CN103854669B - 偏振旋转器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振旋转器，包括第一波导和第二波导，第一波导配置为在第一端处耦合至输入耦合器，其中，第一波导与第二波导偏移，且第一波导的第二端耦合至第二波导的第二端。

Description

偏振旋转器
技术领域
本发明涉及一种偏振旋转器。
相关申请的交叉引用
本申请是基于以及要求2012年12月4日提交的申请号为61/733,122、标题为“Light Delivery with Polarization Conversion for Heat Assisted MagneticRecording(用于热辅助磁记录的偏振转换的光输送)”的美国临时专利申请的优先权的非临时申请，该临时申请的全部内容接合至此。
背景技术
热辅助磁记录(HAMR)一般指的是局部地加热记录介质以减小矫顽力的概念。这使得在由热源所引起的暂时性磁软化时所应用的磁写入场更容易引导磁化。HAMR允许使用小增益介质，其在室温下具有较大的磁各向异性以确保足够的热稳定性，这对于以增加的面密度进行记录时是期望的。HAMR可施加至包括倾斜介质、纵向介质、垂直介质、和图案化介质的任何类型的磁存储介质。通过加热该介质，减小了Ku或矫顽力，以使磁写入场足以写该介质。一旦介质冷却到环境温度，该矫顽力具有足够大的值以确保所记录的信息的热稳定性。需要更好的设计以增加局部加热的效率、对准、精度、以及减小尺寸。
发明内容
提供概述以通过简化的形式介绍在下面的详细说明中将被进一步描述的概念。该概述并不意于确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不打算用于限制所要求保护的主题的范围。通过下面各种实施方式的更具体的细节描述以及进一步在附图中示出的和在权利要求中所限定的实施方式，所要求保护的主题的其他特征，细节，用途和优点将变得显而易见。
偏振旋转器包括第一波导和第二波导，第一波导配置为在第一端处耦合至输入耦合器，其中第一波导与第二波导偏移，第一波导的第二端耦合至第二波导的第二端接合。通过阅读下面的详细描述，这些和各种其他的特征和优点将变得显而易见。
附图说明
通过参考下面的附图可以实现对本技术的特性和优点的进一步理解，附图将在本说明书的剩余部分中进行描述。
图1示出具有示例性偏振旋转器的数据存储设备。
图2示出包括示例性偏振旋转器的光输送装置。
图3示出示例性偏振旋转器的配置。
图4示出位于偏振旋转器的端部的场幅度的模拟结果的曲线图的例子。
图5示出在偏振旋转器的生产阶段的示例性部分实施方式。
图6示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
图7示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
图8示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
图9示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
图10示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
图11示出在偏振旋转器的生产阶段的另一个示例性部分实施方式。
具体实施方式
对于热辅助磁记录而言，例如可见光，红外光或紫外光的电磁波可以从记录头的空气轴承表面(ABS)引导至数据存储介质的表面从而增加局部区域的温度以方便切换。已经发现HAMR具有的主要困难在于其是能够将足够的光能量导入存储介质中以将其加热几百度的技术，但是只能对期望进行记录的区域进行加热。如果光斑比该区域大，它将会延伸到磁盘临近的比特和轨道上，对那些区域也进行加热，从而存储在那些区域中的数据可被擦除。将光斑限制到远小于光波长的区域，且小于通过标准聚焦透镜可实现的所谓的“衍射限制”，是称作“近场光学”或“近场显微术”的研究区域。
已经提出将公知的光学聚光器，诸如固体浸没透镜(SIL)、固体浸没镜(SIM)、以及模折射率透镜，用于近场光学以减小介质上受到电磁辐射的光斑尺寸。由于衍射限制光学效应，SIL、SIM、以及模折射率透镜，单独并不足以获得高面密度记录所必需的焦斑尺寸。位于波导的焦点处的金属针和其他近场换能器(NFT)设计，被用于进一步聚焦能量并将其引导至记录介质的表面上的小斑点。
用于HAMR的某些类型的NFT利用横向磁场(TM)模式激发。典型地，激光二极管在横向电场(TE)模式下操作，其中该激光二极管发射具有平行于结的偏振的光。TM模式激光器通常旨在有限的光波长处可用，例如，可见光，808nm或1550nm。为了实现NFT中的低的表面等离子体传输损耗，优选较长波长的光源(＞808nm)，例如，975nm。这里所公开的实施方式提供了包括偏振旋转器的光输送装置，该偏振旋转器将来自TE模式的激光二极管的光耦合到HAMR波导中，并将光的模式从TE模式旋转到TM模式用于NFT激发。
图1示出具有示例性偏振旋转器的数据存储设备100，在分解图102中更详细地示出。尽管可构想其他的实施方式，但是在所示的实施方式中，该数据存储设备100包括存储介质104(例如，磁数据存储盘)，可以利用写入磁极将数据比特记录在其上，且可利用磁阻元件从中读取数据比特。该存储介质104在旋转时围绕心轴中心或者磁盘旋转轴105旋转，且该存储介质104包括内径106和外径108，在内径106和外径108之间是多个同心数据轨道110。应当理解的是，可用多种数据格式使用所述技术，包括连续磁介质、离散轨道(DT)介质、叠瓦式(shingled)介质等。
可从存储介质104的数据轨道中的数据比特位置写入和读出信息。换能器头组件124安装在致动器组件120的相对致动器旋转轴122的远端处。在磁盘旋转期间，该换能器头组件124在非常接近存储介质104的表面上方飞行。在搜索操作期间，致动器组件120围绕致动器旋转轴122旋转。该搜索操作将换能器头组件124定位在目标数据轨道上方用于读取和写入操作。
在应用热辅助磁记录(HAMR)的实施方式中，由施加至存储介质104的比特位置的热源辅助记录动作。该数据比特(例如，用户数据比特，伺服比特等)存储在内嵌于存储介质104的各层中的非常小的磁粒中。该数据比特记录在存储介质上的轨道110内的磁粒中。
一般而言，HAMR技术采用具有非常高的磁各向异性的存储介质(诸如存储介质104)，有利于存储介质104中的小磁粒的磁化的热稳定性。通过在记录过程中暂时对该存储介质104进行加热，磁粒的磁矫顽力可有选择地降低到存储介质104的基本上相应于各个数据比特的紧密聚焦区域中所施加的磁写入场之下。然后在所施加的磁写入场存在的情况下对所加热的区域进行快速冷却，这基于所施加的磁写入场的极性对所加热的区域中所记录的数据比特进行编码。冷却之后，磁矫顽力基本上灰复到加热之前的水平，藉此稳定该比特的磁化。为存储介质上的多个数据比特重复该写入过程，并且可利用磁阻读出头读出这样的数据比特。
分解图102大致示出从横跨轨道的角度所见的换能器头组件124的横截面图。该换能器头组件124由从致动器组件120的臂部延伸出来的悬架126支承。在分解图102所示出的实施方式中，该换能器头组件124包括，滑块128、光源130(例如，激光器)、和光输送装置132、以及其他特征。滑块128的空气轴承表面140“飞”跨存储介质104的表面，从存储介质104的表面中的磁粒中读取和写入数据比特。
光源130将光引导至光输送装置132中。光输送装置132包括输入耦合器134、偏振旋转器136、以及NFT适配器138。有很多方法将光加载至光输送装置132中。在一个实施方式中，激光二极管对接耦合到输入耦合器134的接收端。在可选实施方式中，可使用将光束耦合到光输送装置132中的其他方法。耦合到输入耦合器134的光束可以是具有TE偏振模式的激光束。
输入耦合器134的窄端可与光源130耦合，而输入耦合器134的较宽的端部可与偏振旋转器136耦合。偏振旋转器136可由双波导交迭结构构成，这在图2中更详细地公开。特定地，两个波导在偏振旋转器的附连至输入耦合器的端部处互相偏移。在偏振旋转器的可耦合至NFT适配器138的另一端处，两个波导可接合在一起。具有其中两个波导在波导的一个端部相互偏移的两个波导的偏振旋转器136的交迭结构导致穿过波导的光能量的偏振的旋转。
在一个实施方式中，附连了偏振旋转器136的两个波导的偏振旋转器136的端部耦合至NFT适配器。从偏振旋转器136输出的光能量进入NFT适配器138。因此，NFT适配器138将从偏振旋转器136输出的光向近场换能器(NFT)(未示出)传输。NFT的近场光学元件利用孔径和/或天线以引起存储介质104表面上的数据比特位置中热量增加(例如，经由表面等离子体效应)。作为结果，表面上的数据比特位置被加热，相对于表面的其他区域，选择性地减小了数据比特位置处的磁粒的磁矫顽力。因此，在不干扰与相邻的未被加热的比特位置处的比特位的情况下，施加至所加热的数据比特位置的磁场足以将数据比特记录在该位置处(当其冷却时)。在一个实施方式中，该磁场施加至换能器头组件124中的写入磁极中，其中该写入磁极位于NFT的附近。以此方式，加热区域能够基本上确定可写区域(例如，数据比特的尺寸)。
图2示出包括示例性偏振旋转器的光输送装置200。特定地，光输送装置200包括输入耦合器202、偏振旋转器204、和NFT适配器206。输入耦合器202的所示出的实施方式具有矩形端表面和梯形侧表面。输入耦合器202的第一端表面210可与光能量源(未示出)对接耦合。例如，附连至第一端表面210的光源可以是生成具有平行于x轴的TE模式偏振的光能量212的横向电场(TE)模式的激光二极管(如图2中所示)。
在一个实施方式中，输入耦合器202包括位于磁芯下的辅助耦合器层和芯层中的逆锥。该输入耦合器202可以是每个端部具有矩形横截面的锥形形状。位于芯层的窄端部处的顶部表面可与诸如激光二极管之类的光源耦合。例如，输入耦合器的y方向的顶部表面的宽度w1是第二端表面214在x方向的宽度w2的一半。输入耦合器202将从激光二极管耦合来的光能量从第一端表面212传输至第二端表面214。在一个实施方式中，通过输入耦合器202传输的光能量的偏振不发生改变。作为结果，第二表面处的光能量的偏振还是TE模式。
输入耦合器202的第二表面214与偏振旋转器204耦合。特定地，该偏振旋转器包括第一波导220和第二波导222，其中第一波导220的顶部表面与输入耦合器的第二表面214耦合。在一个实施方式中，第一波导220沿着x方向从第一波导220的起始端到第一波导220的终端具有不同的宽度。在所示的实施方式中，第一波导220的顶部表面的尺寸基本上与输入耦合器202的第二表面214的尺寸相同。进一步，在所示的实施方式中，第一波导220在z方向上沿着它的长度方向呈锥形，以致于第一波导220的顶部表面的横截面大于第一波导220的底部表面的横截面。
第一波导220和第二波导222在偏振旋转器204的顶端彼此分离，在偏振旋转器204的底部彼此接合。在一个实施方式中，第一波导220和第二波导222之间的偏移224被优化以致于当光能量通过偏振旋转器204传输时，光能量的偏振从TE模式(与x轴平行)旋转到横向磁场(TM)模式(与y轴平行)。例如，在所示的实施方式中，其中宽度w1是200nm，宽度w2是400nm，偏移224是100nm。
与第一波导220相比，在偏振旋转器204的底部接合至第一波导220的第二波导222可具有不同的形状。例如，在所示的实施方式中，第二波导222具有基本上相似的横截面的端表面。特定地，第二波导的每个端表面具有宽度226和厚度228均为200nm的正方形横截面。当第一波导220和第二波导222在偏振旋转器204的底部接合时，接合的波导的厚度230基本上等于宽度232的两倍。
偏振旋转器204的几何形状使得当光能量通过该偏振旋转器204传输时，该光能量的偏振改变大约九十度。因此，当输入到偏振旋转器204中的光能量具有与x轴平行的TE模式偏振时，从该偏振旋转器204的底表面输出的光能量具有基本上与y轴平行的TM模式偏振。可选地，偏振旋转器204起到从一端到另一端扭转90度的光缆的作用，且导致通过它传输的光能量的偏振态发生旋转。
偏振旋转器204的底表面与NFT适配器206耦合。在光输送装置200的所示实施方式中，该NFT适配器206是锥形的，以致于NFT适配器206的顶部表面的横截面小于NFT适配器206的底表面的横截面。在这样的一个实施方式中，NFT适配器206作为通过NFT适配器206传输的光能量束的光束扩展器。在可选实施方式中，NFT适配器206的顶部表面的横截面比底表面的横截面更宽，导致NFT适配器206对从中传输的光能量束进行收缩。NFT适配器206的底表面与将光能量换能成将被聚焦到磁介质上的热能的NFT(未示出)耦合。在可选实施方式中，NFT适配器206可配置成具有与偏振旋转器204的传输模式相比的扩展的波导传输模式。可选地，NFT适配器206可配置成具有与偏振旋转器204的传输模式相比的减少的波导传输模式。
图3示出偏振旋转器300的示例性布局。偏振旋转器300具有顶部磁芯302和底部磁芯304。光能量从偏振旋转器300的第一端部306通过如图所示的传输310传输到第二端部308。在一个实施方式中，顶部磁芯302和底部磁芯304的每一个均由Ta2O5组成。特定地，顶部磁芯302和底部磁芯304的每一个均由折射率n＝2.09的Ta2O5磁层和折射率n＝1.65的Al2O3包层构成。在这个实施方式中，偏振旋转器300沿光能量通过偏振旋转器300的传输方向(z方向)的长度L是50μm(注意图3中的尺寸并未按照比例绘制)。磁芯302和304的每一个的高度h是200nm。在一个实施方式中，对顶部磁芯302和底部磁芯304在偏振旋转器300一端的间距s进行优化，以便使通过该偏振旋转器300传输的光能量能获得从TE模式到TM模式的高转换效率。
在所示的实施方式中，在偏振旋转器的第二端部308处的宽度W31是200nm。另一方面，底部磁芯304在第一端部306处的宽度W32是400nm，且顶部磁芯302在第一端部306处的宽度W33是200nm。图3中所示的偏振旋转器300的实施方式导致从在第一端部306处的TE模式偏振到在第二端部308处的TM模式偏振的转换效率优于约95％。
偏振旋转器300的实施方式可由顶部磁芯302和底部磁芯304之间的蚀刻层来实现。例如，20nm的折射率n＝1.90的Y2O3蚀刻阻挡层，可设置在顶部磁芯302和底部磁芯304之间。
图4示出在偏振旋转器的端部处的场幅度的模拟结果的曲线图的例子。特定地，曲线400表示在偏振旋转器的端部(光能量从该端部传输出偏振旋转器)(诸如图3中的第二端部308)的光能量成分的振幅之间的关系。曲线400的x轴表示在偏振旋转器的端部(光能量从该端部传输进偏振旋转器)(诸如图3中的第一端部306)处，偏振旋转器的上部芯层和底部芯层之间的间距s。曲线400的y轴表示TE偏振(Ex)的电场振幅成分和TM偏振(Ey)的电场振幅成分。特定地，曲线400的顶部的四条线中的每一条代表在不同的磁芯处开始的宽度w为0、100、200、和250nm时的TM偏振(Ey)的电场振幅成分。另一方面，曲线400的底部的四条线中的每一条代表在不同的磁芯处开始的宽度w为0、100、200、和250nm时的TE偏振(Ex)的电场振幅成分。从图中可看出，当间距在0-200nm范围内时，对于磁芯处开始100、200、和250nm的宽度w每一个而言，超过95％的光能量以TM偏振态被偏振。
图5-10示出用于生产此处公开的偏振旋转器的工艺的不同阶段。特定地，图5示出在偏振旋转器的生产阶段的示例性部分实施方式500。部分实施方式500包括底部包层502，在其上沉积芯层504。在所示的实施方式中，芯层504的厚度是200nm。随后，硬膜(HM)层506沉积在芯层504上。在一个实施方式中，HM层506可由非晶碳(aC)制成。在HM层506沉积后，蚀刻芯层504，在包层502处停止。作为蚀刻芯层504的结果，该aC层508可减少到大约20至30nm。在一个实施方式中，可利用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻方法实现蚀刻。
图6示出在偏振旋转器的生产阶段另一个示例性部分实施方式600。该部分实施方式600包括底部包层602和磁芯604，在磁芯604上沉积另一个包层606。例如，包层606的厚度大约是280nm。在包层606沉积之后，利用化学机械抛光(CMP)工艺对部分实施方式600的顶部表面进行抛光，直至芯层604顶部的aCHM层停止。随后，利用氧灰化工艺将芯层604顶部的aCHM层灰化掉。
图7示出在偏振旋转器的生产阶段另一个示例性部分实施方式700。部分实施方式700包括部分围绕磁芯704的包层702以及沉积在包层702和芯层704组件顶部的蚀刻阻挡层706。在一个实施方式中，蚀刻阻挡层706由厚度为20nm的Y2O3制成。
图8示出在偏振旋转器的生产阶段另一个示例性部分实施方式800。部分实施方式800包括部分围绕底部磁芯804的包层802以及沉积在包层802和底部芯层804的组件之上的蚀刻阻挡层806。进一步，顶部磁芯808和由aC制成的HM层810以上述图5所示的方式沉积在蚀刻阻挡层806的顶部。
图9示出在偏振旋转器的生产阶段另一个示例性部分实施方式900。部分实施方式900包括部分围绕底部磁芯904的底部包层902和沉积在底部包层902和底部芯层904的组件之上的蚀刻阻挡层906。进一步，部分实施方式900还包括顶部磁芯908和顶部包层910。利用CMP抛光工艺对顶部磁芯908和上部包层910的组件的顶部表面进行抛光。
图10示出偏振旋转器1000的示例性实施方式。特定地，偏振旋转器1000包括底部包层1002、底部磁芯1004、蚀刻阻挡层1006、顶部包层1008、和顶部磁芯1010。
图11示出偏振旋转器1100的另一个示例性实施方式。该偏振旋转器1100包括底部包层1102、底部磁芯1104、以及蚀刻阻挡层1106。随后，在蚀刻阻挡层1106的顶部沉积顶部包层1108。例如，顶部包层1108的厚度与顶部磁芯的厚度类似。在第二包层1108的顶部沉积由aC制成的HM层，且在顶部包层中蚀刻出沟槽1110。随后，沟槽1110可被填充磁芯以构成顶部磁芯(未示出)。利用CMP工艺对顶部磁芯和顶部包层的顶部表面进行抛光。最后，利用，例如氧灰化工艺将位于顶部包层上的aCHM层灰化掉。
尽管是参考优选的实施方式对本发明进行描述的，但是，所属技术领域的技术人员将意识到可以在形式和细节上作一些改变，这并没有超出本发明的范围。上面所描述的实现方式和其他的实现方式都在权利要求的范围之内。

Claims (17)

1.一种用于磁记录的装置，包括：
输入耦合器，配置为耦合来自光源的光能量；以及
耦合至所述输入耦合器的偏振旋转器，其中，所述偏振旋转器配置为将所述光能量的偏振状态正交地偏振，所述偏振旋转器包括交迭结构，所述交迭结构包括第一波导和第二波导，其中所述第一波导与所述第二波导偏移，所述第一波导在第一端处附连至所述输入耦合器且在第二端处附连至NFT适配器，所述第一波导的所述第二端还耦合至所述第二波导的一端。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进入所述偏振旋转器的所述光能量的偏振状态是横向电场(TE)偏振。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述偏振旋转器将所述光能量的偏振状态从横向电场(TE)偏振状态旋转至横向磁场(TM)偏振状态。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述NFT适配器配置为将从所述偏振旋转器输出的光能量耦合到NFT。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述NFT适配器配置为具有相比所述偏振旋转器的传输模式的扩展的波导传输模式。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述NFT适配器配置为具有相比所述偏振旋转器的传输模式的减少的波导传输模式。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源是激光二极管。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波导的所述第一端的横截面的宽度基本上是所述横截面的厚度的两倍。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波导的所述第二端的横截面基本上与所述第二波导的所述一端的横截面相似。
10.一种偏振旋转器，包括：
第一波导，配置为在第一端处耦合至输入耦合器；和
第二波导，其中，所述第一波导与所述第二波导偏移，并且所述第一波导的第二端耦合至所述第二波导的一端。
11.如权利要求10所述的偏振旋转器，其特征在于，所述第一波导的第一端的横截面的宽度基本上是所述横截面的厚度的两倍。
12.如权利要求10所述的偏振旋转器，其特征在于，所述第一波导的第二端的横截面基本上与所述第二波导的所述一端的横截面相似。
13.如权利要求10所述的偏振旋转器，其特征在于，所述第一波导的第二端和所述第二波导的所述一端耦合至NFT适配器。
14.一种用于磁记录的方法，包括：
将从光源输出的光能量耦合到输入耦合器；
使用偏振旋转器，旋转从所述输入耦合器输出的所述光能量的偏振状态；以及
将从所述偏振旋转器输出的光能量耦合到NFT适配器，
其中所述偏振旋转器包括交迭结构，所述交迭结构包括第一波导和第二波导，其中所述第一波导与所述第二波导偏移，所述第一波导在第一端处附连至所述输入耦合器且在第二端处附连至所述NFT适配器，所述第一波导的所述第二端还耦合至所述第二波导的一端。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，从光源输出的光能量的偏振是横向电场(TE)偏振。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，旋转偏振状态进一步包括将所述光能量的偏振状态从横向电场(TE)偏振状态旋转为横向磁场(TM)偏振状态。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将从所述NFT适配器输出的光能量耦合到位于磁盘驱动器组件的换能器头上的NFT。
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