CN106548790B - 具有成形的辅助层的波导 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有成形的辅助层的波导。装置包括沿光源和介质面向表面之间的光传播方向延伸的波导。波导包括配置为从光源接收光且被中间底部包覆层截断的辅助层。芯层包括配置为从辅助层接收光的耦合端。耦合端包括朝介质面向表面变宽的锥形体。近场换能器被设置为接近介质面向表面且被配置为接收来自芯层的光。

Description

具有成形的辅助层的波导
本公开涉及在光源和介质面向表面之间沿光传播方向延伸的波导。波导包括配置为从光源接收光且被中间底部包覆层截断的辅助层。芯层包括配置为从辅助层接收光的耦合端。耦合端包括朝介质面向表面变宽的锥形体。近场换能器被设置为接近介质面向表面，且被配置为接收来自芯层的光。
根据各实施例，波导在光源和介质面向表面之间沿光传播方向延伸。波导包括配置为从光源接收光的辅助层。辅助层包括平面外的台阶和具有朝介质面向表面变窄的第一锥形体的终止端。芯层包括配置为从辅助层接收光的耦合端。耦合端包括具有接近光源的第一宽度和远离光源的第二宽度的第二锥形体，第二宽度大于第一宽度。近场换能器被设置为接近介质面向表面，且被配置为接收来自芯层的光。
根据以下详细讨论和附图，将理解各个实施例的这些和其他特征和方面。
附图说明
下图中，相同的附图标记可用于标识多个附图中相似/相同/类似的组件。这些附图不一定是按比例的。
图1是根据本文中所描述的各实施例的滑动器组件的透视图；
图2A-2C示出了根据一些实施例的滑动器本体的截面部分；
图3示出了根据各实施例的滑动器本体的截面图；
图4是示出了平面外台阶的效率相对于台阶宽度的示图；
图5A-5D是根据本文中所描述的各实施例的具有锥形辅助层的滑动器本体的截面图；
图6A-6C是示出了根据各实施例的在使用平面内锥形体的各种配置时的效率的示图；
图7是根据各实施例的滑动器本体的截面图；
图8是根据本文中所描述的各实施例的槽形辅助层的截面图；
图9A是根据一些方面所示的平面外阶梯和平面内锥形体的截面图；以及
图9B是根据各实施例的浅沟槽壁斜面和中间底部包覆层的截面图。
具体实施方式
本公开总地涉及利用热辅助磁记录(HAMR)设备写入数据。这种技术，也被称为能量辅助磁记录(EAMR)、热学辅助磁记录(TAMR)以及热学辅助记录(TAR)，使用诸如激光之类的能量源在记录期间加热磁盘上的小斑点。热量降低了斑点处的磁矫顽性，从而允许写换能器改变磁取向。由于冷却之后介质的相对较高的矫顽性，数据不太容易受到可导致数据误差的顺磁效应的影响。
在一些配置中，HAMR写头具有将光从能量源(例如，激光二极管)传递至近场换能器(NFT)的波导，NFT也被称为近场天线、等离子换能器/天线等等。光在NFT上生成表面等离子体激元场，并且表面等离子体激元从写头的表面被引导出并被引导到磁记录介质上。这在写期间在记录介质上产生了热点。通过匹配滑动器上的激光二极管和波导之间的模式分布实现了最优耦合。
参考图1，透视图示出了根据示例实施例的HAMR写头100。写头100包括位于滑动器本体101的输入表面103上的激光二极管102。在该示例中，输入表面103为顶部表面，其位于在设备操作期间被定位在记录介质(未示出)的表面之上的介质面向表面108的对面。介质面向表面108在读取和写入介质时面朝移动介质表面并被保持为接近移动介质表面。介质面向表面108可被配置为通过空气薄层保持与介质表面分离的空气承载表面(ABS)。
激光二极管102传递光至接近HAMR读/写换能器106的区域，该区域位于介质面向表面108附近。能量用于当记录介质经过读/写换能器106时加热记录介质。诸如波导系统110之类的光耦合组件集成地形成在滑动器本体101内(在本示例中临近后缘表面104)，且用作通过近场换能器112从激光二极管102传递能量至记录介质的光路。近场换能器112位于读/写换能器106附近且导致在记录操作期间的介质加热。近场换能器112可由等离子体材料制成，如金、银、铜、铑、铂、铱，等等。
本示例中激光二极管102可配置为边缘发射激光器或表面发射激光器。通常，边缘发射激光器，也被称为面内激光器，沿半导体芯片的晶片表面发射光，而表面发射激光器在垂直于半导体晶片表面的方向发射光。边缘发射激光器可被安装在滑动器本体101的顶部表面103之上(例如，在囊腔或腔内)，使得光在垂直于介质面向表面的方向发射(在本视图中沿z轴的负方向)。
尽管图1中的示例示出了激光二极管102被直接安装到滑动器本体101，本文中讨论的波导系统110可适用于任何类型的光传递配置。例如，垫块(未示出)可用在激光二极管和滑动器本体101之间。在这种情况下，垫块将激光二极管定向使得激光二极管的有源区被定向在垂直方向(本视图中z方向)且与波导系统110对齐。
图2A-2C示出了根据各实施例的滑动器本体101的横截面部分。图2A中的示图示出了接近光/能量源208(例如，边缘发射激光二极管)的滑动器本体的一部分。在此示例中，光/能量源被安装在垫块215上。波导110的芯210沿光传播方向(z方向)延伸，其直接或间接地在波导芯的第一端耦合到光/能量源208。波导芯210具有锥形输入耦合器区，其具有接近光源208的第一宽度W0。输入耦合器区在其远离光源208延伸时延伸至第二宽度W1。
如图2B所示，辅助层250被定位接近波导芯210，以在芯210从较窄宽度(W0)锥形化至较宽宽度(W1)的区域处或在该区域附近将来自光源208的光耦合至芯210内。根据各种实现，W0在约50nm和280nm之间，或在约120nm到约240nm之间。在一些情况下，W1被选择以使波导模式为限制在芯内的单模波导。锥形体的长度可为约50-150μm。辅助层250(沿y方向的厚度和折射率)可被优化以匹配光源208沿y方向的模式尺寸，并且与光源208相邻的芯宽度W0被选择以匹配光源208沿x方向的模式尺寸。
如前所述，芯宽度(沿跨轨道方向，即X方向)随着远离光源208的距离增加而增加(W1>W0)。离开光源208的光首先被耦合至辅助层250内且被缓慢地转移至波导芯210内。波导系统110包括包围波导芯210和辅助层250的侧包覆层212、底部包覆层214以及顶部包覆层218。
如图2C所示，辅助层250在光被耦合至波导芯210内之后可被中间底部包覆层240截断。如果中间底部包覆层240的折射率低于侧包覆层212的折射率，这可提高近场换能器的激励效率。中间底部包覆层240可具有低于辅助层250的折射率以推动波导模式至侧包覆层212内，近场换能器112驻留在该侧包覆层212内。这增强了场以激励近场换能器112。辅助层250具有高于包覆层212、214、218的折射率。根据各种实现，二氧化硅(SiO2)被用于中间底部包覆层240。在一些情况下，中间底部包覆层240也可能使用和其他包覆层212、214、218相同的材料。在一些情况下，顶部包覆层218为SiO2，且具有1.46的折射率。底部包覆层214可使用具有1.65的折射率的Al2O3。根据各种实现，侧包覆层212使用Al2O3。侧包覆层可使用具有1.63的折射率的原子层沉积。辅助层250可包含SiONx且具有1.70的折射率。折射率低于SiO2的材料包括氟化镁(MgF2，n＝1.38)及多孔SiO2。
根据各种实现，波导芯210由具有高折射率的介电材料制成，例如，Ta2O5、HfO2、TiO2、Nb2O5、Si3N4、SiC、Y2O3、ZnSe、ZnS、ZnTe、Ba4Ti3O12、GaP、CuO2及Si。辅助层250可由具有比包覆层214、212及218的折射率稍高但比芯的折射率低得多的折射率的介电材料，例如，SiOxNy、AlN及合金SiO2-Ta2O5、SiO2-ZnS、SiO2-TiO2。包覆层212、214、218、240中的每一个由具有低于波导芯210及辅助层250的折射率的介电材料形成，其由例如Al2O3、SiO及SiO2的材料制成。包覆层212、214、218、240可由相同材料形成。在一些情况下，包覆层212、214、218、240由不同材料形成。总的来说，这些介电材料被选择以使芯层210的折射率高于包覆层212、214、218、240的折射率。这种材料布置促进了光通过波导系统的有效传播。
在图2C中，近场换能器112被示为接近磁记录介质232(例如磁盘)的表面。波导系统110传递电磁能量234至近场换能器112，其引导能量234以在记录介质232上产生小热点238。响应于施加的电流，磁写极236导致临近介质面向表面108的磁通量变化。当热点238在沿轨道下行方向(y方向)移动经过写极236时，来自写极236的通量改变了热点238的磁取向。
在一些实施例中，在波导芯210中传播的能量234处于基础横向电场(TE00)模式或基础横向磁场(TM00)模式。在一些实现中，光源和波导之间可能存在模式不匹配。从光源到波导的有效耦合可以是优选的以减少对于记录的能量消耗，也减轻产生于杂散光的加热，例如，光引入的写入器凸起。耦合效率由光源和波导之间的模式重叠决定。对于典型的边缘发射激光二极管，输出束尺寸在1/e2强度的全宽度沿其快轴方向为约1.2μm，沿其慢轴方向为约5.2μm。对于用于热辅助磁记录的波导，基础模式尺寸垂直于波导平面为约0.25μm，平行于波导平面小于0.50μm。
根据各种实现，光源为TE(横向磁场)偏振的边缘发射激光二极管，被定向使得其快轴垂直于(沿y方向)波导平面，慢轴平行于(沿x方向)波导平面。波导系统110可包括将能量234转换至组合偏振模式的复用器。组合模式包括基础横向TM00模式和第一较高阶横向电场TE10。近场换能器112被组合模式激励，作为响应，隧道引导等离子体激元至记录介质232。
如上所述，辅助层可被中间底部包覆层截断。根据各种实现，中间底部包覆层与辅助层的材料不同。在辅助层和中间底部包覆层的边界处的不同材料可能导致在中间底部包覆层和辅助层之间的边界处的模式失配。辅助层材料被用于匹配光源的模式，而被选择用于中间底部包覆层的该材料是用于提高NFT效率。各种技术可被用于改善不同材料之间的模式失配。
根据本文中所描述的各实施例，使辅助层成形是为了改善包覆层之间的模式失配。图3示出了具有成形的辅助层350的波导系统300。因为辅助层的折射率大于中间底部包覆层340的折射率，模式场可比延伸入中间底部包覆层340更多地延伸入辅助层350，导致模式失配和辐射损失。根据各种实现，辅助层包括用于改善模式失配的平面外台阶。在图3中，辅助层350被定位为接近波导芯310且包括平面外台阶319。台阶319可被定位在辅助层350和中间底部包覆层340之间的界面处。在一些情况下，如图3所示，波导芯310和侧包覆层312也包括台阶。通过制造具有Δy宽度的台阶，模式失配被改善且光传递效率升高。因为模式在界面不完全匹配，即使具有光台阶尺寸Δy，跨过界面可能存在辐射损失。图4示出了响应于台阶宽度的平面外台阶的效率。平面外台阶将效率从Δy＝0处的0.72提升至Δy约为60nm处的0.77。根据各实施例，Δy在10-100nm之间或40nm和80nm之间。
根据各种实现，如图5A-5D所示，辅助层具有朝介质面向表面变窄的锥形体。图5A示出了根据各实施例的装置，其包括根据各实施例的具有平面内锥形体的辅助层。辅助层内的锥形化在长度L1上从W2开始，到W3结束。根据各实施例，锥形体在输入耦合器之后或邻近输入耦合器的末尾开始。如图5A所示，锥形体在波导芯510的输入耦合器区后或邻近输入耦合器区510的末尾开始。辅助层550中的锥形化在长度L1上从第一宽度(W2)开始，在第二宽度(W3)终止。根据各实施例，锥形体在输入耦合器之后或邻近输入耦合器的末尾开始。W2可被选为沿X方向比模式场宽，例如，3-5μm。W3可被选为尽可能小，例如，<200nm以实现从辅助层550的材料至中间底部包覆层540的材料的绝热模式转换。在一些实施例中，W2的范围在5μm和6μm之间，且可通过例如电流光刻使用具有～100nm分辨率的193nmUV光来达到。锥形体长度L1可被选择以最小化辅助层和波导芯之间的模式传输损失。锥形体的长度可被选为尽可能短以最小化波导侧壁粗糙引起的辐射。图5A示出了线性锥形体。在其他实现中，如在图5B、5C及5D中对于辅助层560、570及580所示，锥形体是非线性的。
图6A-6B示出了使用平面内锥形体时的效率。图6A示出了使用线性锥形体时的效率相对于锥形体长度。如所示的，使用具有大于25μm长度的线性锥形体时效率达到最高。根据各实施例，当使用短锥形体长度时，例如，L1＝10μm，非线性锥形体能够加速转换且达到无损转换。图6B示出了使用各种锥形体形状时的效率。具有α＝1的锥形体为线性的，具有α＝2的锥形体为抛物线的。非线性锥形体可具有
Figure BDA0001086421550000061
的形式，其中，z表示从锥形体顶部起的距离，W2为顶部宽度，W3为底部宽度，L1为锥形体长度，α为形状因数。其他锥形体配置可被使用，例如，如图5A-5D所示的余弦形状锥形体。在锥形体形状因数为约0.5时效率最高。图6C示出了具有α＝0.5的非线性锥形体的效率相对于顶部宽度W2。在一些情况下，锥形体具有在约5μm和6μm之间，例如5.6μm的顶部宽度时效率最高。
图7示出了根据各实施例的滑动器本体的截面图。如图7所示，辅助层740将来自光源的光耦合至波导芯730内。波导芯730被侧包覆层720、顶部包覆层710、辅助层740及底部包覆层750包围。根据各种实现，波导芯730包括TiO2，且为约120nm厚，具有2.36的折射率。在一些情况下，波导芯包括Ta2O5且具有0.14μm的厚度和2.065的折射率。波导芯730和辅助层740可被具有低于波导芯730的折射率的其他包覆层710、720、750包围。对于任一配置，顶部包覆层可由具有1.46的折射率的SiO2形成。侧包覆层可使用具有240nm厚度和1.63的折射率的Al2O3。对于任一配置的底部包覆层也可使用Al2O3且具有1.65的折射率。在一些情况下，底部包覆层包括Al2O3。侧包覆层720可为，例如，220nm厚。根据各种实现，辅助层740(ta)的厚度为0.7μm。辅助层740的折射率可为1.70。光源为TE(横向磁场)偏振的边缘发射激光二极管，被取向使得其快轴垂直于(沿y方向)波导平面，慢轴平行于(沿x方向)波导平面。输出束尺寸在1/e2强度的全宽度沿其快轴方向为约1.2μm，沿其慢轴方向为约5.2μm。使用束传播方法的模型示出了最优辅助层为约0.7μm厚且其折射率n＝1.70。Ta2O5芯在100μm长度上从W0＝0.16μm线性锥形化至W1＝0.6μm。
根据各种实现，辅助层840为槽形且被包覆层包围。如图8所示，辅助层840也被包覆层860、870包围。包覆层860和870可包括，例如，和中间底部包覆层相同的材料。
根据本文中所描述的各种配置，如图9A所示，装置包括平面外台阶以及平面内锥形体。波导芯包括平面外台阶940。辅助层940被锥形化且被中间底部包覆层970截断。芯950和辅助层940被其他包覆层960、965包围。
图9B示出了能够被用于减少辅助层945和中间底部包覆层975之间的模式失配的浅沟槽壁斜面。根据各实施例，如图9B所示，装置包括临近辅助层和中间底部包覆层的界面的平面外斜面。
根据各实施例，方法涉及通过包括平面外台阶的辅助层接收来自光源的光。在一些情况下，辅助层包括从辅助层到中间底部包覆层的平面外斜面。光通过芯层从辅助层被接收，芯层包括朝介质面向表面变宽的锥形体。光通过近场换能器从芯层被接收，近场换能器被设置为接近介质面向表面。
除非另外指示，否则在说明书和权利要求书中使用的表示特征大小、数量和物理性质的所有数字应当被理解为在任何情况下均由术语“大约”来修饰。因此，除非相反地指明，否则在上述说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是近似值，这些近似值可根据利用本文中公开的教导的本领域技术人员所寻求的期望性质而变化。通过端点对数值范围的使用包括该范围内的所有数值(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4以及5)以及该范围内的任何范围。
示例实施例的上述描述已被呈现用于说明和描述的目的。这不旨在穷举或将发明构思限制于所公开的精确形式。根据上面的教导，很多修改和变型是可能的。所公开的实施例的任何或所有特征可单独或以任何组合应用，不旨在限制，而仅是说明性的。范围不旨在受详细描述限制，而是由所附权利要求书确定。

Claims (19)

1.一种用于数据存储的装置，包括：
波导，沿光源和介质面向表面之间的光传播方向延伸，所述波导包括：
辅助层，配置为从光源接收光，所述辅助层包括具有朝所述介质面向表面变窄的第一锥形体的终止端，所述辅助层被中间底部包覆层截断；
芯层，包括配置为从所述辅助层接收光的耦合端，所述耦合端包括朝所述介质面向表面变宽的锥形体；以及
近场换能器，设置为接近所述介质面向表面，且配置为从所述芯层接收光。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助层包括平面内锥形体。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述平面内锥形体为线性锥形体。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述平面内锥形体为非线性锥形体。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述辅助层包括具有朝所述介质面向表面变窄的锥形体的终止端。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助层还包括平面外台阶。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述平面外台阶位于所述辅助层和所述中间底部包覆层的界面附近。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述平面外台阶的宽度在20nm和100nm之间。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助层还包括从所述辅助层至所述中间底部包覆层的平面外斜面。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导还包括顶部和底部包覆层，其配置为将光限制在所述芯层和所述辅助层内。
11.一种用于数据存储的装置，包括：
波导，沿光源和介质面向表面之间的光传播方向延伸，所述波导包括：
辅助层，配置为从光源接收光，所述辅助层包括平面外台阶以及具有朝所述介质面向表面变窄的第一锥形体的终止端，所述辅助层被中间底部包覆层截断；
芯层，包括配置为从所述辅助层接收光的耦合端，所述耦合端包括具有接近所述光源的第一宽度以及远离所述光源的第二宽度的第二锥形体，所述第二宽度大于所述第一宽度；以及
近场换能器，设置为接近所述介质面向表面，且配置为从所述芯层接收光。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述辅助层还包括平面内锥形体。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述平面内锥形体为线性锥形体。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述平面内锥形体为非线性锥形体。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述辅助层包括具有朝所述介质面向表面变窄的锥形体的终止端。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述平面外台阶位于所述辅助层和所述中间底部包覆层之间的界面附近。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述台阶的宽度在20nm和100nm之间。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述辅助层还包括从所述辅助层至所述中间底部包覆层的平面外斜面。
19.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述波导还包括顶部和底部包覆层，其配置为将光限制在所述芯层和所述辅助层内。
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