CN103000188B - 梯度折射率光波导耦合器 - Google Patents

Abstract

提供一种梯度折射率光波导耦合器。光源耦合到输入面，该输入面将来自光源的光引导到波导的芯层和沿波导传播长度的部分设置于芯层附近梯度折射率材料层。光从光源发射到输入面。作为响应，梯度折射率材料层将光至少沿传播长度的部分引导到芯层。

Description

梯度折射率光波导耦合器

背景技术

本公开涉及在诸如热辅助磁记录(HAMR)之类的应用中所使用的光学部件。HAMR设备利用能够克服原本会限制典型磁介质的面数据密度的超顺磁效应(superparamagnetic effect)的磁性记录介质(例如，驱动器硬盘)。为了在该介质上进行记录，介质的小部分必须被局部加热，同时由写入磁头对其进行写操作。诸如激光等的相干光源可用来提供能量以生成这些热点，并且光学部件(例如，内建于容纳写入头的滑块)被配置为将能量引导到介质上。

发明内容

本文描述的多个实施例一般涉及有助于为热辅助磁记录头的近场换能器提供选定波导模式的光的方法、系统和装置。在一个实施例中，装置的波导包括沿该波导的传播长度延伸的芯层。包层沿传播长度包覆芯层的至少部分。梯度折射率材料层沿传播长度的部分设置于芯层附近，其中光经由输入面进入波导。梯度折射率材料层被配置为将光从输入面至少沿传播长度的部分引导到芯层。

在另一个实施例中，一种方法包括将光源耦合到输入面，该输入面将光从光源导向a)波导的芯层，和b)梯度折射率材料层，其沿波导传播长度的部分设置于芯层附近。光从光源发射至输入面，使得梯度折射率材料层将光至少沿传播长度的部分引导到芯层。

基于下列详述和附图，可以理解多个实施例的这些及其它的特征和方面。

附图说明

下文的讨论参考以下附图，其中在多个附图中相同的附图标记可能用于标识相同/类似的部件。

图1是根据示例性实施例的硬盘驱动器装置的透视图；

图2A是根据示例性实施例的硬盘驱动器滑块的光源、波导、以及耦合层的截面图；

图2B是根据示例性实施例的分层耦合层配置的透视图；

图3A-3B是根据示例性实施例的GRIN耦合层和波导的截面图；

图4是与图3B界面形状的诸如图3A所示的GRIN耦合层相关联的电场的计算振幅分布；

图5A-5B是根据示例性实施例的附加滑块集成光学部件的简化图；

图6A-6B是根据另一示例性实施例透视图和俯视图，示出滑块内激光器(laser-in-slider)光传输系统的布局；

图7表示根据示例性实施例的过程的流程图。

具体实施方式

在热辅助磁记录(HAMR)中，信息比特在升高的温度下被记录到存储层中。在某些配置中，存储层中的加热区域确定记录密度。例如，加热区域的大小可以与装置的潜在数据存储密度反向相关，例如，加热区域越小，潜在数据存储密度就越大。因此，这种装置可以包括传输电磁能量来加热小介质区域的特性，并且以尽可能低的能量损耗来实现。

实现微小受限热点的一种方式是使用位于硬盘驱动器滑块的空气轴承表面附近的光学近场换能器(NFT)，诸如等离子体光学天线(plasmonic opticalantenna)或孔径。光从光源(例如，激光二极管)发射到光波导，该光波导是从具有不同折射率的芯和包层内建到滑块中波导可以包括在芯层和包层各自的折射率之间的高差别。在波导中传播的光可以被引导到光学聚焦部件，例如平面固体浸没镜(PSIM)，其会将能量会聚到光学NFT上。在其它方法中，波导也可直接耦合到光学NFT上。在这些变化中所遇到的难题之一是如何以低成本、好对准容限、以及高光传输效率将光发射到滑块集成的波导中。

NFT和PSIM可以是与滑块集成的集成光学器件。集成光学领域涉及在基板上的光学器件构造，有时与电子器件相结合，以产生功能系统或子系统。例如，光可以经由波导在组件之间传输，波导是利用层沉积技术构建在基板上的。这些波导可以形成为材料层，其中折射率为n₁的中间层作为芯，并且折射率为n₂和n₃的顶层/底层作为包层。在例如n₂＝n₃、n₁＞n₂、且n₁＞n₃的配置中，光可以通过类似于光纤的波导进行传播。其它光学部件可以采用类似的方式来形成，包括上述NFT和PSIM。

在HAMR滑块中，光发射到这些集成光学部件中，目的是传输光能量以在记录过程中加热介质。向滑块发射光的一种方式是通过在滑块内制造的光栅耦合器从自由空间发射，称为自由空间光传输。另一种方式是将激光光源(例如激光二极管)放置在滑块内，称为滑块内激光器光传输。大规模生产自由空间光传输组件的成本会非常高昂。相反，滑块内激光器光传输能够在晶片级被集成，并通常被认为更适于量产。

本公开涉及能够有效地实现将滑块内激光器光传输实现为集成光学器件的装置和技术。在这类装置中，光通常源自于诸如激光二极管之类的光源。光源可以是与滑块分离制成的电光器件。在生产过程中，可以通过使用创建为激光器供电的电连接的结合操作以及将激光器光学耦合到滑块的光学部件上，来将该装置耦合到滑块。

这种组件的难题之一是如何将光源输出与集成光学部件有效地相耦合。例如，诸如激光二极管之类的商用光源的光束分布可能并不非常适于承载光通过滑块而传输到介质所需的波导。如下文中更详细的描述，这种记录装置可以使用滑块集成耦合器，该耦合器有助于使会聚光形成适合用于传输光通过滑块以加热记录介质的通道或平面波导的分布。

例如，本文所述技术可被用于磁性数据存储装置的读/写头上，该磁性数据存储装置诸如图1所示的硬盘驱动器装置100。装置100通常包括围绕主轴110旋转的至少一个磁盘102。装置100还包括臂104，其末端安装有换能器头106，该换能器头在向磁盘102读取或写入时被定位于磁盘表面上方。臂104由致动器108驱动，跨磁盘102径向移动。臂104的这种移动将换能器头106定位于磁盘102之上，以向磁盘102的磁道读取或写入。这类硬盘驱动器可包括以堆叠形式排列的多个臂104和盘106，并且还可以包括向盘102的两个表面读取/写入的读/写头。

换能器头106(也称为“滑块”)可包括磁性读取头和写入头。读取头一般通过检测磁场变化进行操作，例如，由编码磁介质和读取头之间的相对运动所引起的磁通量方向的变化。读取头将磁通反转转换成表示存储于介质上的数据的电学模拟信号。写入头响应于通过围绕写磁极的导体的电流进行操作，它在写入磁极的尖端生成磁场。线圈中的磁场会改变位于磁盘102表面处的局域磁场取向，使得数据持久地存储在磁盘102上。

如上所述，HAMR记录装置在写入过程中将电磁能量聚集于磁盘102上。如图2A所示，滑块106具有经改进的滑块内激光器光传输。激光器202被安装在滑块106的基板204上。激光器202向包括至少一个芯206和包层208、210的平面波导205端发射光。如轴线所指示，光沿x方向传播，同时波导平面平行于x-y平面。

为了实现准确限定的热辅助磁记录模式，芯层206采用高折射率的电介质材料，例如，Ta₂O₅、TiO_x、SiN_x、SiC和/或ZnS。包层208、210也是电介质，但是具有低折射率，例如Al₂O₃、SiO₂，和/或MgF₂。为了加热记录介质，波导205可用于将来自激光器202的光传输到NFT和/或其它光学部件。

波导(诸如芯206和包层208、210的折射率具有较高对比度的波导205)无需匹配从激光二极管202出射的光的光束分布，该光束分布如激光器202和波导205的相应分布212、214所示。为了有效地耦合光，也可以使用具有低折射率的附加芯层216，例如TiSiO、SiON、和/或ZnS-SiO₂。如图所示，层216可能仅仅部分地沿芯层206的传播长度(x方向)延伸。层216可能会沿芯层206的整个传播长度延伸，例如，其中层216的焦距等于或者接近波导205的端至端长度。

对于当前用于HAMR应用的波导，Al₂O₃通常适于用作包层208、210，并且将Ta₂O₅用于芯层206。Al₂O₃的折射率为n＝1.64，Ta₂O₅的折射率为n＝2.10。在这种情况下，可能期望附加芯层216的折射率n＝1.70。然而，折射率为n＝1.70的介电材料并不常见。因此，本公开的一个方面涉及将芯层216构造成能够替代具有期望有效折射率的材料的多层。

如图2B所示，在一个实施例中，芯层216可由多层结构形成。芯层216的这部分由两种或两种以上材料的周期层板220和222形成。这种周期结构的单元元件由厚度为d₁和d₂、以相对介电常数ε1和ε2不同的材料制成的薄片形成。如果每层的厚度都远远小于光的波长，则该层板被认为是有效的各向异性材料，该各向异性材料具有由下列等式[1]给出的介电张量(permittivity tensor)ε，其中ε_x＝ε_y＝(c₁ε₁+c₂ε₂)，并且ε_z＝ε₁ε₂/(c₂ε₁+c₁ε₂)，其中系数c₁＝d₁/(d₁+d₂)，并且c₂＝d₂/(d₁+d₂)。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_x& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\ϵ}}_y& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right)---\left[1\right]$

如果层220、222的材料之一具有大于n＝1.70的折射率，同时另一种材料的折射率比n＝1.70小，那么可通过选择d₁和d₂来获得有效折射率n＝1.70。在一个示例中，可选择n₁＝1.78的氧化钇Y₂O₃作为高折射率层，同时选择n₂＝1.64的氧化铝Al₂O₃作为低折射率层。对于横向电场波导模式(在该模式中，光通常由边缘发射激光器光源提供)，该电场平行于波导平面。这种情况下，多层的有效折射率n_eff由下列等式[2]给出。

$n_{\mathrm{eff}}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_x}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_y}=\sqrt{\frac{d_1{n}_1^2+d_2{n}_2^2}{d_1+d_2}}---\left[2\right]$

使用上述例子中的Y₂O₃和Al₂O₃层，如果d₁＝40nm且d₂＝60nm，则n_eff＝1.697。数值建模表明，使用这种堆叠的材料栅格来替换层216中的的均匀材料层不会降低设置激光二极管202的耦合效率或容限。因此，通过改变尺寸d₁，d₂和/或为层220和222选择相应折射率比目标、有效折射率更高和更低的材料，层216能够具有大范围的有效折射率。

在本发明的另一个实施例中，层216的有效折射率可以沿波导205的一个或多个方向改变。在一个示例中，耦合层可由梯度折射率(GRIN)材料制成，图3A示出其中的示例。光源(未示出)经由面306向波导芯302和GRIN耦合层304发射光。波导芯302相对于周围包层308和310，具有高折射率对比度。

强度分布广泛的输入光能够通过耦合层304的GRIN材料被有效地耦合到波导302中。GRIN材料的折射率逐渐变化。这种变化由折射率分布曲线312示出。在此结构中，平行于x-y平面的GRIN层304的横截面可呈现基本均匀的折射率。然而，在这种情况下，该横截面的折射率可能根据该横截面的z轴位置而彼此不同。

在这个例子中，GRIN层304的折射率在波导芯302附近具有最高幅值，且其在包层308附近具有最低幅度。在一个实施例中，GRIN材料层304与芯层302在GRIN/芯层界面处具有相同的折射率，同时与包层308在GRIN/包层界面处具有相同的折射率。GRIN材料可具有任何形状的折射率分布312，包括双曲线、抛物线、对数、指数、线性等。GRIN层也可以在距输入面306特定长度314处被截断。该长度314与层304的焦距相对应。

GRIN层304可由具有高折射率和低折射率的两种电介质材料的共沉积和/或区域溅射来制成。GRIN层304还可以由具有高折射率和低折射率的两种电介质材料的交替逐层沉积来制成。这与图2B所示的层216类似，除了沿z轴方向改变的层尺寸d₁和/或d₂。选择每一层的厚度，使得该叠层大致遵循所期望的折射率分布(例如，双曲线，抛物线)。

虽然图3A中的耦合部分包括一个GRIN层部分304，但是，可以通过使用多个GRIN层来实现类似的效果，诸如图3B所示。通常，光经由包括两个GRIN层324、325和芯层322的面326发射。所示的GRIN层324、325被示为基本对称，例如，具有相同的厚度和长度334、335，以及具有镜像分布332、333。然而，在某些情况下，通过改变这些或其它参数使得324、325不对称，也可能是有利的。应当指出，GRIN分布332和333不同于图3A中的分布312。在图3A中，折射率的最大变化率发生在GRIN/包层界面附近，而在图3B中，折射率的最大变化率发生在GRIN/芯界面附近。

现在参考图4，振幅分布400示出根据示例性实施例的GRIN耦合器的数值建模结果。在该模型中，Al₂O₃用作包层，且Ta₂O₅用作120nm厚的芯层，该芯大体对应于图4的区域404。对于Al₂O₃，折射率(n)被建模为n＝1.63，且对于Ta₂O₅，折射率被建模为n＝2.09。假定入射光束具有高斯分布，则光束直径为1.387μm且波长λ＝830nm。这些特征均模拟了已知边缘发射二极管激光器的输出。

GRIN材料被模拟为10层的叠层，每层为150nm厚。每层的折射率n(z)都统一，且都由n(z)＝n₀sech(αz)确定。这里选择n₀为与Ta₂O₅芯层折射率相同的(n₀＝2.09)，并且α＝0.4897μm^-1。变量z表示从GRIN/芯层界面进入GRIN层的距离。该GRIN耦合段(大体对应图4中区域402)沿x方向长3.6μm，沿z方向厚1.5μm。分布400示出光传播通过GRIN层并在404区段被耦合到Ta₂O₅波导中的计算预测。该示例中的耦合效率为82％。

光源、耦合器、和波导只是可向记录介质传递电磁能量的光学系统的一部分。在图5A中，示意图示出根据示例性实施例的滑块内激光器光传输系统的简化布局。该实施例使用用于耦合光的平面GRIN透镜502，和用于会聚光的抛物型固体浸没镜(PSIM)504。由边缘发射二极管激光器(EEL)或者表面发射激光器(SEL)506发射的光是发散的。在x-z平面上的光被平面GRIN耦合器耦合到平面波导中，并且之后被限制在波导中，例如图3A所示。在x-y平面内传播的光由离轴抛物镜508进行准直，然后由PSIM 504进行聚焦(例如，到NFT上)以创建衍射极限光斑。在某些结构中，与其所内置的滑块相比，光源506的尺寸可能过大。这可能必须通过更加迂回的路径对光进行路由，以将光能量传输到期望位置，例如靠近滑块的写换能器。这可能涉及在光源和PSIM/NFT之间采用附加镜。图5B示出这种布局的示例性实施例。

在图5B中，滑块内激光器光传输系统在网格中示出，该网格一般表示x-y平面上的组件尺寸。光源522(例如，EEL)向GRIN透镜524发射光，其由抛物准直器525进行准直。EEL 522长500μm，磁滑块为770μm×230μm。期望光被路由到位于沿x轴负方向上距滑块边缘约400μm处的PSIM 530。由于PSIM 530在x-位置小于EEL 522、GRIN透镜524和准直仪525的组合长度，因此使用额外的镜526和528用于将光束路由到PSIM 530。镜526、528可以是直的和/或弯曲的。

现在参考图6A和6B，透视图和俯视图示出根据示例实施例的滑块内激光器光传输系统的另一布局。光源602可以包括EEL或SEL装置。该光源602被耦合以向锥形波导渐变器(taper)604和平面GRIN透镜606发射光。渐变器604和透镜606将来自于光源602的光耦合到三维通道波导608中，用于向滑块中的其它位置传输光。渐变器604的形状可以是线性的(如图所示)，也可以是曲线型，例如抛物曲线。GRIN透镜606也可以遵循投射到x-y平面上的渐变器的形状，或者可能具有投射到x-y平面上的其它截面形状(例如，矩形)。

现在参考图7，流程图示出用于从激光器向滑块集成光器件进行传输的过程702。该过程包括步骤704，将光源耦合到输入面，该输入面将光从光源引导到a)波导芯层，和b)沿波导传播长度的部分设置在芯层附近的梯度折射率材料层。步骤706，从光源向输入面发射光，使得梯度折射率材料层将光至少沿传播长度的部分引导到芯层。的过程702也可任选地包括将光从芯层引导到热辅助磁记录头的近场换能器。

上述示例性实施例的描述旨在说明和描述目的，并不旨在穷尽或将本发明限制到所公开的精确形式。根据上述教导可以做出许多修改和变化。所公开实施例的任一或全部特征都可以单独应用或任意组合，这些都不意味着限制性，而仅是说明性的。本发明保护范围并不局限于这些具体描述，而是由本文所附权利要求来确定。

Claims (18)

1.一种用于为热辅助磁记录头的近场换能器提供选定波导模式的光的装置，包括：

波导，包括：

芯层，沿所述波导的传播长度延伸；

包层，沿所述传播长度包覆所述芯层的至少一部分；

梯度折射率材料层，沿所述传播长度的部分设置于所述芯层附近，其中光经由热辅助磁记录滑块的输入面发射到所述波导，其中所述梯度折射率材料层被配置成将光从所述输入面至少沿所述传播长度的部分引导到所述芯层，

其中所述梯度折射率材料层和所述芯层的至少一部分是平面的，并且所述梯度折射率层包括沿截面的均匀折射率，所述截面平行于所述梯度折射率材料层的平面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述梯度折射率材料包括在所述芯层和所述包层的相应折射率之间的一系列有效折射率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述梯度折射率材料层包括具有不同折射率的第一和第二材料的多层板。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述梯度折射率材料层包括双曲形折射率分布。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的梯度折射率材料层包括抛物线形折射率分布。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述芯层的一部分包括在所述平面上的渐变截面形状。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导被配置成将光从所述芯层提供给热辅助磁记录头的近场换能器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光从边缘发射激光二极管和表面发射激光二极管中的至少一个发射至所述波导。

9.一种用于为热辅助磁记录头的近场换能器提供选定波导模式的光的方法，包括：

将光源耦合到输入面，所述输入面将光从所述光源引导到a)波导的芯层，和b)沿所述波导的传播长度的部分设置于所述芯层附近的梯度折射率材料层；

将光从所述光源发射到所述输入面，使得所述梯度折射率材料层将光至少沿所述传播长度的部分引导到所述芯层，

其中所述梯度折射率材料层和所述芯层的至少一部分是平面的，并且所述梯度折射率层包括沿截面的均匀折射率，所述截面平行于所述梯度折射率材料层的平面。

10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述梯度折射率材料层包括具有不同折射率的第一和第二材料的多层板。

11.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述梯度折射率材料层包括双曲线形折射率分布和抛物线形折射率分布中的至少一个。

12.根据权利要求9的方法，还包括将光从所述芯层引导到热辅助磁记录头的近场换能器。

13.根据权利要求9的方法，其特征在于，将所述光源耦合到所述输入面包括将边缘发射激光二极管和表面发射激光二极管中至少一个的输出耦合到所述输入面。

14.一种用于为热辅助磁记录头的近场换能器提供选定波导模式的光的系统，包括：

激光器；

耦合到所述激光器的热辅助磁记录滑块，包括：

波导，所述波导包括沿所述波导的传播长度延伸的芯层、沿所述传播长度包覆所述芯层的至少一部分的包层、以及沿所述传播长度的部分设置于所述芯层附近的梯度折射率材料层；和

输入面，所述输入面接收从所述激光器发射至所述芯层和所述梯度折射率材料层的光，其中所述梯度折射率材料层被配置成使所述激光器的光束分布适应于适合在所述波导中传播的不同分布，其中，所述梯度折射率材料层和所述波导的所述芯层的至少一部分是平面的，其中所述梯度折射率层包括沿截面的均匀折射率，所述截面与所述梯度折射率材料层的平面平行。

15.根据权利要求14的系统，其特征在于，至少所述芯层包括在所述平面上的渐变截面形状。

16.根据权利要求14的系统，进一步包括平面准直器，所述平面准直器平行于所述平面并且被耦合以接收来自所述波导的所述芯层的光。

17.根据权利要求16的系统，进一步包括固体浸没镜，所述固体浸没镜被耦合以接收来自所述准直器的光，并且聚焦所述光来加热磁介质。

18.根据权利要求14的系统，其特征在于，激光器包括边缘发射激光二极管和表面发射激光二极管中的至少一个。