JP2009110569A - 近接場光集光素子およびこれを用いた情報記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より微小な領域で近接場光を発生する近接場光集光素子を提供する。
【解決手段】近接場光集光素子１は、入射面Ａから出射面Ｂに向かって先細り形状を有する複数の層が積層されており、入射面Ａから入射された光を、該複数の層に含まれた光を伝播する伝播層２の内部で集光し、出射面Ｂから近接場光として出射するものであり、入射面Ａの両端部と出射面Ｂの両端部とをそれぞれ結ぶ、上記複数の層の側面を第１面Ｃおよび第２面Ｄとし、出射面Ｂは第２面Ｄ側から第１面Ｃ側に向かって入射面Ａに対し所定の角度を有するように傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は、より微小な領域で近接場光を発生する近接場光集光素子およびこれを用いた情報記録装置に関する。

光が集光される焦点、いわゆる光スポットを小径化することにより、種々の分野における種々の高密度化が可能となる。例えば、レーザ光を用いて記録媒体へのデータの記録・再生を行う光記録分野では、高密度記録再生が可能となる。また、レーザ光を用いて樹脂・ガラス等の加工を行う光加工の分野では、より微細な加工を行うことが可能となる。さらに、顕微鏡等を用いた測定分野では、測定分解能を向上させることができる。

そのため、光記録、光加工、顕微鏡による測定等の光を利用する各分野において、従来から光スポットの小径化が望まれてきた。しかし、光スポットの大きさは、通常の光では光の回折限界によって光の波長程度に制限されてしまい、それ以上の小径化は困難であった。そこで、通常の光を用いて光の回折限界よりも小さな光スポットを形成する方法として、局所的に存在する近接場光の利用が注目されている。

近接場光とは、光の波長よりも小さな微小構造物、例えば開口部のような構造物に光を入射することにより発生し、該開口部のごく近傍にのみ局在する光（電磁場）である。上記開口部近傍において発生した近接場光は、該開口部のごく近傍に留まり、他の部分へと伝播しない。

光源から開口部に光を入射させた場合、該開口部の径が該光の波長よりも大きいときには、該光は該開口部に部分的に遮られるが、近接場光を発生することなく、そのまま伝搬光として該開口部を透過する。しかし、開口部の径が入射光の波長よりも小さいときには、該光は該開口部をほとんど透過しなくなり、近接場光が該開口部近傍に発生する。そして、発生した近接場光は開口部の径と略同一のサイズの強度分布を持つために、該開口部周辺においては光の回折限界よりも小径化された光スポットが得られる。

このようにして得られた小径化された光スポットは、光アシスト磁気記録方法に好適に用いられる。光アシスト磁気記録方式とは、光記録分野において、次世代高密度磁気記録の有望な技術として注目を浴びており、熱揺らぎに強い高保磁力を有する磁気記録媒体に対して磁気記録を行うものであり、１００Ｇｂ／ｉｎ^２を超える磁気記録密度を達成することが可能である。具体的には、磁気記録媒体の表面に光を集光し、局所的に該磁気記録媒体の温度を上げることにより、該磁気記録媒体の保磁力を減少させる。これにより、通常の磁気ヘッドを用いて、上記磁気記録媒体に磁気記録することが可能となる。

しかしながら、上述した方法で得られた小径化された光スポットは、波長以下の径のスポットには絞れない光を波長以下の開口部に入射させているため、光の利用効率が悪くなる。つまり、光源を従来と同じ強度に設定するならば、得られる近接場光強度は、開口部に照射した光のサイズに対する開口部のサイズ分弱くなる。

そこで、光利用効率を下げずに光スポットを小径化するために、従来からファイバープローブが用いられている。ファイバープローブは、先鋭化した導波路の先端に微小開口が設けられたものであり、導波路に入射された光から、光の回折限界よりも小さな光スポットを効率良く形成することができる。しかし、ファイバープローブは、先鋭化した頂角の不安定性および先端部の切除制御の困難性といった問題がある。

そこで、光利用効率を下げずに光スポットを小径化し、かつ、加工が容易な台形柱光学ヘッドが特許文献１〜３に開示されている。特許文献１〜３に開示された台形柱光学ヘッドは、多層の誘電体材料で形成された先細り形状の伝搬体と、伝搬体を覆って伝搬体内に光を閉じ込める被覆体とからなり、導入された光を伝搬させ集光して先端から照射するものである。
ＷＯ２００４／０４４９０７ Ａ１（公開日：２００４年５月２７日） ＷＯ２００４／０８８６５０ Ａ１（公開日：２００４年１０月１４日） 特開２００６−７３１０５号公報（公開日：平成１８年３月１６日）

特許文献１〜特許文献３に開示された台形柱光学ヘッドは、従来のファイバープローブと比較して加工が容易であり、高い光利用効率で微小な光スポットを形成することが可能になる。しかしながら、より高密度な記録を実現するためには、特許文献１〜３に開示された台形柱光学ヘッドにより形成された光スポットよりも、さらに小径化された光スポットを形成することが望まれる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、より微小な領域で近接場光を発生する近接場光集光素子およびこれを用いた情報記録装置を提供することである。

本発明の近接場光集光素子は、上記課題を解決するために、入射面から出射面に向かって先細り形状を有する複数の層が積層されており、該入射面から入射された光を、該複数の層に含まれた光を伝播する伝播層の内部で集光し、該出射面から近接場光として出射する近接場光集光素子であって、上記入射面の両端部と上記出射面の両端部とをそれぞれ結ぶ、上記複数の層の側面を第１面および第２面とし、上記出射面は上記第２面側から上記第１面側に向かって上記入射面に対し所定の角度を有するように傾斜していることを特徴としている。

近接場光集光素子において、入射面から入射された光は、光を伝播する伝播層の内部で、光の電磁場として入射面から出射面に向かって伝播されるとともに集光され、近接場光として出射面から出射される。

このとき、従来の構成では、出射面が入射面に対して平行であるために、出射面に伝播した電磁場は出射面上において拡散してしまっていた。そこで、本発明の近接場光集光素子では、出射面を第２面側から第１面側に向かって入射面に対し所定の角度を有するように傾斜させることにより、出射面に伝播した電磁場は出射面の傾斜にしたがい出射面と第１面との交点に集光され、その交点において電磁場は近接場光として外部に出射される。

その結果、出射面と第１面との交点における近接場光の光スポットは、出射面が入射面に対して平行である従来の構成と比較して、小径化することが可能となる。また、入射面から入射された光を、より微小な領域に集光させているために、出射される近接場光の強度も高めることが可能となる。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記入射面と上記第１面とがなす第１角αが、上記入射面と上記第２面とがなす第２角βよりも大きい構成であってもよい。

光の電磁場は、第１面および第２面において反射して干渉しながら、入射面から出射面に向かって伝播する。

このとき、第１角αと第２角βとが同一であると、出射面に伝播した電磁場は出射面と第１面との交点以外の部分にも伝播される場合がある。しかし、入射面と第１面とがなす第１角αを、入射面と第２面とがなす第２角βよりも大きくすることにより、第１面において反射された電磁場と、第２面において反射された電磁場とが干渉しながら、近接場光が、出射面と第１面との交点に向かって集光する。その結果、出射面と第１面との交点における近接場光の強度をより高めることができる。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記複数の層は、光を伝播する伝播層と、上記伝播層の両面に隣接して設けられており、かつ、該伝播層より小さな屈折率を有する第１金属層と、上記各第１金属層の伝播層と接している面とは反対側の面に隣接して設けられており、かつ、上記伝播層よりも大きな屈折率を有する誘電体層と、上記各誘電体層の上記第１金属層と接している面とは反対側の面に隣接して設けられた第２金属層とから構成されていてもよい。

上記構成により、近接場光集光素子の入射面から伝播層に入射した光を、ほとんど外部に漏出させることなく出射面から近接場光として出射することができる。すなわち、光利用効率の高い近接場光集光素子を実現することが可能となる。

具体的には、近接場光集光素子の入射面から伝播層に入射した光は、伝播層と第１金属層との間において光の電磁場に変換され、伝播層の内部をその両面に設けられた各第１金属膜の間を反射しながら出射面に向かって伝播する。

このとき、伝播層の内部を伝播する電磁場は、第１金属層を越えて漏出してしまうことがある。そこで、各第１金属層の伝播層と接している面とは反対側の面に、伝播層の屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体層を設けている。これにより、第１金属層を越えて漏出した電磁場は、誘電体層において反射され、伝播層に戻される。

さらに、第１金属層および誘電体層を越えて漏出してしまう電磁場もあり、各誘電体層の第１金属層と接している面とは反対側の面に、さらに第２金属層を設けている。そのため、第１金属層および誘電体層から漏出した電磁場は、第２金属層において反射され、伝播層に戻される。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、該第１面と上記出射面とがなす傾斜角θを７７．４０°とした場合、第１角αと、該入射面と上記第２面とがなす第２角βとの差α−βが、０°＜α−β≦１２．４°の範囲内であることが好ましい。

上記構成により、上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、該第１面と上記出射面とがなす傾斜角θを７７．４０°とした場合の近接場光集光素子において、第１角αと第２角βとを同一の値とした場合と比較して、出射面からより高い強度の近接場光を出射することができる。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、上記入射面と上記第２面とがなす第２角βを７０．３８°とした場合、上記第１面と上記出射面とがなす傾斜角θが、４５°≦θ＜１０１．３８°の範囲内であってもよい。

上記構成により、上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、上記入射面と上記第２面とがなす第２角βを７０．３８°とした場合の近接場光集光素子において、出射面が入射面と平行である場合と比較して、出射面からより高い強度の近接場光を出射することができる。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記第１面上に、該第１面を保護するための保護層が設けられていてもよい。

本発明の近接場光集光素子は、近接場光集光素子の第１面と、近接場光の照射対象とが対向するように配置される。そのため、近接場光集光素子の第１面が、近接場光の照射対象と接触することにより、損傷を受ける可能性がある。そこで、本発明の上記構成とすることにより、近接場光集光素子の第１面が、近接場光の照射対象との接触により損傷を受けることを防止することができる。

また、本発明の近接場光集光素子では、上記保護層は、上記伝播層が有する屈折率よりも低い屈折率を有していることが好ましい。

近接場光集光素子の第１面を保護するために、第１面上に保護層を設けた場合、出射面に伝播された電磁場が保護層に拡散してしまい、近接場光の光スポットのサイズが大きくなってしまう可能性がある。そのため、保護層の屈折率を伝播層の屈折率よりも小さくすることにより、出射面に伝播された電磁場が保護層に拡散することを防止することができ、微小領域において近接場光を出射することができる。

本発明の情報記録装置は、情報記録媒体の記録部分を加熱することにより、情報を記録する情報記録装置であって、上述した近接場光集光素子を、上記第１面と上記情報記録媒体とが対向するように備えることを特徴としている。

上記構成により、情報記録媒体の記録部分を加熱するために、上述した近接場光集光素子を情報記録装置に搭載することができる。これにより、出射面と第１面との交点から出射される近接場光の微小な光スポットを用いて、情報記録媒体に情報を記録することができ、高密度な記録を実現することができる。さらに、本発明の情報記録装置では、近接場光集光素子の第１面と情報記録媒体とが対向するように近接場光集光素子を備えているために、従来のような出射面と情報記録媒体とが対向する構成と比較して、余分な光が情報記録媒体に照射される可能性を防止することができる。

また、本発明の情報記録装置では、上記近接場光集光素子の上記出射面に隣接して、上記情報記録媒体に磁界を印加するための磁気ヘッドを備えていてもよい。

上記構成により、近接場光が出射する出射面と第１面との交点と、磁気ヘッドとの距離を近づけることができるために、近接場光の発生領域と磁界の発生領域とをほぼ同一とすることができ、微小な領域に情報を記録することが可能となる。

以上のように、本発明の近接場光集光素子は、入射面から出射面に向かって先細り形状を有する複数の層が積層されており、該入射面から入射された光を、該複数の層に含まれた光を伝播する伝播層の内部で集光し、該出射面から近接場光として出射する近接場光集光素子であって、上記入射面の両端部と上記出射面の両端部とをそれぞれ結ぶ、上記複数の層の側面を第１面および第２面とし、上記出射面は上記第２面側から上記第１面側に向かって上記入射面に対し所定の角度を有するように傾斜していることを特徴としている。

上記構成により、出射面に伝播した電磁場は出射面の傾斜にしたがい出射面と第１面との交点に集光され、その交点において電磁場は近接場光として外部に出射される。その結果、出射面と第１面との交点における近接場光の光スポットは、出射面が入射面に対して平行である従来の構成と比較して、小径化することが可能となる。また、入射面から入射された光を、より微小な領域に集光させているために、出射される近接場光の強度も高めることが可能となる。

本発明の一実施形態について図１〜図９に基づいて説明すると以下の通りである。

〔近接場光集光素子〕
まず、本発明の近接場光集光素子の一実施例について図２を参照して説明する。図２は、本発明の近接場光集光素子の一実施例である近接場光集光素子１の全体構成を示す斜視図である。

近接場光集光素子１は、図２に示すように、伝播層２の両面にそれぞれ、第１金属層３と、誘電体層４と、第２金属層５とがこの順に隣接して設けられている。上記各層はそれぞれ同一の形状を有した厚みの異なる層であり、その形状については後述するのでここでは説明は省略する。

近接場光集光素子１は、図示しない光源から照射されたレーザ光を集光して、近接場光として外部に出射するものである。具体的には、近接場光集光素子１を構成する上記各層の積層方向に対して垂直な方向からレーザ光を照射することにより、伝播層２と各第１金属層３との境界において、照射されたレーザ光が表面プラズモンに変換される。そして、変換された表面プラズモンは、伝播層２内部において集光され、レーザ光が照射された面とは反対側の面から近接場光として出射される。なお、図２において、レーザ光が入射される面を入射面Ａとし、近接場光が出射される面を出射面Ｂとしている。

ここで、光源からは伝播層２だけでなく他の層にもレーザ光が照射されるが、近接場光集光素子１を構成する上記各層は、照射されるレーザ光の波長に応じて該各層の膜厚、屈折率、透過性等を調整することにより、伝播層２以外の層を光が透過することがなく、かつ、伝播層２と各第１金属層３との境界においてのみ表面プラズモンが発生する構成としている。

また、近接場光集光素子１を構成する上記各層は、第１金属層３が伝播層２よりも小さな屈折率を有しており、かつ、誘電体層４が伝播層２よりも大きな屈折率を有していることが好ましい。これにより、近接場光集光素子１の入射面Ａから伝播層２に入射したレーザ光を、ほとんど外部に漏出させることなく出射面Ｂから近接場光として出射することができる。すなわち、光利用効率の高い近接場光集光素子１を実現することが可能となる。

具体的には、近接場光集光素子１の入射面Ａから伝播層２に入射したレーザ光は、伝播層２と第１金属層３との間において表面プラズモンに変換され、伝播層２の内部をその両面に設けられた各第１金属層３の間を反射しながら出射面Ｂに向かって伝播する。

このとき、伝播層２の内部を伝播する表面プラズモンは、第１金属層３を越えて漏出してしまうことがある。そこで、各第１金属層３の伝播層２と接している面とは反対側の面に、伝播層２の屈折率よりも大きな屈折率を有する誘電体層４を設けている。これにより、第１金属層３を越えて漏出した表面プラズモンは、誘電体層４において反射され、伝播層２に戻される。

さらに、第１金属層３および誘電体層４を越えて漏出してしまう表面プラズモンもあり、各誘電体層４の第１金属層３と接している面とは反対側の面に、さらに第２金属層５を設けている。そのため、第１金属層３および誘電体層４から漏出した表面プラズモンは、第２金属層５において反射され、伝播層２に戻される。

このようにして、近接場光集光素子１の入射面Ａから伝播層２に入射したレーザ光を、ほとんど外部に漏出させることなく出射面Ｂから近接場光として出射する。

なお、近接場光集光素子１を構成する上記各層は、上述した構成に限られず、入射面Ａから入射されたレーザ光を集光して、近接場光として出射面Ｂから外部に出射することが可能な構成であればよく、特許文献１等に挙げられている構成を用いてもよい。

次に、近接場光集光素子１を構成する上記各層の形状について図１を参照して説明する。図１は、近接場光集光素子１を構成する上記各層の積層方向から近接場光集光素子１を見た場合の正面図である。

近接場光集光素子１は、図１に示すように、レーザ光が入射する入射面Ａ、近接場光を出射する出射面Ｂ、入射面Ａと出射面ＢとのＹ軸方向における両端部をそれぞれ結ぶ第１面Ｃおよび第２面Ｄが形成されている。第１面Ｃおよび第２面Ｄは、入射面Ａから出射面Ｂに向けて表面プラズモンを集光するために、入射面Ａから出射面Ｂに向かって先細り形状となっている。なお、図１において、入射面Ａと第１面Ｃとがなす角を第１角αとし、入射面Ａと第２面Ｄとがなす角を第２角βとしている。

さらに、近接場光集光素子１では、出射面Ｂが、第２面Ｄ側から第１面Ｃ側へ向かって、入射面Ａに対して所定の角度を有するように傾斜している。従来の構成では、出射面Ｂは入射面Ａに対して平行であるために、表面プラズモンが出射面Ｂに伝播した場合、表面プラズモンは出射面Ｂ上において拡散してしまう。

そこで、近接場光集光素子１では上記構成を備えることにより、出射面Ｂに伝播した表面プラズモンを、出射面Ｂの傾斜にしたがい出射面Ｂと第１面Ｃとの交点（以下、出射端Ｅ）に集光させ、出射端Ｅにおいて近接場光として外部に出射することができる。

その結果、出射端Ｅにおける近接場光の光スポットは、出射面Ｂが入射面Ａに対して平行である場合と比較して、小径化することが可能となる。また、入射面Ａから入射された光を、より微小な領域に集光させているために、出射される近接場光の強度も高めることが可能となる。

また、近接場光集光素子１では、入射面Ａと第１面Ｃとがなす第１角αが、入射面Ａと第２面Ｄとがなす第２角βよりも大きくなっている。従来の構成では、第１角αと第２角βとが同一であるために、出射面Ｂに伝播した表面プラズモンは出射端Ｅ以外の部分に伝播される。そのため、表面プラズモンが出射面Ｂに伝播された後、出射端Ｅまでさらに伝播させる必要があり、表面プラズモンの伝播距離が増加し、光の強度が減衰してしまう。

そこで、近接場光集光素子１では上記構成を備えることにより、第１面Ｃにおいて反射された表面プラズモンと、第２面Ｄにおいて反射された表面プラズモンとを干渉させながら、出射端Ｅに向かって集光することができる。その結果、表面プラズモンを入射面Ａから出射端Ｅまで余計な回り道をせずに伝播させることができ、光の強度の減衰を抑制することができる。

なお、出射面Ｂの入射面Ａに対する傾斜は、第１面Ｃと出射面Ｂとがなす傾斜角θとして表すことができる。また、近接場光集光素子１の非対称性は、第１角αと第２角βとの差であるα−βで表すことができる。

次に、本実施形態の近接場光集光素子１が、従来の構成と比較してより微小な光スポットを形成することを図３および図４を参照して確認する。

まず、近接場光集光素子１の伝播層２を伝播する表面プラズモンの強度分布について、ＦＤＴＤ法（finite-difference time-domain method）を用いたシミュレーションにより確認する。上記シミュレーション結果について、図３を参照して説明する。図３は、近接場光集光素子１の伝播層２における表面プラズモンの強度分布を示す図である。

ＦＤＴＤ法に用いられる近接場光集光素子１は、伝播層２がＳｉＯ_２から構成された膜厚３０ｎｍの層であり、第１金属層３がＡｌから構成された膜厚３０ｎｍの層であり、誘電体層４がダイヤモンドから構成された膜厚１００ｎｍの層であり、第２金属層５がＡｌから構成された膜厚２００ｎｍの層である。また、第１角αが１１．３８°、第２角βが１９．６２°、傾斜角θが７７．４０°に設定されている。

また、近接場光集光素子１に照射されるレーザ光の波長は４００ｎｍであり、該波長に対する伝播層２の屈折率は１．４７、誘電体層４の屈折率は２．４６３、第１金属層３および第２金属層５の屈折率は０．４９＋ｉ４．８６である。

図３に示すように、近接場光集光素子１では、表面プラズモンが第１面Ｃおよび第２面Ｄにおいて反射しながら、入射面Ａから出射面Ｂに向かって伝播している。そして、第１面Ｃにおいて反射された表面プラズモンと、第２面Ｄにおいて反射された表面プラズモンが干渉しながら、出射端Ｅに向かって集光していることが分かる。

次に、近接場光集光素子１において形成される光スポットが、従来の構成において形成される光スポットと比較して小径化されているかを検討する。そこで、従来の構成として比較用素子を用い、近接場光集光素子１の出射面Ｂにおける光スポット径と、比較用素子の出射面における光スポット径との違いについて、図３に示した条件と同一の条件下においてＦＤＴＤ法によりシミュレーションを行う。

なお、比較用素子とは、従来の構成を想定したものであり、近接場光集光素子１と同一の層構成を有しているが、出射面Ｂが入射面Ａに対して平行な構成であり、入射面Ａと第１面Ｃとがなす第１角αと、入射面Ａと第２面Ｄとがなす第２角βとが同一である。このとき、第１角αおよび第２角βは１５°である。

上記シミュレーション結果について、図４を参照して説明する。図４は、近接場光集光素子１および比較用素子の最高強度発光点からの位置と近接場光の強度との関係を示すグラフである。図４において、横軸は最高強度発光点からの距離を示しており、縦軸は近接場光の強度を示している。また、実線は近接場光集光素子１を示しており、点線は比較用素子を示している。なお、最高強度発光点とは、近接場光集光素子１および比較用素子において、最高強度の近接場光が測定された点である。

また、図４において、比較用素子は最高強度発光点から図２に示すＹ軸上における強度分布を調べているが、近接場光集光素子１では最高強度発光点から図２に示すＺ軸上における強度分布を調べている。これは、比較用素子が近接場光の照射対象に対して出射面Ｂを対向させる構成であるのに対し、近接場光集光素子１は近接場光の照射対象に対して第１面Ｃを対向させる構成であるためである。

図４に示すように、比較用素子の光スポットのサイズと比較して、近接場光集光素子１の光スポットのサイズは約１／３まで小径化されていることが分かる。さらに、比較用素子における近接場光の最高強度が約１とすると、近接場光集光素子１における近接場光の最高強度は約１．５であり、近接場光の強度が約１．５倍増強されていることが分かる。

図３および図４に示した結果より、本実施形態の近接場光集光素子１は、従来の構成である比較用素子と比較して、より微小な光スポットを形成することが可能になり、かつ、光利用効率が向上されたことが分かる。

次に、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおいて、より強度の高い近接場光を出射するための近接場光集光素子１の構成、特に、近接場光集光素子１の非対称性を示すα−βおよび出射面Ｂの入射面Ａに対する傾斜を示す傾斜角θの好適な範囲について図５〜図８を参照して説明する。

まず、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおいて、より強度の高い近接場光を出射するための近接場光集光素子１の非対称性を示すα−βの好適な範囲について検討する。α−βの好適な範囲について検討するために、第１角αが７８．６２°、傾斜角θが７７．４０°とし、第２角βの値を変化させた場合における出射端Ｅから出射される近接場光の強度変化について、ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションを行う。なお、シミュレーションに用いる近接場光集光素子１の層構造は、図３に示す条件と同一条件である。

上記シミュレーション結果について、図５を参照して説明する。図５は、第１角αを７８．６２°、傾斜角θを７７．４０°とし、第２角βの値を変化させた場合における、α−βの値と出射端Ｅにおける近接場光の強度との関係を示すグラフである。なお、グラフの横軸はα−βの値であり、縦軸は出射端Ｅにおける近接場光の強度を示している。また、図中の破線は、α＝βとした場合の出射端Ｅにおける近接場光の強度を示している。

図５に示すように、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおける近接場光の強度は、α−βの値が０°から大きくなるにつれて高くなり、α−βの値が約８°のときに最も高くなる。さらに、出射端Ｅにおける近接場光の強度は、α−βの値が約８°より大きくなるにつれて低くなり、α−βの値が１２．４°よりも大きくなるとα＝βの場合における強度よりも低くなる。

したがって、第１角αが７８．６２°、傾斜角θが７７．４０°の場合は、α−βの値が０°＜α−β≦１２．４°の範囲内であれば、出射端Ｅにおける近接場光の強度が、α＝βの場合の近接場光の強度を上回ることがわかる。なお、出射端Ｅにおける近接場光の光スポットのサイズは、第２角βの値の変化に関わらず、図４に示したサイズと同一であり、小径化されていた。

すなわち、近接場光集光素子１の非対称性α−βは、出射端Ｅにおける近接場光の光スポットのサイズには影響を与えておらず、光利用効率のみに影響を与えていることが分かる。このことから、近接場光集光素子１において、出射面Ｂから出射された近接場光の光スポットのサイズを図４に示したサイズまで小径化できるのは、出射面Ｂが入射面Ａに対して傾斜しているためであることが分かる。

なお、図５に示す結果は、第１角αおよび傾斜角θの値を固定した場合における結果であり、第１角αおよび傾斜角θの値が変化するとともに、近接場光集光素子１における非対称性を示すα−βの好適な範囲も変化する。そのため、第１角α、第２角βおよび傾斜角θの値に応じて、α−βの値は適宜調整する必要がある。

次に、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおいて、より強度の高い近接場光を出射するための出射面Ｂの入射面Ａに対する傾斜を示す傾斜角θの好適な範囲について検討する。傾斜角θの好適な範囲について検討するために、第１角αが７８．６２°、第２角βが７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合における出射端Ｅから出射される近接場光の強度変化について、ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションを行う。なお、シミュレーションに用いる近接場光集光素子１の層構造は、図３に示す条件と同一である。

上記シミュレーション結果について、図６を参照して説明する。図６は、第１角αを７８．６２°、第２角βを７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合における、傾斜角θの値と出射端Ｅにおける近接場光の強度との関係を示すグラフである。なお、グラフの横軸は傾斜角θの値であり、縦軸は出射端Ｅにおける近接場光の強度を示している。また、図中の破線は、出射面Ｂを入射面Ａに対して平行にした場合、すなわち傾斜角θを１０１．３８°とした場合における近接場光の強度を示している。

図６に示すように、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおける近接場光の強度は、傾斜角θの値が３０°から大きくなるにつれて高くなり、傾斜角θの値が４５°以上となると出射面が入射面に対して平行である場合の強度よりも高くなる。そして、出射端Ｅにおける近接場光の強度は、傾斜角θの値が約６０°のときに最も高くなり、傾斜角θの値が約６０°より大きくなるにつれて低くなり、傾斜角θの値が１０１．３８°以上となると出射面が入射面に対して平行である場合の強度よりも低くなる。また、傾斜角θの値が１５０°の場合は、出射端Ｅにおいて近接場光がほとんど出射されていない。

したがって、第１角αが７８．６２°、第２角βが７０．３８°の場合は、傾斜角θの値が４５°≦θ＜１０１．３８°の範囲内であれば、近接場光集光素子１の出射端Ｅにおける近接場光の強度は、従来の出射面が入射面に対して平行である場合の強度を上回ることが分かる。

なお、図６に示す結果は、第１角αおよび第２角βの値を固定した場合における結果であり、第１角αおよび第２角βの値が変化するとともに、傾斜角θの好適な範囲も変化する。そのため、第１角α、第２角βの値に応じて、傾斜角θの値は適宜調整する必要がある。

図６に示す結果では、傾斜角θの値を１５０°にした場合、近接場光集光素子１の出射端Ｅから出射される近接場光の強度が著しく低くなっている。この原因を調べるために、図６と同一の条件下、すなわち第１角αが７８．６２°、第２角βが７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合において、近接場光集光素子１のどの部分で光の最高強度が測定されるかについてＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションを行う。

上記シミュレーション結果について図７を参照して説明する。図７は、第１角αを７８．６２°、第２角βを７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合において、傾斜角θの値と、図２に示すＺ軸方向における出射端Ｅから光の最高強度が測定された位置までの距離との関係を示すグラフである。なお、グラフの横軸は傾斜角θの値であり、縦軸はＺ軸方向における出射端Ｅから光の最高強度が測定された位置までの距離を示している。また、縦軸において、０より小さい値は出射端Ｅから入射面Ａ方向における距離を示しており、０より大きい値は出射端Ｅから入射面Ａとは反対方向における距離を示している。

図７に示すように、傾斜角θの値が１０１．３８°の場合、光の最高強度は近接場光集光素子１の伝播層２内部で測定されていることが分かる。さらに、傾斜角θの値を１０１．３８°から小さくするにつれて、光の最高強度が測定された位置が伝播層２の内部、すなわち出射端ＥからＺ軸方向に沿って入射面Ａ方向に移行する。また、傾斜角θの値が１５０°の場合、光の最高強度は近接場光集光素子１の外側、すなわち出射端ＥからＺ軸方向沿って入射面Ａとは反対方向において測定されていることが分かる。

このことから、傾斜角θの値が１０１．３８°以下の場合に出射端Ｅから出射される近接場光は、入射面Ａから伝播層２に入射したレーザ光が、表面プラズモンとして伝播層２の内部を伝播しながら、出射端Ｅにおいて集光され、出射端Ｅからしみ出したエバネッセント波であると考えられる。

また、傾斜角θが１５０度の場合に出射端Ｅにおいて近接場光がほとんど測定されなかったのは、出射面Ｂが第１面Ｃ側から第２面Ｄ側に向かって入射面Ａに対して所定の角度を有するように傾斜する構成となったために、近接場光集光素子１の外部へ伝播光として出射してしまったためであると考えられる。

なお、近接場光集光素子１の製造方法としては、基板上に多層構造をスパッタまたは蒸着により製膜した後、フォトエッチングプロセスもしくはＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ）により、上述した形状を形成することにより、容易に作製可能である。

〔浮上型磁気記録ヘッド〕
次に、本発明の近接場光集光素子を光照射ヘッドとして搭載した浮上型磁気記録ヘッドの一実施例について図８および図９を参照して説明する。図８は、近接場光集光素子１を光照射ヘッドとして搭載した浮上型磁気記録ヘッド１１の概略構成を示す断面図である。

浮上型磁気記録ヘッド（情報記録装置）１１は、図８に示すように、近接場光集光素子１と、磁気ヘッド１２と、スライダ１３とから構成されている。

浮上型磁気記録ヘッド１１は、熱アシスト磁気記録方式により情報記録媒体１４に対して情報の記録を行うものであり、浮上型磁気記録ヘッド１１と情報記録媒体１４との距離を制御するスライダ１３に、情報記録媒体１４を局所的に加熱する近接場光集光素子１と、情報記録媒体１４に対して磁界を印加する磁気ヘッド１２とが搭載されている。

すなわち、浮上型磁気記録ヘッド１１は、近接場光集光素子１が情報記録媒体１４の記録部分を局所的に加熱するとともに、磁気ヘッド１２が該記録部分に対して磁界を印加することにより、該記録部分に情報を記録するものである。

また、スライダ１３の情報記録媒体１４と対向する面には、浮上型磁気記録ヘッド１１の浮上高さを調節するためのＡＢＳ（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）と呼ばれる凹凸形状が形成されており、情報記録媒体１４が高速回転することにより、浮上型磁気記録ヘッド１１を情報記録媒体１４上において微小な間隙で浮上させることが可能である。

このとき、浮上型磁気記録ヘッド１１の情報記録媒体１４からの浮上量は、約５ｎｍであることが好ましい。これにより、近接場光集光素子１から情報記録媒体１４に対して、より高い強度の近接場光を照射することができ、効率的に情報を記録することができる。

また、浮上型磁気記録ヘッド１１では、近接場光集光素子１の第１面Ｃと情報記録媒体１４とが対向するように、近接場光集光素子１がスライダ１３に搭載されている。そのため、従来のような出射面と情報記録媒体とが対向する構成と比較して、近接場光集光素子１にレーザ光を入射する際に、余分な光が情報記録媒体１４に照射することを防止することができる。

近接場光集光素子１にレーザ光を入射するための手段としては、レーザ光源を浮上型磁気記録ヘッド１１に搭載することにより直接入射する構成であってもよいし、導波路を用いて外部から導入する構成であってもよい。

また、近接場光集光素子１は、傾斜角θを所定の範囲内で自由に調整することができるために、近接場光集光素子１と磁気ヘッド１２との位置関係を自由に制御することができる。例えば、図８に示すように、近接場光集光素子１の出射面Ｂを情報記録媒体１４表面に対して垂直になるようにスライダ１３に搭載した場合、磁気ヘッド１２を出射面Ｂに隣接して形成することができる。これにより、近接場光を出射する出射端Ｅと、磁気ヘッド１２との距離を近づけることきるために、近接場光の発生領域と磁界の発生領域とをほぼ同一とすることができ、微小な領域に情報を記録することが可能となる。

また、浮上型磁気記録ヘッド１１に搭載された近接場光集光素子１の第１面Ｃの表面上には、図９に示すように、保護層６が形成されていてもよい。図９は、近接場光集光素子１の第１面Ｃ上に保護層６が形成されていることを示す近接場光集光素子１の正面図である。

浮上型磁気記録ヘッド１１に搭載された近接場光集光素子１の第１面Ｃは、情報記録媒体１４と対向して設けられているために、高速回転している情報記録媒体１４との接触により損傷を受ける可能性がある。そこで、近接場光集光素子１の第１面Ｃの表面上に保護層６を形成することにより、情報記録媒体１４との接触により第１面Ｃが損傷を受けることを抑制することができる。

保護層６は、近接場光集光素子１の第１面Ｃを保護するために硬度が高いことが好ましく、例えば硬度３０００Ｈｖ程度のＤＬＣ膜等が好適に用いられる。なお、近接場光集光素子１の出射端Ｅから出射された近接場光を情報記録媒体１４に照射する必要があるために、保護層６の膜厚は５ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以下がより好ましい。

さらに、保護層６の屈折率は、伝播層２の屈折率よりも小さいことが好ましい。近接場光集光素子１の第１面Ｃを保護するために、第１面Ｃ上に保護層６を設けた場合、出射端Ｅに伝播された表面プラズモンが保護層６に拡散してしまい、近接場光の光スポットのサイズが大きくなってしまう可能性がある。そのため、保護層６の屈折率を伝播層２の屈折率よりも小さくすることにより、出射端Ｅに伝播された表面プラズモンが保護層６に拡散することを防止することができ、微小領域において近接場光を出射することができる。この場合、保護層６は屈折率１．３６のＭｇＦ_２等から構成されていることが好ましい。

なお、浮上型磁気記録ヘッド１１では、磁気ヘッド１２として、金属等の導体の一部を狭窄し、この導体に電流を印加することによって、狭窄部から強大な磁界を発生させる構成を用いてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の近接場光集光素子は、レーザ光を用いて記録媒体へのデータの記録・再生を行う光記録分野、レーザ光を用いて樹脂・ガラス等の加工を行う光加工の分野、顕微鏡等を用いた測定分野等の光を利用する各分野において好適に用いることができる。

本発明の近接場光集光素子の一実施形態を示す正面図である。 上記近接場光集光素子の全体構成を示す斜視図である。 上記近接場光集光素子の伝播層における表面プラズモンの強度分布を示す図である。 上記近接場光集光素子および比較用素子の最高強度発光点からの位置と近接場光の強度との関係を示すグラフである。 第１角αを７８．６２°、傾斜角θを７７．４０°とし、第２角βの値を変化させた場合における、α−βの値と出射端における近接場光の強度との関係を示すグラフである。 第１角αを７８．６２°、第２角βを７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合における、傾斜角θの値と出射端における近接場光の強度との関係を示すグラフである。 第１角αを７８．６２°、第２角βを７０．３８°とし、傾斜角θの値を変化させた場合における、傾斜角θの値とＺ軸方向における出射端から最高強度が測定された位置までの距離との関係を示すグラフである。 上記近接場光集光素子を光照射ヘッドとして搭載した浮上型磁気記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。 上記近接場光集光素子の第１面上に保護層が形成されていることを示す正面図である。

符号の説明

１ 近接場光集光素子
２ 伝播層
３ 第１金属層
４ 誘電体層
５ 第２金属層
６ 保護層
１１ 浮上型磁気記録ヘッド（情報記録装置）
１２ スライダ
１３ 磁気ヘッド
１４ 情報記録媒体
Ａ 入射面
Ｂ 出射面
Ｃ 第１面
Ｄ 第２面
Ｅ 出射端
α 第１角
β 第２角
θ 傾斜角

Claims (9)

1. 入射面から出射面に向かって先細り形状を有する複数の層が積層されており、該入射面から入射された光を、該複数の層に含まれた光を伝播する伝播層の内部で集光し、該出射面から近接場光として出射する近接場光集光素子において、
   上記入射面の両端部と上記出射面の両端部とをそれぞれ結ぶ、上記複数の層の側面を第１面および第２面とし、
   上記出射面は上記第２面側から上記第１面側に向かって上記入射面に対し所定の角度を有するように傾斜していることを特徴とする近接場光集光素子。
2. 上記入射面と上記第１面とがなす第１角αが、上記入射面と上記第２面とがなす第２角βよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の近接場光集光素子。
3. 上記複数の層は、
   上記伝播層と、
   上記伝播層の両面に隣接して設けられており、かつ、該伝播層より小さな屈折率を有する第１金属層と、
   上記各第１金属層の伝播層と接している面とは反対側の面に隣接して設けられており、かつ、上記伝播層よりも大きな屈折率を有する誘電体層と、
   上記各誘電体層の上記第１金属層と接している面とは反対側の面に隣接して設けられた第２金属層とから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の近接場光集光素子。
4. 上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、該第１面と上記出射面とがなす傾斜角θを７７．４０°とした場合、第１角αと、該入射面と上記第２面とがなす第２角βとの差α−βが、０°＜α−β≦１２．４°の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の近接場光集光素子。
5. 上記入射面と上記第１面とがなす第１角αを７８．６２°、上記入射面と上記第２面とがなす第２角βを７０．３８°とした場合、該第１面と上記出射面とがなす傾斜角θが、４５°≦θ＜１０１．３８°の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の近接場光集光素子。
6. 上記第１面上に、該第１面を保護するための保護層が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の近接場光集光素子。
7. 上記保護層は、上記伝播層が有する屈折率よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項６に記載の近接場光集光素子。
8. 情報記録媒体の記録部分を加熱することにより、情報を記録する情報記録装置において、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の近接場光集光素子を、上記第１面と上記情報記録媒体とが対向するように備えることを特徴とする情報記録装置。
9. 上記近接場光集光素子の上記出射面に隣接して、上記情報記録媒体に磁界を印加するための磁気ヘッドを備えることを特徴とする請求項８に記載の情報記録装置。