1、あるいは、半導体レーザ
4a、あるいは4bを微動する。位置合わせが完了した時点
でタクトボンドし、ソルダーリフロー炉にかけて半田接
着を終了する。
基板1に半田実装した場合の断面図で、図3(a)のA−A
‘に対応する。半導体レーザの裏面に電極501、位置合
わせ用のインデクスパターン502、が形成されてお
り、電極402、ソルダ401が形成された基板1上に半田
付けされる。半導体レーザと基板の位置合わせはインデ
クスパターン502と400の間で行われる。半導体レー
ザ4a,4bからのビームは発光点704を発してミラー5で
反射され、ビームスプリッタ、対物レンズ、そして、光
ディスクに至る。発光点704からのビームが基板の底
面で蹴られないように、基板1には台座705が形成さ
れている。
の実施例である。すなわち、シリコン、あるいはGaN基
板1に光検知器32 a、32b、32cからの光電流を増
幅するアンプ900をモノリシックに形成するものであ
る。かくして、部品点数削減による集積度の向上をはか
ることが可能となる。
複数個の半導体レーザを搭載する光ヘッドを小型、集積
化することが可能となり、CD、DVD,青紫レーザ対応
光ディスクなど再生、記録を問わず光ディスク装置全体
の小型、薄型化が実現できる。
一光路の光ヘッド。
ージに搭載した図。
インデクス、半田パターン、電極を示す図。
スパターン。
るインデクスパターンの付いた集積基板を位置合わせす
る方法を示す。
どOEIC(Optoelectric IntegratedCircuit)をモノリシッ
クに集積化した場合の図。
2波長モノリシック半導体レーザチップ,4b:1波長半
導体レーザチップ、5:反射ミラー、6a,6b、6c:半
導体レーザからのビーム、7:光検知器、8:光検知
器、9:光モニター検知器、10:コリメータレンズ、
11:立ち上げミラー、12:回折格子と波長板の複合
素子、13対物レンズ、14:光ディスク、15a、1
5b、16:光スポット、17:アクチュエータ、1
8:トラック。21:境界線、22:回折格子、23:
回折格子、24:4分の1波長板。31a,31b、31
c:ミラー上のスポット、32a,32b、32c:自動焦点検出
光スポット、33:配線、34:電極パット、35:アン
プ。5a,5b,5c:本発明による半導体レーザの発光点、51
a,51b,51c;通常の半導体レーザの発光点位置、20
0:パッケージ台、201:導通ピン、203:キャッ
プ、204:ウインド。41:ケース、42:リードフ
レーム、43:台、44:ウインド、45:反射膜。4
00:インデクスマーク、401:ソルダーパターン、
402:電極パターン。501:半導体レーザの電極パ
ターン、502:半導体レーザのインデクスマーク。6
00:赤外線、601:赤外線カメラ、602:モニタ
ー、603:コンピュータ。704:半導体レーザの発
光点、705:台。900:アンプ付きのOEIC基板。
Claims (9)
- 【請求項1】波長780nm、650nmの異なる2個の発光部を
持つモノリシックなGaAs半導体レーザと、波長410nmのG
aN半導体レーザを、対応する波長に感度を持つ自動焦点
検出、および、トラッキング検出用光検知器をモノリシ
ックに形成した半導体基板からなる集積モジュールを搭
載した光ヘッドにより、光ディスクを記録再生する装置
において、該2種の半導体レーザの発光点を、前記GaAs
半導体レーザと前記GaN半導体レーザとの中央に対して
左右非対称位置に形成し、該複数の発光点を該光ヘッド
光学系の画角が許容する範囲内にはいるように互いに近
づけて配列したことを特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項2】請求項1記載の集積光ヘッド装置におい
て、該複数の半導体レーザ、および、該半導体基板のい
ずれか、または両方に位置合わせ用のマークを付けたこ
とを特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項3】請求項1記載の集積光ヘッド装置におい
て、該半導体基板に斜めミラーをエッチング加工し、か
つ、該複数の半導体レーザ、および、該半導体基板のい
ずれか、または両方に位置合わせ用のマークを付けたこ
とを特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項4】請求項1記載の集積光ヘッド装置におい
て、該光検知器からの光電流を増幅するアンプを該半導
体基板にモノリシックに形成し、かつ、斜めミラーを加
工した該半導体基板、及び、該半導体レーザのいずれ
か、または、両方に位置合わせ用のマークを付けたこと
を特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項5】請求項1記載の集積光ヘッド装置におい
て、該光検知器、光電流増幅器をモノリシックに形成
し、かつ、斜めミラーを加工した該半導体基板と、該半
導体レーザとにつける位置合わせ用のマークを、該半導
体レーザと、該基板が接する面に付け、赤外の透過光、
あるいは反射光で画像処理による位置合わせをするたこ
とを特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項6】請求項2記載の集積光ヘッド装置におい
て、位置合わせ用のマークを付け、かつ、光検知器をモ
ノリシックに形成した基板に位置合わせ用のマークを付
け、かつ、45°の傾斜を持つプリズムミラーをシリコ
ンカーバイトの放熱基板上にハイブリッド集積したこと
を特徴とする集積光ヘッド装置。 - 【請求項7】前記GaAs半導体レーザの発光点は、GaAsレ
ーザーチップの中央よりも端に寄せて形成されているこ
とを特徴とする請求項1記載の集積光ヘッド装置。 - 【請求項8】前記GaN半導体レーザの発光点は、Ga
Nレーザーチップの中央よりも端に寄せて形成されてい
ることを特徴とする請求項1記載の集積光ヘッド装置。 - 【請求項9】請求項1記載の集積光ヘッド装置におい
て、該光検知器からの光電流を増幅するアンプを該半導
体基板にハイブリッドに搭載し、かつ、斜めミラーを加
工した該半導体基板、及び、該半導体レーザのいずれ
か、または、両方に位置合わせ用のマークを付けたこと
を特徴とする集積光ヘッド装置。
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