CN110727057B - 具有使来自波导的杂散光转向的特征的输入耦合器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了具有使来自波导的杂散光转向的特征的输入耦合器。记录头具有波导芯，波导芯具有靠近记录头的输入表面处的能量源的输入端。波导芯将光从能量源耦合到近场换能器，该近场换能器响应于光而加热记录介质。输入耦合器沿着波导芯从输入端延伸到终止区域，该终止区域在光传播方向上远离输入端。输入耦合器具有在波导芯的折射率和周围材料的折射率之间的第一折射率。输入耦合器比波导芯宽，并且在终止区域处具有倾斜边缘。该倾斜边缘与波导芯交叉，使得输入耦合器在交叉轨道方向上缩窄到远离波导芯的颈部。

Description

具有使来自波导的杂散光转向的特征的输入耦合器
相关申请
本申请要求2018年7月17日提交的临时专利申请序列号62/699,217的权益，该专利申请通过引用整体结合于此。
发明内容
本公开涉及一种输入耦合器，其具有使来自波导的杂散光转向的特征。在一个实施例中，记录头具有波导芯，其具有靠近记录头的输入表面处的能量源的输入端。波导芯将来自能量源的光耦合到近场换能器，该近场换能器响应于光而加热记录介质。输入耦合器沿着波导芯从输入端延伸到终止区域，该终止区域在光传播方向上远离输入端。输入耦合器具有在波导芯的折射率和周围材料的折射率之间的第一折射率。输入耦合器比波导芯宽，并且在终止区域处具有倾斜边缘。该倾斜边缘与波导芯交叉，使得输入耦合器在交叉轨道方向上缩窄到远离波导芯的颈部。
根据以下详细讨论和附图，可以理解各个实施例的这些以及其他特征和方面。
附图说明
以下讨论参考以下附图，其中相同的附图标记可以用于标识多张附图中的相似/相同的部件。
图1是根据示例实施例的滑块组件的透视图；
图2是根据示例实施例的沿着下轨道平面的滑块的横截面图；
图3是根据示例实施例的滑块的晶片平面图；
图4是示出根据示例实施例的输入耦合器和逃逸板的特征的图；
图5、6和7是示出根据示例实施例的输入耦合器和逃逸板的光学性能的图；
图8是示出根据示例实施例的滑块体的对准特征的图；以及
图9是根据示例实施例的方法的流程图。
具体实施方式
本公开总体上涉及热辅助磁记录(HAMR)，热辅助磁记录也被称为能量辅助磁记录(EAMR)、热辅助记录(TAR)、热辅助磁记录(TAMR)等等。在HAMR设备中，光能的源(例如，激光二极管)与记录头集成，并将光能耦合到波导或者其他的光传输路径。波导将光能传递到近场换能器(NFT)。NFT将光能集中到记录层中的微小光点中，其局部地提高介质温度，从而减少高密度记录所需的写入磁场。
用于HAMR记录头的激光二极管是开放式谐振器，例如，边缘发射激光二极管。可以通过将光返回到二极管腔中(有时称为光学反馈)对这种类型的器件去稳定。光学反馈可能引起激光不稳定性，其表现为光输出跳跃和动态强度噪声。这可能导致在记录到盘的磁转换中的突然跳跃和抖动。下面描述可以减少或消除光学反馈的实施例。
在下面描述的实施例中，光学输入耦合器包括减少背反射光的特征，从而在操作期间提高激光的稳定性。光学输入耦合器接收来自光源的光(例如，通过其上附连光源的安装表面中的小平面)，并且将光导向传递波导芯，该传递波导芯将光耦合至NFT。光学输入耦合器包括具有成角度前端的矩形块(“输入耦合器”)，以减轻直接背反射。成角度前端缩窄至尖端或颈部，其可以开向更大的块(“逃逸板”)以使任何剩余的杂散/未耦合的光转向。光波导芯与输入耦合器相邻放置，以接收耦合光并将其传递至NFT。
现在参考图1，透视图示出了根据示例实施例的记录头100。记录头100可以用于磁数据存储设备，例如，HAMR硬盘驱动器。记录头100在本文中还可以可互换地被称为滑块、头、写入头、读取头、读/写头等。记录头100具有滑块体102，滑块体102具有后缘104处的换能器108，换能器108被保持靠近磁记录介质(未示出)的表面，例如磁盘。换能器108可包括读取元件(例如，磁阻堆叠)和写入元件(例如，写入极、写入线圈、NFT)。
所示出的记录头100被配置为HAMR设备，并且因此包括在换能器108附近的记录介质上形成热点的部件。这些HAMR部件包括能量源106(例如，激光二极管，在本文中也被称为光源)和波导110。波导110将电磁能量从能量源106传递至近场换能器(NFT)，该近场换能器为换能器108的一部分。NFT实现表面等离子体共振，并将能量引导出面向介质的表面112，以在记录介质中产生小的热点。
在图2和3中，横截面图示出了根据示例实施例的滑块体102的细节。波导110包括芯200、顶部包层202、以及底部包层204。波导芯200在滑块体102的输入表面208(在该示例中为顶表面)附近具有输入端201。波导输入耦合器206在光传播方向(z-方向)上，从输入表面208部分地沿着波导芯200的长度延伸。输入耦合器206在相对大区域上从光源106接收光，并将光引导到波导芯200中。波导芯200将光传递并耦合到面向介质的表面112处的近场换能器210。响应于从面向介质的表面112引出的光，近场换能器210发射表面等离子体，以在记录介质214上产生热点212。响应于写入线圈(未示出)的激活，写入极216产生磁场，并且该磁场影响热点212内部的磁取向。
如图3所示，输入耦合器206在交叉轨道方向(x-方向)上宽于波导芯200。输入耦合器206与波导芯200从输入表面208到终止区域300重叠。在终止区域处，输入耦合器206在交叉轨道方向上逐渐变细并从波导芯偏心终止，使得输入耦合器206的倾斜边缘302与波导芯200交叉。输入耦合器302具有第二倾斜边缘304，其相对于光传播方向比倾斜边缘302处于更浅的角度，使得输入耦合器206在交叉轨道方向上缩窄至远离波导芯200的颈部306。倾斜边缘302、304的相对角度形成颈部306中的锥形。
输入耦合器206由具有在波导芯200的折射率和周围材料(例如，图2所示的顶部和/或底部包层202、204，和/或这些示图中未示出的侧包层)的折射率之间的折射率的材料构成。该中间折射率有助于将光的第一部分205引导进芯200中，如箭头所指示。通常，随着光的第一部分经过输入耦合器206前进，它变得更加受限并且向上耦合到更高折射率的波导芯200中。光的该第一部分205经由波导芯200被传递到近场换能器210。
不耦合到波导芯200中的光的第二部分307经由颈部306被引导远离芯200。输入耦合器206与周围材料之间的边界引起折射率的突然变化，这引起在终止区域300附近的反射。这种折射率的变化会引起光的第二部分307中的一些的反射，如箭头308所指示。通过调整倾斜边缘302、304的角度以及设置颈部306与波导芯200偏心，可以减少返回能量源106的反射。注意，尽管示出倾斜边缘302、304是线性的，但是它们也可以采用其他的形状，例如，抛物线曲线。
为了进一步减少反射，输入耦合器206的颈部306可以耦合到逃逸板310，逃逸板310由与输入耦合器206相同的材料制成。光的第二部分307分散在逃逸板310中，而不是朝光源106反射回来。逃逸板310也可吸收来自周围包层的杂散光，这应该有助于进一步减轻反射。所示出的逃逸板310在投影到底层平行平面(xz-平面)上为矩形，但任何形状可以用于逃逸板310。
在图4中，示图示出了图2和3所示的波导系统的附加细节，包括输入耦合器206和逃逸板310的示例尺寸。注意，提供这些示例尺寸是为了说明而非限制，并且除其他事项外，这些尺寸可以基于穿过波导传输的光的波长、用于构成所示部件和周围材料的材料、波导芯200的尺寸、以及记录头内部的可用空间等而改变。输入耦合器206的长度400可为大约110μm，并且宽度402可为大约5μm。输入耦合器206的厚度(垂直于绘图页)可为大约1μm。倾斜边缘302的角度404可小于15度(例如，5度左右)，并且颈部306的宽度406可为大约2μm。逃逸板310的宽度408可为大约40μm。逃逸板310与波导芯200之间的交叉轨道间隙410足够大，使得波导芯200中的模式不会被逃逸板310的存在干扰。
所示出的输入耦合器206和逃逸板310被分析以证明相对于基线设计的改进。在图5中，曲线图示出了已经耦合到波导中的光在通过输入耦合器的前边界时的有效折射率neff。曲线500对应于基线配置502，其中输入耦合器具有以波导芯为中心的终止锥形。基线配置502中的输入耦合器的尖端以90度角穿过波导。曲线504对应于本文描述的当前设计506，其配置为输入耦合器的倾斜边缘以比配置502浅得多的角度穿过波导芯。对于该建模，倾斜边缘相对于波导芯的角度(参见图4中的角度404)为约5度。如曲线500、504所指示，与基线502相比，在新配置506的情况下，折射率更平滑地变化，从而导致返回到光源中的反射减少。
图6中的图示出了附连至两个设计的后部的激光器中的功率跳跃(跳模)的模拟结果。可以看出，在右侧的当前配置的90％的功率跳跃的大小比在左侧的基线配置小30％。这是因为从输入耦合器的前边缘边界(背离能量源的边缘)返回的反射减少。进一步建模示出，增加逃逸板会将来自颈部的反射减少到接近于0。在没有逃逸板的情况下，2μm宽的颈部将会引入光功率的约0.01％的背反射。
替代或除了减少光反射之外，上述输入耦合器和逃逸板可具有额外的用处。例如，HAMR设计的一个挑战就是在构建记录头时如何正确地将光源对准到滑块体上。在图7中，示图示出作为激光交叉轨道对准的函数的NFT的耦合效率(CE)和离开逃逸板的横向电场(TE)模式光。如曲线700所指示，当激光器处于最佳交叉轨道位置时，离开逃逸板的前部的TE偏振光的量被最小化。结果，激光器的主动对准可以通过在激活激光器的同时在交叉轨道方向上相对于滑块体移动激光器来实现。这导致部分光耦合到逃逸板中。从逃逸板离开的光(例如，从孔离开)被监测并被用于确定最佳的交叉轨道对准，例如，在输出是最小值的地方。
在图8中，图示出根据示例实施例的滑块体801的对准特征。通常，滑块体801包括前述的输入耦合器206和逃逸板310。逃逸板310的一端(例如，背向能量源106的端部310a)涂覆有不透明材料800(例如，SiO2)，其具有形成孔802的间隙/空隙。孔802可被空气或其他透明材料填充。来自逃逸板310的光804离开孔802，在那里它由传感器806检测。与此同时，能量源106沿着如箭头808所指示的交叉轨道方向被移动。
涂层800和孔802可位于滑块的空气轴承表面(例如，图1中所示的面向介质的表面112)附近，在此情况下，光804可以是远场光，且传感器806可以是位于滑块外部的远场检测器。在其他实施例中，传感器806可被集成到滑块801中，使得孔802将光耦合到集成于滑块体801的腔或波导中，在那里它被传感器806检测到。在这种情况下，光804可以是远场的或近场的。注意，涂层800和孔802可以位于逃逸板301的其他部分上，例如，位于滑块体的面向交叉轨道的边缘上、滑块体的后缘上，等等。
在图9中，流程图示出了根据示例实施例的方法。方法涉及将来自能量源的光耦合900到记录头的输入耦合器中。光的第一部分从输入耦合器被引导901到波导芯。波导芯将光的第一部分传递902到近场换能器，该近场换能器加热磁记录介质。光的第二部分被传递903到输入耦合器的锥形颈部。锥形颈部在交叉轨道方向上从波导芯偏心终止，并且减少第二部分光朝向能量源返回的反射。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”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，从1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和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。其不旨在详尽的或将实施例限制于所公开的精确形式。根据上述教导，很多修改和变化是可能的。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，不旨在是限制性的，而仅是说明性的。本发明的范围不旨在受限于本具体实施方式，而是由所附权利要求来确定。

Claims (18)

1.一种记录头，包括：
波导芯，包括靠近所述记录头的输入表面处的能量源的输入端，所述波导芯将来自所述能量源的光耦合到近场换能器，所述近场换能器响应于所述光而加热记录介质；以及
输入耦合器，沿着所述波导芯从所述输入端延伸到终止区域，所述终止区域在光传播方向上远离所述输入端，所述输入耦合器包括在所述波导芯的折射率和周围材料的折射率之间的第一折射率，所述输入耦合器比所述波导芯宽并且在所述终止区域处具有第一倾斜边缘，所述第一倾斜边缘与所述波导芯交叉，所述输入耦合器还包括不与所述波导芯交叉的第二倾斜边缘，所述第二倾斜边缘相对于所述波导的光传播方向处于与所述第一倾斜边缘不同的角度，使得所述输入耦合器在交叉轨道方向上缩窄到颈部，所述颈部远离所述波导芯。
2.如权利要求1所述的记录头，其特征在于，所述颈部使杂散光转向远离所述波导芯。
3.如权利要求1所述的记录头，其特征在于，进一步包括逃逸板，所述逃逸板具有与所述输入耦合器的所述颈部相连的边缘。
4.如权利要求3所述的记录头，其特征在于，所述逃逸板耗散从所述输入耦合器的所述颈部耦合的光。
5.如权利要求3所述的记录头，其特征在于，所述逃逸板包括：
在所述逃逸板的一个边缘上的不透明涂层；以及
在所述不透明涂层内形成的孔，所述孔允许光离开所述逃逸板。
6.如权利要求5所述的记录头，其特征在于，进一步包括传感器，所述传感器检测离开所述逃逸板的光，所述传感器用于基于离开所述板的光处于最小值来确定所述能量源与所述波导芯的对准。
7.如权利要求1所述的记录头，其特征在于，所述输入耦合器的所述第一倾斜边缘将未耦合到所述波导芯中的杂散光反射远离所述能量源。
8.如权利要求1所述的记录头，其特征在于，所述第一倾斜边缘相对于所述波导的光传播方向成一角度，所述角度小于15度。
9.一种记录头，包括：
波导芯，从光源延伸到近场换能器；
输入耦合器，沿所述波导芯延伸，所述输入耦合器具有位于所述光源处的第一端和具有锥形颈部的第二端，所述锥形颈部在交叉轨道方向上从所述波导芯偏心终止，所述第二端位于所述光源和所述近场换能器之间，其中所述输入耦合器在终止区域处具有第一倾斜边缘，所述第一倾斜边缘与所述波导芯交叉，所述输入耦合器还包括不与所述波导芯交叉的第二倾斜边缘，所述第二倾斜边缘相对于所述波导的光传播方向处于与所述第一倾斜边缘不同的角度，使得所述输入耦合器在交叉轨道方向上缩窄到所述锥形颈部，所述锥形颈部远离所述波导芯；以及
逃逸板，与所述输入耦合器的所述锥形颈部相连，来自所述输入耦合器的杂散光通过所述锥形颈部耦合到所述逃逸板中。
10.如权利要求9所述的记录头，其特征在于，所述逃逸板耗散从所述输入耦合器的所述锥形颈部耦合的光。
11.如权利要求9所述的记录头，其特征在于，所述逃逸板包括：
在所述逃逸板的一个边缘上的不透明涂层；以及
在所述不透明涂层内形成的孔，所述孔允许光离开所述逃逸板。
12.如权利要求11所述的记录头，其特征在于，进一步包括传感器，所述传感器检测离开所述逃逸板的光，所述传感器用于基于离开所述板的光处于最小值来确定所述光源与所述波导芯的对准。
13.如权利要求9所述的记录头，其特征在于，所述第一倾斜边缘将未耦合到所述波导芯中的杂散光反射远离所述光源。
14.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，所述第一倾斜边缘相对于所述波导的光传播方向成一角度，所述角度小于15度。
15.一种用于数据记录的方法，包括：
将来自能量源的光耦合到记录头的输入耦合器中；
将所述光的第一部分从所述输入耦合器引导到波导芯，所述波导芯将所述光的所述第一部分传递到加热磁记录介质的近场换能器；以及
将所述光的第二部分引导到所述输入耦合器的锥形颈部，所述锥形颈部在交叉轨道方向上从所述波导芯偏心终止并且减少所述光的所述第二部分朝向所述能量源返回的反射，其中所述输入耦合器在终止区域处具有第一倾斜边缘，所述第一倾斜边缘与所述波导芯交叉，所述输入耦合器还包括不与所述波导芯交叉的第二倾斜边缘，所述第二倾斜边缘相对于所述波导的光传播方向处于与所述第一倾斜边缘不同的角度，使得所述输入耦合器在交叉轨道方向上缩窄到所述锥形颈部，所述锥形颈部远离所述波导芯。
16.如权利要求15所述的用于数据记录的方法，其特征在于，进一步包括将所述光的所述第二部分引导到逃逸板中。
17.如权利要求16所述的用于数据记录的方法，其特征在于，所述光的所述第二部分在所述逃逸板中被耗散。
18.如权利要求16所述的用于数据记录的方法，其特征在于，所述逃逸板包括：
在所述逃逸板的一个边缘上的不透明涂层；以及
在所述不透明涂层内形成的孔，所述孔允许光离开所述逃逸板，所述方法进一步包括通过所述孔测量所述光的所述第二部分，以帮助将所述能量源与所述记录头对准。
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