JP2009301602A - 光学素子、光記録ヘッド及び光記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で簡単な構成でありながら光を効率良く集光し射出することができる光学素子を提供する。
【解決手段】放物線の焦点を通る前記放物線の軸に沿った直線と、前記直線と前記放物線の先端とが交わることで２分された片側の前記放物線と、で一部の輪郭形状をなすコア層と、前記コア層と接するクラッド層と、を有し、前記コア層に結合された光が前記放物線の焦点に集束され、前記焦点から光が射出される光学素子であって、前記コア層には、前記コア層に光が照射される位置に、照射される光を前記コア層の内部に導入し、導入した光を前記放物線の軸に対して平行な方向に進む光として結合させる光入力部が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子、光記録ヘッド及び光記録装置に関する。

磁気記録方式では、記録密度が高くなると磁気ビットが外部温度等の影響を顕著に受けるようになる。このため高い保磁力を有する記録媒体が必要になるが、そのような記録媒体を使用すると記録時に必要な磁界も大きくなる。記録ヘッドによって発生する磁界は飽和磁束密度によって上限が決まるが、その値は材料限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、記録時に局所的に加熱して磁気軟化を生じさせ、保磁力が小さくなった状態で記録し、その後に加熱を止めて自然冷却することにより、記録した磁気ビットの安定性を保証する方式が提案されている。この方式は熱アシスト磁気記録方式と呼ばれている。

熱アシスト磁気記録方式では、記録媒体の加熱を瞬間的に行うことが望ましい。また、加熱する機構と記録媒体とが接触することは許されない。このため、加熱は光の吸収を利用して行われるのが一般的であり、加熱に光を用いる方法は光アシスト式と呼ばれている。光アシスト式で高密度記録を行う場合、使用光の波長以下の微小な光スポットを必要とする。

そのため、入射光の波長以下の大きさの光学的開口から発生する近接場光（近視野光とも称する。）を利用する光ヘッドが利用されている。上記のような微小な光スポットでありながら集光効率のよい光記録ヘッドとして以下が提案されている（特許文献１参照）。

光記録ヘッドは、書き込み磁極とこの書き込み磁極に隣接したコア層とクラッド層を有する平面導波路を備えている。コア層は、該コア層内で電磁波を反射して焦点に導く放物線形状をした少なくとも１つのエッジを備え、また放物線の焦点が位置する先端部は放物線の先端部が切り取られたような平面形状をしている。この先端部は、光記録ヘッドが記録媒体と対向する空気ベアリング（ＡＢＳ：Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）面に隣接して設けられている。

コア層には、該コア層内に光を導入する回折格子が設けられ、例えばレーザ光を回折格子に照射すると、レーザ光はコア層に結合され、先端部の近傍に位置する焦点に収束する。この先端部から放射される光により記録媒体が照射され加熱される。

また、半導体レーザからの光を平行光として、この平行光を透明集光用媒体に入射させ光スポットを形成する記録再生ヘッドがある（特許文献２参照）。透明集光用媒体は、入射した光を回転放物面形状の反射面で反射し焦点に光スポットを形成する。透明集光用媒体は、ＳｒＴｉＯ_３等の誘電体やＧａＰ等の結晶等が使用される。
米国特許第６９４４１１２号明細書 特開２０００−２９８８０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光記録ヘッドにおいては、回折格子に照射されたレーザ光は、平面導波路のコア層内に結合されコア層の先端部に向かって導波されて進む。導波されて進む光は、放物線状の面で反射される光と直接先端部に進む光とがある。放物線状の面で反射されることなく放物線の先端が切り取られた平面形状の先端部に直接進んできた光は、焦点に収束されない。このため、回折格子に照射された光強度分布をガウス分布とするレーザ光は、最も光強度が大きい中心部が焦点に集束されない場合が生じ、コア層の先端部から効率よく光が射出できないという課題があった。

また、特許文献２に記載の記録再生ヘッドにおいては、立体の放物面形状の透明集光媒体を用いているため、質量が重く、スライダに集積する程の小型化が困難である。また、透明集光媒体に光を導入する位置精度は、特許文献１に記載されている平面導波路に光を導入する場合と比較して、より高い精度が要求されるため、製造が容易でない。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型で簡単な構成でありながら光を効率良く集光し射出することができる光学素子、この光学素子を用いた光記録ヘッド及び光記録装置を提供することである。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

１． 放物線の焦点を通り、前記放物線の軸に沿った直線と、前記直線と前記放物線の先端とが交わることで２分された片側の前記放物線と、で一部の輪郭形状をなすコア層と、
前記コア層と接するクラッド層と、を有し、
前記コア層に結合された光が前記放物線の焦点に集束され、前記焦点から光が射出される光学素子であって、
前記コア層には、
前記コア層に光が照射される位置に、照射される光を前記コア層の内部に導入し、導入した光を前記放物線の軸に対して平行な方向に進む光として結合させる光入力部が形成されていることを特徴とする光学素子。

２． 前記光入力部は、回折格子であることを特徴とする１に記載の光学素子。

３． 前記回折格子は、前記放物線の準線に対して平行な溝で構成されていることを特徴とする２に記載の光学素子。

４． 光照射により近接場光を生じるプラズモンプローブが前記焦点に設けられていることを特徴とする１乃至３の何れか一項に記載の光学素子。

５． １乃至４の何れか一項に記載の光学素子と、
磁気記録媒体に磁気記録を行う磁気記録部と、を備えていることを特徴とする光記録ヘッド。

６． ５に記載の光記録ヘッドと、
前記光学素子の前記光入力部に光を照射する光源と、
磁気記録媒体と、
前記光記録ヘッドにより前記磁気記録媒体に磁気記録を行う制御をする制御部と、を備えていることを特徴とする光記録装置。

本発明の光学素子によれば、小型で簡単な構成でありながら光を効率良く集光し射出することができる。また、本発明の光記録ヘッド及び光記録装置によれば、小型で簡単な構成でありながら光を効率良く集光し射出することができる光学素子を備えることができる。

本発明は、小さな光スポットを発生することに使用することができる光学素子に関するものであって、例えば光磁気記録媒体又は光記録媒体に記録を行う光記録ヘッドに使用できる。

以下、本発明を図示の実施の形態である光記録ヘッドに磁気記録部を有する光アシスト式磁気記録ヘッドとそれを備えた光記録装置に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。尚、各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複の説明を適宜省略する。

図１に光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置（例えばハードディスク装置）の概略構成例を示す。この光記録装置１００は、以下（１）〜（６）を筐体１の中に備えている。
（１）記録用のディスク（記録媒体）２
（２）支軸６を支点として矢印Ａの方向（トラッキング方向）に回転可能に設けられたアーム５に支持されたサスペンション４
（３）アーム５に取り付けられたトラッキング用アクチュエータ７
（４）サスペンション４の先端に取り付けられた光アシスト式磁気記録ヘッド（以下、光記録ヘッド３と称する。）
（５）ディスク２を矢印Ｂの方向に回転させるモータ（図示しない）
（６）トラッキング用アクチュエータ６、モータ及びディスク２に記録するために書き込み情報に応じて照射する光、磁界の発生等の光記録ヘッド３の制御を行う制御部８
こうした光記録装置１００は、光記録ヘッド３がディスク２上で浮上しながら相対的に移動しうるように構成されている。

図２は、光記録ヘッド３の一例の記録書き込み周辺部を側面から概念的に示している。光記録ヘッド３は、ディスク２に対する情報記録に光を利用する光記録ヘッドであって、スライダ３０、光学素子２０、磁気記録部４０等を備えている。

スライダ３０は、磁気記録媒体であるディスク２の上を浮上しながらディスク２に対して相対的に移動するため、スライダ３０のディスク２と対向する面には、浮上特性向上のためのＡＢＳ面３２（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：空気ベアリング面）を有している。

光源５０は、例えばＤＦＢレーザ素子、面発光レーザ素子、光ファイバ射出端部等と、これらから射出する光を後述する光学素子２０に設けてある光入力部に平行光として照射する例えば複数枚のレンズを備えた光学系とを組み合わせたものが挙げられる。光源５０は、光学素子２０に設けてある回折格子に平行光を照射できればよく、上記の構成に限定されず、他の例として面発光レーザ素子の光射出面にマイクロレンズ等の光学素子を集積したものとしてもよい。

光源５０から射出された光５２は、ミラー５１で反射され、所定の入射角で光学素子２０を照射する。ミラー５１は、光源５０から射出された光５２を光学素子２０に設けてある回折格子に効率よく結合する所定の入射角で回折格子を照射できる角度に偏向する。

光学素子２０は、光入力部である回折格子と入力された光を導波して射出するコア層とクラッド層からなる導波路とを備えており、ミラー５１で反射された光は、回折格子を介して導波路、詳しくはコア層に結合される。コア層に結合された光は、コア層の下端面２４に進み、加熱のための放射光６０としてディスク２に向かって放射される。尚、図２では、下端面２４の光を放射する位置又はその近傍に設けている後述のプラズモンプローブ２４ｄを省略している。

光源５０を固定する位置は、図２のようにサスペンション４としているが、アーム５に固定してもよい。光源５０を光記録ヘッド３より離して配置することは、光記録ヘッド３が光源５０の発熱の影響を受け難くする点、および光源５０の重さや光源によって生じる付加的な応力によってスライダ３０の浮上が妨げられない点で好ましい。

放射光６０が微小な光スポットとしてディスク２に照射されると、ディスク２の照射された部分の温度が一時的に上昇してディスク２の保磁力が低下する。その保磁力の低下した状態の照射された部分に対して、磁気記録部４０により磁気情報が書き込まれる。

尚、図２ではディスク２の記録領域の進入側から退出側（図の矢印２ａ方向）にかけて、光学素子２０、磁気記録部４０の順に配置されている。このように、光学素子２０の退出側直後に磁気記録部４０が位置すると加熱された記録領域の冷却が進みすぎない内に書き込みができるので好ましい。また、磁気記録部４０の退出側又は光学素子２０の流入側にディスク２に書き込まれた磁気記録情報を読み出す磁気再生部４１を設けてもよい。

光学素子２０に関して説明する。光学素子２０の正面図（光が入射する側）を図３、底面図を図４にそれぞれ模式的に示す。図４は、ディスク２側から光記録ヘッド３を見た様子を示している。光学素子２０は、導波路を構成するコア層２１とクラッド層２２を有し、コア層２１には、光入力部である回折格子２９が形成されている。導波路は、屈折率が異なる物質による複数層で構成することができ、コア層２１の屈折率は、クラッド層２２の屈折率より大きい。この屈折率差により導波路が構成され、コア層２１内の光はコア層２１内部に閉じ込められ、効率よく矢印２５の方向に進み、コア層２１の側面２６に入射し、反射されて、下端面２４に位置する焦点Ｆに集光する。

コア層２１の輪郭は、図３に示すように、放物線の軸Ｃ上の線と、該線と放物線の先端とが交わって２分された片側の放物線形状をしている。下端面２４は、放物線の軸Ｃ上の線を輪郭とし、側面２６は、片側の放物線を輪郭としている。

コア層２１に結合され、軸Ｃに平行に進む光は、上述の通り、側面２６に入射し反射され、下端面２４の面内にある焦点Ｆに集光することができる。下端面２４の輪郭をなしている線は、必ずしも放物線の軸Ｃ上にある必要はなく、焦点Ｆを通ればよいが、軸Ｃ上にあることが好ましい。これは、下端面２４がディスク２に対向する面であり、焦点Ｆから軸Ｃに垂直な方向に放射される光は、急に広がるため、焦点Ｆがディスク２の表面に近いほど、焦点Ｆから放射される光を効率よくディスク２に照射することができるためである。尚、図４では、焦点Ｆ近傍に設けている後述のプラズモンプローブ２４ｄを省略している。

コア層２１の屈折率は、１．４５から４．０程度とし、クラッド層２２の屈折率は、１．０から２．０程度としてよい。クラッド層２２の屈折率より大きな値の屈折率を持つコア層２１を形成することにより、コア層２１は、内面反射によりより効率よく光を導波することができる。クラッド層２２の屈折率に対するコア層２１の屈折率の比を大きくするに従って、コア層２１は、より多くの光をコア層２１の内部に閉じ込めることができる。尚、コア層２１のクラッド層２２と接する反対面には空気があり、この空気は、クラッド層として作用する。

コア層２１は、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等で形成され、厚みは約２０ｎｍから５００ｎｍの範囲としてよく、またクラッド層２２は、ＳｉＯ_２、空気、Ａｌ_２Ｏ_３等で形成され、厚みは約２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲としてよい。

コア層２１の側面２６には、例えば金、銀、アルミニウム等の反射物質を設けて、光反射損失をより少なくする助けとしてもよい。

コア層２１の焦点Ｆ又はその近傍に、近接場光発生用のプラズモンプローブ２４ｄを配置してもよい。プラズモンプローブ２４ｄの具体例を図６に示す。

図６において、（ａ）は三角形の平板状金属薄膜（材料例：アルミニウム、金、銀等）からなるプラズモンプローブ２４ｄ、（ｂ）はボウタイ型の平板状金属薄膜（材料例：アルミニウム、金、銀等）からなるプラズモンプローブ２４ｄであり、何れも曲率半径２０ｎｍ以下の頂点Ｐを有するアンテナからなっている。また、（ｃ）は開口を有する平板状金属薄膜（材料例：アルミニウム、金、銀等）からなるプラズモンプローブ２４ｄであり、曲率半径２０ｎｍ以下の頂点Ｐを有するアンテナからなっている。これらのプラズモンプローブ２４ｄに光が作用すると、その頂点Ｐ近辺に近接場光が発生して、非常に小さいスポットサイズの光を用いた記録又は再生を行うことが可能となる。つまり、コア層２１の焦点Ｆ又はその近傍にプラズモンプローブ２４ｄを設けることにより局所プラズモンを発生させれば、焦点に形成された光スポットのサイズをより小さくすることができ、高密度記録に有利となる。尚、焦点Ｆにプラズモンプローブ２４ｄの頂点Ｐが位置することが好ましい。

図３に示す、光学素子２０のコア層２１に設けてある回折格子２９は、コア層２１に設けてある側面２６の形状である放物線の準線に対して平行な複数の溝により構成されている。この回折格子２９は、例えば球面レンズ等で構成される光学系を用いてコリメート光（平行光）にされて光源５０から射出する光が、所定の入射角で照射される。図３において、回折格子２９を照射する光を光スポット５５で示している。光スポット５５は、回折格子２９を介してコア層２１に結合される。コリメート光をコア層２１に結合させる方法としては、例えば上記の回折格子２９を用いたグレーティングカプラの他、例えば回折格子の代わりにプリズムを用いたプリズムカプラと呼ばれる方法があるが、これらに限定されない。尚、回折格子２９を工夫することにより、回折格子２９を照射する光をコリメート光としなくてよい。

所定の入射角で回折格子２９を照射したコリメート光は、コア層２１に結合され、側面２６の形状を表す放物線の軸Ｃに平行（矢印２５に示す方向）に進む。軸Ｃに平行に進んだ光は、放物線形状の側面２６に入射し、反射され焦点Ｆに集光する。焦点Ｆに集光する光の入射角度は、放物面の先端部分が反射面として利用できるため、理論的には９０°となることから大きくすることができる。このため、焦点Ｆに形成される光スポット径を小さくすることができる。

回折格子２９を照射する光の強度分布は、一般的に半径方向に対称なガウス分布をしている。ガウス分布を光強度分布とした光スポット５５を回折格子２９に照射した様子を図５に示す。図５において、回折格子２９に照射される光スポット５５の位置Ｓを中心とする強度分布を光強度分布８０として示している。光強度分布８０を示す縦軸Ｗは、光スポットの中心（位置Ｓ）からの広がり方向を示し、横軸Ｉは、光強度を示している。これらより、位置Ｓは、光スポット５５の光の最大強度箇所を示している。回折格子２９に照射された光は、コア層２１に光結合し、コア層２１内を進む。コア層２１内を進む光は、放物面形状の側面２６に入射し、反射されて焦点Ｆに集束する。よって、回折格子２９を照射する光スポット５５は、コア層内での導波や側面２６での反射等以外では損失を生じること無く焦点Ｆに集束することになり、回折格子２９を照射した光を効率良く焦点Ｆに集束させることができる。

また、光学素子の高さを、光スポット５５の直径程度とすれば、光スポットの一部を欠くこともなく焦点Ｆに集光することができるため、小型で有りながら上述の通り光の利用効率を高くすることができる。

光記録ヘッド３は、例えば基板（材料：ＡｌＴｉＣ等）に磁気再生部４１、ＳｉＯ_２層３４、磁気記録部４０、クラッド層及びコア層となる材料を積層し、電子ビームリソグラフィーやフォトリソグラフィー技術を用いた一般的な半導体プロセスにより容易に形成することができる。このように形成した光記録ヘッド３を基板面に対して垂直に切り出すと図４に示す形状となるが、回折格子を照射する光の入射角だけ傾けて基板から切り出すことにより図７に示す形状とすることができ、このようにすると、ミラー５１を省略することができ、光記録ヘッドに光を照射する光学系を簡素化することができる。

これまで説明した光記録ヘッドは、ディスク２に対する情報記録に光を利用する光アシスト式磁気記録ヘッドであるが、記録媒体に対する情報記録に光を利用し、磁気記録部４０や磁気再生部を有しない、例えば、近接場光記録、相変化記録等の記録を行う光記録ヘッドとしてもよい。

光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置の概略構成の例を示す図である。 光記録ヘッドの一例の側面図を示している。 光学素子の正面図を示す図である。 光学素子の周辺の底面図を示す図である。 ガウス分布を光強度分布とした光スポットを回折格子に照射した様子を示す図である。 光学素子の焦点又はその近傍に設けられるプラズモンプローブの例を示す図である。 光記録ヘッドの一例の底面図を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ ディスク
３ 光記録ヘッド
４ サスペンション
５ アーム
２０ 光学素子
２１ コア層
２２ クラッド層
２４ 下端面
２６ 側面
２９ 回折格子
３０ スライダ
３２ ＡＢＳ面
４０ 磁気記録部
４１ 磁気再生部
５０ 光源
５１ ミラー
５５ 光スポット
６０ 放射光
８０ 光強度分布
１００ 光記録装置
Ｃ 軸
Ｆ 焦点
Ｓ 位置

Claims (6)

1. 放物線の焦点を通り、前記放物線の軸に沿った直線と、前記直線と前記放物線の先端とが交わることで２分された片側の前記放物線と、で一部の輪郭形状をなすコア層と、
   前記コア層と接するクラッド層と、を有し、
   前記コア層に結合された光が前記放物線の焦点に集束され、前記焦点から光が射出される光学素子であって、
   前記コア層には、
   前記コア層に光が照射される位置に、照射される光を前記コア層の内部に導入し、導入した光を前記放物線の軸に対して平行な方向に進む光として結合させる光入力部が形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記光入力部は、回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記回折格子は、前記放物線の準線に対して平行な溝で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 光照射により近接場光を生じるプラズモンプローブが前記焦点に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学素子。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学素子と、
   磁気記録媒体に磁気記録を行う磁気記録部と、を備えていることを特徴とする光記録ヘッド。
6. 請求項５に記載の光記録ヘッドと、
   前記光学素子の前記光入力部に光を照射する光源と、
   磁気記録媒体と、
   前記光記録ヘッドにより前記磁気記録媒体に磁気記録を行う制御をする制御部と、を備えていることを特徴とする光記録装置。

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