JP4725756B2 - Directional diffraction grating - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、方向性のある方向性回折格子、それを用いた光ヘッド装置、光磁気ヘッド装置及び、アイソレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、回折格子における方向性、すなわち、回折格子の回折格子がある側から入射された場合と、回折格子の裏側から入射させた場合に、回折効率や透過率に差異がでる回折格子(このような回折格子を方向性回折格子と称す)は提案されていなかった。光デイスクに用いられている回折格子には、方向性が必要とされ、偏光によって回折効率が変わる偏光性回折格子と波長板との組み合わせで方向性を持たせていた。その偏光性回折格子には種々のものが提案されている。例えば、特開昭63−55501号公報には、図35に示すように、x軸方向に結晶軸を有するニオブ酸リチウム結晶板72に、z軸方向に周期を有するイオン交換領域と非イオン交換領域とで構成される格子73を形成したものが開示されている。このように、ニオブ酸リチウムにプロトンイオン交換を施すと、常光線に対する屈折率Noは変化せず、異常光線に対する屈折率Neは0.13程度上昇して、ほぼNe〜Noとなる。
【0003】
したがって、入射光74のy軸方向に振動する偏光成分すなわち常光成分に対しては、イオン交換による格子12が形成されていても、面内においては屈折率が一様で、光学的回折格子の効果がないので、透過光75として結晶板72を直進透過することになる。これに対し、入射光74のz軸方向に振動する偏光成分すなわち異常光成分に対しては、屈折率が、格子73のプロトンイオン交換領域ではNe+0.13、非交換領域ではNeと周期的に異なるので、回折光76、77となって結晶板72から放射されることになる。
【0004】
このように、この偏光性回折格子を用いれば、入射光74を0次回折光および±1次回折光に分離することができ、これにより直交する偏光成分を分離することができる。また、この偏光板は、ニオブ酸リチウム結晶板72に、イオン交換領域および非イオン交換領域よりなる格子73を形成するようにしているので、薄型で、かつ小型にできると共に、ニオブ酸リチウム結晶ウエハーを素材として作成することができるので、バッチ処理により大量かつ安価にできる利点がある。
【0005】
また、特開昭63−247941号公報には、図36に示すような偏光性回折格子が開示されている。この偏光性回折格子は、屈折率異方性を有する異方性板78にグレーティング溝を形成し、この溝に、光学軸79の方向の屈折率がNeまたはそれと直交する方向の屈折率がNoの充填材料80を充填したもので、これにより光学軸79と直交する偏光成分または平行な成分を回折光として分離するようにしている。この偏光性回折格子によれば、異方性板78にグレーティング溝を形成し、その溝に充填材料80を充填するようにしているので、小型にできる利点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、どの偏光性回折格子にあっても、入射光の方向性、即ち、回折格子側から入射させても、回折格子の裏側から入射させても回折光の効率や透過光の効率は、原理的に同じである。そのため、光路中に回折格子を置いて、入射させる方向によって特性が変わることが必要な用途においては、波長板を一方に設定して、入射方向によって偏光が変わるようにして用いる必要があり、コストの増大、大型化が避けられなかった。
【0007】
そこで、本発明の目的は、方向性のある回折格子を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討、研究した結果、回折格子において、波長とピッチと屈折率などの諸元を、適切に設定する事によって、製造が容易で量産性に適した方向性回折格子を開発することに成功した。
【0009】
すなわち、本発明は、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率を有する材質1及び材質2の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子(ただし、N1>N2とする)を有し、ピッチを波長に対し、最適なる範囲に設定して形成されてなる方向性回折格子である。
【0010】
本発明は、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率を有する材質1及び材質2の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子(ただし、N1>N2とする)を有し、ピッチを波長に対し、上記範囲より大きめにピッチを形成されてなる方向性回折格子である。
【0011】
本発明は、少なくとも1種類の層からなる材質(材質3)と、少なくとも1種類の層からなる材質(材質4)の間に、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子であって、少なくとも一方の材質中の前記区画に接した材質の屈折率N3とし、他方の材質中の最も低い屈折率をN4とし、用いる波長をλとする時に、各諸元を最適なる範囲に設定して形成されてなる方向性回折格子である。
【0012】
本発明は、少なくとも1種類の層からなる材質(材質3)と、少なくとも1種類の層からなる材質(材質4)の間に、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子であって、少なくとも一方の材質中の前記区画に接した材質の屈折率N3とし、他方の材質中の最も低い屈折率をN4とし、用いる波長をλとする時に、上記範囲より大きめにピッチを形成されてなる方向性回折格子である。
【0013】
本発明は、上記の回折格子において、回折格子を成す区画の少なくとも一方が複屈折性の物質で形成されてなる方向性回折格子である。
【0014】
本発明は、光源からの光を上記の方向性回折格子に入射させ、透過光を記録媒体上にレンズを用いて絞り込み、反射光を方向性回折格子で回折させ、全反射面を設けずに受光素子へ光を導く光ヘッドである。
【0015】
本発明は、光源からの光をプリズム上に配設した方向性回折格子に入射させ、透過光をレンズで記録媒体上に絞り込み、記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、回折した回折光のうち、プリズムの斜面を透過する光と、プリズムの一面で反射した後にプリズムの斜面を透過した光を受光し、信号を検出する光ヘッド装置である。
【0016】
本発明は、光源からの光を上記の方向性回折格子に入射させ、透過光を記録媒体上にレンズを用いて絞り込み、反射光を方向性回折格子で回折させ、さらに別個の回折格子を設けて受光素子へ光を導く光ヘッドである。
【0017】
本発明は、光源の光を方向性回折格子に対しP偏光に設定し、方向性回折格子と記録媒体の間に4分の1波長板を設け、方向性回折格子からの透過光を円偏光に変換し、記録媒体からの反射光をS偏光に変換して方向性回折格子で回折させる光ヘッドである。
【0018】
本発明は、方向性回折格子の回折光発生部において、屈折率の小さい方から高い方へ光を入射させ、透過光と回折光に偏光を分離する偏光検出器である。
【0019】
本発明は、上記偏光検出器を搭載した光磁気ヘッド装置である。
【0020】
本発明は、方向性回折格子をプリズム上に設けた光ヘッド装置において、その斜面にさらに方向性回折格子を設けることで光磁気信号を検出する光磁気ヘッド装置である。
【0021】
本発明は、方向性回折格子の回折光発生部において、屈折率の高い方から低い方へP偏光を入射させて光を通し、屈折率の低い方から高い方へS偏光を入射させて形成したアイソレータである。
【0022】
本発明は、方向性回折格子の回折光発生部において、屈折率の高い方から低い方へS偏光を入射させて光を通し、屈折率の低い方から高い方へP偏光を入射させて形成したアイソレータである。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、詳細に説明する。図1、図2は本発明に係る方向性回折格子1の要部断面図である。図1は、方向性回折格子1の両面から光が斜入射する際の回折光の光路図である。本発明では、斜入射の場合も垂直入射の場合も同様の原理であるので、説明の簡易化のために、以下は垂直入射の場合を図2を用いて説明する。図2において、方向性回折格子1は、透明な材料からなる基板の一面に形成されてなる回折格子である。方向性回折格子のピッチ2は回折格子の場所によって一定のピッチを成すいわゆる等ピッチ回折格子でもよいし、回折格子面の場所によって変わる回折格子でもよい。以下は光が入射する部分のピッチをΛとして説明する。方向性回折格子に回折格子の形成されていない面(以下、裏面とする)から光3を垂直に入射させるとする(以下、往路とする)。裏面は平らな面とし、回折格子のある面と平行とする。
【0024】
図2に示すように、方向性回折格子1を取り巻く材質中(ここでは空気であるが、以下、外部材質と称す)から垂直に方向性回折格子1の裏面に入射した光は基板中でも方向を変えることなく真っ直ぐに進む。図2中の波形部分である屈折率が異なる二つの区画からなる周期構造の部分4(以下、回折光発生部とする)に到達すると、そこで回折が起こる。回折角5をθ1とすると、良く知られている回折条件式1が成立する。
【0025】
【式1】
【0026】
ここで、光の波長をλとし、外部材質の屈折率をN2とする。本式を用いることでθ1を求めることができる。次に、図2に示すように回折光発生部4のある面から光6を入射させるとする(以下、復路とする)。回折光7の回折角8をθ2とした時、回折光発生部4での回折条件式は式2のようになる。
【0027】
【式2】
【0028】
ここで、回折格子を成す材質の屈折率をN1とする。回折した光は裏面において外部材質中へ屈折する。屈折角9をθ3とした時の関係は式3のようになる。
【0029】
【式3】
【0030】
次に、式2と式3からθ2を消去することにより、屈折角9が式4のようになる。
【0031】
【式4】
【0032】
これにより、θ1とθ3が同じ値である事が分かる。これは、一般的な回折格子へは、回折格子面から入射するときと裏面から入射する時とでは、回折角に変わりはないことを示している。
次に、回折格子の基板中の回折角7であるが、式2にみるように、θ1やθ3と異なる値を示している。
【0033】
具体的な数値を設定して回折格子ピッチΛをパラメーターとしてθ1とθ2を求める。λを635nm、N1を1.5、N2を1(空気中)とすると、式1、式2はそれぞれ式5、式6のようになる。
【0034】
【式5】
【0035】
【式6】
【0036】
式5と式6にいて、ピッチΛをパラメーターとしてθ1とθ2の具体的な値を表1に例示する。ここで、回折しないとは、式5と式6の各右辺が1より大きくなり、回折条件が成立しないので回折光が発生しない場合である。
【0037】
【表1】
【0038】
これより、あるピッチではθ2しか値を持ち得ないという事が言える。すなわち、復路しか回折光が発生しない事が分かる。この具体例では、回折格子の屈折率が空気の屈折率より大きいので、往路にのみ回折する場合が生じるが、外部媒質の屈折率が回折格子の屈折率より大きい場合には、復路のみ回折する場合が発生する。要は、ピッチを適切に設定することで、回折格子での出射側(回折光の発生する側)の屈折率が入射側の屈折率より大きい方向(以下、高屈折率媒質への入射と称す)にのみ回折光を発生させることができる。この時、回折格子での出射側の屈折率が入射側の屈折率より小さい方向(以下、低屈折率媒質への入射と称す)は、透過光のみとすることができるので、方向によって透過率を異ならせる事ができる。
【0039】
この方向性の機能を実現させる条件は、式5と式6において、式5の右辺が1より大きくなり、式6の右辺が1より小さくなるようなピッチの範囲であるので、遡って、式1の右辺が1より大きくなり、式6の右辺を1より小さくなるようなピッチの範囲であるので、容易に式7が求められる。
【0040】
【式7】
【0041】
これは、検討している回折格子は、一つの材質が空気層に対して区画が接しているということなので、屈折率の異なる区画から成る回折格子であって、それを取り巻く材質が、各々の区画の屈折率と同じ場合を示している。具体例としては、回折格子に表面レリーフタイプを用いたとし、N1をガラスを想定して1.5とし、外部媒質を空気としてN2を1とすると、式8が成立する。
【0042】
【式8】
【0043】
ピッチが、波長よりも小さく、波長の7割程度より大きい場合となる。方向性の機能を実現する条件の時には、前述のようにsinθ1が1を越える場合であるので、同様にsinθ3も1を越える事となり、高屈折率媒質への入射で発生した回折光は、回折格子の裏面から出射する事ができず、全反射する。これらの様子を図3に示す。
【0044】
このように、本方向性回折格子の場合、復路の時の回折格子が接する外部媒質の層(ここでは空気)の屈折率と、裏面で回折光が出射する側の外部媒質の層(ここでは空気)の屈折率が同じ場合には、高屈折率媒質への回折光は裏面で臨界角を越えるので外部媒質中へ取り出すことができない。一般的なアイソレータの用途に使用する場合には、復路の光は不要であるので好都合である。
【0045】
回折格子の構成は、図1に示したもの以外にも多く存在する。そこで、方向性回折格子1を一般化する。回折格子には幾つかの種類があり、屈折率の異なる区画を交互に配してなるものや、光を吸収する区画と透過させる区画が並んだものや、光を遮断する区画と透過させる区画とが並んだものがある。図4は一般的な回折格子を示すもので、屈折率が異なる区画が交互に並んだ回折格子、又は、光を吸収ないしは遮断する区画と、光を透過させる区画が交互に並んだ回折格子10を挟んで、その上下に各々少なくとも一層の屈折率の異なる層(層11、層12、層13、層14、層15)が存在している。光6は上方から垂直に入射する場合を考えるが、前述と同様に斜入射でも原理は同様である。
【0046】
光6は方向性回折格子1に垂直に入射し、回折光発生部10に到達し、回折光7が発生する。回折光は回折光発生部10に接する層13に入射し、さらに層14を通って、空気に接する層15に到達して外部媒質中へ出射する。層13を第一層とし、回折光7の進行につれて、各層での光の角度をφp、屈折率をNp(pは自然数の添え字)とし、用いる波長をλ、ピッチをΛとする。回折光発生部10での回折条件式は式9のようになる。
【0047】
【式9】
【0048】
回折光発生部10が屈折率の異なる区画が交互に並んだ回折格子の場合でも、光を吸収ないしは遮断する区画と、光を透過させる区画が交互に並んだ回折格子の場合でも、回折条件式の式9は同じ式である。回折させる場合には、式9において、φpが存在しなければならないから、式10が成り立つ。
【0049】
【式10】
【0050】
次に各層での光の角度は層13ではφ1、層14ではφ2、層15ではφ3であり、また、各層の屈折率がN1、N2、N3であるので、各界面では式11が成立する。
【0051】
【式11】
式9と式11から以下の式が成立する。
【0052】
【式12】
【0053】
【式13】
【0054】
【式14】
【0055】
各層で全反射させないためには、式12から式14の右辺が1以下である必要があるので、N1、N2、N3のうち、もっとも小さい屈折率をNmとすると、式15が成立する。
【0056】
【式15】
【0057】
層15が外部媒質である空気とすると、一般に、空気の屈折率は真空の屈折率と近く、非常に小さいので、Nmは1としてよい。即ち、式16となる。
【0058】
【式16】
【0059】
式10におけるλ/N1は、N1が空気や真空(以下、空気の場合のみ考える)でない場合、λより小さい値となる。これより、式10と式16から言えることは、Λがλ/N1未満なら回折光は発生せず、Λがλ/N1以上なら回折光は発生するが、Λがλより大きくならないと、全反射のために回折光は空気中へでないということである。
【0060】
次に、逆方向の光16が回折光を発生させない条件を説明する。光16は図4中で方向性回折格子1の下から入射し、回折光発生部に到達する。回折光発生部を出射した直後の層11の屈折率をN4とし、回折角をφ4とすると回折条件は式17で表される。
【0061】
【式17】
【0062】
回折光が発生しない条件は、右辺が1より大きいときであるから、式18が成立する。
【0063】
【式18】
【0064】
層11へ透過した光は、次の層12へも垂直入射し、透過していき、最後に外部媒質である空気中へ出射する。式15と式18をまとめ、N4をNnと標記を変えて、式19を得る。
【0065】
【式19】
【0066】
これが、本方向性回折格子1の性能を発揮させるための一般式である。
【0067】
次に、外部へ取り出せない回折光を外部媒質へ(又は外部媒質中にある受光素子へ)取り出したい用途の場合の取り出し方法について以下に説明する。第一の方法として、かかる回折光を回折格子の裏面で全反射させないようにすることがあげられる。全反射させない方法は幾つか存在する。例えば、光の入射角を臨界角より小さくする方法がある。また、受光素子で受光する場合には、受光素子までの光路中に屈折率の最適化、又はマッチングなどを行う方法がある。光の入射角を臨界角より小さくする方法に、回折格子の裏面の角度を変える方法がある。
この構成を図5を用いて説明する。
【0068】
回折格子をプリズム上に形成する。図5では予め平板状に作製した方向性回折格子1をプリズム17に接着層18を設けて接着した場合を示している。接着する場合には接着剤の屈折率に注意し、方向性回折格子1の接着面と接する部分の屈折率とプリズムの屈折率の中間の値のものが望ましい。これは接着材との界面での反射を少なく抑えることができるからである。
【0069】
入射光19を図6に示すようにプリズムの入射面20からさせる場合を往路とする。図6では垂直入射の場合を示したが、斜入射でも本発明の原理は同様である。プリズム内に入射した光は斜面21で全反射し、方向性回折格子の方向へ進む。方向性回折格子では前述の原理で諸元を設定し、透過光22となって出射する。次に図7に復路の場合を示す。方向性回折格子のある面から光23を入射させる。方向性回折格子で回折光が発生し、+1次光24と−1次光25に分けられる。+1次光は斜面に向かい、全反射角よりはるかに小さい角度で斜面に入射するので高い透過率で外部へ透過する。−1次光は入射面に向かい、全反射して斜面に向かい、+1次光と同様に高い透過率で透過する。このように、回折光を外部に取り出すことができる。方向性回折格子では透過光26も発生するので往路と同じ光路で戻っていく。
【0070】
具体的な数字をあげて説明する。方向性回折格子のピッチが0.53μm、波長が0.635μm、方向性回折格子とプリズムと接着剤の屈折率が1.5とすると、回折角θ2は53度となる。プリズム形状は二等辺三角形とする。この時、−1次光の入射面20への入射角は37°となる。屈折率が1.5の物質と屈折率が1の物質の臨界角は48度であるので−1次光は全反射する。さらに−1次光は斜面へ8度で入射するので非常に高い透過率で透過する。+1次光の斜面への入射角も−1次光と同様に8であるので高い透過率で透過する。斜面に無反射コーテイングを施しておけばさらに高い透過率で回折光を取り出すことができる。プリズム内での回折光の斜面への入射角は全反射角を越えて無くとも、大きい角度で入射すれば高い反射率を得ることができることは言うまでもない。
【0071】
次に、光の入射角を臨界角より小さくする方法に、方向性回折格子と空気との界面の一部を回折光発生部の面と傾けることで全反射角より小さくして透過させる方法がある。これを図8を用いて説明する。復路の光23は方向性回折格子1に略垂直に入射させる。+1次光24と−1次光25が発生し裏面の空気との界面に向かう。界面を一部加工し、回折光が全反射角より小さい入射角で界面に達するようにする。図では略垂直になるようにしているが、これは垂直の時が一番フレネル反射が小さいからであり、垂直でなくとも光は透過する。また、無反射コートを施すことでより透過率を大きくできることは言うまでもない。また、後述するが、受光素子27a及び受光素子27bとの間の屈折率をマッチさせることを併用してもよい。
【0072】
回折光を外部媒質中への受光素子上へ取り出す他の方法としては、かかる回折光を回折格子の裏面で全反射させず、裏面に受光素子を配設して受光する方法がある。これを図9を用いて説明する。復路の光23は方向性回折格子1に略垂直に入射させる。+1次光24と−1次光25が発生し裏面の空気との界面28に向かう。界面は回折光発生部と略平行であるとすると、回折光は前述の原理で全反射する。全反射するのは、前述のように空気の屈折率が小さいためであるので、屈折率をマッチングさせる材質(不図示)でうめることで受光素子27a、27bへの透過率を大きくする事ができる。例えばマッチングオイルが使用できるし、回折格子に受光素子を屈折率のマッチする接着剤で接着する方法もある。市場に出回っている受光素子を代表するフォトダイオードは受光面をプラスチックで保護されており、その屈折率がガラスの屈折率に極めて近いので、屈折率のマッチする接着剤を用いれば、極めて低反射率で接着できる。また、フォトダイオードの保護用のプラスチックと屈折率が近いプラスチックで作製した回折格子を用い、かつ屈折率のマッチする接着剤を用いれば、さらに低反射で接着できることは言うまでもない。
【0073】
回折光を外部媒質へ取り出す他の方法としては、図10のように回折格子の裏面に、さらに回折格子(以下、裏面回折格子と称す)29a、29bを設け、回折させることで外部に取り出す方法がある。こうすると、回折現象で外部媒質中に光をとりだす事ができる。加うるに、回折を2回起こすため、光源の波長が変化した時でも色消しの効果で光の方向が変化しにくいという長所を持たせることができる。
【0074】
このように、式19を満たす場合の方向性回折格子について説明してきたが、その条件を満たすピッチよりも大きいピッチにする場合を図11を用いて説明する。この場合に、回折光発生部と裏面の空気との界面が平行であっても、空気との界面で全反射せずに外部に取り出すことができることは言うまでもない。ただ、その場合には、往路でも回折光30が発生する訳であるが、本方向性回折格子の利用の形態上、往路でも回折光が発生することで、往路の透過光の利用効率をやや損なっても、復路の回折効率を高いまま保って、十分に使用できる場合がある。それは、往路である高屈折率媒質から低屈折率媒質での回折においては、回折角31が90°に近いために、位相整合条件が大きくはずれるので回折効率は低くなるが(回折角が90°なら回折は殆ど無い)、復路である低屈折率媒質から高屈折率媒質への回折においては、回折角32は90°よりずっと小さいので回折効率は依然として大きく保たれるからである。具体的にピッチが波長に比してどれだけ大きな範囲まで効果があるかは、実施例とともに後述する。
【0075】
つぎに、上記で示した方向性回折格子の各場合について、小型でかつ効率のよい光ヘッドを構成できることを示す。第一の構成として、かかる回折光を回折格子の裏面で全反射させないために、方向性回折格子と受光素子との間に屈折率のマッチングを行った構成を図12に示す。方向性回折格子1は、平行基板の一面に形成する。光源である半導体レーザチップ33からの光3を方向性回折格子の裏面から入射させる。基板中を透過し、さらに方向性回折格子を透過する。方向性回折格子を透過した光はレンズ34で記録媒体(不図示)上に絞り込む。記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、受光素子27a、27bで受光する。各々の部品は小型の筐体35中に接着等により組み込む。方向性回折格子は例えば図13に示すような回折格子36となっており、+1次光24と−1次光25を生じさせる。回折格子表面はトラック検出領域37a、37bとフォーカス検出領域38とに分かれている。トラック検出領域は記録媒体からの反射光中のトラックパターンからトラック信号を取り出すため、回折格子がトラックの溝に対象に二分割されており、各々で発生する−1次光が各々のフォトダイオード(以下、PD)39aと39bに入射する。フォーカス用領域の回折格子で発生する−1次光は2分割PD40に入射し、ナイフエッジ法によりフォーカス信号が検出される。+1次光はPD41で受光する。各々のPDの出力は記録信号の検出にも利用する。他の信号検出法では、フォーカス検出法にはナイフエッジ法の他に、非点収差法、フーコー法、その他にもダブルナイフエッジ法、ダブル非点収差法、ダブルフーコー法など、その方式に合わせたパターンとすることができる。トラック検出法にはプッシュプル法、ウオブリング法、DPD法、DPP法など、その方式に合わせたパターンとすることができる。このように小型の光ヘッドを構成できる。記録媒体は、ROM、RAMのどちらでも良い。方向性回折格子は効率が高いので、RAMでも十分使用できる。
【0076】
第二の構成として、方向性回折格子の裏面を一部傾けた構成を図14に示す。光源からの光3を方向性回折格子1の裏面から入射させる。基板中を透過し、さらに方向性回折格子を透過する。方向性回折格子を透過した光はレンズ34で記録媒体(不図示)上に絞り込む。記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、±1次光を生じさせる。各々の回折光は前述のように、基板の裏面の形成された全反射角より小さい界面に入射し、PDに到達する。回折格子のパターンは図13で説明したものでもよいが、他の方式でもよい。信号検出法は上記と同様に自由度を持たせる事ができる。このように小型の光ヘッドを構成できる。記録媒体は、ROM、RAMのどちらでも良い。方向性回折格子は効率が高いので、RAMでも十分使用できる。
【0077】
第三の構成として、裏面回折格子を設けた方向性回折格子を用いた構成を図15に示す。光源からの光3を方向性回折格子の対抗面から入射させる。基板中を透過し、さらに方向性回折格子1を透過する。方向性回折格子を透過した光はレンズで記録媒体(不図示)上に絞り込む。記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、±1次光を生じさせる。光は方向性回折格子に裏面に設けた裏面回折格子29a、29bに入射する。この裏面回折格子のピッチが方向性回折格子のピッチと同じであれば、裏面回折格子での回折光は、光源の光と平行することができる。光源の波長が変化した場合、方向性回折格子での回折光の回折角が変わって裏面回折格子上での位置が変化し、PD27a、27b上ではスポット変化が生じる。しかし、方向性回折格子のピッチより裏面回折格子のピッチを小さくしておけば、裏面回折格子での回折角の変化が上回り、PD上でのスポット位置変化をも打ち消すことができる。このように光源の波長の変化に対しても、安定な小型の光ヘッドを構成できる。信号検出法は上記と同様に自由度を持たせる事ができる。記録媒体は、ROM、RAMのどちらでも良い。方向性回折格子は効率が高いので、RAMでも十分使用できる。
【0078】
第四の構成として、かかる回折光を回折格子の裏面で全反射させないように回折格子をプリズム上に形成した場合を図16に示す。方向性回折格子は、直角二等辺三角形の斜面でない一面に形成する。光源からの光を斜面でない他の一面から入射させる。プリズム内での光の挙動は上記に説明した通りである。方向性回折格子は上記に説明したものである。半導体レーザ33を出射した光3は方向性回折格子を透過し、レンズ34で記録媒体(不図示)上に絞り込まれる。記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、±1次光を生じさせる。+1次光24はプリズムの斜面21そのまま透過してPD27aに入射し、−1次光25は入射面で反射し、斜面を透過してPD27bに入射する。このように小型の光ヘッドを構成できる。信号検出法は上記と同様に自由度を持たせる事ができる。記録媒体は、ROM、RAMのどちらでも良い。方向性回折格子は効率が高いので、RAMでも十分使用できる。
【0079】
次に、方向性回折格子1の偏光特性について考える。図17に一種類の材料で構成された表面レリーフ回折格子を示す。回折光発生部の裏側から光3を入射させる。方向性回折格子では、前述のように空気側へは回折光は出射されない。しかし、空気側へ出る前には+1次光43と−1次光44の回折光が存在する。これらの回折光は空気側へは位相整合されないので出射しないが、屈折率が高い方向、即ち、反射する方向へは位相整合条件が満たされ、+1次光43は反射回折光としての+1次光45となり、−1次光44は反射回折光としての−1次光46となって存在する。反射回折光45と46は回折格子との相互作用で入射光3とは逆方向の反射光47と反射光48(以下、回折反射光と称す)に一部変換される。
【0080】
これらの反射回折光や回折反射光の効率は主に回折格子の屈折率と相互作用長である格子深さに大きく依存する。方向性回折格子のように、ピッチが小さい回折格子では一般的に回折作用が異なる事が知られており、S偏光49(偏光方向と格子ベクトルが垂直)とP偏光50(偏光方向と格子ベクトルが平行)とでは、S偏光の方が回折作用が大きくなることが知られている。このため、入射光から反射回折光や回折反射光へ光のエネルギーが伝達される量は、S偏光よりP偏光の方が少ない。そのため、方向性回折格子における透過率はP偏光の方が大きくなる。さらに入射光中のS偏光の多くを回折反射光とし、P偏光の多くを透過光とすることができる。これは一種の偏光ビームスプリッター(PBS)の作用を示しているが、従来の誘電体多層膜によるPBSでは膜に対して斜入射させる必要があるが、方向性回折格子の場合、垂直入射でよい点に特徴がある。
【0081】
上記と逆方向から光23を入射させた場合は、やはり、S偏光49の方がP偏光50より回折作用が大きくなるので、+1次光24と−1次光25の回折効率は、S偏光の方がP偏光より大きくなる。透過光51はP偏光が支配的になる。このような偏光特性は、従来技術で説明した偏光性回折格子と同様であることから、本発明に係る方向性回折格子は方向性と共に偏光性回折格子の側面も持ち合わせると言える。
【0082】
この偏光特性を利用し、方向性回折格子と記録媒体の間に4分の1波長板を設け、往路をP偏光、復路をS偏光として使用することで、さらに方向性を高める事ができる。具体的には、図12から図16までにおいて説明した光ヘッドにおいて、方向性回折格子と記録媒体の間に4分の1波長板を設定し、方向性回折格子に対し、光がP偏光になるように半導体レーザチップとの位置関係を設定し、方向性回折格子からの透過光が円偏光になるように4分の1波長板の軸方向を設定し、記録媒体から戻ってきた光をその4分の1波長板でS偏光に変換し、方向性回折格子で回折させてPDへ導く事によって実現できる(不図示)。
【0083】
方向性回折格子を用いた光ヘッドにおいて、往路をP偏光とし、復路をS偏光として用い、往路の透過率と復路の回折効率を高くしたい場合には、P偏光にとって回折作用を小さくし、S偏光の回折作用を大きくすればよいが、これを実現する方法に、複屈折材料を用いる方法がある。図17と図18で説明した回折格子を例にとる。複屈折材料の例として3m結晶であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムがある。常光の屈折率Noと異常光の屈折率Neという相直交する二つの直線偏光に対し、異なる屈折率を示す。ニオブ酸リチウムの場合を図19で説明する。回折格子をZ方向53とX方向52のなす面上に作製し、格子ベクトルの方向はZ方向である。光はY方向54に入射する。入射光3をP偏光とすると感じる屈折率はNeなので2.20である。帰ってくる光23をS偏光にすると、感じる屈折率はNoで2.286となる。こうすることで、往路のP偏光では屈折率の小さい方を選べるので透過率が高く、復路のS偏光では屈折率を大きく選べるので回折効率を高くできる。タンタル酸リチウムの場合も軸方向と格子ベクトル方向を適切に選ぶことで実現できる。
【0084】
図18で説明したように、回折格子の表側から光が入射した場合には透過光はP偏光、回折光はS偏光が支配的になる。これを利用すれば偏光の検出が可能となる。例えば、図7、図8、図9、図10で各々示した構成を用いると、各々、図20、図21、図22、図23のように偏光分離せられ、±1次光を各々検出する受光素子出力の総和と透過光を検出する受光素子の出力の差をとることで、入射光の偏光状態を知ることができる。これを利用することで、小型の光磁気ヘッドに応用できる。図20の構成を用いた例を図24を用いて説明する。半導体レーザ33からの光3を回折格子55に入射させる。この回折格子は従来の回折格子でよい。出射光は光磁気記録媒体(付図示)に入射し、反射し、その反射光23は再び回折格子55に戻る。回折格子55はフォーカス信号やトラック信号を検出するもので、回折格子パターンは前述のごとく様々なパターンが適応できる。ここでは図13で示したものとする。回折光は+1次光56と−1次光57に別れる。各々の回折光の偏光は光磁気信号によって回転するので、どちらの回折光の偏光状態を検出しても光磁気信号を検出できる。図では、説明の簡単化のために+1次光にのみ方向性回折格子を適用する。+1次光を図20で説明した方向性回折格子58に入射させる。方向性回折格子の格子ベクトルは図25に示すように反射光の偏光状態が方向性回折格子の格子ベクトルと45°を成すようにする。回折格子55で3つの+1次光に分離した光は、各々さらに透過光と±1次光に振り分けられるので、全部で九つの回折光が発生する。そのうち、回折光はPD59とPD60に入射し、透過光はPD61に入射し、前述の原理で偏光状態を検出することで光磁気信号を検出できる。回折格子55での−1次光はフォーカス検出などに使用される。
【0085】
回折格子55をブレーズ化し、一方の回折光のみ高効率で発生させ、そちらに方向性回折格子を適用すれば効率よく光磁気信号を検出できることは言うまでもない。回折格子55の−1次光の方にも方向性回折格子適用して光磁気信号を得ることは勿論可能である。、この場合には、透過光を従来通り分割受光素子62を用いて各種信号を検出し、さらに方向性回折格子の回折光を受光するPDを設けて偏光状態を検出すればよい(不図示)。このように、回折格子55の±1次光の両方に方向性回折格子を適用すればより大きな光磁気信号を得ることは言うまでもない。また、方向性回折格子には図13のもを適用して説明したが、その他のものを使うことでも同様の機能が得られることは言うまでもない。
【0086】
前述のような、方向性回折格子のPBSの機能を利用することによっても、光磁気ヘッドを構成する事ができる。図26を用いて説明する。図26(a)が構成である。これは前述の図16で説明した光ヘッドを基本的に利用したものである。光3をP偏光で入射させ、斜面21で全反射させて方向性回折格子に入射させる。透過した光はレンズ等を経て(不図示)、光磁気記録媒体上に照射され(不図示)、記録信号によって信号成分であるS偏光の偏光成分が光に加えられ、反射して再び方向性回折格子に戻ってくる。前述のように方向性回折格子は回折効率に偏光依存性を示すが、記録信号であるS偏光は透過率を高くでき、信号成分でないP偏光は透過率を低くできる。これは、光磁気ヘッドにおいて、よく用いられている信号成分の増大の手法として知られる偏光角増大の手法と同じ効果を示している。次に回折光は斜面21に到達する、斜面21には前述のPBSの機能を示す方向性回折格子を形成する。方向性回折格子は図26(b)に示すよう設定し、+1次光の方向性回折格子63と−1次光の方向性回折格子64の格子ベクトルが垂直になり、かつ、P偏光48とS偏光49に45°なす方向で設定する。図26(c)は、光磁気記録媒体からの反射光の偏光の様子を示す。入射光の偏光であるP偏光48に対し、図では左に傾いた偏光65が戻ってくる。方向性回折格子64においては、S偏光成分が増えるので、反射光が増え、透過光量が下がる。一方、方向性回折格子63においては、P偏光成分が増えるので、透過光量が上がる。このため、両方の光量の差分をとることで、光磁気信号を検出できることとなる。フォーカス信号やトラック信号は、方向性回折格子1自体を前述のパターンとすることで検出できる。よって、図13で説明したPD以外にPDを作る必要はなく、方向性回折格子1の+1次光を検出するPDの出力と−1次光を検出するPD出力の差をとればよい。
【0087】
次に本発明に係る回折格子の作製法を説明する。回折格子には表面レリーフ回折格子が最も適している。これは、表面レリーフ回折格子が、回折格子の材料と空気の屈折率の変調に基づく構造なので、N1とN2の屈折率の差が大きくとれることになり、式7によりピッチの許容範囲が大きくなるからである。そこで、表面レリーフ回折格子の作成方法について記す。図27はその工程図である。回折格子の材料をガラスとし、図27(a)に示すようにガラス基板66上にレジスト67を塗布する。レジストはポジ型でもよいし、ネガ型でもよいが、分解能の優れているレジストが望ましい。塗布の方法はスピンコーティングでもよいしディップコーティングでもよい。次に図27(b)に示すように、回折格子の所望のピッチになるようにレジストをパターニングして回折格子68を得る。パターニングの方法としては、マスクの密着露光や縮小投影露光を行った後に現像する方法が一般的な手法として採用できる(不図示)。簡単な露光法としては二光束干渉露光法を採用しても良い。これは図28に示すように、二つの光70と光71をレジスト面上で干渉させることで干渉縞を記録する方法である。次に図27(c)に示すように、作製したレジストパターンをマスクとしてガラスのエッチングを行う。エッチングはドライでもウェットでもよい。次に図27(d)に示すように、レジストを溶解することで最終的に回折格子69を得ることができる。ここで、図27(b)に示されている状態であっても回折格子として用いることができる。しかし、レジストは一般的には透過率がよいわけではないので、非常に高い透過率を望む場合には図27(d)までの工程を経て透過率の良いガラスの回折格子を作製することが望ましい。回折格子の格子の形状は問わない。
【0088】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。回折格子の作製は、図27に示した方法の中で、二光束干渉露光法を用いてパターニングを行い同図(b)の状態の回折格子、すなわちレジストの回折格子を用いた。効率測定に用いる光の波長が635nmの赤色であり、使用したレジストは赤色で透明である事から、光利用効率の点で透明なガラス基板に対して遜色がない。作製条件を表2に示す。式8からピッチΛは 0.423μmより大きく、0.635μmより小さい事が求められるので、0.6μmとした。
【0089】
【表2】
【0090】
この条件を基本とし、深さの異なる回折格子を作製した。露光量を変えることで深さを制御した。評価は図16の設定で行った。直角二等辺三角形のプリズムを採用し、作製した回折格子は屈折率のマッチングオイルを用いてプリズムに接触させることで、回折格子の裏面とプリズムの面での反射光を抑えた。回折格子の裏面側から入射させる往路と、回折格子面から入射させる復路について測定を行った。635nmの波長の半導体レーザを用い、S偏光、P偏光の各偏光について、透過光、+1次光と−1次光の回折光、及び反射光の測定を行った。
【0091】
測定結果を図29から図34に示す。図29は往路のP偏光の往路の透過率、復路の各偏光の回折光の効率である。横軸は回折格子の相対的な深さである。P偏光については、深さ7の時に往路の透過率が90%、復路の回折効率が+1次光と−1次光の両方を併せて約20%となっており、往復路の足し算で100%を越えることが実証された。これにより方向性回折格子となっていることが実証された。
【0092】
また復路のS偏光の回折効率はP偏光の回折効率の2倍以上の値を示しており、偏光性回折格子の側面が実証された。
【0093】
次に、往路のS、P偏光の透過率と反射率を示したのが図30である。P偏光は深さに従って透過率が下がり、反射率は10%以上に上がった。透過率が下がるのは、主に反射回折光が多くなるためであるが、反射率はフレネル反射以上に大きいという特徴が示された。S偏光も反射回折の効率が上がるに従って透過率が減少するが、特徴的なのは反射率が40%以上と非常に大きくなることである。これは前述のように、回折光がさらに回折反射光に結合を始めるからと推測できる。垂直入射のPBSに相当することが示された。
【0094】
次に、復路におけるS、P偏光の透過率を示すとともに、各々の偏光の±1次光同士を足し合わせた回折効率の総計を図31に示す。深さが相対値7付近では、S偏光の回折効率の総計は80%近くあり、その時に透過率は20%まで落ちた。P偏光はそこまでの差は付かないが、回折効率の総計と透過率が同じ程度に近づいた。また、両偏光の透過率と回折効率の総計は、深さが相対値6付近で同等になった。その深さでは、S偏光は70%が回折し、30%が透過した。P偏光は逆に70%が透過し、回折は30%であった。両偏光ともに透過と回折で40%もの差が生じた。
【0095】
次に、往路と復路におけるS、P両偏光の透過率を示す。図32は往路でのP偏光の透過率と復路でのS偏光の透過率を示す。図33は往路でのS偏光の透過率と復路でのP偏光の透過率を示す。図32の場合では、深さが相対値6の時に、往路のP偏光の透過率は80%あるに対して、復路のS偏光の透過率は30%と低くなった。また、図33の場合では、深さが相対値6の時に、往路のS偏光の透過率は73%あるに対して、往路のP偏光の透過率は32%と低くなった。これから、往路と復路で偏光の状態を変えることで、透過率の方向性を持たせることができ、アイソレータを構成することができる事が分かった。
【0096】
次にピッチが式8から逸脱した場合、即ち、ピッチが波長に対してどれだけ大きい場合に、高い回折効率を確保し続けるかの実験を行った。効率測定に用いる光の波長を635nmとし、ピッチを635nmから小刻みに大きくして作製した。作製方法は前述と同様であり、ピッチは二光束干渉の角度を変えることにより制御した。回折格子の深さを、各ピッチごとに様々に変えて作製し、往路のP偏光の透過率を、約73%という高い数値になる深さを選び、その深さの回折格子に復路からS偏光を入射させて回折効率を測定した。結果を図34に示す。ピッチが波長635nmの1.2倍程度まで高い回折効率を示し、ピッチを大きくするに従い、振動しながら徐々に一定の回折効率に近づいていくことが示された。これから、少なくともピッチの1.2倍までは通常の回折格子より高効率であることが実証できた。これは、方向性回折格子の一般的な性質であり、この表面レリーフ回折格子に限定されるものではないことは言うまでもない。
【0097】
【発明の効果】
以上のように、第一の発明によれば、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率を有する材質1及び材質2の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子を有し、ピッチを波長に対し、最適なる範囲に設定して形成するので、従来にない、入射光の方向によって回折特性を異ならしめることができる回折格子を提供する事ができる。
【0098】
また、第二の発明によれば、屈折率N1と屈折率N2の互いに異なる屈折率を有する材質1及び材質2の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子を有し、ピッチを波長に対し、上記範囲よりやや大きめにピッチを形成しても、復路の回折効率を高めに設定できるので、ピッチが大きい分、作製が容易な回折格子を提供する事ができる。
【0099】
また、第三の発明によれば、少なくとも1種類の層からなる材質(材質3)と、少なくとも1種類の層からなる材質(材質4)の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子においても同様に方向性回折格子の機能を実現することができるので、方向性回折格子を他の材料と積層する等して他の機能を持たせようとすることも可能であり。諸処の応用に使用できる。
【0100】
また、第四の発明によれば、少なくとも1種類の層からなる材質(材質3)と、少なくとも1種類の層からなる材質(材質4)の間に、屈折率N1と屈折率N2の区画を交互にピッチΛで配設した回折格子を有し、ピッチを波長に対し、上記範囲よりやや大きめにピッチを形成しても、復路の回折効率を高めに設定できるので、ピッチが大きい分、作製が容易な回折格子を提供する事ができ、かつ、方向性回折格子を他の材料と積層する等して他の機能を持たせようとすることも可能であり、諸処の応用に使用できる。
【0101】
また、第五の発明によれば、方向性回折格子において、回折格子の区画を成す材質の少なくとも一方が複屈折性の物質で形成されてなるので、往路のある偏光の透過率と復路の直交する偏光の回折効率をどちらもさらに高くできる。
【0102】
また、第六の発明によれば、光源からの光を方向性回折格子に入射させ、透過光を記録媒体上にレンズを用いて絞り込み、反射光を方向性回折格子で回折させ、全反射面を設けずに受光素子へ光を導くようにすることで、高効率で小型な光ヘッドを実現することができる。
【0103】
また、第七の発明によれば、光源からの光をプリズム上に配設した方向性回折格子に入射させ、透過光をレンズで記録媒体上に絞り込み、記録媒体からの反射光を方向性回折格子に戻し、回折した回折光のうち、プリズムの斜面を透過する光と、プリズムの一面で反射した後にプリズムの斜面を透過した光を受光素子へ導くようにすることで、小型で高効率な光ヘッドを提供することができる。
【0104】
また、第八の発明によれば、光源からの光を方向性回折格子に入射させ、透過光を記録媒体上にレンズを用いて絞り込み、反射光を方向性回折格子で回折させ、さらに別個の回折格子を設けて受光素子へ光を導くようにすることで、小型で高効率かつ光源の波長変動に影響を受けにくい光ヘッドを提供することができる。
【0105】
また、第九の発明によれば、方向性回折格子と記録媒体の間に4分の1波長板を設けることで、方向性回折格子の偏光性回折格子としての特性を活かし、光利用効率の高い光ヘッドを提供することができる。
【0106】
また、第十の発明によれば、方向性回折格子の屈折率の小さい方から高い方へ光を入射させ、透過光と回折光に偏光を分離して受光するので、小型の偏光検出器を提供できる。
【0107】
また、第十一の発明によれば、上記の小型の偏光検出器を搭載するので小型の光磁気ヘッド装置を提供できる。
【0108】
また、第十二の発明によれば、方向性回折格子とプリズムを組み合わせた光ヘッドの斜面に方向性回折格子を設けるだけで小型の光磁気ヘッド装置を提供できる。
【0109】
また、第十三の発明によれば、方向性回折格子における入射の方向と偏光とを適切に設定することで、アイソレータの機能を実現することができる。
【0110】
また、第十四の発明によれば、上記のアイソレータと偏光の関係を逆にすることでもアイソレータの機能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】回折格子へ光が斜入射する場合の光路を示す図である。
【図2】回折格子へ光が垂直入射する場合の光路を示す図である。
【図3】方向性回折格子において、基板中に回折光が入射した場合に裏面から出射できないことをしめす図である。
【図4】多層の層に回折格子部が挟まれてなる場合の光路を示す図である。
【図5】方向性回折格子をプリズムと一体化した構成を示す図である。
【図6】方向性回折格子をプリズムと一体化した構成において、光を入射させた場合の光路を示す図である。
【図7】方向性回折格子をプリズムと一体化した構成において、光を方向性回折格子側から入射させた場合の光路を示す図である。
【図8】方向性回折格子において、空気との界面を全反射角より小さくして光を取り出す構成を示す図である。
【図9】方向性回折格子において、空気との界面を設けずに回折光を受光する構成を示す図である。
【図10】方向性回折格子において、空気との界面に別途回折格子を設けて回折光を外部へ取り出して受光する構成を示す図である。
【図11】方向性回折格子を定める諸元のうち、ピッチを範囲外に大きくした場合の光路を示す図である。
【図12】空気との界面を設けずに回折光を受光する方向性回折格子を用いた場合の光ヘッドの構成を示す図である。
【図13】光ヘッドの信号を得るための回折格子のパターンと光路を示す図である。
【図14】空気との界面を全反射角より小さくして光を取り出す方向性回折格子を用いた場合の光ヘッドの構成を示す図である。
【図15】空気との界面に別途回折格子を設けて回折光を外部へ取り出す方向性回折格子を用いた場合の光ヘッドの構成を示す図である。
【図16】プリズムと一体化することで光を外部に取り出す方向性回折格子を用いた場合の光ヘッドの構成を示す図である。
【図17】方向性回折格子の裏面側から光を入射させた場合の回折光や透過光の光路を示す図である。
【図18】方向性回折格子の回折格子のある側から光を入射させた場合の回折光や透過光の光路を示す図である。
【図19】複屈折媒質の軸方向と方向性回折格子の位置の関係を示す図である。
【図20】空気との界面を設けずに回折光を受光する方向性回折格子において、復路から光を入射させた際の偏光の分かれ方を示す図である。
【図21】空気との界面に別途回折格子を設けて回折光を外部へ取り出す方向性回折格子において、復路から光を入射させた際の偏光の分かれ方を示す図である。
【図22】プリズムと一体化した方向性回折格子において、復路から光を入射させた際の偏光の分かれ方を示す図である。
【図23】空気との界面を全反射角より小さくして光を取り出す方向性回折格子において、復路から光を入射させた際の偏光の分かれ方を示す図である。
【図24】復路から光を入射させる場合の方向性回折格子を偏光検出器に用いた光磁気ヘッドの構成を示す図である。
【図25】上記の光磁気ヘッドに用いる偏光検出器である方向性回折格子における偏光の分離の様子を示す図である。
【図26】(a)偏光を反射光と透過光に分ける方向性回折格子を偏光検出器に用いた光磁気ヘッドの構成を示す図である。
【図26】(b)上記の偏光検出器である方向性回折格子における、偏光と格子ベクトルの関係を示す図である。
【図26】(c)上記の偏光検出器である方向性回折格子における、光磁気信号である偏光回転の関係を示す図である。
【図27】方向性回折格子を作製する実施例を示す図である。
【図28】上記の作製法における回折格子のパターニングの方法としての二光束干渉露光法の構成を示す図である。
【図29】作製した方向性回折格子において、往路からP偏光を入射させ、復路からP偏光とS偏光の両方を入射させた場合の回折効率を示す図である。
【図30】作製した方向性回折格子において、往路からS偏光とP偏光を入射させた場合の透過率と反射率を示す図である。
【図31】作製した方向性回折格子において、復路からS偏光とP偏光を入射させた場合の透過率と回折効率を示す図である。
【図32】作製した方向性回折格子において、往路のP偏光と復路のS偏光の透過率を示す図である。
【図33】作製した方向性回折格子において、往路のS偏光と復路のP偏光の透過率を示す図である。
【図34】往路のP偏光の透過率を約70%という高い数値になる深さを選び、その深さの回折格子に復路からS偏光を入射させて測定した回折効率を示す図である。
【図35】従来技術
【図36】従来技術
【符号の説明】
1 方向性回折格子
2 回折格子のピッチ
3 往路での入射光
4 回折光発生部
5 空気中への回折角
6 復路からの入射光
7 基板中での回折光
8 基板中での回折角
9 空気中への屈折角
10 回折格子部
11、12、13、14、15 層
16 一化した方向性回折格子への入射光
17 プリズム
18 接着層
19 プリズムへの入射光
20 プリズムへの入射面
21 プリズムの斜面
22 方向性回折格子からの透過光
24 +1次光
25 −1次光
26 復路の透過光
27a、b 受光素子
28 空気との界面
29a、b 裏面回折格子
30 空気中への回折光
31 空気中での回折角
32 基板中での回折角
33 半導体レーザ
34 レンズ
35 筐体
36 方向性回折格子のパターン
37a、b トラックパターン
38 フォーカスパターン
39a、b トラック信号検出用受光素子
40 フォーカス信号検出用受光素子
41 +1次光検出用受光素子
42 方向性回折格子からの透過光
43、44 方向性回折格子内での回折光
45、46 方向性回折格子内での反射回折光
47、48 方向性回折格子内での回折反射光
49 S偏光
50 P偏光
51 復路での方向性回折格子の透過光
52 X方向
53 Z方向
54 Y方向
55 従来の回折格子
56 従来の回折格子の+1次光
57 従来の回折格子の−1次光
58 偏光検出器としての方向性回折格子
59、60 方向性回折格子の回折光の受光素子
61 方向性回折格子の透過光の受光素子
62 従来の回折格子の−1次光の受光素子
63、64 方向性回折格子
65 光磁気信号を示す偏光方向
66 ガラス基板
67 レジスト膜
68 レジスト状回折格子
69 ガラス状回折格子
70、71 露光用の光
72 ニオブ酸リチウム
73 格子
74 入射光
75 透過光
76、77 回折光
78 異方性板
79 光学軸
80 充填材料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a directional diffraction grating having directionality, an optical head device using the same, a magneto-optical head device, and an isolator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the directionality of the diffraction grating, that is, the incident light from the side where the diffraction grating is located. This Diffractive in diffraction efficiency and transmittance when entering from the back side of the diffraction grating (Such a diffraction grating is called a directional diffraction grating.) Was not proposed. The diffraction grating used in the optical disk requires directivity, and the directivity is provided by a combination of a polarizing diffraction grating and a wave plate whose diffraction efficiency changes depending on the polarization. Various polarizing diffraction gratings have been proposed. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 63-55501, as shown in FIG. 35, a lithium niobate crystal plate 72 having a crystal axis in the x-axis direction, an ion exchange region having a period in the z-axis direction and a non-ion exchange A structure in which a
[0003]
Therefore, for the polarization component that vibrates in the y-axis direction of the incident light 74, that is, the ordinary light component, even if the grating 12 is formed by ion exchange, the refractive index is uniform in the plane, and the optical diffraction grating Since there is no effect, the transmitted light 75 passes straight through the crystal plate 72. On the other hand, for the polarization component that vibrates in the z-axis direction of the incident light 74, that is, the extraordinary light component, the refractive index is periodically changed to Ne + 0.13 in the proton ion exchange region of the
[0004]
As described above, by using this polarizing diffraction grating, it is possible to separate the incident light 74 into the 0th-order diffracted light and the ± 1st-order diffracted light, thereby separating the orthogonal polarization components. Further, since this polarizing plate is formed with a
[0005]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-247941 discloses a polarizing diffraction grating as shown in FIG. In this polarizing diffraction grating, a grating groove is formed in an
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in any polarizing diffraction grating, the direction of incident light, that is, the efficiency of diffracted light and the efficiency of transmitted light, regardless of whether it is incident from the diffraction grating side or the back side of the diffraction grating, is the principle. Are the same. Therefore, in applications where the diffraction grating is placed in the optical path and the characteristics need to change depending on the incident direction, it is necessary to set the wavelength plate to one side and use the polarization to change depending on the incident direction. An increase in size and an increase in size were inevitable.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide a diffractive grating having directionality.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies and studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor is easy to manufacture and suitable for mass productivity by appropriately setting the specifications such as wavelength, pitch and refractive index in the diffraction grating. Succeeded in developing a directional diffraction grating.
[0009]
That is, according to the present invention, a diffraction grating in which sections of the refractive index N1 and the refractive index N2 are alternately arranged at a pitch Λ between the
[0010]
The present invention is a diffraction grating in which sections of refractive index N1 and refractive index N2 are alternately arranged at a pitch Λ between
[0011]
In the present invention, sections having different refractive indexes N1 and N2 are alternately arranged between a material (material 3) made of at least one layer and a material (material 4) made of at least one layer. And a refractive index N3 of a material in contact with the partition in at least one material, N4 being the lowest refractive index in the other material, and λ being a wavelength to be used. Sometimes, the directional diffraction grating is formed by setting each specification within an optimum range.
[0012]
In the present invention, sections having different refractive indexes N1 and N2 are alternately arranged between a material (material 3) made of at least one layer and a material (material 4) made of at least one layer. And a refractive index N3 of a material in contact with the partition in at least one material, N4 being the lowest refractive index in the other material, and λ being a wavelength to be used. Sometimes a directional diffraction grating is formed with a pitch larger than the above range.
[0013]
The present invention is a directional diffraction grating in which at least one of the sections constituting the diffraction grating is formed of a birefringent material.
[0014]
In the present invention, the light from the light source is incident on the directional diffraction grating, the transmitted light is narrowed down on the recording medium using a lens, the reflected light is diffracted by the directional diffraction grating, and the total reflection surface is not provided. It is an optical head that guides light to the light receiving element.
[0015]
In the present invention, light from a light source is incident on a directional diffraction grating disposed on a prism, transmitted light is narrowed down on a recording medium by a lens, and reflected light from the recording medium is returned to the directional diffraction grating and diffracted. Of the diffracted light, the optical head device detects light by transmitting light transmitted through the slope of the prism and light transmitted through the slope of the prism after being reflected by one surface of the prism.
[0016]
In the present invention, light from a light source is incident on the above directional diffraction grating, transmitted light is narrowed down on a recording medium using a lens, reflected light is diffracted by the directional diffraction grating, and a separate diffraction grating is provided. The optical head guides light to the light receiving element.
[0017]
In the present invention, the light from the light source is set to P-polarized light with respect to the directional diffraction grating, a quarter-wave plate is provided between the directional diffraction grating and the recording medium, and the transmitted light from the directional diffraction grating is circularly polarized. The optical head converts the reflected light from the recording medium into S-polarized light and diffracts it with a directional diffraction grating.
[0018]
The present invention is a polarization detector that allows light to be incident from a low refractive index to a high refractive index in a diffracted light generator of a directional diffraction grating, and separates polarized light into transmitted light and diffracted light.
[0019]
The present invention is a magneto-optical head device on which the polarization detector is mounted.
[0020]
The present invention is an optical head device in which a directional diffraction grating is provided on a prism, and a magneto-optical signal is detected by further providing a directional diffraction grating on the slope of the optical head device.
[0021]
In the diffracted light generating portion of the directional diffraction grating, the present invention is formed by allowing P-polarized light to enter from the higher refractive index to the lower and allowing S-polarized light to enter from the lower refractive index to the higher. This is an isolator.
[0022]
In the diffracted light generating portion of the directional diffraction grating, the present invention is formed by allowing S-polarized light to enter from the higher refractive index to lower light and allowing P-polarized light to enter from the lower refractive index to the higher refractive index. This is an isolator.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Details will be described below. 1 and 2 are cross-sectional views of the main part of a
[0024]
As shown in FIG. 2, light incident on the back surface of the
[0025]
[Formula 1]
[0026]
Here, the wavelength of light is λ, and the refractive index of the external material is N2. By using this equation, θ1 can be obtained. Next, as shown in FIG. 2, it is assumed that the
[0027]
[Formula 2]
[0028]
Here, the refractive index of the material forming the diffraction grating is N1. The diffracted light is refracted into the external material on the back surface. The relationship when the
[0029]
[Formula 3]
[0030]
Next, by eliminating θ2 from
[0031]
[Formula 4]
[0032]
Thereby, it can be seen that θ1 and θ3 have the same value. This indicates that the diffraction angle does not change for a general diffraction grating when it is incident from the diffraction grating surface and when it is incident from the back surface.
Next, the
[0033]
Specific numerical values are set, and θ1 and θ2 are obtained using the diffraction grating pitch Λ as a parameter. Assuming that λ is 635 nm, N1 is 1.5, and N2 is 1 (in the air),
[0034]
[Formula 5]
[0035]
[Formula 6]
[0036]
Table 1 exemplifies specific values of θ1 and θ2 in
[0037]
[Table 1]
[0038]
From this, it can be said that only θ2 can have a value at a certain pitch. That is, it can be seen that diffracted light is generated only in the return path. In this specific example, since the refractive index of the diffraction grating is larger than the refractive index of air, there are cases where diffraction occurs only in the forward path, but when the refractive index of the external medium is greater than the refractive index of the diffraction grating, only the return path is diffracted. A case occurs. In short, by appropriately setting the pitch, the refractive index on the exit side (the side where diffracted light is generated) in the diffraction grating is larger than the refractive index on the incident side (hereinafter referred to as incidence on a high refractive index medium). ) Can generate diffracted light only. At this time, the direction in which the refractive index on the exit side of the diffraction grating is smaller than the refractive index on the incident side (hereinafter referred to as incidence on the low refractive index medium) can be only transmitted light. Can be different.
[0039]
The condition for realizing this directional function is a pitch range in which the right side of
[0040]
[Formula 7]
[0041]
This is because the diffraction grating under consideration is that one material is in contact with the air layer, so the diffraction grating is composed of sections with different refractive indexes, and the surrounding material is different from each other. The case where it is the same as the refractive index of a division is shown. As a specific example, assuming that a surface relief type is used for the diffraction grating, N1 is 1.5 assuming glass, N2 is 1 when the external medium is air, and
[0042]
[Formula 8]
[0043]
The pitch is smaller than the wavelength and larger than about 70% of the wavelength. When the condition for realizing the directional function is the case where sin θ1 exceeds 1, as described above, sin θ3 also exceeds 1, and the diffracted light generated by incidence on the high refractive index medium is diffracted. It cannot be emitted from the back of the grating and is totally reflected. These states are shown in FIG.
[0044]
Thus, in the case of the directional diffraction grating, the refractive index of the layer of the external medium (here, air) in contact with the diffraction grating during the return path and the layer of the external medium (here, the side where the diffracted light is emitted) If the refractive index of air) is the same, the diffracted light to the high refractive index medium exceeds the critical angle on the back surface and cannot be extracted into the external medium. When used for general isolator applications, light in the return path is unnecessary, which is convenient.
[0045]
There are many configurations of diffraction gratings other than those shown in FIG. Therefore, the
[0046]
The
[0047]
[Formula 9]
[0048]
Even if the diffracted
[0049]
[Formula 10]
[0050]
Next, the angle of light in each layer is φ1 for the layer 13, φ2 for the layer 14, and φ3 for the layer 15, and the refractive indexes of the respective layers are N1, N2, and N3. .
[0051]
[Formula 11]
From the
[0052]
[Formula 12]
[0053]
[Formula 13]
[0054]
[Formula 14]
[0055]
In order to prevent total reflection in each layer, the right side of Expressions 12 to 14 needs to be 1 or less. Therefore, Expression 15 is established when Nm is the smallest refractive index among N1, N2, and N3.
[0056]
[Formula 15]
[0057]
If the layer 15 is air as an external medium, the refractive index of air is generally close to that of a vacuum and is very small, so Nm may be 1. That is, Expression 16 is obtained.
[0058]
[Formula 16]
[0059]
Λ / N1 in
[0060]
Next, the conditions under which the reverse direction light 16 does not generate diffracted light will be described. The light 16 enters from below the
[0061]
[Formula 17]
[0062]
Since the condition that the diffracted light is not generated is when the right side is larger than 1,
[0063]
[Formula 18]
[0064]
The light transmitted to the layer 11 enters the next layer 12 perpendicularly, passes through, and finally exits into the air, which is an external medium. Formula 15 and
[0065]
[Formula 19]
[0066]
This is a general formula for exerting the performance of the
[0067]
Next, a description will be given of a method for taking out diffracted light that cannot be taken out to the outside medium (or to a light receiving element in the external medium) for use. As a first method, it is possible to prevent such diffracted light from being totally reflected on the back surface of the diffraction grating. There are several ways to avoid total reflection. For example, there is a method of making the incident angle of light smaller than the critical angle. When receiving light with a light receiving element, there is a method of optimizing or matching the refractive index in the optical path to the light receiving element. As a method of making the incident angle of light smaller than the critical angle, there is a method of changing the angle of the back surface of the diffraction grating.
This configuration will be described with reference to FIG.
[0068]
A diffraction grating is formed on the prism. FIG. 5 shows a case where the
[0069]
The case where the incident light 19 is emitted from the
[0070]
Explain with specific numbers. If the pitch of the directional diffraction grating is 0.53 μm, the wavelength is 0.635 μm, and the refractive index of the directional diffraction grating, the prism, and the adhesive is 1.5, the diffraction angle θ2 is 53 degrees. The prism shape is an isosceles triangle. At this time, the incident angle of the −1st-order light to the
[0071]
Next, there is a method in which the incident angle of light is made smaller than the critical angle, and a method in which a part of the interface between the directional diffraction grating and the air is inclined with respect to the surface of the diffracted light generating part so as to be transmitted with a smaller angle than the total reflection angle. is there. This will be described with reference to FIG. The light 23 on the return path enters the
[0072]
As another method of extracting the diffracted light onto the light receiving element into the external medium, there is a method of receiving the light by arranging the light receiving element on the back surface without totally reflecting the diffracted light on the back surface of the diffraction grating. This will be described with reference to FIG. The light 23 on the return path enters the
[0073]
As another method for extracting the diffracted light to the external medium, as shown in FIG. 10, diffraction gratings (hereinafter referred to as back surface diffraction gratings) 29a and 29b are further provided on the back surface of the diffraction grating, and the diffraction light is extracted outside by diffraction. There is. In this way, light can be extracted into the external medium by the diffraction phenomenon. In addition, since diffraction is caused twice, it is possible to provide an advantage that the direction of light is hardly changed due to the achromatic effect even when the wavelength of the light source is changed.
[0074]
As described above, the directional diffraction grating when Expression 19 is satisfied has been described. The case where the pitch is larger than the pitch satisfying the condition will be described with reference to FIG. In this case, it goes without saying that even if the interface between the diffracted light generator and the air on the back surface is parallel, it can be extracted outside without being totally reflected at the interface with air. However, in this case, the diffracted
[0075]
Next, it will be shown that a compact and efficient optical head can be configured for each case of the directional diffraction grating described above. As a first configuration, FIG. 12 shows a configuration in which refractive index matching is performed between the directional diffraction grating and the light receiving element so that the diffracted light is not totally reflected by the back surface of the diffraction grating. The
[0076]
As a second configuration, FIG. 14 shows a configuration in which the back surface of the directional diffraction grating is partially inclined.
[0077]
As a third configuration, FIG. 15 shows a configuration using a directional diffraction grating provided with a back surface diffraction grating.
[0078]
As a fourth configuration, FIG. 16 shows a case where the diffraction grating is formed on the prism so that the diffracted light is not totally reflected by the back surface of the diffraction grating. The directional diffraction grating is formed on one surface which is not an inclined surface of a right isosceles triangle. The light from the light source is made incident from another surface that is not a slope. The behavior of light in the prism is as described above. The directional diffraction grating is as described above. The
[0079]
Next, the polarization characteristics of the
[0080]
The efficiency of these reflected diffracted light and diffracted reflected light largely depends mainly on the refractive index of the diffraction grating and the grating depth which is the interaction length. It is known that a diffraction grating having a small pitch, such as a directional diffraction grating, generally has a different diffractive action. S-polarized light 49 (polarization direction and grating vector are perpendicular) and P-polarized light 50 (polarization direction and grating vector). Is parallel), it is known that s-polarized light has a larger diffraction effect. For this reason, the amount of light energy transferred from incident light to reflected diffracted light or diffracted reflected light is less for P-polarized light than for S-polarized light. Therefore, the transmittance in the directional diffraction grating is larger in the P-polarized light. Furthermore, most of the S-polarized light in the incident light can be diffracted and reflected light, and most of the P-polarized light can be transmitted light. This shows the action of a kind of polarizing beam splitter (PBS), but the conventional dielectric multilayered PBS is obliquely incident on the film. The In the case of a directional diffraction grating, it is characterized in that normal incidence is sufficient.
[0081]
When the light 23 is incident from the opposite direction, the S-polarized
[0082]
By utilizing this polarization characteristic, a quarter wavelength plate is provided between the directional diffraction grating and the recording medium, and the forward path is used as P-polarized light and the return path is used as S-polarized light, whereby the directionality can be further improved. Specifically, in the optical head described in FIGS. 12 to 16, a quarter-wave plate is set between the directional diffraction grating and the recording medium, and the light is changed to P-polarized light with respect to the directional diffraction grating. The position of the quarter-wave plate is set so that the transmitted light from the directional diffraction grating is circularly polarized, and the light returned from the recording medium is This can be realized by converting the light into S-polarized light with the quarter-wave plate, diffracting it with a directional diffraction grating, and guiding it to the PD (not shown).
[0083]
In an optical head using a directional diffraction grating, when it is desired to use the forward path as P-polarized light and the return path as S-polarized light and to increase the forward transmittance and the diffraction efficiency of the return path, the diffraction effect for the P-polarized light is reduced. Although it is sufficient to increase the diffraction effect of polarized light, there is a method using a birefringent material as a method for realizing this. Take the diffraction grating described in FIGS. 17 and 18 as an example. Examples of the birefringent material include 3m crystal lithium niobate and lithium tantalate. Different refractive indexes are shown for two linearly polarized light beams, ie, ordinary light refractive index No and extraordinary light refractive index Ne. The case of lithium niobate will be described with reference to FIG. A diffraction grating is produced on the surface formed by the Z direction 53 and the X direction 52, and the direction of the grating vector is the Z direction. Light is incident in the
[0084]
As described with reference to FIG. 18, when light is incident from the front side of the diffraction grating, the transmitted light is predominantly P-polarized light and the diffracted light is predominantly S-polarized light. If this is utilized, polarization can be detected. For example, when the configurations shown in FIGS. 7, 8, 9, and 10 are used, the polarizations are separated as shown in FIGS. 20, 21, 22, and 23, and ± 1st order lights are detected. The polarization state of the incident light can be known by taking the difference between the sum of the outputs of the light receiving elements to be detected and the output of the light receiving element for detecting the transmitted light. By utilizing this, it can be applied to a small magneto-optical head. An example using the configuration of FIG. 20 will be described with reference to FIG.
[0085]
Needless to say, if the
[0086]
The magneto-optical head can also be configured by utilizing the PBS function of the directional diffraction grating as described above. This will be described with reference to FIG. FIG. 26A shows the configuration. This basically uses the optical head described with reference to FIG. The
[0087]
Next, a method for manufacturing a diffraction grating according to the present invention will be described. A surface relief diffraction grating is most suitable for the diffraction grating. This is because the surface relief diffraction grating is a structure based on modulation of the refractive index of the diffraction grating material and air, so that a large difference in refractive index between N1 and N2 can be obtained, and the allowable range of pitch is increased by
[0088]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. For the production of the diffraction grating, patterning was performed using the two-beam interference exposure method in the method shown in FIG. 27, and the diffraction grating in the state shown in FIG. Since the wavelength of light used for efficiency measurement is red at 635 nm and the resist used is red and transparent, there is no inferiority to a transparent glass substrate in terms of light utilization efficiency. The production conditions are shown in Table 2. From
[0089]
[Table 2]
[0090]
Based on these conditions, diffraction gratings with different depths were produced. The depth was controlled by changing the exposure amount. The evaluation was performed with the setting shown in FIG. A prism with a right-angled isosceles triangle was adopted, and the produced diffraction grating was brought into contact with the prism using refractive index matching oil, thereby suppressing the reflected light on the back surface of the diffraction grating and the surface of the prism. Measurements were made on the forward path incident from the back side of the diffraction grating and the return path incident from the diffraction grating surface. Using a semiconductor laser with a wavelength of 635 nm, the transmitted light, the diffracted light of the + 1st order light and the −1st order light, and the reflected light were measured for each polarization of S polarization and P polarization.
[0091]
The measurement results are shown in FIGS. FIG. 29 shows the forward transmittance of the P-polarized light in the forward path and the efficiency of the diffracted light of each polarized light in the backward path. The horizontal axis is the relative depth of the diffraction grating. For P-polarized light, the forward transmission is 90% at a depth of 7, and the diffraction efficiency of the return path is about 20% for both the + 1st order light and the −1st order light. % Has been demonstrated. This proved to be a directional diffraction grating.
[0092]
Further, the diffraction efficiency of the S-polarized light in the return path is more than twice the diffraction efficiency of the P-polarized light, demonstrating the side surface of the polarizing diffraction grating.
[0093]
Next, FIG. 30 shows the transmittance and reflectance of forward S and P polarized light. The transmittance of P-polarized light decreased according to the depth, and the reflectance increased to 10% or more. The decrease in the transmittance is mainly due to an increase in the reflected diffracted light, but it is indicated that the reflectance is larger than that of Fresnel reflection. The transmittance of S-polarized light also decreases as the reflection diffraction efficiency increases, but the characteristic is that the reflectance is as large as 40% or more. As described above, this can be inferred from the fact that the diffracted light further starts to couple to the diffracted reflected light. It was shown to correspond to normal incidence PBS.
[0094]
Next, the transmittance of S and P polarizations in the return path is shown, and the total diffraction efficiency obtained by adding the ± primary lights of the respective polarizations is shown in FIG. When the depth is around a relative value of 7, the total diffraction efficiency of S-polarized light is close to 80%, and at that time, the transmittance has dropped to 20%. The P-polarized light is not so different, but the total diffraction efficiency and the transmittance approached the same level. Further, the sum of the transmittance and diffraction efficiency of both polarized lights became the same when the depth was around a relative value of 6. At that depth, 70% of S-polarized light was diffracted and 30% was transmitted. Conversely, 70% of the P-polarized light was transmitted, and the diffraction was 30%. A difference of as much as 40% in transmission and diffraction occurred for both polarized lights.
[0095]
Next, the transmittance of both S and P polarized light in the forward and return paths is shown. FIG. 32 shows the P-polarized light transmittance in the forward path and the S-polarized light transmittance in the return path. FIG. 33 shows the transmittance of S-polarized light in the forward path and the transmittance of P-polarized light in the backward path. In the case of FIG. 32, when the depth is a
[0096]
Next, when the pitch deviates from
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the first invention, the sections of the refractive index N1 and the refractive index N2 are alternately arranged between the
[0098]
Further, according to the second invention, the sections of the refractive index N1 and the refractive index N2 are alternately arranged at the pitch Λ between the
[0099]
Further, according to the third invention, a partition having a refractive index N1 and a refractive index N2 is provided between a material (material 3) made of at least one layer and a material (material 4) made of at least one layer. The function of the directional diffraction grating can be realized in the same way even in the diffraction gratings alternately arranged at the pitch Λ, so that the directional diffraction grating is provided with other functions by stacking it with other materials. It is also possible to do. It can be used for various applications.
[0100]
Further, according to the fourth aspect of the invention, a partition having a refractive index N1 and a refractive index N2 is provided between a material (material 3) made of at least one layer and a material (material 4) made of at least one layer. Having diffraction gratings alternately arranged at a pitch Λ, even if the pitch is slightly larger than the above range with respect to the wavelength, the diffraction efficiency on the return path can be set higher, so the larger the pitch, the more In addition, it is possible to provide a diffraction grating that can be easily provided, and to provide other functions by, for example, laminating a directional diffraction grating with another material, which can be used for various applications.
[0101]
According to the fifth invention, in the directional diffraction grating, since at least one of the materials constituting the diffraction grating is formed of a birefringent material, the transmission of the polarized light in the forward path and the orthogonality of the return path Both of the diffraction efficiencies of polarized light can be further increased.
[0102]
According to the sixth invention, the light from the light source is incident on the directional diffraction grating, the transmitted light is narrowed down on the recording medium using a lens, the reflected light is diffracted by the directional diffraction grating, and the total reflection surface By guiding light to the light receiving element without providing a light source, a highly efficient and compact optical head can be realized.
[0103]
According to the seventh invention, the light from the light source is incident on the directional diffraction grating disposed on the prism, the transmitted light is focused on the recording medium by the lens, and the reflected light from the recording medium is directionally diffracted. Returning to the grating, among the diffracted diffracted light, light that passes through the slope of the prism and light that has been reflected by one side of the prism and then passed through the slope of the prism are guided to the light receiving element, making it compact and highly efficient. An optical head can be provided.
[0104]
According to the eighth invention, the light from the light source is incident on the directional diffraction grating, the transmitted light is narrowed down on the recording medium using a lens, and the reflected light is diffracted by the directional diffraction grating. By providing the diffraction grating to guide the light to the light receiving element, it is possible to provide an optical head that is small in size and highly efficient and hardly affected by wavelength fluctuations of the light source.
[0105]
According to the ninth aspect of the invention, by providing a quarter-wave plate between the directional diffraction grating and the recording medium, the characteristics of the directional diffraction grating as the polarizing diffraction grating can be utilized to improve the light utilization efficiency. A high optical head can be provided.
[0106]
According to the tenth aspect of the invention, light is incident on the directional diffraction grating from the lowest refractive index to the higher refractive index, and the polarized light is separated into the transmitted light and the diffracted light. Can be provided.
[0107]
According to the eleventh aspect of the invention, since the above-described small polarization detector is mounted, a small magneto-optical head device can be provided.
[0108]
According to the twelfth invention, the directional diffraction grating is simply provided on the inclined surface of the optical head in which the directional diffraction grating and the prism are combined. Small Type magneto-optical head device can be provided.
[0109]
According to the thirteenth invention, the function of the isolator can be realized by appropriately setting the incident direction and the polarization in the directional diffraction grating.
[0110]
According to the fourteenth invention, the function of the isolator can also be realized by reversing the relationship between the above-mentioned isolator and the polarization.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an optical path when light is obliquely incident on a diffraction grating.
FIG. 2 is a diagram showing an optical path when light is perpendicularly incident on a diffraction grating.
FIG. 3 is a diagram showing that a directional diffraction grating cannot emit light from the back surface when diffracted light enters the substrate.
FIG. 4 is a diagram showing an optical path when a diffraction grating portion is sandwiched between multiple layers.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration in which a directional diffraction grating is integrated with a prism.
FIG. 6 is a diagram showing an optical path when light is incident in a configuration in which a directional diffraction grating is integrated with a prism.
FIG. 7 is a diagram showing an optical path when light is incident from the directional diffraction grating side in a configuration in which the directional diffraction grating is integrated with a prism.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration in which light is extracted by making the interface with air smaller than the total reflection angle in a directional diffraction grating.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration for receiving diffracted light without providing an interface with air in a directional diffraction grating.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a directional diffraction grating in which a diffraction grating is separately provided at the interface with air and diffracted light is extracted and received.
FIG. 11 is a diagram showing an optical path when a pitch is increased out of a range among specifications for determining a directional diffraction grating.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an optical head in the case of using a directional diffraction grating that receives diffracted light without providing an interface with air.
FIG. 13 is a diagram showing a diffraction grating pattern and an optical path for obtaining a signal of an optical head.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of an optical head in the case of using a directional diffraction grating that takes out light by making the interface with air smaller than the total reflection angle.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of an optical head in the case of using a directional diffraction grating in which a diffraction grating is separately provided at an interface with air to extract diffracted light to the outside.
FIG. 16 is a diagram showing a configuration of an optical head when a directional diffraction grating that extracts light to the outside by being integrated with a prism is used.
FIG. 17 is a diagram showing optical paths of diffracted light and transmitted light when light is incident from the back side of the directional diffraction grating.
FIG. 18 is a diagram showing optical paths of diffracted light and transmitted light when light is incident from a side of the directional diffraction grating having the diffraction grating.
FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the axial direction of a birefringent medium and the position of a directional diffraction grating.
FIG. 20 is a diagram showing how to split polarized light when light is incident from the return path in a directional diffraction grating that receives diffracted light without providing an interface with air.
FIG. 21 is a diagram showing how polarized light is separated when light is incident from the return path in a directional diffraction grating in which a diffraction grating is separately provided at the interface with air to extract diffracted light to the outside.
FIG. 22 is a diagram showing how to split polarized light when light is incident from the return path in a directional diffraction grating integrated with a prism.
FIG. 23 is a diagram showing how the polarized light is separated when light is incident from the return path in a directional diffraction grating that extracts light by making the interface with air smaller than the total reflection angle.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a magneto-optical head using a directional diffraction grating as a polarization detector when light is incident from the return path.
FIG. 25 is a diagram showing a state of polarization separation in a directional diffraction grating which is a polarization detector used in the magneto-optical head.
FIG. 26A is a diagram showing a configuration of a magneto-optical head using a directional diffraction grating that divides polarized light into reflected light and transmitted light in a polarization detector.
FIG. 26B is a diagram showing the relationship between the polarization and the grating vector in the directional diffraction grating which is the polarization detector described above.
FIG. 26C is a diagram showing the relationship of polarization rotation as a magneto-optical signal in the directional diffraction grating as the polarization detector.
FIG. 27 is a diagram showing an example of producing a directional diffraction grating.
FIG. 28 is a diagram showing a configuration of a two-beam interference exposure method as a method for patterning a diffraction grating in the above manufacturing method.
FIG. 29 is a diagram showing diffraction efficiency when P-polarized light is incident from the forward path and both P-polarized light and S-polarized light are incident from the backward path in the produced directional diffraction grating.
FIG. 30 is a diagram showing the transmittance and the reflectance when S-polarized light and P-polarized light are incident from the forward path in the produced directional diffraction grating.
FIG. 31 is a diagram showing transmittance and diffraction efficiency when S-polarized light and P-polarized light are incident from the return path in the produced directional diffraction grating.
FIG. 32 is a diagram showing the transmittance of forward P-polarized light and backward S-polarized light in the produced directional diffraction grating.
FIG. 33 is a diagram showing transmittances of forward S-polarized light and backward P-polarized light in the produced directional diffraction grating.
FIG. 34 is a diagram showing diffraction efficiency measured by selecting a depth at which the transmittance of P-polarized light in the forward path is a high value of about 70%, and allowing S-polarized light to enter the diffraction grating at that depth from the return path.
FIG. 35: Prior art
FIG. 36: Prior art
[Explanation of symbols]
1 Directional diffraction grating
2 Pitch of diffraction grating
3 Incident light in the outbound path
4 Diffracted light generator
5 Diffraction angle into the air
6 Incident light from the return path
7 Diffracted light in the substrate
8 Diffraction angle in substrate
9 Refraction angle into the air
10 Diffraction grating part
11, 12, 13, 14, 15 layers
16 Light incident on a unified directional diffraction grating
17 Prism
18 Adhesive layer
19 Light incident on the prism
20 Entrance surface to prism
21 The slope of the prism
22 Transmitted light from a directional diffraction grating
24 + 1st order light
25-1st order light
26 Transmitted light on the return path
27a, b Light receiving element
28 Interface with air
29a, b Back diffraction grating
30 Diffracted light into the air
31 Diffraction angle in air
32 Diffraction angle in substrate
33 Semiconductor laser
34 lenses
35 housing
36 Directional diffraction grating pattern
37a, b Track pattern
38 Focus pattern
39a, b Light receiving element for track signal detection
40 Light receiving element for focus signal detection
41 + 1 light receiving element for detecting primary light
42 Transmitted light from a directional diffraction grating
43, 44 Diffracted light in directional diffraction grating
45, 46 Reflected diffracted light in directional diffraction grating
47, 48 Diffracted reflected light in directional diffraction grating
49 S-polarized light
50 P polarized light
51 Light transmitted through the directional diffraction grating on the return path
52 X direction
53 Z direction
54 Y direction
55 Conventional diffraction grating
56 + 1st order light of conventional diffraction grating
57 First-order light of conventional diffraction grating
58 Directional diffraction grating as a polarization detector
59, 60 Directional diffraction grating diffracted light receiving element
61 Light-receiving element for light transmitted through a directional diffraction grating
62 Conventional light receiving element of diffraction grating minus first-order light
63, 64 Directional diffraction grating
65 Polarization direction indicating magneto-optical signal
66 Glass substrate
67 Resist film
68 resist diffraction grating
69 Glass-like diffraction grating
70, 71 Light for exposure
72 Lithium niobate
73 lattice
74 Incident light
75 Transmitted light
76, 77 Diffracted light
78 Anisotropic plate
79 Optical axis
80 Filling material
Claims (1)
該回折格子で発生する回折光と透過光とが出射する側に空気層を介さずに、前記回折光と前記透過光とを各々受光する受光素子と、
を有し、
用いる波長をλとするとき、以下の関係を満たすことを特徴とする偏光検出器。
λ/N1<Λ<λ/N2
635nm<λ<830nm
N2=1.0
1.45<N1<2.3Diffraction in which light is used at substantially normal incidence and sections of refractive index N1 and refractive index N2 are alternately arranged at a pitch Λ between materials 1 and 2 having different refractive indexes of refractive index N1 and refractive index N2. A lattice (where N1>N2);
A light receiving element that receives the diffracted light and the transmitted light without passing through an air layer on the side where the diffracted light and transmitted light generated by the diffraction grating are emitted;
Have
A polarization detector characterized by satisfying the following relationship when a wavelength used is λ.
λ / N1 <Λ <λ / N2
635 nm <λ <830 nm
N 2 = 1.0
1.45 <N 1 <2.3
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