JP2005353203A - 光記録媒体、光記録再生装置、および光記録再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録媒体の溶融やガスの発生による問題、およびフォトダイオードによって良好な再生信号を得られないという問題を生じることなく、高密度記録を実現できる光記録媒体、光記録再生装置、および光記録再生方法を提供する。
【解決手段】 光記録媒体１０は、石英基板１１からなり、石英基板１１の一方の板面付近には、たとえば、５ｎｍの厚さの注入部１３が配置される。注入部１３には、例えばＣｅイオンがイオン注入によって注入される。このような構造によって、Ｃｅイオンは、所定の加熱処理を行うと、石英の構成元素（Ｏ）とＣｅイオンが結合し、所定の波長の光を受けた場合に、そのような結合がない場合と比べて大きな強度の蛍光を発するようになる。この原理に基づき、蛍光強度の大きい部分が、記録（すなわち、上記加熱処理）の行われた部分であると判定することによって、高密度化された記録再生が可能となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、高い記録密度を実現する光記録媒体および、当該光記録媒体に記録されたデータの再生等を行う光記録再生装置および光記録再生方法に関する。

近年、ＡＶ（Audio Visual）機器が一般的に普及し、テレビジョン放送の録画データやビデオカメラで撮影したデータが、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の光記録媒体に記録されることが多くなってきている。しかしながら、現在のＤＶＤの記録容量では、標準的な画質の動画データについては数時間分の記録ができるに過ぎず、こうした記録媒体の更なる高容量化が期待されている。

ＤＶＤのような光記録媒体の高容量化を実現するための１つの手段は、光記録において高記録密度化を達成することである。このためには、対物レンズの高ＮＡ（Numerical Aperture）化をはかり、記録再生のためのレーザ光を短波長化する必要がある。

後述するように、対物レンズの高ＮＡ化を実現するには、近接場光学系による記録再生が必要とされるが、このような近接場において、光による非破壊読み出しを可能としたフォトクロミック媒体とその記録方法が、特許文献１において提案されている。

特開平１１−１４９６６３号公報

対物レンズの高ＮＡ化を進めていくと、近接場光学系（ニアフィールド）による記録再生を行うことになる。ニアフィールドは、たとえば、レーザ共振器近傍を指すが、この場合、対物レンズと記録媒体との距離が非常に小さくなるため、読み出し光の焦点（スポット）の大きさが小さくなり、その結果、記録時には、媒体が高温になり、局所的に媒体の溶融が発生する。

このような溶融は、現在の相変化型記録材料の記録において必要なものである。すなわち、このような溶融によって記録媒体表面に凹凸形状が形成され、記録が行われるのである。しかしながら、たとえば、ＮＡが２を超えるような高ＮＡの対物レンズによって形成された凹凸形状は、それ自体が収差の原因となり記録密度を十分高くすることができない。

また、このような凹凸形状のために、記録媒体とレンズが接触したり、記録媒体の溶融に伴って発生するガスによってレンズが損傷を受けたりする危険性もある。

一方、レーザ光の短波長化を進めていく場合、ピン・フォトダイオードやアバランシェ・フォトダイオードといった、シリコンを活性層とするフォトダイオードでは、たとえば４００ｎｍ以下の波長に関して量子効率が著しく低下し、十分な再生信号を得ることができないという問題がある。

したがって、この発明の目的は、上記２つの問題点を排除しつつ、光記録媒体の記録密度を高くする光記録媒体、光記録再生装置、および光記録再生方法を提供することにある。

第１の実施態様に係る発明は、所定の結晶構造からなる材料の基板を有し、基板が、基板の一方の板面付近に、ドーピングされたイオンを配置した部分を含むよう構成された光記録媒体である。

第２の実施態様に係る発明は、前述した第１の実施態様において、イオンが、Ｃｅ³⁺イオン、Ｐｒ³⁺イオン、またはＥｕ²⁺イオンであるよう構成された光記録媒体である。

第３の実施態様に係る発明は、前述した第１の実施態様において、材料が、石英であるよう構成された光記録媒体である。

第４の実施態様に係る発明は、前述した第１の実施態様において、部分は、所定の熱処理がされた場合に、材料の構成元素とイオンとの結合関係が変化し、熱処理がされた部分に所定の波長帯の光を照射した場合に得られる蛍光強度と、熱処理がされていない部分に光を照射した場合に得られる蛍光強度が異なるよう構成された光記録媒体である。

第５の実施態様に係る発明は、前述した第１の実施態様において、イオンは、イオン注入によって部分に配置されるよう構成された光記録媒体である。

第６の実施態様に係る発明は、前述した第４の実施態様において、部分は、熱処理がされる前は、材料の構成元素とイオンとは結合しておらず、熱処理がされた後は、材料の少なくとも１つの種類の構成元素とイオンが結合するよう構成された光記録媒体である。

第７の実施態様に係る発明は、レーザ光を射出するレーザ射出部と、レーザ射出部からのレーザ光を集光し、光記録媒体に向けて照射するレンズと、光記録媒体からの蛍光を受光して、受光した蛍光の強度を検出する光検出部とを有し、レンズと光記録媒体とが近接して配置されることにより近接場光学系が形成され、光検出部は、受光した蛍光の所定の波長における強度に基づいて、光記録媒体の対応する部分の記録の有無を判定することにより、光記録媒体の再生を行うよう構成された光記録再生装置である。

第８の実施態様に係る発明は、レーザ光を射出するレーザ射出ステップと、レンズによって、レーザ光を集光し、光記録媒体に向けて照射する集光ステップと、光記録媒体からの蛍光の強度を検出する光検出ステップとを有し、レンズと光記録媒体とが近接して配置されることにより近接場光学系が形成され、光検出ステップは、蛍光の所定の波長における強度に基づいて、光記録媒体の対応する部分の記録の有無を判定することにより、光記録媒体の再生を行うよう構成された光記録再生方法である。

この発明によって、記録媒体の溶融やガスの発生による問題、およびフォトダイオードによって良好な再生信号を得られないという問題を生じることなく、高密度記録を実現できる光記録媒体、光記録再生装置、および光記録再生方法が提供される。

最初に、この発明の一実施形態に係る光記録媒体の構成について、図１を参照して説明する。図１Ａに示す光記録媒体１０は、円盤状の石英の結晶（ＳｉＯ₂）からなる石英基板１１から構成される。石英基板１１の厚さは、たとえば１．２ｍｍである。また、石英基板１１は、その上部にＣｅ（Ｃｅ³⁺：セリウム）イオン１２が注入された注入部１３を含んでおり、注入部１３の厚さは、たとえば、５ｎｍである。Ｃｅイオンは、ここではイオン注入によって石英の結晶に取り込まれるものとするが、その他のドーピング処理によって石英の結晶中に配置することも可能である。

図１Ｂには、この発明の別の実施態様の光記録媒体２０が示されている。光記録媒体２０は、石英基板２１の下にさらに別の基板２４を備えたものである。石英基板２１は、図１Ａで示した石英基板１１と同様の構造であり、その上部にＣｅイオン２２が注入された注入部２３を含んでいる。石英基板２１は、たとえば、プラズマＣＶＤ、スパッター、または蒸着といった方法で、基板２４上に形成される。基板２４は、たとえば、ポリカーボネイト樹脂や金属からなる基板である。

この発明の光記録媒体の特徴は、上述した石英基板１１や石英基板２１のような構造を有することである。したがって、このような基板の上側あるいは下側に任意の構成の膜を生成したものも、この発明の技術的範囲に含まれる。

石英は、メルティングポイントが高いため、上述したような溶融やガス発生の問題は、容易には生じない。また、表面が比較的平坦であるため、光記録媒体の基板材料として適している。さらにまた、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）等による結晶成長を使用せずに光記録媒体を製造することができるため、安価にこの媒体を製造することができる。

この発明では、所定の光パルス照射により、フォトルミネッセンスによる光強度が所定の波長帯で増大する特性を示す光記録媒体が提供される。これにより、再生光の波長よりも長波長のフォトルミネッセンスの有無を検出して記録情報を読み出すことにより、フォトダイオードのようなフォトディテクタによって十分なＳ／Ｎ（Signal to Noise）の再生信号を得ることができる。フォトルミネッセンスとは、物質が外部からの光によるエネルギーを受けて励起され、その後、その受け取ったエネルギーを光として放出する現象であり、励起光がその物質に入射されると、その物質に固有で、その励起光より長波長の光が放出される。

また、この発明では、上記のようなフォトルミネッセンスに変化を生じさせながら、記録パルスの照射を受けても溶融やガス発生を生じない記録媒体を提供する。近接場を記録再生光学系に用いると、記録パルスを照射した場合記録媒体の温度上昇は１０００Ｋ近くにも達するが、上述したように、この発明の光記録媒体には、石英基板が用いられており、そのような温度でも収差の問題を生じるような溶融等が生じることはない。

次に、上述した光記録媒体１０の製造方法について説明する。記録材料は、短波長で吸収が少なく平面性の高い石英を母体とし、スピン許容遷移でなおかつパリティ許容遷移であるＣｅイオンを発光中心イオンとする。許容遷移、すなわち遷移確率の高いイオンを用いる理由は、光ディスクのデータ転送レートの高速化のためである。この点については、後で図５に関連して説明する。

まず、石英基板１１の一方の板面に対し、イオン注入法によってＣｅイオンを注入する。このとき、たとえば、ドーズ量は、１０⁺¹⁶（１ｃｍ²当たりの注入イオンの量）であり、注入時の加速エネルギーは１００ｋｅＶである。こうしたイオン注入によって、Ｃｅイオンは、石英結晶の格子と格子の間に入り、この時点では、結晶を構成するＳｉや酸素との結合はない。

以下では、こうして製造された光記録媒体１０の記録再生装置および記録再生方法について説明する。

図２には、この発明の光記録媒体１０に対し記録または再生を行う記録再生装置３０の概略が示されている。記録再生装置３０は、光記録媒体１０にデータを書込みまたは読み取るためのレンズ３２を有しており、この場合は、このレンズ３２が光記録媒体１０に極めて近接して設置される近接場光学系３１を形成している。レーザ３３からのレーザ光Ａは、データの書込み、または読み取りのためにダイクロイックミラー３４を介して光記録媒体１０に照射される。ここで、レーザ３３は、たとえば、Ｈｅ−Ｃｄレーザ（波長３２５ｎｍ、ＣＷ）や、Ｔｉサファイアレーザ（３倍波）である。また、ダイクロイックミラー３４は、ある特定波長域の光を反射し、その他の光を透過するミラーである。

レーザ３３からのレーザ光Ａは、ダイクロイックミラー３４で反射して、反射光Ｂとなり、レンズ３２を介して光記録媒体１０に照射される。光記録媒体１０からの蛍光Ｃは、レンズ３２、およびダイクロイックミラー３４を介して、フォトディテクタ３５で受光される。

ダイクロイックミラー３４によって実現される各レーザ光の光路制御は、他のさまざまな構成によって実現可能であり、図示する構成に限定されるものではない。たとえば、レーザ光Ａを透過し、レーザ光Ｃを反射するように構成することも可能である。

ここで、レーザ射出部はレーザ３３に対応し、光検出部はフォトディテクタ３５に対応する。

また、レーザ３３は通常、光記録媒体１０の記録（書込み）を行う場合は、再生（読み取り）時より大きなパワーでレーザ光を射出する。この高いパワーのレーザ光により、Ｃｅイオンが結晶中で酸素と結合するようになる。図２の例では、記録および再生が可能な記録再生装置について説明したが、光記録媒体１０の上記特性を利用して、光記録媒体１０の再生のみを行う再生装置を構成することも可能である。

次に、図３を参照して、光記録媒体１０の記録再生の動作について説明する。光記録媒体１０に記録を行う際には、図２に示した記録再生装置３０の光学系に離軸法、非点収差法、ナイフエッジ法などを用いてフォーカスサーボをとり、またプッシュプル法や３スポット法を用いてトラッキングサーボをとりながらパルスレーザ（記録パルス）を照射する。たとえば、図３に示す記録マーク４１のそれぞれに対応してパルスレーザ４２の照射が行われる。

再生時は、図４に示すように、図２に示す記録再生装置３０の光学系で所定の波長のレーザ光５３を光記録媒体１０に連続照射し、図２のダイクロイックミラー３４で、所定の波長のフォトルミネッセンスを透過する。フォトディテクタ３５は、光記録媒体１０からの蛍光５２を記録マーク５１に対応して検出することにより、良好なＳ／Ｎ比で信号の再生を行う。フォトディテクタ３５およびフォトディテクタ３５からの信号を受信する制御装置は、記録マーク５１に対応する部分について、光の強度が大きいことを検出し、それによって、その部分に記録がされていると判定する。

蛍光５２を用いて光記録媒体１０に記録されたデータの再生を行う場合、励起光パルスに対する蛍光の時間応答が重要となる。次に、記録材料のフォトルミネッセンスの時間応答（蛍光寿命）の条件について説明する。

光記録媒体１０の記録材料は、読み出し光（たとえば、図４のレーザ光５３）のスポット（焦点）内を通過する際に、ガウシアンパルスあるいはsinc関数で表される形のパルス照射を受けるが、便宜的に矩形パルスの再生光すなわち励起光の照射を受けると近似して説明する。

たとえば、図５に示すように、矩形の励起光パルス６１を光記録媒体１０に照射した場合、光記録媒体１０から受光する蛍光６２の立ち上がり時定数をτとする。τは、蛍光６２の最大光エネルギーＥとすれば、たとえば、この光エネルギーが０からＥの８０％に達するまでの時間とすることができる。

時定数τは、光記録媒体１０の上の一点が読出し励起光スポットを通過する時間τ₀に比べて、十分短いことが必要である。たとえば、図５の点線６３に示すように、時定数τがτ₀より長い場合には、十分な蛍光６２（すなわち良好な検出信号）が得られる前に、光記録媒体１０は読出し励起光スポットを通過してしまう。蛍光６２の立ち上がりの時定数は、飽和レベルまで励起する場合には、フォトルミネッセンスの時間応答（いわゆる蛍光寿命）と同等である場合が多い。また、読出し励起光パルス６１の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとすると、エアリー像である中心スポットのサイズは次の式１で表される。
１．２２（λ／ＮＡ） ・・・（式１）

したがって、光記録媒体１０の線速度をｖとすると、十分な再生信号を得るためには、以下の式２で表される条件を満足しなければならない。
τ＜（１．２２（λ／ＮＡ））／ｖ ・・・（式２）

ここで、現実的な光記録媒体の線速度を考慮すると、パルス照射後、約１０^-7秒後の蛍光強度が重要となる。したがって、この発明の光記録媒体１０では、フォトルミネッセンスの時間応答（蛍光寿命）は、約１０^-7秒以下であることが求められる。Ｃｅイオンは、このような時間応答を実現できるという理由から選択されている。

ここで、この発明の光記録媒体１０の光吸収スペクトルを図６に示す。縦軸はアブソーバンス（absorbance：吸収度）であり、横軸は波長（ｎｍ）である。アブソーバンスは、透過光の強度と入射光の強度との比を対数で表すものであり、たとえば、１の光の入射に対して、メディア透過後の光が０．１となる場合に１となり、以下の式３で表される。
アブソーバンス＝−ｌｏｇ₁₀（透過光の強度／入射光の強度） ・・・（式３）
図６の曲線７１から、波長２５０ｎｍ付近のＣｅイオンの吸収帯（肩）７２と波長３３０付近のＣｅイオンの吸収帯（肩）７３が存在することが認められる。したがって、これらの波長帯のレーザ光を用いて記録を行うことが効果的である。

次に、図７のグラフを参照して、この発明の光記録媒体１０に光パルスを照射する前後のフォトルミネッセンスのスペクトル変化を説明する。図７の縦軸は光の強度であり、横軸は波長（ｎｍ）である。縦軸は、さらに、ｃｐｓ（count per second：毎秒のフォトン数（１０⁺²）)という単位であり、対数表示されている。

図７は、この発明の光記録媒体１０について、たとえば、３５０ｎｍないし７００ｎｍといった波長の再生レーザ光を照射した場合の反射光を、２つのパターンについて表したものである。第１のパターンは、光記録媒体１０にそのまま上記再生レーザ光を照射した場合、すなわち、記録前の光記録媒体１０からの反射光であり、曲線８１で表されている。一方、第２のパターンは、光記録媒体１０の膜面に、ＫｒＦエキシマレーザを用いて、波長２４８ｎｍ、エネルギー密度３４．５ｍＪ／ｃｍ²、パルス幅２５ｎ秒の光パルスを１ショット照射した後に、上記再生レーザ光を照射した場合の反射光であり、曲線８２で表されている。

図７を見ると、約４５０ｎｍ前後の青色領域での波長帯にわたって、曲線８２の反射光の強度（蛍光強度）の方が曲線８１の強度より大きくなっていることがわかる。この発明の再生方法では、この強度の差から、光記録媒体の記録の有無を判定する。

次に、図８および図９を参照して、この発明の光記録媒体１０の記録前後の結晶構造の変化を説明する。図８は、記録処理（すなわち、結晶に対する加熱処理（たとえば、レーザアニール処理））を行う前（Ｃｅイオンの注入後）の結晶構造を表しており、図９は、記録処理を行った後の結晶構造を表している。この発明は、図９に示す結晶構造の方が、所定の波長帯において、強度の大きいフォトルミネッセンスを示すという原理を利用するものである。

石英は、三方晶系、六方晶系など数種類の結晶構造を取り得る。図８および図９では、二次元の結晶中にＣｅイオンが取り込まれたとき、すなわち、記録前後でのＣｅイオン周辺の結晶構造を模式的に示している。

図８では、Ｃｅイオン９１が注入された直後の結晶構造が示されている。Ｃｅイオンは、結晶の格子と格子の間に入っているが、この結晶の構成元素であるＳｉ９２やＯ（酸素）９３との結合はされていない。

一方、図９では、図８の状態において、加熱処理が行われた後の結晶構造が示されている。レーザアニール処理のような加熱（高温）処理がされると、Ｃｅイオンは、図９に示すように、結晶中で酸素と結合するようになる。Ｓｉは通常４価、Ｃｅは最も安定な状態では３価なので、ＳｉＯ₂中で、ＣｅがＳｉのサイトに入った場合は、一つの隣接酸素がダングリングボンドを持つ（図９の９４）。また、このような状態が安定化するために、Ｃｅイオン周辺の結晶が不規則に歪むこと等も考えられる。図９のように、Ｃｅイオンが結晶中に取り込まれることにより、図８のような構成の場合に得られる蛍光より大きな光強度の蛍光を発生するようになり、結果的に、Ｃｅイオンを結晶中に取り込ませる加熱処理が、記録処理に対応することになる。

ここまで、この発明の光記録媒体を、石英を基板材料にしたものを例にとって説明してきたが、基板材料は石英に限定されるものではない。結晶構造を有する他の材料を用いることも可能であり、たとえば、ＳｒＳ（硫化ストロンチウム）のような材料を基板（母体）として採用することができる。

また、Ｃｅイオン以外のイオンを基板材料に注入することによって、この発明の光記録媒体を構成することも可能である。たとえば、Ｐｒ³⁺（プラセオジウム）イオン、Ｅｕ²⁺（ユーロピウム）イオン等が考えられる。

この発明の一実施形態に係る光記録媒体の構造を表した略線図である。 この発明の一実施形態に係る光記録媒体の記録再生を行う記録再生装置の構成例を示す略線図である。 光記録媒体の書き込み処理の概要を説明するために用いる略線図である。 光記録媒体の読み取り処理の概要を説明するために用いる略線図である。 フォトルミネッセンスの時間応答の態様を示した略線図である。 この発明の光記録媒体の光吸収スペクトルを示した略線図である。 この発明の一実施形態に係る光記録媒体の再生時における蛍光強度を、所定のパワーの光を受光したものとそうでないものとについて、波長ごとに示す略線図である。 この発明の光記録媒体について加熱処理を行う前の結晶構造を示す略線図である。 この発明の光記録媒体について加熱処理を行った後の結晶構造を示す略線図である。

符号の説明

１０・・・光記録媒体、１１・・・石英基板、１２・・・Ｃｅイオン、１３・・・注入部、２０・・・光記録媒体、２１・・・石英基板、２２・・・Ｃｅイオン、２３・・・注入部、２４・・・基板、３０・・・記録再生装置、３２・・・レンズ、３３・・・レーザ、３４・・・ダイクロイックミラー、３５・・・フォトディテクタ

Claims (8)

1. 所定の結晶構造からなる材料の基板を有し、
   前記基板が、前記基板の一方の板面付近に、ドーピングされたイオンを配置した部分を含むことを特徴とする光記録媒体。
2. 請求項１に記載の光記録媒体において、
   前記イオンが、Ｃｅ³⁺イオン、Ｐｒ³⁺イオン、またはＥｕ²⁺イオンのいずれかであることを特徴とする光記録媒体。
3. 請求項１に記載の光記録媒体において、
   前記材料が、石英であることを特徴とする光記録媒体。
4. 請求項１に記載の光記録媒体において、
   前記部分は、所定の熱処理がされた場合に、前記材料の構成元素と前記イオンとの結合関係が変化し、
   前記熱処理がされた前記部分に所定の波長帯の光を照射した場合に得られる蛍光強度と、前記熱処理がされていない前記部分に前記光を照射した場合に得られる蛍光強度が異なることを特徴とする光記録媒体。
5. 請求項１に記載の光記録媒体において、
   前記イオンは、イオン注入によって前記部分に配置されることを特徴とする光記録媒体。
6. 請求項４に記載の光記録媒体において、
   前記部分は、
   前記熱処理がされる前は、前記材料の構成元素と前記イオンとは結合しておらず、
   前記熱処理がされた後は、前記材料の少なくとも１つの種類の構成元素と前記イオンが結合することを特徴とする光記録媒体。
7. レーザ光を射出するレーザ射出部と、
   前記レーザ射出部からのレーザ光を集光し、光記録媒体に向けて照射するレンズと、
   前記光記録媒体からの蛍光を受光して、前記受光した蛍光の強度を検出する光検出部とを有し、
   前記レンズと前記光記録媒体とが近接して配置されることにより近接場光学系が形成され、
   前記光検出部は、前記受光した蛍光の所定の波長における強度に基づいて、前記光記録媒体の対応する部分の記録の有無を判定することにより、前記光記録媒体の再生を行うことを特徴とする光記録再生装置。
8. レーザ光を射出するレーザ射出ステップと、
   レンズによって、前記レーザ光を集光し、光記録媒体に向けて照射する集光ステップと、
   前記光記録媒体からの蛍光の強度を検出する光検出ステップとを有し、
   前記レンズと前記光記録媒体とが近接して配置されることにより近接場光学系が形成され、
   前記光検出ステップは、前記蛍光の所定の波長における強度に基づいて、前記光記録媒体の対応する部分の記録の有無を判定することにより、前記光記録媒体の再生を行うことを特徴とする光記録再生方法。

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