CN102737714B - 光学元件及包括该光学元件的信息存储器件 - Google Patents

光学元件及包括该光学元件的信息存储器件 Download PDF

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    • G02F2203/10—Function characteristic plasmon

Abstract

本发明提供一种光学元件和包括该光学元件的信息存储器件。该光学元件可以包括用于将圆偏振光转变为等离子体激元并发射该等离子体激元的光波导结构。光波导结构可以发射圆偏振等离子体激元场。光学元件可以用在信息存储器件中。例如，信息存储器件可以包括记录介质和用于在记录介质上记录信息的记录元件，记录元件可以包括光学元件。通过利用由光学元件产生的圆偏振等离子体激元场，信息可以被记录在记录介质上。

Description

光学元件及包括该光学元件的信息存储器件
技术领域
至少一个实例实施方式涉及光学元件及包括该光学元件的信息存储器件。
背景技术
在诸如磁记录器件的信息存储器件领域，为了增大记录密度，一直持续进行研究。在磁记录介质上记录的数据的热稳定性与磁各向异性能和热能之间的比率(即，KUV/kBT)成比例。这里，KU表示磁记录介质的磁各向异性能密度，V表示磁性颗粒的体积，kB表示玻耳兹曼常数，以及T表示绝对温度。为了增加数据的热稳定性，具有高的磁各向异性能密度KU的材料应被用于形成记录介质。然而，如果采用了具有高的磁各向异性能密度KU的材料，则记录数据所需的磁场的强度增大。
根据热辅助磁记录(HAMR)，记录介质的局部部分被加热以暂时降低该局部部分的矫顽力，然后在记录介质的已加热部分上记录数据。通过加热，可以降低用于记录数据的磁场的强度。
发明内容
本发明提供能够减小光斑尺寸的光学元件。
本发明提供能够产生强磁场的光学元件。
本发明提供能够产生圆偏振等离子体激元场的光学元件。
本发明提供包括光学元件的信息存储器件。
本发明的额外方面将部分阐述于下面的描述中，且部分地将从该描述变得显然，或者可以通过实例实施方式的实践而得知。
根据至少一个实例实施方式的一方面，一种光学元件包括：光源，配置为产生圆偏振光；以及光波导，配置为将由光源产生的圆偏振光转换为等离子体激元(plasmon)并发射该等离子体激元。
光波导可以被配置为发射圆偏振等离子体激元场。
光波导可以包括金属和接触金属的电介质，该光波导配置为从金属和电介质之间的界面发射等离子体激元。
光波导可以包括环结构。
环结构可以具有不连续的环结构。
光波导可以包括棒结构。
棒结构具有在棒结构的表面的凹槽。该凹槽具有螺旋形。
光波导包括锥形结构，锥形结构的宽度朝向锥形结构的发射部减小。
锥形结构具有在锥形结构的表面的凹槽。该凹槽具有螺旋形。
根据至少一个实例实施方式的另一方面，一种信息存储器件包括：记录介质；以及记录元件，配置为在记录介质上记录信息。记录元件包括光学元件，该光学元件配置为产生圆偏振等离子体激元场，通过利用圆偏振等离子体激元场，所述信息被记录在记录介质上。
记录介质可以是磁记录介质。
记录介质可以是垂直记录介质。
记录介质与光学元件之间的距离可以等于或小于几十纳米(nm)。
光学元件可以包括：光源，配置为产生圆偏振光；以及光波导，配置为将由光源产生的圆偏振光转变为等离子体激元并且发射该等离子体激元。该光波导配置为发射圆偏振等离子体激元场。
光波导可以包括金属和接触金属的电介质，以及光波导配置为从金属与电介质之间的界面发射等离子体激元。
光波导可以包括环结构。
环结构可以具有不连续的环结构。
光波导可以包括棒结构。
棒结构具有在棒结构的表面中的凹槽。
光波导包括锥形结构，锥形结构的宽度朝向锥形结构的发射部减小。
锥形结构具有在锥形结构的表面中的凹槽。
记录元件可以包括配置为在记录介质上记录信息的多个元件，以及光学元件可以是多个元件之一。
信息存储器件还可以包括读取元件，该读取元件配置为读取被记录在记录介质上的信息。
附图说明
通过结合附图对实例实施方式的以下描述，这些和/或其他方面将变得明显且更易于理解，在附图中：
图1为根据至少一个实例实施方式的包括光学元件的信息存储器件的剖面图；
图2A和图2B为根据至少一个实例实施方式的，用于通过图1示出的光学元件所产生的圆偏振等离子体激元场来描述记录机制的图形；
图3、图4、图5、图6、图7和图8为根据至少一些实例实施方式的包括不同光波导结构的信息存储器件的透视图；以及
图9为透视图，示出根据至少一个实例实施方式的包括光学元件的信息存储器件的整体结构的一实例。
具体实施方式
现将参考其中示出实例实施方式的附图更充分地描述各种实例实施方式。
将理解，当一元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以直接连接到或耦接到另一元件，或者可以存在中间的元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则没有中间元件存在。这里所用的术语“和/或”包括相关列举项目的一个或更多的任何和所有组合。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以用于此来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分应不受这些术语限制。这些术语只用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与其他元件、部件、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离实例实施方式的教导。
在这里为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征和其他元件或特征如图中所示的关系。将理解，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的取向之外的、装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在图中的装置被翻转，被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件则应取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，术语“下方”可以包含下方和上方两种取向。装置也可以有其它取向(旋转90度或其它取向)且相应地解释这里所使用的空间相对描述语。
这里所使用的术语只为了描述特别的实施例的目的且不旨在限制实例实施方式。如这里所用，单数形式也旨在包括复数形式，除非内容清楚地指示另外的意思。将进一步理解，当在此说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除存在或添加一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组。
参考横截面图示在这里描述了实例实施方式，该图示是实例实施方式的理想实施方式(和中间结构)的示意性图示。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，实例实施方式不应解释为限于这里所示的区域的特别形状，而是包括由于例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。相似地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区和通过其进行注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的，且它们的形状不旨在示出器件的区域的实际形状且不旨在限制实例实施方式的范围。
除非另有界定，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有实例实施方式所属的领域的普通技术人员共同理解的相同意思。还将理解，诸如那些在共同使用的字典中定义的术语应解释为具有与在相关技术的背景中它们的涵义一致的涵义，而不应解释为理想化或过度正式的意义，除非在这里明确地如此界定。
现将详细参考实例实施方式，其示例在附图中示出，其中通篇相似的附图标记指示相似的元件。在这点上，本实施方式可以具有不同的形式且不应解释为限于这里阐述的描述。因此，下文仅通过参考附图来描述实例实施方式，从而说明本说明书的方面。
图1为根据至少一个实例实施方式的包括光学元件的信息存储器件的剖面图。
参考图1，信息存储器件可以包括用于产生圆偏振光L1的光源100。光源100可以包括预定或给定的圆偏振滤光器。任意光可以通过圆偏振滤光器改变为圆偏振光L1。圆偏振光L1可以指在其中光波的电场分量或磁场分量沿着垂直于光波的行进方向的方向旋转的光。如果电场分量沿顺时针方向振动，则该光被称为右手圆偏振光。如果电场分量沿逆时针方向振动，则该光被称为左手圆偏振光。换句话说，根据圆偏振光L1的电场分量的振动(旋转)方向，圆偏振光L1可以被分为右手圆偏振光或左手圆偏振光。
信息存储器件可以包括用于传输光源100产生的圆偏振光L1的光波导结构200。为了方便，光波导结构200被简化示出。光波导结构200的具体结构将在后面参考图3至图8来描述。光波导结构200可以将圆偏振光L1转变为等离子体激元(plasmon)并且发射该等离子体激元。在此，等离子体激元可以是表面等离子体激元。例如，光波导结构200可以包括彼此接触的金属和电介质，等离子体激元可以经由金属与电介质之间的界面发射。等离子体激元由于在金属与电介质之间的界面上的光和电子的振动所导致的共振现象而产生，并且可以沿着该界面行进。光波导结构200可以发射等离子体激元并可以从发射部分(图1中光波导结构200的下表面)发出圆偏振等离子体激元场(plasmonicfield)P1。圆偏振等离子体激元场P1是一种光学场，可以指圆偏振等离子体激元光线。圆偏振等离子体激元场P1可以保持在与光波导结构200相邻的区域中。
记录介质300可以设置在光波导结构200的下面。记录介质300可以是磁记录介质。而且，记录介质300可以是垂直记录介质。例如，记录介质300可以是垂直磁记录介质。通过利用从光波导结构200发出的圆偏振等离子体激元场P1，可以将预定信息记录在记录介质300上。在记录操作中，光波导结构200与记录介质300之间的距离可以等于或小于几百纳米(nm)。例如，在记录操作中，光波导结构200与记录介质300之间的距离可以等于或小于几十nm。由于光波导结构200所产生的圆偏振等离子体激元场P1可以保持在与光波导结构200相邻的区域中，所以在记录操作中，记录介质300可以邻近光波导结构200设置。
由于圆偏振等离子体激元场P1因等离子体激元的特性而是一种等离子体激元光线，所以圆偏振等离子体激元场P1可以具有短波长λ。因此，如果使用圆偏振等离子体激元场P1，则可以实现具有能够克服衍射极限的非常小的尺寸的光斑。例如，通过圆偏振等离子体激元场P1形成的光斑可以具有等于或小于约10nm的尺寸(直径)。
同样，圆偏振等离子体激元场P1作为圆偏振光可以产生强磁场(记录磁场)。例如，如果使用约3mJ/cm2的光，则可产生约6特斯拉(T)的强磁场(记录磁场)。磁场可以是直接用于在记录介质300上记录信息的能量。更具体地，由于圆偏振等离子体激元场P1是圆偏振光，所以圆偏振等离子体激元场P1可以产生与圆偏振等离子体激元场P1的行进方向平行(即，垂直于记录介质300)的磁场。磁场的方向可根据圆偏振等离子体激元场P1的电场分量的旋转(振动)方向而不同。例如，如果旋转(振动)方向是逆时针方向，则可以沿Z轴方向的反方向施加磁场，如果旋转(振动)方向是顺时针方向，则可以沿Z轴方向施加磁场。根据施加磁场的方向，记录在记录介质300上的信息(数据)会不同。也就是说，如果沿Z轴方向的反方向施加磁场，则可以在记录介质300上记录信息(数据)‘0’，如果沿Z轴方向施加磁场，则可以在记录介质300上记录信息(数据)‘1’。由于磁场的方向根据圆偏振等离子体激元场P1的电场分量的旋转(振动)方向来确定，所以记录在记录介质300上的信息(数据)可以通过控制电场分量的旋转(振动)方向来控制。
现将参考图2A和图2B详细描述由圆偏振等离子体激元场P1产生的磁场的方向和通过磁场的记录机制。在图2A中，圆偏振等离子体激元场P10沿Z轴方向的反方向行进，即，在朝向记录介质300的方向上行进。
参考图2A，如果圆偏振等离子体激元场P10是左手圆偏振光，则由圆偏振等离子体激元场P10导致的自旋动量S1可以在Z轴方向的反方向上产生。自旋动量S1的方向可以与关于记录介质300的有效磁场F1的方向相同。因此，有效磁场F1可以沿Z轴方向的反方向被施加到记录介质300。这样，记录介质300的局部区域可以沿Z轴方向的反方向被磁化。这可以被认作，信息(数据)‘0’记录在记录介质300的局部区域上。
参考图2B，如果圆偏振等离子体激元场P20是右手圆偏振光，则由圆偏振等离子体激元场P20导致的自旋动量S2可以在Z轴方向上产生。因此，有效磁场F2可以沿Z轴方向被施加到记录介质300。这样，记录介质300的局部区域可以沿Z轴方向被磁化。这可以被认作，信息(数据)‘1’记录在记录介质300的局部区域上。
由圆偏振等离子体激元场P1、P10或P20产生的磁场(记录磁场)可以具有非常高的强度。如上所述，如果使用约3mJ/cm2的光，则可以产生约6特斯拉(T)的强磁场。因此，如果使用圆偏振等离子体激元场P1、P10或P20，则可以容易地磁化记录介质300的局部区域。换句话说，如果使用圆偏振等离子体激元场P1、P10或P20，则可以改善关于记录介质300的可写入性。因此，虽然使用具有高的磁各向异性能的材料(即，高KU材料)(例如，L10结构的FePt)来形成记录介质300，但可以容易地在记录介质300上进行记录操作。此外，如上所述，如果使用圆偏振等离子体激元场P1、P10或P20，则由于形成具有小尺寸的光斑，所以可以获得在衍射极限(diffractionlimit)下的高分辨率。这意味着可以大大提高记录密度。因此，根据至少一个实例实施方式，通过采用等于或小于约10nm的极限光集中(extremelightconcentrtation)和强的记录磁场，可以大大提高信息存储器件的记录密度和记录性能。
图3至图8为包括根据至少一些实例实施方式的不同光波导结构200A、200A’、200B、200B’、200C和200C’的信息存储器件的透视图。在图3至图8中，光源100和记录介质300与图1所示的相同，因此将主要描述光波导结构200A、200A’、200B、200B’、200C和200C’。
参考图3，光波导结构200A可以包括环形结构21。环形结构21可以被包括在预定的材料层(此后称为第一材料层22)中。环形结构21的上表面和下表面可以被暴露而不被第一材料层22覆盖。环形结构21可以由金属形成，第一材料层22可以由电介质材料形成。备选地，环形结构21可以由电介质材料形成，第一材料层22可以由金属形成。因此，环形结构21与第一材料层22之间的界面可以是金属与电介质之间的界面。等离子体激元可以在环形结构21和第一材料层22之间的界面上产生并且经由该界面被发射。圆偏振等离子体激元场P11可以从环形结构21向下发射。圆偏振等离子体激元场P11的中心部可以对应于环形结构21的中心部。预定信息可以通过圆偏振等离子体激元场P11记录在记录介质300上。
在图3中，可以不设置第一材料层22。在此情况下，环形结构21可以接触空气。由于空气是一种电介质层，所以空气可以与第一材料层22相似地起作用。
参考图4，光波导结构200A’可以包括不连续的环形结构21’，在其中环的部分被切开。第一材料层22’可以与图3所示的第一材料层22类似。然而，在图3中，第一材料层22的在环形结构21内侧和外侧的部分彼此完全分离开，但是在图4中，第一材料层22’的在不连续环形结构21’内侧和外侧的部分可以通过至少一个连接部22a而连接。可以提供多个连接部22a。在此情况下，多个连接部22a可以以等间距排列。虽然在图4中三个连接部22a以等间距排列，但是当前实例实施方式不限于此，且连接部22a的数量、形状、尺寸和排列可以改变。连接部22a可以由与第一材料层22’相同的材料形成。圆偏振等离子体激元场P11’可以从不连续环形结构21’向下发射，由此可以在记录介质300上记录预定信息。
如果信息存储器件包括图4所示的不连续环形结构21’，则圆偏振等离子体激元场P11’的光分布和偏振特性可以与图3所示的圆偏振等离子体激元场P11的光分布和偏振特性不同。通过调节不连续环形结构21’的形状(结构)，可以调整圆偏振等离子体激元场P11’的光分布和偏振特性。因此，圆偏振等离子体激元场P11’可以具有各种光分布和偏振特性。
参考图5，光波导结构200B可以包括棒形结构23。棒形结构23可以垂直于记录介质300。棒形结构23可以是金属棒。在此情况下，虽然图5没有示出，但是电介质材料层可以围绕棒形结构23。备选地，可以不形成电介质材料层。如果没有形成电介质材料层，则棒形结构23可以接触空气，由于空气是一种电介质材料，所以空气可以与电介质材料层类似地起作用。如果形成电介质材料层，则用于形成棒形结构23和电介质材料层的材料可以交换。在某些情况下，棒形结构23可以具有包括核心部分和壳部分的核壳结构。核心部分可以由金属形成，壳部分可以由电介质形成，反之亦然。圆偏振等离子体激元场P12可以从棒形结构23向下发射。圆偏振等离子体激元场P12的中心部分可以对应于棒形结构23的下表面的中心部分。预定信息可以通过圆偏振等离子体激元场P12记录在记录介质300上。
参考图6，光波导结构200B’可以包括棒形结构23’，该棒形结构23’具有其中形成预定凹槽G1的表面。凹槽G1可以具有例如螺旋形。然而，凹槽G1的形状/结构是一实例且可以改变。凹槽G可以改变经由光波导结构200B’发射的等离子体激元的衍射特性，由此可以改变从棒形结构23’发出的圆偏振等离子体激元场P12’的光分布和偏振特性。圆偏振等离子体激元场P12’的光分布和偏振特性可以根据凹槽G1的形状/结构而不同。通过调节凹槽G1的形状/结构，可以调整圆偏振等离子体激元场P12’的光分布和偏振特性。虽然在此使用凹槽G1，但是也可以使用与凹槽G1类似的另一结构。
参考图7，光波导结构200C可以具有向下变窄的锥形结构24。锥形结构24可以具有逐渐减小的宽度。在此情况下，在经由锥形结构24发射等离子体激元能的同时，可以维持等离子体激元能量不损失。锥形结构24可以自图5所示的棒形结构23来改变。因此，锥形结构24可以由与棒形结构23类似的材料形成，且可以具有与棒形结构23类似的包围(ambient)材料。由于锥形结构24具有向下逐渐减小的宽度，所以从锥形结构24发出的圆偏振等离子体激元场P13的尺寸(即，光斑的尺寸)可以小于图5和图6的圆偏振等离子体激元场的尺寸。因此，如果使用光波导结构200C，则可以进一步增大记录密度。锥形结构24具有图7中的圆锥形。然而，锥形结构24的形状是一实例且可以改变。例如，锥形结构24可以具有各种形状，诸如，三棱锥和米粒形。
参考图8，光波导结构200C’可以包括具有在其中形成凹槽G2的表面的锥形结构24’。凹槽G2可以具有螺旋形，类似于图6所示的凹槽G1，并且可以与凹槽G1类似地起作用。因此，通过调节凹槽G2的形状/结构，可以调整圆偏振等离子体激元场P13’的光分布和偏振特性。也可以使用与凹槽G2相似的另一结构。
图9为透视图，示出根据至少一个实例实施方式的包括光学元件的信息存储器件的整体结构的一实例。
参考图9，信息存储器件可以包括具有预定记录层的记录介质5000和用于在记录介质5000上记录信息的磁头单元(headunit)1000。记录介质5000可以是可旋转的盘型，磁头单元1000可以接合到摇臂3000的悬架2000的一端，并且可以在记录介质5000的表面上方旋转。在此情况下，磁头单元1000和记录介质5000之间的距离可以等于或小于几百nm，例如，几十nm。信息存储器件还可以包括用于旋转摇臂3000的音圈马达(VCM)4000。
在图9中，磁头单元1000可以包括记录元件。记录元件可以包括上文关于图1至图8所述的光源100和光波导结构200、200A、200A’、200B、200B’、200C或200C’。通过使用由光波导结构200、200A、200A’、200B、200B’、200C或200C’产生的圆偏振等离子体激元场P1、P10、P20、P11、P11’、P12、P12’、P13或P13’，可以在记录介质5000上记录预定信息。另外，磁头单元1000还可以包括用于读取被记录在记录介质5000上的信息的读取元件(未示出)。读取元件是公知的，因此这里不详细描述。
而且，磁头单元1000可以包括包含光源100和光波导结构200、200A、200A’、200B、200B’、200C或200C’的光学元件作为辅助元件(即，协助元件)。例如，磁头单元1000可以包括用于记录信息的多个元件，元件之一可以是光学元件。例如，磁头单元1000可以是在其中光学元件被加到现有的磁记录头的器件。在此情况中，由光波导结构200、200A、200A’、200B、200B’、200C或200C’产生的圆偏振等离子体激元场P1、P10、P20、P11、P11’、P12、P12’、P13或P13’可以用作附加或额外的记录磁场。现有的磁记录头可以是普通结构的头或热辅助磁记录(HAMR)型头。现有的磁记录头是公知的，因此这里不详细描述。
如上文所述，根据一个或多个上述实例实施方式，光学元件能够减小发出的光斑的尺寸。光学元件可以在竖直方向上产生强磁场。如果在信息存储器件的记录元件中使用光学元件，则记录密度和记录性能可以大大提高，可以获得高密度且高性能的信息存储器件。
应当理解，这里描述的实例实施方式应当仅理解为描述性意义，而不用于限制的目的。例如，本领域一般技术人员将理解，可以改变根据至少一个实例实施方式的光学元件和信息存储器件。同样，将理解，光学元件可以用作用于磁性地记录信息的磁场产生元件，以及用于其他不同元件。例如，光学元件可以用作加热元件。同样，光学元件可以用于信息存储器件和其他器件中。在每个实例实施方式中的特征或方面的描述应当典型地理解为可适用于其他实例实施方式中的其他相似特征或方面。

Claims (5)

1.一种信息存储器件，包括：
记录介质；以及
记录元件，配置为在所述记录介质上记录信息，
其中所述记录元件包括：
光学元件，配置为产生圆偏振等离子体激元场，通过利用所述圆偏振等离子体激元场，所述信息被记录在所述记录介质上，
其中所述光学元件包括：
光源，配置为产生圆偏振光；以及
光波导，配置为将由所述光源产生的所述圆偏振光转换为等离子体激元并且发射所述等离子体激元，所述光波导配置为发射圆偏振等离子体激元场，其中所述光波导包括棒结构，所述棒结构具有在所述棒结构的表面的凹槽。
2.一种信息存储器件，包括：
记录介质；以及
记录元件，配置为在所述记录介质上记录信息，
其中所述记录元件包括：
光学元件，配置为产生圆偏振等离子体激元场，通过利用所述圆偏振等离子体激元场，所述信息被记录在所述记录介质上，
其中所述光学元件包括：
光源，配置为产生圆偏振光；以及
光波导，配置为将由所述光源产生的所述圆偏振光转换为等离子体激元并且发射所述等离子体激元，所述光波导配置为发射圆偏振等离子体激元场，其中所述光波导包括锥形结构，所述锥形结构的宽度朝向所述锥形结构的发射部减小，其中所述锥形结构具有在所述锥形结构的表面的凹槽。
3.如权利要求1或2所述的信息存储器件，其中所述记录介质是垂直磁记录介质。
4.如权利要求1或2所述的信息存储器件，其中
所述光波导包括金属和接触所述金属的电介质，以及
所述光波导配置为从所述金属与所述电介质之间的界面发射所述等离子体激元。
5.如权利要求1或2所述的信息存储器件，其中所述凹槽具有螺旋形状。
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