CN102629474A - 用于热辅助磁性记录的滑块内激光器光传输 - Google Patents

Abstract

一种装置包括：用于产生光束的光源；将光耦合入滑块波导的耦合器；使来自波导的光束展开以产生经展开的光束的光束扩展器；使展开的光束准直的准直器；以及使经准直的光束聚集到焦点的聚焦设备。另外描述了用于将光传输至焦点的方法。

Description

用于热辅助磁性记录的滑块内激光器光传输

背景

热辅助磁性记录(HAMR)通常所指的概念是：对记录介质进行局部加热来减小介质的矫顽力，以使所施加的磁写入场可在由加热源造成的介质的暂时磁软化期间更容易引导介质的磁化。存储层中的经加热区确定数据位维度。紧约束、高功率的激光点用来加热记录介质的一部分以显著减小加热部分的矫顽力。然后使加热部分受磁场作用，该磁场设定加热部分的磁化方向。如此，介质在环境温度下的矫顽力可能远高于记录期间的矫顽力，由此使处于高得多的存储密度下并具有小得多的位单元的记录位稳定。

获得小的受约束热点的一种方法是使用集成在具有高折射率对比的光波导中的光学近场换能器(NFT)，例如等离子体激元光学天线或金属性孔。在波导中传播的光是通过光学聚焦元件聚焦的，例如近场换能器上的平面固体浸没镜。一个例子使用在平面波导中制造的平面固体浸没镜(PSIM)或透镜，以及设置在PSIM焦点附近的孤立的金属性纳米结构形式的近场换能器。近场换能器被设计成在指定的光波长下达到局部表面等离子体激元(LSP)状态。在LSP，由于金属中的电子的集体振荡，在近场换能器周围出现高电场。该场的一部分将隧穿入相邻的介质并被吸收，这局部地提高了该介质的温度以供记录。

希望用具有良好对准容限和高光传递效率的低成本装置将光投射到波导中。

概述

在第一方面，本发明提供一种装置，该装置包括：用于产生光束的光源；将光耦合入滑块波导的耦合器；使光束展开的光束扩展器；使展开的光束准直的准直器；以及使经准直的光束聚集到焦点的聚焦设备。

在另一方面，本发明提供一种方法，包括：产生光束；将光耦合入滑块波导；使光束展开以产生经展开的光束；使展开的光束准直；并将经准直的光束聚集至焦点。

附图简述

图1是对可包括根据本发明的一个方面的记录头的盘驱动器形式的数据存储设备的图示。

图2是记录头的各个部分的示意图。

图3是记录头的主视图。

图4是光传输系统的一部分的示意图。

图5是另一光传输系统的一部分的示意图。

图6是另一光传输系统的示意图。

图7是椭圆镜的示意性图示。

图8是另一记录头的各个部分的示意图。

图9是另一记录头的主视图。

具体实施方式

图1是对可利用根据本发明的一个方面构造的记录头的盘驱动器10形式的数据存储设备的图示。该盘驱动器10包括外壳12(在该视图中上部被移除，而下部是可见的)，该外壳12具有容纳盘驱动器各个组件的大小和结构。盘驱动器10包括用于使至少一个磁记录介质16在外壳内旋转的主轴电机14。至少一个臂18包含在外壳12中。每个臂18具有带记录头或滑块22的第一端20以及通过轴承26可枢转地安装在轴上的第二端24。制动器电机28位于臂的第二端24，用于枢转臂18以将记录头22定位在盘16的要求磁道27上。制动器电机28由控制器调整，该控制器在本图中未示出并且是业内公知的。

HAMR记录头的近来设计包括滑块上的薄膜波导，以将光引导至存储介质以便对存储介质进行局部加热。一种滑块设计包括纳入到滑块结构中的激光器。前面提出的滑块内激光器光传输系统包括通道波导、离轴抛物线形准直器、用于路由波导中的光束的镜以及将光聚集至衍射受限制的光点的固体浸没镜(SIM)。在一个方面，本发明易于实现离轴抛物线形准直器相对于通道波导的定位公差的约束，并减少在准直后光束强度分布的不对称性。

图2是根据一个实施例构造的记录头的一部分中元件的示意图。记录头30包括激光二极管32、固体浸没镜(SIM)34以及光传输系统36，光传输系统36将光从激光二极管传递至固体浸没镜，固体浸没镜将光聚集至空气支承表面48附近的焦点。光传递系统包括锥形的波导耦合器37以及波导光束扩展器38、抛物线形准直器40、第一镜42和第二镜44。由激光二极管产生的光通过输入耦合器被耦合入滑块波导并由光束扩展器扩展以及由抛物线形准直器准直成光束46。光束46由第一镜反射并随后由第二镜反射，第二镜将光束导向到固体浸没镜上。第一和第二镜可以是平直镜或球面镜。光自然地传播进入SIM并且不需要耦合器。注意，与图形表面垂直的光由波导引导/约束。

图3是包括与图2类似的光传输系统的记录头50的主视图。记录头50包括激光二极管52、固体浸没镜54和光传输系统56，光传输系统56将光从激光二极管传输至固体浸没镜。光传输系统包括锥形的波导输入耦合器58和波导光束扩展器60、抛物线形准直器62、第一镜64和第二镜66。输入耦合器将光从激光二极管耦合入滑块波导。光束扩展器如下面等式(1)定义。光通过平面/通道波导被约束在垂直于图形平面的方向，所述平面/通道波导可由作为波导芯层的高折射率介电材料制成，例如由例如Al₂O₃、SiO₂、SiO_xN_y之类的一种或两种低折射率介电材料包覆的Ta₂O₅、SiN_x、ZnS、SiO_xN_y、Si、SiC。

由激光二极管产生的光通过锥形波导耦合器被耦合入滑块波导、通过波束扩展器展开、并通过抛物线形准直器62准直入光束68。光束68由椭圆形的第一镜64反射并随后由抛物线形的第二镜66反射，所述第二镜66将光束引导至固体浸没聚焦镜54上。第一和第二镜可以是平直镜或球面镜。

图3的记录头还包括磁写入极70和用于在写入极中产生磁场的线圈72。提供电连接74、76以向线圈供电。提供附加的电连接，例如78、80、82和84，以向激光器和本图中未示出但在业内公知的光头的其它组件(例如读出元件)供电。近场换能器(NFT)86可位于记录头的空气支承表面88附近。在本例中，激光器52产生光束，该光束通过输入通道波导58和光束扩展器60以产生经展开的光束88。经展开的光束由抛物线形准直器62终结。经准直的光束68由第一镜64和第二镜66反射，并被引导到将光聚集到近场换能器86的固体浸没镜54上。

记录介质90位于记录头50的空气支承表面附近。记录介质90在本例中包括衬底92、衬底92上的软磁下层94以及该软下层上的硬磁记录层96。

尽管记录头可以是垂直磁记录头并且存储介质可以是垂直磁记录介质，然而要理解本发明也可与其它形式记录头和/或记录介质一起使用，这对采用热辅助记录来说是合需的。

图2和图3示出适合之前已知的磁性滑块形式的光传输系统。从激光二极管芯片射出的光通过单模锥形通道波导被耦合入波导、通过波导光束扩展器扩展、通过抛物线形镜准直、由两个镜路由、并由固体浸没镜聚焦。

在一个示例中，滑块尺寸为770μm x 230μm，而激光器尺寸为500μmx 120μm。激光器是倒装的并坐落在比激光器的每一侧宽10μm的腔内。腔与滑块边缘相距15μm。激光器有源层(例如光发射层)将准确地对准于波导层。

波导和镜处于滑块叠层的中间部分。所有金属引线和焊盘可经由通路互连在波导和镜层之下或之上。通过这种光传输布局，对于在滑块末端的四个最终测试焊盘(例如电子搭接导向件以及读出器或写入器焊盘)，仍然具有空间。

图4是光束准直系统的示意图。激光束经过通道或锥形通道波导100。在通道的末端102，光束发散。从通道或锥形通道波导逸出的光104通过离轴抛物线形镜106被准直以产生经准直的光束108。与通道波导的最大光线角为θ_m。在本文中使用的，锥形通道波导是用于将光从激光二极管耦合至滑块波导的波导。它(沿Y方向)在始端(最接近二极管)的位置具有比末端102更窄的宽度。

一个示例性波导使用Al₂O₃作为位于Ta₂O₅芯层114的相对两侧上的包覆层110、112。在图4中，通道波导右侧的全部区域处于平面波导的芯层中。Al₂O₃的折射系数n是n＝1.64，而Ta₂O₅的折射系数n＝2.10。自由空间中的光波长λ＝830nm。由准直器的定位偏差引起的光束非对称性(D₁≠D₂)以及光束歪斜取决于从通道或锥形通道波导逸出的光线的最大夹角(θ_m)。对图4组件的一个示例的建模示出单模传播的通道波导的宽度小于700nm，其得出θ_m≥30°。

在θ_m＝30°且光束尺寸D＝25μm时，光束由于抛物线形准直器沿x方向的定位偏差在准直后的发散为-1.98°/μm，而光束由于沿y方向的定位偏差离y方向的方位角倾斜为3.44°/μm。如果所需的方位角倾斜公差为±0.1°，沿y方向的定位误差将是30nm，这是光刻法中难以取得的。光束不对称性D₁/D₂在θ_m＝30°时为1.73，这将增加由SIM压缩的光点尺寸。然而，由于存储介质的加热区可确定数据位维度，因此小光点是理想的。

在一个方面，本发明通过使用波导光束扩展器解决光束不对称以在准直前减小θ_m。图5是准直系统116的示意图，该准直系统116包括图4的许多组件并具有光束扩展器118。在图4中，光束扩展器右侧的全部面积处于平面波导的芯层中。光束扩展器具有与通道或锥形通道波导100的宽度相同的始端宽度W₀、末端宽度W₁以及长度L。对于光束扩展，W₁＞W₀。

在一个示例中，光束扩展器包括抛物线形的壁120、122并且其宽度W(x)随着与通道波导的距离d而增加，其表示为：

W(x)²＝W₀ ²+2αλ_gd，(1)

其中W₀是光束扩展器的始端宽度，λ_g是波导的模波长，而α是常数。为了取得单模操作，d＜1。假设W₀＝0.6λ(λ表示自由空间内的光波长)、W₁＝4λ、λ_g＝λ/1.78且α＝0.2，则L＝70λ。

光束扩展器的材料可与通道波导的材料相同，除了芯层宽度沿y方向增加外。

从单模通道或锥形通道波导逸出的光束通过波导光束扩展器展开，由于sinθ_m与λ_g/W₁成比例，这相应地减小了θ_m。

如果θ_m减小至5°且光束尺寸D＝25μm时，由于抛物线形准直器沿x方向的定位偏差在准直后的光束发散为-0.038°/μm，而由于沿y方向的定位偏差离y方向的光束方位角倾斜为0.434°/μm。在0.1°方位角倾斜时，沿y方向的定位公差达到230nm，该定位公差远低于当前光刻法的制造公差。光束比D₁/D₂为1.09。

图6是示出设计参数的光传输系统130的示意图。该系统包括激光器132，该激光器132在通道波导134中产生光束。光束扩展器136位于通道波导的末端并产生经扩展的光束138。经扩展的光束由第一抛物线形准直器140准直以产生经准直的光束142，该经准直的光束142由椭圆镜144和第二抛物线形准直器146反射并被引导到固体浸没镜148上。

从光束扩展器136逸出的光束138可通过在1/e²强度点下的光束半径w₁的基本高斯光束和Rayleigh长度很好地表述

光束扩展器的逸出面位于第一抛物线形准直器的焦点处。距离x₀确定第一抛物线形准直器的形状：

$y=\frac{x_0^2-x^2}{{2x}_0}---\left(2\right)$

在从第一抛物线形准直器反射后，束腰位于距准直器x₀距离的位置。在准直或滑块间距可得之后，距离x₀由要求的光束半径w₂确定，其中：

$x_0=\frac{w_2}{w_1}{x}_{R1}=\frac{{\mathrm{\πw}}_1{w}_1}{{\mathrm{\λ}}_g}.---\left(3\right)$

经准直的光束从第一抛物线形准直器传播至椭圆镜144。假设第一抛物线形准直器和椭圆镜之间的距离为s₁，且从椭圆镜反射之后的束腰处在距椭圆镜d₂距离的位置，则椭圆镜的等效焦距是如此确定的：

$f=\frac{({2d}_1{d}_2+d_1^2+x_{R2}^2)-\sqrt{{({2d}_1{d}_2+d_1^2+x_{R2}^2)}^2-4(d_1+d_2)d_2(d_1^2+x_{R2}^2)}}{2(d_1+d_2)},---\left(4\right)$

其中

d₁＝s₁-x₀，(5a)

$d_2\≤\frac{d_1^2+x_{R1}^2}{2x_{R1}},$ 并且(5b)

$x_{R2}=\frac{\mathrm{\π}{w}_2^2}{{\mathrm{\λ}}_g}.---\left(5c\right)$

在椭圆镜之后并在束腰处的光束半径w₃是如此给出的：

$w_3=w_2\sqrt{\frac{d_2-f}{d_1-f}}.---\left(6a\right)$

在该束腰处的Rayleigh长度为：

$x_{R3}=\frac{\mathrm{\π}{w}_3^2}{{\mathrm{\λ}}_g}.---\left(6b\right)$

椭圆镜形状是通过两个参数(d₃，d₄)确定的：

$f=\frac{d_3{d}_4}{(d_3+d_4)},---\left(7\right)$

其中d₃是椭圆镜的焦点之一与镜的距离，而d₄是第二焦点与镜的距离。距离d₃可从椭圆镜上的入射波的曲率半径确定，

$d_3=d_1[1+{\left(\frac{x_{R2}}{d_1}\right)}^2].---\left(8a\right)$

一旦确定d₃，d₄是从给定f确定的：

$d_4=\frac{f}{d_3-f}{d}_3.---\left(8b\right)$

图7示出一椭圆镜，用于针对θ₀＝π/4将位于距离d₃处的目标点成像至距离d₄处的点。在图7所示的局部坐标系内，椭圆镜144的形状如此给出：

$Z^2[(d_3^2+d_4^2){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_0+{2d}_3{d}_4(1+{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_0)]-2Z[X{\sin \mathrm{\θ}}_0(d_3-d_4)-{2d}_3{d}_4](d_3+d_4){\cos \mathrm{\θ}}_0$

$+X^2{(d_3+d_4)}^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_0=0$

.(9)

第二抛物线形准直器(或镜)146用来随着光束在椭圆镜之后从束腰传播一距离x₀₂而校正相位曲率。

x₀₂＝s₂-d₂.(10)

给出在从第二抛物线形准直器反射之后的光束半径w₄和曲率半径R：

$w_4=w_3\sqrt{[1+{\left(\frac{x_{02}}{x_{R3}}\right)}^2]},$ 以及(11a)

$R=\frac{1}{\frac{1}{x_{02}[1+{\left(\frac{x_{R3}}{x_{02}}\right)}^2]}-\frac{1}{x_{02}}}.---\left(11b\right)$

该曲率很小并且是良好的，用于照亮靠近第二抛物线形准直器的聚焦SIM。

图8示出具有滑块内激光器传输系统152的另一滑块150，该滑块内激光器传输系统152包括激光器154、通道波导156和抛物线形准直器或镜158，并适应已有滑块形状因数。逸出激光二极管的光通过锥形波导耦合器160耦合入波导、通过具有两个弯头的单模通道波导路由、通过波导光束扩展器162展开、通过抛物线形准直器158准直并通过固体浸没镜164聚焦。

图9是包括与图8类似的光传输系统的记录头170的正视图。记录头170包括通道波导172和离轴抛物线形准直器或镜174，并适应已有滑块形状因数。逸出激光二极管的光通过锥形波导耦合器176耦合入波导、通过具有两个弯头的单模通道波导路由、通过波导光束扩展器178展开、通过离轴抛物线形准直器174准直，并通过固体浸没镜180聚焦。图9包括图8的元件并进一步包括写入极182和线圈184。提供电连接186、188以将电流提供给线圈以在写入极内诱发磁场。

图8和图9的布局比图2和图3的布局更为紧凑。同样，光束扩展器用来缓解准直器上的对准约束并很大程度地减小光束不对称性。

在另一方面，本发明提供一种可使用前述装置实现的将光传输至焦点的方法。该方法包括：产生光束；将光从激光二极管耦合入滑块波导；使光束展开以产生经展开的光束；使展开的光束准直；并将经准直的光束聚集至焦点。

前面的描述和例子示出可用于热辅助磁记录的光传输的装置的示例性应用的结构。尽管前面已以一定的具体程度或参照一种或多种个别实现描述了装置的各种实现，然而本领域内技术人员能不脱离本发明精神或范围地对所公开的实现作出多种替代。包含在前面说明中并在附图中示出的所有事项旨在解释为仅为了解说特定应用并且不作为限制。上述实现及其他实现在以下权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

光源，用于产生光束；

耦合器，用于将光耦合入滑块波导；

光束扩展器，用于使光束展开；

准直器，用于准直所展开的光束；以及

聚焦设备，用于将经准直的光束汇聚至焦点。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束扩展器具有如下定义的形状：

W(x)²＝W₀ ²+2αλ_gd，其中W(x)是所述光束扩展器的宽度，d是与所述通道波导的距离，W₀是所述光束扩展器的始端宽度，λ_g是所述通道波导的模波长，而α是一常数。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直器是抛物线形准直器并且所述光束扩展器的逸出面位于所述抛物线形准直器的焦点处。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

第一和第二镜，所述第一镜将经准直的光束反射向所述第二镜，而所述第二镜将经准直的光束反射向所述聚焦设备。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二镜是平直镜。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二镜是球面镜。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一镜是椭圆镜。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二镜是抛物线形准直器。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光束是单模光束。

10.一种方法，包括：

产生光束；

将光耦合入滑块波导；

使所述光束展开以产生经展开的光束；

使所述展开的光束准直；以及

将经准直的光束汇聚至焦点。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光束是使用具有如下定义形状的光束扩展器展开的：

W(x)²＝W₀ ²+2αλ_gd，其中W(x)是所述光束扩展器的宽度，d是与所述通道波导的距离，W₀是所述光束扩展器的始端宽度，λ_g是所述通道波导的模波长，而α是一常数。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

将光聚焦到磁性介质上以加热所述磁性介质上的点。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述聚焦步骤是使用固体浸没镜来完成的。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：

从两个或更多个镜反射光的经准直光束以侧向平移经准直的光束。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述反射步骤包括：

使用第一镜以将经准直的光束朝向第二镜反射，并使用第二镜以将经准直的光束朝向聚焦设备反射。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光束是单模光束。

17.一种装置，包括：

光源，用于产生光束；

耦合器，用于将光耦合入滑块波导；

位于所述滑块波导的逸出端附近的光束扩展器，用于使光束展开；

准直器，用于准直所展开的光束；以及

聚焦设备，用于将经准直的光束汇聚至焦点。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述耦合器包括锥形的波导耦合器。

19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述滑块波导包括单模通道波导。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直器包括：

离轴抛物线形准直器。

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