JP2572050B2 - 導波路型光ヘツド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、計測、情報処理等の種々の分野に利用され
る光センサヘッドおよび光ピックアップに関するもので
ある。

［従来技術］ 近年、レーザ光を用いた光計測、光情報処理の分野で
は、半導体レーザの高出力、高信頼性化および光部品の
高精度化、軽量化により、種々の光応用センサーや、コ
ンパクトディスクやレーザディスク等の光ディスク装置
が実用化されるに至った。さらに、システムの小型，軽
量化のために導波路型光ヘッドが提案され、注目されて
いる。

第２図に、光ディスク用の光ピックアップとして提案
されている従来の光ヘッドの基本構造を示す。半導体レ
ーザ１は、銅等からなるサブマウント２に固着されてお
り、サブマウント２は金属からなるマウント台３に固着
されている。半導体レーザ１は、Au線４とマウント台３
の間に電流を流すことにより、レーザ動作する。一方、
Si基板５上に酸化によって形成したSiO₂からなるバッフ
ァ層６を形成し、スパッタによりガラス質の導波路層７
を形成した薄膜導波路素子８もマウント台３に固着され
ている。導波路層７の上には、コリメートレンズ９、ビ
ームスプリッタ10およびフォーカスグレーティング結合
器11が形成されている。半導体レーザ１の出射光は、導
波路７の端面より入射され、コリメートレンズ９により
平行光となり、フォーカスグレーティング結合器11によ
りディスク上にスポット12として集光される。スポット
12よりの反射光は、フォーカスグレーティング結合器11
により再び導波路内に導かれ、ビームスプリッタ10によ
り導波路の側面に配置した光検出器13によって受光さ
れ、ディスクに記録されている情報を読みとることがで
きる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、導波路上に形成されたコリメートレンズ９、
ビームスプリッタ10、フォーカスグレーティング結合器
11は光源の波長変化に敏感であり、すなわち、回折角が
変化し、焦点12の位置が設定に対して大きく変化する。
通常の半導体レーザは、駆動電流や周囲温度の変化によ
って、その発振波長が連続あるいは不連続に変化するた
め、光ピックアップとしての動作が不可能であった。

また、導波路の端面（ガラス,SiO₂、シリコン基板）
からの反射光が半導体レーザに帰還して半導体レーザの
発振波長が変化してしまう欠点も生じた。これは導波路
の端面によって反射されるレーザ光が半導体レーザに帰
還することにより、半導体レーザ共振器両端面と導波路
端面の３つの反射面が形成される複合共振器の効果で発
振波長が選択されるためである。しかしながら、温度や
駆動電流の変化によって、この選択された波長が異なる
ことにより、条件が変わると発振波長が変化してしまう
のである。

従来の銅等の金属マウント台を用いた場合についての
波長選択性について第３図を用いて詳細に説明する。

第３図は、第２図に示した導波路型光ヘッドの側面図
である。いま、半導体レーザ１の長さを2l₁、導波路素
子８の長さを2l₂、半導体レーザ１の中央と導波路素子
８の中央の距離をｌ₃とすると、半導体レーザ１の端面
と導波路素子８の端面との間隔Ｌは、 Ｌ＝ｌ₃−（ｌ₁＋ｌ₂） …（１） で表される。

ここで、この光ヘッドは、半導体レーザ１の両端面と
薄膜導波路素子８の半導体レーザ１に対向する端面（外
部鏡）の３つの反射面を備え、半導体レーザ１の両端面
の間に形成される内部共振器と、半導体レーザ１と導波
路素子８の間に形成される外部共振器とからなる複合発
振器を形成する。

半導体レーザ１の導波路素子８に対向する端面での実
効電界反射率ｒ_eは、外部鏡からの帰還光の位相にっ
て、次のように変化する。

ｒ_e＝（ｒ₂−ｒ₃exp（ｉφ₂））／（１−ｒ₂ｒ₃exp（ｉ
φ₂）） （２） φ₂＝4nL/λ （３） ここに、φ₂は、外部共振器を往復する帰還光の位相差
であり、ｒ₂とｒ₃は半導体レーザ１の導波路素子８に対
向する端面と外部鏡でのそれぞれの端面反射率の平方根
を示し、λは波長を示す。この実効電界反射率ｒ_eの式
より、レーザの発振条件は次式のようになる。

ｒ₁ｒ₂exp（ｇ_th−α）2l₁・exp（ｉφ₁）＝１（４） φ₁＝4nπ（2l₁）／λ （５） ここに、ｒ₁とｒ₂は半導体レーザ１の両端面での端面反
射率の平方根であり、ｇ_thは発振しきい値利得であり、
αは導波路損失であり、ｎは屈折率である。この式を振
幅条件と位相条件に分けると、次の式が得られる。

ｇ_th＝α ＋（1/4l₁）1n（（１−ｒ₂ｒ₃）²＋4r₂ｒ₃sin²（φ₂/
2）） ／（ｒ₁ ²（ｒ₂−ｒ₃）²＋4r₂ｒ₃sin²（φ₂/2）））
（６） ｒ₃（１−ｒ₂ ²）sinφ₂／（ｒ₂（１＋ｒ₃ ²）−ｒ₃（１
＋ｒ₂ ²）cosφ₂） ＝tanφ₁ （７） すなわち、位相条件の式（７）より示される軸モード列
のうち電流注入によって得られる利得が振幅条件の式
（６）の右辺に達したモードが発振することになる。こ
こで、軸モードの発振波長は、半導体レーザ１の長さ2l
₁により決まる。

第４図は、上記の実行反射率の式より計算した実効反
射率の波長存在性を示す。また、第５図は、半導体レー
ザの利得分布に対してのある近似を用いて得られた軸モ
ード利得スペクトルを示す。なお、上記の実効反射率の
ピークは、一般に外部モードと呼ばれ、その波長は次の
通り外部共振器長Ｌにより決まる。

λ_e＝2L（ｍ＋1/2） （８） ここに、ｍは整数である。いま、導波路の端面（外部
鏡）からの光の帰還があると、第４図に示すように、半
導体レーザ１の実効反射率が外部共振器長Ｌで決まる外
部モード間隔でサインカーブ形状で変調をうける。この
ため、第５図に示すように、レーザ利得も実効反射率を
反映して、外部共振器長Ｌで決まる外部モード間隔で変
調を受けて、発振波長（レーザ軸モード）の選択性が生
じる。（第５図において、利得の谷にある軸モードでは
発振は生じない。）このように、外部共振器長Ｌは発振
波長を決める重要なパラメータであり、複合共振器の効
果により、発振波長の選択性が生じる。

次に、発振波長の温度変化について説明すると、外部
共振器長Ｌの熱膨張係数は、 となる。

は、それぞれ、半導体レーザ１、マウント台３、導波路
素子８の熱膨張係数である。この従来例ではマウント台
３が銅であるので、 であり、半導体レーザ３がGaAs-GaAlAs系であるので、 であり、導波路素子８はSi基板を用いているので、 である。また、通常ｌ₁は100〜200μｍ、ｌ₂は約5mm、
Ｌは５〜50μｍである。従って、周囲温度が変化する
と、（９）式で示すＬの熱膨張係数は、第２項、第３項
が大きいために非常に大きくなり、複合共振器の構成が
周囲温度の微妙な違いによって変化し、半導体レーザの
発振波長が変化することになる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、半導
体レーザの発振波長の変化を抑えた導波路型光ヘッドを
提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る導波路型光ヘッドは、半導体基板あるい
は誘電体基板上に形成された半導体または誘電体から成
る薄膜導波路と、前記導波路内にレーザ光を導入するた
めの半導体レーザとを備え、この薄膜導波路に光信号処
理機能を有する光学素子を備え、前記基板と同一基板上
に、前記半導体レーザを、該半導体レーザの出射光の一
部が前記薄膜導波路内の入射端面により反射して前記半
導体レーザに帰還するよう固定し、前記導波路の前記半
導体レーザに面する入射端面に高反射膜を形成すること
を特徴とする。

なお、前記半導体レーザが、前記半導体基板あるいは
誘電体基板上にエピタキシャル成長により形成されてい
てもよい。

また、前記光信号処理機能は、たとえば、光偏向機
能、光スイッチ機能、光分波・光合波機能、光検出機
能、レンズ機能あるいは光変調機能である。

［作用］ 本発明に係る導波路型光ヘッドは、導波路端面によっ
て反射された反射光を半導体レーザ素子に帰還させて、
その発振波長を選択する。そして、半導体レーザと導波
路を同一半導体基板上に配置することにより、半導体レ
ーザと導波路の距離の変化を抑制して発振波長の安定化
を図る。

［実施例］ 以下、添付の図面を用いて本発明の実施例を詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例の斜視図を示す。本図で
第２図と同じ機能を有するものは、同じ番号を記す。

Si基板５の上に酸化によって形成したSiO₂からなるバ
ッファ層６を形成し、さらに、スパッタによりガラス質
の導波路層７を形成した。その後、弗酸系のエッチャン
トおよび硝酸系のエッチャントにより、Si基板の一端に
段差４を形成する。そして、導波路７の上にコリメート
レンズ９、ビームスプリッタ10、フォーカスグレーティ
ング結合器11を形成する。ここに、コリメートレンズ９
には導波路上に円形のくぼみを形成したジオデシックレ
ンズを用いることができる。また、ビームスプリッタ10
としては、導波路上に斜めにグレーディングを設けるこ
とで一部のレーザ光を反射させることができる。さら
に、フォーカスグレーティング結合器11は、第30回応用
物理学関係連合講演会予稿集（昭和58年春季）4P−Ｊ−
６に報告されているように、ガラス導波路層７上に塗付
したレジスト膜上に電子ビーム描画により、面内に湾曲
してかつ連続的に間隔を変えたいわゆるチャーブドグレ
ーティングを形成することにより実現され、焦点距離3m
m程度のものが得られる。

次に、Si基板５の段差14上にAuおよびInを順次電子ビ
ーム蒸着して融着層15を形成して、その上に半導体レー
ザ１を固着する。こうして作成された導波路型光ピック
アップ素子は、マウント台３上に固着される。半導体レ
ーザ１は、Au線４とマウント台３の間に電流を流すこと
により、レーザ動作する。

第２図に示した従来例と同様に、半導体レーザ１の出
射光は、導波路７の端面より入射され、コリメートレン
ズ９により平行光となり、フォーカスグレーティング結
合器11により、ディスク上にスポット12として集光され
る。スポット12よりの反射光は、フォーカスグレーティ
ング結合器11により再び導波路内に導びかれ、ビームス
プリッタ10により導波路の側面に配置した光検出器13に
よって受光され、ディスクに記録されている情報を読み
とることができる。なお、受光器13に、分割型受光器を
用いれば、フォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号
が検出でき、アクチュエータ９によりマウント台３を移
動させてスポットの位置をディスク上に固定することも
可能である。

本実施例では、半導体レーザ１および導波路素子８は
ともにSi基板５上にあるため、 となる。したがって、半導体レーザ端面と導波路端面と
の間隔Ｌの熱膨張係数を表わす（９）式において、第３
項は明らかに小さくなり、Ｌの熱膨張係数は小さくな
る。このため、半導体レーザ１から放射されたレーザ光
の一部は、導波路素子の端面より反射されて、半導体レ
ーザ１に帰還して波長選択されるとともに、Ｌの寸法変
化が抑えられるために、レーザ発振は安定に選択された
波長を維持することになる。

また、集光スポット12の光出力が光ピックアップの動
作を損なわない程度に、導波路入射端面に高反射膜を形
成すると、波長の選択性が増すことは言うまでもない。
さらに、第46回応用物理学会学術講演会講演予稿集（昭
和60年秋季）3P−Ｅ−16に記載されているように、Si基
板５の段差14上にGaP/GaAsP歪超格子、GaAsP/GaAs歪超
格子をMOCVD法にて成長させて後、GaAs系のダブルヘテ
ロ構造の半導体レーザを作成して、一体化してもよい。
この場合、半導体レーザ端面は化学エッチングやRIE
（リアクティブ・イオン・エッチング）法によりエッチ
ングして、共振器を形成することができる。

また、この実施例ではSi基板を用いたが、GaAs等の他
の半導体材料を使用しても同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上の如く、本発明によれば、半導体レーザの発振波
長の安定化が達成され、高品質の導波路型光ヘッドが得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す図である。 第２図は、従来の導波路型光ピックアップの概略図であ
る。 第３図は、半導体レーザと導波路素子との間隔を示すた
めの図である。 第４図は、実効反射率を波長に対して示したグラフであ
る。 第５図は、軸モード利得スペクトルを波長に対して示し
たグラフである。 １……半導体レーザ、３……マウント台、５……Si基
板、８……薄膜導波路素子、９……コリメートレンズ、
10……ビームスプリッタ、11……フォーカスグレーティ
ング結合器、12……LiNbO₃基板。25……導波路、26……
圧力付与部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前井 茂樹 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シヤー プ株式会社内 (72)発明者 河西 秀典 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シヤー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−240448（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−59547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−202553（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−195985（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板あるいは誘電体基板上に形成さ
   れた半導体または誘電体から成る薄膜導波路と、前記導
   波路内にレーザ光を導入するための半導体レーザとを備
   え、この薄膜導波路に光信号処理機能を有する光学素子
   を備え、 前記基板と同一基板上に、前記半導体レーザを、該半導
   体レーザの出射光の一部が前記薄膜導波路内の入射端面
   により反射して前記半導体レーザに帰還するよう固定
   し、前記導波路の前記半導体レーザに面する入射端面に
   高反射膜を形成することを特徴とする導波路型光ヘッ
   ド。