JP2004288240A - Optical element, optical head, and optical recording/reproducing device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子およびそれを用いた光記録用ヘッドおよび光記録再生装置に関し、特に、光学素子の備える導電性フィルムに波長以下の開口と表面形状を有し、非常に高いスループットを可能とする光学素子およびそれを用いた光ヘッドおよび光記録再生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
CD−ROM(コンパクトディスク−読み出し専用メモリ)及びDVD(デジタルビデオディスク)のような光記録媒体は、その高い記録密度、コンパクトな設計、ポータビリティ及び頑強性等の特長を有し、とくに媒体及び記録再生装置の両方が低価格になりつつあるために、ますます魅力的なデータ記憶媒体になりつつある。この光記録媒体には、長時間の映像データの記録再生のために、さらに高い記録密度が望まれている。
【0003】
現在の値を超えて記録密度を増加するためには、データを書き込みあるいは読み取る光ビームのサイズを小さくすることが必要である。通常の光学系、すなわち集光レンズを用いたときの、その焦点における光スポットのサイズは、主に波長とレンズの開口数により決定される。一般には短波長の光源と高い開口数を有するレンズを使用することで光スポットのサイズを小さくすることができる。しかしこの方法では、いわゆる回折限界による最小化しうるスポットサイズに限界が存在する。そのサイズは光源の波長の半分程度である。
【0004】
最近、この回折限界に束縛されない技術として近接場光学技術が注目を集めている。例えば波長以下の大きさの微小な開口付近には、その開口サイズと同程度の微小な光スポットが形成される。これを利用すれば開口を記録媒体に近接させることで、光源の波長に限定されない微小な光スポットによる微小なピットの書き込みあるいは読み出しの実現が期待できる。
【0005】
一方、このような近接場光学技術を利用した光ヘッドでは、解決しなければならない問題があった。それは、光の利用効率が低く、開口を介した光の十分な伝送を行うことが困難であるという問題である。金属膜に設けた波長λ以下の大きさの開口(開口径d)を透過する光のパワーは、H.A.Bethe、「微小孔による回折理論(Theory of Diffraction by Small Hall)」、Physical Review、巻66、頁163−182(1944年)に記されているように(d/λ)の4乗に比例して著しく減衰する。したがって微小な開口を介した光伝送は、読み出し用には信号対雑音比が低すぎ、書き込み用には光強度が低すぎるという問題を潜在的に抱えており、結果として近接場光学技術を用いた実用的な光ヘッドは今までに得られていない。
【0006】
このような状況を打破するべく、光の波長未満の径を有する開口列をもった金属フィルムを使用して、開口列を透過する光の透過率が著しく高められた光伝送技術が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。
これによれば、開口を周期的な配列で配置することにより、または開口と連携して前記導電性フィルム上に周期的な表面形状を設けることにより、導電性フィルムに照射された光の導電性フィルムに設けた波長以下の直径を有する1つ以上の開口を透過する光強度が周期的な開口や表面形状がない場合に比べて大幅に増加する。実験的な検証によれば、増加率は1,000倍にも達することがある。この増加は、導電性フィルムに入射する光が導電性フィルムに励起される表面プラズモン・モードと共鳴的に相互作用するときに起こると記載されている。
【0007】
さらに、阪口らは、近接場光記録用ヘッドの微弱な透過光量を改善すべく、上記の金属膜を通して設けられた波長以下の大きさの開口と周期的な表面形状を介して起こる表面プラズモン・エンハンス効果(surface plasmon−enhancement)を利用した非常に高い透過光パワー密度と分解能を有する光記録装置用の読み出し/書き込みヘッドを開示した(例えば特許文献1参照)。この光記録ヘッドでは金属膜は、開口と金属膜の表面の少なくとも一方の上に設けられた周期的な表面形状により、金属膜の表面の一方に入射する光が金属膜の表面の少なくとも一方での表面プラズモン・モードと相互作用し、それにより、金属膜を貫通する開口を通る透過光が増大することが示されている。
【0008】
しかし、Ebbesenら、あるいは阪口らの示す表面プラズモンを利用した高効率光透過においても。従来の形状においては十分な光透過光率は得られておらず、今日まで十分な伝送効率を示す波長未満径の開口デバイスは実現されていない。
【0009】
【非特許文献1】
Ebbesen著「波長未満口径の孔列による驚くべき光伝送(Extraordinary optical transmission through sub−wavelength hole arrays)」、Nature、No.391、p.667−669(1988年2月12日)
【特許文献1】
特開2001−291265号公報(第8−10、図1)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、波長以下の開口を介した光の伝送は非常に困難であり、また、これを解決するために表面プラズモン効果で増幅された透過光を利用することが提案されているが、得られる透過光の入射光に対する利用効率がいまだ十分ではないという問題があった。
本発明の目的は、開口と表面形状を有する導電性フィルムにおいて高効率で光を伝送することを可能にする光学素子と、これを用いた光ヘッドおよび光記録再生装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光学素子を提供する。その光学素子は、第1および第2の表面を有し、第1の表面から第2の表面に連通する複数の開口が周期的に設けられた導電性フィルムの、第1の表面に入射し開口を通じて伝送される光の強度が、開口が周期的ではない場合に比べて増強される光学素子であって、開口における第1の表面の側の開口径が、第2の表面の側の開口径より大きいことを特徴とする。
また、第1および第2の表面を有し、第1の表面から第2の表面に連通する少なくとも1つの開口と第1および第2の表面の少なくとも一つの表面に周期的に設けられた表面形状とを有する導電性フィルムの、第1の表面に入射し開口を通じて伝送される光の強度が、表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、開口における第1の表面の側の開口径が、第2の表面の側の開口径より大きい。
第2の表面の側の開口径は、入射する光の波長より小さい。
第1の表面から第2の表面に連通する開口の形状は、テーパ状に開口径が小さくなっていること、あるいは複数の段差によって形成されている。
このような開口形状を有することにより、表面プラズモン・モードに結合した光を効率良く出射側の微小開口に伝送し、高透過効率を実現することが可能となる。
【0012】
また、本発明は、光ヘッドを提供する。第1の光ヘッドは、光源からの光によって光記録媒体に情報を少なくとも記録する光ヘッドであって、前記の光学素子と、前記光源の出力光を導波する導波手段と、導波手段の出力光を前記の光学素子の集光部に集光する手段を備え、前記の光学素子の第2の表面の側の開口を前記光記録媒体に近接して配設している。
また、光記録媒体の回転により光記録媒体表面から所定の高さに浮上させるためのスライダー形状が形成されており、導波手段が、光ファイバであり、集光手段が、前記光ファイバの出射光をコリメートするレンズとコリメート光の光軸を直角に偏向する直角プリズムとコリメート光を前記集光部に集光するレンズを備え、前記の導電性フィルムの第2の表面が、スライダー形状の浮上面とほぼ同一面を成している。
また、本発明の第2の光ヘッドは、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録再生する光ヘッドであって、前記の光学素子と、光源の出力光を導波する導波手段と、導波手段の出力光を前記の光学素子の集光部に集光する手段と、光学素子の開口付近に前記の光記録媒体からの反射光を受光する受光素子を備え、光学素子の開口を前記光記録媒体に近接して配設している。
また、光記録媒体の回転により光記録媒体表面から所定の高さに浮上させるためのスライダー形状が形成されており、導波手段が、光ファイバであり、集光手段が、光ファイバの出射光をコリメートするレンズとコリメート光の光軸を直角に偏向する直角プリズムとコリメート光を集光部に集光するレンズを有し、導電性フィルムの第2の表面の開口付近に光記録媒体からの反射光を受光する受光素子を備え、導電性フィルムの第2の表面が、前記スライダー形状の浮上面とほぼ同一面を成している。
上記の構成によって、微小開口からの出射光を光記録媒体に記録可能な値以上に高め、従来になく高密度に情報を記録再生することを可能にする光ヘッドが得られる。
【0013】
また、本発明は、光記録再生装置を提供する。その光記録再生装置は、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録し、記録媒体からの反射光によって光記録媒体に記録された情報を再生する光ヘッドによって情報を記録再生する光記録再生装置であって、光ヘッドが、前記の第2の光ヘッドである。
また、別なる光記録再生装置は、記録用光ヘッドと再生用光ヘッドを備え、光記録媒体に情報を記録再生する光記録再生装置であり、記録用光ヘッドが、前記第1の光ヘッドであり、再生用光ヘッドが、光記録媒体を透過する透過光を受光して再生する光ヘッドである。
また、別なる光記録再生装置は、記録用ヘッドと再生用ヘッドを備え、光記録媒体に情報を記録再生する光記録再生装置であり、光記録媒体が光磁気記録媒体であり、記録用ヘッドが、前記の第1の光ヘッドであり、再生用ヘッドが、光磁気記録媒体の漏れ磁束を検出する磁気抵抗効果を用いた磁気ヘッドである。
上記の構成によって、従来になく高密度に情報を記録再生することを可能にする光記録再生装置が得られる。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1ないし図5は、本発明による光学素子10の一実施例を示す図である。
光学素子10は、第1の表面20aと第2の表面20bを含む導電性フィルム20を有し、入射光は、導電性フィルム20の第1の表面20aに照射される。導電性フィルム20は、少なくとも1つの孔、すなわち開口30を有し、複数の開口30を有するものでも良い。開口30は、第1の表面20aにおける開口30の直径daが、第2の表面20bにおける開口30の直径dbよりも大きい。導電性フィルム20に複数の周期的に配列された複数の開口30が形成されている場合、周期はPである。導電性フィルム20は金属、あるいはドープ処理をした半導体材料からなり、アルミニウム、銀、金、クロム等が望ましい。
【0015】
導電性フィルム20は、導電性フィルム20の1つの面あるいは両面に周期的な表面形状が備えられているとともに、単一の開口30あるいは複数の周期的に配列された開口30が備えられているものであってもよい。開口30が単一の場合、周期的な表面形状は、導電性フィルム20の少なくとも1つの表面に備えられているべきである。開口30が複数の場合、周期的な表面形状は、複数の開口30自身が周期的に配列されているのであれば、周期的な表面形状は必ずしも必要ではないが、透過効率を最大にするため、導電性フィルム20の少なくとも1つの表面に備えられていてもよい。
周期的な表面形状を含む表面とは、ほぼ平滑な表面とは反対に隆起した、および、もしくは、沈下した領域を示す全ての表面で、これらの領域は周期性または規則的反復パターン(例えば、規則的な二次元格子)で配列されている。
【0016】
導電性フィルム20の全厚みを貫通する開口30と、それが無ければ導電性フィルム20が開口30を除いて名目上平滑となる突起や窪みを識別するため、導電性フィルム20の全厚みを貫通せず、それゆえ開口ではない表面の突起、または、窪みを述べるのに表面形状なる用語を使用する。表面形状は如何なる希望の形にも形成できる。尚、本発明の意図は表面形状の如何なる特定寸法によっても限定されないが、しかし表面形状の幅、すなわち、周期性方向における表面形状の寸法dSFは、表面形状の周期Pより小さく作られるのが好ましい。さらに、表面形状の周期Pに導電性フィルム20に隣接する媒体の屈折率ndを乗じた値もまた、導電性フィルム20を通じて伝送する光の最大波長λより小さく(最適にはほんの僅か小さく)作られるのが望ましい。すなわち、dSF、P、nd、λ間の好ましい関係は、dSF<P、および、ndP<λである。但し、上記の関係は本発明を制限するものではない。ここで、二つの異なる媒体が導電性フィルム20の二つの表面に隣接している場合、ndが二つの媒体における屈折率の小さい方に等しいことが好ましい。
【0017】
図1の上部に矢印で記号表示されたIincidentの強度を有する入射光は、導電性フィルム20の第1の表面20aに向かい、導電性フィルム20の第2の表面20b内の開口30から増大された強度Ioutputを有する図1の下部に矢印で記号表示された出力光として伝送される。光がこの構造を通って反対方向に移動した場合、すなわち、もし光が第2の表面20bに入射し第1の表面から出力光として伝送された場合にも伝送強度の増大が起こることは注目すべきことである。本発明では、光が入射する第1の表面20aにおける開口30の直径daを、第2の表面20bにおける開口30の直径dbより広げることにより、第2の表面20bにおける開口30の直径dbを小さく保ったまま、すなわち、第2の表面20b近傍における出射光の光スポットのサイズを微小に保ったまま、出射光が顕著に増大される。
第2の表面20bにおける開口30の直径dbは、伝送強度を最大限増強して最高解像度を得るために、開口30上に入射する入射光の波長より小さいことが望ましい。すなわち、出射側の開口は波長未満の直径を持つことが好ましい。
第1の表面20aから第2の表面20bに連通する開口30の形状は、テーパ状、あるいは複数の段差形状によって形成されていてもよい。
導電性フィルム20の厚みはtで表示され、導電性フィルムは光学的に不透明であるように十分厚くなければならない。すなわち、入射光の浸透厚より大きくなくてはならない。
図1ないし図2に示した実施例には、支持されていない薄い導電性フィルム20が示されている。すなわち、導電性フィルム20は支持構造(基板)に隣接または固着されていない。しかし本発明では、導電性フィルムをガラスまたは石英上に堆積させ、薄い導電性フィルム20を基板に固定してもよい。
【0018】
基板を使用する時には、露出(空気)表面か導電性フィルム−基板の界面にある表面上のいずれかに周期的表面を設けることができる。導電性フィルム−基板の界面にある導電性表面上に周期的な表面形状を設ける場合には、例えばパターンの陰画を基板表面上に作り、陰画パターンを形成した基板上に導電性フィルムを堆積させることにより、導電性フィルム上に表面形状を設けることができる。
図3に、表面形状40が窪みの周期配列の場合の実施例を、図4に表面形状40が溝の一次元周期配列の場合の実施例を、図5に表面形状40が同心円状の場合の実施例を、それぞれ示す。
【0019】
さらに、図1ないし図2に示した実施例の開口30は、円形であるが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの形状を他の形、例えばスリット形、長方形、または楕円形にすることができる。上述のように、本発明の主旨から言って、波長以下の高分解能特性を得る上で、出射側の開口は波長より小さな直径をもつことが好ましく、開口がスリットや、長方形、楕円形である場合には、少なくともその短軸方向の長さが波長よりも小さいことが望ましい。
【0020】
ここで複数の開口あるいは表面形状の周期Pについて、表面プラズモン・モードを考慮した上で好ましい寸法について説明する。入射光の波長をλ、周期をPとすると、導電性フィルムに垂直に光を入射させた場合の、表面プラズモン・モードが効果的に励起される条件は次式で表される。
λ=P・(εmεd/(εm+εd))1/2 (1)
ここで、εmは導電性フィルムの誘電率、εdは導電性フィルムに隣接する誘電媒体の誘電率を表す。
【0021】
例えば導電性フィルムとして銀を用い、複数の開口あるいは表面形状の周期を600nmとした場合、波長630nm付近に光透過強度のピークが現れた。また、周期を750nmとした場合、波長790nm付近に光透過強度のピークが現れた。この結果は(1)式と照らし合わせると、銀の空気側の表面における表面プラズモン・モードによる光透過強度の増強現象として説明できる。このように使用する光源の波長に合わせて周期を決めることで光学素子を伝送するする光を好適に増強することができる。なお上記のように光源の波長に対して周期を調整しなくても何らかの周期構造が設けられていれば光の増強は起こる。
なお実際の製造を前提とした現実的な構造を考えると、例えば導電性フィルムの一方の表面が空気、もう一方の表面が導電性フィルムを支持する基体(基板)である場合等、両側が必ずしも同じ誘電媒体でない状態が考えられる。その場合は、(1)式に基づき、それぞれの誘電媒体に適した周期形状を形成しても良い。
【0022】
次に、本発明の光学素子の動作について説明する。
図6は、基板に支持されていない膜厚100nmの銀膜に、周期600nmの開口を形成した場合について、開口形状を変化させたときの光透過率を表したものである。図6では、開口形状はテーパ状となるように制御し、また、出射側の開口を100nmとしたまま、入射側の開口径を100nmから300nmまで変化させた場合の結果を示した。光透過率は、透過光が最大となる波長での入射側と出射側の開口径が両者とも100nmの場合の光透過率を1として規格化した値を表示した。光透過率は、入射側の開口径の増加とともに顕著な増大を示すことがわかる。
【0023】
開口は、集束イオンビーム(FIB)加工によって形成し、開口部の形状をFIB加工プロセスによって制御した。まず、FIBのビームアパーチャ径を最小にし、所定の開口パターンに合わせて、ビームを走査する。これを1セットとし、このセットを複数回繰り返すことによって表面から裏面へ連通する開口を形成することが可能になる。ここで、繰り返しセットごとにビーム走査範囲を狭めていくことで、表面の開口径に対して、裏面の開口径を小さくした開口形状を得ることができる。
開口形状を、テーパ状に小さくしたり、あるいは階段状に小さくしていくには、1セットにおけるビ−ム走査時間および全セット数を適切な値に設定することによって可能である。
【0024】
図7は、ガラス基板上に成膜された膜厚300nmの銀膜に、FIB加工により周期600nmの開口を形成した場合の光透過率を表したものである。開口は、出射側の開口径を150nmとしたまま、入射側の開口径を150nmから400nmまで変化させた。光透過率は、透過スペクトルから透過光が最大となる波長での値を抽出し、さらに入射側と出射側の開口径が両者とも150nmの場合の光透過率を1として規格化した値を表示した。光透過率は、入射側の開口径の増加とともに顕著な増大を示すことがわかる。
【0025】
本発明の光学素子を用いれば、例えば、波長選択等が可能な光学フィルター、フォトリソグラフィーマスク、集光装置など、ナノフォトニクスへ広く応用することが可能である。また、本発明の光学素子は、少なくとも1つの開口に対して周期的な表面形状を備えることによっても同様の効果を発揮し、顕微用プローブや、光ヘッドへの応用が可能である。
【0026】
図8は、本発明の光学素子を用いて構成する光ヘッドの一実施形態を示したものである。本実施形態の説明において使用される「光記録媒体」は、光を使用してデータが書き込まれまたは読み取られる任意の媒体を意味し、相変化媒体に制限されるものではない。媒体が光磁気材料の場合には、書き込みは光学的に行われ、読み出しは光学的にではなく磁気的に行われる場合もある。
図8における光ヘッド200は、光記録媒体150の回転により光ヘッドを所定の高さに浮上させるためのスライダー形状の上に形成されている。レーザ80を出射するレーザ光は光ファイバ100を介して導入され、マイクロレンズからなるコリメータレンズ60を配置することによりコリメートした。さらに、コリメートされた光は全反射ミラー70により直角方向に光路を変え、さらにその下に置かれたフォーカスレンズ50により、本発明に記載の光学素子10に導かれる。
【0027】
次に本発明の光ヘッドを用いた光記録再生装置の一実施形態を示す。
図9に光記録再生装置300を示す。光記録再生装置300は、回転軸310によって回転する光記録媒体340と、回転軸を中心に光ヘッド200を回転可能に支持するサスペンション320と、サスペンション320を回転させるヘッドアクチュエータ330を有する。光記録媒体340を高速回転させることでサスペンション320の先端に位置する光ヘッド200は浮上し、光学素子10の表面と光記録媒体340の間の距離を100nm以下に保って走行して、従来になく高密度に情報を記録することが可能となる。
【0028】
光記録媒体に記録された情報を再生するためには、図8の光ヘッドにおいて、導電性フィルム30の光記録媒体側表面にフォトディテクタを形成することによって、媒体からの反射光を読み出すことができる。
【0029】
また、本発明の光ヘッドを記録専用のヘッドとし、媒体を挟んでこの光記録ヘッドと対向して再生ヘッド置き、媒体の透過光を検出する方法も可能である。また、光記録媒体として光磁気記録媒体を用い、媒体からの漏れ磁束を磁気抵抗効果を用いたヘッドで再生することもできる。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、波長以下の開口が周期的に配列された導電性フィルム、あるいは、波長以下の開口と周期的な表面形状を有する導電性フィルムからなる光学素子において、入射側の開口径を出射側の開口径より大きくすることによって、出射光の光スポットのサイズを小さく保ったまま、出射光を顕著に増大させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光学素子の典型的実施例の斜視図である。
【図2】図1に示す光学素子における導電性フィルムの第1の表面図2(A)及び第2の表面図2(B)の平面図である。
【図3】本発明の別なる光学素子における導電性フィルムの第1の表面図3(A)及び第2の表面図3(B)の平面図である。
【図4】本発明の別なる光学素子における導電性フィルムの第1の表面図4(A)及び第2の表面図4(B)の平面図である。
【図5】本発明の別なる光学素子における導電性フィルムの第1の表面図5(A)及び第2の表面図5(B)の平面図である。
【図6】本発明による光学素子の、出射側の開口径と、光透過率の相関を示すグラフである。
【図7】本発明による光学素子の、出射側の開口径と、光透過率の相関を示すグラフである。
【図8】本発明の光ヘッドの一実施形態の概略図である。
【図9】本発明の光記録再生装置の一実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
10 光学素子
20 導電性フィルム
20a 第1の表面
20b 第2の表面
30 開口
40 表面形状
50 フォーカスレンズ
60 コリメータレンズ
70 全反射ミラー
80 レーザ
100 光ファイバ
150 光記録媒体
200 光ヘッド
300 光記録再生装置
310 回転軸
320 サスペンション
330 ヘッドアクチュエータ
340 光記録媒体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element, an optical recording head and an optical recording / reproducing apparatus using the same, and more particularly to a conductive film provided with the optical element, which has an opening and a surface shape smaller than a wavelength, and enables a very high throughput. The present invention relates to an optical element, an optical head and an optical recording / reproducing apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
Optical recording media such as CD-ROM (compact disc-read only memory) and DVD (digital video disc) have features such as high recording density, compact design, portability and robustness. With both playback devices becoming cheaper, they are becoming increasingly attractive data storage media. For this optical recording medium, a higher recording density is desired for recording and reproducing video data for a long time.
[0003]
In order to increase the recording density beyond the current value, it is necessary to reduce the size of a light beam for writing or reading data. When an ordinary optical system, that is, a condensing lens is used, the size of the light spot at the focal point is mainly determined by the wavelength and the numerical aperture of the lens. In general, the size of the light spot can be reduced by using a short wavelength light source and a lens having a high numerical aperture. However, in this method, there is a limit on a spot size that can be minimized by a so-called diffraction limit. Its size is about half the wavelength of the light source.
[0004]
Recently, near-field optical technology has attracted attention as a technology that is not restricted by the diffraction limit. For example, in the vicinity of a small opening having a size equal to or smaller than the wavelength, a small light spot having the same size as the opening size is formed. By utilizing this, it is expected that writing or reading of minute pits by a minute light spot which is not limited to the wavelength of the light source can be realized by bringing the opening close to the recording medium.
[0005]
On the other hand, the optical head using such near-field optical technology has a problem to be solved. The problem is that the light use efficiency is low and it is difficult to sufficiently transmit the light through the aperture. The power of light transmitted through an opening (opening diameter d) having a size equal to or smaller than the wavelength λ provided in the metal film is described in H.A. A. As described in Bethe, "Theory of Diffraction by Small Hall", Physical Review, Vol. 66, pp. 163-182 (1944), it is proportional to (d / λ) to the fourth power. Significantly attenuated. Therefore, optical transmission through small apertures potentially has the problem that the signal-to-noise ratio is too low for reading and the light intensity is too low for writing, resulting in the use of near-field optics. No practical optical head has been obtained so far.
[0006]
In order to overcome such a situation, an optical transmission technique has been disclosed in which a metal film having an aperture array having a diameter smaller than the wavelength of light is used, and the transmittance of light transmitted through the aperture array is significantly increased. (For example, see Non-Patent Document 1).
According to this, by arranging the openings in a periodic arrangement, or by providing a periodic surface shape on the conductive film in cooperation with the openings, the conductivity of the light applied to the conductive film is reduced. The light intensity transmitted through one or more openings having a diameter equal to or less than the wavelength provided in the film is greatly increased as compared with a case where there are no periodic openings or surface shapes. According to experimental verification, the rate of increase can be as high as 1,000 times. This increase is stated to occur when light incident on the conductive film interacts resonantly with the surface plasmon mode excited in the conductive film.
[0007]
Furthermore, Sakaguchi et al., In order to improve the weak transmitted light amount of the near-field optical recording head, surface plasmon and laser light generated through an aperture having a size equal to or less than the wavelength provided through the metal film and a periodic surface shape. A read / write head for an optical recording apparatus having a very high transmitted light power density and resolution utilizing a surface plasmon-enhancement has been disclosed (see, for example, Patent Document 1). In this optical recording head, the metal film has a periodic surface shape provided on at least one of the opening and the surface of the metal film, so that light incident on one of the surfaces of the metal film has at least one of the surfaces of the metal film. Has been shown to interact with the surface plasmon mode of the, thereby increasing transmitted light through the aperture through the metal film.
[0008]
However, Ebbesen et al. Or Sakaguchi et al. Show highly efficient light transmission using surface plasmons. In the conventional shape, a sufficient light transmittance has not been obtained, and an aperture device having a diameter smaller than the wavelength and exhibiting sufficient transmission efficiency has not been realized to date.
[0009]
[Non-patent document 1]
Ebbesen, "Extraordinary optical transmission through sub-wavelength holes arrays", Nature, No. 1988. 391, p. 667-669 (February 12, 1988)
[Patent Document 1]
JP 2001-291265 A (No. 8-10, FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, it is very difficult to transmit light through an aperture having a wavelength equal to or less than the wavelength, and it has been proposed to use transmitted light amplified by the surface plasmon effect in order to solve this. There is a problem that the utilization efficiency of the obtained transmitted light with respect to the incident light is not yet sufficient.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical element capable of transmitting light with high efficiency in a conductive film having an opening and a surface shape, and an optical head and an optical recording / reproducing apparatus using the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an optical element. The optical element has a first surface and a second surface, and is incident on a first surface of a conductive film in which a plurality of openings communicating from the first surface to the second surface are periodically provided. An optical element wherein the intensity of light transmitted through the aperture is enhanced compared to when the aperture is not periodic, wherein the aperture diameter of the aperture on the first surface side is less than the aperture diameter on the second surface side. It is characterized by being larger than the caliber.
Also, a surface having first and second surfaces, at least one opening communicating from the first surface to the second surface, and a surface periodically provided on at least one of the first and second surfaces An optical element, wherein the intensity of light incident on the first surface and transmitted through the opening of the conductive film having the shape is enhanced as compared with the case where there is no surface shape, wherein The opening diameter on the side is larger than the opening diameter on the side on the second surface.
The diameter of the opening on the side of the second surface is smaller than the wavelength of the incident light.
The shape of the opening communicating from the first surface to the second surface is formed by a tapered shape having a small opening diameter or by a plurality of steps.
By having such an aperture shape, light coupled to the surface plasmon mode can be efficiently transmitted to the small aperture on the emission side, and high transmission efficiency can be realized.
[0012]
The present invention also provides an optical head. A first optical head for recording at least information on an optical recording medium by light from a light source, said optical element; a waveguide means for guiding output light of said light source; Means for condensing the output light on the light condensing portion of the optical element, and an opening on the second surface side of the optical element is arranged close to the optical recording medium.
Further, a slider shape for floating the optical recording medium to a predetermined height from the optical recording medium surface by rotation of the optical recording medium is formed, the waveguide means is an optical fiber, and the condensing means is an exit of the optical fiber. A lens for collimating the emitted light, a right-angle prism for deflecting the optical axis of the collimated light at a right angle, and a lens for condensing the collimated light on the condensing portion, wherein the second surface of the conductive film has a slider-shaped floating surface It is almost the same as the surface.
Also, a second optical head of the present invention is an optical head for recording and reproducing information on an optical recording medium by light from a light source, wherein the optical element and a waveguide means for guiding output light of the light source. Means for condensing the output light of the waveguide means to the light condensing portion of the optical element, and a light receiving element for receiving reflected light from the optical recording medium near an opening of the optical element; Is disposed close to the optical recording medium.
Further, a slider shape for floating the optical recording medium to a predetermined height from the surface of the optical recording medium by rotation of the optical recording medium is formed, the waveguide means is an optical fiber, and the condensing means is the light emitted from the optical fiber. A collimating lens, a right-angle prism for deflecting the optical axis of the collimated light at a right angle, and a lens for condensing the collimated light to a condensing portion. A light-receiving element for receiving reflected light is provided, and a second surface of the conductive film is substantially flush with the slider-shaped floating surface.
With the above configuration, it is possible to obtain an optical head capable of increasing the light emitted from the minute aperture to a value that can be recorded on the optical recording medium or more, and recording and reproducing information at a higher density than ever before.
[0013]
Further, the present invention provides an optical recording / reproducing apparatus. The optical recording / reproducing apparatus records information on an optical recording medium with light from a light source, and records / reproduces information with an optical head that reproduces information recorded on the optical recording medium with reflected light from the recording medium. An apparatus, wherein the optical head is the second optical head.
Another optical recording / reproducing apparatus is an optical recording / reproducing apparatus including a recording optical head and a reproducing optical head for recording / reproducing information on / from an optical recording medium, wherein the recording optical head is the first optical head. And the reproducing optical head is an optical head that receives and transmits the transmitted light transmitted through the optical recording medium.
Another optical recording and reproducing apparatus is an optical recording and reproducing apparatus that includes a recording head and a reproducing head and records and reproduces information on and from an optical recording medium. The optical recording medium is a magneto-optical recording medium. Is the first optical head, and the reproducing head is a magnetic head using a magnetoresistive effect for detecting a leakage magnetic flux of a magneto-optical recording medium.
With the above configuration, an optical recording / reproducing apparatus which can record / reproduce information at a higher density than ever before can be obtained.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 5 are views showing an embodiment of the
The
[0015]
The conductive film 20 has a periodic surface shape on one surface or both surfaces of the conductive film 20, and has a
Surfaces that include periodic surface features are all surfaces that exhibit raised and / or subsided regions as opposed to substantially smooth surfaces, where these regions have a periodic or regular repeating pattern (eg, (A regular two-dimensional lattice).
[0016]
The
[0017]
Incident light having the intensity of Iincident, symbolized by the arrow at the top of FIG. 1, is directed toward the first surface 20a of the conductive film 20 and is increased from the
The diameter db of the
The shape of the
The thickness of the conductive film 20 is denoted by t, and the conductive film must be thick enough to be optically opaque. That is, it must be greater than the penetration thickness of the incident light.
1 and 2, an unsupported thin conductive film 20 is shown. That is, the conductive film 20 is not adjacent to or fixed to the support structure (substrate). However, in the present invention, the conductive film may be deposited on glass or quartz, and the thin conductive film 20 may be fixed to the substrate.
[0018]
When using a substrate, a periodic surface can be provided either on the exposed (air) surface or on the surface at the conductive film-substrate interface. When a periodic surface shape is provided on the conductive surface at the conductive film-substrate interface, for example, a negative of the pattern is formed on the substrate surface, and the conductive film is deposited on the substrate on which the negative pattern is formed. Thereby, a surface shape can be provided on the conductive film.
FIG. 3 shows an embodiment in which the surface shape 40 is a periodic array of depressions, FIG. 4 shows an embodiment in which the surface shape 40 is a one-dimensional periodic array of grooves, and FIG. 5 shows a case in which the surface shape 40 is concentric. Are shown below.
[0019]
Further, the
[0020]
Here, with respect to the period P of the plurality of openings or the surface shape, a preferable dimension in consideration of the surface plasmon mode will be described. Assuming that the wavelength of the incident light is λ and the period is P, the condition where the surface plasmon mode is effectively excited when the light is vertically incident on the conductive film is expressed by the following equation.
λ = P · (ε m ε d / (ε m + ε d )) 1/2 (1)
Here, epsilon m is the dielectric constant of the conductive film, epsilon d represents the dielectric constant of the dielectric medium adjacent to the conductive film.
[0021]
For example, when silver is used as the conductive film and the period of the plurality of openings or the surface shape is 600 nm, a peak of the light transmission intensity appears at a wavelength of about 630 nm. When the period was set to 750 nm, a peak of the light transmission intensity appeared near the wavelength of 790 nm. This result can be explained as a phenomenon in which the light transmission intensity is enhanced by the surface plasmon mode on the air-side surface of silver when compared with the expression (1). By determining the period according to the wavelength of the light source used in this manner, light transmitted through the optical element can be suitably enhanced. Even if the period is not adjusted with respect to the wavelength of the light source as described above, light enhancement occurs if any periodic structure is provided.
Considering a realistic structure on the premise of actual production, for example, when one surface of a conductive film is air and the other surface is a base (substrate) supporting the conductive film, both sides are not necessarily required. It is possible that the same dielectric medium is not used. In that case, a periodic shape suitable for each dielectric medium may be formed based on the expression (1).
[0022]
Next, the operation of the optical element of the present invention will be described.
FIG. 6 shows the light transmittance when the opening shape is changed when an opening having a period of 600 nm is formed in a 100 nm-thick silver film that is not supported by the substrate. FIG. 6 shows a result in a case where the opening shape is controlled to be tapered, and the diameter of the opening on the incident side is changed from 100 nm to 300 nm while the opening on the emission side is kept at 100 nm. The light transmittance is a value obtained by standardizing the light transmittance as 1 when the aperture diameter on both the entrance side and the exit side at the wavelength at which the transmitted light is maximum is 100 nm. It can be seen that the light transmittance shows a remarkable increase as the diameter of the opening on the incident side increases.
[0023]
The opening was formed by focused ion beam (FIB) processing, and the shape of the opening was controlled by the FIB processing. First, the beam is scanned in accordance with a predetermined aperture pattern while minimizing the beam aperture diameter of the FIB. By setting this as one set and repeating this set a plurality of times, it is possible to form an opening communicating from the front surface to the back surface. Here, by narrowing the beam scanning range for each repetition set, it is possible to obtain an opening shape in which the opening diameter on the back surface is smaller than the opening diameter on the front surface.
The opening shape can be made smaller in a tapered shape or stepwise by setting the beam scanning time in one set and the total number of sets to appropriate values.
[0024]
FIG. 7 shows the light transmittance when an opening having a period of 600 nm is formed by FIB processing in a 300-nm thick silver film formed on a glass substrate. The diameter of the opening was changed from 150 nm to 400 nm while the diameter of the opening on the emission side was kept at 150 nm. For the light transmittance, the value at the wavelength at which the transmitted light is maximum is extracted from the transmission spectrum, and the value is standardized assuming that the light transmittance is 1 when both the entrance and exit apertures are 150 nm. did. It can be seen that the light transmittance shows a remarkable increase as the diameter of the opening on the incident side increases.
[0025]
The optical element of the present invention can be widely applied to nanophotonics, for example, an optical filter capable of selecting a wavelength, a photolithography mask, a condensing device, and the like. Further, the optical element of the present invention exerts the same effect by providing a periodic surface shape for at least one aperture, and can be applied to a microscope probe or an optical head.
[0026]
FIG. 8 shows an embodiment of an optical head constituted by using the optical element of the present invention. The “optical recording medium” used in the description of the present embodiment means any medium on which data is written or read using light, and is not limited to a phase change medium. When the medium is a magneto-optical material, writing may be performed optically and reading may be performed magnetically instead of optically.
The
[0027]
Next, an embodiment of an optical recording / reproducing apparatus using the optical head of the present invention will be described.
FIG. 9 shows an optical recording / reproducing
[0028]
In order to reproduce the information recorded on the optical recording medium, in the optical head of FIG. 8, by forming a photodetector on the surface of the
[0029]
Further, a method is also possible in which the optical head of the present invention is a recording-only head, and a reproducing head is placed opposite to the optical recording head with the medium interposed therebetween to detect light transmitted through the medium. Further, a magneto-optical recording medium may be used as an optical recording medium, and a magnetic flux leaking from the medium may be reproduced by a head using a magnetoresistance effect.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, the present invention relates to a conductive film in which openings of wavelengths or less are periodically arranged, or an optical element including a conductive film having openings of wavelengths or less and a periodic surface shape. By making the opening diameter larger than the opening diameter on the emission side, there is an effect of significantly increasing the emission light while keeping the size of the light spot of the emission light small.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment of the optical element of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a first surface diagram 2 (A) and a second surface diagram 2 (B) of a conductive film in the optical element shown in FIG.
FIG. 3 is a plan view of a first surface diagram (A) and a second surface diagram (B) of a conductive film in another optical element of the present invention.
FIG. 4 is a plan view of a first surface diagram (A) and a second surface diagram (B) of a conductive film in another optical element of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a first surface diagram (A) and a second surface diagram (B) of a conductive film in another optical element of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the correlation between the aperture diameter on the emission side and the light transmittance of the optical element according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the correlation between the aperture diameter on the emission side and the light transmittance of the optical element according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of an embodiment of the optical head of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of an embodiment of an optical recording / reproducing apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (19)
前記開口における前記第1の表面の側の開口径が、前記第2の表面の側の開口径より大きいことを特徴とする光学素子。A conductive film having a first surface and a second surface, wherein a plurality of openings communicating from the first surface to the second surface are periodically provided; An optical element, wherein the intensity of light transmitted through the optical element is increased compared to the case where the aperture is not periodic,
An optical element, wherein an opening diameter of the opening on the first surface side is larger than an opening diameter of the second surface side.
前記開口における前記第1の表面の側の開口径が、前記第2の表面の側の開口径より大きいことを特徴とする光学素子。At least one opening communicating with the first surface from the first surface to the second surface, and at least one of the first and second surfaces is provided periodically on at least one of the first and second surfaces. An optical element, in which the intensity of light incident on the first surface and transmitted through the opening of the conductive film having a curved surface shape is enhanced as compared to a case without the surface shape,
An optical element, wherein an opening diameter of the opening on the first surface side is larger than an opening diameter of the second surface side.
前記集光手段が、前記光ファイバの出射光をコリメートするレンズと前記コリメート光の光軸を直角に偏向する直角プリズムと前記コリメート光を前記集光部に集光するレンズを備え、
前記導電性フィルムの前記第2の表面が、前記スライダー形状の浮上面とほぼ同一面を成す、ことを特徴とする光ヘッド。14. The light according to claim 13, wherein a slider shape is formed for at least recording information on the optical recording medium by light from a light source, and for floating the optical recording medium to a predetermined height from the surface of the optical recording medium by rotation of the optical recording medium. A head, wherein the waveguide means is an optical fiber;
The condensing means includes a lens that collimates the light emitted from the optical fiber, a right-angle prism that deflects the optical axis of the collimated light at a right angle, and a lens that condenses the collimated light to the light-collecting unit,
The optical head according to claim 1, wherein the second surface of the conductive film is substantially flush with the slider-shaped floating surface.
前記導波手段が、光ファイバであり、
前記集光手段が、前記光ファイバの出射光をコリメートするレンズと前記コリメート光の光軸を直角に偏向する直角プリズムと前記コリメート光を前記集光部に集光するレンズを有し、
前記導電性フィルムの前記第2の表面の前記開口付近に前記光記録媒体からの反射光を受光する受光素子を備え、
前記導電性フィルムの前記第2の表面が、前記スライダー形状の浮上面とほぼ同一面を成す、ことを特徴とする光ヘッド。14. The light according to claim 13, wherein a slider shape for recording / reproducing information on / from an optical recording medium by light from a light source and floating above the optical recording medium surface to a predetermined height by rotation of the optical recording medium is formed. Head
The waveguide means is an optical fiber,
The condensing unit has a lens that collimates the light emitted from the optical fiber, a right-angle prism that deflects the optical axis of the collimated light at a right angle, and a lens that condenses the collimated light to the condensing unit,
A light receiving element that receives light reflected from the optical recording medium near the opening on the second surface of the conductive film,
The optical head according to claim 1, wherein the second surface of the conductive film is substantially flush with the slider-shaped floating surface.
前記光ヘッドが、前記請求項15または16記載の光ヘッドであることを特徴とする光記録再生装置。An optical recording / reproducing apparatus that records information on an optical recording medium by light from a light source, and records / reproduces information by an optical head that reproduces information recorded on the optical recording medium by reflected light from the recording medium.
17. An optical recording / reproducing apparatus, wherein the optical head is the optical head according to claim 15 or 16.
前記記録用光ヘッドが、前記請求項13乃至14記載の光ヘッドであり、
前記再生用光ヘッドが、前記光記録媒体を透過する透過光を受光して再生する光ヘッド、であることを特徴とする光記録再生装置。An optical recording / reproducing apparatus comprising a recording optical head and a reproducing optical head, and recording / reproducing information on / from an optical recording medium,
The optical head for recording is the optical head according to claim 13, wherein:
An optical recording / reproducing apparatus, wherein the reproducing optical head is an optical head that receives and transmits light transmitted through the optical recording medium.
前記光記録媒体が光磁気記録媒体であり、
前記記録用ヘッドが、前記請求項13乃至14記載の光ヘッドであり、
前記再生用ヘッドが、前記光磁気記録媒体の漏れ磁束を検出する磁気抵抗効果を用いた磁気ヘッド、であることを特徴とする光記録再生装置。An optical recording and reproducing apparatus that includes a recording head and a reproducing head and records and reproduces information on and from an optical recording medium.
The optical recording medium is a magneto-optical recording medium,
The recording head is the optical head according to claim 13 or 14,
An optical recording / reproducing apparatus, wherein the reproducing head is a magnetic head using a magnetoresistance effect for detecting a leakage magnetic flux of the magneto-optical recording medium.
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