JPH038134A - 光集積回路及び光学装置 - Google Patents
光集積回路及び光学装置Info
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- JPH038134A JPH038134A JP1141015A JP14101589A JPH038134A JP H038134 A JPH038134 A JP H038134A JP 1141015 A JP1141015 A JP 1141015A JP 14101589 A JP14101589 A JP 14101589A JP H038134 A JPH038134 A JP H038134A
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- Optical Head (AREA)
- Optical Recording Or Reproduction (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光通信あるいは光ディスク記録装置等のオプ
トエレクトロニクス機器に用いる光集積回路及び光学装
置に係り、特に光源として半導体レーザを用いた場合、
光源の波長変動によって生じる各種の収差を補正した光
集積回路及び光学装置に関するものである。
トエレクトロニクス機器に用いる光集積回路及び光学装
置に係り、特に光源として半導体レーザを用いた場合、
光源の波長変動によって生じる各種の収差を補正した光
集積回路及び光学装置に関するものである。
光通信システムや光情報処理などの分野に使用される光
部品は、従来、レンズ、プリズム、グレーティングなど
のバルク部品を、機械的に組合せることによって構成し
ていた。したがって、上記光部品は外形寸法が大きくて
小形化の要請に適応できず、コストが高価であり、ある
いはまた、機械的な結合により組合せているため、長時
間の使用に対する安全性に欠け、信頼性が劣るという種
々の問題がある。そのため、近年、1つの基板上に複数
個の素子を集積化した光集積回路(光IC)の概念が導
入され、光部品の大幅な小形化および低コスト化が検討
されている。すなわち、光ICは1つの基板上に受・発
光素子や導波路形(薄膜形)のレンズやグレーティング
などの集積化して光部品を構成するものである。
部品は、従来、レンズ、プリズム、グレーティングなど
のバルク部品を、機械的に組合せることによって構成し
ていた。したがって、上記光部品は外形寸法が大きくて
小形化の要請に適応できず、コストが高価であり、ある
いはまた、機械的な結合により組合せているため、長時
間の使用に対する安全性に欠け、信頼性が劣るという種
々の問題がある。そのため、近年、1つの基板上に複数
個の素子を集積化した光集積回路(光IC)の概念が導
入され、光部品の大幅な小形化および低コスト化が検討
されている。すなわち、光ICは1つの基板上に受・発
光素子や導波路形(薄膜形)のレンズやグレーティング
などの集積化して光部品を構成するものである。
光ICの構成素子として、グレーティングカップラがあ
る。これは光導波路に形成される導波路覧・、 〉 型回折格子であり、光導波路に光を入射させたり、光導
波路外に光を出射させたりする機能をもった素子であり
、光ICのキーとなる素子の一つである。
る。これは光導波路に形成される導波路覧・、 〉 型回折格子であり、光導波路に光を入射させたり、光導
波路外に光を出射させたりする機能をもった素子であり
、光ICのキーとなる素子の一つである。
上記したグレーティングカップラとしては、J、
H,Harris、 et al、
Theory andDesign of
Periodic Couplers、 Appl
。
H,Harris、 et al、
Theory andDesign of
Periodic Couplers、 Appl
。
Opt、 、 11.10 (1972) 、 T、
Tam1r and S。
Tam1r and S。
T、 Peng 、 Analysis and
Design ofGrating Coupl
ers 、 Appl、 Phys、 、14゜(’1
977)等にその具体的な設計方法が論じられている。
Design ofGrating Coupl
ers 、 Appl、 Phys、 、14゜(’1
977)等にその具体的な設計方法が論じられている。
また、グレーティングカップラを用いて光IC化した光
学部品としては、特開昭61−85641号、特開昭6
1−296540号公報に光ディスク装置用光ヘッドと
しての適用例が述べられている。
学部品としては、特開昭61−85641号、特開昭6
1−296540号公報に光ディスク装置用光ヘッドと
しての適用例が述べられている。
上記従来技術において、光源として半導体レーザを用い
た場合、以下のような問題点がある。すなわち、半導体
レーザはその放出する光の波長が動−作温度や、半導体
レーザを製造するときの製造工程のばらつきにより変化
するのが一般的である。
た場合、以下のような問題点がある。すなわち、半導体
レーザはその放出する光の波長が動−作温度や、半導体
レーザを製造するときの製造工程のばらつきにより変化
するのが一般的である。
したがって、放出する波長が単一でない場合の第一の問
題は、グレーティングカップラにより光導波路に入射可
能な入射角が変化し、入射結合効率が低下する問題があ
った。また、グレーティングカップラを出射側に用いた
場合、上記と同様に出射角が変化する問題があった。
題は、グレーティングカップラにより光導波路に入射可
能な入射角が変化し、入射結合効率が低下する問題があ
った。また、グレーティングカップラを出射側に用いた
場合、上記と同様に出射角が変化する問題があった。
第二の問題は、集光グレーティングカップラとして不等
間隔曲線形状のグレーティングカップラを光ヘッドの対
物レンズとして用いた場合、光ディスク媒体に記録され
た高密度の情報を読み出すために、焦点における光のス
ポントサイズを回折限界近くに絞り込む必要がある。そ
こで、レンズのNA(レンズの直径/焦点距離)は0.
45以上が要求される。しかし、上記した従来の集光グ
レーティングカップラの場合、NAを0.45とすると
き。
間隔曲線形状のグレーティングカップラを光ヘッドの対
物レンズとして用いた場合、光ディスク媒体に記録され
た高密度の情報を読み出すために、焦点における光のス
ポントサイズを回折限界近くに絞り込む必要がある。そ
こで、レンズのNA(レンズの直径/焦点距離)は0.
45以上が要求される。しかし、上記した従来の集光グ
レーティングカップラの場合、NAを0.45とすると
き。
レーザ光の波長ずれをΔλとすると、1Δλ1=9.8
X 10−’と厳しい値が要求される。また、レーザ
光の光軸からのずれδ、導波光の実効屈折率のずれΔN
はそれぞれ以下の値が要求される。
X 10−’と厳しい値が要求される。また、レーザ
光の光軸からのずれδ、導波光の実効屈折率のずれΔN
はそれぞれ以下の値が要求される。
δに6.9 X 1.0−4
ΔN=9.8XIF4
これらの値は、極めて厳しく実用化レベルでない。
特に、δが小さいため、導波光と垂直に表面弾性波を伝
播させ1弾性波により光を光軸から左右に偏向させるこ
とにより、高速アクセスを実現する集積化光ピツクアッ
プには適用できない欠点があった。
播させ1弾性波により光を光軸から左右に偏向させるこ
とにより、高速アクセスを実現する集積化光ピツクアッ
プには適用できない欠点があった。
第三の問題は、上記した従来の光IC化された光ヘッド
において、光ディスクからの信号を検出するビームスプ
リッタが、いわゆるコプレーナの光学素子として構成さ
れているため、受容角(光が素子に本来の入射角よりず
れて入射しても素子特性の劣化が小さく、許容できる入
射角のずれの大きさ)が小さく、焦点誤差信号の検出範
囲が狭く、フォーカシングサーボが働く範囲が狭く限定
されると共に、レーザ光の波長変動に対する特性劣化が
大きい、いわゆる色収差が大きいという課題があった。
において、光ディスクからの信号を検出するビームスプ
リッタが、いわゆるコプレーナの光学素子として構成さ
れているため、受容角(光が素子に本来の入射角よりず
れて入射しても素子特性の劣化が小さく、許容できる入
射角のずれの大きさ)が小さく、焦点誤差信号の検出範
囲が狭く、フォーカシングサーボが働く範囲が狭く限定
されると共に、レーザ光の波長変動に対する特性劣化が
大きい、いわゆる色収差が大きいという課題があった。
第四の問題は、上記従来の光ヘッドは光ディスクが上記
光ヘッドに対して平行でない場合、光ディスク面で反射
した光が再び光導波路に導かれたときの光軸がビームス
プリンタの中心軸とずれるため、トラッキング誤差検出
信号にオフセットが発生するという課題があった。
光ヘッドに対して平行でない場合、光ディスク面で反射
した光が再び光導波路に導かれたときの光軸がビームス
プリンタの中心軸とずれるため、トラッキング誤差検出
信号にオフセットが発生するという課題があった。
本発明の第1の目的は、マルチモードの半導体レーザ光
を用いた場合でも、特性の変動が少なく、かつ光利用効
率の高い光集積回路を提供することにある。
を用いた場合でも、特性の変動が少なく、かつ光利用効
率の高い光集積回路を提供することにある。
本発明の第2の目的は、導波光を表面弾性波により光軸
から左右に高速に偏向させることができて、高速アクセ
スが可能な光ピツクアップ、すなわち、光情報読み出し
装置を提供することにある。
から左右に高速に偏向させることができて、高速アクセ
スが可能な光ピツクアップ、すなわち、光情報読み出し
装置を提供することにある。
本発明の第3の目的はレーザ光の波長変動がある場合に
も有効に動作し、広範囲にフォーカシングサーボが有効
に働く改良された光ヘッドを提供することにあり、第4
の目的は光ディスクが傾いて光ヘッドに対し平行でない
場合等において問題になるトラッキング誤差検出信号の
オフセットを低減することにある。
も有効に動作し、広範囲にフォーカシングサーボが有効
に働く改良された光ヘッドを提供することにあり、第4
の目的は光ディスクが傾いて光ヘッドに対し平行でない
場合等において問題になるトラッキング誤差検出信号の
オフセットを低減することにある。
上記第一の目的は、レーザ光を別途設けた収差補正用グ
レーティングを用いて回折させることにより達成される
。ここで上記収差補正用グレーティングの格子間隔は、
好ましくは半導体レーザ光のある波長に対して、はぼB
ragg条件を満足するように設定することを特徴と
する。
レーティングを用いて回折させることにより達成される
。ここで上記収差補正用グレーティングの格子間隔は、
好ましくは半導体レーザ光のある波長に対して、はぼB
ragg条件を満足するように設定することを特徴と
する。
上記第二の目的は、光導波路から導波光を基板内部方向
へ出射せしめる等間隔直線形状のグレーティングと、出
射光を一点に収束させる働きを有する集光素子とをハイ
ブリット一体化することにより達成される。上記基板上
、特に光導波路上には、表面弾性波を励振する電極を配
置することができる。これにより、導波光の出射方向を
変えることができ、光集積回路を高速光偏向装置として
用いることができる。
へ出射せしめる等間隔直線形状のグレーティングと、出
射光を一点に収束させる働きを有する集光素子とをハイ
ブリット一体化することにより達成される。上記基板上
、特に光導波路上には、表面弾性波を励振する電極を配
置することができる。これにより、導波光の出射方向を
変えることができ、光集積回路を高速光偏向装置として
用いることができる。
上記第三及び第四の目的は、光ディスクからの信号を検
出するビームスプリンタをレーザ光の入射用と出射用グ
レーティングカップラの間の光導波路上に形成し、光デ
ィスクからの反射光を4分割すると共に光導波路面と所
定の出射角度をもって基板内に出射し、更に基板端面か
ら外部に設けられた受光器の受光面に集光するように前
記反射光の光束のほぼ中心光軸を対称軸として左右に設
けられた2対の不等間隔曲線形状グレーティングで構成
したことを特徴とする光ヘッドにより達成される。
出するビームスプリンタをレーザ光の入射用と出射用グ
レーティングカップラの間の光導波路上に形成し、光デ
ィスクからの反射光を4分割すると共に光導波路面と所
定の出射角度をもって基板内に出射し、更に基板端面か
ら外部に設けられた受光器の受光面に集光するように前
記反射光の光束のほぼ中心光軸を対称軸として左右に設
けられた2対の不等間隔曲線形状グレーティングで構成
したことを特徴とする光ヘッドにより達成される。
本発明の作用効果の一例を第1図を用いて説明する0本
発明の効果は、第1図の6に示した収差補正用グレーテ
ィングにより達成される。すなわち第1図において、半
導体レーザ光の波長がλ(0)からλ(1)に変化した
場合(λ(0)〉λ(1))、グレーティングカップラ
への入射角はえ(0)、λ(1)に対応したα(0)、
α(1)の場合のみ光導波路へ光の強い結合がおきる。
発明の効果は、第1図の6に示した収差補正用グレーテ
ィングにより達成される。すなわち第1図において、半
導体レーザ光の波長がλ(0)からλ(1)に変化した
場合(λ(0)〉λ(1))、グレーティングカップラ
への入射角はえ(0)、λ(1)に対応したα(0)、
α(1)の場合のみ光導波路へ光の強い結合がおきる。
ここで、収差補正グレーティングがない場合、波長が変
化してもグレーティングカップラへの入射角は変化しな
いため、入射結合効率が低下する。
化してもグレーティングカップラへの入射角は変化しな
いため、入射結合効率が低下する。
そこで収差補正用グレーティングを設置し、その格子間
隔り、傾斜角δを適正化する。その結果、波長λ(0)
とλ(1)の光に対して、収差補正用グレーティング6
からの回折角をある特定の角度γ(0)とγ(1)に設
定することができる。
隔り、傾斜角δを適正化する。その結果、波長λ(0)
とλ(1)の光に対して、収差補正用グレーティング6
からの回折角をある特定の角度γ(0)とγ(1)に設
定することができる。
なお、γ(0)とγ(1)は基板との界面で屈折し、そ
れぞれグレーティングカップラへの入射角α(O)、α
(1)となる。したがって、半導体レーザ光の波長が変
化してもグレーティングカップラへの入射角をλ(0)
とλ(1)に対応したα(0)とα(1)にすることが
でき、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の低下を
防ぐことができる。また、色収差などの収差についても
防ぐことができる。ここで、λ(0)〜λ(1)の光の
うち少なくとも1つの波長に対して収差補正用グレーテ
ィング6がB ragg条件を満たすか、またはB r
agg条件近傍で回折がおこるようにDを定めることが
強度の高い光を得るために重要であり、本発明のポイン
トの一つでもある。
れぞれグレーティングカップラへの入射角α(O)、α
(1)となる。したがって、半導体レーザ光の波長が変
化してもグレーティングカップラへの入射角をλ(0)
とλ(1)に対応したα(0)とα(1)にすることが
でき、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の低下を
防ぐことができる。また、色収差などの収差についても
防ぐことができる。ここで、λ(0)〜λ(1)の光の
うち少なくとも1つの波長に対して収差補正用グレーテ
ィング6がB ragg条件を満たすか、またはB r
agg条件近傍で回折がおこるようにDを定めることが
強度の高い光を得るために重要であり、本発明のポイン
トの一つでもある。
〔実施例1〕
つぎに本発明の実施例を図面とともに更に具体的に説明
する・ 第1図において、基板1としてLiNb○、結晶を用い
、基板表面近傍に基板よりも屈折率が若干高い光導波路
2及びグレーティングカップラ3を形成する。次に、半
導体レーザ4の出射光を基板1に対して平行に入射する
ためのガラスブロック5及び5′と前記ガラスブロック
5,5′の間に収差補正用グレーティング6を介在させ
る。
する・ 第1図において、基板1としてLiNb○、結晶を用い
、基板表面近傍に基板よりも屈折率が若干高い光導波路
2及びグレーティングカップラ3を形成する。次に、半
導体レーザ4の出射光を基板1に対して平行に入射する
ためのガラスブロック5及び5′と前記ガラスブロック
5,5′の間に収差補正用グレーティング6を介在させ
る。
次に、第1図に示した本発明による光集積回路の動作に
ついて説明する。第1図において、グレーティングカッ
プラ3は直線等間隔の回折格子であり、その格子間隔を
Δ、光導波路2の実効屈折率をN、基板1の屈折率をn
5.半導体レーザ4の波長をλ、グレーティングカップ
ラ3へのレーザ光の入射角をαとすると、 N−λ/Δ cosα= ・・・(1)s なる関係により、入射角αは波長λに対して一義的に決
定される。そこで、本発明では半導体レーザ4の波長が
変化しても入射結合効率の低下など閂苛止するための収
差補正用グレーティング6を設ける。すなわち、半導体
レーザ4の波長がλ(0)からλ(1)に変化した場合
(λ(0)〉λ(1))、収差補正用グレーティング6
の格子間隔り、傾斜角δを適正化する。その結果、波長
λ(0)とλ(1)の光に対して収差補正用グレーティ
ング6からの回折角をある特定の角度γ(0)とγ(1
)に設定することができる。そこで半導体レーザ4の波
長が変化してもグレーティングカップラの入射角をλ(
0)とλ(1)に対応したα(0)とα(1)にするこ
とができ、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の低
下及び色収差などの収差を防ぐことができる。次に、収
差補正用グレーティング6の格子間隔り、傾斜角δの具
体例を述べる。
ついて説明する。第1図において、グレーティングカッ
プラ3は直線等間隔の回折格子であり、その格子間隔を
Δ、光導波路2の実効屈折率をN、基板1の屈折率をn
5.半導体レーザ4の波長をλ、グレーティングカップ
ラ3へのレーザ光の入射角をαとすると、 N−λ/Δ cosα= ・・・(1)s なる関係により、入射角αは波長λに対して一義的に決
定される。そこで、本発明では半導体レーザ4の波長が
変化しても入射結合効率の低下など閂苛止するための収
差補正用グレーティング6を設ける。すなわち、半導体
レーザ4の波長がλ(0)からλ(1)に変化した場合
(λ(0)〉λ(1))、収差補正用グレーティング6
の格子間隔り、傾斜角δを適正化する。その結果、波長
λ(0)とλ(1)の光に対して収差補正用グレーティ
ング6からの回折角をある特定の角度γ(0)とγ(1
)に設定することができる。そこで半導体レーザ4の波
長が変化してもグレーティングカップラの入射角をλ(
0)とλ(1)に対応したα(0)とα(1)にするこ
とができ、レーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の低
下及び色収差などの収差を防ぐことができる。次に、収
差補正用グレーティング6の格子間隔り、傾斜角δの具
体例を述べる。
まずDは、波長λ(0)の光が収差補正用グレーティン
グ6によりB ragg条件、もしくはB ragg条
件近傍で回折されるよう(2)、(3)式を満たすよう
な条件とする。
グ6によりB ragg条件、もしくはB ragg条
件近傍で回折されるよう(2)、(3)式を満たすよう
な条件とする。
β(0)二波長λ(0)での回折格子に対する入射角
γ(0)二波長λ(0)での回折格子に対する出射角
また波長λ(1)の光がB ragg条件の近傍で回折
されるように(4)式を満たす条件とする。
されるように(4)式を満たす条件とする。
β(1)二波長λ(1)での回折格子に対する入射角(
β(O)=β(1)) γ(1):波長λ(1)での回折格子に対する出射角 さらに下記の条件(5)〜(12)式が満たされるよう
にり、δ、θを定める。
β(O)=β(1)) γ(1):波長λ(1)での回折格子に対する出射角 さらに下記の条件(5)〜(12)式が満たされるよう
にり、δ、θを定める。
α、(0)=α。(0)十〇−二 ・・・(7)αzD
)=α。(1)十〇−二 ・・・(8)β (0)斗γ
(0) ・・・・・ (3)α2(
1) =sin+ [子sinα、(1)]・(10)
γ(0)=αz(o)−i’−δ+π ・ (11)γ
(1)=α2(1)−〇−δ十π・・(12)α。(O
):λ(0)でのグレーティングカップラへの入射角 α。(1):λ(1)でのグレーティングカップラへの
入射角 α、(0) 二λ(0)でのガラスブロックから基板
への屈折角 α1(1) :λ(])でのガラスブロックから基板
の屈折角 α、(0):λ(0)での基板への入射角α、(1):
λ(1)での基板への入射角Δニゲレーティングカップ
ラの格子間隔D:収差補正用グレーティング6の格子間
隔 θ:基板端面の切断角 δ:収差補正用グレーティング6の傾きm:収差補正用
のグレーティング6で回折された光の回折次数であり、
−1 とする。
)=α。(1)十〇−二 ・・・(8)β (0)斗γ
(0) ・・・・・ (3)α2(
1) =sin+ [子sinα、(1)]・(10)
γ(0)=αz(o)−i’−δ+π ・ (11)γ
(1)=α2(1)−〇−δ十π・・(12)α。(O
):λ(0)でのグレーティングカップラへの入射角 α。(1):λ(1)でのグレーティングカップラへの
入射角 α、(0) 二λ(0)でのガラスブロックから基板
への屈折角 α1(1) :λ(])でのガラスブロックから基板
の屈折角 α、(0):λ(0)での基板への入射角α、(1):
λ(1)での基板への入射角Δニゲレーティングカップ
ラの格子間隔D:収差補正用グレーティング6の格子間
隔 θ:基板端面の切断角 δ:収差補正用グレーティング6の傾きm:収差補正用
のグレーティング6で回折された光の回折次数であり、
−1 とする。
N:光導波路5の実効屈折率
nS 二基板2の屈折率
nPニガラスブロックの屈折率
第2図は本発明で用いる収差補正用グレーティング6の
好ましい断面形状を示したものであり。
好ましい断面形状を示したものであり。
強度の高い回折光を得るためにはすでに達人たB ra
gg条件を満たす形状の回折格子を用いることが望まし
い。
gg条件を満たす形状の回折格子を用いることが望まし
い。
以上述べた条件を満たす回折格子の具体的な一例として
は、λ(0)が0.78pm、 λ(1)が0.77
6pmの半導体レーザを用い、n s =2.2. N
=2.209のLiNb0.結晶を用いたTi拡散光
導波路を用い、その上にA=4μmのグレーティングカ
ップラを形成し、基本のレーザ光入射端面にnP=1.
45のBK−7製のガラスブロックを貼り付けた場合、
θは約56度、δは約100度、Dは約1,6μmとな
る。この場合回折格子に対するλ(0)、λ(1)の光
の入射角は等しいが出射角の差は約0.1度となり、そ
れぞれの波長で光導波路への結合条件を満たす角度α。
は、λ(0)が0.78pm、 λ(1)が0.77
6pmの半導体レーザを用い、n s =2.2. N
=2.209のLiNb0.結晶を用いたTi拡散光
導波路を用い、その上にA=4μmのグレーティングカ
ップラを形成し、基本のレーザ光入射端面にnP=1.
45のBK−7製のガラスブロックを貼り付けた場合、
θは約56度、δは約100度、Dは約1,6μmとな
る。この場合回折格子に対するλ(0)、λ(1)の光
の入射角は等しいが出射角の差は約0.1度となり、そ
れぞれの波長で光導波路への結合条件を満たす角度α。
(0)、αo(1)で入射する。
この場合回折光(収差補正用グレーティング6の出射光
)の効率は、Tを約11μmとすることにより、90%
以上となる。
)の効率は、Tを約11μmとすることにより、90%
以上となる。
なお、上記した収差補正用グレーティング6の一例とし
て、基板としてBK−7ガラス8を用い、その上に5i
O29をCVD法などの公知の成膜法で約11μm形成
し、公知のホトリソグラフィによりSin、層を所定形
状に微細加工した。次に、BK−711Jのガラスブロ
ック5,5′と上記回折格子6をBK−7とほぼ同じ屈
折率をもつ接着剤で貼り合わせ、上記したSi○29と
接着剤で同期構造を形成させることにより、収差補正用
グレーティング6として機能させる。
て、基板としてBK−7ガラス8を用い、その上に5i
O29をCVD法などの公知の成膜法で約11μm形成
し、公知のホトリソグラフィによりSin、層を所定形
状に微細加工した。次に、BK−711Jのガラスブロ
ック5,5′と上記回折格子6をBK−7とほぼ同じ屈
折率をもつ接着剤で貼り合わせ、上記したSi○29と
接着剤で同期構造を形成させることにより、収差補正用
グレーティング6として機能させる。
本発明で用いる回折格子の形態としては、第1図、第2
図に示したような透過型回折格子の他に第3図に示すよ
うな反射膜IOを設けた反射型回折格子がある。
図に示したような透過型回折格子の他に第3図に示すよ
うな反射膜IOを設けた反射型回折格子がある。
第4図は1本発明の一実施例を示し、光ディスク装置に
用いる光ヘッドとして有効な光ICである。第4図にお
いて、半導体レーザ4から出射した光はコリメートレン
ズ11.ガラスブロック5゜収差補正用グレーティング
6を介して基板1側からグレーティングカップラ3に入
射し、光導波器2に導波される。導波光7は光導波路2
上に形成した表面弾性波(SAW)を利用した光偏向器
12で偏向され、出射側のグレーティングカップラ3′
で再び基板内に出射され、収差補正グレーティング6′
で回折しガラスブロック13で光路を垂直に変換した後
、対物レンズ14で光ディスク15上の一点に集光され
る。一方、光ディスク15からの反射光は再び同一経路
をたどり、出射側のグレーティングカップラ3′で光導
波路2に導波され、光偏向器12を通過し、光導波路2
上に形成した集光ビームスプリッタ16により2分割す
るとともに基板側に出射され5かつガラスブロック5の
端面に設けたホトダイオード17.17’ の受光面の
一点に集光され、光ディスク15からの信号を検出する
。
用いる光ヘッドとして有効な光ICである。第4図にお
いて、半導体レーザ4から出射した光はコリメートレン
ズ11.ガラスブロック5゜収差補正用グレーティング
6を介して基板1側からグレーティングカップラ3に入
射し、光導波器2に導波される。導波光7は光導波路2
上に形成した表面弾性波(SAW)を利用した光偏向器
12で偏向され、出射側のグレーティングカップラ3′
で再び基板内に出射され、収差補正グレーティング6′
で回折しガラスブロック13で光路を垂直に変換した後
、対物レンズ14で光ディスク15上の一点に集光され
る。一方、光ディスク15からの反射光は再び同一経路
をたどり、出射側のグレーティングカップラ3′で光導
波路2に導波され、光偏向器12を通過し、光導波路2
上に形成した集光ビームスプリッタ16により2分割す
るとともに基板側に出射され5かつガラスブロック5の
端面に設けたホトダイオード17.17’ の受光面の
一点に集光され、光ディスク15からの信号を検出する
。
以下に第4図の光ICの製造方法及び作用の詳細につい
て説明する。第4図の光ICの製造方法について、まず
グレーティングカップラ3,3′や集光ビームスプリッ
タ16などの各種導波路型光学素子に関して第5図を用
いて説明する。第5図において基板1として光学研磨し
たLiNb0.結晶を用い、Tiをスパッタリングによ
り24nm堆積させ、熱拡散を行って光導波路2を形成
した。上記スパッタリングの条件は、高周波パワー30
0W。
て説明する。第4図の光ICの製造方法について、まず
グレーティングカップラ3,3′や集光ビームスプリッ
タ16などの各種導波路型光学素子に関して第5図を用
いて説明する。第5図において基板1として光学研磨し
たLiNb0.結晶を用い、Tiをスパッタリングによ
り24nm堆積させ、熱拡散を行って光導波路2を形成
した。上記スパッタリングの条件は、高周波パワー30
0W。
アルゴンガス圧0,35Pa、スパッタ速度0.4nn
+/secである。熱拡散は電気炉を用いて、1000
℃に加熱しアルゴンガス雰囲気中で2時間、続いて酸素
ガスを0.5時間流して行った。ここで光導波路の表面
屈折率はnf=2.22となり等側屈折率N=2.20
9のTE単一モード光導波路であった。なお光導波路2
はプロトン交換法によって作製してもよい。
+/secである。熱拡散は電気炉を用いて、1000
℃に加熱しアルゴンガス雰囲気中で2時間、続いて酸素
ガスを0.5時間流して行った。ここで光導波路の表面
屈折率はnf=2.22となり等側屈折率N=2.20
9のTE単一モード光導波路であった。なお光導波路2
はプロトン交換法によって作製してもよい。
光導波路2上に形成するバッファ層18は次に形成する
グレーテイング層の剥離やクランクなどの発生を防止す
るものであり、コーニング社7059ガラスをスパッタ
リングにより10nn形成した。スパッタ条件は高周波
パワー100W 、アルゴンガス圧0.35Pa、スパ
ッタ速度0.2nm/seeである。バッファ層上にグ
レーテイング層3としてTiO2を反応性スパッタリン
グにより1100n形成した。スパッタ条件は、Ti○
2ターゲットを用いてスパッタガスとしてアルゴンと酸
素を用い、02とArの流量比0.7.スパッタガス圧
力0.42Pa、高周波パワー500W、スパッタ速度
0.1r+m/secである。次にグレーテイング層3
およびバッファ層18を所定の2厚波路型光学素子の形
状に微細加工するために、グレーテイング層3上にレジ
スト19を回転塗布法により形成した。ここではレジス
ト19として電子線レジストであるクロルメチル化ポリ
スチレン(CMS−EXR:東洋ソーダ製)を用い、J
グさ0.5μmとした。上記レジストを130℃で20
分間プリベークしたのち、電子ビーム20を所定のグレ
ーテイング層形状に照射した。照射条件は、電子ビーム
径0.1μm、照射量16μc/aJとした。電子ビー
ム露光後に現像を行いレジスト環のマスクを形成した。
グレーテイング層の剥離やクランクなどの発生を防止す
るものであり、コーニング社7059ガラスをスパッタ
リングにより10nn形成した。スパッタ条件は高周波
パワー100W 、アルゴンガス圧0.35Pa、スパ
ッタ速度0.2nm/seeである。バッファ層上にグ
レーテイング層3としてTiO2を反応性スパッタリン
グにより1100n形成した。スパッタ条件は、Ti○
2ターゲットを用いてスパッタガスとしてアルゴンと酸
素を用い、02とArの流量比0.7.スパッタガス圧
力0.42Pa、高周波パワー500W、スパッタ速度
0.1r+m/secである。次にグレーテイング層3
およびバッファ層18を所定の2厚波路型光学素子の形
状に微細加工するために、グレーテイング層3上にレジ
スト19を回転塗布法により形成した。ここではレジス
ト19として電子線レジストであるクロルメチル化ポリ
スチレン(CMS−EXR:東洋ソーダ製)を用い、J
グさ0.5μmとした。上記レジストを130℃で20
分間プリベークしたのち、電子ビーム20を所定のグレ
ーテイング層形状に照射した。照射条件は、電子ビーム
径0.1μm、照射量16μc/aJとした。電子ビー
ム露光後に現像を行いレジスト環のマスクを形成した。
その後イオンエツチングによりグレーテイング層3およ
びバッファ層18を′#細加工した。
びバッファ層18を′#細加工した。
イオンエツチングの条件は、エツチングガスとしてCF
4を用い、圧力3.8Pa、高周波パワー200W。
4を用い、圧力3.8Pa、高周波パワー200W。
エツチング時間15mjnとした。エツチングの後レジ
スト製マスクを除去してグレーティングカップラ3,3
′や集光ビームスプリッタ16などの各種導波路型光学
素子が形成できた。次に、SAW光偏向器12は真空蒸
着法によりAl1膜を1100n蒸着し、所定のくし形
電極に微細加工した。なお、上記加工はリフトオフ法を
用いた。電極の仕様は中心波長14μm、中心周波数2
50MHz、対数2である。
スト製マスクを除去してグレーティングカップラ3,3
′や集光ビームスプリッタ16などの各種導波路型光学
素子が形成できた。次に、SAW光偏向器12は真空蒸
着法によりAl1膜を1100n蒸着し、所定のくし形
電極に微細加工した。なお、上記加工はリフトオフ法を
用いた。電極の仕様は中心波長14μm、中心周波数2
50MHz、対数2である。
次に6の収差補正用グレーティングに関しては、基板8
としてBK−7ガラスを用い、その上にSjo、9を約
11μm、5iCQ4と02を原料としたCVD法もし
くは蒸着法、スパッタリング等によって形成した。次に
51029をホトリソグラフィにより所定の格子形状に
加工するために、上記した各種導波路型光学素子と同様
にホトレジスト(OF P R800)を1μm回転塗
布法により形成した。上記レジストを85℃で30分間
プリベークした後、所定の格子形状を描いたホトマスク
により、U■露光装置を用いて密着露光した。露光後ク
ロルベンゼン中で40°Cで5分間浸漬処理を行った後
現像した。レジスト環の格子パターン上へCrを蒸着し
、アセトン中で超音波洗浄を行ってレジストを除去しC
r製のマスクを形成した。その後CF、ガスを用いたイ
オンエツチングによりSiO□を微細加工し、Crを除
去して格子パターンが形成できた。このホトリソグラフ
ィ技術はi′11述のグレーテイング層およびバッファ
層の微細加工にも応用することができる。上記の素子を
形成した基板1.収差補正用グレーティング6.6′及
びBK−7製のガラスブロック5,5′はそれぞれの端
面を所定の角度で切断、研磨してBK−7とぼ同し屈折
率をもつ接着剤で貼り合わされ、半4体レーザ4及びホ
トダイオード17.17’ を端面結合して 4図の光
ICを形成した。次に第4図の光ICの作用について説
明する。半導体レーザ4からの出射光(波長0.776
〜O,,78μm)は、コリメートレンズ11で平行光
に変換され収差補正用グレーティング6により回折され
、さらに基板1の界面で屈折し、波長及びグレーティン
グカップラの格子間隔に応して第(10) 、 (1
1)式に従って光導波路2に導波される。導波光7は、
SAW光偏向器12により偏向されてグレーティングカ
ップラ3′に入射し、波長及びグレーティングカップラ
の格子間隔に応じて第(10) 、 (11)式に従
って基板内に出射される。基板内に出射された光は収差
補正用グレーティング6′により回折されガラスブロッ
ク13端面で反射されて上方に出射され光ディスク15
に対して垂直に移動する機構を有したレンズ14で集光
されて光ディスク15のビット(情報)に集光される。
としてBK−7ガラスを用い、その上にSjo、9を約
11μm、5iCQ4と02を原料としたCVD法もし
くは蒸着法、スパッタリング等によって形成した。次に
51029をホトリソグラフィにより所定の格子形状に
加工するために、上記した各種導波路型光学素子と同様
にホトレジスト(OF P R800)を1μm回転塗
布法により形成した。上記レジストを85℃で30分間
プリベークした後、所定の格子形状を描いたホトマスク
により、U■露光装置を用いて密着露光した。露光後ク
ロルベンゼン中で40°Cで5分間浸漬処理を行った後
現像した。レジスト環の格子パターン上へCrを蒸着し
、アセトン中で超音波洗浄を行ってレジストを除去しC
r製のマスクを形成した。その後CF、ガスを用いたイ
オンエツチングによりSiO□を微細加工し、Crを除
去して格子パターンが形成できた。このホトリソグラフ
ィ技術はi′11述のグレーテイング層およびバッファ
層の微細加工にも応用することができる。上記の素子を
形成した基板1.収差補正用グレーティング6.6′及
びBK−7製のガラスブロック5,5′はそれぞれの端
面を所定の角度で切断、研磨してBK−7とぼ同し屈折
率をもつ接着剤で貼り合わされ、半4体レーザ4及びホ
トダイオード17.17’ を端面結合して 4図の光
ICを形成した。次に第4図の光ICの作用について説
明する。半導体レーザ4からの出射光(波長0.776
〜O,,78μm)は、コリメートレンズ11で平行光
に変換され収差補正用グレーティング6により回折され
、さらに基板1の界面で屈折し、波長及びグレーティン
グカップラの格子間隔に応して第(10) 、 (1
1)式に従って光導波路2に導波される。導波光7は、
SAW光偏向器12により偏向されてグレーティングカ
ップラ3′に入射し、波長及びグレーティングカップラ
の格子間隔に応じて第(10) 、 (11)式に従
って基板内に出射される。基板内に出射された光は収差
補正用グレーティング6′により回折されガラスブロッ
ク13端面で反射されて上方に出射され光ディスク15
に対して垂直に移動する機構を有したレンズ14で集光
されて光ディスク15のビット(情報)に集光される。
光ディスク15により反射された光は、レンズ14.ガ
ラスプロyり13.収差補正用グレーティンクロ′を通
すグレーティングカソブラ3′により再び光導波路2に
入射した後、集光ビームスプリンタ16に入射すること
によって2分割されるとともに2分割ホトダイオード1
7.17’上に集光されてピントの情報が読み取られる
。
ラスプロyり13.収差補正用グレーティンクロ′を通
すグレーティングカソブラ3′により再び光導波路2に
入射した後、集光ビームスプリンタ16に入射すること
によって2分割されるとともに2分割ホトダイオード1
7.17’上に集光されてピントの情報が読み取られる
。
ここで収差補正用グレーティング6がない場合。
半導体レーザの波長が0.776〜0.78μmの範囲
で変化したとき、光導波路2へ最大の効率で結合がおき
る角度が約0.1度変化するが、グレーティングカップ
ラ3への入射角は常に一定であるため入射結合効率が低
下する。これに対し本発明の、格子ピッチDが約1.6
μm、格子高さTが約11μmの収差補正用グレーティ
ング6を用いることにより、波長に応じて異なる角度で
回折し、最適な角度でグレーティングカップラ3に入射
し、高い入射結合効率が得られる。
で変化したとき、光導波路2へ最大の効率で結合がおき
る角度が約0.1度変化するが、グレーティングカップ
ラ3への入射角は常に一定であるため入射結合効率が低
下する。これに対し本発明の、格子ピッチDが約1.6
μm、格子高さTが約11μmの収差補正用グレーティ
ング6を用いることにより、波長に応じて異なる角度で
回折し、最適な角度でグレーティングカップラ3に入射
し、高い入射結合効率が得られる。
また、収差補正用グレーティング6′がない場合、半導
体レーザの波長が0.776〜0.78μmの範囲で変
化したとき、レンズ14への入射角は約0.1変異なり
、スポット装置はジッタ方向へ約8μmずれる。これに
対し本発明の、格子ピッチDが約2.5μm、格子高さ
Tが約11μmの収差補正用グレーティング6′を用い
ることにより、入射角の差は0.01度以下になり、ジ
ッタ方向へのスポット位置変動も0.01μm以下にな
る。本発明の収差補正用グレーティング6′により光デ
ィスク上のスポット位置変動の波長依存性は大きく減少
し、より正確な情報が読み取れる光ヘットとなる。
体レーザの波長が0.776〜0.78μmの範囲で変
化したとき、レンズ14への入射角は約0.1変異なり
、スポット装置はジッタ方向へ約8μmずれる。これに
対し本発明の、格子ピッチDが約2.5μm、格子高さ
Tが約11μmの収差補正用グレーティング6′を用い
ることにより、入射角の差は0.01度以下になり、ジ
ッタ方向へのスポット位置変動も0.01μm以下にな
る。本発明の収差補正用グレーティング6′により光デ
ィスク上のスポット位置変動の波長依存性は大きく減少
し、より正確な情報が読み取れる光ヘットとなる。
なお上記光ICを構成する材料としては、石英。
5102系ガラス基板、誘電体結晶基板、SiO2系が
ガラス光導波路、金属拡散光導波路、3や3′の素子形
成材料としては、カルコゲナイドガラス。
ガラス光導波路、金属拡散光導波路、3や3′の素子形
成材料としては、カルコゲナイドガラス。
TiO2,Zn○、ZnS、6の収差補正用グレーティ
ング形成材料としては、5LO2系ガラス、高分子化合
物、10のカラスブロック形成材料としては、SiO□
系ガラス等があり、−膜内に光学素子や光導波路、薄膜
光学素子を形成するのに用いられる材料全般が使用でき
、これらの材料を用い、半導体を製造する場合に使用す
るリングラフィ技術。
ング形成材料としては、5LO2系ガラス、高分子化合
物、10のカラスブロック形成材料としては、SiO□
系ガラス等があり、−膜内に光学素子や光導波路、薄膜
光学素子を形成するのに用いられる材料全般が使用でき
、これらの材料を用い、半導体を製造する場合に使用す
るリングラフィ技術。
真空技術を用いることにより素子が形成できる。
また、上記した光IC化した光ヘッドは、レーザビーム
プリンタ月光ヘットとしても適用可能である。
プリンタ月光ヘットとしても適用可能である。
〔実施例2〕
第6図は本発明の第2の実施例を示すものである。
2は基板1の第1主平面上に形成され、該基を反1より
高い屈折率を有する光導波路、3′は該光導波路2上に
形成された等間隔直線形状のグレーティングカップラ、
7は光導波路2内を伝搬する導波光、6′は収差補正用
グレーティング、14は基板より出射した光を集光する
レンズ、21はレンズによる出射光の集束点(以下便宜
上焦点という)である。なお、導波光7は、コリメート
された平行光である必要がある。
高い屈折率を有する光導波路、3′は該光導波路2上に
形成された等間隔直線形状のグレーティングカップラ、
7は光導波路2内を伝搬する導波光、6′は収差補正用
グレーティング、14は基板より出射した光を集光する
レンズ、21はレンズによる出射光の集束点(以下便宜
上焦点という)である。なお、導波光7は、コリメート
された平行光である必要がある。
ここで、光源のレーザ光の波長をλ、光導波路2の導波
光7に対する実効屈折率をN、基板1の屈折率をng、
等間隔直線形状のグレーティングカップラ3′の格子間
隔をAとする。グレーティングカップラ3′を用い1m
次光を基板方向に基板表面とOの角度方向へ出射させる
ためには、という条件を満たす必要がある。通常、回折
光としては一1次光を用いる。
光7に対する実効屈折率をN、基板1の屈折率をng、
等間隔直線形状のグレーティングカップラ3′の格子間
隔をAとする。グレーティングカップラ3′を用い1m
次光を基板方向に基板表面とOの角度方向へ出射させる
ためには、という条件を満たす必要がある。通常、回折
光としては一1次光を用いる。
条件式(13)のほかに、
同図において、1は誘電体またはガラスの基板、が満た
されれば、導波光は基板方向のみに出射され、空気中へ
は出射されないので、大きな効率が得られる。
されれば、導波光は基板方向のみに出射され、空気中へ
は出射されないので、大きな効率が得られる。
格子間隔Aは、m=−Lとし、0230度とすると、次
で与えられる。
で与えられる。
一例を挙げると、基板1としで、n5=2.177のL
iNbO3を用い、光導波路2を、Tiの熱拡散により
作製してN=2.187とし、光源としてλ=0.78
(μm)の半導体レーザを用いたとすると、A=2.
59(μm)となり、フォトリソグラフィ技術を用いて
十分作製可能である。また、このとき条件(14)も満
足されるので、導波光は、基板方向のみに効率よく出射
させることができる。
iNbO3を用い、光導波路2を、Tiの熱拡散により
作製してN=2.187とし、光源としてλ=0.78
(μm)の半導体レーザを用いたとすると、A=2.
59(μm)となり、フォトリソグラフィ技術を用いて
十分作製可能である。また、このとき条件(14)も満
足されるので、導波光は、基板方向のみに効率よく出射
させることができる。
また、基板1として、nS =1.472のパイレック
ガラスを用い、光導波路2として、スパッタリングで成
膜した屈折率1.544のコーニング7059ガラスを
用いてN = 1.520とし、光源として、やはりλ
=0.78 (μm)の半導体レーザを用いたとすると
、A=3.18(μm)となり、やはりフォトリングラ
フィ技術を用いて十分作製可能である。また、このとき
条件(14)も満足されるので、導波光を基板方向のみ
に効率よく出射させることができる。
ガラスを用い、光導波路2として、スパッタリングで成
膜した屈折率1.544のコーニング7059ガラスを
用いてN = 1.520とし、光源として、やはりλ
=0.78 (μm)の半導体レーザを用いたとすると
、A=3.18(μm)となり、やはりフォトリングラ
フィ技術を用いて十分作製可能である。また、このとき
条件(14)も満足されるので、導波光を基板方向のみ
に効率よく出射させることができる。
以上のように、本発明のような光集積回路では、従来の
ものに比して大きな効率を得ることができる。
ものに比して大きな効率を得ることができる。
一方、前記のレーザ光波長ずれΔλ、実効屈折率のずれ
ΔN、レーザ光の光軸からのずれδが生じたときの収差
については、以下のようになる。
ΔN、レーザ光の光軸からのずれδが生じたときの収差
については、以下のようになる。
第7図のように、δ=Oのときの光線の伝搬方向を2軸
とするような左手系の直線直交座標系をとり、また、光
の出射点を原点としδ=Oのとき光線が出射する方向を
2′軸とするような左手系の直線直交座標系をとる。二
つの座標系の原点は、−mさせる。また、2軸およびZ
′軸はθの角をなしている。
とするような左手系の直線直交座標系をとり、また、光
の出射点を原点としδ=Oのとき光線が出射する方向を
2′軸とするような左手系の直線直交座標系をとる。二
つの座標系の原点は、−mさせる。また、2軸およびZ
′軸はθの角をなしている。
まず、入射平行光が2軸からδだけずれた方向に入射し
た場合、xyz系における位相整合条件は、 KQNcosδ−2x / A = P ZK、N5i
nδ = P y ・・・・・・(16
)Px=+ kanS ” −Py” −Pz”
となる、ただしko=2z/λ、またPx、Py。
た場合、xyz系における位相整合条件は、 KQNcosδ−2x / A = P ZK、N5i
nδ = P y ・・・・・・(16
)Px=+ kanS ” −Py” −Pz”
となる、ただしko=2z/λ、またPx、Py。
Pzは出射ベクトルのxyz系における成分である。x
yz系と l yl z ’系のベクトルは、変廟 で結ばれるから、出射ベクトルは、X′ y′ z系で
は、 となる。出射光の方向の2′軸となす角度をφとすると
、前記LiNb○、を基板として用いる例の場合、1δ
1≦0.01(rad)の範囲では、はぼ1δ〜φであ
る。さらに、基板と空気の境界面における屈折の効果に
より、空気中ではφ〜21δ1となる。すなわち、導波
光は、Z′軸からほぼ2δ傾いた方向へ平行光として出
射する。
yz系と l yl z ’系のベクトルは、変廟 で結ばれるから、出射ベクトルは、X′ y′ z系で
は、 となる。出射光の方向の2′軸となす角度をφとすると
、前記LiNb○、を基板として用いる例の場合、1δ
1≦0.01(rad)の範囲では、はぼ1δ〜φであ
る。さらに、基板と空気の境界面における屈折の効果に
より、空気中ではφ〜21δ1となる。すなわち、導波
光は、Z′軸からほぼ2δ傾いた方向へ平行光として出
射する。
集光レンズ14として、通常の光ピンクアップ用対物レ
ンズを使用すれば、出射光が平行光であるためδが上記
のように十分小さければ、収差はほとんど問題にはなら
ないほど小さい。
ンズを使用すれば、出射光が平行光であるためδが上記
のように十分小さければ、収差はほとんど問題にはなら
ないほど小さい。
また、例えば、レンズの焦点距離を3■とすれば、焦点
21は、δ〜0.01のとき約30μm移動するので、
導波光7を積極的に5AW(表面弾性波)光偏向器12
で励振した。SAWを用いてδだけ偏向させることによ
って、第4図のように数トラック分のアクセスおよびト
ラッキング補正を行うことができる。
21は、δ〜0.01のとき約30μm移動するので、
導波光7を積極的に5AW(表面弾性波)光偏向器12
で励振した。SAWを用いてδだけ偏向させることによ
って、第4図のように数トラック分のアクセスおよびト
ラッキング補正を行うことができる。
以上のように、グレーティングカップラの形状を直線と
することで、導波光7の光軸2からの偏向に対して強い
ピックアップ対物レンズ系を構成できる。
することで、導波光7の光軸2からの偏向に対して強い
ピックアップ対物レンズ系を構成できる。
一方、実効屈折率のずれΔN、レーザ光源の波長ずれが
生した場合、出射光方向は、xz (x’z′)平面で
角度Δθだけずれる。ただし、出射光は、平行光である
。その大きさは、はぼと表せる。ΔN、Δλが単独で生
じた場合、前記LiNb○、を基板として用いた例の場
合。
生した場合、出射光方向は、xz (x’z′)平面で
角度Δθだけずれる。ただし、出射光は、平行光である
。その大きさは、はぼと表せる。ΔN、Δλが単独で生
じた場合、前記LiNb○、を基板として用いた例の場
合。
Δθ−−0,92ΔN (rad)
Δθ−0,35Δλ(rad)
である。屈折の効果を考慮すると、1Δθ1く0.01
(rad)となる範囲は、 (20) となり、これは、従来のものに比べて十分大きい値であ
る。
(rad)となる範囲は、 (20) となり、これは、従来のものに比べて十分大きい値であ
る。
以上のように、本発明の光集積回路では、グレーティン
グカップラに直線形状の回折格子を用いているので、か
な大きなΔλ、ΔN、δが生じても、出射光が平行光で
あるため、高性能のピックアップ用対物レンズを用いれ
ば、発生収差を小さくさせることができる。
グカップラに直線形状の回折格子を用いているので、か
な大きなΔλ、ΔN、δが生じても、出射光が平行光で
あるため、高性能のピックアップ用対物レンズを用いれ
ば、発生収差を小さくさせることができる。
〔実施例3〕
第9図は本発明の第3の実施例となる光集積回路を示し
たもので、第9図(a)は断面図、第9図(b)は平面
図をそれぞれ示す。
たもので、第9図(a)は断面図、第9図(b)は平面
図をそれぞれ示す。
図において、1は例えば屈折率2.x77のニオブ酸リ
チウム(L x N b O3)のごとき光学材料から
成る基板、2は基板より屈折率の高い光導波路で、この
例ではニオブ酸リチウム基板上にチタンを蒸着し、チタ
ンを熱拡散して約1.5μmの光4波路を形成した。3
′は光導波路上に形成した等間隔の直線形状のグレーテ
ィングカップラで、光導波路よりも屈折率の大きい光学
材料で形成され、この例では屈折率2.4のチタン酸化
物(Tie、)膜を光導波路上に形成し、リソグラフィ
によるパターン形成技術によりピッチ2.59μmの直
線形状グレーティングカップラを光の進行方向に4mに
わたり形成した。22は光導波路3上の回折格子3′の
前方に設けられたレンズ手段で、この例では光導波路2
上に周知の技術で口径的2mの透過型フレネルレンズが
形成された。おな、レンズの口径は導波光の幅に等しい
かそれより大とする。レンズとしては、その他バルクの
レンズでもよいが、基板上に集積化しコンパクトな構成
とする上からフレネルレンズが好ましい、23は基板表
面と30度の角度に切断・研磨された反射面からなる基
板端面であり、この傾斜角は導波光7の出射角度0に等
しく形成されている。21は光の焦点fである。また第
9図(b)に示した導波光7はコリメートされた平行光
である。
チウム(L x N b O3)のごとき光学材料から
成る基板、2は基板より屈折率の高い光導波路で、この
例ではニオブ酸リチウム基板上にチタンを蒸着し、チタ
ンを熱拡散して約1.5μmの光4波路を形成した。3
′は光導波路上に形成した等間隔の直線形状のグレーテ
ィングカップラで、光導波路よりも屈折率の大きい光学
材料で形成され、この例では屈折率2.4のチタン酸化
物(Tie、)膜を光導波路上に形成し、リソグラフィ
によるパターン形成技術によりピッチ2.59μmの直
線形状グレーティングカップラを光の進行方向に4mに
わたり形成した。22は光導波路3上の回折格子3′の
前方に設けられたレンズ手段で、この例では光導波路2
上に周知の技術で口径的2mの透過型フレネルレンズが
形成された。おな、レンズの口径は導波光の幅に等しい
かそれより大とする。レンズとしては、その他バルクの
レンズでもよいが、基板上に集積化しコンパクトな構成
とする上からフレネルレンズが好ましい、23は基板表
面と30度の角度に切断・研磨された反射面からなる基
板端面であり、この傾斜角は導波光7の出射角度0に等
しく形成されている。21は光の焦点fである。また第
9図(b)に示した導波光7はコリメートされた平行光
である。
ここで、回折格子を構成する酸化チタン(Tie2)の
厚み、フレネルレンズの焦点距離f及び口径りについて
さらに詳述すると、光ピツクアップヘッドの対物レンズ
としてフレネルレンズを用いる場合には開口数NA〜0
.5としなければならないゆこのレンズの実質的な開口
数は、回折格子の開口数で決まる。いま、第9図(b)
に図示のように回折格子のX方向の開口長をLx、y方
向の開口長をLyとする。回折格子による出射光が基板
1表面とθの角をなす方向へ出射させるとき、フレネル
レンズ22へ入射する光線束の面積なLxcosfll
XLyである。例えば1本実施例のようにθ=30度、
f=2nn+とすると、 L x =2.30mm、 L y =1.
15mmとする必要がある。このとき、フレネルレンズ
の口径りは全光束をカバーするために である必要がある。
厚み、フレネルレンズの焦点距離f及び口径りについて
さらに詳述すると、光ピツクアップヘッドの対物レンズ
としてフレネルレンズを用いる場合には開口数NA〜0
.5としなければならないゆこのレンズの実質的な開口
数は、回折格子の開口数で決まる。いま、第9図(b)
に図示のように回折格子のX方向の開口長をLx、y方
向の開口長をLyとする。回折格子による出射光が基板
1表面とθの角をなす方向へ出射させるとき、フレネル
レンズ22へ入射する光線束の面積なLxcosfll
XLyである。例えば1本実施例のようにθ=30度、
f=2nn+とすると、 L x =2.30mm、 L y =1.
15mmとする必要がある。このとき、フレネルレンズ
の口径りは全光束をカバーするために である必要がある。
また、グレーティングカップラ3′から出射する光の振
幅はX軸方向にexp (−αX)の依存性をもって出
射する。ここでαを放射損失係数とよぶ。
幅はX軸方向にexp (−αX)の依存性をもって出
射する。ここでαを放射損失係数とよぶ。
開口数を確保するためにはαLx≦1という条件αの値
は、基板1.光導波路2.グレーティングカッN3’
の屈折率と厚みで決まる。上記のように、屈折率nS
=2.177のLiNb0.、光導波路2の屈折率N=
2.187.グレーティングカップラの装荷層材料とし
て屈折$n、=2.4のTiO2を用いたとき、α〜0
.4とするためには、TiO2の厚みを約30nmとす
ればよい。
は、基板1.光導波路2.グレーティングカッN3’
の屈折率と厚みで決まる。上記のように、屈折率nS
=2.177のLiNb0.、光導波路2の屈折率N=
2.187.グレーティングカップラの装荷層材料とし
て屈折$n、=2.4のTiO2を用いたとき、α〜0
.4とするためには、TiO2の厚みを約30nmとす
ればよい。
再び、第9図(a)、(b)に示す構成の光集梼回路の
説明に戻り、各光学系のパラメータについて検討する。
説明に戻り、各光学系のパラメータについて検討する。
ここで、光g(この図では省略)のレーザ光の波長をλ
4光導波路2の実効屈折率をN、基板1の屈折率を13
.等間隔直線形状のグレーティングカップラ3′の格子
間隔を八とする。
4光導波路2の実効屈折率をN、基板1の屈折率を13
.等間隔直線形状のグレーティングカップラ3′の格子
間隔を八とする。
グレーティングカップラ3′によって出射させられた光
の入射方向と、基Fi端面の研磨面23の法線方向とな
す角度をφとすると、 n5sinφ〉1 ・・・・・(2
2)のとき全反射が起こる3本件実施例の場合、n5=
2.177、φ=30(度)なので全反射が起こる範囲
式(22)に含まれている。
の入射方向と、基Fi端面の研磨面23の法線方向とな
す角度をφとすると、 n5sinφ〉1 ・・・・・(2
2)のとき全反射が起こる3本件実施例の場合、n5=
2.177、φ=30(度)なので全反射が起こる範囲
式(22)に含まれている。
次にフレネルレンズ22の焦点距離をfとし、フレネル
レンズの中心を原点として第9図(b)のような座柳系
をとる。フレネルレンズの形状式は、2π t(x、y)=−T−F耳7T… =2m′π(m’整数)・・・(23)で与えられる。
レンズの中心を原点として第9図(b)のような座柳系
をとる。フレネルレンズの形状式は、2π t(x、y)=−T−F耳7T… =2m′π(m’整数)・・・(23)で与えられる。
このフレネルレンズは光軸に関し軸対称であるから、収
差の最低次数は3次である。
差の最低次数は3次である。
3次の波面収差関数は、例えばMeierの文献、J、
○pt、 Sco、 Amer、 、 Vol、 55
. No、 8(1965)の987頁から992頁に
おいて論じられているように次式となる。
○pt、 Sco、 Amer、 、 Vol、 55
. No、 8(1965)の987頁から992頁に
おいて論じられているように次式となる。
2π 1
Φ%(r1θ)==〔−丁Sr4
λ
十τr3(cosθCx+s1nθCy)1
・・・・(24)+ p (cosθ
Dx+sinθDy)ただし、x”rcosθ、y==
rsinθとして極座標で表示した。またλ′は実際の
光源の波長である。
・・・・(24)+ p (cosθ
Dx+sinθDy)ただし、x”rcosθ、y==
rsinθとして極座標で表示した。またλ′は実際の
光源の波長である。
本実施例の場合、5次以上の収差を十分小さいとして無
視し、マレシャル条件を満たすΔn。
視し、マレシャル条件を満たすΔn。
Δλ、δの許容上限値を求める。すなわち。
Δnl、lΔλ1,1δlの上限値は次式となる。
前述した従来技術の値と(25)とを比較すると、本実
施例の上限値となる式(25)は従来の集光作用を有す
るグレーティングカップラより大幅に緩和されている。
施例の上限値となる式(25)は従来の集光作用を有す
るグレーティングカップラより大幅に緩和されている。
また、従来の集光バルクレンズを用いたハイブリッド型
集光グレーティングカップラに対しては、1Δn1では
若干劣るものの、δ1,1Δλ1に関しては改善されて
いる。式(25)のlΔλIが許容されているならば、
波長λ=0.78 (λm)の半導体レーザを用いたと
き、実際の波長変動は±4 (nm)まで許容されるの
で、実用可能なレベルとなる。また、1Δn1に関して
も基板として屈折率n5=2.177のLiNb○、を
用い、実効屈折率N=2.187の導波光7を用いると
き、実際の実効屈折率変動は0.0035であり、これ
は熱拡散や成膜など通常のプロセスでも十分制御できる
ので問題はない。
集光グレーティングカップラに対しては、1Δn1では
若干劣るものの、δ1,1Δλ1に関しては改善されて
いる。式(25)のlΔλIが許容されているならば、
波長λ=0.78 (λm)の半導体レーザを用いたと
き、実際の波長変動は±4 (nm)まで許容されるの
で、実用可能なレベルとなる。また、1Δn1に関して
も基板として屈折率n5=2.177のLiNb○、を
用い、実効屈折率N=2.187の導波光7を用いると
き、実際の実効屈折率変動は0.0035であり、これ
は熱拡散や成膜など通常のプロセスでも十分制御できる
ので問題はない。
〔実施例4〕
第10図は本発明の第4の実施例を示す平面図、第11
図は側面図で、同図においてこの実施例に係る光ヘッド
は、誘電体またはガラス等の光学基板1の表面に形成さ
れた上記基板より屈折率の大な光導波路2とこの光導波
路2にレーザ光を注入する半導体レーザLDと、上記光
導波路2上に不等間隔曲線群の回折格子により形成され
、上記半導体レーザの出射光を上記光導波路2に導く入
射用グレーティングカップラ43と収差補正用の回折格
子6から成るコリメート手段と、上記光導波路2上に形
成された等間隔直線群のグレーティングカップラ3′
と同心円群の回折格子から成るフレネルレンズ22の組
により構成され、上記光導波路2中を伝播してきたレー
ザ光(光の進行方向を矢印で表示)を光導波路2外部の
基板内に出射角度θで出射しその端面23で全反射させ
情報記録面であヘヘイスク(ここでは図示していないが
、第4図の15を参照されたい)上の一点に光束を集光
させるフレネルレンズ22と、フレネルレンズ22によ
り光導波路2に導かれたディスクからの反射光を、反射
光の中心光軸を通り光導波路2に垂直な平面に対して2
対のほぼ対称な4光束と成るよう4分割し集光するビー
ムスプリッタ24a、24dと、ビームスプリンタによ
り4分割された情報記録面(ディスク)からの反射光を
それぞれ受光して電気信号に変換するホトダイオードか
ら成る光検知器25.25’ と、集光グレーティング
カップラとビームスプリッタの間に形成され、表面弾性
波によリレーザ光を偏向させるための表面弾性波発生用
電極12とで構成される。なお、ビームスプリッタ24
a、24bを構成する回折格子は光の進行方向に従って
その間隔が密となっている。また、基板1゜光検知器2
5.25’ 、半導体レーザLDなどは1例えばアルミ
ニュウムなどの金属ステージ26上に載置される。
図は側面図で、同図においてこの実施例に係る光ヘッド
は、誘電体またはガラス等の光学基板1の表面に形成さ
れた上記基板より屈折率の大な光導波路2とこの光導波
路2にレーザ光を注入する半導体レーザLDと、上記光
導波路2上に不等間隔曲線群の回折格子により形成され
、上記半導体レーザの出射光を上記光導波路2に導く入
射用グレーティングカップラ43と収差補正用の回折格
子6から成るコリメート手段と、上記光導波路2上に形
成された等間隔直線群のグレーティングカップラ3′
と同心円群の回折格子から成るフレネルレンズ22の組
により構成され、上記光導波路2中を伝播してきたレー
ザ光(光の進行方向を矢印で表示)を光導波路2外部の
基板内に出射角度θで出射しその端面23で全反射させ
情報記録面であヘヘイスク(ここでは図示していないが
、第4図の15を参照されたい)上の一点に光束を集光
させるフレネルレンズ22と、フレネルレンズ22によ
り光導波路2に導かれたディスクからの反射光を、反射
光の中心光軸を通り光導波路2に垂直な平面に対して2
対のほぼ対称な4光束と成るよう4分割し集光するビー
ムスプリッタ24a、24dと、ビームスプリンタによ
り4分割された情報記録面(ディスク)からの反射光を
それぞれ受光して電気信号に変換するホトダイオードか
ら成る光検知器25.25’ と、集光グレーティング
カップラとビームスプリッタの間に形成され、表面弾性
波によリレーザ光を偏向させるための表面弾性波発生用
電極12とで構成される。なお、ビームスプリッタ24
a、24bを構成する回折格子は光の進行方向に従って
その間隔が密となっている。また、基板1゜光検知器2
5.25’ 、半導体レーザLDなどは1例えばアルミ
ニュウムなどの金属ステージ26上に載置される。
次に上記構成に基づく光ヘッドの動作については入射用
クレーティングカップラ43及び収差補正用の回折格子
6から成るコリメート手段により光導波路2に導かれる
とともに平行光に変換される。
クレーティングカップラ43及び収差補正用の回折格子
6から成るコリメート手段により光導波路2に導かれる
とともに平行光に変換される。
ここで、入射用グレーティングカップラ43と収差補正
用グレーティング6の設計手法について述べる。上記し
た2つの回折格子を透過型のホログラムと考え、LDの
発散光を平行光に変換するための位相伝達関数をそれぞ
れの回折格子について算出する。次に、上記した位相伝
達関数の波長依存性を調べ、波長変化による回折角の変
化を、それぞれの回折格子で相殺するように再度、それ
ぞれの回折格子について位相伝達関数を決定する。
用グレーティング6の設計手法について述べる。上記し
た2つの回折格子を透過型のホログラムと考え、LDの
発散光を平行光に変換するための位相伝達関数をそれぞ
れの回折格子について算出する。次に、上記した位相伝
達関数の波長依存性を調べ、波長変化による回折角の変
化を、それぞれの回折格子で相殺するように再度、それ
ぞれの回折格子について位相伝達関数を決定する。
次に、上記コリメートされたレーザ光は光導波路2を伝
播して等間隔直線群のグレーティングカップラ3′によ
り光導波路2外の基板1内に出射角度θ(この場合30
度)で入射し、基板端面23で全反射し、再度光導波路
2に入射し、これを通過してフレネルレンズ22により
、光束は図示されていないディスク上の一点に集光され
る。
播して等間隔直線群のグレーティングカップラ3′によ
り光導波路2外の基板1内に出射角度θ(この場合30
度)で入射し、基板端面23で全反射し、再度光導波路
2に入射し、これを通過してフレネルレンズ22により
、光束は図示されていないディスク上の一点に集光され
る。
ビームスプリッタ24a、24bを通過する際、フレネ
ルレンズ22の方向に伝播する場合にはブラッグ回折条
件を満たさずビームスプリッタ24a、24bにより回
折されない。光ディスク上に集光したレーザ光は信号ピ
ットの有無に応じて散乱または反射される。ディスクに
より反射されたレーザ光(光路を示す矢印がこれより逆
向きとなる)は上記直線等間隔のグレーティングカップ
ラ3′により再び光導波路2内に導かれる。この導かれ
たレーザ光はビームスプリッタ24a、24bにより上
記レーザ光の進行方向の中心光軸を通り光導波路2に垂
直な平面に対して2対のほぼ対称な4光束となるよう4
分割され、この4分割されたレーザ光は基板1内にそれ
ぞれ所定の角度で出射し、収束レーザ光27a、27b
となってその端面28から出射しそれぞれ4分割光検知
器25.25’ に送り出され、この光検知器25.2
5’ において電気信号に変換される。なお、ビームス
プリッタ24a、24bから基板1に出射される反射光
の出射角度は、それを構成する回折格子のピッチを所定
値に設定すれば一義的に設定できるものであり、また収
束レーザ光27の収束点つまり焦点は、回折格子の曲率
を設定すれば一義的に設定できる。
ルレンズ22の方向に伝播する場合にはブラッグ回折条
件を満たさずビームスプリッタ24a、24bにより回
折されない。光ディスク上に集光したレーザ光は信号ピ
ットの有無に応じて散乱または反射される。ディスクに
より反射されたレーザ光(光路を示す矢印がこれより逆
向きとなる)は上記直線等間隔のグレーティングカップ
ラ3′により再び光導波路2内に導かれる。この導かれ
たレーザ光はビームスプリッタ24a、24bにより上
記レーザ光の進行方向の中心光軸を通り光導波路2に垂
直な平面に対して2対のほぼ対称な4光束となるよう4
分割され、この4分割されたレーザ光は基板1内にそれ
ぞれ所定の角度で出射し、収束レーザ光27a、27b
となってその端面28から出射しそれぞれ4分割光検知
器25.25’ に送り出され、この光検知器25.2
5’ において電気信号に変換される。なお、ビームス
プリッタ24a、24bから基板1に出射される反射光
の出射角度は、それを構成する回折格子のピッチを所定
値に設定すれば一義的に設定できるものであり、また収
束レーザ光27の収束点つまり焦点は、回折格子の曲率
を設定すれば一義的に設定できる。
表面弾性波を用いた光偏向器12は1本質的なものでは
ないが、印加する音波の周波数を変化させることで、光
導波路内を通過する導波光を容易に偏向することができ
、光路位置決めの微調整に有効である。
ないが、印加する音波の周波数を変化させることで、光
導波路内を通過する導波光を容易に偏向することができ
、光路位置決めの微調整に有効である。
第12図、第13図及び第14図は上記光検知器25゜
25′ をそれぞれ4分割フォトダイオード25FA。
25′ をそれぞれ4分割フォトダイオード25FA。
25FB、25’ FA、25’ FB、25TA、2
5TB。
5TB。
25’ TA、 25’ TBで構成した場合の、受光
器25゜25′面上の集光スポット29F、 29’
F、 29T、29’Tとグレーティングカップラ3′
を出射したレーザ光の焦点位置との関係を示したもの
である。つまりレーザ光の焦点が光ディスク15の面上
にあるかどうか、いわゆるフォーカシングエラー信号検
出の原理を示したものである。第12図は合焦点の場合
、第13図は光ディスク15が焦点の前にある場合、そ
して第14図は光ディスク15が焦点の後にある場合で
ある。光ディスク15面上の記録情報は、各フォトダイ
オード25FA、25FB、25’ FA。
器25゜25′面上の集光スポット29F、 29’
F、 29T、29’Tとグレーティングカップラ3′
を出射したレーザ光の焦点位置との関係を示したもの
である。つまりレーザ光の焦点が光ディスク15の面上
にあるかどうか、いわゆるフォーカシングエラー信号検
出の原理を示したものである。第12図は合焦点の場合
、第13図は光ディスク15が焦点の前にある場合、そ
して第14図は光ディスク15が焦点の後にある場合で
ある。光ディスク15面上の記録情報は、各フォトダイ
オード25FA、25FB、25’ FA。
25’ FB、25TA、25TB、25’ TA、2
5TB’の出力をそれぞれPF^、 PF n r P
l’^PaBJPTAツPTB、Pτ^ツPτBとする
と、その和P^+pH+PA ’ +PB ’ 十P↑
^+PT B +Pr A ’ +Pt B ’ によ
り読み出せる。集光グレーティングカップラを出射した
レーザ光の焦点がディスク+5の面上にあるかどうかの
フォーカスエラー信号は(PF^+PF11’)−(P
r n +PF^′)により得られる。また、トラッキ
ングエラー信号はぐPτΔ十PTI+)−(Pτ^’+
PTB’)により得られる。このように、4分割したフ
ォトダイオードA、Bにおける集光スポット29F、
29T、 29’ F、 29’ Tの結像点が受光面
上を移動することを利用して、焦点誤差検出信号、トラ
ッキング誤差検出信号が得られる。
5TB’の出力をそれぞれPF^、 PF n r P
l’^PaBJPTAツPTB、Pτ^ツPτBとする
と、その和P^+pH+PA ’ +PB ’ 十P↑
^+PT B +Pr A ’ +Pt B ’ によ
り読み出せる。集光グレーティングカップラを出射した
レーザ光の焦点がディスク+5の面上にあるかどうかの
フォーカスエラー信号は(PF^+PF11’)−(P
r n +PF^′)により得られる。また、トラッキ
ングエラー信号はぐPτΔ十PTI+)−(Pτ^’+
PTB’)により得られる。このように、4分割したフ
ォトダイオードA、Bにおける集光スポット29F、
29T、 29’ F、 29’ Tの結像点が受光面
上を移動することを利用して、焦点誤差検出信号、トラ
ッキング誤差検出信号が得られる。
次に本発明の光ヘッドにおけるビームスプリンタ24の
作醍法について具体的に説明する。ビームスプリッタ2
4は上記光導波路2上に不等間隔曲線群の回折格子を形
成したものであるが、この回折格子の形状方程式は、平
面波と上記光検知器25゜25′に収束する球面波のホ
ログラムとして得られる。すなわち、座標軸X+’jを
第10回に示したようにとれば1対のビームスプリッタ
24aはy軸に対して対称なので、X≦Oにおけるビー
ムスプリッタの形状方程式のみを示せば Ny+n x+fcos&sin$ +(y−fc
osθsinφ)2+ (fsinψ)2=mλ。+n
f ・・・・・・(26)である。
作醍法について具体的に説明する。ビームスプリッタ2
4は上記光導波路2上に不等間隔曲線群の回折格子を形
成したものであるが、この回折格子の形状方程式は、平
面波と上記光検知器25゜25′に収束する球面波のホ
ログラムとして得られる。すなわち、座標軸X+’jを
第10回に示したようにとれば1対のビームスプリッタ
24aはy軸に対して対称なので、X≦Oにおけるビー
ムスプリッタの形状方程式のみを示せば Ny+n x+fcos&sin$ +(y−fc
osθsinφ)2+ (fsinψ)2=mλ。+n
f ・・・・・・(26)である。
ここでNは光導波路2の実効屈折率、nは基板1の屈折
率1mはそれぞれの曲線を示す整数で、本実施例に係る
式(26)ではx=y=oの点を通る曲線がm=oとな
るようこの式を導出した。またfは焦点距離、λ。はレ
ーザ光の真空中での波長、θとψはそれぞれレーザ光の
収束点と原点とを結ぶ直線x−y平面となす角およびこ
の直線をx−y平面に射影した直線がy軸となす角であ
る。式(26)で表される曲線群よりなる回折格子は、
前述のとおり電子線描画装置を用いてパターニングし、
公知のエツチング技術により作製した。この実施例では
、TiO2からなる回折格子で、平均格子間隔(ピッチ
)3μm、ビームスプリッタの長さし=1.6fflI
11の1対のビームスプリッタ24aを作製した。結像
点が異なるビームスプリッタ24bの作製も同様である
。なお、ビームスプリッタ24a、24bを構成する回
折格子を形成するに際し、電子線描画装置を用いてレジ
スト上にパターニングする場合、−曲線の描画において
電子線の照射量を段階的に変化させ、これを略周期的に
繰り返して全曲線を描画すれば、各曲線の断面形状を鋸
歯状に形成できる。このようにパターニングしたレジス
トを用いてエツチングすれば、その断面形状が鋸歯状の
式(31)で表される曲線群よりなる回折格子が得られ
る。
率1mはそれぞれの曲線を示す整数で、本実施例に係る
式(26)ではx=y=oの点を通る曲線がm=oとな
るようこの式を導出した。またfは焦点距離、λ。はレ
ーザ光の真空中での波長、θとψはそれぞれレーザ光の
収束点と原点とを結ぶ直線x−y平面となす角およびこ
の直線をx−y平面に射影した直線がy軸となす角であ
る。式(26)で表される曲線群よりなる回折格子は、
前述のとおり電子線描画装置を用いてパターニングし、
公知のエツチング技術により作製した。この実施例では
、TiO2からなる回折格子で、平均格子間隔(ピッチ
)3μm、ビームスプリッタの長さし=1.6fflI
11の1対のビームスプリッタ24aを作製した。結像
点が異なるビームスプリッタ24bの作製も同様である
。なお、ビームスプリッタ24a、24bを構成する回
折格子を形成するに際し、電子線描画装置を用いてレジ
スト上にパターニングする場合、−曲線の描画において
電子線の照射量を段階的に変化させ、これを略周期的に
繰り返して全曲線を描画すれば、各曲線の断面形状を鋸
歯状に形成できる。このようにパターニングしたレジス
トを用いてエツチングすれば、その断面形状が鋸歯状の
式(31)で表される曲線群よりなる回折格子が得られ
る。
フォーカシングエラー信号の検出原理を示す第12、1
3.14図かられかるように、フレネルレンズ22また
は対物レンズ14の焦点上にディスクがない場合、この
フレネルレンズ22または対物レンズ14を介して再び
光導波路2に入射されたディスクからの反射光は平行光
ではない。しかし本発明の光ヘッドのビームスプリッタ
は、光導波路2の面内でレーザ光を分割・集光する従来
のコプレーナタイプの素子としてではなく、光導波路2
外に4分割したレーザ光を収束させる構成であるため受
容角が大きく、平行光でないレーザ光が入射した場合に
おいてもブラッグ回折条件が満たされ有効に作用する。
3.14図かられかるように、フレネルレンズ22また
は対物レンズ14の焦点上にディスクがない場合、この
フレネルレンズ22または対物レンズ14を介して再び
光導波路2に入射されたディスクからの反射光は平行光
ではない。しかし本発明の光ヘッドのビームスプリッタ
は、光導波路2の面内でレーザ光を分割・集光する従来
のコプレーナタイプの素子としてではなく、光導波路2
外に4分割したレーザ光を収束させる構成であるため受
容角が大きく、平行光でないレーザ光が入射した場合に
おいてもブラッグ回折条件が満たされ有効に作用する。
なお、その他の製造プロセスについては実施例1と同様
に行った。
に行った。
〔実施例5〕
水弟5の実施例では、実施例1で述べた集積光ヘッドに
おいて、光導波路2の作製方法として光学損傷のしきい
値が高く、光偏向効率が高いプロトン交換光導波路を用
いた光集積回路に関するものである。
おいて、光導波路2の作製方法として光学損傷のしきい
値が高く、光偏向効率が高いプロトン交換光導波路を用
いた光集積回路に関するものである。
以下、上記のプロトン交換光導波路の作製方法を詳細に
説明する。
説明する。
x、cutのL i N b Oi結晶ウェーハの一面
を使用レーザ光波長λの1/10程度まで光学研磨する
。なお、さζ結晶基板の遷移金属不純物濃度はできるか
ぎり小さいことが望ましい。第2図に示した光学損傷し
きい値は、基板内の遷移金ma度たとえば鉄(Fe)の
濃度が1. ppI11程度の基板に対するものであり
、現在市販されている高純度のLiNb0゜基板では、
Feの濃度は0.05pρm程度であり、前記高純度L
iNb○、基板を用いれば光学損傷のしきい値は、約1
桁上がることを確認している。
を使用レーザ光波長λの1/10程度まで光学研磨する
。なお、さζ結晶基板の遷移金属不純物濃度はできるか
ぎり小さいことが望ましい。第2図に示した光学損傷し
きい値は、基板内の遷移金ma度たとえば鉄(Fe)の
濃度が1. ppI11程度の基板に対するものであり
、現在市販されている高純度のLiNb0゜基板では、
Feの濃度は0.05pρm程度であり、前記高純度L
iNb○、基板を用いれば光学損傷のしきい値は、約1
桁上がることを確認している。
基板は光学研磨後、トリクレン、イソプロピルアルコー
ル、エタノール、純水中で超音波洗浄を行い、次いで窒
素ブローして乾燥させた。
ル、エタノール、純水中で超音波洗浄を行い、次いで窒
素ブローして乾燥させた。
次に上記基板に対しプロトン交換処理を行ったイオン交
換は石英製の容器内へ入れて行った。プロトン交換源の
弱酸としては、安息香酸をはじめとするカルボン酸と、
ピロリン酸等のリン酸がある。本発明においては安息香
酸と安息香酸リチウムの混合物を用いた。前記光導波路
内のLi4とH+の置換率Xは安息香酸と安息香酸リチ
ウム′の混合比Mと深い関係がある。ここでMは次式で
定義される。
換は石英製の容器内へ入れて行った。プロトン交換源の
弱酸としては、安息香酸をはじめとするカルボン酸と、
ピロリン酸等のリン酸がある。本発明においては安息香
酸と安息香酸リチウムの混合物を用いた。前記光導波路
内のLi4とH+の置換率Xは安息香酸と安息香酸リチ
ウム′の混合比Mと深い関係がある。ここでMは次式で
定義される。
安息香酸リチウムのモル註
検討の結果Xは、プロトン交換温度、プロトン交換時間
によらずMのみに依存することを確認した。前記最適な
Xの範囲0.4< x <0.55とするためには、M
をxcutLiNbO1基板を用いるときには1Mを2
.5とすればよいことがわかった。そこで本実施例では
石英容器中へ安息香酸リチウムを4.802g、安息香
酸を178.605.入れて十分混合し、245℃で5
時間熱処理した。熱処理後、石英容器中から取り出した
基板をエタノール及び純粋で超音波洗浄した。得られた
光導波路の光学特性を調べるため、ルチルプリズムで波
長λ= 633nmのHe−Neレーザ光を光導波路内
のy方向へ伝搬させたところ、光導波路は単一モードで
あり、導波光の実効屈折率は、2.2642であった。
によらずMのみに依存することを確認した。前記最適な
Xの範囲0.4< x <0.55とするためには、M
をxcutLiNbO1基板を用いるときには1Mを2
.5とすればよいことがわかった。そこで本実施例では
石英容器中へ安息香酸リチウムを4.802g、安息香
酸を178.605.入れて十分混合し、245℃で5
時間熱処理した。熱処理後、石英容器中から取り出した
基板をエタノール及び純粋で超音波洗浄した。得られた
光導波路の光学特性を調べるため、ルチルプリズムで波
長λ= 633nmのHe−Neレーザ光を光導波路内
のy方向へ伝搬させたところ、光導波路は単一モードで
あり、導波光の実効屈折率は、2.2642であった。
また光伝搬損失を通常の2プリズム法で調べた結果1d
B/■という良好な値を得た。光学損傷のしきい値はH
e−Neレーザ光で750W / a+?という良好な
値であった。
B/■という良好な値を得た。光学損傷のしきい値はH
e−Neレーザ光で750W / a+?という良好な
値であった。
次に、前記プロトン交換処理を施した基板上に表面弾性
波励振用のくし形電極を作製した。本実施例のxcut
LiNb○、の2方向伝搬の表面弾性波伝搬速度は35
00m/sであり、中心周波数fl、が300M)Iz
となるように、電極のピッチを2.9μmとした。ff
i=300MHzのときの偏向角は約30mradであ
る。上記電極長L=2.8a+mで対数Nは8である。
波励振用のくし形電極を作製した。本実施例のxcut
LiNb○、の2方向伝搬の表面弾性波伝搬速度は35
00m/sであり、中心周波数fl、が300M)Iz
となるように、電極のピッチを2.9μmとした。ff
i=300MHzのときの偏向角は約30mradであ
る。上記電極長L=2.8a+mで対数Nは8である。
得られた光偏向器の特性を調べるため、ネットワークア
ナライザを用いて放射コンダクタンスを測定し、実効的
な電気機械結合係数Kを測定し、プロトン交換処理を行
わないバルク基板上に作製したものと比較した。測定の
結果、実効的なKの値は本実施例のプロトン交換光導波
路上に作製した表面弾性波励振用電極の場合、バルク基
板上に作製したものの約70%であり大きな劣化は見ら
れなかった。参考のため、本実施例の条件で作製したプ
ロトン交換光導波路上に、2方向以外の方向へ伝搬する
表面弾性波の励振用電極を作製して同様の方法で実効的
なkの値を測定したところy方向伝搬のものはkの値が
小さいことがわかった。
ナライザを用いて放射コンダクタンスを測定し、実効的
な電気機械結合係数Kを測定し、プロトン交換処理を行
わないバルク基板上に作製したものと比較した。測定の
結果、実効的なKの値は本実施例のプロトン交換光導波
路上に作製した表面弾性波励振用電極の場合、バルク基
板上に作製したものの約70%であり大きな劣化は見ら
れなかった。参考のため、本実施例の条件で作製したプ
ロトン交換光導波路上に、2方向以外の方向へ伝搬する
表面弾性波の励振用電極を作製して同様の方法で実効的
なkの値を測定したところy方向伝搬のものはkの値が
小さいことがわかった。
〔実施例6〕
第15〜18図は本発明の第6の実施例を示す。ここで
、前述したように本発明における、半導体レーザ光を光
導波路内に入射させるためのグレーティングカップラと
しては、光導波路上に形成した導波路形グレーティング
が用いられる。グレーティングカップラの構成材料とし
ては、TiO2゜SiO,,5i−Nなどの誘電体が用
いることができるほか、光導波路自体を溝加工してもよ
い。その断面形状は、−膜内には第15図に示すような
矩形でも良いがこの場合、第15図における格子間隔A
に対するグレーティングの幅Δaとグレーティングのな
い領域の幅Abの比すなわちAa/Δbが1からずれた
場合、半導体レーザ光の光導波路に対する入射結合効率
が低下するという問題がある。
、前述したように本発明における、半導体レーザ光を光
導波路内に入射させるためのグレーティングカップラと
しては、光導波路上に形成した導波路形グレーティング
が用いられる。グレーティングカップラの構成材料とし
ては、TiO2゜SiO,,5i−Nなどの誘電体が用
いることができるほか、光導波路自体を溝加工してもよ
い。その断面形状は、−膜内には第15図に示すような
矩形でも良いがこの場合、第15図における格子間隔A
に対するグレーティングの幅Δaとグレーティングのな
い領域の幅Abの比すなわちAa/Δbが1からずれた
場合、半導体レーザ光の光導波路に対する入射結合効率
が低下するという問題がある。
これを解決する方法として、第16図に示したようにグ
レーティングカップラの断面形状をブレーズ化する方法
がある。ブレーズ化とは、グレーティングの断面形状を
ほぼ三角形にすることであり、最も好ましい三角形は直
角三角形である。直角三角形の光導波路面となす角度を
ブレーズ角αBAとしたときαBAは(27)式を満た
す角度であることが望ましい。
レーティングカップラの断面形状をブレーズ化する方法
がある。ブレーズ化とは、グレーティングの断面形状を
ほぼ三角形にすることであり、最も好ましい三角形は直
角三角形である。直角三角形の光導波路面となす角度を
ブレーズ角αBAとしたときαBAは(27)式を満た
す角度であることが望ましい。
Aoニゲレーティングカップラへのレーザ光の入射角
N:光導波路の実効屈折率
nS :光集積回路基板の屈折率
ここでAと八〇の関係は(28)式で表され、Aと半導
体レーザ光の波長λ(0)を定めることによりAoが定
まり、(1)式よりαBAが定まる。αBAの具体例 cosAo= N−t(0)/A 、、、、
、、 (28)nS としては、A=3μm、λ(0)=0.78μm、N=
2.209. nS ”2.2の場合約14度となる。
体レーザ光の波長λ(0)を定めることによりAoが定
まり、(1)式よりαBAが定まる。αBAの具体例 cosAo= N−t(0)/A 、、、、
、、 (28)nS としては、A=3μm、λ(0)=0.78μm、N=
2.209. nS ”2.2の場合約14度となる。
ブレーズ化グレーティングカyプラは一般的には、イオ
ンミリング技術を行い、イオンを光集積回路形成用基板
に対して斜めから入射させることにより形成することが
できる。ブレーズ化グレーティングの作成誤差は、イオ
ンミリング技術におけるイオンの入射角に依存するが、
αBAが(27)式を完全に満たさなくても、その効果
は発揮される。例えば矩形断面のグレーティングカップ
ラの入射結合効率を1とした場合、フレーズ化すると入
射光率は2倍以上となり、仮りにαBAの誤差が±10
%あってもその入射光率に与える影響は約10%程度低
下するだけである。
ンミリング技術を行い、イオンを光集積回路形成用基板
に対して斜めから入射させることにより形成することが
できる。ブレーズ化グレーティングの作成誤差は、イオ
ンミリング技術におけるイオンの入射角に依存するが、
αBAが(27)式を完全に満たさなくても、その効果
は発揮される。例えば矩形断面のグレーティングカップ
ラの入射結合効率を1とした場合、フレーズ化すると入
射光率は2倍以上となり、仮りにαBAの誤差が±10
%あってもその入射光率に与える影響は約10%程度低
下するだけである。
以上述べた光導波路への入射用グレーティングカップラ
のブレーズ化の効果は、光導波路から基板内に回折また
は出射させるためのグレーティングカップラに対しても
同様にみられる。第17図は。
のブレーズ化の効果は、光導波路から基板内に回折また
は出射させるためのグレーティングカップラに対しても
同様にみられる。第17図は。
断面形状が矩形のグレーティングカップラであるが、こ
れを第18図に示すようにブレーズ化することにより、
基板への回折出射の効率が飛躍的に向上する。この時の
最適なブレーズ角α′B^は。
れを第18図に示すようにブレーズ化することにより、
基板への回折出射の効率が飛躍的に向上する。この時の
最適なブレーズ角α′B^は。
(29)式で与えられる。
Ncosay’ =nS (sinα。sinαn^’
÷cos a 、cosαIIA′) ・・
・・・・(29)α。:ヘレーティングカップラからの
レーザ光の出射角あるいは回折角 グレーティングカップラの格子間隔A′とα。
÷cos a 、cosαIIA′) ・・
・・・・(29)α。:ヘレーティングカップラからの
レーザ光の出射角あるいは回折角 グレーティングカップラの格子間隔A′とα。
の関係は(30)式で表され、A′と半導体レーザ光の
波長λ(0)を定めることによりαIIA′ が定まる
。
波長λ(0)を定めることによりαIIA′ が定まる
。
N−λ(0)/A’ 、、、、、、 (30
)cosα’ ” n s −m的に、先に述へた八とΔ′は等しく、よってαBA
とαHA′は等しくなる。断面形状が矩形のグレーティ
ングカップラの場合、光導波光の伝搬ベクトルと回折光
の伝搬ベクトルそれにグレーティングカップラの格子ベ
クトルの関係がB ragg条件を完全に満たすことが
できないために、高次の回折光(±2次以上)が生じ、
結果的に効率の高いグレーティングカップラとはならな
い。これに対してグレーティングカップラの断面形状を
ブレーズ化することにより、−膜内にB ragg条件
近傍での回折のみがおこり、高次の回折光の発生が抑え
られて、グレーティングカップラの効率は約2倍高くな
る。αBA′の値は、−膜内には14度程度が適正です
るが、先に述べたαBAの場合と同様加工精度が±2度
程度ばらついた場合にもその効果はあまり低下しない。
)cosα’ ” n s −m的に、先に述へた八とΔ′は等しく、よってαBA
とαHA′は等しくなる。断面形状が矩形のグレーティ
ングカップラの場合、光導波光の伝搬ベクトルと回折光
の伝搬ベクトルそれにグレーティングカップラの格子ベ
クトルの関係がB ragg条件を完全に満たすことが
できないために、高次の回折光(±2次以上)が生じ、
結果的に効率の高いグレーティングカップラとはならな
い。これに対してグレーティングカップラの断面形状を
ブレーズ化することにより、−膜内にB ragg条件
近傍での回折のみがおこり、高次の回折光の発生が抑え
られて、グレーティングカップラの効率は約2倍高くな
る。αBA′の値は、−膜内には14度程度が適正です
るが、先に述べたαBAの場合と同様加工精度が±2度
程度ばらついた場合にもその効果はあまり低下しない。
以上述へた様にグレーティングカップラをブレーズ化す
ることにより、光導波路への入出射結合効率を飛躍的に
高めることができる。なおグレーティングカップラのブ
レーズ化は、本願特許請求の範囲1〜7の収差補正用グ
レーティングに対する悪影響はない。
ることにより、光導波路への入出射結合効率を飛躍的に
高めることができる。なおグレーティングカップラのブ
レーズ化は、本願特許請求の範囲1〜7の収差補正用グ
レーティングに対する悪影響はない。
〔実施例7〕
第19図は本発明の第7の実施例を示し、光集積回路と
従来の光素子であるバルクタイプの光学素子を組み合わ
せて構成した光ヘッドの光学系を示したものである。第
19図(a)は光学系を側面から見た図1、(b)は正
面から見た図である。第19図の光学系において、4は
半導体レーザからなる光源、31は半導体レーザから出
た光をコリメートするための集光レンズ、37′ はモ
ニタ用光検出器、30は光導波路2上に形成したグレー
ティングカップラ3.3’ SAW光偏向器12収差
補正グレーティング6.6′より構成される本発明の光
集板、14はレーザ光を微小スポット光に絞り込むため
の絞り込みレンズ、35は光ディスクの面ぶれ等に対し
て、光ディスクと対物レンズの距離が常に一定に保持さ
れるように対物レンズを上下動させるためのボイスコイ
ル、15は光ディスクである。
従来の光素子であるバルクタイプの光学素子を組み合わ
せて構成した光ヘッドの光学系を示したものである。第
19図(a)は光学系を側面から見た図1、(b)は正
面から見た図である。第19図の光学系において、4は
半導体レーザからなる光源、31は半導体レーザから出
た光をコリメートするための集光レンズ、37′ はモ
ニタ用光検出器、30は光導波路2上に形成したグレー
ティングカップラ3.3’ SAW光偏向器12収差
補正グレーティング6.6′より構成される本発明の光
集板、14はレーザ光を微小スポット光に絞り込むため
の絞り込みレンズ、35は光ディスクの面ぶれ等に対し
て、光ディスクと対物レンズの距離が常に一定に保持さ
れるように対物レンズを上下動させるためのボイスコイ
ル、15は光ディスクである。
光ディスクからの反射光はλ/4板を再び通り、その偏
向方向が変えられ偏光ビームスプリッタで反射されて、
凸レンズで集光された後、ウェッジと呼ばれる三角プリ
ズム36に導かれる。三角プリズム36で光は2分割さ
れかつ方向を変えられ37の4分割光検出器に導かれる
。光ディスクのトラッキングサーボのためのサーボ信号
は37−1と37=2の和と37−3 、37−4の和
との差から、フォーカシングサーボのためのサーボ信号
は、37−1と37−4の和と37−2 、37−3の
和との差から、ディスクの情報を取り出す再生信号は、
37−1 、37−2.37−3.37−4の和から得
ることができる。
向方向が変えられ偏光ビームスプリッタで反射されて、
凸レンズで集光された後、ウェッジと呼ばれる三角プリ
ズム36に導かれる。三角プリズム36で光は2分割さ
れかつ方向を変えられ37の4分割光検出器に導かれる
。光ディスクのトラッキングサーボのためのサーボ信号
は37−1と37=2の和と37−3 、37−4の和
との差から、フォーカシングサーボのためのサーボ信号
は、37−1と37−4の和と37−2 、37−3の
和との差から、ディスクの情報を取り出す再生信号は、
37−1 、37−2.37−3.37−4の和から得
ることができる。
この光ヘッドは、SAW光偏向器12でトラッキング方
向の光偏向を行うことができるため、ミクロい)という
特徴を有する。また戻り光を光導波路に戻さないため、
光利用効率が高いという特徴を有する。
向の光偏向を行うことができるため、ミクロい)という
特徴を有する。また戻り光を光導波路に戻さないため、
光利用効率が高いという特徴を有する。
〔実施例8〕
第20図は本発明の第8の実施例を示し、第19図同様
本発明の光集積回路と従来の光素子であるバルクタイプ
の光学素子を組み合わせて構成した光ヘッドの光学系を
示したものである。第20図(a)は光学系を側面から
見た図、(b)は正面から見た図である。第19図に示
した光ヘッドに対して第20図の光ヘッドは、光路変更
用のガラスブロック(プリズム)34と絞り込みレンズ
14およびボイスコイル35を他の光学系から分難した
点が異なる。
本発明の光集積回路と従来の光素子であるバルクタイプ
の光学素子を組み合わせて構成した光ヘッドの光学系を
示したものである。第20図(a)は光学系を側面から
見た図、(b)は正面から見た図である。第19図に示
した光ヘッドに対して第20図の光ヘッドは、光路変更
用のガラスブロック(プリズム)34と絞り込みレンズ
14およびボイスコイル35を他の光学系から分難した
点が異なる。
第19図に示した光ヘッドは、マクロシークを行う場合
、半導体レーザを含むヘッド光学系全体を移動させる必
要があったが、第20図に示したヘッドはガラスブロッ
クと絞り込みレンズおよびボイスコイルのみをコースツ
クチエ!り38に組み込んで動かすだけでマスクロシー
クができるようにした点に特へかある。この結果、ヘッ
ドの可動部が小形、軽量となり、マクロシークの速度を
向上させることができる。結果として本ヘットは、SA
W光偏向器と、ヘッド可動の小形、軽量化により、マク
ロシーク、ミクロシーク時間を同時に短縮できるため、
高速アクセス光ヘッドとして有効な構成である。
、半導体レーザを含むヘッド光学系全体を移動させる必
要があったが、第20図に示したヘッドはガラスブロッ
クと絞り込みレンズおよびボイスコイルのみをコースツ
クチエ!り38に組み込んで動かすだけでマスクロシー
クができるようにした点に特へかある。この結果、ヘッ
ドの可動部が小形、軽量となり、マクロシークの速度を
向上させることができる。結果として本ヘットは、SA
W光偏向器と、ヘッド可動の小形、軽量化により、マク
ロシーク、ミクロシーク時間を同時に短縮できるため、
高速アクセス光ヘッドとして有効な構成である。
〔実施例9〕
第21図は本発明の第9の実施例を示し、第20図の光
ヘッドを改良したものである。第21図(a)は光学系
を側面からみた図、(b)は正面から見た図である。第
20図のヘッドと異なる点では、光集積回路基板1の底
面に切りかけを設けた点であり、光ディスクからの戻り
光をグレーティングカップラで入射させずに反射させて
、該切りかけから基板1の外に出して、光検出器で受け
る点にある。グレーティングカップラでは、1/4λ板
33があるため出射光と入射光の偏光方向が異なる。
ヘッドを改良したものである。第21図(a)は光学系
を側面からみた図、(b)は正面から見た図である。第
20図のヘッドと異なる点では、光集積回路基板1の底
面に切りかけを設けた点であり、光ディスクからの戻り
光をグレーティングカップラで入射させずに反射させて
、該切りかけから基板1の外に出して、光検出器で受け
る点にある。グレーティングカップラでは、1/4λ板
33があるため出射光と入射光の偏光方向が異なる。
偏向方向が異なった場合には、光導波路の実効屈折率N
が異なるため、戻り光はグレーティングカップラで結合
されずに基板内に全反射される。この方式は偏光方向の
違いによるグレーティングカップラの結合効率の差を利
用したものであり、第20図の方式に比較して偏向ビー
ムスプリッタが不要となる特徴を有する9 〔実施例io) 第22図は本発明の第10の実施例を示し、光磁気ディ
スク対応の光ヘッドを示したものである。本光ヘッドで
は戻り光の光路を行きと変化させることにより、グレー
ティングカップラにおいて戻り光が入射しないようにし
て、基板切りかけより光を出射させることを特徴として
いる。行きと戻りの光路の違いは例えば6′の収差補正
グレーティングの傾斜角を変化させたり、立ち上げプリ
ズムの角度を調整することに生じさせることができる。
が異なるため、戻り光はグレーティングカップラで結合
されずに基板内に全反射される。この方式は偏光方向の
違いによるグレーティングカップラの結合効率の差を利
用したものであり、第20図の方式に比較して偏向ビー
ムスプリッタが不要となる特徴を有する9 〔実施例io) 第22図は本発明の第10の実施例を示し、光磁気ディ
スク対応の光ヘッドを示したものである。本光ヘッドで
は戻り光の光路を行きと変化させることにより、グレー
ティングカップラにおいて戻り光が入射しないようにし
て、基板切りかけより光を出射させることを特徴として
いる。行きと戻りの光路の違いは例えば6′の収差補正
グレーティングの傾斜角を変化させたり、立ち上げプリ
ズムの角度を調整することに生じさせることができる。
グレーティングカップラ3′で反射した光は、39の1
/2λ板に入射して偏向方向を回転させた後、レンズ3
5で収束光にして、偏光分離膜40を有した光検出器4
2にてTE、TM偏光光毎にその光強度が検出される。
/2λ板に入射して偏向方向を回転させた後、レンズ3
5で収束光にして、偏光分離膜40を有した光検出器4
2にてTE、TM偏光光毎にその光強度が検出される。
フォーカスサーボ信号、トラッキングサーボ信号それに
光ディスクピット信号は、4分割光検出器41.41’
の和および/または差信号より取り出すことができる。
光ディスクピット信号は、4分割光検出器41.41’
の和および/または差信号より取り出すことができる。
以上述べたように、本発明の収差補正グレーティングを
設けることにより、光の波長変動に伴う、ブレーティン
グカップラの入出射結合効率の低下及び色収差などの収
差を防止でき、よってマルチモードの半導体レーザを光
源として用いた場合でも、特性変動の少ない光集積回路
を形成することができる。また、光利用効率が高く、光
学損傷のしきい値が高く、光偏向効率が高く、高速アク
セスが可能で、しかもフォーカシングサーボ及びトラッ
キングサーボ機構が有効に作用する範囲が広い光学式ヘ
ッド装置が得られる効果がある。さらに、本発明による
光集積回路は光ディスク装置用光ヘッドやレーザビーム
プリンタ用光ヘッドをはじめ各種オプトエレクトロニク
ス部品に広く適用できる。
設けることにより、光の波長変動に伴う、ブレーティン
グカップラの入出射結合効率の低下及び色収差などの収
差を防止でき、よってマルチモードの半導体レーザを光
源として用いた場合でも、特性変動の少ない光集積回路
を形成することができる。また、光利用効率が高く、光
学損傷のしきい値が高く、光偏向効率が高く、高速アク
セスが可能で、しかもフォーカシングサーボ及びトラッ
キングサーボ機構が有効に作用する範囲が広い光学式ヘ
ッド装置が得られる効果がある。さらに、本発明による
光集積回路は光ディスク装置用光ヘッドやレーザビーム
プリンタ用光ヘッドをはじめ各種オプトエレクトロニク
ス部品に広く適用できる。
第1図は本発明に係る光集積回路の一実施例を示す構成
図、第2,3は本発明の光集積回路に用いる収差補正グ
レーティングの断面図、第4図は本発明の第1実施例を
示す光ディスク装置用光ヘッドの斜視図、第5図は本発
明の光集積回路の製造プロセス図、第6〜8図は本発明
の第2実施例を示し、第6図は集光素子をハイブリッド
一体化した光集積回路の斜視図、第7図は実施例の説明
に用いる直線直交座標系を示す斜視図、第8図は光偏向
器による光の偏向効果を表す斜視図、第9図は本発明の
第3実施例を示し、グレーティングカップラとフレネル
レンズを組合せた光集積回路であり、(a)はその断面
図、(b)は平面図。 第10〜14図は本発明の第4実施例を示す光ディスク
装置用光ヘッドを示し、第10図は光集積回路の平面図
、第11@は同じく側面図、第12〜14図は光ディス
クの焦点誤差信号の検出原理を示し、第12図は光ディ
スクが合焦点にある場合、第13図は光ディスクが焦点
の前、第14図は光ディスクが焦点の後にある場合を示
す平面図、第15〜18図は不発黙り第6実施例を示し
、第15図は格子形状が矩形の入射用グレーティングカ
ップラの断面図、第16図は格子形状をブレーズ化した
入射用グレーティングカップラの断面図、第17図は格
子形状が矩形の出射用グレーティングカップラの断面図
、第18図は格子形状をブレーズ化した出射用グレーテ
ィングカップラの断面図、第19図は本発明の第7実施
例を示し、光集積回路とバルクタイプの光学素子を組合
せて構成した光ヘッドの光学系であり、(a)はその側
面図、(b)は平面図、第20図は本発明の第8実施例
を示し、光ディスクの情報を検出する対物レンズの部分
を分離した光ヘットの光学系を示し、(、)はその側面
図、(b)は平面図、第21図は本発明の第9実施例を
示し、光ディスクからの反射光を再び光集積回路に戻す
タイプの光ヘツド光学系を示し、(a、 )はその側面
図、(b)は平面図、第22図は本発明の第10実施例
を示し、光磁気ディスク装置に用いる光ヘッドの光学系
を示す側面図である。 1・・・基板、 2・・・光導波路、3.
3′・・グレーティングカップラ、4・・・半導体レー
ザ、 5.5′・・・ガラスブロック、 6.6′・・・収差補正グレーティング、7・・・導波
光、 8・・・基板、9・・・5in2、
10・・・反射膜、11・・・コリメートレンズ
、12・・・光偏向器、13・・・ガラスブロック、
14・・対物レンズ。 15・・・光ディスク、 16・・・集光ビームスプリッタ、 17、17’ ・・・ホトダイオード、18・・・バ
ッファ層、19・・・レジスト、20・・・電子ビーム
、 21・・・焦点、22・・・フレネルレンズ、
23・・・端面、24・・・集光ビームスプリッタ、 25、25’・・・光検出器、 26・・・金属ステー
ジ。 27・・・信号光、 28・・・入射側端面、
29・・・反射光スポット、30・・・光集積回路、3
1・・・集光レンズ。 32・・・偏光ビームスプリンタ、 33・・・λ/4抜、34・・・立上げミラー35・・
ボイスコイル、 36・・・三角プリズム、37・・
・4分割光検出器、 37′・・・モニタ用光検出器、
38・・・コースアクチエータ、 39・・1/2λ板、 40・・偏光分離膜、41
、41’・・・4分割光検出器、 42・・光検出器、 43・・・グレーティングカップラ。 躬 圀 一−−−−−−−プ 一一一一一一一一寸 防 q 口 を乙 策 躬 凶 乙 筋 70の 扇 1 ?2 z”tb 第 5 口 躬 /乙 η 第 /2 躬 /3 図 躬 /4 躬 /7 躬 19 讃 (2) (し) 筋 ? η /S 筋 20国 (cL+ 塙 22膓 /S 手 続 補 正 書 (方式) 補正をする者
図、第2,3は本発明の光集積回路に用いる収差補正グ
レーティングの断面図、第4図は本発明の第1実施例を
示す光ディスク装置用光ヘッドの斜視図、第5図は本発
明の光集積回路の製造プロセス図、第6〜8図は本発明
の第2実施例を示し、第6図は集光素子をハイブリッド
一体化した光集積回路の斜視図、第7図は実施例の説明
に用いる直線直交座標系を示す斜視図、第8図は光偏向
器による光の偏向効果を表す斜視図、第9図は本発明の
第3実施例を示し、グレーティングカップラとフレネル
レンズを組合せた光集積回路であり、(a)はその断面
図、(b)は平面図。 第10〜14図は本発明の第4実施例を示す光ディスク
装置用光ヘッドを示し、第10図は光集積回路の平面図
、第11@は同じく側面図、第12〜14図は光ディス
クの焦点誤差信号の検出原理を示し、第12図は光ディ
スクが合焦点にある場合、第13図は光ディスクが焦点
の前、第14図は光ディスクが焦点の後にある場合を示
す平面図、第15〜18図は不発黙り第6実施例を示し
、第15図は格子形状が矩形の入射用グレーティングカ
ップラの断面図、第16図は格子形状をブレーズ化した
入射用グレーティングカップラの断面図、第17図は格
子形状が矩形の出射用グレーティングカップラの断面図
、第18図は格子形状をブレーズ化した出射用グレーテ
ィングカップラの断面図、第19図は本発明の第7実施
例を示し、光集積回路とバルクタイプの光学素子を組合
せて構成した光ヘッドの光学系であり、(a)はその側
面図、(b)は平面図、第20図は本発明の第8実施例
を示し、光ディスクの情報を検出する対物レンズの部分
を分離した光ヘットの光学系を示し、(、)はその側面
図、(b)は平面図、第21図は本発明の第9実施例を
示し、光ディスクからの反射光を再び光集積回路に戻す
タイプの光ヘツド光学系を示し、(a、 )はその側面
図、(b)は平面図、第22図は本発明の第10実施例
を示し、光磁気ディスク装置に用いる光ヘッドの光学系
を示す側面図である。 1・・・基板、 2・・・光導波路、3.
3′・・グレーティングカップラ、4・・・半導体レー
ザ、 5.5′・・・ガラスブロック、 6.6′・・・収差補正グレーティング、7・・・導波
光、 8・・・基板、9・・・5in2、
10・・・反射膜、11・・・コリメートレンズ
、12・・・光偏向器、13・・・ガラスブロック、
14・・対物レンズ。 15・・・光ディスク、 16・・・集光ビームスプリッタ、 17、17’ ・・・ホトダイオード、18・・・バ
ッファ層、19・・・レジスト、20・・・電子ビーム
、 21・・・焦点、22・・・フレネルレンズ、
23・・・端面、24・・・集光ビームスプリッタ、 25、25’・・・光検出器、 26・・・金属ステー
ジ。 27・・・信号光、 28・・・入射側端面、
29・・・反射光スポット、30・・・光集積回路、3
1・・・集光レンズ。 32・・・偏光ビームスプリンタ、 33・・・λ/4抜、34・・・立上げミラー35・・
ボイスコイル、 36・・・三角プリズム、37・・
・4分割光検出器、 37′・・・モニタ用光検出器、
38・・・コースアクチエータ、 39・・1/2λ板、 40・・偏光分離膜、41
、41’・・・4分割光検出器、 42・・光検出器、 43・・・グレーティングカップラ。 躬 圀 一−−−−−−−プ 一一一一一一一一寸 防 q 口 を乙 策 躬 凶 乙 筋 70の 扇 1 ?2 z”tb 第 5 口 躬 /乙 η 第 /2 躬 /3 図 躬 /4 躬 /7 躬 19 讃 (2) (し) 筋 ? η /S 筋 20国 (cL+ 塙 22膓 /S 手 続 補 正 書 (方式) 補正をする者
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、半導体レーザを光源とし、半導体レーザの出射光を
光導波路に入射させる光集積回路において、収差補正用
グレーティングを用いて前記光導波路にレーザ光を入射
させることにより、半導体レーザ光の波長変動に伴う入
射結合効率の低下を防ぎ、かつ色収差などの収差を低減
させたことを特徴とした光集積回路。 2、半導体レーザを光源とし、半導体レーザの出射光を
光導波路に入射し、かつ光導波路から出射させる光集積
回路において、光導波路上に形成したグレーティングカ
ップラと別に設けた収差補正用グレーティングを用いて
レーザ光を光導波路に入射もしくは光導波路から出射さ
せることにより、半導体レーザ光の波長変動に伴う入出
射結合効率の低下を防ぎ、かつ色収差などの収差を低減
させたことを特徴とした光集積回路。 3、半導体レーザを光源とし、半導体レーザの発散光を
収差補正用グレーティングを介して光導波路上に形成し
たグレーティングカップラに入射し、平行光として光導
波路に結合させることを特徴とする光集積回路。 4、半導体レーザを光源とし、光導波路内に、導波され
たレーザ光をグレーティングカップラにより出射させる
光集積回路において、半導体レーザ光の波長変動に伴う
色収差を別に設けた集光機能を有する収差補正用グレー
ティングにより補正したことを特徴とする光集積回路。 5、半導体レーザを光源とし、半導体レーザから出射し
た光をグレーテイングカップラにより基板内から光導波
路内に入射させる方式の光集積回路において、レーザ光
の波長変動に伴い生じる入射結合効率の低下及び色収差
などの収差を収差補正用グレーティングにより防止した
ことを特徴とした光集積回路。 6、半導体レーザ光から出射される光の波長が前記λ(
0)〜λ(1)の分布をもっているとしたときに、収差
補正用グレーティングがλ(0)〜λ(1)のある一つ
の波長の光に対してブラッグ条件を満たす格子間隔を有
する収差補正用グレーティングを備えた請求項1〜5の
光集積回路。 7、収差補正用グレーティングが、半導体レーザ光から
出射される光の波長がλ(0)〜λ(1)の分布をもっ
ているときに、〔λ(0)+λ(1)〕/2の波長の光
に対してブラック条件を満たす格子間隔であることを特
徴とした請求項1〜5記載の記載の光集積回路。 8、半導体レーザ光を光導波路内に入射させるた めの
グレーティングカップラの断面形状がブレーズ化されて
いることを特徴とした請求項1〜3記載の光集積回路。 9、ブレーズ化されたレーザ光入射用グレーテイングカ
ップラのブレーズ角が下式をほぼ満たす角度であること
を特徴とした請求項8記載の光集積回路。 Ncosα_B_A=n_S(sinAosinα_B
_A+cosAocosα_B_A) α_B_A:レーザ光入射用グレーティングカップラの
ブレーズ角 Ao:グレーティングカップラへのレーザ光の入射角 N:光導波路の実効屈折率 n_S:光集積回路基板の屈折率 10、光導波路内に導波されたレーザ光を基板内に出射
させるためのグレーティングカップラの断面形状がブレ
ーズ化されていることを特徴とした請求項4記載の光集
積回路。 11、ブレーズ化されたレーザ光の出射用グレーティン
グカップラのブレーズ角が下式をほぼ満たす角度である
ことを特徴とした請求項10記載の光集積回路。 Ncosα_B_A_′=n_S(sinα_osin
α_B_A_′+cosα_ocosα_B_A_′) α_B_A_′:レーザ光出射用グレーティングカップ
ラのブレーズ角 α_o:グレーティングカップラからのレーザ光の出射
角 12、基板と、その表面に形成された該基板より屈折率
の高い光導波路から、導波光を該光導波路外部に出射さ
せ、かつ、該光導波路外の一点に集束させる光集積回路
において、前記導波層内部または境界面に形成され、導
波光を基板内部方向へ出射させる等間隔直線形状のグレ
ーティングカップラと、収差補正用グレーティングと、
出射光を一点に集束させる働きを有する集光素子とを備
えてなることを特徴とする光集積回路。 13、基板上に、半導体レーザから出射した光を光導波
路に結合させる不等間隔曲線形状のグレーティングカッ
プラと、導波光を偏向させる表面弾性波を利用した光偏
向器と、光記録媒体からの反射光を受光素子上へ集光さ
せる中心軸について線対称な不等間隔曲線形状のグレー
ティングと、収差補正用グレーティングを有する光集積
回路とを設けたことを特徴とする光学装置。 14、レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を
光学基板上に設けられた光導波路に基板内から導きコリ
メートするかまたはコリメートされたレーザ光を光導波
路に導く手段である光導波路上に形成したグレーティン
グカップラと別に設けた収差補正用グレーティングから
なる入射用グレーティングカップラと、更にコリメート
された導波光を前記入射用グレーティングカップラと同
じ構成の出射用グレーティングカップラにより前記光導
波路上部空間に配置される光記録媒体の記録・再生面上
の一点に集光する手段と、前記記録・再生面からの反射
光を前記光導波路上に形成されたビームスプリッタによ
り前記反射光を4分割して基板内に出射すると共に基板
外に集光してそれぞれの反射光を受光検出して電気信号
に変換する受光器とを備えて或る光集積ヘッドであって
、前記ビームスプリッタを前記入射用グレーティングカ
ップラと前を出射用グレーティングカップラとの間の前
記光導波路面と所定の出射角度をもって基板内に出射し
、更に基板端面または基板端面で全反射させて基板上面
から外部に設けられた前記受光器の受光面に集光するよ
うに前記反射光の光束のほぼ中心軸を対称軸として左右
に設けられた2対の不等間隔の曲線状グレーティングで
構成したことを特徴とする光ヘッド。 15、半導体レーザと、特許請求の範囲(1)−(3)
の第1の収差補正用グレーティングと、基板上に形成し
た光導波路と、該光導波路に光を入射させるためのグレ
ーティングカップラと、光導波路上に形成した導波光を
偏向するための表面弾性波を利用した光偏向器と、偏向
した光を基板内に出射させるためのグレーティングカッ
プラと、その出射光の波長変動を補正するための第2の
収差補正用グレーティングと、光ディスク上に光を集光
させるためのレンズと、光記録媒体を有した光ディスク
からの戻り光を検出するためのホトダイオードを有する
ことを特徴とする光ディスク装置用光ヘッド。 16、光ディスク上に光を集光させるためのレンズと、
その他の部品を分離し、上記レンズを移送可能な移送台
上に配することにより光ディスクピットのマクロシーク
を行い、固定部に配した表面弾性波を利用した光偏向器
によりミクロシークを行うことを特徴とする請求項15
記載の光ディスク装置用光ヘッド。 17、誘電体又はガラスの基板の表面に基板よりも屈折
率の高い光導波路を設け、半導体レーザから光導波路へ
導波したレーザ光を用いる光集積回路において、半導体
レーザから基板に対し平行に出射した光を基板に対しあ
る角度をもって入射させるためのガラスブロックと、レ
ーザ光の波長変動に伴う入射結合効率の低下を防止する
ための収差補正用グレーティングと、レーザ光を光導波
路へ入射させるためのグレーティングカップラと、光導
波路内に導波した光を偏向するための表面弾性波を利用
した光偏向器と、導波光を基板内へ出射させるためのグ
レーティングカップラと、グレーティングカップラによ
り出射されたレーザ光の波長変動に伴う収差を補正する
ための収差補正用グレーティングを有したレーザビーム
プリンタに用いる光集積回路。 18、収差補正用グレーティングの基板としてSiO_
2系ガラスを用い、格子を形成する材料としてSiO_
2系ガラス及び高分子化合物を用いたことを特徴とした
光集積回路。 19、基板としてニオブ酸リチウム(以下LiNbO_
3と略す)結晶を用い、その表面に、基板内のリチウム
イオンの一部とプロトンとを交換して成る該基板より屈
折率の高い組成式H_xLi_1_−_xNbO_3で
あるところの光導波路において、リチウムイオンとプロ
ントの置換率xが0.4<x<0.55であるプロトン
交換導波路を用いたことを特徴とする請求項1記載の光
集積回路。 20、基板として電気光学効果または音響光学効果を有
する誘電体を用い、該基板の表面付近に設けた光導波路
と、該光導波路上に形成するレーザ光を入射もしくは出
射結合させる直線等間隔のグレーティングカップラ及び
情報記録媒体からの戻り光を光検出器上に集光させる集
光ビームスプリッタとの間に、誘電体バッファ層を形成
したことを特徴とする請求項1記載の光集積回路。 21、基板上に形成した光導波路と、該光導波路に半導
体レーザ光を入射させるためのグレーティングカップラ
と、光導波路上に形成した表面弾性波を利用した光偏向
器と、偏向光を光導波から出射させるためのグレーティ
ングカップラと、半導体レーザ光源の波長変動を補正す
るための収差補正グレーティングと、光ディスク上に光
を集光するフォーカシング駆動機構を備えたレンズと、
光ディスクからの反射光を検出する受光素子を備えた光
学装置。 22、光ディスク上に光を集光するための、フォーカシ
ング駆動機構を備えたレンズと立上げミラーを光ディス
クの半径方向にマクロシークが可能な移送台上に分離し
て配置し、固定部に配置した表面弾性波を利用した光偏
向器でミクロシークを行うことを特徴とする特許請求項
の範囲第21項記載の光学装置。 23、光源として半導体レーザ、半導体レーザからの放
射光を平行光に変換するコリメータレンズ、音響光学効
果を有する誘電体基板上に形成した光導波路、該光導波
路に光を入射させるためのグレーティングカップラ、光
導波路上に形成した表面弾性波を利用した光偏向器、偏
向光を光導波路から出射させるためのグレーティングカ
ップラ、半導体レーザ光源の波長変動を補正するための
収差補正グレーティング、光ディスク上に光を集光する
フォーカシング機構を備えたレンズ、光ディスクからの
反射光を基板底面に形成した切欠き部を介して検出する
光検出器を備えた光学装置。
Priority Applications (3)
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