CN100498943C - 光学头和信息存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光学头和信息存储装置。一种光学头，包括：第1介电体层，具有第1折射率；一对第2介电体层，与第1介电体层的两侧邻接配置，具有比第1折射率大的第2折射率；一对第3介电体层，与各第2介电体层邻接配置；以及一对第4介电体层，与各第3介电体层邻接配置，具有比第1折射率大的第3折射率。使光从与第1至第4介电体层的叠层方向正交的方向入射。第1和第3介电体层具有相互不同的折射率或者具有相互不同的厚度。

Description

光学头和信息存储装置
本发明是申请号为02829884.5、申请日为2002年11月13日、发明名称为“光学头和信息存储装置”的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学头和使用该光学头的信息存储装置。
背景技术
随着信息化社会的进展，信息量日趋增大。与该信息量的增大对应，有着更高的记录密度的信息记录方式和基于该信息记录方式的记录再现装置一直被期待。在作为一种信息记录再现装置的光盘装置中，与记录容量有关系的集光束径受光波长的限制。作为光盘装置的高记录密度化的方案，有进一步缩短所使用的激光的波长和提高光学透镜的数值孔径(NA)的方案，然而由于衍射限制而制约了记录密度的提高。作为光学透镜的高NA化的方案，提出了一种方法，该方法使用固态浸没透镜，把数值孔径(NA)设定为大于等于1，利用从固态浸没透镜的底面透出的渐消失光，在光盘介质内记录信息。然而，该方法由于通过固态浸没透镜的折射率来提高NA，因而在高记录密度化方面自然会存在界限。
作为用于实现高记录密度的记录方式，一种近场光记录方式受到注目，该近场光记录方式通过生成比入射光的波长小的微小开口，利用从该开口部产生的近场光，形成比光波长小的光束点。作为产生近场光的结构(近场光探针)，广泛使用具有光波长以下的微小开口的作了前端锐化的光纤(光纤探针)。该光纤探针通过在对光纤的一端加热的同时进行拉伸，或者使用化学蚀刻法进行前端锐化，之后将前端以外的部分用金属涂敷来制成。当把光导入到光纤内时，可在形成于光纤前端的微小开口附近产生近场光。然而，该光纤探针具有光利用效率低的缺点。例如，当开口直径是100nm时，入射到光纤上的光的强度和从光纤前端出射的光的强度之比小于等于0.001％。
作为提高光利用效率的方法，提出了以下探针。
(1)多阶段前端锐化光纤探针
该探针是沿着光纤从根部到前端使光纤前端的尖角按2阶段或3阶段变化的光纤探针(Applied Physics Letters，Vol.68，No.19，p2612-2614，1996；Applied Physics Letters，Vol.73，No.15，p2090-2092，1998)。
(2)金属针探针
该探针使用扫描型隧道显微镜(STM)的针作为探针，通过使光照射到针前端，在前端附近产生强的近场光(特开平6-137847号公报)。
(3)带有金属微小球的微小开口光纤探针
该光纤探针在光纤前端的微小开口中心形成有金属微小球，使用从微小开口出射的光，在金属微小球中激励等离子体振子，在金属球附近产生强的近场光(特开平11-101809号公报)。
(4)作了金属涂敷的玻璃片探针
该探针在呈三角柱状切出的玻璃片上形成厚度50nm左右的金属膜，在金属膜上激励表面等离子体振子。表面等离子体振子向顶点传播，在顶点附近产生强的近场光(Physical Review B，Vol.55，No.12，p7977-7984，1997)。
(5)具有金属散射体的玻璃基板探针
该探针在玻璃基板底面装有金属散射体，在金属散射体附近产生强的近场光(特开平11-250460号公报)。
然而，在近场光学系统中，必须设定产生近场光的微小结构和试样表面的间隔为数nm至数10nm。因此，在使用上述由光纤和玻璃片构成的探针的情况下，需要一种用于对探针前端和试样表面的间隔进行控制的特别的控制系统。一般，使用在探针前端和试样之间作用的原子间力测定间隔，使用该测定值实施伺服控制。然而，在利用该伺服控制的情况下，由于伺服频带存在限制，因而探针的扫描速度存在限制。特别是，在需要高的数据传送速度的光记录再现装置中，有必要使探针在光盘上高速扫描，存在的问题是，使用上述伺服控制方法不能对由光盘的失真或倾斜产生的高频率的间隔变动进行控制。
为了解决该问题，提出了以下探针。
(1)平面开口探针
该探针在硅基板中使用各向异性蚀刻形成开口，由于微小开口周边部是平坦的，因而通过使探针压紧试样，可使间隔保持恒定(The PacificRim Conference on Lasers and Electro-Optics，WL2,199)。
(2)带有衬垫的开口探针
该探针在玻璃基板底面形成在前端具有微小开口的四角锥的突起，并在该突起周边形成衬垫，衬垫使探针前端和试样的间隔保持恒定(特开平11-265520号公报)。
(3)带有金属微小突起的面发光激光探针
该探针在面发光激光出射口端面形成有金属的微小开口和金属的微小突起，由于结构是平坦的，因而通过使探针压紧试样，可使间隔保持恒定(应用物理Vol.68，No.12，p1380-1383，1999)。由于具有金属的微小突起和共振结构，因而预计光利用效率提高。
(4)把插片式(patch)天线和同轴电缆应用于光学领域，高效率产生近场光(Optics Communications Vol.69，No.3，4，p219-224，1989)。
(5)通过把蝴蝶结型的金属片做成微小偶极天线，高效率产生微小的近场光(美国专利第5,696,372号)。
然而，作为使用近场光的光存储器的性能，需要以下3点。
(a)以远比波长小的等级对近场光与记录介质的间隔进行精密控制。
(b)微小的光束点。
(c)光利用效率高，即，可进行高速数据传送。
使前端的尖锐角按多阶段变化的光纤探针与一般使用的光纤探针相比具有10～100倍的高效率，但在应用于需要0.5％以上的光利用效率的光记录再现装置方面还是不够。并且，由于使用光纤，因而机械强度脆弱，不能进行高速扫描。金属针探针、带有金属微小球的微小开口光纤探针、作了金属涂敷的玻璃片探针、以及带有金属散射体的玻璃基板探针全都利用金属特性来实现效率提高，有可能提高光利用效率。然而，探针前端全都形成为机械脆性的形状，不适合高速扫描。特别是，金属针探针、以及具有金属散射体的玻璃基板探针由于使未照射到针前端或散射体上的光也入射到试样上，因而具有能检测出很多背景光的缺点。
尽管如上所述提出了几种可进行高速扫描的探针，然而在平面开口探针以及具有衬垫的开口探针的情况下，虽然可进行高速扫描，但是光利用效率小。对于微小开口，使用模型并采用FDTD法(有限差分时域法)，进行严密的电磁场计算，该模型是在由铝形成的厚度为560nm的基板上形成30°的锥角，把微小开口做成100nm直径，并使波长400nm的光入射。结果，如图1所示，当使光束入射到直径100nm的金属微小开口上时，即使在刚出射后的近场区域内，光束也为超过开口尺寸的160nm(半幅值宽度)，形成特别在入射偏振光方向形成方形的轮廓，难以进行高密度记录。
带有金属微小突起的面发光激光探针预计在高速扫描中，光利用效率高，背景光也少。然而，在使用金属的微小突起产生强的近场光方面必须优化金属形状，但，在特开平11-101809号中关于形状却未作任何记载。并且，对其制造方法也未作任何说明。
在把光应用于插片式天线和同轴电缆，高效率产生近场光的方法、以及通过把蝴蝶结型的金属片做成微小偶极天线，产生微小的近场光的方法中，使用金属自由电子的等离子体振子共振条件来使光强度放大。然而与上述一样，使用FDTD法进行严密的电磁计算的结果，如图2所示，只要不把记录面放置在距蝴蝶结天线面2～3nm的距离以内，就会得到与不使用等离子体振子增强的良导体相同的效果。即，存在的问题是，强度没有增强，不能获得必要的大于等于0.5％的光量。并且，还存在的问题是，满足等离子体振子条件的蝴蝶结型的形状等的容许值小。
另一方面，发表了一种在光盘介质中装有透镜形状的基板，提高记录密度的方法(Optical Data Storage 2001 Technical Digestpp277-279，Guerra，et.al，April 22-25，2001)。在该方法中，目的是解决灰尘、头盘接口等的问题，然而不利用近场光，而是内装微距透镜并利用在微距透镜所集光的光在记录膜内记录再现信息。该方法通过提高透镜用材料的折射率来提高记录密度，但存在的问题是，在增大折射率方面存在限制，以及不能提高圆周方向的记录密度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供光利用效率高、可进行高速扫描的使用近场光的光学头。
本发明的另一目的是提供可使用上述光学头进行高密度记录的信息记录再现装置。
根据本发明的一侧面，提供一种光学头，其特征在于，所述光学头包括：第1介电体层；一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，使光从与所述各层的叠层方向正交的方向入射。
根据本发明的另一侧面，提供一种光学头，为圆筒形状，其特征在于，所述光学头包括：第1介电体，被配置在中心；环状第1邻接材料，与所述第1介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；环状第2介电体，与所述第1邻接材料邻接配置在其外周；以及环状第2邻接材料，与所述第2介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，使与圆筒形状光学头的轴方向平行的光入射。
根据本发明的另一方面，提供一种光学头，其具有：相互平行的一对梯形状主面、矩形状底面、与该矩形状底面平行的矩形状顶面、以及使所述顶面和所述底面以及所述一对梯形状主面之间分别连接的一对倾斜侧面，其特征在于，该光学头包括：第1介电体层，与所述梯形状主面平行；一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，使光从与所述矩形状底面正交的方向入射到该底面上。
根据本发明的另一方面，提供一种光学头，其特征在于，所述光学头具有：具有平面的半球状固态浸没透镜；以及圆筒状光学元件，形成在所述固态浸没透镜的所述平面上；所述圆筒状光学元件包括：第1介电体，配置在中心；环状第1邻接材料，与所述第1介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；环状第2介电体，与所述环状第1邻接材料邻接配置在其外周；以及环状第2邻接材料，与所述环状第2介电体邻接配置，具有负介电常数；所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，使与所述圆筒状光学元件的轴方向平行的光入射到所述固态浸没透镜上。
根据本发明的另一方面，提供一种光学头，其特征在于，所述光学头包括：圆筒状金属，具有负介电常数；长方体形状的第1介电体，嵌入在所述圆筒状金属的中心部分内，具有第1折射率；以及多个长方体形状的第2介电体，呈栅状嵌入在所述第1介电体的周围的所述圆筒状金属中，具有比所述第1折射率大的第2折射率；使光从所述圆筒状金属的轴方向入射。
根据本发明的另一方面，提供一种信息存储装置，以记录介质为对象进行信息的记录或再现，其特征在于，该信息存储装置具有：射出光束的光源；以及把基于该光束的光照射到记录介质上的光学头，所述光学头包括：第1介电体层；一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，使光从与所述各层的叠层方向正交的方向入射到所述光学头上。
附图说明
图1是说明以往的微小开口方式的问题点的说明图；
图2是以往的蝴蝶结型天线方式的问题说明；
图3是根据本发明第1实施方式的光学头的立体图；
图4是使光入射到在前端部附近不具有光封入部的金刚石梯形柱上时的X方向的计算机模拟图像；
图5是使光入射到在前端部附近不具有光封入部的金刚石梯形柱上时的Y方向的计算机模拟图像；
图6是在中央仅具有1个透射部的梯形柱光学头的比较例的剖面图；
图7是使光入射到图6的比较例上时的Y方向的计算机模拟图像；
图8是具有多个光透射部的梯形柱光学头的比较例的剖面图；
图9是使光入射到图8的比较例上时的Y方向的计算机模拟图像；
图10是本发明第1实施方式的光学头沿着Y方向的剖面图；
图11是使光入射到本发明第1实施方式的光学头上时的Y方向的计算机模拟图像；
图12是使光入射到本发明第1实施方式的光学头上时的X方向的计算机模拟图像；
图13是使光入射到第1实施方式的光学头上时的在距出射面10nm的位置的光束轮廓；
图14是本发明第2实施方式的光学头沿着Y方向的剖面图；
图15是根据本发明第3实施方式的光学头的立体图；
图16是第3实施方式的光学头沿着Y方向的剖面图；
图17是使光入射到第3实施方式的光学头上时的Y方向的计算机模拟图像；
图18是使光入射到第3实施方式的光学头上时的X方向的计算机模拟图像；
图19是使光入射到第3实施方式的光学头上时的在距出射面10nm的位置的光束轮廓；
图20是本发明第4实施方式的光学头沿着Y方向的剖面图；
图21是利用本发明的光学头的信息记录再现装置的概略构成图；
图22是本发明的另一实施方式的光学头的立体图；
图23是在图22的另一实施方式的光学头中使用的第5实施方式的圆筒状光学头的立体图；
图24是本发明第6实施方式的光学头的立体图；
图25是第6实施方式的光学头的变形例图；
图26是本发明第7实施方式的光学头的立体图；
图27是利用图22的光学头的信息记录再现装置的概略构成图；
图28A～图28C是表示第1实施方式的光学头的制造过程的图；以及
图29A～图29D是表示第3实施方式的光学头的制造过程的图。
具体实施方式
为了产生微小光，虽然可以考虑在二维中使用微小开口，在一维中使用单一狭缝，然而光的波长以下大小的开口和狭缝(例如长度100nm左右)，透射的光极其微弱。本发明者们鉴于这种情况，将关注的对象转到周期形成的衍射光栅上。当高折射率和低折射率的折射率差非常大时，对于光的透射等，显示出特异的表现，然而对于这种状况下的光的表现，至今还未进行详细探讨。作为这种高折射率材料，使用III-V属等的宽隙的半导体等正受到注目。
通常，如果是透射型的衍射光栅，则当衍射光栅的周期长度(间距)大于入射的光的波长时，入射到多个衍射光栅的光束全都透射或者衍射。因此，作为光束的透射光必然在近场成为具有许多峰、谷的光束，而在远视野，光束成为大而模糊的光束。因此，为了获得衍射界限以下的细微光束，提出了一种方法，该方法使用金属等覆盖全部衍射光栅，并使用聚焦离子束在其一部位穿出小于等于要使用的光波长且在衍射界限以下的例如200nm左右的细微开口。这样，使金属等离子体振子激励光从微小开口出射。
然而，在该方法中，存在的问题是，从开口出射的光的利用效率低，聚焦离子束的加工不适合批量生产制造，聚焦离子束的开口加工，其大小、形状不稳定。而且，还存在以下等问题，即：该方法是不适合为了廉价地进行批量生产而以使用晶片制造为目标的光学装置的制造。
本发明具有的优点是，不需要形成通过聚焦离子束加工等而形成的开口，就能高效率产生远比衍射界限小的光束。我们通过计算首先发现，具有很低的周期数而且形成该周期的构成要素并不相同的这种特殊周期结构的光学元件可使光不衰减而是增大地透射比光波长小的区域。
首先，对利用高折射率的介质和低折射率的介质的折射率差封入光的方法进行说明。在以下说明中，假设在光记录和再现中使用的激光器使用蓝紫色激光二极管(波长400nm)。此处，高折射率的材料采用硅(Si)，在波长400nm时的Si的折射率是5.56。另一方面，低折射率的材料采用金刚石，在波长400nm时的金刚石的折射率是2.47。折射率差非常大，为3.1，此时的光的表现，如后所述，发生被称为异常衍射(anomaly)的特别现象。
当衍射光栅的周期长度(间距)d小于等于波长λ(不含0)时，不产生衍射光。也因为以比该周期更短的周期制作衍射光栅是困难的，所以至此还未进行详细探讨。然而，本发明者等通过计算发现，当使该周期长度d更小，例如小于等于λ/5(不含0)时，透射光不衰减地出射。即，形成具有某一折射率和比其更高折射率的衍射光栅，衍射光栅的周期长度为小于等于使用的波长并且小于等于一定周期长度时，通过计算发现透射光强烈出射的异常衍射现象：另一方面，通过计算发现，当衍射光栅的周期长度小于等于使用的波长并且大于等于上述一定周期长度时，透射光几乎不出射。
根据这些现象，通过配置在中央的具有第1折射率的第1介电体、以及与该第1介电体的两侧邻接配置的具有比第1折射率高的折射率的第2介电体的组合，在小于等于一定周期长度(不含0)的宽度内形成中央组合。通过具有第2折射率的第3介电体、以及具有比第2折射率高的折射率的第4介电体的组合，以大于等于一定周期长度的宽度形成中央组合的左右邻。通过这样形成，不产生来自中央组合的邻接部的透射光，光被封入到中央介电体的组合内，并且0次衍射光即透射光强烈出射而不衰减，并在衍射光栅内传播。本发明的特征在于，即使不具有多个周期数，仅使用3个左右的周期数就能进行这种光封入。
在以下的光的计算中，采用FDTD法进行严密的电磁场计算。并且，假设X、Z方向的单元为120个，各10nm的大小，Y方向的单元为240个，各5nm的大小，计算也利用了达到了充分稳定状态的周期数30的结果。并且，为了使计算的解在即使采用作为负介电体的金属时也稳定，通过与FDTD法同时联立计算作为金属的自由电子模型的洛伦兹的自由电子的运动方程式，可获得准确的解。
参照图3，表示本发明第1实施方式的光学头2的概略立体图。在本实施方式中，梯形柱4具有：相互平行的一对梯形状主面4a，矩形状底面4b，与该矩形状底面4b平行的矩形状顶面4c，以及使顶面4c和底面4b以及一对梯形状主面4a之间分别连接的一对倾斜侧面4d。梯形柱4由折射率2.47的对所使用的光透明的金刚石形成。在梯形柱光学头中，使具有X方向的直线偏振光的蓝紫光入射到矩形状底面4b上，光在梯形柱4的侧面4d多次反射形成干涉，这样，在X方向和Y方向，光束均可微小化，特别是在X方向可产生缩小的光束(参照特願2002-188579)。
梯形柱4在Y方向的厚度是600nm，前端的顶角是30°，梯形柱4在光行进方向Z的长度是1.4μm。在梯形柱4的前端部分附近形成有光封入部6。该光封入部6，如后面详细说明那样，由配置在中央的金刚石层8、以及与该金刚石层8的两侧邻接配置的一对Si层10形成。为了进一步缩小光束径，当采用在使用波长时为负介电常数的材料(例如金属等)包围介电体时，拟似地等效于提高中间的介电体的折射率，因而使用铝(12)将梯形柱4的周围包围。而且，由于铝在使用波长时的介电常数的实部是一23.38，金刚石的介电常数是6.1，因而满足等离子体振子激励条件，即，在使用波长时为负介电常数的材料的介电常数的实部绝对值大于邻接介电体的介电常数。
当使光入射到在前端部附近不具有光封入部6的金刚石梯形柱上时的光的传播状态的计算机模拟图像如图4和图5所示。图4表示X方向的光的传播状态，图5表示Y方向的光的传播状态，对光在X方向和Y方向进行干扰的状态作了图示。在出射面14，光干涉最强，为使光束细微化而选择出射面14。可知，此时在离开出射面1410nm的位置的1/e2的光束尺寸，在X方向是100nm，在Y方向是600nm，在X方向，由于干涉效果，光束被细微化，而Y方向的光束需要进一步细微化。对于这种单方向的光束缩小，通过利用本发明的采用少的周期结构的光束封入，能够不使X方向的集光性混乱的缩小Y方向的光束。
图6表示在中央仅具有1个光透射部(狭缝或开口)18的梯形柱光学头16的比较例的剖面图。与图3一样，梯形柱4由金刚石形成，设置在光出射部的中央的光透射部18与梯形柱4一样的由金刚石形成，其厚度是25nm。与光透射部18的两侧邻接形成有一对Si层20。22是包围了梯形柱4和Si层20的周围的厚度200nm的Al层。在该构成时，如图7的计算机模拟图像所示，光不能透射小于等于所使用的光的波长的狭缝18，光不从出射面14出射。
参照图8，表示另一比较例的梯形柱光学头24的剖面图。在该比较例中，梯形柱4同样由金刚石形成，并形成多个狭缝26、以及与各狭缝26的两侧邻接的多个Si层28。狭缝26和Si层28的厚度全都是25nm。狭缝26由金刚石形成。梯形柱4和Si层28的周围由厚度200nm的Al层22包围。当使光入射到该比较例的光学头24上时，如图9的计算机模拟图像所示，发现，光可透射厚度25nm的狭缝26而不衰减。但是，在该状态下，多个细微光束从出射面14出射。
另一方面，当使用图8所示的多层周期结构扩大周期间隔时，通过同样的电磁场计算也发现光不能透射光透射部(开口)的现象。根据该计算结果，判明：通过进行仅使中央成为由低折射率的介电体形成的透射部(开口)，在开口两侧配置高折射率的介电体层的组合，并扩大除此以外的其他衍射光栅的间距或者使这些光栅的折射率不同，可把小于等于使用的波长的细微光束封入到中央的光封入部内，并使该微小的1个光束从出射面出射。
图10表示图3所示的第1实施方式的光学头2沿着Y方向的剖面图。成为光透射部(开口)的中心的第1介电体层8由与梯形柱4相同的金刚石形成，将其厚度设定为20nm。与第1介电体层8的两侧邻接配置有由Si形成的厚度25nm的一对第2介电体层10。与各第2介电体层10邻接配置有由SiO2形成的厚度40nm的一对第3介电体层30。并且，与各第3介电体层30邻接配置有由Si形成的厚度120nm的一对第4介电体层32。梯形柱4和第4介电体层32由厚度200nm的Al层12包围。多层结构在Z方向的长度是100nm。第1介电体层8和第3介电体层30对所使用的光是透明的。
该第1实施方式的光的传播状态的计算机模拟图像如图11和图12所示。图11是Y方向的模拟图像，图12是X方向的模拟图像。从图11和图12可知，光通过厚度20nm的中央开口8传播，不会衰减而使强度增大。此时的在距出射面14为10nm的位置的光束轮廓如图13所示。在从出射面出射了10nm的位置的1/e2的光束径在X方向是100nm，在Y方向是86nm，在半幅值宽度是66×40nm，极其细微化。此时的出射光量对入射到光学头上的光量之比，即光利用效率是2.4％的高效率，获得足够作为大容量光存储器的光学头的特性。
在本实施方式中，由于邻接介电体层之间的折射率差Δn大，因而即使叠层结构的总数少，也能达到充分的光利用效率。但是，仅仅使用一对高折射率的介电体层夹持配置在中心的低折射率的介电体层，如图7所示，光不能透射光学头。相对之下，如本实施方式那样，当采用具有3个周期的多层结构时，光通过中央开口传播，不衰减而强度增大的从出射端面出射。然而，虽说是3周期结构，要注意的是，中央组合及其两侧的组合，是具有周期长度(间距)或者折射率不同的特殊周期性的周期结构。而且，在本实施方式中，周围用Al层12包围，而即使不使用Al层12，也能获得强度强的透射光。
在上述第1实施方式中，第1介电体层8由金刚石形成，第2介电体层10和第4介电体层32由Si形成，第3介电体层30由SiO2形成，然而各介电体层的材料不限于此。即，只要第2介电体层10和第4介电体层32具有比第1介电体层8大的折射率，第3介电体层30与第1介电体层8的折射率或者厚度不同即可。理想的是，第3介电体层30具有比第1介电体层8小的折射率。作为替代方案，优选的第3介电体层30的厚度比第1介电体层8厚。另外，优选的第1介电体层8和第2介电体层10的折射率差大于等于2。
此处，通过使介电体层的材质不同，可使折射率不同。虽然低折射率的介电体层和高折射率的介电体层的折射率差只要大于等于0.1即可，但折射率差大的情况是有效的。介电体层的厚度差即使小也可以，具体地说，在大于等于数nm且小于等于数百nm的范围内选择是有效的。
可以认为本实施方式的具有叠层结构的衍射光栅是广义的一维光刻晶体，而在入射光的偏振光方向与层的叠层方向正交的情况下，光透射增大，光透射率依赖于入射光的偏振光方向。在这种透射现象中，一般在透射光中，在行进方向大致周期性地出现强度的腹和节，当该光透射的介质的折射率为n时，该周期是大约λ/2n，大多成为所谓法布里-珀罗型的共振模式。作为高折射率和低损失的材料，列举出：KNbO3，LiNbO3，AgBr，TlCl，ZnS，KPS-6，ESO，TiO2等。
而且，在上述说明中，对在梯形柱4中具有特殊周期结构的元件(光学头)作了说明，然而本发明不限于梯形柱形状，即使使通过普通透镜等作出的平行光和收敛球面波等入射到上述那样的具有特殊周期结构的元件上，也能同样在单方向使光束大幅缩小。
参照图14，表示本发明第2实施方式的光学头2A的剖面图。在本实施方式中，将第3介电体层30从出射端面削除规定距离。第3介电体层30由SiO2形成，如果将其厚度设定为W，则通过对SiO2进行蚀刻，在进深方向把第3介电体层30消除到W左右。W是50～100nm左右。这样，可防止微弱光从第3介电体层30泄漏。
参照图15，表示本发明第3实施方式的光学头34的立体图。图16是沿着图15的Y方向的剖面图。梯形柱36具有：相互平行的一对梯形状主面36a，矩形状底面36b，与该矩形状底面36b平行的矩形状顶面36c，以及使顶面36c和底面36b以及一对梯形状主面36a之间分别连接的一对倾斜侧面36d。梯形柱36的顶角是30°。本实施方式是在光学头(光学元件)34的全长上存在多层膜的情况。
在图16的剖面图中，40是配置在光学头34的中心的厚度20nm的由SiO2形成的第1介电体层，与该第1介电体层40的两侧邻接分别配置有厚度30nm的由Al形成的一对第1金属层42。与各第1金属层42邻接分别配置有厚度160nm的由金刚石形成的一对第2介电体层44。而且，与各第2介电体层44邻接分别配置有厚度200nm的由Al形成的一对第2金属层38。这样在本实施方式中，使用金属作为遮挡光的构件。此时，为了在使用波长的波段通过金属的自由电子共振使光强度增大，因第1金属层42和第2金属层38必须满足存在等离子体振子的条件。即，金属的介电常数的实部绝对值必须大于邻接介电体的介电常数。在本实施方式中，使用满足该条件的铝(Al)作为第1和第2金属层。第1介电体层40和第2介电体层44对所使用的光是透明的。
使光入射到第3实施方式的光学头34上时的光传播状态的计算机模拟图像如图17和图18所示。图17是Y方向的模拟图像，图18是X方向的模拟图像。从图17和图18可知，光不衰减地透射厚度20nm的极其细微的第1介电体层40。此时在从出射面出射了10nm的位置的光束轮廓如图19所示。在从出射面出射了10nm的位置的1/e2的光束径在X方向是100nm，在Y方向是71nm，在半幅值宽度是65×37nm，极其细微化。本实施方式的光利用效率是高效率，为0.94％，获得足够作为大容量存储器的光学头的特性。
在上述第3实施方式中，各金属层由铝形成，然而也可使用具有负介电常数的其他金属。有必要使金属的介电常数的实部绝对值大于邻接介电体层的介电常数。理想的是，第2介电体层44具有比第1介电体层40大的折射率。或者，第2介电体层44具有比第1介电体层40厚的厚度。作为本实施方式的变形例，可以采用第1和第2实施方式的介电体的叠层结构。并且，作为第1和第2实施方式的变形例，可以使用铝(Al)等的金属层作为遮挡光的构件。
图20表示本发明第4实施方式的光学头46的概略剖面图。该实施方式是使叠层结构的周期数增大的实施方式。配置在中心的第1介电体层48由金刚石形成，第2介电体层50由Si形成，第3介电体层52由SiO2形成，第4介电体层54由Si形成。即，第1至第4介电体层的叠层结构与图10所示的第1实施方式相同。并且在本实施方式中，第5介电体层56由Si形成，第6介电体层58由Si形成。第7介电体层60由SiO2形成，第8介电体层62由Si形成。
本实施方式的光学头46的特征之一是，第5介电体层56由高折射材料形成，阻止光在该部分透射。在制作时，第4至第6介电体层54-58不用说是在一次成膜步骤形成。本实施方式，是为了阻止图9所示光透射多个狭缝时，存在大强度透射自中央起第3个狭缝的现象。在此情况下，具有的优点是，通过增加衍射光栅的周期数，可增强透射强度。取代第5介电体层56，可以使用具有负介电常数的金属材料。
参照图21，表示利用本发明的光学头的信息记录再现装置64的概略构成图。该信息记录再现装置64是光辅助磁记录再现装置。磁记录介质66向箭头R方向旋转。在下部磁屏蔽68和上部磁屏蔽及下部磁心70之间形成有再现用磁传感器头72、以及光学头2。光通过光波导路74入射到光学头2上。在下部磁心70上形成有信息写入用的线圈76。78是上部磁心。
在该信息记录再现装置64中，通过磁记录介质66的旋转，按照再现用磁传感器头72、光学头2以及磁场产生用线圈76的顺序通过一标记。在信息写入时，从光学头2出射的光3照射到磁记录介质66上，使磁记录介质66的温度上升，之后立即通过在线圈76产生的磁场80写入信息，因而能以较小的磁场强度把信息写入到磁记录介质66内。该信息记录再现装置64可通过晶片处理过程制造成完全一体型头。
而且，作为信息记录再现装置，对光辅助磁记录再现装置作了说明，然而本发明的光学头的应用不限于此，由于可形成微小的光束点，因而也同样可用作相变化型的光盘装置和光磁盘装置的光学头。特别是，在光磁盘装置的情况下，通过磁场激光脉冲调制，可在圆周方向进行所谓月牙记录，由于可缩短记录长度的，因而可实现高记录密度化。并且，可通过磁场激光脉冲调制进行改写记录，可实现高速的记录再现。
图22表示本发明的又一实施方式。光束在物镜82被收集，进入固态浸没透镜84，由该固态浸没透镜84进一步集光。固态浸没透镜84是半球透镜，在其平面部形成有第5实施方式的圆筒状光学头86。圆筒状光学头86，如图23所示，包含：第1介电体88，配置在中心，例如由金刚石形成；环状第2介电体90，与第1介电体88邻接配置在其外周，由例如Si形成；环状第3介电体92，与第2介电体90邻接配置在其外周，由例如SiO2形成；以及环状第4介电体94，与第3介电体92邻接配置在其外周，由例如Si形成。圆筒状光学头86还包含：环状第5介电体95，与第4介电体94邻接配置在其外周，由SiO2形成；以及环状第6介电体96，与第5介电体95邻接配置在其外周，由Si形成。
作为图23的圆筒状光学头86的变形例，中心部分88可以由SiO2形成，环状部分90、94、96可以由铝等的金属形成，环状部分92、95可以由金刚石形成。在图23所示的第5实施方式中，可在全部方向实现光束的缩小。
图24表示本发明第6实施方式的光学头98，其构成为，在由Si形成的圆筒体102的中心配置由金刚石形成的长方体100，在其周边呈栅状配置由SiO2形成的长方体104。圆筒体102可以由铝等的金属形成。在此情况下，中心的长方体100优选由SiO2形成，呈栅状配置的长方体104优选由金刚石形成。图25表示图24所示的第6实施方式的变形例的光学头98A。在该变形例中，除了图24的长方体104以外，还形成有由与长方体104相同的SiO2形成的4个长方体106。在图24和图25所示的实施方式中，可实现X方向和Y方向的光束同时缩小。
图26表示本发明第7实施方式的光学头108，其构成为使2个正交的衍射光栅110、112叠层。在本实施方式中，也可实现X方向和Y方向的光束同时缩小。
图27表示把图22所示的实施方式应用于例如光磁盘装置的构成图。在由悬挂装置116支撑的滑动器114内形成有：磁场调制用线圈118，固态浸没透镜84以及圆筒状光学头86。120是光磁盘介质。从激光二极管(LD)122出射的激光束在准直透镜124成为准直光束后，透射偏振光光束分离器126，由物镜128、固态浸没透镜84以及圆筒状光学头86收集在光磁盘介质120上。在信息写入时，磁场调制用线圈118与要写入的数据相应的被调制，数据被写入到光磁盘介质120内。在信息读出时，来自光磁盘介质120的反射光在偏振光光束分离器126被反射，被透镜130集光在光检测元件132上，光磁信号被检测。
通过把本发明的光元件(光学头)的出射面制作成LD和LED等出射面，可提高光的集光性，制造高效率的光学装置。并且，通过把本发明的光元件形成在光导波路端面，可作为通信用光纤、光布线等的结合元件来使用。
图28A～图28C表示图3所示的第1实施方式的光学头2的制造方法的一例。首先，如图28A所示，采用溅镀、真空蒸镀或CVD法，使Al层136和多层膜结构138成膜。然后，如图28B所示，使由金刚石形成的梯形柱的光透射部分140成膜。最后，如图28C所示，使Al142在多层膜结构138和梯形柱140上成膜。
图29A～图29D表示图15所示的第3实施方式的光学头34的制造方法的一例。首先，如图29A所示，采用RF溅镀、真空蒸镀或CVD法，使多层膜成膜。然后，如图29B所示，在涂敷光致抗蚀剂后，使用分步曝光装置或电子束直接描绘装置等，进行梯形144的构图。然后，如图29C所示，通过反应性离子蚀刻(RIE)等对形状进行精加工，最后如图29D所示，进行最外周的Al层146的成膜。这些制造过程在晶片工序中进行，最后切出成各芯片，进行研磨，以形成规定面。
上述各实施方式中的梯形柱的顶角可在10°～120°的范围内，根据制造面、光束设计进行合适选择。并且，各实施方式的各层的材料可根据制造面、材料费、光束设计进行合适选择，不限于各实施方式的材料。例如，可以不是SiO2，而是包含SiO2的SiO2系材料、包含Al的Al系材料。
本发明的光学头，如上详述，由于可使微小光束出射，因而在应用于信息记录再现装置时，可实现超高密度记录。并且，可使用在基板上形成的二维图形容易制造可出射缩小的光束的光学头，可实现光学头的批量生产。并且，由于可与再现用头一并采用光刻技术制作，因而可提供每1平方英寸对应亚太拉位以上的高密度记录光学头和使用该光学头的信息记录再现装置。
而且，本发明的光学头不仅可应用于信息存储装置，而且可应用于光通信用部件、半导体加工装置等的光学装置。

Claims (14)

1.一种光学头，其特征在于，所述光学头包括：
第1介电体层；
一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；
一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及
一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；
所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，
使光从与所述各层的叠层方向正交的方向入射。
2.根据权利要求1所述的光学头，所述第1介电体层具有第1厚度，所述各第2介电体层具有比所述第1厚度厚的第2厚度。
3.根据权利要求1所述的光学头，所述第1和第2介电体层具有相互不同的厚度，并且所述第1和第2邻接层具有相互不同的厚度。
4.根据权利要求1所述的光学头，所述第1和第2邻接层由相同金属材料形成。
5.根据权利要求4所述的光学头，所述第1介电体层由SiO2形成，所述第1和第2邻接层由铝形成。
6.根据权利要求1所述的光学头，其还具有：
一对第3介电体层，与所述各第2邻接层邻接配置；以及
一对第3邻接层，与所述各第3介电体层邻接配置。
7.根据权利要求6所述的光学头，所述第1至第3邻接层由相同金属材料形成，所述各第2邻接层具有比所述第1邻接层的厚度厚的厚度。
8.根据权利要求1所述的光学头，所述光学头具有光入射的入射端面和光出射的出射端面；
所述各第2介电体层在所述出射端面侧被削除了规定距离。
9.根据权利要求1所述的光学头，所述入射的光是偏振光面在与所述各层的叠层方向正交的方向的直线偏振光。
10.一种光学头，为圆筒形状，其特征在于，所述光学头包括：
第1介电体，被配置在中心；
环状第1邻接材料，与所述第1介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；
环状第2介电体，与所述环状第1邻接材料邻接配置在其外周；以及
环状第2邻接材料，与所述环状第2介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；
所述第1介电体具有第1折射率，所述环状第2介电体具有比所述第1折射率大的第2折射率，
使与圆筒形状光学头的轴方向平行的光入射。
11.一种光学头，其具有：相互平行的一对梯形状主面、矩形状底面、与该矩形状底面平行的矩形状顶面、以及使所述顶面和所述底面以及所述一对梯形状主面之间分别连接的一对倾斜侧面，其特征在于，该光学头包括：
第1介电体层，与所述梯形状主面平行；
一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；
一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及
一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；
所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，
使光从与所述矩形状底面正交的方向入射到该底面上。
12.一种光学头，其特征在于，所述光学头具有：
具有平面的半球状固态浸没透镜；以及
圆筒状光学元件，形成在所述固态浸没透镜的所述平面上；
所述圆筒状光学元件包括：
第1介电体，配置在中心；
环状第1邻接材料，与所述第1介电体邻接配置在其外周，具有负介电常数；
环状第2介电体，与所述环状第1邻接材料邻接配置在其外周；以及
环状第2邻接材料，与所述环状第2介电体邻接配置，具有负介电常数；
所述第1介电体具有第1折射率，所述环状第2介电体具有比所述第1折射率大的第2折射率，
使与所述圆筒状光学元件的轴方向平行的光入射到所述固态浸没透镜上。
13.一种光学头，其特征在于，所述光学头包括：
圆筒状金属，具有负介电常数；
长方体形状的第1介电体，嵌入在所述圆筒状金属的中心部分内，具有第1折射率；以及
多个长方体形状的第2介电体，呈栅状嵌入在所述第1介电体的周围的所述圆筒状金属中，具有比所述第1折射率大的第2折射率；
使光从所述圆筒状金属的轴方向入射。
14.一种信息存储装置，以记录介质为对象进行信息的记录或再现，其特征在于，该信息存储装置具有：
射出光束的光源；以及
把基于该光束的光照射到记录介质上的光学头，
所述光学头包括：
第1介电体层；
一对第1邻接层，与所述第1介电体层的两侧邻接配置，具有负介电常数；
一对第2介电体层，与所述各第1邻接层邻接配置；以及
一对第2邻接层，与所述各第2介电体层邻接配置，具有负介电常数；
所述第1介电体层具有第1折射率，所述各第2介电体层具有比所述第1折射率大的第2折射率，
使光从与所述各层的叠层方向正交的方向入射到所述光学头上。
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