CN104050979A - 分层的光学波导和近场换能器 - Google Patents

分层的光学波导和近场换能器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了分层的光学波导和近场换能器。波导,包括:由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;芯双层结构,该芯双层结构包括具有折射率n3的较低折射率的芯层以及具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的一种或多种,其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;由具有折射率n2的材料制成的底覆层,其中该波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,并且n2小于n3和n1

Description

分层的光学波导和近场换能器
背景技术
在热辅助磁性/光学记录中,信息位在高温下被记录到存储介质的存储层。通常,存储介质上的点或位被加热以充分降低其矫顽力,使得所施加的磁场或光写入信号可以将数据记录到存储介质。当前加热存储介质的方法包括将能量引导和集中到存储介质。需要用于集中能量的不同和更有利的方法和设备,以便减小加热点的大小,以便增加存储介质的存储密度。
发明内容
公开了波导,其包括:由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;芯双层结构,该芯双层结构包括具有折射率n3的较低折射率的芯层以及具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的一种或多种,其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;由具有折射率n2的材料制成的底覆层,其中该波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,并且n2小于n3和n1
还公开了设备,其包括:光源;以及波导,该波导包括:由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;芯双层结构,该芯双层结构包括具有折射率n3的较低折射率的芯层以及具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的—种或多种,其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;由具有折射率n2的材料制成的底覆层,其中该波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,而n2小于n3和n1,其中光源和波导被配置成使得来自光源的光被引导进波导。
还公开了盘式驱动器,其包括:具有弯曲部的至少一个致动器臂;至少一个设备,其中每个弯曲部在其远端具有头部,其中每个设备包括:光源;以及波导,该波导包括:由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;芯双层结构,该芯双层结构包括:具有折射率n3的较低折射率的芯层;以及具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的—种或多种,其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;由具有折射率n2的材料制成的底覆层,其中该波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,而n2小于n3和n1;磁读取器:以及磁写入器。
本公开的以上发明内容并非旨在描述每个公开的实施例或本公开的每种实施。以下的描述尤其举例说明示例性的实施例。在整个申请的几处地方,通过实例列表来提供指导,该实例可用于各种组合中。在每个实例中,所述列表仅充当典型的组,不应该被解释为排他性的列表。
附图说明
图1是根据示例性实施例的利用近场换能器和波导的热辅助记录滑块的透视图。
图2是根据一个示例性实施例的波导、写入极和近场换能器的剖视图。
图3是根据另一个示例性实施例的波导、写入极和近场换能器的剖视图。
图4示出在633nm和825nm处测量的层压体光损耗相对于总的膜厚度。
图5示出具有各种量的TaO的层压膜在633nm和825nm处的折射率。
附图不一定按比例绘制。附图中所用的相同数字指代相同的组件。然而,将理解的是:在给定附图中使用数字指代组件并不旨在限制在另一个附图中标以相同数字的组件。
具体实施方式
在下面的描述中,参考形成本文的—部分的附图组,其中通过例示的方式示出几个具体的实施例。将理解的是:可设想并且可做出其他实施例而不脱离本公开的范围或精神。因此,以下详细描述不应被认为具有限制意义。
除非另有指示,在说明书和权利要求中使用的表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字将被理解为在所有情况下由术语“大约”修改。因此,除非有相反指明,在前述说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值,该近似值可依赖由本领域技术人员利用本文所公开的教导而应该获得的性质而变化。
通过端点的数值范围的声明包括在该范围(例如,1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)和该范围内的任意范围之内包含的所有数字。
正如在本说明书和所附的权利要求中所使用,单数形式“一”、“一个”和“该”涵盖具有复数个对象的实施例,除非该内容另外明确规定。正如在本说明书和所附权利要求中所使用,通常在其包括“和/或”的意义上使用术语“或”,除非该内容另外明确规定。
“包含”、“包括”或类似术语是指涵盖但不限于,也就是说,包括并且不排斥。应该指出的是:“顶部”和“底部”(或其他术语,像“上部”和“下部”)被严格地用于相对描述,并不意味着其中定位所述元件的条款的任何总体方向。
本公开涉及一种光传输系统,用于其中期望一束高度集中和相对强大的电磁能量的应用。如上所述,—种这样的应用是在热/加热辅助磁记录中,本文中指的是HAMR。现在参考图1,透视图显示示例性的HAMR滑块100。该示例性的滑块100包括集成到滑块100的后缘面104中的边缘发射激光二极管102。激光二极管102接近HAMR读/写头106,HAMR读/写头106具有位于滑块100的气垫面(ABS)108上的一个边缘。在设备运行期间,ABS108面向并被保持接近移动的介质表面(未示出)。
激光二极管102提供电磁能量来在靠近读/写头106的点处加热介质表面。诸如波导110之类的光耦合组件被一体地形成于滑块器件100内,以从激光器102向介质传输光。特别地,局部波导和NFT112可位于接近i卖/写头106以在写操作期间提供介质的局部加热。虽然在这个实例中激光二极管102是集成的边缘发射器件,将理解的是:波导/NFT112可适用于任何光源和光传输机制。例如,可用表面发射激光器(SEL)来代替边缘发射激光器,并且滑块可使用集成和外部激光器的任意组合。
HAMR器件利用如上所述的光学器件类型来加热磁记录介质(例如硬盘),以便克服限制典型磁介质的面数据密度的超顺磁效应。为了在此介质上记录,该介质的一小部分被局部加热到居里温度以上,同时由磁写入头写入。诸如激光的相干光源可提供能量来创建这些热点,而光学元件(例如安装到容纳写入头的滑块中)被配置为将该能量引导到介质上。
当施加光到HAMR介质时,光被集中到发生写入的轨道上的小热点中。为了创建这个小热点,来自光源的能量(例如集成到写入头或与写入头分开的激光)可被发射进入集成到硬盘驱动头的波导中。光通过所述波导传播,并且可以耦合到光NFT(例如或者直接从所述波导,或者通过聚焦元件的方式)。
在图2中,根据一个示例性的实施例,剖视图示出读/写头106的部分。在此视图中,ABS108和NFT112接近磁介质202(例如磁盘)的表面。波导110传输电磁能量204到NFT112,其引导能量以在介质202上创建小热点208。响应于所施加的电流,磁写入极206引起ABS108附近磁通量的变化。随着热点208在下轨道方向(Z方向)上移过写入极206,来自写入极206的磁通改变热点208的磁性取向。
波导101和NFT112可一体地形成于容纳读写头106的滑块中。HAMR记录头中所用的这些和其他光学元件通常被称为集成光学器件。集成光学领域涉及基片上的光学器件的结构,这些光学器件有时与电子元件组合以产生功能性的系统或子系统。使用类似于那些用于半导体制造(例如层沉积)的工艺形成集成光学器件。
例如,经由基片上建立的介电材料,使用层沉积技术(例如原子层沉积、光致抗蚀剂蚀刻、化学机械平坦化等),波导110可将光从激光器(例如图1中的激光二极管102)传输到NFT112。波导可被形成为材料层:具有折射率n1的中间层210,以及具有折射率n2和n3的顶层和底层212、214。在例如其中n1>n2且n1>n3的配置中,中间层210起到芯的作用,而顶层和底层212、214起到覆层(类似于光纤)的作用,因此光将通过波导110有效地传播。
可使用和波导110类似的层沉积技术形成NFT112、写入极206和其他说明的组件。通常,使用诸如NFT112之类的等离子体设备来集中能量204,而不是使用例如透镜或反射镜之类的光学器件。这是因为热点208的期望的尺寸小于能量204的半波长,结果,光学器件在这个比例处衍射受限。结果,能量204集中在NFT112上,它是由共振发射表面等离子体场的材料(例如Au、Ag、Cu、Al)制成。NFT112被成形以将等离子体场引导到介质202的表面。
施加到NFT112以创建热点208的能量还可引起NFT112中显著的温升。NFT112可形成为栓、销、杆或具有相对小的尺寸以便保持所产生的等离激体场小的其他突起部。结果,可接近NFT112(或与NFT112一体地)形成散热片218。散热片218可将热量从NFT112吸走,并且热耦合到其他组件(例如写入极206),以便驱散热量。
在下面的讨论中(包括图5、6A-6C、8、9A和9B所示的分析结果),NFT112在激发位置112a处被配置为圆盘(位于x-y平面上),其耦合到在近场产生部112b处从磁盘扩展到ABS108的栓。这个NFT112在本文中可被称为“棒棒糖(1ollipop)”NFT配置。可在2008年11月18日提交的美国专利公开2010/0123965中看到棒棒糖NFT112的一个实例。在另一种布置中(例如图9C所示的分析结果),NFT被配置为其间具有间隙的并排板。所述板位于x-y平面上,所述间隙在y方向上从激发位置112a运行到近场产生部112b。这种布置在本文中被称为“间隙”NFT。间隙NFT的一个实例可在2011年9月13日提交的美国专利申请13/231,546中看到。
由波导110携带的能量包括正交电场(E场)和磁场(B场)。为了提供高耦合效率,波导110被设置成提供入射到NFT激发位置112a的强光学E场振幅,NFT激发位置112a是背对着ABS108的NFT112的一部分,波导110在其上集中能量。然而,如果NFT112(处于“棒棒糖”配置)被浸入到波导的高折射率的芯210(例如,n=2.08),则NFT112(例如最接近于ABS108的NFT112的部分)的近场产生部112b可能需要显著地减小尺寸,以避免用于预定波长的激发的红移,其中光场是峰值。相反,如图2所示,NFT112被定位在顶覆层212的相对较低折射率的材料中(例如,n=1.65)。这个位置还可能在制造、散热等方面提供好处。
为了优化波导110和NFT112之间的耦合,该光学模式分布可以偏向NFT所位于的一侧。这是图2所示的方法。NFT112位于顶覆层212中,其具有比底覆层214高的折射率。
在图2所示的布置中,芯210可由单一材料形成。在图3所示的交替布置中,波导302包括具有多层不同折射率的材料(例如双层芯或折射率梯度芯)的芯304。顶覆层和底覆层212、214可以是如上所述的不同折射率的材料。例如,顶覆层212可具有比底覆层214高的折射率。通常,芯304的层每个都可包括基于各自靠近顶覆层和底覆层212、214而从最大到最小排序的折射率。
在图3中所示的布置中,波导302可包括:由具有折射率n4的材料制成的顶覆层212;由具有折射率n2的材料制成的底覆层214;以及芯双层结构304。芯双层结构304可包括:由具有折射率n3的材料制成的较低折射率的芯层306,以及由具有折射率n1的材料制成的较高折射率的芯层308。如图3所示,芯双层结构304的较高折射率的芯层308邻近于顶覆层212,而芯双层结构304的较低折射率的芯层306邻近于底覆层214。关于各种材料的折射率,该关系可以被如下描述:n3小于n1;n4小于n3和n1;而n2小于n3和n1。
各种材料可用于各种层。例如,顶覆层212可由诸如Al2O3、SiOxNy(n=1.65)的材料形成,底覆层214可由较低折射率的材料形成,例如SiO2(n=1.47)。在这样一个实施例中,其中顶覆层212具有比底覆层214高的折射率,光学模式分布可以偏向NFT所位于的一侧(参见图2)。
较低折射率的芯层可包括各种材料;通常,较低折射率的芯层的材料可以是具有比较高折射率的芯层的材料的折射率(n1)低的折射率(n3)的任意材料。这样的示例性材料例如可包括Ta2O5、Y2O3、ZrO2、HfO2、Si3N4或其组合。在一些实施例中,较低折射率的芯层例如可包括Ta2O5
较高折射率的芯层可包括各种材料;通常,较高折射率的芯层的材料可以是具有比波导中任何其它材料折射率(n1)高的任何材料。在一些实施例中,较高折射率的芯层包括TiO2和次要材料。次要材料可从Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2及其组合中选择。在一些实施例中,次要材料可以从Ta2O5、Nb2O5及其组合中选择。在一些实施例中,次要材料包括Ta2O5。在一些实施例中,较高折射率的芯层可包括至少50%重量的TiO2
在一些实施例中,较高折射率的芯层可包括TiO2交替层和次要材料层(如上面举例说明)的层压堆叠。应该指出的是:这包括TiO2和一种次要材料的层压层以及TiO2和不止一种次要材料的层压层。在一些实施例中,较高折射率的芯层可包括由TiO2层和Ta2O5层组成的层压堆叠。在包括材料的层压层的实施例中,可进一步描述一种类型的层到另一种类型的层的相对厚度。在一些实施例中,TiO2层的厚度与次要材料层厚度的厚度之比可以是至少1∶1。在一些实施例中,TiO2层的厚度与次要材料层厚度的厚度之比可以是1∶1。在一些实施例中,具有比TiO2(n=2.4)折射率高的材料(例如高致密的TiO2)可具有小于1∶1的TiO2∶Ta2O5层厚度比。在一些实施例中,具有比TiO2(n=2.4)折射率低的材料(例如Nb2O5)可具有大于1∶1的TiO2∶Ta2O5层厚度比。
在一些实施例中,层压堆叠的单个层可具有10nm至100nm的厚度。在一些实施例中,层压堆叠的单个层可具有30nm至50nm的厚度。在一些实施例中,层压堆叠可包括任意数量的单个层。在一些实施例中,层压堆叠可包括2至4层。在一些实施例中,层压堆叠可包括2层。
在一些实施例中,较高折射率的芯层可包括掺杂有一种或不止一种次要材料的TiO2。次要材料可以从Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2及其组合中选择。在一些实施例中,次要材料可以从Ta2O5、Nb2O5及其组合中选择。在一些实施例中,次要材料包括Ta2O5。在一些实施例中,较高折射率的芯层可包括至少50%重量的TiO2。在一些实施例中,TiO2对一种或不止一种次要材料的原子比不大于1∶1(Ti∶次要材料)。在一些实施例中,具有Ta对Ti的原子比小于1的Ti/Ta氧化物的掺杂膜可为三元化合物提供低损耗(<1dB/cm)和高折射率(n≥2.3)。
使用所公开的芯双层结构可提供高耦合效率,其可用于最大化输出/输入能量比。所公开的波导可用在HAMR应用中以及在可见和近场波长范围内的其他光波导应用中。所公开的芯双层结构提供较低的光损耗,从而导致更有效的波导。
可使用已知的方法来制造组成双层芯结构的层,例如包括反应溅射、离子束沉积(IBD)、蒸发技术、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)和射频(RF)溅射沉积。
通过下面的实例来示出本公开。将理解的是:依照本文所阐述的发明的范围和精神,具体实例、假设、建模和程序将被广泛地解释。
实例
TiO2和Ta2O5的层压结构被证明低损耗(0.55dB/cm)和高折射率(n=2.3)。这样的膜适合于高折射率的波导芯。TiO2和Ta2O5都是反应溅射的。该层具有约1∶1的厚度比(TiO2∶Ta2O5)。在633nm和825nm处测量层压板的光损耗相对于总的膜厚度并示于图4中。为了比较,还示出了纯净的非层压的TiO2膜在633nm和825nm处的光损耗。和非层压的TiO2膜相比,该层压膜显示出损耗降低了不止十倍。图5示出具有各种数量的TaO的层压膜在633nm和825nm处的折射率。正如从中所见,具有重量约小于50%的TaO的层压板在633和825nm处都保持大约2.3或更高的折射率。
因此,公开了分层的光波导和近场换能器的实施例。上述实施和其他实施在下列权利要求的范围内。本领域技术人员将理解的是,可用除上文所披露的实施例实施本公开。提出所公开的实施例是为了例示而非限制。

Claims (20)

1.一种波导,包括:
由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;
芯双层结构,所述芯双层结构包括:
具有折射率n3的较低折射率的芯层;以及
具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的一种或多种,
其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;
由具有折射率n2的材料制成的底覆层,
其中所述波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,并且n2小于n3和n1
2.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括层压堆叠,所述层压堆叠由TiO2层以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2或其组合中的一种或多种的层组成。
3.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括层压堆叠,所述层压堆叠由TiO2层以及Ta2O5、Nb2O5或其组合中的一种或多种的层组成。
4.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括层压堆叠,所述层压堆叠由TiO2层和Ta2O5层组成。
5.根据权利要求2的波导,其特征在于,TiO2层以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2或其组合中的一种或多种的层具有至少大约1∶1的厚度比(TiO2∶其他)。
6.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括掺杂有Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的一种或多种的TiO2
7.根据权利要求6的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括掺杂有Ta2O5和Nb2O5中的一种或多种的TiO2
8.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括至少掺杂有Ta2O5的TiO2
9.根据权利要求6的波导,其特征在于,TiO2对Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3或SiO2中的—种或多种的原子比不大于1∶1(Ti∶其他)。
10.根据权利要求1的波导,其特征在于,较高折射率的芯层包括至少50%重量的TiO2
11.根据权利要求1的波导,其特征在于,n1至少约为2.3。
12.一种设备,包括:
光源;以及
波导,所述波导包括:
由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;
芯双层结构,所述芯双层结构包括:
具有折射率n3的较低折射率的芯层;以及
具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的—种或多种,
其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;
由具有折射率n2的材料制成的底覆层,
其中所述波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,并且n2小于n3和n1
其中所述光源和波导被配置成使得来自光源的光被引导进波导。
13.根据权利要求12的设备,其特征在于,所述光源选自激光二极管、发光二极管(LED)、边缘发射激光二极管(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL),或表面发光二极管。
14.根据权利要求12的设备,其特征在于,较高折射率的芯层包括层压堆叠,所述层压堆叠由TiO2层以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2或其组合中的一种或多种的层组成。
15.根据权利要求12的设备,其特征在于,较高折射率的芯层包括层压堆叠,该层压堆叠由TiO2层和Ta2O5层组成。
16.根据权利要求12的设备,其特征在于,较高折射率的芯层包括掺杂有Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3、SiO2或其组合中的一种或多种的TiO2
17.根据权利要求12的设备,其特征在于,较高折射率的芯层包括至少掺杂有Ta2O5的TiO2
18.根据权利要求12的设备,其特征在于,较高折射率的芯层包括至少50%重量的TiO2
19.一种盘式驱动器,包括:
具有弯曲部的至少一个致动器臂;
至少一个设备,其中每个弯曲部在其远端具有头部,其中每个设备包括:
光源;以及
波导,所述波导包括:
由具有折射率n4的材料制成的顶覆层;
芯双层结构,所述芯双层结构包括:
具有折射率n3的较低折射率的芯层;以及
具有折射率n1的较高折射率的芯层,其中较高折射率的芯层包括TiO2,以及Nb2O5、CeO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Y2O3、Sc2O3、MgO、Al2O3和SiO2中的一种或多种,
其中较低折射率的芯层邻近于较高折射率的芯层;
由具有折射率n2的材料制成的底覆层,
其中所述波导被配置成使得芯双层结构的较高折射率的芯层邻近于顶覆层并且芯双层结构的较低折射率的芯层邻近于底覆层,其中n4小于n3和n1,并且n2小于n3和n1
磁读取器:以及
磁写入器。
20.根据权利要求19的盘式驱动器,其特征在于,较高折射率的芯层包括至少50%重量的TiO2
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