JP3832243B2 - 偏光性回折格子およびそれを用いた光磁気ヘッド - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は回折格子を用いた偏光分離素子、およびそれを用いた光磁気ヘッドに関する。
背景技術
従来、光磁気ヘッドに一般的に用いられている偏光分離素子は、図１に示すように偏光プリズム１１という三角プリズムの斜面に入射偏光方向によらず屈折率が一定な等方性媒質の誘電体多層膜を形成して張り合わせたものである。これにより張り合わせた境界面にたいしてＰ偏光（境界面に垂直な面内で振動する直線偏光成分）をほぼ１００％透過し、Ｓ偏光（境界面内で振動する直線偏光成分）をほぼ１００％反射することができる。これを用いて光磁気記録媒体における偏光回転を検出するためには平均的に透過光と反射光がほぼ同じに光量となるように反射光の直線偏光方向を分離方向に対して４５°傾斜させておき、偏光回転にともなう透過光と反射光のバランス変化を検出光量の差から検出して信号再生をおこなっている。
従来の他の方法としては、特公平４−１９５２２に記載されている特殊なウォーラストンプリズム２１を用いて、特公平６−７７３５１のように構成した光磁気ヘッドがある。このプリズムは複屈折性材料を特定の主軸方位で張り合わせたものであり、図２に示すような構成となっている。すなわち中心に入射光線と同じ偏光状態の光があり、両側に直交する２つの偏光成分の光が分岐される。これを用いれば３つの光の検出器２２、２３、２４を１面で構成できるため、１パッケージ化して光ヘッドを小型化することができる。この場合、両側の光から光磁気信号を検出し、中心の光から焦点ずれ信号やトラッキング信号などのサーボ信号を検出することが可能である。
また光磁気ヘッドの偏光分離素子ではないが、グレーティングを用いた偏光分離素子がナショナル・テクニカル・レポート４１巻６号（１９９５年）６２２頁から６２８頁（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６（１９９５）６２２−６２８）に記載されている。これは概略、図３に示すような構成となっている。偏光性回折格子３１に対して入射する特定の方向に偏光した入射光は回折光を生じることなしに透過し、λ／４板３２によって円偏光となって、反射物体３３で反射し、再びλ／４板３２を透過して入射時とは直交する方向の直線偏光となって偏光性回折格子３１に入射する。そしてこの場合にはほぼ１００％回折して±１次の回折光を生じるというものである。このような効果は偏光性回折格子３１を構成する材料にニオブ酸リチウムのような複屈折性光学結晶を用いて、直交する２つの直線偏光に対して格子が作用する位相差が異なるように構成していることによっている。この場合、偏光性回折格子３１は入射時の偏光方向の直線偏光を０次光、それと直交する方向の直線偏光を±１次回折光として偏光分離する偏光分離素子としても利用することができる。光学結晶が必要ではあるが、回折格子であるから、この偏光分離素子はフォトマスクによる露光現像プロセスによって作製でき、量産性にすぐれ、小型化しやすく、その分離比や分離角度などを自由に設計できる長所がある。
発明の開示
従来、光磁気ヘッドに一般的に用いられている図１に示すような偏光分離素子は、検出面１２、１３が２面必要であるあるため光磁気ヘッドの小型化には適していない。
従来の他の方法として特公平４−１９５２２に記載されている図２に示すような構成の特殊なウォーラストンプリズム２１は、プリズムが立体的な形状を持っているため、現在、半導体ＩＣで一般的なフォトマスクによる露光現像プロセスを用いた一層の小型化を導入するにあたっては、それ自体の厚さがまだ問題となり得る。またさらなる小型化のため、半導体レーザと光検出器を同一パッケージ化して、ディスクに入射する光の光路と、反射して光検出器に向かう光路とをほぼ共通化した共軸光学系を構成しようとすると、往路で分離される不要な偏光がディスクで反射して復路の信号光に混入するという問題点がある。
また図３に示したナショナル・テクニカル・レポート４１巻６号（１９９５年）６２２頁から６２８頁（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６（１９９５）６２２−６２８）に記載されているグレーティングを用いた偏光分離素子は、これを光磁気信号検出に用いようとすると、直交する２つの偏光成分の一方が２つの光検出器出力の和、他方が１つの光検出器からの信号となり、光検出器に起因するショットノイズや、後段の増幅器の熱雑音などの対称性がくずれ、同相除去比、信号対雑音比の低下を招く。またサーボ信号検出用光検出器の一体化が困難となる上、回折光の光軸の２等分線上に半導体レーザ光源を配置する共軸光学系配置も不可能となる欠点がある。
これらの課題に鑑み、本発明は従来の偏光性回折格子とは異なる偏光分離を行う偏光性回折格子を提供することを目的とする。
また、回折格子において±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることを目的とする。
また、各々の検出光量の差動出力から光磁気信号を得ることを目的とする。
また、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±ｎ次回折光の中心の光軸上に半導体レーザ光源を配置したりすることを可能とすることを目的とする。
また、光磁気ヘッドの小型化を目的とする。
また、量産性に優れた光磁気ヘッドの提供を目的とする。
本発明は、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とが異なる回折格子であることを特徴とする。なお、偏光状態とは、２つの固有偏光成分の大きさと位相差のことであり、２つの固有偏光成分とは、例えば直交する２つの直線偏光成分のことである。したがって、偏光状態が異なるとは、直線偏光の方向や楕円偏光の状態が異なることをいう。これによって従来の偏光性回折格子では不可能であった、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光との差で光磁気信号の検出が可能となる。また、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±ｎ次回折光の光軸の２等分線上にレーザ光源を配置したりすることを可能となる。また、回折格子であるため、フォトマスクによる露光現像プロセスによって作製できる、量産性にすぐれている、小型化しやすい分離比や分離角度などを自由に設計できる等の効果がある。
また、上記＋ｎ次回折光と上記−ｎ次回折光とが直線偏光であり、上記＋ｎ次回折光の偏光方向と−ｎ次回折光の偏光方向とが直交する方が光磁気信号の検出のためには好ましい。
また、互いに直交する偏光方向のうち一方を持つ光線を第１の光線とし、他方をもつ光線を第２の光線とし、入射光強度に対する各々の回折光強度の比を各々の回折効率としたとき、上記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率と上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率とが異なり、上記＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光の回折効率のうち大きいほうを＋ｎ次回折光としたとき、上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が上記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも小さい方が光磁気信号の検出のためには好ましい。なお、第１および第２の光線は一方が入射偏光方向によって屈折率の異なる異方性媒質における常光線に対応し、他方が異常光線に対応する。
また、上記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率とが等しく、上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが等しい方が光磁気信号の検出のためには好ましい。この場合、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称となっている。
また、上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが０であれば、完全な偏光分離が可能であり、光磁気信号の検出のためには好ましい。
また、本発明の回折格子は、屈折率の異なる２種類以上の媒質を有する回折格子において、上記媒質の中の２つの媒質の組み合わせのうち、媒質間の屈折率差が入射偏光方向によって異なる組み合わせが存在し、かつその形状は格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことを特徴とする。これによって、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とを異ならせることが可能となる。なお、ここでいう媒質とは、固体だけではなく、空気等の気体や液体も媒質という言葉に含まれる。媒質が１つが空気の例としては、空気以外の媒質に格子状の溝を形成した場合などがある。また、格子面とは、格子パターンの形成されている面の事をいう。また、格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面とは、格子パターンを形成する曲線や直線の法線を含んだ平面のことをいう。また、媒質間の境界線が局所的な１周期において上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な面をもたない例として、階段状や鋸歯状等の形状がある。また、上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的とは、後述するレンズ作用を有する場合における周期構造に対応する。
ここでさらに格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な対称面をもたない形状を有する格子パターンがさらに積層されていることにより、回折効率を調節することができ、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称としたり、特定の回折光の回折効率を０としたりすることが可能となる。
また、本発明の回折格子は、基板に上記基板とは屈折率の異なる領域が格子パターンとして形成された回折格子であって、上記屈折率の異なる領域と上記基板との屈折率差が入射偏光方向によって異なり、上記屈折率の異なる領域は格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の上記屈折率が異なる領域の屈折率分布が上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことを特徴とする。これによって、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とを異ならせることが可能となる。なお、屈折率が異なる領域には、例えば溝を形成した場合のように空気等で満たされた場合も含まれる。また、上記屈折率の異なる領域の上記断面の形状の例として、階段状や鋸歯状等がある。なお、上記屈折率の異なる領域の屈折率分布が一様な場合はその形状と屈折率分布の両方が非対称となるが、屈折率分布が一様ではない場合でもよく、この場合は領域の形状自体は対称となってもよいが、屈折率分布は非対称である必要がある。なお、入射偏光方向によって屈折率差を異ならせることは、入射偏光方向によって屈折率の異なる異方性媒質を基板または屈折率の異なる領域のうちの少なくともどちらか一方に用いることにより実現できる。異方性媒質を用いない方は入射偏光方向によって屈折率の異ならない等方性媒質を用いればよい。
ここでさらに、上記屈折率の異なる領域によって形成された格子パターンの格子面の上または下に設けられた第２の格子パターンを具備し、上記第２の格子パターンは格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の屈折率分布が上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことによって、回折効率を調節することができ、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称としたり、特定の回折光の回折効率を０としたりすることが可能となる。なお、上記第２の格子パターンの断面形状の例として階段状や鋸歯状等がある。また、屈折率分布が一様でない場合でもよい。
また、今まで説明してきた回折格子の格子パターンは直線状に限定されるものではなく、曲線状であってもよい。
また、回折光にレンズ作用を持たせることもできる。これによって、ビームサイズ法による焦点ずれ検出が可能となる。
今まで説明してきた回折格子を光磁気ヘッドに適用し、上記回折格子の＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光を検出する複数の光検出器とを具備し、上記回折格子には光磁気記録媒体からの反射光が入射されることを特徴とする光磁気ヘッドによって、従来に比べてプリズムを用いる必要がなくなり、光ヘッドの小型化が可能となる。
さらに、上記複数の光検出器を上記回折格子の格子面に対して同一側に配置することが可能である。従来の偏光プリズム１１を用いた場合では偏光分離する際に１方は入射光に対して直角な方向に出射するため、幅方向に小型化することができないが、本発明の回折格子を用いれば可能である。また、上記複数の光検出器を同一平面上に配置することも可能である。
また、本発明の回折格子にさらにレンズ作用をもたせたものを用い、上記回折格子は曲率中心が同一の円弧列もしくは同心円の格子パターンを有するとともに上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光に対して格子面からの距離が互いに異なる位置に焦点を結ばせる回折格子であり、上記複数の検出器は上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光の上記焦点までの距離の平均の距離だけ上記格子面から離れた位置に配置されており、上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光の光軸の２等分線上でかつ上記曲率中心もしくは上記同心円の中心以外に光軸をもつ位置に配置されたレーザ光源を具備することにより、共軸光学系配置が可能となる。このようにすれば、ビームスプリッタのような分岐素子が不要になり、部品点数削減に加え、一直線上に配置できるため小型化が可能となる。上記複数の光検出器と上記レーザ光源とを同一平面上に配置することも可能である。
また、フォトマスクによる露光現像プロセスによって回折格子と集光グレーティングを一体としたり、上記光検出器および上記レーザ光源のうちの少なくとも１つと、上記回折格子とを一体とすることも可能である。このようにすれば超小型の光磁気ヘッドが可能となる。また、光軸合わせを一度に大量に行なえるため、量産性に優れる。
また、回折格子の格子パターンを直線状とし、上記回折格子の０次光を検出する光検出器を具備することによって０次光から焦点ずれ信号またはトラッキング誤差信号を検出することが可能である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。
なお、図に用いられている符号は以下の通りである。
１１‥‥偏光プリズム、１２、１３‥‥検出面、２１‥‥ウォーラストンプリズム、２２、２３、２４‥‥光検出器、３１‥‥偏光性回折格子、４１‥‥複屈折性結晶基板、４２‥‥イオン交換領域、４３‥‥等方性媒質を用いた格子パターン、５１‥‥常光線に対する位相差、５２‥‥異常光線に対する位相差、６１‥‥ニオブ酸リチウム基板、６２‥‥プロトン交換領域、６３‥‥等方性媒質を用いた格子パターン、６４、６５‥‥常光線、６６、６７‥‥異常光線、６８‥‥屈折率異方性主軸、１０１‥‥半導体レーザ、１０２‥‥ビームスプリッタ、１０３‥‥コリメートレンズ、１０４‥‥立ち上げミラー、１０５‥‥レンズアクチュエータ、１０６‥‥対物レンズ、１０７‥‥光磁気記録媒体、１０８‥‥偏光性回折格子、１０９‥‥シリンドリカルレンズ、１０１０‥‥１０１０、１０１１‥‥４分割検出領域、１０１２、１０１３‥‥回折光検出領域、１０１４‥‥電磁コイル、１１１、１１２、１１３‥‥差動アンプ、１２１‥‥半導体レーザ光検出器一体モジュール、１２２‥‥屈折型偏光性回折格子、１２３‥‥有限系対物レンズ、１３１‥‥半導体レーザ、１３２、１３３‥‥＋１次回折光用トラッキング信号検出領域、１３４、１３５‥‥＋１次回折光用焦点ずれ信号検出領域、１３６、１３７‥‥−１次回折光用トラッキング信号検出領域、１３８、１３９‥‥−１次回折光用焦点ずれ信号検出領域、１４１‥‥窒化ガリウム面発光半導体レーザ、１４２、１４３‥‥窒化ガリウム光検出器、１４４‥‥サファイア結晶基板、１４５、１４７‥‥透明樹脂接着剤、１４６‥‥集光グレーティング対物レンズ、１４８‥‥透明基板、１４９‥‥記録膜露出型光磁気記録媒体、２００１‥‥媒質Ａ、２００２‥‥媒質Ｂ、２００３‥‥媒質Ｃ、２００４‥‥媒質Ｄ、２００５‥‥媒質Ａと媒質Ｂの境界線、２００６‥‥媒質Ｃと媒質Ｄの境界線、２００７‥‥常光線、２００８‥‥異常光線、２００９‥‥常光線の０次光、２０１０‥‥異常光線の０次光、２０１１‥‥常光線の＋ｎ次回折光、２０１２‥‥異常光線の＋ｎ次回折光、２０１３‥‥常光線の−ｎ次回折光、２０１４‥‥異常光線の−ｎ次回折光、２１０１、２１０３‥‥基板、２１０２、２１０４‥‥屈折率が徐々に変化する領域
図４は本発明による偏光性回折格子の基本的な概念図である。異方性媒質であるニオブ酸リチウムなどの複屈折性結晶基板４１に、適当なマスクを形成した上で、酸などによるイオン交換により屈折率変化領域４２を形成する。このプロセスはプロトン交換と呼ばれる。なお、プロトン交換による屈折率変化領域の作製方法は、例えば西原浩「光集積回路」オーム社（昭和６０年第１版）１６７頁から１７０頁、またプロトン交換により格子パターンを形成する方法については同書、２０８頁に記載されている。これによれば安息香酸（Ｃ６Ｈ６ＣＯＯＨ）を融点１２１°Ｃから沸点２５０°Ｃの間の温度で液体の状態となるように熱して、その中にニオブ酸リチウムを浸すと、リチウムイオンと水素イオンの交換が起こり、結晶表面に高屈折率層が形成される。格子を形成するためにはプロトン交換させない領域にＣｒやＴｉなどでマスクを形成する。Ｔｉの場合にはニオブ酸リチウム結晶にＴｉをスパッタしたあと、フォトレジストで格子のパターニングをし、エッチングによりＴｉ膜に窓明けをすることでマスクが形成できる。そのあとでプロトン交換し、Ｔｉ膜を取り除き、アニーリングして格子を形成する。
複屈折性結晶は、あるいは異方性結晶とも呼ばれ、入射する偏光の偏光方向によって屈折率の異なる結晶である。複屈折の名前は偏光方向によって屈折率が異なるため２つの屈折光線を生じることによる。一般的な１軸性結晶の場合、それぞれの屈折率には光の進行方向によらず一定な常屈折率と、光の進行方向で変化する異常屈折率があり、それぞれの作用する直線偏光成分を常光線、異常光線と呼ぶ。図中、階段状の屈折率変化はイオン交換の途中で開口幅の異なるマスクに変えることで実現でき、この屈折率変化量は常屈折率と異常屈折率で異なっている。等方性媒質を用いた格子パターン４３はイオン交換のあとに、やはり２段階に形成する。
なお、等方性材料および異方性材料の例としては、次のようなものがある。
通常、薄膜形成に用いられる等方性材料の例は、例えば小瀬輝次、他編集「光工学ハンドブック」朝倉書店（初版１９８６年）１７５頁に記載されている。例えばＳｉＯ２、ＬｉＦ、ＺｎＳ、ＭｇＯなど屈折率に応じていろいろな材料が使用できる。
異方性材料については西原浩「光集積回路」オーム社（昭和６０年第１版）１３９頁から１４２頁によれば、例えばニオブ酸リチウム（ｎｅ＝２．２、ｎｏ＝２．２８６）、酸化チタン（ｎｅ＝２．８６５、ｎｏ＝２．５８３）、モリブデン酸鉛（ｎｅ＝２．２６２、ｎｏ＝２．３８６）、タンタル酸リチウム（ｎｅ＝２．１７６、ｎｏ＝２．１８０）、チタン酸バリウム（ｎｅ＝２．４１、ｎｏ＝２．３６）、酸化亜鉛（ｎｅ＝１．９９９、ｎｏ＝２．０１５）などがある。
このようにして形成した偏光性回折格子に入射する光線のうち、常屈折率の作用する常光線については＋１次回折光が大きく、０次光、−１次光は小さい。一方、異常屈折率の作用する異常光線については−１次回折光が大きく、０次光、＋１次光は小さい。したがって±１次回折光を独立に受光すれば、常光線と異常光線の混在した入射光からそれぞれの光をほぼ分離することが可能となる。
±１次回折光の回折効率が常光線と異常光線で互いに対称に、アンバランスとなっている原理を、図５によって説明する。図５は図４を常光線と異常光線それぞれ別々に表示し、各々に作用する位相差パターン５１、５２を合わせて示したものである。それぞれの光に作用する位相差パターン５１、５２は同じ形状で左右反対称となっており、±１次回折光の回折効率のアンバランスを常光線と異常光線で互いに逆にすることが可能となるのである。
以下、複屈折性結晶を用いて、常光線と異常光線でこのような左右反対称な位相分布を与えることが可能であることを説明する。
図６は偏光性回折格子の原理を説明するための図である。ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた例を示す。ニオブ酸リチウム基板６１は紙面内方向に屈折率異方性の主軸６８を持ち、そこにグレーティングパターンに合わせてプロトン交換領域６２を形成する。さらにそのグレーティングパターンに合わせて、等方性媒質を用いた格子パターン６３を形成する。このときグレーティングパターンとその間に入射する常光線６４、６５の位相差φｏ、異常光線６６、６７の位相差φｅはそれぞれ以下のように表せる。
ここでそれぞれの位相差を回折効率を考慮して適当な設計値に設定し、等方性媒質を用いた格子パターンの厚さＴｄとプロトン交換領域の深さＴｐを未知数とする連立１次方程式として解けば、
となり常光線と異常光線で所望の位相差を独立に与える偏光性グレーティングが設計できる。例えば波長λ＝０．４１μｍとし、等方性媒質を用いた格子パターンにＣｅＯ２を用いるとして屈折率ｎｄ＝２．２とし、φｏ＝−９０°、φｅ＝＋９０°としようとすればＴｐ＝１．２８μｍ、Ｔｄ＝−０．０４３μｍとすればよい。ここでＴｄが負である場合は、図６とは異なり、図７のようにプロトン交換をしないところに等方性媒質を用いた格子パターンを形成すればよい。このように常光線と異常光線で絶対値の等しい位相差を符号を逆転させて与えることができるので、図５に示したような階段状の位相差も等価的に実現可能となる。
次に±１次回折光の回折効率がアンバランスとなる位相格子について説明する。一般に周期Ａの回折格子の振幅透過率は、その周期性から
のようにフーリエ級数で表せる。このときａｋはトータル光強度を１としたときのｋ次の回折光の複素振幅であり、
のように導ける。これを用いて、図８のような等しい幅の３段階の位相段差を持つ位相格子の回折効率を計算すると、例えばφ１＝７０°、φ２＝１４０°のとき、−２次回折光９．９％、−１次回折光７．１％、０次光３１．５％、＋１次回折光３９．７％、＋２次回折光１．８％の回折効率が得られる。したがってこれを偏光性回折格子で実現するには常光線でのφ１をφｏ１、異常光線でのφｅ１、常光線でのφ２をφｏ２、異常光線でのφｅ２、として例えばφｏ１＝−７０°、φｏ２＝−１４０°、φｅ１＝＋７０°、φｅ２＝＋１４０° とすればよい。すなわちＴｐ１＝１．００μｍ、Ｔｄ１＝−０．０３３μｍ、Ｔｐ２＝１．９９μｍ、Ｔｄ２＝−０．０６６μｍとなる。これは図９のような回折格子となる。常光線、異常光線の回折効率が±１次回折光でそれぞれ反対称に異なっており、ほぼ偏光分離が実現できていることがわかる。
ここで等方性媒質を用いた格子パターンの効果を検証するために、図９における等方性媒質を用いた格子パターン６３がない場合の計算結果を図１０に示した。このように等方性媒質を用いた格子パターンがなくとも、±１次回折光の偏光状態が異ならせることが可能である。ここでさらに等方性媒質を用いた格子パターン６３を設けることにより常光線と異常光線に対称性を持たせることができるため、等方性媒質を用いた格子パターン６３を設けたほうが好ましい。
図１１に別の実施例を示す。ここでは位相変化の段差は３段ながら、各段の幅を変えている。この実施例においては常光線の１次回折光の回折効率と、異常光線の回折効率が０となるため、結果的に±１次回折光は完全に偏光分離されていることになる。
これらの実施例においては、簡単のため３段階の階段状の位相差を有する場合について説明したが、これらの制限をはずせば理想的には消光比が十分大きく任意の回折効率の偏光性回折格子が設計可能である。例えばさらに段数を増やした極限として、図１２に示すような鋸歯状の位相分布なども適用可能である。
図２１は図１２に示した鋸歯状の回折格子と同様の位相差を与える他の実施例である。ここでは基板２１０１と、基板２１０３に格子面内方向に格子材料の屈折率が徐々に変化する領域２１０２、２１０４を形成することにより回折格子としている。これらの格子を形成している材料２１０１、２１０２、２１０３、２１０４のうちの少なくとも１つは異方性材料で形成されており、格子材料２１０２によって生じる位相差と、格子材料２１０４によって生じる位相差のどちらかが、常光線と異常光線で異ならせることができれば、本発明の回折格子として作用させることが可能である。これにより図１２と同様の位相差を入射する常光線と異常光線に与えることで、偏光分離された回折光を得ることができる。このような格子を形成するに当たっては、基板２１０１、基板２１０３にイオンビームによるイオン打ち込みを行い、それぞれ格子を形成したあと張り合わせればよい。徐々に変化する屈折率変化はイオンビームの走査速度を、屈折率を高くしたい領域では遅く、屈折率を低くしたい領域では早くすることで実現可能である。
またここでは特に格子が直線であるとか、曲線であるとかの形状については何も述べていないが、これらは通常の等方的な回折格子と同様に任意の設計、製作が可能であることは言うまでもない。なお、格子が曲線の場合、レンズ作用を持たせることが可能である。またこれまで説明した実施例においてはニオブ酸リチウム結晶にプロトン交換した偏光性回折格子を仮定したが、複屈折性材料で偏光方向によって屈折率変化量の異なる材料であれば、他の光学結晶、有機材料、液晶材料等でもさしつかえないことは言うまでもない。
以上の説明では、全て図１０のように基板として異方性媒質を用い、そこにプロトン交換した例、および図９のようにその上に等方性媒質の格子を形成した例を示したが、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせる回折格子を実現する媒質の構成はこれに限定されるものではない。以下、図２０を用いて説明する。
図２０は、本発明による偏光性回折格子の構成を説明する図である。２００１は媒質Ａ、２００２は媒質Ｂ、２００３は媒質Ｃ、２００４は媒質Ｄ、２００５は媒質Ａと媒質Ｂの境界線、２００６は媒質Ｃと媒質Ｄの境界線、２００７は常光線、２００８は異常光線、２００９は常光線の０次光、２０１０は異常光線の０次光、２０１１は常光線の＋ｎ次回折光、２０１２は異常光線の＋ｎ次回折光、２０１３は常光線の−ｎ次回折光、２０１４は異常光線の−ｎ次回折光を表わす。なお、図では±ｎ次回折光以外の回折光は省略してある。
ここで、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせる回折格子を実現するには、屈折率の異なる２種類以上の媒質（媒質Ａ２００１，媒質Ｂ２００２、媒質Ｃ２００３、媒質Ｄ２００４等）を有する回折格子において、上記媒質の中の２つの媒質の組み合わせ（例えば媒質Ａ２００１と媒質Ｂ２００２）のうち、媒質間の屈折率差が入射偏光方向によって異なる組み合わせが存在し（常光線と異常光線で屈折率差が異なればよい）、かつ格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面（図２０に示した断面）における上記媒質間の境界線（この場合は２００５）が格子面内（紙面に垂直で図の左右方向）のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向（図の左右方向）に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な面（紙面に垂直で図の上下方向の面）の両方に垂直な対称面をもたなければよい。なお、ここでいう媒質には空気等も含まれるものとする。
図１０の場合は媒質Ａ２００１および媒質Ｂ２００２のみで構成されている例で、ともに異方性媒質の場合である。このうちの一方のみを等方性媒質で置き換えても良い。また、媒質Ａ２００１が異方性媒質で、媒質Ｂを等方性煤質である空気としてもよい。
図９の場合は、媒質Ａ２００１および媒質Ｂ２００２が異方性媒質、媒質Ｃ２００３が等方性媒質、媒質Ｄ２００４が空気の場合である。この場合、境界線２００５が非対称の要件を満たしている。仮に、媒質Ａ２００１と媒質Ｂ２００２が同じ媒質、すなわち境界２００５が存在せず、媒質Ｃ２００３が異方性媒質、媒質Ｄが等方性媒質である空気であったばあい、媒質はＡ、Ｃ、Ｄの３種類で、境界２００６が屈折率差および非対称の要件を満たすため、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることが可能である。なお、屈折率差の条件を満たせば媒質Ｄ２００４の空気を媒質Ｃ２００３以外の媒質に置き換えてもよい。
また、回折効率の調整については、格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な対称面をもたない形状を有する格子パターンがさらに積層されていることにより可能となる。図９の例では、媒質Ｃ２００３に相当する等方性媒質６３と媒質Ｄ２００４に相当する空気との境界２００６がもう１つの組み合わせに相当する。
以上説明した媒質以外の組み合わせについても、上記の要件を満たせば±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることや、回折効率を調整することが可能である。
また、以上の説明では媒質の屈折率分布が一様な場合を説明してきたが、図２１のように屈折率分布が一様でない場合でもよく、この場合は境界線ではなく、屈折率分布が非対称であればよい。
以下、本発明の偏光性回折格子を用いた光磁気ヘッドの実施例を説明する。
図１３は本発明の偏光性回折格子を用いた光磁気ヘッドの実施例である。半導体レーザ１０１からの直線偏光はビームスプリッタ１０２を透過し、コリメートレンズ１０３で平行光とされ、立ち上げミラー１０４で反射され、レンズアクチュエータ１０５に搭載された対物レンズ１０６により、光磁気記録媒体１０７に集光される。そして光磁気ドメインの有無により、偏光方向が逆向きに回転し、記録情報が搬送される。反射光は再び対物レンズ１０６、立ち上げミラー１０４、コリメートレンズ１０３を経て、ビームスプリッタで反射し、本発明による偏光性回折格子１０８に入射する。そして入射直線偏光方向に対して＋４５°、−４５°をなす方向の直線偏光成分のそれぞれ一部が＋１次回折光、−１次回折光として回折される。さらに残りの光が０次光としてそのまま偏光性回折格子１０８を透過する。その後、非点収差焦点ずれ検出のためのシリンドリカルレンズ１０９により非点収差が与えられ、光検出器１０１０に集光される。光検出器１０１０は中心の４分割検出領域１０１１とその両側の、回折光検出領域１０１２、１０１３に分かれており、中心で０次光、両側で±１次回折光を検出する。光磁気記録媒体１０７に情報を記録する場合には、あらかじめ光磁気記録媒体を一方向に一様に磁化した上で、電磁コイル１０１４により初期磁化方向と逆向きの磁界を印加した上で、記録情報により強度変調された半導体レーザ光により、局所的に記録膜のキュリー温度より昇温させて記録ドメインを形成する。また媒体がキュリー点温度以上になるように一定強度の集光スポットで照射しながら、記録情報により電磁コイルによる磁化方向を変調して記録する磁界変調記録でも何ら差し支えない。もちろん光、または磁界をパルス変調させて記録する方式でもよい。
図１４は光検出器１０１０からの信号検出方法について説明する図である。まず中心の４分割光検出領域１０１１から焦点ずれ誤差信号とトラッキング誤差信号を検出する。焦点ずれ誤差信号は４分割の対角領域の信号出力同士の和の差動信号を差動アンプ１１２で検出する。これを図１３のレンズアクチュエータ１０５にフィードバックし、閉ループ制御を行う。また４分割光検出器の両側２領域ごとの和の差動信号を差動アンプ１１３によって検出することによりトラッキング誤差信号を得ることができる。これはプッシュプル法と呼ばれ、光磁気記録媒体上の案内溝による回折パターンのアンバランスを検出する方法である。そしてこのトラッキング誤差信号もやはり図１３のレンズアクチュエータ１０５にフィードバックし、閉ループ制御を行う。ただし図１３のレンズアクチュエータは光軸方向とディスク半径方向の２方向に駆動軸を持つ２次元のアクチュエータである。そして本発明による偏光性回折格子１０８による互いに直交する偏光成分を持つ±１次回折光は、４分割光検出領域１０１１の両側にある２つの受光領域１０１２、１０１３によって検出され、この出力の差動信号を差動アンプ１１１によって検出することにより光磁気信号を得ることができる。
図１５は本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例である。半導体レーザと光検出器が一体となって実装されたモジュール１２１の中心にある、半導体レーザから出射された直線偏光は、本発明による屈折型の偏光性回折格子１２２を透過し、立ち上げミラー１０４で反射され、レンズアクチュエータ１０５に搭載された有限系対物レンズ１２３により光磁気記録媒体１０７上に集光される。なお、本実施例における屈折型偏光性回折格子１２２は、回折光に対してレンズ作用を有する。回折格子であるから、０次光に対してはレンズ作用は有せず、また、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光とで共役な位置に焦点を生じさせる。なお、このようにレンズ作用を有する回折格子は、一般にも広く知られるフレネルレンズと同様に、曲線状の格子パターンで構成されることが必要である。このときの格子パターンは、曲率中心の一致した円弧列または同心円によって形成され、かつ格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の形状が曲率中心から遠ざかるにつれて格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に縮小されつつ、かつ格子間隔が曲率中心からの距離に反比例した形状を有する。なお、このようにレンズ作用を有する回折格子は従来からよく知られているため、詳細については省略する。
往路において、屈折型偏光性回折格子１２２により不要な回折光が生じるが、屈折型偏光性回折格子１２２はレンズ作用を有するため、回折光の焦点位置は０次光から大きくずらすことができ、不要な回折光による反射光は光検出器にはほとんど戻らないので実質上何ら影響を及ぼさない。これはレンズ作用のない３ビームウォラストンプリズムでは大きな問題となる。なお、これに関しては詳しくは後述する。光磁気記録媒体１０７の記録膜によって反射された光は記録磁気ドメインの有無により直線偏光の偏光方向がそれぞれ逆方向に回転され、記録情報を搬送する。そして再び有限系対物レンズ１２３、立ち上げミラー１０４を経て、屈折型偏光性回折格子１２２に入射する。そして０次光はそのまま半導体レーザに戻るが、半導体レーザのもともとの出射直線偏光の偏光方向に対して＋４５°、−４５°をなす方向の直線偏光成分がそれぞれ＋１次回折光、−１次回折光となり半導体レーザ光検出器一体モジュール１２１の中のそれぞれの受光部により検出される。ここで屈折型偏光性回折格子１２２はレンズ作用があるため＋１次回折光は検出面より手前に焦点を結び、−１次回折光はその屈折光に対して共役な光であるため、検出面より奥に焦点を結ぶように照射される。これによりビームサイズ法による焦点ずれ検出をプッシュプル法によるトラッキング信号検出と同時に行うことができる。また＋１次回折光と−１次回折光の検出光量差から光磁気信号を得ることができる。なお、本実施例においては有限系対物レンズ１２３によりあらかじめ絞り込まれた反射光を屈折型偏光性回折格子１２２に入射しているため、＋１次回折光と−１次回折光とが屈折型偏光性回折格子１２２に対して同じ側に焦点を結んでおり、かつ屈折型偏光性回折格子１２２の格子面から＋１次回折光の焦点までの距離と、屈折型偏光性回折格子１２２の格子面から−１次回折光の焦点までの距離が異なっている。また、屈折型偏光性回折格子１２２に対するレーザ光源からの入射光の光軸および光磁気記録媒体１０７からの反射光の光軸は、円弧列で形成された格子パターンの場合は曲率中心、同心円状の格子パターンの場合は同心円の中心から外れた位置にする必要がある。上記光軸と上記中心が一致した場合、回折光の光軸が０次光と一致してしまうため、回折光の検出ができなくなってしまう。
また、本実施例では光検出器は屈折型偏光性回折格子１２２の格子面に対して同一側に存在している。従来のビームスプリッタや偏光プリズムを用いた構成では、反射光の光路を９０°分岐させているため、その分だけ装置の幅が必要となるが、本実施例の構成であればそれが不要であり、装置の小型化が可能である。また、レーザ光源を＋１次回折光と−１次回折光との２等分線上に配置した共軸光学系となっているため、小型化が可能となっている。
図１６は図１５に示した光磁気ヘッドの第２の実施例における信号検出方法を説明する図である。半導体レーザ光検出器一体モジュール１２１の中心部に半導体レーザ１３１が、装備されている。この半導体レーザ１３１は面発光型が好ましいが、ファブリペロ共振器構造を有する従来一般的な半導体レーザチップと４５°反射ミラーをハイブリッドに実装するのでもよい。この半導体レーザ１３１の両側に偏光性回折格子による回折光を検出するための受光領域がある。まず図中右側の＋１次回折光受光領域はトラッキング信号検出用受光領域１３２、１３３、焦点ずれ信号検出用受光領域１３４、１３５からなり、図中左側の−１次回折光受光領域はトラッキング信号検出用受光領域１３６、１３７、焦点ずれ信号検出用受光領域１３８、１３９からなる。そして焦点ずれ信号は１３４、１３５の出力の和と１３８、１３９の和の差を差動アンプ１１２によって演算することにより得られる。またトラッキング誤差信号は１３２、１３７の出力の和と１３３、１３６の出力の和の差を差動アンプ１１３により演算することにより得られる。さらに光磁気信号は＋１次回折光と−１次回折光の差をとるため、１３２、１３３、１３４、１３５の和と１３６、１３７、１３８、１３９の和の差を差動アンプ１１１による演算することにより得られる。
なお、図１３において格子が直線の偏光性回折格子１０８を格子が曲線の偏光性回折格子１２２に替え、ビームサイズ法を用いればシリンドリカルレンズ１０９を省略することも可能である。
図１７は、図１５の実施例において半導体レーザ１３１を出て光ディスク１０７に向かう光が偏光回折格子１２２で回折した場合の回折光の行方を説明する図である。偏光回折格子１２２はすでに述べたようにレンズ作用を有するため、回折された光は光ディスク１０７上で大きく焦点ずれしている。したがって反射した光はさらに大きく焦点ずれし、検出器１４２、１４３による受光光量にはほとんど影響を及ぼさない。
一方、３ビームウォラストンプリズム２１を用いて図１５に示した実施例の構成を実現する場合の問題点を図１８を用いて説明する。３ビームウォラストンプリズム２１はレンズ作用を持たないため、半導体レーザ１３１を出て光ディスク１０７に向かう光の一部が分離されるとそれらの光はディスク上で中心のメインビーム同様に焦点を結ぶ。したがって反射光は往路と同じ光路をたどって戻るため、図に示すようにメインビームの偏光分離された光の光路と重なって、光検出器１４２、１４３でその一部が受光されることになる。これは再生信号に対してノイズとして作用するので、信号品質を劣化させる原因となる。
図１９は本発明による光磁気ヘッドを、半導体製造プロセスで一般的な、フォトマスクによる現像露光プロセスを用いて形成した場合の実施例である。サファイア結晶などの基板１４４にまず窒化ガリウムなどを積層し、面発光レーザ１４１、フォトディテクタ１４２、１４３を形成する。さらにニオブ酸リチウムなどの複屈折性結晶基板６１にイオン交換などの方法で、階段状の屈折率変化層６２を形成し、その表面に等方性媒質を用いた格子パターン６３を形成し、図１５に示した曲線パターンを有する屈折型偏光性回折格子１２２を形成する。そしてその裏面に等方性媒質による集光グレーティング１４６を形成し、対物レンズとする。そしてこれら面発光レーザ基板、偏光性回折格子基板を、透明基板１４８と、透明樹脂接着剤１４５、１４７を用いて一体化する。このようにして作製された光磁気ヘッドにおいて、面発光半導体レーザ１４１からの光は、図１５の実施例と同様にして、偏光性回折格子をまずは透過して、集光グレーティング対物レンズ１４６により透明基板１４８の底面に集光される。そしてこの光磁気ヘッド自体は光磁気記録膜が表面にある光磁気記録媒体１４９に現在磁気ディスクなどで一般的な浮上スライダなどによって光波長の１／４以下程度の距離まで近接して配置されており、本来であれば透明基板底面で全反射される入射角の光も、エバネッセント波として、光磁気記録媒体１４９の記録情報読み出しに寄与させることができる。したがって透明基板１４６と光磁気記録媒体１４９の間に空気層をはさみながらも、透明基板１４６内での集光スポットで信号再生が可能となる。このような方法は顕微鏡で一般的な液浸と呼ばれる分解能向上の手法との類推から、固体液浸（Ｓｏｌｉｄ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）と近年、呼ばれている。こうして光磁気記録媒体１４９の記録磁気ドメインの情報を偏光回転として読み出した反射光は、屈折型偏光性回折格子１２２で回折され、±１次回折光が光検出器１４２、１４３に導かれる。すでに述べたようにこれらの回折光は半導体レーザの出射光の偏光方向に対してそれぞれ＋４５、−４５°をなす方向の直線偏光成分であり、これらの受光光量の差動出力から、光磁気再生信号を得ることが可能である。さらに図１６で説明した受光領域パターンを本実施例においても用いることにより、焦点ずれ信号、トラッキング誤差信号を得ることが可能である。本実施例においてはフォトマスクによる位置合わせ、露光現像プロセスによりヘッド全体を小型に構成することが可能であるため、本実施例の光磁気ヘッド全体を、アクチュエータに搭載することも可能である。そしてトラッキング誤差信号をこのアクチュエータにフィードバックして閉ループ制御する。一方、焦点ずれ信号は得られるものの、光磁気ヘッドを浮上スライダによって高さ制御することで、焦点ずれ制御は不要となる。しかしながら偏光性回折格子を直線パターンにするとディスク上に、往路での回折による不要な集光スポットが生じるばかりか、それらの反射光が光検出器に混入するという問題点が生じるため、偏光性回折格子はやはり屈折型の曲線パターンにする方が望ましい。
以上の例では面発光レーザ１４１、フォトディテクタ１４２、１４３を含めてすべてを一体にしているが、特にこれに限定される必要はなく、レーザを別に設ける等してもよい。また、格子が曲線パターンを有する屈折型回折格子１２２の裏面に集光グレーティング１４６を形成しているが、それぞれを別々に作っておいて後で一体化してもよい。
以上の例によれば、フォトマスクのパターンの位置調整で一度に複数個の光ヘッドの光軸調整を行うことができ、従来のように１つ１つ光軸調整を行なわなくてもよくなるため、量産にも適している。
本発明により、フォトマスクによる露光現像プロセスによって作製でき、量産性にすぐれ、小型化しやすく、その分離比や分離角度などを自由に設計できる偏光性回折格子において±１次回折光の偏光状態を異ならしめ、各々の検出光量の差動出力から光磁気信号を得、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±１次回折光の中心の光軸上に半導体レーザ光源を配置したりすることが可能となる。これにより小型で、部品点数が少なく、量産しやすい光磁気ヘッドを容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、偏光プリズムによる偏光分離の従来例。
図２は、ウォーラストンプリズムによる偏光分離の従来例。
図３は、偏光性回折格子の従来例。
図４は、本発明による偏光性回折格子の概念図。
図５は、常光線と異常光線での回折効率の対称性を説明する図。
図６は、偏光性回折格子の原理説明図。
図７は、等方性媒質の格子パターンの厚さが負の場合の偏光性回折格子。
図８は、３段階位相回折格子例。
図９は、本発明による偏光性回折格子の第１の実施例。
図１０は、本発明による偏光性回折格子の第１の実施例において等方性媒質を用いた格子パターンを取り除いた場合の図。
図１１は、本発明による偏光性回折格子の第２の実施例。
図１２は、鋸歯状偏光性回折格子の実施例。
図１３は、本発明による光磁気ヘッドの実施例。
図１４は、本発明による光磁気ヘッドの信号検出方法を説明する図。
図１５は、本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例。
図１６は、本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例の信号検出方法を説明する図。
図１７は、本発明による曲線状の回折格子を用いた場合の往路回折光の影響がないことを示す図。
図１８は、３ビームウォーラストンプリズムを用いて図１５の実施例を実現する場合の問題点を説明する図。
図１９は、本発明による光磁気ヘッドの第３の実施例。
図２０は、本発明による偏光性回折格子の構成を説明する図。
図２１は、鋸歯状の回折格子と同様の位相差を与える他の実施例。
本発明は回折格子を用いた偏光分離素子、およびそれを用いた光磁気ヘッドに関する。
背景技術
従来、光磁気ヘッドに一般的に用いられている偏光分離素子は、図１に示すように偏光プリズム１１という三角プリズムの斜面に入射偏光方向によらず屈折率が一定な等方性媒質の誘電体多層膜を形成して張り合わせたものである。これにより張り合わせた境界面にたいしてＰ偏光（境界面に垂直な面内で振動する直線偏光成分）をほぼ１００％透過し、Ｓ偏光（境界面内で振動する直線偏光成分）をほぼ１００％反射することができる。これを用いて光磁気記録媒体における偏光回転を検出するためには平均的に透過光と反射光がほぼ同じに光量となるように反射光の直線偏光方向を分離方向に対して４５°傾斜させておき、偏光回転にともなう透過光と反射光のバランス変化を検出光量の差から検出して信号再生をおこなっている。
従来の他の方法としては、特公平４−１９５２２に記載されている特殊なウォーラストンプリズム２１を用いて、特公平６−７７３５１のように構成した光磁気ヘッドがある。このプリズムは複屈折性材料を特定の主軸方位で張り合わせたものであり、図２に示すような構成となっている。すなわち中心に入射光線と同じ偏光状態の光があり、両側に直交する２つの偏光成分の光が分岐される。これを用いれば３つの光の検出器２２、２３、２４を１面で構成できるため、１パッケージ化して光ヘッドを小型化することができる。この場合、両側の光から光磁気信号を検出し、中心の光から焦点ずれ信号やトラッキング信号などのサーボ信号を検出することが可能である。
また光磁気ヘッドの偏光分離素子ではないが、グレーティングを用いた偏光分離素子がナショナル・テクニカル・レポート４１巻６号（１９９５年）６２２頁から６２８頁（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６（１９９５）６２２−６２８）に記載されている。これは概略、図３に示すような構成となっている。偏光性回折格子３１に対して入射する特定の方向に偏光した入射光は回折光を生じることなしに透過し、λ／４板３２によって円偏光となって、反射物体３３で反射し、再びλ／４板３２を透過して入射時とは直交する方向の直線偏光となって偏光性回折格子３１に入射する。そしてこの場合にはほぼ１００％回折して±１次の回折光を生じるというものである。このような効果は偏光性回折格子３１を構成する材料にニオブ酸リチウムのような複屈折性光学結晶を用いて、直交する２つの直線偏光に対して格子が作用する位相差が異なるように構成していることによっている。この場合、偏光性回折格子３１は入射時の偏光方向の直線偏光を０次光、それと直交する方向の直線偏光を±１次回折光として偏光分離する偏光分離素子としても利用することができる。光学結晶が必要ではあるが、回折格子であるから、この偏光分離素子はフォトマスクによる露光現像プロセスによって作製でき、量産性にすぐれ、小型化しやすく、その分離比や分離角度などを自由に設計できる長所がある。
発明の開示
従来、光磁気ヘッドに一般的に用いられている図１に示すような偏光分離素子は、検出面１２、１３が２面必要であるあるため光磁気ヘッドの小型化には適していない。
従来の他の方法として特公平４−１９５２２に記載されている図２に示すような構成の特殊なウォーラストンプリズム２１は、プリズムが立体的な形状を持っているため、現在、半導体ＩＣで一般的なフォトマスクによる露光現像プロセスを用いた一層の小型化を導入するにあたっては、それ自体の厚さがまだ問題となり得る。またさらなる小型化のため、半導体レーザと光検出器を同一パッケージ化して、ディスクに入射する光の光路と、反射して光検出器に向かう光路とをほぼ共通化した共軸光学系を構成しようとすると、往路で分離される不要な偏光がディスクで反射して復路の信号光に混入するという問題点がある。
また図３に示したナショナル・テクニカル・レポート４１巻６号（１９９５年）６２２頁から６２８頁（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６（１９９５）６２２−６２８）に記載されているグレーティングを用いた偏光分離素子は、これを光磁気信号検出に用いようとすると、直交する２つの偏光成分の一方が２つの光検出器出力の和、他方が１つの光検出器からの信号となり、光検出器に起因するショットノイズや、後段の増幅器の熱雑音などの対称性がくずれ、同相除去比、信号対雑音比の低下を招く。またサーボ信号検出用光検出器の一体化が困難となる上、回折光の光軸の２等分線上に半導体レーザ光源を配置する共軸光学系配置も不可能となる欠点がある。
これらの課題に鑑み、本発明は従来の偏光性回折格子とは異なる偏光分離を行う偏光性回折格子を提供することを目的とする。
また、回折格子において±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることを目的とする。
また、各々の検出光量の差動出力から光磁気信号を得ることを目的とする。
また、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±ｎ次回折光の中心の光軸上に半導体レーザ光源を配置したりすることを可能とすることを目的とする。
また、光磁気ヘッドの小型化を目的とする。
また、量産性に優れた光磁気ヘッドの提供を目的とする。
本発明は、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とが異なる回折格子であることを特徴とする。なお、偏光状態とは、２つの固有偏光成分の大きさと位相差のことであり、２つの固有偏光成分とは、例えば直交する２つの直線偏光成分のことである。したがって、偏光状態が異なるとは、直線偏光の方向や楕円偏光の状態が異なることをいう。これによって従来の偏光性回折格子では不可能であった、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光との差で光磁気信号の検出が可能となる。また、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±ｎ次回折光の光軸の２等分線上にレーザ光源を配置したりすることを可能となる。また、回折格子であるため、フォトマスクによる露光現像プロセスによって作製できる、量産性にすぐれている、小型化しやすい分離比や分離角度などを自由に設計できる等の効果がある。
また、上記＋ｎ次回折光と上記−ｎ次回折光とが直線偏光であり、上記＋ｎ次回折光の偏光方向と−ｎ次回折光の偏光方向とが直交する方が光磁気信号の検出のためには好ましい。
また、互いに直交する偏光方向のうち一方を持つ光線を第１の光線とし、他方をもつ光線を第２の光線とし、入射光強度に対する各々の回折光強度の比を各々の回折効率としたとき、上記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率と上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率とが異なり、上記＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光の回折効率のうち大きいほうを＋ｎ次回折光としたとき、上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が上記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも小さい方が光磁気信号の検出のためには好ましい。なお、第１および第２の光線は一方が入射偏光方向によって屈折率の異なる異方性媒質における常光線に対応し、他方が異常光線に対応する。
また、上記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率とが等しく、上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが等しい方が光磁気信号の検出のためには好ましい。この場合、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称となっている。
また、上記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と上記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが０であれば、完全な偏光分離が可能であり、光磁気信号の検出のためには好ましい。
また、本発明の回折格子は、屈折率の異なる２種類以上の媒質を有する回折格子において、上記媒質の中の２つの媒質の組み合わせのうち、媒質間の屈折率差が入射偏光方向によって異なる組み合わせが存在し、かつその形状は格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことを特徴とする。これによって、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とを異ならせることが可能となる。なお、ここでいう媒質とは、固体だけではなく、空気等の気体や液体も媒質という言葉に含まれる。媒質が１つが空気の例としては、空気以外の媒質に格子状の溝を形成した場合などがある。また、格子面とは、格子パターンの形成されている面の事をいう。また、格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面とは、格子パターンを形成する曲線や直線の法線を含んだ平面のことをいう。また、媒質間の境界線が局所的な１周期において上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な面をもたない例として、階段状や鋸歯状等の形状がある。また、上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的とは、後述するレンズ作用を有する場合における周期構造に対応する。
ここでさらに格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な対称面をもたない形状を有する格子パターンがさらに積層されていることにより、回折効率を調節することができ、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称としたり、特定の回折光の回折効率を０としたりすることが可能となる。
また、本発明の回折格子は、基板に上記基板とは屈折率の異なる領域が格子パターンとして形成された回折格子であって、上記屈折率の異なる領域と上記基板との屈折率差が入射偏光方向によって異なり、上記屈折率の異なる領域は格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の上記屈折率が異なる領域の屈折率分布が上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことを特徴とする。これによって、少なくとも１つの自然数ｎにおいて、＋ｎ次回折光の偏光状態と−ｎ次回折光の偏光状態とを異ならせることが可能となる。なお、屈折率が異なる領域には、例えば溝を形成した場合のように空気等で満たされた場合も含まれる。また、上記屈折率の異なる領域の上記断面の形状の例として、階段状や鋸歯状等がある。なお、上記屈折率の異なる領域の屈折率分布が一様な場合はその形状と屈折率分布の両方が非対称となるが、屈折率分布が一様ではない場合でもよく、この場合は領域の形状自体は対称となってもよいが、屈折率分布は非対称である必要がある。なお、入射偏光方向によって屈折率差を異ならせることは、入射偏光方向によって屈折率の異なる異方性媒質を基板または屈折率の異なる領域のうちの少なくともどちらか一方に用いることにより実現できる。異方性媒質を用いない方は入射偏光方向によって屈折率の異ならない等方性媒質を用いればよい。
ここでさらに、上記屈折率の異なる領域によって形成された格子パターンの格子面の上または下に設けられた第２の格子パターンを具備し、上記第２の格子パターンは格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の屈折率分布が上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称面をもたないことによって、回折効率を調節することができ、常光線と異常光線の±ｎ次回折光の回折効率が０次光を境に対称としたり、特定の回折光の回折効率を０としたりすることが可能となる。なお、上記第２の格子パターンの断面形状の例として階段状や鋸歯状等がある。また、屈折率分布が一様でない場合でもよい。
また、今まで説明してきた回折格子の格子パターンは直線状に限定されるものではなく、曲線状であってもよい。
また、回折光にレンズ作用を持たせることもできる。これによって、ビームサイズ法による焦点ずれ検出が可能となる。
今まで説明してきた回折格子を光磁気ヘッドに適用し、上記回折格子の＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光を検出する複数の光検出器とを具備し、上記回折格子には光磁気記録媒体からの反射光が入射されることを特徴とする光磁気ヘッドによって、従来に比べてプリズムを用いる必要がなくなり、光ヘッドの小型化が可能となる。
さらに、上記複数の光検出器を上記回折格子の格子面に対して同一側に配置することが可能である。従来の偏光プリズム１１を用いた場合では偏光分離する際に１方は入射光に対して直角な方向に出射するため、幅方向に小型化することができないが、本発明の回折格子を用いれば可能である。また、上記複数の光検出器を同一平面上に配置することも可能である。
また、本発明の回折格子にさらにレンズ作用をもたせたものを用い、上記回折格子は曲率中心が同一の円弧列もしくは同心円の格子パターンを有するとともに上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光に対して格子面からの距離が互いに異なる位置に焦点を結ばせる回折格子であり、上記複数の検出器は上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光の上記焦点までの距離の平均の距離だけ上記格子面から離れた位置に配置されており、上記＋ｎ次回折光および上記−ｎ次回折光の光軸の２等分線上でかつ上記曲率中心もしくは上記同心円の中心以外に光軸をもつ位置に配置されたレーザ光源を具備することにより、共軸光学系配置が可能となる。このようにすれば、ビームスプリッタのような分岐素子が不要になり、部品点数削減に加え、一直線上に配置できるため小型化が可能となる。上記複数の光検出器と上記レーザ光源とを同一平面上に配置することも可能である。
また、フォトマスクによる露光現像プロセスによって回折格子と集光グレーティングを一体としたり、上記光検出器および上記レーザ光源のうちの少なくとも１つと、上記回折格子とを一体とすることも可能である。このようにすれば超小型の光磁気ヘッドが可能となる。また、光軸合わせを一度に大量に行なえるため、量産性に優れる。
また、回折格子の格子パターンを直線状とし、上記回折格子の０次光を検出する光検出器を具備することによって０次光から焦点ずれ信号またはトラッキング誤差信号を検出することが可能である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。
なお、図に用いられている符号は以下の通りである。
１１‥‥偏光プリズム、１２、１３‥‥検出面、２１‥‥ウォーラストンプリズム、２２、２３、２４‥‥光検出器、３１‥‥偏光性回折格子、４１‥‥複屈折性結晶基板、４２‥‥イオン交換領域、４３‥‥等方性媒質を用いた格子パターン、５１‥‥常光線に対する位相差、５２‥‥異常光線に対する位相差、６１‥‥ニオブ酸リチウム基板、６２‥‥プロトン交換領域、６３‥‥等方性媒質を用いた格子パターン、６４、６５‥‥常光線、６６、６７‥‥異常光線、６８‥‥屈折率異方性主軸、１０１‥‥半導体レーザ、１０２‥‥ビームスプリッタ、１０３‥‥コリメートレンズ、１０４‥‥立ち上げミラー、１０５‥‥レンズアクチュエータ、１０６‥‥対物レンズ、１０７‥‥光磁気記録媒体、１０８‥‥偏光性回折格子、１０９‥‥シリンドリカルレンズ、１０１０‥‥１０１０、１０１１‥‥４分割検出領域、１０１２、１０１３‥‥回折光検出領域、１０１４‥‥電磁コイル、１１１、１１２、１１３‥‥差動アンプ、１２１‥‥半導体レーザ光検出器一体モジュール、１２２‥‥屈折型偏光性回折格子、１２３‥‥有限系対物レンズ、１３１‥‥半導体レーザ、１３２、１３３‥‥＋１次回折光用トラッキング信号検出領域、１３４、１３５‥‥＋１次回折光用焦点ずれ信号検出領域、１３６、１３７‥‥−１次回折光用トラッキング信号検出領域、１３８、１３９‥‥−１次回折光用焦点ずれ信号検出領域、１４１‥‥窒化ガリウム面発光半導体レーザ、１４２、１４３‥‥窒化ガリウム光検出器、１４４‥‥サファイア結晶基板、１４５、１４７‥‥透明樹脂接着剤、１４６‥‥集光グレーティング対物レンズ、１４８‥‥透明基板、１４９‥‥記録膜露出型光磁気記録媒体、２００１‥‥媒質Ａ、２００２‥‥媒質Ｂ、２００３‥‥媒質Ｃ、２００４‥‥媒質Ｄ、２００５‥‥媒質Ａと媒質Ｂの境界線、２００６‥‥媒質Ｃと媒質Ｄの境界線、２００７‥‥常光線、２００８‥‥異常光線、２００９‥‥常光線の０次光、２０１０‥‥異常光線の０次光、２０１１‥‥常光線の＋ｎ次回折光、２０１２‥‥異常光線の＋ｎ次回折光、２０１３‥‥常光線の−ｎ次回折光、２０１４‥‥異常光線の−ｎ次回折光、２１０１、２１０３‥‥基板、２１０２、２１０４‥‥屈折率が徐々に変化する領域
図４は本発明による偏光性回折格子の基本的な概念図である。異方性媒質であるニオブ酸リチウムなどの複屈折性結晶基板４１に、適当なマスクを形成した上で、酸などによるイオン交換により屈折率変化領域４２を形成する。このプロセスはプロトン交換と呼ばれる。なお、プロトン交換による屈折率変化領域の作製方法は、例えば西原浩「光集積回路」オーム社（昭和６０年第１版）１６７頁から１７０頁、またプロトン交換により格子パターンを形成する方法については同書、２０８頁に記載されている。これによれば安息香酸（Ｃ６Ｈ６ＣＯＯＨ）を融点１２１°Ｃから沸点２５０°Ｃの間の温度で液体の状態となるように熱して、その中にニオブ酸リチウムを浸すと、リチウムイオンと水素イオンの交換が起こり、結晶表面に高屈折率層が形成される。格子を形成するためにはプロトン交換させない領域にＣｒやＴｉなどでマスクを形成する。Ｔｉの場合にはニオブ酸リチウム結晶にＴｉをスパッタしたあと、フォトレジストで格子のパターニングをし、エッチングによりＴｉ膜に窓明けをすることでマスクが形成できる。そのあとでプロトン交換し、Ｔｉ膜を取り除き、アニーリングして格子を形成する。
複屈折性結晶は、あるいは異方性結晶とも呼ばれ、入射する偏光の偏光方向によって屈折率の異なる結晶である。複屈折の名前は偏光方向によって屈折率が異なるため２つの屈折光線を生じることによる。一般的な１軸性結晶の場合、それぞれの屈折率には光の進行方向によらず一定な常屈折率と、光の進行方向で変化する異常屈折率があり、それぞれの作用する直線偏光成分を常光線、異常光線と呼ぶ。図中、階段状の屈折率変化はイオン交換の途中で開口幅の異なるマスクに変えることで実現でき、この屈折率変化量は常屈折率と異常屈折率で異なっている。等方性媒質を用いた格子パターン４３はイオン交換のあとに、やはり２段階に形成する。
なお、等方性材料および異方性材料の例としては、次のようなものがある。
通常、薄膜形成に用いられる等方性材料の例は、例えば小瀬輝次、他編集「光工学ハンドブック」朝倉書店（初版１９８６年）１７５頁に記載されている。例えばＳｉＯ２、ＬｉＦ、ＺｎＳ、ＭｇＯなど屈折率に応じていろいろな材料が使用できる。
異方性材料については西原浩「光集積回路」オーム社（昭和６０年第１版）１３９頁から１４２頁によれば、例えばニオブ酸リチウム（ｎｅ＝２．２、ｎｏ＝２．２８６）、酸化チタン（ｎｅ＝２．８６５、ｎｏ＝２．５８３）、モリブデン酸鉛（ｎｅ＝２．２６２、ｎｏ＝２．３８６）、タンタル酸リチウム（ｎｅ＝２．１７６、ｎｏ＝２．１８０）、チタン酸バリウム（ｎｅ＝２．４１、ｎｏ＝２．３６）、酸化亜鉛（ｎｅ＝１．９９９、ｎｏ＝２．０１５）などがある。
このようにして形成した偏光性回折格子に入射する光線のうち、常屈折率の作用する常光線については＋１次回折光が大きく、０次光、−１次光は小さい。一方、異常屈折率の作用する異常光線については−１次回折光が大きく、０次光、＋１次光は小さい。したがって±１次回折光を独立に受光すれば、常光線と異常光線の混在した入射光からそれぞれの光をほぼ分離することが可能となる。
±１次回折光の回折効率が常光線と異常光線で互いに対称に、アンバランスとなっている原理を、図５によって説明する。図５は図４を常光線と異常光線それぞれ別々に表示し、各々に作用する位相差パターン５１、５２を合わせて示したものである。それぞれの光に作用する位相差パターン５１、５２は同じ形状で左右反対称となっており、±１次回折光の回折効率のアンバランスを常光線と異常光線で互いに逆にすることが可能となるのである。
以下、複屈折性結晶を用いて、常光線と異常光線でこのような左右反対称な位相分布を与えることが可能であることを説明する。
図６は偏光性回折格子の原理を説明するための図である。ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた例を示す。ニオブ酸リチウム基板６１は紙面内方向に屈折率異方性の主軸６８を持ち、そこにグレーティングパターンに合わせてプロトン交換領域６２を形成する。さらにそのグレーティングパターンに合わせて、等方性媒質を用いた格子パターン６３を形成する。このときグレーティングパターンとその間に入射する常光線６４、６５の位相差φｏ、異常光線６６、６７の位相差φｅはそれぞれ以下のように表せる。
次に±１次回折光の回折効率がアンバランスとなる位相格子について説明する。一般に周期Ａの回折格子の振幅透過率は、その周期性から
ここで等方性媒質を用いた格子パターンの効果を検証するために、図９における等方性媒質を用いた格子パターン６３がない場合の計算結果を図１０に示した。このように等方性媒質を用いた格子パターンがなくとも、±１次回折光の偏光状態が異ならせることが可能である。ここでさらに等方性媒質を用いた格子パターン６３を設けることにより常光線と異常光線に対称性を持たせることができるため、等方性媒質を用いた格子パターン６３を設けたほうが好ましい。
図１１に別の実施例を示す。ここでは位相変化の段差は３段ながら、各段の幅を変えている。この実施例においては常光線の１次回折光の回折効率と、異常光線の回折効率が０となるため、結果的に±１次回折光は完全に偏光分離されていることになる。
これらの実施例においては、簡単のため３段階の階段状の位相差を有する場合について説明したが、これらの制限をはずせば理想的には消光比が十分大きく任意の回折効率の偏光性回折格子が設計可能である。例えばさらに段数を増やした極限として、図１２に示すような鋸歯状の位相分布なども適用可能である。
図２１は図１２に示した鋸歯状の回折格子と同様の位相差を与える他の実施例である。ここでは基板２１０１と、基板２１０３に格子面内方向に格子材料の屈折率が徐々に変化する領域２１０２、２１０４を形成することにより回折格子としている。これらの格子を形成している材料２１０１、２１０２、２１０３、２１０４のうちの少なくとも１つは異方性材料で形成されており、格子材料２１０２によって生じる位相差と、格子材料２１０４によって生じる位相差のどちらかが、常光線と異常光線で異ならせることができれば、本発明の回折格子として作用させることが可能である。これにより図１２と同様の位相差を入射する常光線と異常光線に与えることで、偏光分離された回折光を得ることができる。このような格子を形成するに当たっては、基板２１０１、基板２１０３にイオンビームによるイオン打ち込みを行い、それぞれ格子を形成したあと張り合わせればよい。徐々に変化する屈折率変化はイオンビームの走査速度を、屈折率を高くしたい領域では遅く、屈折率を低くしたい領域では早くすることで実現可能である。
またここでは特に格子が直線であるとか、曲線であるとかの形状については何も述べていないが、これらは通常の等方的な回折格子と同様に任意の設計、製作が可能であることは言うまでもない。なお、格子が曲線の場合、レンズ作用を持たせることが可能である。またこれまで説明した実施例においてはニオブ酸リチウム結晶にプロトン交換した偏光性回折格子を仮定したが、複屈折性材料で偏光方向によって屈折率変化量の異なる材料であれば、他の光学結晶、有機材料、液晶材料等でもさしつかえないことは言うまでもない。
以上の説明では、全て図１０のように基板として異方性媒質を用い、そこにプロトン交換した例、および図９のようにその上に等方性媒質の格子を形成した例を示したが、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせる回折格子を実現する媒質の構成はこれに限定されるものではない。以下、図２０を用いて説明する。
図２０は、本発明による偏光性回折格子の構成を説明する図である。２００１は媒質Ａ、２００２は媒質Ｂ、２００３は媒質Ｃ、２００４は媒質Ｄ、２００５は媒質Ａと媒質Ｂの境界線、２００６は媒質Ｃと媒質Ｄの境界線、２００７は常光線、２００８は異常光線、２００９は常光線の０次光、２０１０は異常光線の０次光、２０１１は常光線の＋ｎ次回折光、２０１２は異常光線の＋ｎ次回折光、２０１３は常光線の−ｎ次回折光、２０１４は異常光線の−ｎ次回折光を表わす。なお、図では±ｎ次回折光以外の回折光は省略してある。
ここで、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせる回折格子を実現するには、屈折率の異なる２種類以上の媒質（媒質Ａ２００１，媒質Ｂ２００２、媒質Ｃ２００３、媒質Ｄ２００４等）を有する回折格子において、上記媒質の中の２つの媒質の組み合わせ（例えば媒質Ａ２００１と媒質Ｂ２００２）のうち、媒質間の屈折率差が入射偏光方向によって異なる組み合わせが存在し（常光線と異常光線で屈折率差が異なればよい）、かつ格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面（図２０に示した断面）における上記媒質間の境界線（この場合は２００５）が格子面内（紙面に垂直で図の左右方向）のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向（図の左右方向）に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な面（紙面に垂直で図の上下方向の面）の両方に垂直な対称面をもたなければよい。なお、ここでいう媒質には空気等も含まれるものとする。
図１０の場合は媒質Ａ２００１および媒質Ｂ２００２のみで構成されている例で、ともに異方性媒質の場合である。このうちの一方のみを等方性媒質で置き換えても良い。また、媒質Ａ２００１が異方性媒質で、媒質Ｂを等方性煤質である空気としてもよい。
図９の場合は、媒質Ａ２００１および媒質Ｂ２００２が異方性媒質、媒質Ｃ２００３が等方性媒質、媒質Ｄ２００４が空気の場合である。この場合、境界線２００５が非対称の要件を満たしている。仮に、媒質Ａ２００１と媒質Ｂ２００２が同じ媒質、すなわち境界２００５が存在せず、媒質Ｃ２００３が異方性媒質、媒質Ｄが等方性媒質である空気であったばあい、媒質はＡ、Ｃ、Ｄの３種類で、境界２００６が屈折率差および非対称の要件を満たすため、±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることが可能である。なお、屈折率差の条件を満たせば媒質Ｄ２００４の空気を媒質Ｃ２００３以外の媒質に置き換えてもよい。
また、回折効率の調整については、格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面における上記媒質間の境界線が格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に周期的または上記格子面内のうち上記格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に拡大もしくは縮小されつつ周期的であり、その局所的な１周期において上記境界線は上記格子面および上記断面の両方に垂直な対称な対称面をもたない形状を有する格子パターンがさらに積層されていることにより可能となる。図９の例では、媒質Ｃ２００３に相当する等方性媒質６３と媒質Ｄ２００４に相当する空気との境界２００６がもう１つの組み合わせに相当する。
以上説明した媒質以外の組み合わせについても、上記の要件を満たせば±ｎ次回折光の偏光状態を異ならせることや、回折効率を調整することが可能である。
また、以上の説明では媒質の屈折率分布が一様な場合を説明してきたが、図２１のように屈折率分布が一様でない場合でもよく、この場合は境界線ではなく、屈折率分布が非対称であればよい。
以下、本発明の偏光性回折格子を用いた光磁気ヘッドの実施例を説明する。
図１３は本発明の偏光性回折格子を用いた光磁気ヘッドの実施例である。半導体レーザ１０１からの直線偏光はビームスプリッタ１０２を透過し、コリメートレンズ１０３で平行光とされ、立ち上げミラー１０４で反射され、レンズアクチュエータ１０５に搭載された対物レンズ１０６により、光磁気記録媒体１０７に集光される。そして光磁気ドメインの有無により、偏光方向が逆向きに回転し、記録情報が搬送される。反射光は再び対物レンズ１０６、立ち上げミラー１０４、コリメートレンズ１０３を経て、ビームスプリッタで反射し、本発明による偏光性回折格子１０８に入射する。そして入射直線偏光方向に対して＋４５°、−４５°をなす方向の直線偏光成分のそれぞれ一部が＋１次回折光、−１次回折光として回折される。さらに残りの光が０次光としてそのまま偏光性回折格子１０８を透過する。その後、非点収差焦点ずれ検出のためのシリンドリカルレンズ１０９により非点収差が与えられ、光検出器１０１０に集光される。光検出器１０１０は中心の４分割検出領域１０１１とその両側の、回折光検出領域１０１２、１０１３に分かれており、中心で０次光、両側で±１次回折光を検出する。光磁気記録媒体１０７に情報を記録する場合には、あらかじめ光磁気記録媒体を一方向に一様に磁化した上で、電磁コイル１０１４により初期磁化方向と逆向きの磁界を印加した上で、記録情報により強度変調された半導体レーザ光により、局所的に記録膜のキュリー温度より昇温させて記録ドメインを形成する。また媒体がキュリー点温度以上になるように一定強度の集光スポットで照射しながら、記録情報により電磁コイルによる磁化方向を変調して記録する磁界変調記録でも何ら差し支えない。もちろん光、または磁界をパルス変調させて記録する方式でもよい。
図１４は光検出器１０１０からの信号検出方法について説明する図である。まず中心の４分割光検出領域１０１１から焦点ずれ誤差信号とトラッキング誤差信号を検出する。焦点ずれ誤差信号は４分割の対角領域の信号出力同士の和の差動信号を差動アンプ１１２で検出する。これを図１３のレンズアクチュエータ１０５にフィードバックし、閉ループ制御を行う。また４分割光検出器の両側２領域ごとの和の差動信号を差動アンプ１１３によって検出することによりトラッキング誤差信号を得ることができる。これはプッシュプル法と呼ばれ、光磁気記録媒体上の案内溝による回折パターンのアンバランスを検出する方法である。そしてこのトラッキング誤差信号もやはり図１３のレンズアクチュエータ１０５にフィードバックし、閉ループ制御を行う。ただし図１３のレンズアクチュエータは光軸方向とディスク半径方向の２方向に駆動軸を持つ２次元のアクチュエータである。そして本発明による偏光性回折格子１０８による互いに直交する偏光成分を持つ±１次回折光は、４分割光検出領域１０１１の両側にある２つの受光領域１０１２、１０１３によって検出され、この出力の差動信号を差動アンプ１１１によって検出することにより光磁気信号を得ることができる。
図１５は本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例である。半導体レーザと光検出器が一体となって実装されたモジュール１２１の中心にある、半導体レーザから出射された直線偏光は、本発明による屈折型の偏光性回折格子１２２を透過し、立ち上げミラー１０４で反射され、レンズアクチュエータ１０５に搭載された有限系対物レンズ１２３により光磁気記録媒体１０７上に集光される。なお、本実施例における屈折型偏光性回折格子１２２は、回折光に対してレンズ作用を有する。回折格子であるから、０次光に対してはレンズ作用は有せず、また、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光とで共役な位置に焦点を生じさせる。なお、このようにレンズ作用を有する回折格子は、一般にも広く知られるフレネルレンズと同様に、曲線状の格子パターンで構成されることが必要である。このときの格子パターンは、曲率中心の一致した円弧列または同心円によって形成され、かつ格子パターンに沿った方向に対して垂直な断面の形状が曲率中心から遠ざかるにつれて格子面内のうち格子パターンに沿った方向に対して垂直な方向に縮小されつつ、かつ格子間隔が曲率中心からの距離に反比例した形状を有する。なお、このようにレンズ作用を有する回折格子は従来からよく知られているため、詳細については省略する。
往路において、屈折型偏光性回折格子１２２により不要な回折光が生じるが、屈折型偏光性回折格子１２２はレンズ作用を有するため、回折光の焦点位置は０次光から大きくずらすことができ、不要な回折光による反射光は光検出器にはほとんど戻らないので実質上何ら影響を及ぼさない。これはレンズ作用のない３ビームウォラストンプリズムでは大きな問題となる。なお、これに関しては詳しくは後述する。光磁気記録媒体１０７の記録膜によって反射された光は記録磁気ドメインの有無により直線偏光の偏光方向がそれぞれ逆方向に回転され、記録情報を搬送する。そして再び有限系対物レンズ１２３、立ち上げミラー１０４を経て、屈折型偏光性回折格子１２２に入射する。そして０次光はそのまま半導体レーザに戻るが、半導体レーザのもともとの出射直線偏光の偏光方向に対して＋４５°、−４５°をなす方向の直線偏光成分がそれぞれ＋１次回折光、−１次回折光となり半導体レーザ光検出器一体モジュール１２１の中のそれぞれの受光部により検出される。ここで屈折型偏光性回折格子１２２はレンズ作用があるため＋１次回折光は検出面より手前に焦点を結び、−１次回折光はその屈折光に対して共役な光であるため、検出面より奥に焦点を結ぶように照射される。これによりビームサイズ法による焦点ずれ検出をプッシュプル法によるトラッキング信号検出と同時に行うことができる。また＋１次回折光と−１次回折光の検出光量差から光磁気信号を得ることができる。なお、本実施例においては有限系対物レンズ１２３によりあらかじめ絞り込まれた反射光を屈折型偏光性回折格子１２２に入射しているため、＋１次回折光と−１次回折光とが屈折型偏光性回折格子１２２に対して同じ側に焦点を結んでおり、かつ屈折型偏光性回折格子１２２の格子面から＋１次回折光の焦点までの距離と、屈折型偏光性回折格子１２２の格子面から−１次回折光の焦点までの距離が異なっている。また、屈折型偏光性回折格子１２２に対するレーザ光源からの入射光の光軸および光磁気記録媒体１０７からの反射光の光軸は、円弧列で形成された格子パターンの場合は曲率中心、同心円状の格子パターンの場合は同心円の中心から外れた位置にする必要がある。上記光軸と上記中心が一致した場合、回折光の光軸が０次光と一致してしまうため、回折光の検出ができなくなってしまう。
また、本実施例では光検出器は屈折型偏光性回折格子１２２の格子面に対して同一側に存在している。従来のビームスプリッタや偏光プリズムを用いた構成では、反射光の光路を９０°分岐させているため、その分だけ装置の幅が必要となるが、本実施例の構成であればそれが不要であり、装置の小型化が可能である。また、レーザ光源を＋１次回折光と−１次回折光との２等分線上に配置した共軸光学系となっているため、小型化が可能となっている。
図１６は図１５に示した光磁気ヘッドの第２の実施例における信号検出方法を説明する図である。半導体レーザ光検出器一体モジュール１２１の中心部に半導体レーザ１３１が、装備されている。この半導体レーザ１３１は面発光型が好ましいが、ファブリペロ共振器構造を有する従来一般的な半導体レーザチップと４５°反射ミラーをハイブリッドに実装するのでもよい。この半導体レーザ１３１の両側に偏光性回折格子による回折光を検出するための受光領域がある。まず図中右側の＋１次回折光受光領域はトラッキング信号検出用受光領域１３２、１３３、焦点ずれ信号検出用受光領域１３４、１３５からなり、図中左側の−１次回折光受光領域はトラッキング信号検出用受光領域１３６、１３７、焦点ずれ信号検出用受光領域１３８、１３９からなる。そして焦点ずれ信号は１３４、１３５の出力の和と１３８、１３９の和の差を差動アンプ１１２によって演算することにより得られる。またトラッキング誤差信号は１３２、１３７の出力の和と１３３、１３６の出力の和の差を差動アンプ１１３により演算することにより得られる。さらに光磁気信号は＋１次回折光と−１次回折光の差をとるため、１３２、１３３、１３４、１３５の和と１３６、１３７、１３８、１３９の和の差を差動アンプ１１１による演算することにより得られる。
なお、図１３において格子が直線の偏光性回折格子１０８を格子が曲線の偏光性回折格子１２２に替え、ビームサイズ法を用いればシリンドリカルレンズ１０９を省略することも可能である。
図１７は、図１５の実施例において半導体レーザ１３１を出て光ディスク１０７に向かう光が偏光回折格子１２２で回折した場合の回折光の行方を説明する図である。偏光回折格子１２２はすでに述べたようにレンズ作用を有するため、回折された光は光ディスク１０７上で大きく焦点ずれしている。したがって反射した光はさらに大きく焦点ずれし、検出器１４２、１４３による受光光量にはほとんど影響を及ぼさない。
一方、３ビームウォラストンプリズム２１を用いて図１５に示した実施例の構成を実現する場合の問題点を図１８を用いて説明する。３ビームウォラストンプリズム２１はレンズ作用を持たないため、半導体レーザ１３１を出て光ディスク１０７に向かう光の一部が分離されるとそれらの光はディスク上で中心のメインビーム同様に焦点を結ぶ。したがって反射光は往路と同じ光路をたどって戻るため、図に示すようにメインビームの偏光分離された光の光路と重なって、光検出器１４２、１４３でその一部が受光されることになる。これは再生信号に対してノイズとして作用するので、信号品質を劣化させる原因となる。
図１９は本発明による光磁気ヘッドを、半導体製造プロセスで一般的な、フォトマスクによる現像露光プロセスを用いて形成した場合の実施例である。サファイア結晶などの基板１４４にまず窒化ガリウムなどを積層し、面発光レーザ１４１、フォトディテクタ１４２、１４３を形成する。さらにニオブ酸リチウムなどの複屈折性結晶基板６１にイオン交換などの方法で、階段状の屈折率変化層６２を形成し、その表面に等方性媒質を用いた格子パターン６３を形成し、図１５に示した曲線パターンを有する屈折型偏光性回折格子１２２を形成する。そしてその裏面に等方性媒質による集光グレーティング１４６を形成し、対物レンズとする。そしてこれら面発光レーザ基板、偏光性回折格子基板を、透明基板１４８と、透明樹脂接着剤１４５、１４７を用いて一体化する。このようにして作製された光磁気ヘッドにおいて、面発光半導体レーザ１４１からの光は、図１５の実施例と同様にして、偏光性回折格子をまずは透過して、集光グレーティング対物レンズ１４６により透明基板１４８の底面に集光される。そしてこの光磁気ヘッド自体は光磁気記録膜が表面にある光磁気記録媒体１４９に現在磁気ディスクなどで一般的な浮上スライダなどによって光波長の１／４以下程度の距離まで近接して配置されており、本来であれば透明基板底面で全反射される入射角の光も、エバネッセント波として、光磁気記録媒体１４９の記録情報読み出しに寄与させることができる。したがって透明基板１４６と光磁気記録媒体１４９の間に空気層をはさみながらも、透明基板１４６内での集光スポットで信号再生が可能となる。このような方法は顕微鏡で一般的な液浸と呼ばれる分解能向上の手法との類推から、固体液浸（Ｓｏｌｉｄ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ）と近年、呼ばれている。こうして光磁気記録媒体１４９の記録磁気ドメインの情報を偏光回転として読み出した反射光は、屈折型偏光性回折格子１２２で回折され、±１次回折光が光検出器１４２、１４３に導かれる。すでに述べたようにこれらの回折光は半導体レーザの出射光の偏光方向に対してそれぞれ＋４５、−４５°をなす方向の直線偏光成分であり、これらの受光光量の差動出力から、光磁気再生信号を得ることが可能である。さらに図１６で説明した受光領域パターンを本実施例においても用いることにより、焦点ずれ信号、トラッキング誤差信号を得ることが可能である。本実施例においてはフォトマスクによる位置合わせ、露光現像プロセスによりヘッド全体を小型に構成することが可能であるため、本実施例の光磁気ヘッド全体を、アクチュエータに搭載することも可能である。そしてトラッキング誤差信号をこのアクチュエータにフィードバックして閉ループ制御する。一方、焦点ずれ信号は得られるものの、光磁気ヘッドを浮上スライダによって高さ制御することで、焦点ずれ制御は不要となる。しかしながら偏光性回折格子を直線パターンにするとディスク上に、往路での回折による不要な集光スポットが生じるばかりか、それらの反射光が光検出器に混入するという問題点が生じるため、偏光性回折格子はやはり屈折型の曲線パターンにする方が望ましい。
以上の例では面発光レーザ１４１、フォトディテクタ１４２、１４３を含めてすべてを一体にしているが、特にこれに限定される必要はなく、レーザを別に設ける等してもよい。また、格子が曲線パターンを有する屈折型回折格子１２２の裏面に集光グレーティング１４６を形成しているが、それぞれを別々に作っておいて後で一体化してもよい。
以上の例によれば、フォトマスクのパターンの位置調整で一度に複数個の光ヘッドの光軸調整を行うことができ、従来のように１つ１つ光軸調整を行なわなくてもよくなるため、量産にも適している。
本発明により、フォトマスクによる露光現像プロセスによって作製でき、量産性にすぐれ、小型化しやすく、その分離比や分離角度などを自由に設計できる偏光性回折格子において±１次回折光の偏光状態を異ならしめ、各々の検出光量の差動出力から光磁気信号を得、０次光をサーボ信号検出に用いたり、±１次回折光の中心の光軸上に半導体レーザ光源を配置したりすることが可能となる。これにより小型で、部品点数が少なく、量産しやすい光磁気ヘッドを容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、偏光プリズムによる偏光分離の従来例。
図２は、ウォーラストンプリズムによる偏光分離の従来例。
図３は、偏光性回折格子の従来例。
図４は、本発明による偏光性回折格子の概念図。
図５は、常光線と異常光線での回折効率の対称性を説明する図。
図６は、偏光性回折格子の原理説明図。
図７は、等方性媒質の格子パターンの厚さが負の場合の偏光性回折格子。
図８は、３段階位相回折格子例。
図９は、本発明による偏光性回折格子の第１の実施例。
図１０は、本発明による偏光性回折格子の第１の実施例において等方性媒質を用いた格子パターンを取り除いた場合の図。
図１１は、本発明による偏光性回折格子の第２の実施例。
図１２は、鋸歯状偏光性回折格子の実施例。
図１３は、本発明による光磁気ヘッドの実施例。
図１４は、本発明による光磁気ヘッドの信号検出方法を説明する図。
図１５は、本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例。
図１６は、本発明による光磁気ヘッドの第２の実施例の信号検出方法を説明する図。
図１７は、本発明による曲線状の回折格子を用いた場合の往路回折光の影響がないことを示す図。
図１８は、３ビームウォーラストンプリズムを用いて図１５の実施例を実現する場合の問題点を説明する図。
図１９は、本発明による光磁気ヘッドの第３の実施例。
図２０は、本発明による偏光性回折格子の構成を説明する図。
図２１は、鋸歯状の回折格子と同様の位相差を与える他の実施例。
Claims (5)
- 入射偏光を回折する回折格子で、前記入射偏光は第１の光線と第２の光線を有し、
前記回折格子は、非対称の格子パターンを形成する複数の光伝達媒質を有し、ｎは自然数であって、前記第１の光線と前記第２の光線からそれぞれ分離された±ｎ次回折光を生成するために、少なくとも前記媒質のうち少なくとも１つが前記第１の光線と前記第２の光線における屈折率が異なっており、
前記格子パターンに沿った方向に対し垂直な断面において、前記格子パターンは前記媒質間に階段状の境界線を有し、前記階段状の段の幅がそれぞれ異なっており、
前記格子パターンは、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光から光磁気信号が検出可能な程度に、前記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が、前記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも大きく、前記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が、前記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも小さくなるようにされ、かつ、前記第１の光線の０次光と前記第 2 の光線の０次光とが、対称性を有するように構成されたことを特徴とする回折格子。 - 請求項１記載の回折格子において、前記＋ｎ次回折光の偏光方向と前記−ｎ次回折光の偏光方向が、それぞれ＋回折次と−回折次で直交しており、前記第１の光線と前記第２の光線の偏光状態が、それぞれの光線に対し相互に直交していることを特徴とする回折格子。
- 請求項２記載の回折格子において、前記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率と前記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率とが等しく、前記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と前記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが等しいことを特徴とする回折格子。
- 請求項２記載の回折格子において、前記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率と前記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率とが０であることを特徴とする回折格子。
- 第１の光線と第２の光線を有する入射偏光を回折する回折格子と、複数の光検出器とを有する光磁気ヘッドであって、
前記回折格子は、非対称の格子パターンを形成する複数の光伝達媒質を有し、ｎは自然数であって、前記第１の光線と前記第２の光線からそれぞれ分離された±ｎ次回折光を生成するために、少なくとも前記媒質のうち少なくとも１つが前記第１の光線と前記第２の光線における屈折率が異なっており、
前記格子パターンに沿った方向に対し垂直な断面において、前記格子パターンは前記媒質間に階段状の境界線を有し、前記階段状の段の幅がそれぞれ異なっており、
前記格子パターンは、＋ｎ次回折光と−ｎ次回折光から光磁気信号が検出可能な程度に、前記第１の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が、前記第１の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも大きく、前記第２の光線の＋ｎ次回折光の回折効率が、前記第２の光線の−ｎ次回折光の回折効率よりも小さくなるようにされ、かつ、前記第１の光線の０次光と前記第2の光線の０次光とが、対称性を有するように構成され、
前記複数の光検出器は、前記回折格子の±ｎ次回折光を検出するものであり、
前記回折格子には、光磁気媒体からの反射光が入射されることを特徴とする光磁気ヘッド。
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