CN118355440A - 用于hamr头中vcsel阵列的光束组合器 - Google Patents

用于hamr头中vcsel阵列的光束组合器 Download PDF

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CN118355440A CN202380014406.2A CN202380014406A CN118355440A CN 118355440 A CN118355440 A CN 118355440A CN 202380014406 A CN202380014406 A CN 202380014406A CN 118355440 A CN118355440 A CN 118355440A
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Abstract

本公开整体涉及用于磁介质驱动器的磁记录头。磁记录头包括近场换能器(NFT)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备以及耦合在NFT与VCSEL设备之间的波导结构。波导结构包括多个波导通道和耦合到波导通道的多模干涉(MMI)组合器。优化波导通道中的每一个波导通道的曲率、路径长度和传播长度中的一者或多者，使得每个波导通道是可控的，或者与相邻波导通道相位相干。VCSEL设备能够通过多个波导通道发射多道激光，并且该多道激光在输入到MMI组合器中时是相位相干的。MMI组合器将输出到NFT的多个激光器的功率进行组合。

Description

用于HAMR头中VCSEL阵列的光束组合器
相关申请的交叉引用
本申请要求2022年3月30日提交的名称为“用于HAMR头中VCSEL阵列的光束组合器(BEAM COMBINER FOR VCSEL ARRAY IN HAMR HEAD)”的美国非临时申请第17/708,558号的全部内容的权益并且据此以引用方式并入以用于所有目的。
背景技术
技术领域
本公开的实施方案整体涉及用于磁介质驱动器的磁记录头。
相关领域的描述
计算机的功能和能力的核心是存储数据和将数据写入到数据存储设备诸如磁介质驱动器(例如硬盘驱动器(HDD))。计算机所处理的数据量在迅速增加。需要磁记录介质的更高记录密度来提高计算机的功能和能力。
为了实现磁记录介质的更高记录密度(诸如超过2太比特/英寸2的记录密度)，使写磁道的宽度和间距变窄，并因此使每个写磁道中编码的对应磁记录比特变窄。使写磁道的宽度和间距变窄的一个挑战是降低在记录介质的面向介质的表面处的磁记录写入头的主极的表面积。随着主极变得越来越小，记录场也变得越来越小，从而限制了磁记录写入头的有效性。
热辅助磁记录(HAMR)和微波辅助磁记录(MAMR)是两种改善磁记录介质的记录密度的能量辅助记录技术。在HAMR中，激光源位于写入元件旁边或附近以产生热量，诸如激发近场换能器(NFT)以在磁记录介质的写入位置处产生热量的激光源。
HAMR通常利用边缘发射激光二极管(EELD)作为光源。EELD存在多个问题，诸如：需要将子安装架安装到滑块，这增加了成本；跳模，这会突然改变记录功率并减少HAMR HDD容量；使得几乎不存在对准容差的小直径输出光束；刻面处的大强度光学模式，这会降低可靠性；在制造期间需要老化(burn-in)，这增加了成本；以及滑块上的高轮廓，这增加了盘与盘之间的间距。
因此，本领域需要改进的HAMR磁介质驱动器。
发明内容
本公开整体涉及用于磁介质驱动器的磁记录头。磁记录头包括近场换能器(NFT)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备以及耦合在NFT与VCSEL设备之间的波导结构。波导结构包括多个波导通道和耦合到波导通道的多模干涉(MMI)组合器。优化波导通道中的每一个波导通道的曲率、路径长度和传播长度中的一者或多者，使得每个波导通道是可控的，或者与相邻波导通道相位相干。VCSEL设备能够通过多个波导通道发射多道激光，并且该多道激光在输入到MMI组合器中时是相位相干的。MMI组合器将输出到NFT的多个激光器的功率进行组合。
在一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及波导结构，该波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该波导结构包括：耦合到NFT的波导、MMI组合器、多个波导通道，该多个波导通道耦合到与MMI组合器的第一端相对的MMI组合器的第二端，其中该多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的曲率，使得多个波导通道中的每一个波导通道与相邻波导通道相位相干。
在另一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及波导结构，该波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该波导结构包括：模式转换器，该模式转换器具有耦合到VCSEL设备的第一端；MMI组合器，该MMI组合器设置成与模式转换器相邻；多个波导通道，该多个波导通道耦合在MMI组合器的第一端和与模式转换器的第一端相对的模式转换器的第二端之间，其中多个波导通道中的每一个波导通道的路径长度被配置成使得多个波导通道中的每一个波导通道的相位是可控的；以及波导，该波导耦合在与MMI组合器的第一端相对的MMI组合器的第二端与NFT之间。
在又一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及第一波导结构，该第一波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该第一波导结构包括：多个第一波导通道，该多个第一波导通道中的每一个第一波导通道具有不同曲率和不同传播长度中的至少一者，其中VCSEL能够通过多个第一波导通道发射第一多道激光；第一多模干涉(MMI)组合器，该第一多模干涉(MMI)组合器具有耦合到多个第一波导通道的第一端，其中，通过多个第一波导通道发射的第一多道激光在输入到第一MMI组合器中时是相位相干的，并且其中，该第一MMI组合器将第一多道激光中的每一道激光的功率组合成第一总功率；以及第一波导，该第一波导耦合到与第一MMI组合器的第一端相对的第一MMI组合器的第二端。
附图说明
因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
图1是包括HAMR磁写入头的磁介质驱动器的某些实施方案的示意图。
图2是面向磁盘的HAMR写入头的横截面侧视图的某些实施方案的示意图。
图3A和图3B是根据一个实施方案的其上安装有VCSEL的滑块的示意图。
图4A图示了根据一个实施方案的设置在VCSEL阵列与NFT之间的磁记录头40的模式转换器、相位调谐和多模干涉(MMI)组合器。
图4B图示了根据一个实施方案的图4A的磁记录头的模式转换器、相位调谐和MMI组合器的电场分布。
图4C图示了根据一个实施方案的如何改变图4A至图4B的通道以实现稳定相位相干性的示例性实施方案。
图4D展示了根据一个实施方案如何定义图4A至图4C的每个通道的S形弯曲曲率。
图4E图示了根据一个实施方案的与图4A至图4D的通道及其相应相位相对应的图表。
图5图示了示出根据一个实施方案的耦合效率对以μm为单位的激光束直径的曲线图。
图6图示了根据一个实施方案的包括模式转换器、通道和MMI组合器的波导结构的布局设计。
图7图示了根据另一个实施方案的包括模式转换器、通道和MMI组合器的波导结构的布局设计。
图8图示了根据一个实施方案的包括模式转换器、通道和MMI组合器的波导结构的16×1布局设计。
图9图示了根据一个实施方案的包括模式转换器、通道和MMI组合器的波导结构的8×2布局设计。
为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想，在一个实施方案中公开的元件可有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。
本公开整体涉及用于磁介质驱动器的磁记录头。磁记录头包括近场换能器(NFT)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备以及耦合在NFT与VCSEL设备之间的波导结构。波导结构包括多个波导通道和耦合到波导通道的多模干涉(MMI)组合器。优化波导通道中的每一个波导通道的曲率、路径长度和传播长度中的一者或多者，使得每个波导通道是可控的，或者与相邻波导通道相位相干。VCSEL设备能够通过多个波导通道发射多道激光，并且该多道激光在输入到MMI组合器中时是相位相干的。MMI组合器将输出到NFT的多个激光器的功率进行组合。
图1是包括HAMR磁写入头的磁介质驱动器的某些实施方案的示意图。此类磁介质驱动器可为单个驱动器/设备或包括多个驱动器/设备。为了便于说明，根据一个实施方案示出了单个磁盘驱动器100。磁盘驱动器100包括至少一个能够旋转的磁记录介质112(通常称为磁盘112)，该磁记录介质支撑在主轴114上并且由驱动马达118旋转。每个磁盘112上的磁记录呈数据磁道的任何合适图案的形式，诸如磁盘112上同心数据磁道(未示出)的环形图案。
至少一个滑块113定位在磁盘112附近。每个滑块113支撑头组件121，该头组件包括一个或多个读取头以及一个或多个写入头(诸如HAMR写入头)。当磁盘112旋转时，滑块113在磁盘表面122上方径向地移入和移出，使得头组件121可访问磁盘112的写入期望数据的不同磁道。每个滑块113通过悬架115附接到致动器臂119。悬架115提供轻微的弹簧力，该弹簧力朝向磁盘表面122偏置滑块113。每个致动器臂119附接到致动器127。如图1所示的致动器127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括能够在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制单元129供应的马达电流信号来控制。
在磁盘驱动器100的操作期间，磁盘112的旋转在滑块113与磁盘表面122之间产生空气轴承，该空气轴承在滑块113上施加向上的力或升力。因此，在正常操作期间，空气轴承抗衡悬架115的轻微弹簧力，并以小的、基本上恒定的间距支撑滑块113离开并稍微高于磁盘表面122。
磁盘驱动器100的各种部件在操作中由控制单元129所产生的控制信号(诸如访问控制信号和内部时钟信号)来控制。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制各种系统操作的控制信号，诸如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的磁头位置和寻道控制信号。线128上的控制信号提供期望的电流分布，以最佳地将滑块113移动和定位到磁盘112上的期望数据磁道。写入信号和读取信号通过记录通道125传送到头组件121和从头组件传送。图1的磁介质驱动器的某些实施方案还可包括多个介质或盘、多个致动器和/或多个滑块。
图2是面向磁盘112的HAMR写入头230的横截面侧视图的某些实施方案的示意图。HAMR写入头230可对应于图1中所描述的读取头/记录头组件121的一部分或对应于用于其他磁介质驱动器的记录头。HAMR写入头230包括面向介质的表面(MFS)，诸如空气轴承表面(ABS)或气体轴承表面(GBS)，该表面面向磁盘112。如图2所示，磁盘112和HAMR写入头230在箭头282所指示的方向上相对移动(需要改变方向)。
HAMR写入头230包括设置在前返回极234与后返回极238之间的主极236。主极236可包括MFS处的主极尖端237。主极尖端237可包括或可不包括前斜面和/或后斜面。围绕主极236的线圈260激励主极尖端237以产生用于影响可旋转磁盘112的磁介质的写入磁场。线圈260可为螺旋结构或一组或多组扁平结构。前罩234和/或后罩238可充当主极236的返回极。
磁盘112被定位成与HAMR写入头230相邻或在其下方。线圈260中的电流所产生的磁场用于控制磁盘112中的位的磁化方向。
HAMR写入头230包括用于在主极尖端237将磁写入场施加到存储介质的位置附近加热磁盘112的结构。波导242定位在主极236与前罩234之间。波导242可包括芯层和围绕芯层的包覆层。波导242传导来自电磁辐射的光源278的光，该光可以是(例如)紫外光、红外光或可见光。光源278可以是(例如)激光二极管或用于将光束导向波导242的其他合适的激光光源。可使用已知的用于将光源278耦合到波导242中的各种技术。例如，光源278可与光纤和外部光学器件联合工作，以用于将光束引导至波导242。另选地，光源278可安装在波导242上，并且光束可直接耦合到波导242中而无需外部光学配置。当介质如箭头282所示相对于HAMR写入头230移动时，一旦光束被耦合到波导242中，光就穿过波导传播并加热介质的一部分。
HAMR写入头230可包括近场换能器(NFT)284，以将热量集中在波导242的端部附近。NFT 284定位在波导242中或与该波导相邻，该波导在MFS附近或位于MFS处。来自波导242的光被NFT 284吸收并激发表面等离子体，该表面等离子体沿着NFT 284的外侧朝向MFS行进，从而将电荷集中在NFT 284的尖端处，该尖端继而电容耦合到磁盘并通过焦耳加热对磁盘112的精确区域进行加热。用于HAMR写入头的NFT 284的一种可能的设计为棒棒糖设计，该棒棒糖设计具有盘部分以及在该盘与MFS之间延伸的栓。NFT 284可紧邻主极236设置。NFT 284是相对隔热的，并且在其谐振时吸收激光功率的大部分。
图3A和图3B是根据一个实施方案的其上安装有VCSEL 304的滑块302的示意图。滑块302和VCSEL 304可以是图1的磁介质驱动器100或图2的HAMR写入头230的一些方面。图3A示出了安装在滑块上的VSCEL的侧视图，而图3B示出了其俯视图。如图3B所示，VCSEL 304在第一位置经由第一接触件308a和第二接触件308b安装到滑块302。在一个实施方案中，VCSEL 304安装在滑块302的顶部；这与边缘发射激光二极管(EELD)不同，由于难以将激光器的边缘发射刻面平面直接接合到滑块的顶部，通常需要将边缘发射激光二极管首先安装到子安装架。VCSEL 304可具有最小设计结构，使得VCSEL 304的尺寸可减小HAMR写入头的总体尺寸。VCSEL 304包括位于VCSEL 304的面向滑块302的底表面上的台面306，其中台面306位于VCSEL 304与滑块302之间。
在图3B中，VCSEL 304以虚线显示，以向滑块302的顶表面上的电极321提供更好的可见性。电极321经由导电焊接材料提供到VCSEL 304的电极的电连接。电极321、焊接材料和VCSEL 304的电极共同形成第一接触件308a和第二接触件308b。电极321以介于约1微米和约3微米之间的距离在滑块302上方延伸。
VCSEL 304能够发射对应于台面306的多个激光孔的多道激光，其中该多道激光中的每道激光与该台面306的该多个激光孔对准。此外，滑块302包括多个模斑转换器314a-314n，这些模斑转换器与VCSEL 304发射的输入激光的位置和数量相匹配。模斑转换器314a-314n从滑块302的面向VCSEL 304的顶表面延伸。台面306以约1μm至约20μm的第一距离318与滑块302的顶表面间隔开。台面306包括多个激光孔，诸如约2个激光孔至约16个激光孔。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。台面是VCSEL 304芯片的一部分，并且孔位于台面306的表面上。台面306是VCSEL 304表面上的任选的凸纹结构。
VCSEL 304能够发射的上述激光的数量与台面306的激光孔的数量以及模斑转换器314a-314n的数量匹配。每道激光并且因此每个模斑转换器314a-314n以第二距离间隔开。模斑转换器314a-314n中的每一个模斑转换器之间的第二距离为约2μm至约10μm。此外，由VCSEL 304发射的该多道激光中的每一道激光以相同的频率工作并且是相位相干的。例如，相邻的孔可彼此同相或异相。VCSEL 304发射的该多道激光中的每道激光具有介于约1mW至约10mW之间的功率水平。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。该多道激光各自具有有效区域(例如，激光激发电子的区域)。这些有效活区域间隔足够近，以使得能够发生耦合和相位相干。
滑块302包括多个接合垫螺柱312a-312n(诸如约2个接合垫螺柱至约32个接合垫螺柱)。接合垫螺柱312a-312n具有约25μm的第一宽度320，其中相邻的接合垫螺柱312a-312n之间的间距322为约32μm。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。该多个模斑转换器314a-314n设置在位于相邻接合垫螺柱312a-312n之间的位置处。在图3A所示的实施方案中，模斑转换器314a-314n设置在接合垫螺柱312c与312d之间。因此，在一个示例性实施方案中，所有模斑转换器314a-314n均需要装配在约32μm的直线距离内。此外，该多道激光并且因此该多个模斑转换器314a-314n是直线布置的。每个模斑转换器314a-314n与相邻的模斑转换器314a-314n间隔约2μm至约10μm。
该多个模斑转换器314a-314n馈送到设置在滑块302内的多模干涉(MMI)设备310中。MMI设备310将从该多个模斑转换器314a-314n的输出中馈送的激光在第一端合并，并且通过单个波导316发射单道激光。单个波导316从MMI设备310发射激光，该激光包括来自由MMI设备310接收的该多个模斑转换器314a-314n的该多道输入激光的组合功率。需要单输出模式来适当地集中光功率并耦合到NFT。MMI的正确操作通常需要输入之间的稳定的相位相干。图4A至图4B描述了在MMI设备的输入端之间实现稳定相位相干的各种方式。
图4A图示了根据一个实施方案的设置在VCSEL阵列与NFT之间的波导结构400的模式转换器420、相位调谐区段424和MMI组合器426。图4B图示了根据一个实施方案的图4A的波导结构400的模式转换器420、相位调谐区段424和MMI组合器426的电场分布450。波导结构400可以在图1的磁介质驱动器100或图2的HAMR写入头230内。MMI组合器426可以是图3A至图3B的MMI设备310。虽然在图4A至图4B中没有示出，但是VCSEL阵列可以是图3A至图3B的VCSEL 304。
来自VCSEL(未示出)的多道激光束(如图4B所示)被输入到模式转换器420的多个模斑转换器421。模斑转换器421作为多个波导(WG)通道422a-422h离开模式转换器。VCSEL阵列的多个激光孔与多个模斑转换器421和多个WG通道422a-422h对准。多个波导通道422a-422h在本文中可称为通道422、波导422或WG通道422。虽然示出了8个通道422，产生了8×1阵列(即，8个通道设置在一个平面或一维中)，但是可以使用任何数量的通道422，如下文进一步讨论的。这样，WG通道422的数量并非旨在进行限制。模式转换器420调谐每个通道422a-422h的模式分布，以允许输入激光束之间的最大耦合效率。激光束穿过的模斑转换器421和通道422离开模式转换器420，在耦合到MMI组合器426之前在相位调谐区段424中被相位调谐。如图4B所示，MMI组合器426然后组合每道激光束输入的总功率，并且然后通过波导430将单个大功率光束输出到NFT中。
如图4B的电场分布450中进一步所示，每道激光束被相位调谐成与相邻激光束偏移180度。例如，WG通道422a、422c、422e和422g都具有第一相位428。通道422b、422d、422f和422h都具有与第一相位428偏移180度的第二相位427。
相位调谐区段424调谐激光束的相位输出，以确保激光束在输入到MMI组合器426中时具有稳定的相位相干性。为了控制和调谐每个WG通道422的相位，改变每个WG通道422a-422h的曲率、每个WG通道422a-422h的光程长度和每个通道422a-422h的传播长度中的一者或多者。这样，每个WG通道422a-422h具有彼此不同的曲率、光程长度和/或总传播长度，而与阵列内通道422的数量无关。在一些实施方案中，每个WG通道422a-422h的高度和宽度也可以被调谐或者可以被预先确定。此外，如下文进一步讨论的，可以针对最大功率优化光束直径和光束阵列的数量。
图4C图示了根据一个实施方案如何改变通道422a-422h以实现稳定相位相干性的示例性实施方案。图4D展示了根据一个实施方案如何定义每个通道422的曲率，诸如S形弯曲曲率。
如图4C图示的示例所示，WG通道422a-422h中的一个或多个WG通道具有不同的光程长度和/或不同的曲率，诸如不同的S形弯曲曲率。光程长度可称为路径长度或S形弯曲长度，并且是每个WG通道422a-422h的总传播长度。路径长度可能由于每个WG通道422a-422h的曲率或S形弯曲曲率的变化而变化。例如，具有更大曲率的WG通道422a-422h将具有更大的路径长度。该曲率在本文中可称为S形弯曲曲率。在一些实施方案中，每个WG通道422a-422h具有大于约20μm的曲率半径。
例如，在图4C中，通道1 422a具有约32μm的光程长度，通道2 422b具有约21.8μm的光程长度，通道3 422c具有约24μm的光程长度，通道4422d具有约28.5μm的光程长度，通道5422e具有约25.5μm的光程长度，通道6 422f具有约25.5μm的光程长度，通道7 422g具有约26.7μm的光程长度，并且通道8 422h具有约28.8μm的光程长度432。此外，通道422a-422h中的每一个每个可在y方向上延伸到相同的总空间长度434；然而，WG通道的空间长度434可以不同于WG通道422a-422h的光程长度。例如，通道8 422h具有约28.8μm的光程长度432，并且在从模式转换器420到MMI组合器426的y方向上跨越约32μm的空间长度434。换句话讲，具有更大光程长度和/或更大曲率的WG通道具有更大的总传播长度。
图4D示出了根据一个实施方案如何定义每个WG通道422的曲率或S形弯曲曲率。虽然图4D仅示出了通道8 422h，但是对于每个通道422，曲率被定义为相同的。使用四点贝塞尔曲线定义S形弯曲曲率。曲线的第一点436位于通道422h的底部处、靠近WG通道422h耦合到MMI组合器426的位置。第二点438和第三点440在通道422h的中心附近。第二点438从通道422h的中心沿x方向设置，而第三点440从通道422h的中心沿-x方向设置。第四点442位于通道422h的顶部处、靠近通道422h离开模式转换器420的位置。在一些实施方案中，第一点436和第四点442是固定的，并且第二点438和第三点440是变化的，以增大或减小曲率半径。
在通道8 422h中，第一点436与第三点440在y方向上基本上对准，并且第二点438与第四点442在y方向上基本上对准。第二点438和第三点440在x方向上对准。通过改变第二点438与第三点440之间的距离444，可以增大或减小曲率。例如，通道1 422a的第二点438和第三点440可以比通道8 422h的第二点438和第三点440布置得更靠近。
图4E图示了根据一个实施方案的与图4A至图4D的WG通道422及其相应相位相对应的图表475。对于八个通道422a-422h中的每一个通道，第一列470示出了以弧度表示的相位输出，第二列472示出了相邻通道422a-422h之间以弧度表示的相对相位差，并且第三列464示出了相邻通道422a-422h之间以度表示的相对相位差。例如，通道1 422a与通道2 422b之间的相位差为约-2.4弧度或约-136.7度，通道2 422b与通道3 422c之间的相位差为约-1.6弧度或约-90.1度，通道3 422c与通道4 422d之间的相位差为约-0.8弧度或约-44.9度，通道4 422d与通道5 422e之间的相位差为约0.0弧度或约0.0度，通道5 422e与通道6 422f之间的相位差为约0.8弧度或约44.9度，通道6 422f与通道7 422g之间的相位差为约1.6弧度或约90.1度，并且通道7 422g与通道8 422h之间的相位差为约2.4弧度或约136.7度。因此，通过通道422a-422h传播到MMI组合器426的每道激光束的相位被精确控制。
每个通道422a-422h的相位输出可以取决于MMI组合器426的规格。例如，MMI组合器426在x方向上的宽度和在y方向上的长度被优化以确保激光束与通道422之间的相位相干性。
图5A图示了示出根据一个实施方案的耦合效率对以μm为单位的激光束直径的曲线图500。曲线图500图示了改变激光束的光束直径如何影响磁记录头的耦合效率。如曲线图500所示，较小的光束直径(诸如约2.5μm、约3.5μm或约4μm)比较大的光束直径具有更好的耦合效率。然而，光束直径越大，每个发射器的功率越大。
因此，如图表475和曲线图500所示，VCSEL阵列、模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426的参数均被改变和优化，以确保最大波导功率从MMI组合器426通过NFT输出到介质。
图6至图9图示了根据各种实施方案的包括模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426的波导结构的不同布局设计。图6至图9的方面可以与图3A至图5的方面结合地使用，或者图6至图9的方面可以彼此结合使用。如上所述，图6至图9中的每个波导通道422具有彼此不同的曲率、路径长度和/或总传播长度，而与阵列中通道422的数量无关。
图6图示了根据一个实施方案的波导结构的竖直设计布局600，该波导结构包括设置在滑块662上的模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426。图6的竖直设计布局600图示了8×1阵列；然而，例如，竖直设计布局600可以与任何阵列(诸如4×1、10×1、16×1或32×1)一起使用。
在竖直设计布局600中，模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426都竖直布置在滑块662上(即，在y方向上)，类似于图4A至图4D所示。每个通道422的S形弯曲长度、S形弯曲曲率和总传播长度针对竖直设计布局600进行了优化。来自MMI组合器426的波导430然后沿y方向向上弯曲，并且沿–x方向弯曲，之后沿–y方向向下延伸到NFT 660。这样，波导430到NFT 660具有更大的路径长度。
图7图示了根据一个实施方案的波导结构的垂直设计布局700，该波导结构包括设置在滑块662上的模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426。图7的垂直设计布局700图示了8×1阵列；然而，例如，垂直设计布局700可以与任何阵列(诸如4×1、10×1、16×1或32×1)一起使用。
在垂直设计布局700中，模式转换器420设置在滑块662上的y方向上，并且MMI组合器426设置在滑块662上的x方向上垂直于模式转换器420。通道422在x方向和y方向上从模式转换器420延伸到MMI组合器426。尽管通道422不具有“S形弯曲”，但通道仍然具有弯曲曲率和弯曲长度。每个通道422的弯曲长度、弯曲曲率和总传播长度针对垂直设计布局700进行了优化。因此，每个通道422的弯曲长度、弯曲曲率和总传播长度中的一个或多个不同于图6的竖直设计布局600。来自MMI组合器426的波导430然后在-x方向上弯曲并且在-y方向上向下弯曲至NFT(未示出)。这样，波导430到NFT的路径长度比图6的波导430的路径长度小。换句话讲，与竖直设计布局600相比，模式转换器420、通道422a-422h和MMI组合器426在竖直方向上具有减小的整体覆盖区。
图8图示了根据一个实施方案的波导结构的16×1阵列设计布局800。例如，虽然图8中图示了16×1阵列，但是设计布局800可以用于任何阵列，诸如20×1阵列或32×1阵列。
设计布局800类似于图6的竖直设计布局600；然而，设计布局800包括16个通道而不是8个。这样，设计布局800包括通过8个第一通道422a(例如，第一8×1阵列)耦合在一起的第一模式转换器420a和第一MMI组合器426a，以及通过8个第二通道422b(例如，第二8×1阵列)耦合在一起的第二模式转换器420b和第二MMI组合器426b。第一模式转换器420a设置成在x方向上与第二模式转换器420b相邻，第一通道422a设置成在x方向上与第二通道422b相邻，并且第一MMI组合器426a设置成在x方向上与第二MMI组合器426b相邻。
第一波导430a从第一MMI组合器426a延伸到第三MMI组合器826，并且第二波导430b从第二MMI组合器426b延伸到第三MMI组合器826。第三MMI组合器826然后将来自第一MMI组合器426a和第二MMI组合器426b的功率组合在一起，以获得16×1阵列的16个激光束的组合功率。然后，第三波导830从第三MMI组合器826沿y方向向上延伸，并且沿–x方向延伸，之后沿–y方向向下延伸到NFT 660。
图9图示了根据一个实施方案的波导结构的8×2阵列设计布局900。例如，图9的8×2设计布局900可用于任何阵列，诸如4×2、10×2或16×2阵列。在8×2阵列中，第一8×1阵列901a在第二8×1阵列901b的顶部上竖直堆叠和对准(即，在y方向上)，使得8×2阵列是多维的。虽然未示出，但是第一8×1阵列901a和第二8×1阵列901b两者包括模式转换器420。
类似于图8，一旦第一8×1阵列901a的第一MMI组合器426a组合了输入到第一MMI组合器426a中的激光束的功率，并且第二8×1阵列901b的第二MMI组合器426b组合了输入到第二MMI组合器426b中的激光束的功率，第一8×1阵列901的第一波导430a和第二8×1阵列的第二波导430b就各自延伸到第三MMI组合器826，以将来自第一8×1阵列901a和第二8×1阵列901b的激光束的功率组合在一起。第三波导830然后从第三MMI组合器826延伸到NFT(未示出)。
因此，通过优化在模式转换器与MMI组合器之间延伸的通道的S形弯曲长度、S形弯曲曲率和总传播长度以及其它变化的参数，通过通道输入到MMI组合器中的激光束是彼此相位相干的，确保最大波导功率从MMI组合器通过NFT输出到介质。
将VCSEL用作HAMR中的光源具有多个显著优点。目前使用的边缘发射激光二极管(EELD)通常安装到子安装架，原因在于难以将激光器的边缘发射刻面平面直接接合到滑块的顶部。然后将该子安装架接合到滑块。VCSEL可容易地具有在表面发射面上的结合电极，该结合电极与滑块的顶表面上的对应电极匹配。这些电极可通过激光辅助焊料回流而接合在一起，并且还可用作将激光通电的电连接件。通过消除对子安装架的需要，可显著降低光源成本。VCSEL激光刻面是在晶片级工艺中制造的，这相对于EELD进一步降低了成本。VCSEL输出光束也比EELD的输出光束更大并且更圆，这增加了与滑块模斑转换器的对准容差和耦合效率。已知VCSEL由于更大、强度更小的光学模式和晶片刻面工艺而具有比EELD更高的可靠性。因此，VCSEL在制造期间不需要老化，这进一步降低了成本。由于VCSEL腔长度短于EELD，并且由于激光器安装在滑块的顶部上，因此较低的总高度允许盘与盘的间距减小，潜在地可以有更多的盘，并且HDD容量更高。
此外，由于非常短的腔体长度以及一种纵向模式和DBR反射镜选择性，VCSEL具有无模式跳变的运行方式，而EELD则受到模式跳变影响。模式跳变会导致在记录过程期间突然发生激光功率的微小(通常1％至2％)的变化。必须考虑磁道宽度变化和位偏移的可能性，这降低了HDD的容量。
VCSEL的主要技术问题在于相对于EELD的相对低的输出功率。多模VCSEL可具有比单模VCSEL更大的输出功率，但用于在盘中为HAMR创建热点的波导和NFT需要单模操作。单模VCSEL通常仅具有约2mW的最大输出功率，远低于HAMR所需的10mW至20mW。由于波阵面之间的退相干，无法通过合并来自多个单独VCSEL的输出来有效地增加输出。如果使相邻VCSEL的有效区域非常靠近，则波函数将重叠到足以在其输出之间产生耦合和相位相干。利用合适的VCSEL设计和光递送方案，这些输出可合并成具有用于HAMR的NFT所需的单模功率的必须为5mW至10mW的单个波导。
在一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及波导结构，该波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该波导结构包括：耦合到NFT的波导、MMI组合器、多个波导通道，该多个波导通道耦合到与MMI组合器的第一端相对的MMI组合器的第二端，其中该多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的曲率，使得多个波导通道中的每一个波导通道与相邻波导通道相位相干。
VCSEL能够通过多个波导通道发射多道激光。磁记录头组件还包括模式转换器，该模式转换器具有耦合到VCSEL设备的第一端和与耦合到多个波导通道的模式转换器的第一端相对的第二端。多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的长度。具有更大S形弯曲长度的波导通道具有更大的传播长度。多个波导通道中的每一个波导通道具有相同的空间长度。磁介质驱动器包括磁记录头组件。
在另一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及波导结构，该波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该波导结构包括：模式转换器，该模式转换器具有耦合到VCSEL设备的第一端；MMI组合器，该MMI组合器设置成与模式转换器相邻；多个波导通道，该多个波导通道耦合在MMI组合器的第一端和与模式转换器的第一端相对的模式转换器的第二端之间，其中多个波导通道中的每一个波导通道的路径长度被配置成使得多个波导通道中的每一个波导通道的相位是可控的；以及波导，该波导耦合在与MMI组合器的第一端相对的MMI组合器的第二端与NFT之间。
多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的弯曲长度和不同的弯曲曲率。多个波导通道中的每一个波导通道具有大于约20μm的曲率半径。具有更大曲率半径的波导通道具有更大的传播长度。VCSEL能够发射多道激光，该多道激光在通过多个波导通道传播到MMI组合器的第一端中时是相位相干的。MMI组合器组合多个激光器中每一个激光器的功率。MMI组合器和模式转换器竖直对准。MMI组合器设置成垂直于模式转换器。磁介质驱动器包括磁记录头组件。
在又一个实施方案中，磁记录头组件包括：主极；NFT，该NFT设置成在面向介质的表面处与主极相邻；VCSEL设备，该VCSEL设备耦合到磁记录头组件的顶表面，该顶表面与磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及第一波导结构，该第一波导结构耦合在NFT与VCSEL设备之间，该第一波导结构包括：多个第一波导通道，该多个第一波导通道中的每一个第一波导通道具有不同曲率和不同传播长度中的至少一者，其中VCSEL能够通过多个第一波导通道发射第一多道激光；第一多模干涉(MMI)组合器，该第一多模干涉(MMI)组合器具有耦合到多个第一波导通道的第一端，其中，通过多个第一波导通道发射的第一多道激光在输入到第一MMI组合器中时是相位相干的，并且其中，该第一MMI组合器将第一多道激光中的每一道激光的功率组合成第一总功率；以及第一波导，该第一波导耦合到与第一MMI组合器的第一端相对的第一MMI组合器的第二端。
该磁记录头组件还包括设置成与第一波导结构相邻的第二波导结构，该第二波导结构包括：多个第二波导通道，该多个第二波导通道中的每一个第二波导通道具有不同曲率和不同传播长度中的至少一者，其中VCSEL能够通过多个第二波导通道发射第二多道激光；第二MMI组合器，该第二MMI组合器具有耦合到多个第二波导通道的第一端，其中，通过多个第二波导通道发射的第二多道激光在输入到第二MMI组合器中时是相位相干的，并且其中，该第二MMI组合器将第二多道激光中每一道激光的功率组合成第二总功率；以及第二波导，该第二波导耦合到与第二MMI组合器的第一端相对的第二MMI组合器的第二端。
该磁记录头组件还包括：第三MMI组合器，该第三MMI组合器具有耦合到第一波导和第二波导的第一端，其中第三MMI组合器将第一总功率和第二总功率的功率组合成第三总功率；以及第三波导，该第三波导耦合在与第三MMI组合器的第一端相对的第三MMI组合器的第二端与NFT之间。第一波导结构和第二波导结构是多维的。磁介质驱动器包括磁记录头组件。
虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种磁记录头组件，所述磁记录头组件包括：
主极；
近场换能器(NFT)，所述近场换能器(NFT)设置成在面向介质的表面处与所述主极相邻；
垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备耦合到所述磁记录头组件的顶表面，所述顶表面与所述磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及
波导结构，所述波导结构耦合在所述NFT与所述VCSEL设备之间，所述波导结构包括：
波导，所述波导耦合到所述NFT；
多模干涉(MMI)组合器，所述多模干涉(MMI)组合器具有耦合到所述波导的第一端；和
多个波导通道，所述多个波导通道耦合到与所述MMI组合器的所述第一端相对的所述MMI组合器的第二端，其中所述多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的曲率，使得所述多个波导通道中的每一个波导通道与相邻波导通道相位相干。
2.根据权利要求1所述的磁记录头组件，其中，所述VCSEL能够通过所述多个波导通道发射多道激光。
3.根据权利要求1所述的磁记录头组件，所述磁记录头组件还包括模式转换器，所述模式转换器具有耦合到所述VCSEL设备的第一端和与耦合到所述多个波导通道的所述模式转换器的所述第一端相对的第二端。
4.根据权利要求1所述的磁记录头组件，其中，所述多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的光程长度。
5.根据权利要求4所述的磁记录头组件，其中，具有更大S形弯曲长度的波导通道具有更大的传播长度。
6.根据权利要求1所述的磁记录头组件，其中，所述多个波导通道中的每一个波导通道具有相同的空间长度。
7.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求1所述的磁记录头组件。
8.一种磁记录头组件，所述磁记录头组件包括：
主极；
近场换能器(NFT)，所述近场换能器(NFT)设置成在面向介质的表面处与所述主极相邻；
垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备耦合到所述磁记录头组件的顶表面，所述顶表面与所述磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及
波导结构，所述波导结构耦合在所述NFT与所述VCSEL设备之间，所述波导结构包括：
模式转换器，所述模式转换器具有耦合到所述VCSEL设备的第一端；
多模干涉(MMI)组合器，所述多模干涉(MMI)组合器设置成与所述模式转换器相邻；
多个波导通道，所述多个波导通道耦合在所述MMI组合器的第一端和与所述模式转换器的所述第一端相对的所述模式转换器的第二端之间，其中所述多个波导通道中的每一个波导通道的路径长度被配置成使得所述多个波导通道中的每一个波导通道的相位是可控的；和
波导，所述波导耦合在与所述MMI组合器的所述第一端相对的所述MMI组合器的第二端与所述NFT之间。
9.根据权利要求8所述的磁记录头组件，其中，所述多个波导通道中的每一个波导通道具有不同的路径长度和不同的弯曲曲率。
10.根据权利要求8所述的磁记录头组件，其中，所述多个波导通道中的每一个波导通道具有大于约20μm的曲率半径，并且其中，具有更大曲率半径的波导通道具有更大的传播长度。
11.根据权利要求8所述的磁记录头组件，其中，所述VCSEL能够发射多道激光，所述多道激光在通过所述多个波导通道传播到所述MMI组合器的所述第一端中时是相位相干的。
12.根据权利要求11所述的磁记录头组件，其中，所述MMI组合器组合所述多个激光器中每一个激光器的功率。
13.根据权利要求8所述的磁记录头组件，其中，所述MMI组合器和所述模式转换器竖直对准。
14.根据权利要求8所述的磁记录头组件，其中，所述MMI组合器设置成垂直于所述模式转换器。
15.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求8所述的磁记录头组件。
16.一种磁记录头组件，所述磁记录头组件包括：
主极；
近场换能器(NFT)，所述近场换能器(NFT)设置成在面向介质的表面处与所述主极相邻；
垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备，所述垂直腔面发射激光器(VCSEL)设备耦合到所述磁记录头组件的顶表面，所述顶表面与所述磁记录头组件的面向介质的表面相对；以及
第一波导结构，所述第一波导结构耦合在所述NFT与所述VCSEL设备之间，所述第一波导结构包括：
多个第一波导通道，所述多个第一波导通道中的每一个第一波导通道具有不同曲率和不同传播长度中的至少一者，其中所述VCSEL能够通过所述多个第一波导通道发射第一多道激光；
第一多模干涉(MMI)组合器，所述第一多模干涉(MMI)组合器具有耦合到所述多个第一波导通道的第一端，其中，通过所述多个第一波导通道发射的所述第一多道激光在输入到所述第一MMI组合器中时是相位相干的，并且其中，所述第一MMI组合器将所述第一多道激光中的每一道激光的功率组合成第一总功率；和
第一波导，所述第一波导耦合到与所述第一MMI组合器的所述第一端相对的所述第一MMI组合器的第二端。
17.根据权利要求16所述的磁记录头组件，所述磁记录头组件还包括设置成与所述第一波导结构相邻的第二波导结构，所述第二波导结构包括：
多个第二波导通道，所述多个第二波导通道中的每一个第二波导通道具有不同曲率和不同传播长度中的至少一者，其中所述VCSEL能够通过所述多个第二波导通道发射第二多道激光；
第二MMI组合器，所述第二MMI组合器具有耦合到所述多个第二波导通道的第一端，其中，通过所述多个第二波导通道发射的所述第二多道激光在输入到所述第二MMI组合器中时是相位相干的，并且其中，所述第二MMI组合器将所述第二多道激光中每一道激光的功率组合成第二总功率；和
第二波导，所述第二波导耦合到与所述第二MMI组合器的所述第一端相对的所述第二MMI组合器的第二端。
18.根据权利要求17所述的磁记录头组件，所述磁记录头组件还包括：
第三MMI组合器，所述第三MMI组合器具有耦合到所述第一波导和所述第二波导的第一端，其中所述第三MMI组合器将所述第一总功率和所述第二总功率的功率组合成第三总功率；和
第三波导，所述第三波导耦合在与所述第三MMI组合器的所述第一端相对的所述第三MMI组合器的第二端与所述NFT之间。
19.根据权利要求17所述的磁记录头组件，其中，所述第一波导结构和所述第二波导结构是多维的。
20.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求16所述的磁记录头组件。
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