专利名称：具有耦合器的集成式光学头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将信息记录到光盘上以及从该光盘上读取信息的光学头，尤其是，涉及一种具有输入耦合器和输出耦合器的集成式光学头，该耦合器采用渐逝(evanescent)耦合效果或光衍射效果。
背景技术：
图1是普通光学头组件的示意图。参考图1，普通的光学头组件包括激光二极管1、准直透镜5、分束器6、物镜7和光学检测器8。
有激光二极管1发出的激光束通过准直透镜5而校准。然后，准直光束通过分束器6，并由物镜7聚集，从而在光盘3上形成斑点4。由光盘3反射的一部分入射光束返回分束器6。然后，反射光束的光通路入射到光学检测器8上。然后，光检测器8将该入射光束转变成电信号。差分放大器9检测由光学检测器8分成的两部分输出信号之间的差别，并产生跟踪误差信号。
图2A和2B表示了在美国专利No.4779259中公开的一种光学头组件。该光学头组件包括光学集成电路(IC)，其中，通过单个蚀刻处理来集成光学元件，以便获得重量轻且紧凑的光学头组件。
参考图2A，缓冲层42形成于基片41上，光导层43通过蒸气沉积等而形成为该缓冲层42上的电介质薄膜。准直透镜45、分束器46元件以及会聚型光栅耦合器47通过光刻、电子束画图或等离子体蚀刻而安装在该光导层43上。会聚型光栅耦合器47有多个不均匀间开的弯曲部分。参考标号44表示激光二极管，用于发射激光束；参考标号48表示光学检测器，该光学检测器有两个光接收元件。该光学检测器48安装在光学头组件的一个边缘处，这样，它的中心对准入射光的光轴。参考标号49表示光盘，参考标号50表示在光盘上的信息记录凹点。
由安装在IC式光学头组件的另一边缘上的激光二极管44发出的激光束经过光导层43，并由准直透镜45校准。准直光束经过光导层43，然后由光栅耦合器47聚焦，以便在光盘49的信息凹点50上形成斑点。由光盘49反射的入射光束部分返回光栅耦合器47，并经过光导层43通向分束器46。入射在分束器46上的光束反射，以便通向光检测器49。
图2B表示了美国专利No.4779259的光学头组件的另一实施例。与图2A相同的参考标号表示相同的元件。参考标号52表示位于激光二极管44和光栅耦合器47之间的分束器。参考标号541、542、543和544表示形成于光导层43中的光检测器的检测表面。
由激光二极管44发出的光束经过光导层并由光栅耦合器47聚焦，以便在光盘49的表面上形成斑点。由光盘49反射的入射激光束部分经过光栅耦合器47，并由分束器52分成两个光束。然后，这两个光束引向光检测器的检测表面541、542、543和544，并由该检测表面541、542、543和544接收。
在该IC式光学头组件中，在激光二极管和光导层之间的输入耦合效率以及在光导层和光盘之间的输出耦合效率降低，这样，光的输出强度并不能达到用于记录和复制信息的强度。还有，因为光栅耦合器有很少数目的孔，它形成较低的聚焦强度。此外，光检测器对于由光盘反射的光的波长变化的检测灵敏性变化。
发明内容
为了解决上述和其它问题，本发明的一个方面提供了一种紧凑的集成式光学头，用于通过提高在光源和光导层之间的输入耦合效率以及在光导层和光盘之间的输出耦合效率而提供进行记录和复制所需的光强度。
本发明的上述和其它方面通过一种集成式光学头来实现，该集成式光学头包括光源、波导元件、输出耦合器、光通路改变单元以及光检测器。该输入耦合器位于波导元件的一边缘处，与由光源发出的光耦合，并将该耦合光传递给波导元件。输出耦合器位于波导元件的另一边缘处，与由波导元件发出的光耦合，并将该耦合光聚焦在光盘上。光通路改变单元安装在波导元件上，并改变由光盘反射，再经过了输出耦合器的光的光通路。光检测器接收经过光通路改变单元的光，并将接收的光转变成电信号，以便从光盘检测信息。
优选是，输入耦合器是渐逝耦合器，该渐逝耦合器包括光纤，该光纤的一端与光源连接，另一端与波导元件的表面连接，且其芯部靠近安装在波导元件的表面上；该渐逝耦合器与光源发出的光渐逝耦合，并将该耦合的光传递给波导元件。
也可选择，优选是输入耦合器是棱镜耦合器，该棱镜耦合器靠近波导元件的表面，与光源发出的光渐逝耦合，并将该耦合的光传递给波导元件。
其中，渐逝耦合的相位匹配条件满足下面的公式2d(n02-nef2)1/2=mλ0]]>其中d表示波导元件的厚度，m表示模式阶次，n0表示波导元件的折射率，nef表示光纤的有效折射率。
优选是，输入耦合器是光栅耦合器，该光栅耦合器形成于波导元件的表面上，使光源发出的光衍射，并将该耦合的光传递给波导元件。
也可选择，优选是输入耦合器是楔形耦合器，该楔形耦合器有楔形端部，这样，通过波导元件的后端进入的光能够在全反射的同时进行传播。
该光源是激光二极管。
集成式光学头还可以包括光纤，用于使光源与输入耦合器连接。也可选择，该集成式光学头还可以包括光纤，该光纤的一端与光源连接，另一端插入波导元件的后端。
优选是，该集成式光学头还包括在光源和输入耦合器之间的准直透镜。
波导元件包括基片、缓冲层和光导层。该缓冲层沉积在基片的上表面上。该光导层沉积在缓冲层的上表面上，并引导光。
光通路改变单元包括光子晶体镜和模折射率透镜。该光子晶体镜有穿过缓冲层形成的大量孔，以便改变所接收的、来自输出耦合器的光的光通路。该模折射率透镜将经过光子晶体镜的光聚焦在光检测器上。
也可选择，该光通路改变单元是形成于波导元件表面上的光栅分束器。
优选是，该输出耦合器是聚焦光栅耦合器，该聚焦光栅耦合器以各光栅有预定的曲率半径，且节距沿光的传播方向减小的方式形成于波导元件的缓冲层上，该聚焦光栅耦合器使经过光导层的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
还优选是，该输出耦合器是聚焦光栅耦合器，该聚焦光栅耦合器以各光栅有预定的曲率半径，且节距沿光的传播方向减小的方式形成于波导元件的表面上，该聚焦光栅耦合器使经过光导层的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
还优选是，输出耦合器是靠近波导元件表面安装的棱镜耦合器，该棱镜耦合器与由波导元件发出的光渐逝耦合，并使该耦合的光聚焦在光盘上。
还优选是，输出耦合器是形成于波导元件表面上的聚焦光栅耦合器，该棱镜耦合器使通过波导元件的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
优选是，集成式光学头还包括柱形透镜，该柱形透镜形成于在输出耦合器和光盘之间的光通路上，以便使通过输出耦合器的光聚焦在光盘上。
通过对优选实施例的详细说明并参考附图，能够更好地了解本发明的上述和其它方面和优点，附图中图1是表示普通光学头的视图；图2A和2B是表示美国专利No.4779259中所述的光学头的实施例的透视图；图3是表示使激光二极管和波导元件耦合的端头对接耦合技术的示意图；图4是表示根据本发明第一实施例的、采用了渐逝耦合器的光学头的透视图；图5A是渐逝耦合器的横剖图；图5B是渐逝耦合技术的概念图；图6是根据本发明第二实施例的、采用了棱镜耦合器的光学头的剖视图；图7是根据本发明第三实施例的、采用了光栅耦合器的光学头的剖视图；图8是根据本发明第四实施例的、采用了楔形耦合器的光学头的剖视图；图9A是根据本发明第五实施例的光学头的示意透视图；图9B是根据本发明第六实施例的光学头的示意剖视图；图9C是根据本发明第七实施例的光学头的示意剖视图；图10A是根据本发明第八实施例的光学头的示意剖视图；图10B是根据本发明第九实施例的光学头的示意剖视图；图10C是根据本发明第十实施例的光学头的示意剖视图；图11A是根据本发明第十一实施例的光学头的示意剖视图；图11B是根据本发明第十二实施例的光学头的示意剖视图；图11C是根据本发明第十三实施例的光学头的示意剖视图；
图12A是根据本发明第十四实施例的光学头的示意剖视图；图12B是根据本发明第十五实施例的光学头的示意剖视图；图12C是根据本发明第十六实施例的光学头的示意剖视图；图13A是根据本发明第十七实施例的光学头的示意剖视图；图13B是根据本发明第十八实施例的光学头的示意剖视图；图13C是根据本发明第十九实施例的光学头的示意剖视图；具体实施方式
本发明采用了由普通端头对接耦合技术进行改进的四种耦合技术。在用于普通激光二极管与光导层耦合的端头对接耦合技术中，如图3所示，由激光二极管31的活性层33发出的光束简单地与波导元件35中的光导层37连接。当Gaussian剖面的激光二极管31发出的光入射到波导元件35中的光导层37上时，耦合效率由根据公式2的场图相对于入射公式和波导模的卷积来确定 其中，Ey(x)表示入射激光束的幅值分布，而Emy(x)表示第m次波导模的幅值分布。为了获得高效率，元件之间的距离必须减至最小，并且必须满足剖面匹配条件。这里，剖面匹配的意思是在激光二极管上和在波导元件上分布类似的光强。
因为激光二极管和波导元件的表面有Fresnel透镜型表面粗糙度，在光从激光二极管上发出时，可能在激光二极管的表面上产生光损失，且当从激光二极管发出的光入射到波导元件的表面上时也可能产生另外的光损失。这样的光损失称为Fresnel反射损失。可以通过在激光二极管的表面上涂覆无反射涂层或者通过用合适材料填充在表面之间的间隙而减小该Fresnel反射损失。对它进行的试验报道，在激光二极管和波导元件之间可以获得大约10％的耦合效率。因此，根据端头对接耦合技术，由于在端表面处理中产生的问题和由于激光二极管和波导元件的结构和固定所产生的问题，耦合效率将降低。
为了解决普通的端头对接耦合技术的问题，采用了渐逝耦合器、棱镜耦合器、光栅耦合器和楔形耦合器。渐逝耦合器和棱镜耦合器采用了渐逝场耦合方法。光栅耦合器利用了光衍射效果。楔形耦合器利用全反射条件。这四种耦合器可以安装在光源和波导元件之间，但是渐逝耦合器和楔形耦合器不能安装在波导元件和光盘之间来使它们耦合。
下面将介绍第一至第四实施例，该第一至第四实施例分别采用了四种耦合器作为在光源和波导元件之间的输入耦合器。其中，输出耦合器采用普通的聚焦光栅耦合器。
(第一实施例)图4是根据本发明第一实施例，采用了渐逝耦合器的光学头的透视图。参考图4，激光二极管101用作光源。渐逝耦合器103使光纤102与波导元件105耦合。波导元件105引导光通过渐逝耦合器103。聚焦光栅耦合器107使光从波导元件105衍射到光盘120上。光子晶体镜111起到光通路改变单元的作用，用于改变由光盘120反射并经过该聚焦光栅耦合器107的光的通路。模折射率透镜(mode index lense)109a和109b使经过光子晶体镜111的光聚焦在光检测器113a和113b上。光检测器113a和113b将接收的光转变成电信号。波导元件105通过将缓冲层106和光导层104堆叠在基片108上而形成。
也可以不用激光二极管101，而采用能够将信息记录到光盘120上和能够从该光盘120上复制信息的光学装置例如激光发射二极管来作为光源。
聚焦光栅耦合器107通过使波导元件105中的缓冲层106的表面形成波纹以及将光导层104堆叠在该缓冲层106的非均匀表面上而形成。该聚焦光栅耦合器107包括多个光栅，这些光栅布置成垂直于光的传播方向。光栅之间有着递减的节距，且该光栅有预定的曲率半径，这样，它们将入射光聚焦到光盘120的表面上。该聚焦光栅耦合器107有形成合适节距的光栅，以便进行聚焦，该光栅起到普通光学头中的物镜的作用。也可以不采用聚焦光栅耦合器，而采用在表面上形成的普通光栅耦合器或普通物镜。
光子晶体镜111执行改变光通道的功能，该功能在普通光学头中通常由分束器执行。光子晶体镜111通过在位于波导元件105的光导层104和基片108之间的缓冲层106中形成多个孔而获得，该光子晶体镜111是人造结构，包括在电解质材料层上形成的、周期性间隔开的孔，以便影响光通路。
光子晶体镜111通过衍射来改变光通路，而不是通过折射。光子晶体镜111的光学特性由空气填充因子(f＝孔面积/整个面积)和点阵常数(a/λa表示比例系数，λ表示波长)确定。也可以不用光子晶体镜111，而采用具有光栅结构的分束器。不过，光子晶体镜111的优点是它能够通过在基片108上的缓冲层106中形成多个孔而简单制成，而不需要采用额外的材料层。
模折射率透镜109a和109b可以安装在波导元件105的顶表面上，或者通过将离子注入波导元件105内，并改变波导元件105中注入有离子的部分的折射率而形成。模折射率透镜109a和109b将由光子晶体镜111产生的两个光通路的光束聚焦到光检测器113a和113b上。
光子晶体镜111和模折射率透镜109a和109b能够由光栅分束器代替。不过，因为光栅分束器不能进行精确聚焦，本发明第一至第四实施例的光学头采用光子晶体镜111和模折射率透镜109a和109b，以便将有效改变光通路的光聚焦到光检测器113a和113b上。
下面将参考图5A详细介绍本发明第一实施例的光学头中所采用的渐逝耦合器103，该图5A是图4中的部分A的放大图。
参考图5A，渐逝耦合器103通过使光纤102和波导元件105接触，然后使接触部分与光纤块126耦合而形成。在光纤102和波导元件105之间的包覆层122的厚度为几微米。
由光纤102中的高折射率芯124放出的光穿过具有较低折射率和一微米厚的包覆层122，并进入具有较高折射率的光导层104。因为渐逝耦合，入射到光导层104上的光(l)以渐逝波形式传播。入射到波导元件105上的渐逝波大部分进入光导层104，且部分渐逝波穿过缓冲层106。不过，渐逝波几乎不导向基片108。该渐逝波平行于波导元件105的入射表面传播，且当它前进时强度降低。
下面将参考图5B详细介绍渐逝耦合。因为在没有耦合的情况下入射到波导元件105上的光通常不属于光导层104的辐射模式，它不能通过该光导层104传播。为了使激光二极管101发出的光能够通过该光导层104传播，必须进行耦合，从而使得具有相速(phase speed)的垂直光分量形成为在光通过波导元件105传播时的情况和在光入射到波导元件105上时的情况相同。
在普通光束和波导元件之间的相匹配条件由公式3表示βm=kn1sinθm=2πλ0n1sinθm---(3)]]>其中βm表示波导模传播常数，k表示波数，n1表示空气的折射率，λ0表示光的波长，而表示光相对于波导元件的入射角。
在本发明第一实施例的光学头中，入射到光导层104上的光的波导模传播常数βm满足公式4βm＞kn1(4)因此，如公式4表示的结果由公式2和3获得，因为不可能得到如公式5表示的值sinθm＞1 (5)因此，渐逝场耦合的相位匹配条件如公式1所示。在图5B中，ng表示缓冲层106的折射率。
在本发明第一实施例的光学头中，渐逝耦合可以提供不小于95％的耦合效率。参考图5B，在光入射到波导元件105上时，该光有着对称的光强分布。不过，当光入射到光导层104上并通过该光导层104传播时，该光有着不对称的光强分布，其中，光强分布的斜率朝着基片变缓，因为部分入射光透入基片。
因为渐逝耦合器使激光二极管和波导元件与光纤耦合，因此不需要安装额外的散热器。因此能够获得更紧凑的光学头。
(第二实施例)图6是根据本发明第二实施例采用棱镜耦合器的光学头的剖视图。该棱镜耦合器也采用了上述渐逝场耦合技术。
如图6中所示，本发明第二实施例的光学头130采用棱镜耦合器133来代替本发明第一实施例的光学头中的渐逝耦合器。该棱镜耦合器133安装在激光二极管101和波导元件105之间。在该激光二极管101和棱镜耦合器133之间还提供有准直透镜132。其它元件的安装与本发明第一实施例的光学头相同。
由激光二极管101发出的光通过准直透镜132进行校准并朝向棱镜耦合器133。入射到该棱镜耦合器133上的光通过波导元件105传播，并进入聚焦光栅耦合器107。由聚焦光栅耦合器107发出的光进行衍射，并聚焦在光盘120上。由光盘120反射的光入射到光子晶体镜111上，它的光通路由光子晶体镜111改变。因此，改变通路的光通过模折射率透镜109a和109b聚焦，并由光检测器113接收。
当折射率为np的棱镜耦合器133合适调节入射光的入射角时，在不会出现相位匹配的模式下的入射光全部被该棱镜耦合器133的表面反射。棱镜耦合器133内的光模式有相位常数βp，该相位常数βp根据入射光的入射角而变化。当预定的相位常数βp接近波导模传播常数，也就是相位常数βm时，入射光的光能可以高效传递给光导层104。
不过，为了获得该光能传递，需要通过使棱镜耦合器133紧贴在波导元件105的光导层104上，从而使棱镜耦合器133和光导层104之间的间隔小于波长。这时，在棱镜耦合器133的模和光导层104的m次模之间出现基于公式3的相位匹配，这样，棱镜耦合器133的能量能够高效传递给光导层104。
在本发明第二实施例的光学头130的结构上，当不采用准直透镜132时，耦合效率达到接近80％。另一方面，当在该光学头130中还提供有准直透镜132，且该光学头130的光学系统是无限光学系统时，即在该无限光学系统上，在总宽度w上的入射光分布均匀时，在棱镜耦合器133和光导层104之间的耦合效率可以接近100％。
(第三实施例)图7是根据本发明第三实施例采用光栅耦合器的光学头140的剖视图。参考图7，光学头140采用光栅耦合器143来代替本发明第二实施例的光学头130的棱镜耦合器133。其它元件与第二实施例中的元件系统。
光栅耦合器143将所接收的、来自光源101的光转变成不同阶的衍射光束，并改变入射到波导元件105上的光模式，这样，光的Z方向传播常数βv由公式6给出。通常，波导元件105的基本相位常数β0与无光栅区域的模βm相似。当光通过光栅耦合器143，并产生与无光栅区域的模βm相同或相似的光模时，处于所产生模式的光主要通过光导层104传播。公式6表示为如下βv=β0+v2πΛ---(6)]]>其中v为0、+-1、+-2…，而Λ表示光栅的周期(period)。因此，因为对入射光的入射角的合适调节，在光栅耦合器143和波导元件105之间产生光耦合，光能可以高效从光栅耦合器143传递给波导元件105。
在形成光导层104的同时形成光栅耦合器143。一旦形成光栅耦合器143，它将提供恒定的耦合效率，并不易受到外部环境例如振动的影响而变化。当由准直透镜132校准的光入射到光栅耦合器143上时，如图7所示，该光栅耦合器143的耦合效率能够达到不小于80％。
(第四实施例)图8是根据本发明第四实施例采用楔形耦合器的光学头。该光学头150包括通过使光导层104的一端形成楔形而制成的楔形耦合器153。
参考图8，光学头150包括光源101、光纤102、波导元件105、聚焦光栅耦合器107、光子晶体镜111、模折射率透镜109和光检测器113。该光纤102与光源101耦合，以便传播光。该光纤102插入波导元件105的后端。楔形耦合器153形成于波导元件105上。聚焦光栅耦合器107使通过波导元件105传播的光进行衍射，并将该光聚焦在光盘120上。光子晶体镜111改变由光盘120反射的光的光通路。模折射率透镜109将穿过光子晶体镜111的光聚焦在光检测器113上。光检测器113将接收的光转变成电信号。
如图8所示，由插入基片108中的光纤102发出的光在全反射角情况下入射到光导层104的表面上，并在由光导层104的上表面和光导层104和缓冲层106之间的交界面进行完全反射的同时前进。激光二极管101、波导元件105、聚焦光栅耦合器107、光子晶体镜109、模折射率透镜111以及光检测器113的操作如上所述。
入射到楔形耦合器153上的光入射到光导层104的后端上，该光导层104的后端根据入射角而倾斜成角度大于全反射角，且光在光导层内连续进行全反射的同时进行传播。因此，进入光导层104中的光在楔形耦合器153中几乎没有损失，并且在进行全反射的同时前进，这样，可以获得大约70％的耦合效率。
由于光纤102和基片108之间的距离，楔形耦合器153可能引起很小的光损失，这样，它的耦合效率稍微低于前述三种耦合器。这一缺陷可以通过使光纤102和光导层104之间的距离更小而克服。
根据本发明第一至第四实施例、利用渐逝耦合、光衍射和全反射的光学头通过使光源和波导元件之间的光耦合而提高了入射耦合效率。
下面将介绍的、根据本发明第五至第九实施例的光学头包括在光源和波导元件之间的输入耦合器以及在波导元件和光盘之间的输出耦合器，因此提高了输入耦合效率和输出耦合效率。
(第五实施例)图9A是本发明第五实施例的光学头的示意透视图。在该光学头中，在光源和波导元件之间提供了作为输入耦合器的渐逝耦合器和楔形耦合器，在波导元件和光盘之间提供了作为输出耦合器的棱镜耦合器。
参考图9A，由激光二极管101发出的光通过光纤102进入渐逝耦合器103。因为渐逝耦合器103与楔形耦合器153连接，光穿过渐逝耦合器103并进入楔形耦合器153。入射到楔形耦合器153上的光在由光导层104的上表面以及在光导层104和缓冲层106之间的交界面进行全反射的同时进行传播，并通过光栅分束器151直线前进，然后由波导元件105发出。
从波导元件105的光导层104发出的光在经过作为输出耦合器的棱镜耦合器155的同时渐逝耦合成与光导层104的光模相似的光模，然后通过柱形透镜157聚焦在光盘120上。其中，渐逝耦合以与在第一实施例的光学头中作用的上述渐逝耦合相同的方式而起作用。优选是，如图9A所示，在棱镜耦合器155和光盘120之间的光通路上还提供有柱形透镜157，以便更高效地将由棱镜耦合器155发出的光聚焦在光盘120上。
在光盘120上记录信息和从该光盘120上复制信息所需的光强为大约10mW/μm2。通常，在从激光二极管101到光盘120的整个光通路上都有光损失，这样，实际上，只有从激光二极管101发出的光强的大约10％可用于将信息记录在光盘上和从该光盘上复制信息。因此，在本发明中，在光源和波导元件之间以及在波导元件和光盘之间提供有输入耦合器和输出耦合器，以便使光强的损失减至最小，从而获得将数据记录在光盘上和从该光盘上复制数据所需的光强，尤其是数据记录所需的光强。
由光盘120反射的光沿与上述光通路相反的方向传播，并由光栅分束器151分成两个子光束。这两个子光束朝向光检测器113a和113b。该光检测器113a和113b将接收的光束转换成电信号，以便检测从光盘获得的信息。该光检测器113a和113b的结构和操作与普通光学头中的光检测器相同。
与本发明的第一至第四实施例相比，本发明第五实施例的光学头可以采用棱镜耦合器作为输出耦合器，来代替普通的聚焦光栅耦合器，这样，最大的光强可以到达光盘。
(第六实施例)
图9B是本发明第六实施例的光学头的示意透视图。该光学头采用了渐逝耦合器作为输入耦合器，并采用聚焦光栅耦合器作为输出耦合器。
参考图9B，与本发明第一实施例不同，本发明第六实施例的光学头有形成于波导元件105的光导层104的表面上的聚焦光栅耦合器165。在该聚焦光栅耦合器165和光盘120之间提供有柱形透镜157，以便进一步提高聚焦功能。在第六实施例的光学头中的、除输出耦合器外的其它元件的结构和操作与第五实施例的光学头中的元件相同。
本发明第六实施例的光学头并不包括楔形耦合器，与第五实施例不同。不过，显然第六实施例的光学头也可以采用楔形耦合器作为另外的输入耦合器。
(第七实施例)图9C是本发明第七实施例的光学头的示意透视图。在本发明的第七实施例中，渐逝耦合器用作输入耦合器，作为输出耦合器的聚焦光栅耦合器形成于光导层和缓冲层之间，作为输出耦合器的Fresnel透镜耦合器布置在该光导层的上表面上。
参考图9C，与本发明第一至第四实施例中的聚焦光栅耦合器107相同，形成于缓冲层106上的聚焦光栅耦合器107’设计成相对于光的传播方向减小节距，并有光栅的曲率半径，这样，光将衍射，并聚焦在光盘120上。形成于光导层104的上表面上的Fresnel透镜耦合器有着具有多个环形透镜的Fresnel透镜的形状，并使聚焦光栅耦合器107’发出的光的强度分布均匀，然后聚焦光，以便在光盘120上形成斑点。因此，可以减小在输出耦合时可能发生的光损失。
在本实施例中，楔形耦合器还可用作输入耦合器。在本发明第七实施例中，除了输入和输出耦合器外的其它元件的结构和功能都与本发明第五实施例中的元件相同。
(第八实施例)图10A是本发明第八实施例的示意透视图。该光学头采用棱镜耦合器作为输入和输出耦合器。
参考图10A，由光源101发出的光通过准直透镜132校准，且该准直光束通过棱镜耦合器133渐逝耦合成渐逝波。然后，该渐逝波入射到光导层104上。入射到光导层104上的光波从棱镜耦合器133’的后端发出，并由该棱镜耦合器133’再次渐逝耦合，并通过柱形透镜157聚焦在光盘120上。
渐逝耦合的相位匹配条件与在本发明第一实施例中给出的公式5相同。第八实施例的光学头的其它元件与本发明第五实施例的光学头中的所述元件相同。
(第九实施例)图10B是本发明第九实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用棱镜耦合器作为输入耦合器，采用聚焦光栅耦合器作为输出耦合器。
参考图10B，由光源101发出的光通过准直透镜132校准，且该准直光束通过棱镜耦合器133渐逝耦合成渐逝波。然后，该渐逝波入射到光导层104上。入射到光导层104上的光波通过聚焦光栅耦合器165进行衍射，并通过柱形透镜157聚焦在光盘120上。
第九实施例的光学头的其它元件与本发明第五实施例的光学头中的所述元件相同。
(第十实施例)图10C是本发明第十实施例的光学头的示意透视图。该光学头采用棱镜耦合器作为输入耦合器，并采用光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器作为输出耦合器。
参考图10C，由棱镜耦合器133进行的渐逝耦合作为输入耦合。在输出耦合时，光通过聚焦光栅耦合器107’进行衍射，然后通过Fresnel透镜耦合器175聚焦在光盘120上。
棱镜耦合器133与本发明第二实施例的光学头的棱镜耦合器相同。聚焦光栅耦合器107’和Fresnel透镜耦合器175的结构和操作与本发明第四实施例的光学头的聚焦光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器相同。
(第十一实施例)图11是本发明第十一实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用光栅耦合器作为输入耦合器，采用棱镜耦合器作为输出耦合器。
参考图11A，由光源101发出的光通过光栅耦合器143耦合，然后进入光导层104。由光导层104发出的光通过聚焦光栅耦合器165耦合，再通过柱形透镜157聚焦在光盘120上。光栅耦合器143的耦合方式与本发明第三实施例中的光栅耦合器相同。
因为在本发明第十二至第十九实施例的光学头中的光通路与本发明第五至第十一实施例的光学头中的光通路类似，因此不对它们进行介绍。
(第十二实施例)图11B是本发明第十二实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用光栅耦合器作为输入耦合器，并采用棱镜耦合器作为输出耦合器。
光栅耦合器143的耦合方式与在本发明的第三和第十一实施例中的所述相同，棱镜耦合器133’的耦合方式与在本发明的第二和第五实施例中的所述相同。
(第十三实施例)图11C是本发明第十三实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用光栅耦合器作为输入耦合器，并采用光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器作为输出耦合器。
光栅耦合器143的耦合方式与在本发明的第三实施例中的所述相同，光栅耦合器107’和Fresnel透镜耦合器的耦合原理与在本发明的第七实施例中的所述相同。
(第十四实施例)图12A是本发明第十四实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用楔形耦合器作为输入耦合器，并采用棱镜耦合器作为输出耦合器。
楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第四实施例中的所述相同，棱镜耦合器133’的耦合方式与在本发明的第五实施例中的所述相同。
(第十五实施例)图12B是本发明第十五实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用楔形耦合器作为输入耦合器，并采用聚焦光栅耦合器作为输出耦合器。
楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第四实施例中的所述相同，聚焦光栅耦合器165的耦合方式与在本发明的第六实施例中的所述相同。
(第十六实施例)图12C是本发明第十六实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用楔形耦合器作为输入耦合器，并采用光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器作为输出耦合器。
楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第四实施例中的所述相同，光栅耦合器143和Fresnel透镜耦合器175的耦合方式与在本发明的第七实施例中的所述相同。
(第十七实施例)图13A是本发明第十七实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用渐逝耦合器和楔形耦合器作为输入耦合器，并采用棱镜耦合器作为输出耦合器。
渐逝耦合器103和楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第五实施例中的所述相同，棱镜耦合器165的耦合方式与在本发明的第七实施例中的所述相同。
(第十八实施例)图13B是本发明第十八实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用渐逝耦合器和楔形耦合器作为输入耦合器，并采用聚焦光栅耦合器作为输出耦合器。
渐逝耦合器103和楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第五实施例中的所述相同，聚焦光栅耦合器165的耦合方式与在本发明的第六实施例中的所述相同。
(第十九实施例)图13C是本发明第十九实施例的光学头的示意剖视图。该光学头采用渐逝耦合器和楔形耦合器作为输入耦合器，并采用光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器作为输出耦合器。
渐逝耦合器103和楔形耦合器153的耦合方式与在本发明的第五实施例中的所述相同，光栅耦合器165和Fresnel透镜耦合器175的耦合方式与在本发明的第七实施例中的所述相同。
在本发明中，渐逝耦合器、棱镜耦合器、光栅耦合器和楔形耦合器用作输入耦合器，而棱镜耦合器、聚焦光栅耦合器和Fresnel透镜耦合器用作输出耦合器，这样，输入耦合效率和输出耦合效率都提高。因此，能够获得紧凑的光学头，该紧凑光学头的光强足以将信息记录到光盘上和从该光盘上复制信息。此外，可以获得有非常好的聚焦特性和有高的数值孔径的光学头。
尽管本发明参考优选实施例来进行了特别的显示和说明，但是本领域技术人员应当知道，在不脱离由附加的权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行多种变化。例如，根据本发明的精神，本发明所属领域的技术人员可以采用各种利用了渐逝耦合、光衍射和全反射的耦合器。
如上所述，本发明通过采用输入耦合器和输出耦合器而提高了输入耦合效率和输出耦合效率。因此，可以在几乎没有损失的情况下获得将信息记录在光盘上和从该光盘复制信息所需的光强。因此，能够改进光学头的记录和复制。
此外，可以制造没有散热器的、重量轻、紧凑的集成式光学头，且可以获得有非常好的聚焦特性且有高的数值孔径的集成式光学头。
权利要求
1.一种集成式光学头，包括光源，用于发出光；波导元件，用于引导光；输入耦合器，该输入耦合器位于波导元件的一边缘处，与由光源发出的光耦合，并将该耦合光传递给波导元件；输出耦合器，该输出耦合器位于波导元件的另一边缘处，与由波导元件发出的光耦合，并将该耦合光聚焦在光盘上；光通路改变单元，该光通路改变单元安装在波导元件上，用于改变由光盘反射，再经过了输出耦合器的光的光通路；以及光检测器，用于接收经过光通路改变单元的光，并将接收的光转变成电信号，以便从光盘检测信息。
2.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中输入耦合器是渐逝耦合器，该渐逝耦合器包括光纤，该光纤的一端与光源连接，另一端与波导元件的表面连接，且其芯部靠近安装在波导元件的表面上；该渐逝耦合器与光源发出的光渐逝耦合，并将该耦合的光传递给波导元件。
3.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中输入耦合器是棱镜耦合器，该棱镜耦合器靠近波导元件的表面，与光源发出的光渐逝耦合，并将该耦合的光传递给波导元件。
4.根据权利要求2和3中任意一个所述的集成式光学头，其中渐逝耦合的相位匹配条件满足下面的公式2d(n02-nef2)1/2=mλ0]]>其中d表示波导元件的厚度，m表示模式阶次，n0表示波导元件的折射率，nef表示光纤的有效折射率。
5.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中输入耦合器是光栅耦合器，该光栅耦合器形成于波导元件的表面上，使光源发出的光衍射，并将该耦合的光传递给波导元件。
6.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中输入耦合器是楔形耦合器，该楔形耦合器有楔形端部，这样，通过波导元件的后端进入的光能够在全反射的同时进行传播。
7.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中该光源是激光二极管。
8.根据权利要求1所述的集成式光学头，其特征在于，还包括光纤，用于使光源与输入耦合器连接。
9.根据权利要求2所述的集成式光学头，其特征在于，还包括光纤，用于使光源与输入耦合器连接。
10.根据权利要求1所述的集成式光学头，其特征在于，还包括光纤，该光纤的一端与光源连接，另一端插入波导元件的后端。
11.根据权利要求6所述的集成式光学头，其特征在于，还包括光纤，该光纤的一端与光源连接，另一端插入波导元件的后端。
12.根据权利要求1、3和5中任意一个所述的集成式光学头，其特征在于，还包括在光源和输入耦合器之间的准直透镜。
13.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中，该波导元件包括基片；缓冲层，该缓冲层沉积在基片的上表面上；以及光导层，该光导层沉积在缓冲层的上表面上，用于引导光。
14.根据权利要求13所述的集成式光学头，其中，该光通路改变单元包括光子晶体镜，该光子晶体镜有穿过缓冲层形成的多个孔，以便改变所接收的、来自输出耦合器的光的光通路；以及模折射率透镜，用于将经过光子晶体镜的光聚焦在光检测器上。
15.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中该光通路改变单元是形成于波导元件表面上、有预定曲率半径的光栅分束器。
16.根据权利要求13所述的集成式光学头，其中该输出耦合器是聚焦光栅耦合器，该聚焦光栅耦合器以各光栅有预定的曲率半径，且节距沿光的传播方向减小的方式形成于波导元件的缓冲层上，该聚焦光栅耦合器使经过光导层的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
17.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中该输出耦合器是聚焦光栅耦合器，该聚焦光栅耦合器以各光栅有预定的曲率半径，且节距沿光的传播方向减小的方式形成于波导元件的表面上，该聚焦光栅耦合器使经过光导层的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
18.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中该输出耦合器是靠近波导元件表面安装的棱镜耦合器，该棱镜耦合器与由波导元件发出的光渐逝耦合，并使该耦合的光聚焦在光盘上。
19.根据权利要求1所述的集成式光学头，其中该输出耦合器是形成于波导元件表面上的聚焦光栅耦合器，该棱镜耦合器使通过波导元件的光发生衍射，从而使该光聚焦在光盘上。
20.根据权利要求18和19中任意一个所述的集成式光学头，其特征在于，还包括柱形透镜，该柱形透镜形成于在输出耦合器和光盘之间的光通路上，以便使通过输出耦合器的光聚焦在光盘上。
全文摘要
本发明提供了一种集成式光学头。在该集成式光学头中，光源发出光。波导元件引导光。输入耦合器位于波导元件的一边缘处，与由光源发出的光耦合，并将该耦合光传递给波导元件。输出耦合器位于波导元件的另一边缘处，与由波导元件发出的光耦合，并将该耦合光聚焦在光盘上。光通路改变单元安装在波导元件上，并改变由光盘反射，再经过了输出耦合器的光的光通路。光检测器接收经过光通路改变单元的光，并将接收的光转变成电信号，以便从光盘检测信息。因此，提高了输入耦合效率和输出耦合效率，从而使光损失减小。这样，能够改进光学头的记录和复制，并能获得重量轻、紧凑的集成式光学头。
文档编号G11B7/135GK1480929SQ0215597
公开日2004年3月10日 申请日期2002年12月11日 优先权日2002年9月2日
发明者佩特罗·尼古莱, 孙镇升, 赵恩亨, 李明馥, 佩特罗 尼古莱 申请人:三星电子株式会社