(57)【要約】【課題】短波長の入射光に対しても十分高い信頼性を持ちつつ、設計自由度の大きい光ピックアップを提供する。【解決手段】光ディスク７に対向して、対物レンズ６、コリメートレンズ５、ビームスプリッタ４、波長選択性回折素子２０および２波長用半導体レーザ３０を互いに所定間隔隔てて直線状に配設し、ビームスプリッタ４からの反射光を集光する光検出器８を設ける。前記波長選択性回折素子２０は、Ａｕ又はＡｇのナノ微粒子を透明誘電体（例えばＳｉＯ2）中に分散させた材料より構成する。【選択図】図６
2009020923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ微粒子を透明誘電体中に分散させた材料より構成したことを特徴とする波長選択性回折素子。
【請求項２】
前記透明誘電体は無機材料であることを特徴とする請求項１に記載の波長選択性回折素子。
【請求項３】
前記ナノ微粒子はＡｕ又はＡｇであることを特徴とする請求項１に記載の波長選択性回折素子。
【請求項４】
前記ナノ微粒子はＡｕ又はＡｇであることを特徴とする請求項２に記載の波長選択性回折素子。
【請求項５】
前記透明誘電体はＳｉＯ2であることを特徴とする請求項１に記載の波長選択性回折素子。
【請求項６】
前記透明誘電体はＳｉＯ2であることを特徴とする請求項２に記載の波長選択性回折素子。
【請求項７】
前記透明誘電体はＳｉＯ2であることを特徴とする請求項３に記載の波長選択性回折素子。
【請求項８】
前記透明誘電体はＳｉＯ2であることを特徴とする請求項４に記載の波長選択性回折素子。
【請求項９】
請求項１に記載の波長選択性回折素子を備えたことを特徴とする光ピックアップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップなどで用いられる波長選択性回折素子および光ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスクドライブでは、波長７９０ｎｍ近傍の光を用いるＣＤ、６６０ｎｍ近傍の光を用いるＤＶＤから、最近では波長４０６ｎｍ近傍の光を用いるＢｌｕＲａｙＤｉｓｃ（ＢＤ）まで、様々な規格のディスク市場が拡大している。そのためデータの読み書きを行う光ピックアップの技術において複数の波長を使用する必要が生じている。その中で回折素子は、単に光を回折分離する単純なものから波長選択性や偏光依存性などが付加された複合型まで、複数の波長を扱う光ピックアップの機能上重要な位置を占めるに至っている。
【０００３】
このような光ピックアップにおいて３つの波長の光を効率よく同時に扱うために、３ビーム発生用回折素子やホログラム素子などの回折素子を２波長用半導体レーザと組み合わせて使用する場合、波長６５０ｎｍおよび波長７９０ｎｍ、或いは波長４０５ｎｍの各々の入射光に対して回折機能の有無を個別に設計する必要が生じている。
【０００４】
この場合、不要な回折光が残存し迷光となって光検出器に混入し、情報の記録または再生ができないという問題が生じる。さらにある波長用の３ビーム発生用に設けられた回折格子が、他の光ディスクへの入射光を回折し不要回折光を発生して、光量損失を招き信号光を減少させるなどの問題が発生じてしまう。
【０００５】
これに対して、特定波長に対してのみ回折機能を発現させるために、特許文献１では、一つの波長の入射光に対して光路差をその波長の整数倍にし、かつ他波長の入射光に対して光路差をその波長の非整数倍にした波長選択性回折素子が記載されている。しかし光路長差に関する制約が大きくなったり、また格子深さが深くなったり、作製も難しくなってしまうなどの問題があった。
【０００６】
尚、回折格子に有機顔料を用いることは特許文献２，３に記載され、チタンとシリコンの複合材料によって屈折率と分散の最適化を図ることは特許文献４に記載され、また、金属ナノ粒子を分散した材料の光学特性は非特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平４−１２９０４０号公報
【特許文献２】特開２００２−３５０６２５号公報
【特許文献３】特開２００５−３３８８０１号公報
【特許文献４】特許３５１７６２５
【非特許文献１】J.Appl.Phys.,Vol.79, No.3, pp.1244,1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回折格子の回折効率は、格子凸部と格子凹部の屈折率の差により生じる位相差により決まる。波長λにおける回折効率ηは、格子凸部の屈折率ｎ1（λ）と格子凹部の屈折率ｎ2（λ）と格子の深さｄ、波長λとして、次式で表される。
【０００８】
η＝ｃｏｓ2[（２πｄ／λ）（ｎ1−ｎ2）]…（１）
屈折率ｎ1，ｎ2は材料自体の屈折率分散により波長依存性を持つため、結局、回折効率の波長依存性は、（１）回折格子固有のもの（２）材料の分散によるもの、に分けられることになる。一般に可視光に対し透明材料はいずれも波長が長いほど屈折率が小さくなる傾向を示し、これらの材料で格子凸部を形成し、格子凹部を空気で占める回折格子を形成した場合には、格子の凸部と凹部の位相差は大きな負の変化率を示し、入射波長が長くなると回折効率が低下することがわかる。
【０００９】
これに対し、回折格子の凹部若しくは凸部に有機顔料を用いる例が特許文献２に示されている。これは使用波長よりも短波長側に吸収極大を持つ赤色有機顔料を含む樹脂を用いることで、長波長側の屈折率分散を大きくしている。これにより、波長６９０ｎｍでは凸部と凹部の屈折率が同じで、波長７９０ｎｍでは所望の光路長差を生じるように、回折格子を構成することが可能となり、設計の制約を大きく低減することが可能となっている。
【００１０】
しかしながら、これら有機顔料を用いたものは、６６０ｎｍと７９０ｎｍの２波長での機能としては問題ないが、さらにより短波長である４０６ｎｍの波長が加わる場合には、顔料の光吸収が多い波長であるために、３波長型の光ピックアップでは使用が難しいという問題がある。また、吸収が少ない材料であったとしても４０６ｎｍというエネルギーの高い光で、且つ書き込み用途のように高い光強度が通過する場合では、レーザ照射による有機材料の劣化など信頼性にも問題があった。
【００１１】
特許文献３には、透明無機物の記載があるがこれは凸部を構成するもので、凹部に充填される有機顔料と合わさって機能するものであり、有機顔料を不可欠とする点では特許文献２と同じである。また、特許文献４では、チタンとシリコンからなる複合酸化物による材料が示されている。この複合材料によって屈折率＆分散の最適化を行っているが、混合粒子が共に誘電体であり、自由電子の表面プラズモン共鳴吸収に基づく屈折率分散の異常領域の適用についてはなんら記載がない。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、短波長の入射光に対しても十分高い信頼性を持ちつつ、設計自由度の大きい波長選択性回折素子および光ピックアップを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための請求項１に記載の波長選択性回折素子は、ナノ微粒子を透明誘電体中に分散させた材料より構成したことを特徴としている。
【００１４】
また請求項２に記載の波長選択性回折素子は、請求項１において、前記透明誘電体は無機材料であることを特徴としている。
【００１５】
また請求項３，４に記載の波長選択性回折素子は、請求項１，２において、前記ナノ微粒子はＡｕ又はＡｇであることを特徴としている。
【００１６】
また請求項５，６，７，８に記載の波長選択性回折素子は、請求項１，２，３，４において、前記透明誘電体はＳｉＯ2であることを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、金属微粒子分散膜はその表面プラズモン共鳴波長の近傍では屈折率分散が通常の透明誘電体と異なるため、これを用いて回折格子を構成することで複数の波長の回折効率をガラス材料など通常の屈折率分散を持つ材料で構成する場合よりも波長選択性設計の自由度を大きく広げることができる。
【００１８】
また、請求項９に記載の光ピックアップは、請求項１に記載の波長選択性回折素子を備えたことを特徴としている。
【００１９】
上記構成によれば、光ピックアップにおいて、短波長の入射光に対しても充分高い信頼性を持ち、迷光の発生および光量損失の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
（１）請求項１〜９に記載の発明によれば、金属微粒子分散膜はその表面プラズモン共鳴波長の近傍では屈折率分散が通常の透明誘電体とは異なるが、これを用いて回折格子を構成することで、高次の回折次数を用いずとも複数の波長での回折効率を大きく異ならせることができ、ガラス材料など通常の屈折率分散を持つ材料で構成する場合よりも、波長選択性などの設計の自由度を大きく広げることができる。
（２）請求項９に記載の発明によれば、光ピックアップにおいて、短波長の入射光に対しても充分高い信頼性を持ち、迷光の発生および光量損失の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
【００２２】
非特許文献１には金属ナノ粒子を分散した材料の光学特性が記載されている。一般的には、金属若しくは半導体など自由電子を有する材料がナノサイズの粒子形状となると、表面プラズマ共鳴（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）吸収が発生する。
【００２３】
本発明者は既に、このＳＰＲを用いた光フィルタを提案しているが、この材料系では、ＳＰＲ波長（光吸収が最大となる波長）よりも長波長側では通常の透明誘電体よりも大きな分散を示すことを見出した。
【００２４】
ナノ粒子としてＡｕを、透明誘電体としてＳｉＯ2を用いて作製したＡｕＳｉＯ2膜の透過率を図１に示す。図１において、特性線ｌ1は透過、特性線ｌ2は反射、反射防止膜なしを各々示している。図１において、ＳＰＲを示す吸収が波長５２０〜５３０ｎｍに見られる。またこのＳＰＲによる屈折率変化にともなう異常反射部分も見られる。
【００２５】
エリプソメータによる測定では、屈折率の実数成分は、波長４０６ｎｍ、６６０ｎｍ、７９０ｎｍに対して各々１．５５３０、１．６３１６、１．５９５２であり、通常の石英ガラスＳｉＯ2の場合の屈折率、１．４６６６７、１．４５０００、１．４４４６９分散に比べてその変化量は大きく異なっている。このＡｕＳｉＯ2を用いて回折素子を構成することを考える。格子高さ（深さ）＝４４０ｎｍとして前記（１）式から回折効率を計算すると、波長６６０ｎｍに対しては０次：９４％、±１次：３％、波長７９０ｎｍに対しては０次：７５％、±１次：１２．５％、となり、十分な波長選択性の回折機能が得られる。
【００２６】
微粒子材料や透明誘電体については、使用する波長帯域よりも短波長側にＳＰＲ吸収波長があることが好ましく、光ピックアップのように波長６６０ｎｍ〜７８０ｎｍの帯域を使用する場合は、５００〜５５０ｎｍとなるようにすることが好ましい。
【００２７】
屈折率の分散は、ＳＰＲ波長近傍では通常の誘電体のみの場合の「正常分散」（セルマイヤーの式などで表される）から大きく乖離する。ＳＰＲ波長に近いほどその乖離は大きくなり、ＳＰＲ波長に近い短波長側では負分散を示すこともある。ＳＰＲ波長の近傍では屈折率の虚数部分も大きくなり光吸収が大きくなるため透過での利用は難しくないが、ＳＰＲ波長よりも３０ｎｍ以上、より低吸収が要求される場合には１００ｎｍ以上離れていれば、透過光部品としての利用が可能である。
【００２８】
ＳＰＲ吸収波長は、Ｍａｘｗｅｌｌ−Ｇａｒｎｅｔｔ  Ｔｈｏｅｒｙ（ＭＧＴ）やＥｆｆｅｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ（ＥＭＡ）などのモデルによっても解析されているように、微粒子の複素屈折率と透明誘電体の複素屈折率から見積もることができる。例えば、微粒子材料がＡｕの場合には透明誘電体として屈折率〜１．５のときＳＰＲ波長が５００〜５５０ｎｍとなり、またＡｇの場合は、誘電体は屈折率〜１．５であるときＳＰＲ波長は４００〜４２０ｎｍとなる。誘電体はＳｉＯ2が成膜の容易性や透明性、高温耐性などから好ましく、例えば、ＳＰＲ波長を長波長側にシフトさせたい場合には、Ｎｂ2Ｏ5やＴｉＯ2などの酸化物、Ｓｉ3Ｎ4などの窒化物を用いることができる。
【００２９】
微粒子材料はＳＰＲを示すものであればよいが、前記Ａｕ，Ａｇの他、Ｐｔ、Ｃｕ、ＡｌなどはＳＰＲが大きく本用途に適している。また金属に限らず、Ｇｅ、Ｓｎ、ＩＴＯ、ＺｎＯなど半導体材料も使用可能である。
【００３０】
ＳＰＲ吸収波長や共鳴の大きさ（吸収の大きさ）は、微粒子や周囲の誘電体の材料だけでなく微粒子のサイズなどにも依存する。微粒子がＡｕで誘電体がＳｉＯ2の場合、粒子サイズが＜１０ｎｍの場合ではＳＰＲ吸収はそれほど顕著でないため、熱処理を行うことで微粒子同士を凝集させ大きなサイズ＞１０ｎｍの微粒子として大きな吸収を得ている。またこの凝集によってＳＰＲ吸収波長も長波長側に若干シフトする。微粒子のサイズだけでなく濃度もＳＰＲ吸収の大きさを左右する。しかし微粒子材料の濃度を高くすると微粒子同士が互いに凝集しやすくなり連続膜化してしまう。この場合、通常の金属or半導体膜と同じとなってしまいＳＰＲは見られなくなる。
【００３１】
実際の微粒子分散膜の成膜では、蒸着やスパッタリングなど乾式の方法だけでなく、有機材料を含まない範囲でゾルゲルなど湿式の方法もとることができる。微粒子の分散方法については、蒸着であれば２つの蒸着源からの同時蒸着、スパッタであれば２つのターゲットを用いた２元同時スパッタ、など金属と微粒子を同時に成膜する方法がある。微粒子材料（金属or半導体）と誘電体膜を各々数ｎｍ厚さで交互積層によるものが、熱処理の際に粒子分布や粒径の均一性がよいものが得られやすい。この場合、微粒子材料の成膜時には不連続の島状薄膜となっているが、これが成膜中に自然に凝集し連続膜となるとＳＰＲを生じなくなるため、不連続膜化しない範囲で微粒子材料の濃度を高めることが、より大きなＳＰＲを得るために、つまり屈折率異常量を大きくするために有効である。
【００３２】
熱処理雰囲気については、微粒子材料の酸化の問題がなければ大気中でも問題ないが、Ａｇのように酸化しやすい材料の場合は、Ｎ2雰囲気や真空中などで行う必要がある。Ａｇの場合は融点が低いため＜１０００度での熱処理温度となるが、Ａｕの場合は１０００度での熱処理でも問題ない。基板については、熱処理に耐えられるものであれば特に制約はなく、大きな屈折率異常分散を得たい場合には５００度以上の熱処理が必要となる場合があり、この場合は軟化温度の問題から石英ガラスが好ましい。また、熱処理温度を＜５００度以下とし処理時間を１０時間以上と長く取ると、軟化点が５００〜６００度と低い安価なガラス基板を使用することができコスト低減に効果的である。
【００３３】
（実施例１）
本実施例では、図２に示すように、石英ガラス基板１上にＲＦ２元同時スパッタでＡｕ微粒子とＳｉＯ2からなる微粒子分散膜２を４４０ｎｍ（Ａｕ含有量は〜８ｗｔ％）を堆積した。続いて、応力緩和や粒径の拡大などのため１０００度１時間空気中で熱処理を行った。この膜の屈折率の測定結果を図３に示す。ＳＰＲ吸収のため５３０ｎｍ近傍で吸収係数（ｋ）が増大しそのＳＰＲ波長の両側では屈折率の波長依存性に正負の逆転が見られることがわかる。さらに回折格子を形成するために、フォトレジスト塗布とフォトリソグラフィーによるパターニングで線幅１０μmの格子を形成し、それをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）にてエッチングを行った。そして、最後に基板の裏面と回折格子表面にＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2からなる反射防止膜の形成を行い、特性評価を行った。
【００３４】
このようにして作製した素子に波長７９０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次の回折効率が７４％であり、±１次の回折効率がともに７％であった。また、波長６６０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が８８％、±１次の回折効率は２％であった。これら２波長で波長選択性のある回折機能を有することを確認した。同様に波長４０５ｎｍの光を入射したところ、０次回折効率は１６％、±１次の回折効率は＜０．５％であった。これはＡｕＳｉＯ2膜の吸収により透過率自体が低下したことによる。
【００３５】
（実施例２）
石英ガラス基板上にＲＦ２元同時スパッタでＡｇ微粒子とＳｉＯ2からなる複合膜を４４０ｎｍ（Ａｕ含有量は〜６ｗｔ％）を堆積した。続いて応力緩和や粒径の拡大などのため８００度１時間、酸化を防ぐため窒素雰囲気中で熱処理を行った。この膜の屈折率の測定結果を図４に示す。ＳＰＲ吸収のため４１０ｎｍ近傍で吸収係数（ｋ）が増大している。さらに回折格子を形成するために、フォトレジスト塗布とフォトリソグラフィーによるパターニングで線幅１０μmの格子を形成し、それをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）にてエッチングを行った。そして、最後に基板の裏面と回折格子表面にＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2からなる反射防止膜の形成を行い、特性評価を行った。
【００３６】
このようにして作製した素子に波長７９０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次の回折効率が７４％であり、±１次の回折効率がともに７％であった。また、波長６６０ｎｍの半導体レーザ光を入射したところ、０次回折光の透過率が９０％、±１次の回折効率は４％であった。これら２波長で波長選択性のある回折機能を有することを確認した。同様に波長４０５ｎｍの光を入射したところ、０次回折効率は５％、±１次の回折効率は＜０．５％であった。これはＡｕＳｉＯ2膜の吸収により透過率自体が低下したことによる。
【００３７】
（実施例３）
次に本発明の波長選択性回折素子を光ピックアップに適用した実施例を説明する。まず、図５に従来の２つの半導体レーザが分離して配置されている光ピックアップの構成を示す。
【００３８】
図５において、半導体レーザ３Ａ、３Ｂからの出射光は波長合成プリズム９により同一光軸上で合成され、ビームスプリッタ４を透過する。その後コリメートレンズ５で平行光とされて対物レンズ６を透過し光ディスク面７に集光される。反射光は再び対物レンズ６によって平行光となりコリメートレンズ５で集光された後ビームスプリッタ４に入射する。このビームスプリッタ４で反射された光は、往路の光軸とは直交する方向に進行して光検出器８の受光面に集光され電気信号に変換される。半導体レーザ３Ｂと波長合成プリズム９の間にはλ２の光に対して３ビームを発生するための回折格子１０が配置されている。
【００３９】
２つの波長の光を出射する半導体レーザとして、例えば７９０ｎｍ波長帯の半導体レーザと６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザを１チップ内に形成したモノリシックのものや、各波長帯のレーザチップを発光点間が１００〜３００μｍ程度の間隔となるように配置した複数チップからなる２波長用半導体レーザが最近提案されている。
【００４０】
これらの半導体レーザを用いれば、図５に示した２つの半導体レーザ３Ａ，３Ｂが別々に構成された従来の光ヘッド装置に比べ部品点数が低減し、装置の小型化および低コスト化を図ることができるという利点があるが、この２波長半導体レーザを用いた光ピックアップでトラッキング信号を得るため３ビーム法を用いる場合、３ビーム発生用回折格子に両方の波長が通過することになり、片方の波長のみ回折させるような、２波長用半導体レーザ用３ビーム発生用回折格子が強く望まれている。
【００４１】
一方、図６は本発明が適用される、２波長半導体レーザを搭載した光ピックアップの一例である。図６において図５と同一部分は同一符号をもって示している。光ディスク７に対向して、対物レンズ６、コリメートレンズ５、ビームスプリッタ４、波長選択性回折素子２０および２波長用半導体レーザ３０が互いに所定間隔隔てて直線状に配設されている。８はビームスプリッタ４からの反射光を集光する光検出器である。
【００４２】
このように構成された光ヘッド装置において、波長λ１とλ２の光を発生する２波長用半導体レーザ３０から出射した波長λ１の光は、波長選択性回折素子２０により回折されることなく直進透過し、さらにビームスプリッタ４を透過しコリメートレンズ５により平行光となる。この平行光は対物レンズ６により光ディスク７上に集光され反射される。反射光は再び対物レンズ６およびコリメートレンズ５を透過し、ビームスプリッタ４により反射されて光検出器８の受光面に集光される。
【００４３】
２波長用半導体レーザ３０から出射した波長λ２の光は、波長選択性回折素子２０により出射光の一部が±１次回折光として回折されるが、±１次回折光を含めこの光はさらにビームスプリッタ４を透過しコリメートレンズ５により平行光にされ、対物レンズ６により光ディスク上７に０次回折光および±１次回折光が３ビームとなって集光される。光ディスク７からの反射光は再び対物レンズ６およびコリメートレンズ５を透過し、ビームスプリッタ４により反射されて０次回折光および±１次回折光はそれぞれ光検出器８の受光面に集光される。
【００４４】
上記のように、本発明の波長選択性回折素子２０を搭載した光ピックアップの場合、波長λ１の光は波長選択性回折素子により回折されることなく直進透過するため、効率低下をもたらさずまた迷光も発生しない。一方、波長λ２の光に対しては回折格子として機能するため、±１次回折光を受光することにより３ビーム法によるトラッキング誤差信号検出が行うことができる。このように、一方の光ディスク用の光が他方の光ディスク用の回折格子により回折されることがなく、これによる光量損失が発生しないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態例のＡｕＳｉＯ2膜の分光特性を示す特性図。
【図２】本発明の実施形態例の波長選択性回折素子の構成図。
【図３】本発明の実施例１のＡｕＳｉＯ2膜の屈折率を示す特性図。
【図４】本発明の実施例２のＡｇＳｉＯ2膜の屈折率を示す特性図。
【図５】従来の光ピックアップの一例を示す構成図。
【図６】本発明の実施例３の光ピックアップの構成図。
【符号の説明】
【００４６】
１…ガラス基板、２…微粒子分散膜、４…ビームスプリッタ、５…コリメートレンズ、６…対象レンズ、７…光ディスク、８…光検出器、２０…波長選択性回折素子、３０…２波長用半導体レーザ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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