CN102707375A - 金属波导及其制造方法、光传输模块和热辅助磁记录头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属波导及其制造方法、光传输模块以及热辅助磁记录头。所述金属波导包括金属体，该金属体由导电金属形成并且包括穿过该金属体形成的孔，所述孔具有输入端和输出端。所述孔具有：弯曲部分，用于改变所述输入端和输出端之间的光传播方向；锥形部分，位于所述弯曲部分和所述输出端之间。所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在所述金属体的内表面上的脊而形成为C形。

Description

金属波导及其制造方法、光传输模块和热辅助磁记录头

本申请是申请日为2008年3月17日、申请号为200810085435.5、发明名称为“金属波导及其制造方法、光传输模块和热辅助磁记录头”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

与本发明一致的设备和方法涉及一种具有锥形的C形孔(aperture)的弯曲形金属波导(metallic waveguide)，更具体地讲，涉及一种弯曲形的金属波导、制造该波导的方法、包括该波导的光传输模块以及具有该波导的热辅助磁记录头，该波导能够以集成结构制造，并且能够实现增强的近场效应。

背景技术

在磁记录头领域中，对高密度磁记录进行了许多研究。在水平磁记录中已实现了100Gbit/in²的记录密度，而在垂直磁记录中，100Gbit/in²或更高的记录密度是可能的。然而，由于超顺磁效应，导致在记录期间出现热不稳定性，因此磁记录技术在提供高记录密度方面仍存在局限。

记录介质中的热稳定性由磁各向异性能与热能之比决定。为了增加磁各向异性能，磁记录介质必须由具有强的矫顽力的材料形成。当磁记录介质由具有强的矫顽力的材料形成时，需要相应强的磁场以便记录。然而，由于为了增加记录密度而使用小尺寸记录头，所以主磁极(main pole)的磁场在预定水平饱和。因此，由于产生的磁场的有限强度，导致无法进行记录。

为了解决这一问题，已开发了热辅助磁记录(HAMR)方法。在HAMR方法中，通过将记录介质的局部加热到居里温度以上，使相应位置的矫顽力暂时降低。当与现有技术的磁记录方法相比时，HAMR方法能够进一步减小记录所需的磁场强度。就这一点，由于数据被记录在被加热到居里温度以上的区域中，所以记录密度由被加热的部分的宽度决定，而非由产生磁场的磁极的大小决定。例如，当加热单元是激光二极管时，数据记录密度由激光二极管所发射的激光的光点大小决定。

相应地，HAMP头需要将激光发射到记录介质的光传输模块。光传输模块将光传输到主磁极附近的位置。此外，光传输模块在减小聚焦在记录介质上的光点大小的同时提供高的光强。这种光传输模块包括光源、波导和小孔，并且被集成在主磁极附近的小空间中。然而，为了不显著改变现有技术的磁头的结构，可设置光传输模块的位置有限。例如，用于将光从光源传输到小孔的波导必须垂直地设置在主磁极上。在这种情况下，波导的方向与设置在主磁极一端附近的小孔的方向相差90°。因此，必须在波导和小孔之间设置用于将光的方向改变90°的光学元件。反射镜可用作该光学元件。然而，在技术上难以将具有大体积结构的所述光学元件集成到现有技术的厚度非常薄的磁头上。

此外，期望通过与制造现有技术的磁头的处理相同的批处理(batchprocess)来制造所述光传输模块。为此，需要可在等于或低于175℃的低温下通过平面工艺(planar process)来制造波导和小孔。

同时，小孔将通过波导透射的光传输到记录介质的记录层。就这一点，为了实现高记录密度，传输到记录层的光必须具有小的光点尺寸和高的强度，以便将记录层加热至大约居里温度。通常，光点大小由小孔的大小决定。可以预见，孔的大小越小，记录密度越高。然而，当孔比入射光的波长小很多时，孔的能量通量(power throughput)显著降低。例如，当圆孔的半径r等于或小于入射光的波长的1％时，孔的能量通量按照r⁴的比率减小。即，当孔为小尺寸时，可实现高空间分辨率，但是能量通量太小。因此，在将小尺寸孔应用于HAMR头方面存在限制。

相应地，为了解决低传输问题，对近场光学探头的研究仍在继续，已提出具有各种小孔的探头。然而，还没有开发出适合于HAMR头的既具有高传输和高分辨率又具有可靠性和可再现性的近场探头。

发明内容

本发明提供一种金属波导，通过所述金属波导的孔可输出具有高强度和小光点尺寸的光，并且所述金属波导可在不使用单独的光学元件的情况下将光传播方向改变90°。本发明还提供一种制造该波导的方法。本发明还提供一种包括该波导的光传输模块以及具有该波导的热辅助磁记录头。

根据本发明的一方面，提供一种金属波导，包括由导电金属形成的金属体；其中，穿过所述金属体形成具有输入端和输出端的孔，所述孔具有用于改变所述输入端和输出端之间的光传播方向的弯曲部分，所述孔还具有位于所述弯曲部分和所述输出端之间的锥形部分，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在所述金属体的内表面上的脊而形成为C形。

当金属波导的厚度被定义在光传播的方向上时，金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out可大于金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in。

可确定金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in，以使得针对从所述输入端至弯曲前部分的金属波导的部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in可满足下面的等式：

t_in＝0.25λ±Δt_res，α

其中，λ是光的波长，Δt_res，α是与前散射和谐振有关的厚度偏差。

可确定金属波导在锥形部分处的厚度t_tp，以使得针对金属波导的锥形部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

金属波导在锥形部分处的厚度t_tp可满足下面的等式：

t_tp＝0.25λ±Δt_res，γ

其中，λ是光的波长，Δt_res，γ是与后散射和谐振有关的厚度偏差。

可确定金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out，以使得在金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in和金属波导在锥形部分处的厚度t_tp固定的状态下，针对整个金属波导，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out可满足下面的等式：

t_out＝0.5λ±Δt_res，β

其中，λ是光的波长，Δt_res，β是与所述孔的弯曲部分处的散射和谐振有关的厚度偏差。

所述金属体以及穿过金属体而形成的孔均可具有宽度和小于宽度的高度。

所述孔可填充有空气或电介质。

所述脊的宽度和高度可保持均匀。

根据本发明的另一方面，提供一种制造所述金属波导的方法，该方法包括：在基底上形成金属层；通过对一部分金属层进行蚀刻来形成具有预定宽度和高度的弯曲的脊；在所述脊和剩余金属层上沉积紫外线(UV)固化树脂；通过对UV固化树脂进行部分硬化，形成围绕所述脊弯曲的弯曲的孔，所述孔在端部处具有宽度逐渐减小的锥形结构；去除UV固化树脂的未硬化部分；形成围绕所述孔的金属层。

根据本发明的另一方面，提供一种光传输模块，包括：第一金属波导，由导电金属体形成，并在第一金属波导中设置有孔；第二波导，将来自光源的光传输到第一金属波导，其中，在第一金属波导中，所述孔具有用于改变输入端和输出端之间的光传播方向的弯曲部分，所述孔还具有位于所述弯曲部分和所述输出端之间的锥形部分，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在第一金属波导的内表面上的脊而形成为C形。

第二波导可被设计为宽度大于高度的平板形，并且第二波导的输入端的宽度大于第二波导的输出端的宽度。

所述第一金属波导和孔可具有宽度和小于宽度的高度，以实现与第二波导的轮廓匹配。

所述第二波导可以是聚合物波导。

根据本发明的另一方面，提供一种热辅助磁记录头，包括：磁记录单元，形成用于在磁记录介质上记录信息的磁场；光传输模块，发射光以加热磁记录介质的记录区域，其中，所述光传输模块包括由导电金属体形成并在其中设置有孔的第一金属波导以及将来自光源的光传输到第一金属波导的第二波导，其中，在第一金属波导中，所述孔具有用于改变输入端和输出端之间的光传播方向的弯曲部分，所述孔还具有位于所述弯曲部分和所述输出端之间的锥形部分，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在第一金属波导的内表面上的脊而形成为C形。

所述磁记录单元可包括：主磁极，形成对磁记录介质进行磁化的磁场；返回磁极，面向主磁极的表面设置，并与主磁极磁性连接以形成磁路；感应线圈，用于将磁场感应到主磁极；副轭，设置在主磁极的另一表面上，用于帮助磁通量聚焦在主磁极的最末端上。

所述光传输模块可设置在副轭的侧表面处面向主磁极的另一表面的位置。

第一金属波导的输出端的取向可与主磁极的最末端的取向相同。

附图说明

从下面参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它方面将更明显，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的光传输模块的示意性透视图；

图2是根据本发明示例性实施例的具有锥形的C形孔的90°弯曲的金属波导的示意性透视图；

图3是根据本发明示例性实施例的具有锥形的C形孔的90°弯曲的金属波导的截面图；

图4是示出设置在根据本发明示例性实施例的金属波导上的C形孔的输出端处的尺寸的截面图；

图5是示出设置在根据本发明示例性实施例的金属波导上的C形孔的输入端处的尺寸的截面图；

图6是示出根据依照本发明示例性实施例的金属波导的输入端侧的厚度变化而变化的孔谐振特性的频率响应函数的曲线图；

图7是示出根据依照本发明示例性实施例的金属波导的输入端侧的厚度变化而变化的光强的曲线图；

图8至图10是分别示出根据本发明示例性实施例的具有一次至三次谐振厚度的金属波导的输入端处的孔中的场分布的示图；

图11至图13是分别示出在图8至图10分别所示的一次至三次厚度谐振下，光通过金属波导的输入端后的光点形状的示图；

图14是设置在根据本发明示例性实施例的金属波导上的C形孔的锥形输出端的透视图；

图15是示出根据依照本发明示例性实施例的金属波导的输出侧的厚度变化而变化的孔谐振特性的频率响应函数的曲线图；

图16是示出根据依照本发明示例性实施例的金属波导的输出端侧的C形孔的厚度变化而变化的电场强度的曲线图；

图17A至图17C是分别示出根据本发明示例性实施例的具有360nm的均匀宽度的C形孔中的场分布、输出光的光点形状和场强的示图；

图18A至图18C是分别示出根据本发明示例性实施例的宽度减小至270nm的锥形的C形孔中的场分布、输出光的光点形状和场强的示图；

图19是示出根据本发明示例性实施例的最终执行厚度谐振分析时的结果的曲线图；

图20A至图20J是示出制造根据本发明示例性实施例的具有锥形的C形孔的90°弯曲的金属波导的方法的示图；

图21是根据本发明示例性实施例的热辅助磁记录头的透视图。

具体实施方式

现在，将详细描述本发明的示例性实施例，其示例示出于附图中。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，而不应被解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些示例性实施例以使本公开将彻底和完整，并将向本领域技术人员充分传达本发明的构思。在附图中，相同的标号始终表示相同的部件。

图1是根据本发明示例性实施例的光传输模块110的示意性透视图。参照图1，光传输模块110包括设置在底座110上的锥形聚合物波导115和耦合到聚合物波导115的90°弯曲的金属波导111。聚合物波导115的输入端115a可通过例如直接端耦合(direct end coupling)方法或对接耦合(butt-coupling)方法来耦合到光纤117。聚合物波导115的输出端115b耦合到金属波导111。因此，通过光纤117从光源118传输到聚合物波导115的输入端115a的光又通过聚合物波导115的输出端115b传输到金属波导111。

当激光二极管被用作光源118时，为了使光源118和聚合物波导115之间的耦合效率最大，光源118和聚合物波导115之间的距离必须最小化，并且必须实现激光二极管的有源层和聚合物波导115的波导层(guiding layer)之间的轮廓匹配(profile matching)。当激光二极管被构造为执行理想的单模振荡时，从激光二极管发出的光为线偏振，并且变为与对接表面平行。然而，由于存在与对接表面垂直的偏振分量，所以从激光二极管发出的光中平行的偏振分量和垂直的偏振分量之间的偏振比为大约100。因此，为了实现与激光二极管的有源层的轮廓匹配，如图1所示，本发明示例性实施例的聚合物波导115可被构造为宽度W大于高度H的平板形。

此外，为了使与光源(118)侧的耦合损失最小，聚合物波导115可被构造为具有如图1所示的输入端115a的宽度大于输出端115b的宽度的锥形结构。

将参照附图描述90°弯曲的金属波导的结构。参照图2和图3，金属波导111包括设置有孔113的金属体112。金属体112可由具有良好导电性的金(Au)形成。孔113可填充有空气或电介质。例如，孔113可填充有树脂。

根据本发明示例性实施例，如图2和图3所示，在输入端111a处孔113的方向可垂直于在输出端111b处孔113的方向。就这一点，为了在不使用诸如反射镜的光学元件的情况下使光的传播方向改变90°，孔113被设计为具有C形截面。为此，在金属体112的内表面上形成具有预定宽度和预定高度的脊114。

为了使金属波导111和聚合物波导115之间的耦合损失最小，必须在金属波导111的输入端111a和聚合物波导115的输出端115b之间实现轮廓匹配。为此，与聚合物波导115类似，金属波导111被构造为宽度W’大于高度H’的平板结构。为了在输出端11b处获得小尺寸光点，孔113可具有锥形结构，其中，在弯曲90°之后，该锥形结构的宽度从输出端111b的预定位置开始逐渐减小。

对金属波导的上述结构的另外的考虑在于：由于聚合物波导115具有锥形结构以使耦合损失最小，所以金属波导111的弯曲后部分中从弯曲部分至锥形结构的厚度t_out必须大于金属波导111的弯曲前部分(即，输出端111a一侧)的厚度t_in。金属波导的厚度被定义在光传播的方向上。

90°弯曲的金属波导111必须被设计为在满足上述条件的同时满足适合于场增强特性的特定谐振条件。通常，当光入射到具有孔的金属板上时，必须满足透射谐振(transmission resonance)条件以使光通过孔。透射谐振由分别产生于孔的输入端和输出端处的金属板中的电荷和电流的集中表面谐振产生。满足透射谐振条件的输入光在金属板的孔处被场增强，因此入射光可在不急剧减小透射比的情况下被后散射。此外，当金属板被加厚时，在孔中另外产生电荷和电流的振荡。因此，存在不同的厚度谐振(thicknessresonance)。结果，金属板的孔处的总透射和场增强除了由表面谐振决定之外，还由厚度谐振的相互作用决定。当沿着孔在厚度方向上传输的光形成驻波时，实现了这种厚度谐振。因此，当金属板比预定厚度厚时，金属板和光满足预定厚度谐振条件，以便使入射到金属板的孔上的光有效通过。

因此，需要根据下面的顺序设计90°弯曲的金属波导111。即，为了使与聚合物波导115的耦合损失最小，首先确定金属波导111的输入端111a处的最佳谐振厚度t_in。接下来，为了减小光点大小并获得期望的光点形状，确定金属波导111的锥形输出端111b处的最佳谐振厚度t_tp。最后，为了使光路弯曲部分处的损失最小，确定弯曲前部分和弯曲后部分处的最佳谐振厚度t_out。

下面将描述确定90°弯曲的金属波导的每一部分处的最佳厚度t_in、t_tp和t_out的过程。这里，如图4所示，金属波导111的输出端111b处的孔113的宽度和高度分别为270nm和180nm。此外，输出端111b处的脊114的宽度和高度分别为90nm和90nm。如图5所示，为了减小与聚合物波导115的耦合损失，金属波导111的输入端111a处的孔113的宽度增加至360nm。孔113的高度保持为180nm。与输出端处一样，输入端111a处的脊114的宽度和高度分别为90nm和90nm。

图6示出表示根据金属波导111的输入端111a的厚度变化而变化的孔谐振特性的频率响应函数(FRF)的曲线图。如图6所示，即使在金属波导111的输入端111a的厚度变化时，与孔113的形状有关的孔谐振频率也几乎相同，但是当厚度增加到950nm时，孔谐振频率消失。此外，随着厚度增加，新的频率产生。这些新的频率是根据厚度变化而显著变化的厚度谐振频率。

这里，当入射光束的频率与厚度谐振频率一致时，输入端的光子可有效地移动通过具有C形孔的波导，从而实现场增强特性。从图6的曲线图可以看出，在具有宽度相对大的C形孔的波导111中，当入射光束的频率为例如384.6THz(即，λ＝780nm)时，入射光束的频率与250nm、630nm和1000nm的每一厚度处的厚度谐振频率一致。因此，金属波导111的输入端111a被设计为具有上述厚度之一，以实现场增强特性。

同时，下面的表1示出了谐振厚度根据孔113的宽度变化的变化。从表1和图6可以看出，随着宽度增加，谐振频率降低。此外，参照图7和表2，可以看出，当产生厚度谐振时电场强度最大。还可以看出，随着谐振级次增加，电场强度逐渐减小。

【表1】

【表2】

图8至图10示出在具有厚度谐振的波导111的输入端111a处孔中的场分布。如图8至图10所示，随着厚度增加，在孔113中传播的光的模式变得复杂。如图8所示，在一次厚度谐振下，场仅集中在输入端和输出端上。然而，如图9和图10所示，在二次和三次厚度谐振下，场除了集中在输入和输出端之外，还集中在孔113中的一个或两个位置上。因此，可以看出，当厚度谐振产生时，在孔113中传播的光在孔113中形成驻波。图11至图13示出在光在图8至图10所示的一次至三次厚度谐振下通过波导111的输入端111a之后，形成在与输入端11a间隔开40nm的位置处的光点形状。根据当前示例性实施例，光点的尺寸彼此相同(140nm×150nm)，形状彼此相同，但是光强不同。

确定金属波导111的锥形输出端111b处的厚度t_tp的过程如下。如上所述，尽管输入端111a需要相对宽的孔宽度以便与聚合物波导115轮廓匹配，但是输出端111b需要不同类型的孔113以便减小光点大小并提供期望的光点形状。即，需要减小孔113的宽度。因此，如图14所示，示例性实施例中的金属波导111在弯曲90°之后在输出端111b附近具有锥形的C形孔113。例如，图14所示的锥形的C形孔113的输入端113a和输出端113b的宽度可分别为360nm和270nm。

还考虑谐振厚度来确定图14所示的锥形的C形孔113的厚度t_tp。图15示出在输入端113a的宽度为360nm，输出端113b的宽度为270nm，并且入射光束的波长为384.6THz的情况下，谐振频率根据厚度变化的变化。从图15可看出，一次谐振厚度为大约270nm。因此，当90°弯曲的金属波导111包括锥形的C形孔113时，锥形的输出端111b被设计为具有大约270nm的厚度t_tp。

图16是示出电场强度根据C形孔的厚度的变化的曲线图。在图16中，由“-●-”表示的曲线涉及具有360nm的均匀宽度的C形孔，由“-▲-”表示的曲线涉及具有宽度减小至270nm的输出端的锥形的C形孔。如图16所示，与具有均匀宽度的C形孔相比，锥形的C形孔在谐振厚度处的电场强度增加了37％。这是因为场由于锥形的C形孔的宽度沿厚度方向减小而集中于输出端处的脊上。

图17A至图17C是分别示出在具有360nm的均匀宽度的C形孔中的场分布、输出光的光点形状和场强度，图18A至图18C是示出在具有减小的宽度270nm的锥形的C形孔中的场分布、输出光的光点形状和场强度。在将图17A与图18A相比较时，尽管具有均匀宽度的C形孔的厚度为250nm，锥形的C形孔的厚度为270nm，但是孔中的场分布彼此相似。在将图17B与图18B相比较时，锥形的C形孔的输出光的光点尺寸比具有均匀宽度的C形孔的输出光点尺寸小。即，具有均匀宽度的C形孔的输出光在x方向上的光点长度为140nm，而锥形的C形孔的输出光在x方向上的光点长度减小至120nm。这两种孔的输出光在y方向上的光点长度彼此相等。这是因为在y方向上的光点长度由脊114的宽度决定。即，由于脊114具有均匀的宽度90nm，所以锥形的C形孔在y方向上的光点长度与具有均匀宽度的C形孔在y方向上的光点长度相等。因此，为了调节y方向上的光点长度，需要改变脊114的宽度，而非孔113的宽度。在将图17C与图18C相比较时，锥形的C形孔能够获得具有相对大的强度和x方向上的相对小的宽度的光点。

通过上述过程，确定90°弯曲的金属波导111的输入端111a的厚度t_in以及90°弯曲的金属波导111的锥形输出端111b的厚度t_tp。最后，确定从弯曲部分至锥形输出端111b的厚度t_out。也通过厚度谐振分析来确定厚度t_out。在确定金属波导111的输入端111a的厚度t_in和锥形输出端的厚度t_tp时，在相应部分彼此分离的状态下单独执行厚度谐振分析。然而，在确定从弯曲部分至锥形输出端111b的厚度t_out时，在厚度t_in和t_tp被固定在预定值的状态下，在改变厚度t_out的同时对金属波导111的整个部分执行厚度谐振分析。例如，当使用波长为384.6THz的光时，输入端111a的厚度t_in被设置为250nm，锥形输出端111b的厚度t_tp被设置为270nm。在这种情况下，对金属波导111的整个部分进行厚度谐振分析，从而确定从弯曲部分至锥形部分的厚度t_out。

图19是示出当如上所述最终执行厚度谐振分析时的结果的曲线图。在图19中，粗实线示出厚度t_out为420nm的情况，细实线示出厚度t_out为250nm的情况。虚线示出金属波导没有弯曲并且具有380nm的输入端厚度和270nm的锥形输出端厚度的比较示例。如图19所示，当从弯曲部分至锥形输出端111b的厚度t_out为420nm时，获得谐振频率与入射光束的频率一致的结果。当测量如上所述设计的90°弯曲的金属波导111的输出端处的电场强度时，可以看出，输出光点的强度具有大约13.0104V²/m²的相对高的值。即，即使在光通过90°弯曲的金属波导111之后，电场强度也没有降低。也就是说，可以看出，场增强特性被保持。

如上所述，在设计90°弯曲的金属波导111时，可以考虑：弯曲90°之前的输入端111a的厚度t_in近似满足条件t_in＝0.25λ±Δt_res，α，从弯曲部分至锥形输出端111b的厚度t_out近似满足条件t_out＝0.5λ±Δt_res，β，并且锥形输出端111b的厚度t_tp近似满足条件t_tp＝0.25λ±Δt_res，γ。这里，λ是光的波长，Δt_res，α是与前散射和谐振有关的厚度偏差(deviation)，Δt_res，β是与90°弯曲的部分处的散射和谐振有关的厚度偏差，Δt_res，γ是与后散射和谐振有关的厚度偏差。例如，当孔113在输入端111a处的宽度和高度分别为360nm和180nm，孔113在输出端111b处的宽度和高度分别为270nm和180nm，并且脊114的宽度和高度均为90nm时，可估计出，针对频率为384.6THz的入射光束，用于在输出端处获得100nm的光点大小的厚度T_in、T_out和T_tp可分别为250±10nm、420±10nm和270±10nm。

在上面的描述中，尽管解释了金属波导111弯曲了90°的示例，但是本发明的原理可等同地应用于金属波导111弯曲除90°之外的角度的其它情况。因此，本发明不限于金属波导111弯曲90°的情况。即，本发明可应用于光的传播方向在没有任何损失的情况下在波导中被改变的任何情况。

下面将参照图20A至图20J描述制造根据本发明示例性实施例的90°弯曲的金属波导的方法。

首先参照图20A，通过例如溅射工艺在基底10的整个表面上形成金属层11。接下来，如图20B所示，在金属层11上形成光致抗蚀掩模12，随后通过反应离子蚀刻(RIE)工艺部分地蚀刻金属层11。然后，去除光致抗蚀掩模12。然后，如图20C所示，由金属层11的未蚀刻部分限定脊13。图20D是示出脊13的透视图。如图20D所示，脊13弯曲90°。为了形成90°弯曲的脊13，形成在金属层11上的光致抗蚀掩模12必须被图案化以弯曲90°。

接下来，如图20E所示，利用例如自旋涂覆方法在金属层11和脊13的的整个表面上形成预定高度的紫外UV固化树脂层14。接着，如图20F所示，掩模图案15被转印到UV固化树脂层14上，并且通过掩模图案15的透光部分16使UV光照射到UV固化树脂层14。然后，UV固化树脂层14的被紫外光照射的部分被硬化。接着，UV固化树脂层14的未硬化的部分和掩模图案15被去除。然后，如图20G所示，在金属层11上形成围绕脊13的C形孔17。图20H是示出C形孔17的透视图。如图20H所示，C形孔17弯曲90°并且具有宽度在输出端一侧减小的锥形结构。为此，在图20F所示的工艺中，掩模图案15的透光部分16必须被图案化为与图20H所示的C形孔17对应。

最后，如图20I所示，通过例如溅射工艺在C形孔17上形成金属层18。这样，可制造根据本发明示例性实施例的具有90°弯曲的C形孔的金属波导。图20J是示出具有90°弯曲的C形孔的金属波导的透视图。

从上述制造方法可以看出，可通过与制造现有技术的磁头的工艺相同的平面工艺来制造根据本发明示例性实施例的具有90°弯曲的C形孔的金属波导。因此，当在HAMR头中采用本发明示例性实施例的金属波导时，该金属波导可通过批处理与磁头一起被制造。因此，不需要用于金属波导的单独的制造和装配处理。

图21是采用根据本发明示例性实施例的具有90°弯曲的C形孔的金属波导的HAMR头的透视图。参照图21，本示例性实施例的HAMR头100包括：磁记录单元，形成磁场以将信息记录在磁记录介质(未示出)中；光传输模块110，发射光以加热磁记录介质的记录区域。此外，HAMR头100还可包括用于读取记录的信息的再现元件180以及屏蔽层160和170，屏蔽层160和170设置在再现元件180的相对表面上，用于防止杂散场(stray field)入射到再现元件180上。

磁记录单元包括主磁极120、返回磁极125、感应线圈130和副轭(sub-yoke)150。主磁极120用于形成对磁记录介质进行磁化的磁场。返回磁极125被设置为与主磁极120的表面间隔开，并与主磁极120磁连接，以形成磁路。此外，感应线圈130用于将磁场感应到主磁极120。同时，副轭150设置在主磁极120的另一表面上，用于帮助磁通量聚焦(focus)在主磁极120的一端上。

光传输模块110用于加热磁记录介质的记录区域。如图1所示，光传输模块110包括：金属波导111，具有用于将光发射到磁记录介质的C形孔；聚合物波导115，用于将来自外部光源118(见图1)的光传输到金属波导111。在上面的描述中已经描述了光传输模块110和金属波导111的结构。

根据本发明的当前示例性实施例，光传输模块110可被设置为接近于主磁极120，以使得光传输模块110可恰好在信息被记录在磁记录介质上之前发射光。如图21所示，主磁极120设置在副轭150的顶面上，以使得主磁极120的最末端突出到副轭150之外。光传输模块110可设置在主磁极120和屏蔽层160之间限定的空间中副轭150的侧表面处。可在现有技术的磁记录头的结构中容易地获得所述空间，因此可在不显著改变现有技术的磁记录头的薄膜制造工艺的情况下制造本发明的HAMR头。光传输模块110的金属波导111和聚合物波导115可与副轭150形成在同一水平面。因此，为了补偿光传输模块110和副轭150之间的厚度差，光传输模块110被安装在底座140上。

尽管图21中没有示出，但是如图1所示，光传输模块110的聚合物波导115的输入端被耦合到光纤117，因此从光源118产生的光通过光纤117被引导到聚合物波导115。被引导到聚合物波导115的光沿x方向传播，随后被引导到金属波导111。在当前示例性实施例的HAMR头100中，为了使光传输模块100加热记录区域，从光传输模块100发射的光必须在与主磁极120的最末端一致的z方向上传播。为此，金属波导111具有90°弯曲的C形孔113。因此，被引导至金属波导的光的方向改变了90°，从而向着磁记录介质发射。如上所述，金属波导利用锥形输出端结构，在没有任何损失的情况下传输光并且减小输出光点的大小。

如上所述，光传输模块110可提供用于磁记录介质的具有增强的小光点的近场光。然后，可通过从光传输模块110发射的小尺寸光点局部加热磁记录介质，因此减弱磁记录介质的记录层的矫顽力。结果，即使在主磁极120所产生的磁场的强度不够高时，该磁记录介质也可被容易并磁性地记录。此外，由于具有强矫顽力的材料可用于磁记录介质，所以可提高记录密度。

尽管已参照本发明的示例性实施例具体地显示和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。例如，HAMR头100的组成元件的位置和结构可以改变。

此外，在上述示例性实施例中，示例性地描述了将具有90°弯曲的C形孔的金属波导111和光传输模块应用到HAMR头的情况。但是，本发明不限于这种情况。作为提供小光点和高光强的光学单元，本发明的金属波导和光传输模块可用于各种应用领域，如单分子检测领域、频谱学领域、纳米粒子处理(nano-particle manipulation)领域、单量子点领域、纳米粒子或纳米线研究领域以及超高密度存储领域。

例如，涉及生物化学的显微镜、频谱学和光处理领域需要具有高空间分辨率的近场探头。就这一点，即使当近场探头的安装地点有限时，通过采用本发明的金属波导和光传输模块，也可容易地安装近场探头。

作为另一个示例，在光学存储领域，本发明的金属波导和光传输模块也可应用于具有形成在半导体激光器的前端上的小孔的微小孔激光器(VSAL)装置。在这种情况下，光学存储系统的记录密度和再现速度可显著提高。

如上所述，根据本发明示例性实施例的具有90°弯曲的C形孔的金属波导具有以下优点。

1.由于输入端的宽度被设计得宽，以便能够与锥形的聚合物波导实现轮廓匹配，所以可使耦合损失最小。

2.通过采用90°弯曲结构，金属波导可被构造为非常小的尺寸，并且可在不使用诸如反射镜的单独的光学元件的情况下改变光束的方向。

3.由于C形孔被应用到输出端，所以可通过输出端输出具有小光点尺寸和期望的光点形状的光。

4.本发明的金属波导在具有上述优点的同时，仍能够保持C形孔的场增强特性。

5.由于本发明的金属波导能够通过低温下的平面工艺制造，所以可通过批处理与当前的磁记录头一起制造本发明的金属波导。

Claims (22)

1.一种包括金属体的金属波导，所述金属波导被构造为宽度大于高度的平板结构，所述金属体由导电金属形成并且包括孔，所述孔的输入端和输出端穿过所述金属体而形成，其中，所述孔包括：

弯曲部分，用于改变所述输入端和输出端之间的光传播方向；

锥形部分，位于所述弯曲部分和所述输出端之间，

其中，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在所述金属体的内表面上的脊而形成为C形。

2.如权利要求1所述的金属波导，其中，当金属波导的厚度被定义在光传播的方向上时，金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out大于金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in。

3.如权利要求2所述的金属波导，其中，确定厚度t_in，以使得针对从所述输入端至弯曲前部分的金属波导的部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

4.如权利要求3所述的金属波导，其中，厚度t_in满足等式：

t_in＝0.25λ±Δt_res，α

其中，λ是光的波长，Δt_res，α是与前散射和谐振有关的厚度偏差。

5.如权利要求3所述的金属波导，其中，确定金属波导在锥形部分处的厚度t_tp，以使得针对金属波导的锥形部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

6.如权利要求5所述的金属波导，其中，厚度t_tp满足等式：

t_tp＝0.25λ±Δt_res，γ

其中，λ是光的波长，Δt_res，γ是与后散射和谐振有关的厚度偏差。

7.如权利要求5所述的金属波导，其中，确定厚度t_out，以使得在厚度t_in和厚度t_tp固定的状态下，针对整个金属波导，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

8.如权利要求7所述的金属波导，其中，厚度t_out满足等式：

t_out＝0.5λ±Δt_res，β

其中，λ是光的波长，Δt_res，β是与所述孔的弯曲部分处的散射和谐振有关的厚度偏差。

9.如权利要求1所述的金属波导，其中，所述孔填充有空气或电介质。

10.如权利要求1所述的金属波导，其中，所述脊的宽度和高度保持均匀。

11.一种光传输模块，包括：

第一金属波导，由导电金属体形成，所述第一金属波导被构造为宽度大于高度的平板结构，并且在所述第一金属波导中设置有孔；

第二波导，将来自光源的光传输到第一金属波导，

其中，所述孔包括：

弯曲部分，用于改变输入端和输出端之间的光传播方向；

锥形部分，位于所述弯曲部分和所述输出端之间，

其中，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在第一金属波导的内表面上的脊而形成为C形。

12.如权利要求11所述的光传输模块，其中，当第一金属波导的厚度被定义在光传播的方向上时，第一金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out大于第一金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in。

13.如权利要求12所述的光传输模块，其中，确定厚度t_in，以使得针对从所述输入端至弯曲前部分的第一金属波导的部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

14.如权利要求13所述的光传输模块，其中，确定第一金属波导在锥形部分处的厚度t_tp，以使得针对第一金属波导的锥形部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

15.如权利要求14所述的光传输模块，其中，确定厚度t_out，以使得在厚度t_in和厚度t_tp固定的状态下，针对整个第一金属波导，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

16.如权利要求11所述的光传输模块，其中，第二波导形成为宽度大于高度的平板形，并且第二波导的输入端的宽度大于第二波导的输出端的宽度。

17.一种热辅助磁记录头，包括：

磁记录单元，形成用于在磁记录介质上记录信息的磁场；

光传输模块，发射光以加热磁记录介质的记录区域，

其中，所述光传输模块包括：

第一金属波导，由导电金属体形成，所述第一金属波导被构造为宽度大于高度的平板结构，并且在所述第一金属波导中设置有孔；和

第二波导，将来自光源的光传输到第一金属波导，

其中，所述孔包括：

弯曲部分，用于改变输入端和输出端之间的光传播方向；

锥形部分，位于所述弯曲部分和所述输出端之间，

其中，所述锥形部分的宽度朝着所述输出端逐渐减小，并且所述孔通过形成在第一金属波导的内表面上的脊而形成为C形。

18.如权利要求17所述的热辅助磁记录头，其中，当第一金属波导的厚度被定义在光传播的方向上时，第一金属波导从所述孔的弯曲部分至所述孔的锥形部分的厚度t_out大于第一金属波导从所述输入端至弯曲前部分的厚度t_in。

19.如权利要求18所述的热辅助磁记录头，其中，确定厚度t_in，以使得针对从所述输入端至弯曲前部分的第一金属波导的部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

20.如权利要求19所述的热辅助磁记录头，其中，确定第一金属波导在锥形部分处的厚度t_tp，以使得针对第一金属波导的锥形部分，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

21.如权利要求20所述的热辅助磁记录头，其中，确定厚度t_out，以使得在厚度t_in和厚度t_tp固定的状态下，针对整个第一金属波导，通过厚度谐振分析，入射光束的频率与厚度谐振频率一致。

22.如权利要求17所述的热辅助磁记录头，其中，所述磁记录单元包括：

主磁极，形成对磁记录介质进行磁化的磁场；

返回磁极，面向主磁极的表面设置，并与主磁极磁性连接以形成磁路；

感应线圈，用于将磁场感应到主磁极；

副轭，设置在主磁极的另一表面上，用于帮助磁通量聚焦在主磁极的最末端上。

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