JP2010197792A

JP2010197792A - 光導波路

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Publication number: JP2010197792A
Application number: JP2009043681A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hasegawa; 信也長谷川; Fumihiro Tawa; 文博田和; Wataru Odajima; 渉小田島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】波長よりも小さい厚みでコアに光を閉じ込めることができる光導波路を提供する。
【解決手段】光導波路１１のコア１３は第１屈折率の第１材料から形成される。クラッド１２、１５は第１屈折率よりも高い第２屈折率の第２材料から形成される。コア１３の有効屈折率は第１屈折率を超える。コア１３の厚みが光の波長よりも小さくても、光は確実に閉じ込められる。光のスポットは光の波長よりも小さく絞り込まれることができる。波長よりも小さい径のスポットは確立されることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は光導波路に関する。

光導波路は広く知られる。光導波路は例えばコアとコアを取り囲むクラッドとを備える。コアには、クラッドの屈折率よりも大きな屈折率を有する材料が利用される。光がコアに導入されると、屈折率の大小関係に基づき光は全反射しつつコア内を伝播する。

特開２００４−３０８４０号公報米国特許第５６９６３７２号明細書特開２００３−６７０３号公報

ＨｅｒｍａｎｎＡ．Ｈａｕｓ外，「ＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆＣｕｔｏｆｆＭｏｄｅｓａｎｄＬｅａｋｙＭｏｄｅｓｏｆＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＳｌａｂＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ，１９８６年２月，Ｖｏｌ．ＱＥ−２２，Ｎｏ．２，ｐ．３１０−３１８

前述の光導波路は回折限界に曝される。コアの厚みが光の波長を下回ると、伝播中に光はコアからクラッドににじみ出てしまう。その結果、コアで伝播される光は絞られることはできない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、波長よりも小さい厚みでコアに光を閉じ込めることができる光導波路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、光導波路の一具体例は、第１屈折率の第１材料から形成されるコアと、第１屈折率よりも高い第２屈折率の第２材料から形成され、コアとの境界面で光の反射面を確立するクラッドとを備える。コアの有効屈折率は第１屈折率を超える。

開示の装置では光は確実にコアに閉じ込められる。しかも、コアの厚みが光の波長よりも小さくても、光は確実に閉じ込められる。光のスポットは光の波長よりも小さく絞り込まれることができる。波長よりも小さい径のスポットは確立されることができる。

以上のように開示の光導波路によれば、波長よりも小さい厚みでコアに光は閉じ込められることができる。

本発明の第１実施形態に係る光導波路の構造を概略的に示す透視斜視図である。第１実施形態に係る光導波路の光学薄膜モデルを概略的に示す平面図である。第１実施形態に係る光導波路でコアの厚みと有効屈折率との関係を示すグラフである。斜め入射を示す概念図である。第２実施形態に係る光導波路でコアの厚みと有効屈折率との関係を示すグラフである。本発明の第３実施形態に係る光導波路の構造を概略的に示す装置斜視図である。電磁界シミュレーションの結果であって光の伝播を示す図である。ハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）の構造を概略的に示す平面図である。浮上ヘッドスライダーを概略的に示す斜視図である。媒体対向面から観察される電磁変換素子の拡大平面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る光導波路１１を概略的に示す。この光導波路１１はいわゆるスラブ型光導波路に形成される。すなわち、光導波路１１は基体となる第１クラッド層１２を備える。第１クラッド層１２の表面にはコア層１３が重ね合わせられる。コア層１３は第１クラッド層１２の表面に密着する。こうしてコア層１３および第１クラッド層１２の間には境界面１４が確立される。コア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅは第１クラッド層１２の屈折率ｎ_{ｃｌａｄ１}よりも小さく設定される。ここでは、第１クラッド層１２はＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で形成される。Ａｌ_２Ｏ_３は１．７８６の屈折率を有する。コア層１３はＳｉＯ_２（酸化ケイ素）で形成される。ＳｉＯ_２は１．５６７の屈折率を有する。コア層１３の積層にあたって例えばスパッタリングが用いられる。

コア層１３の表面には第２クラッド層１５が重ね合わせられる。第２クラッド層１５はコア層１３の表面に密着する。こうして第２クラッド層１５およびコア層１３の間には境界面１６が確立される。コア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅは第２クラッド層１５の屈折率ｎ_{ｃｌａｄ２}よりも小さく設定される。ここでは、第２クラッド層１５は第１クラッド層１２と同様にＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で形成される。第２クラッド層１５の積層にあたって例えばスパッタリングが用いられる。

本発明者は光導波路１１の有効屈折率ｎ_ｅｆｆを算出した。算出にあたって、図２に示されるように、光学薄膜モデルが検討された。相互に平行に広がる境界面１４、１６の中間位置に基準面１７が設定された。基準面１７はｙｚ平面に相当する。光導波路１１は基準面１７で対称に形成された。基準面１７から順番に第１層のコア層１３、第２層の第２クラッド層１５および第３層の空気層１８が設定された。ｎ層目（ｎ＝１、２）のＦマトリクスは次式で表される。

ここで、ε_ｎはｎ層目の誘電率を示し、ｄ_ｎはｎ層目の膜厚を示す。ｉは虚数を示す。ｋ_０は屈折率ｎ＝１．０の場合の波数を示す。位相伝搬定数β_ｎは次式で表される。式中、Λは伝搬定数を示す。

基準面１７からｙ軸の正方向では総合のＦマトリクスは次式で表される。

ここで、Ｘ（０）は基準面１７での磁場を表し、Ｖ（０）は基準面１７での電場を表す。基準面１７でインピーダンスＺは次式で表される。

空気層１８（ｎ＝３）ではインピーダンスＺは次式で表される。

伝送通信などで知られる横共振条件によれば、インピーダンスＺが「０（ゼロ）」であるといった条件が確立されると、光はコア層１３中を伝搬することができる。

伝搬定数Λが波数２π／λで正規化されると、有効屈折率ｎ_ｅｆｆは導き出される。有効屈折率ｎ_ｅｆｆの虚数部は伝播の損失を示す。

ここでは、有効屈折率ｎ_ｅｆｆの算出にあたって第１および第２クラッド層１２、１５の膜厚は４００［ｎｍ］に設定された。コア層１３の膜厚は０［ｎｍ］〜３００［ｎｍ］の範囲に設定された。入射光には波長４０５［ｎｍ］の青紫色光が設定された。発光源には半導体レーザーが想定された。その結果、図３に示されるように、有効屈折率ｎ_ｅｆｆは算出された。

有効屈折率ｎ_ｅｆｆがコア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも小さいと、次式に従って光導波路１１の法線に対して角度θの方向に光は漏れる。ここで、θは自由空間中の角度を示す。

有効屈折率ｎ_ｅｆｆがコア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも大きいときにも、同様に、全反射という現象は利用されることができない。したがって、光は漏れうる。しかしながら、境界面１４、１６に入射する光の入射角度が９０度に近づくと、フレネル反射の反射率の絶対値は「１」に近づく。その結果、光の漏れは大幅に低減されることができる。すなわち、有効屈折率ｎ_ｅｆｆの虚数部は非常に小さく「０（ゼロ）」に近い値を示す。光の伝播でほとんど損失は生じない。光は長い距離にわたって伝播することができる。

図３から明らかなように、光伝播では複数のモードが存在する。例えばコア層１３の膜厚が１５０［ｎｍ］以下の場合には１次〜３次モードの光の伝播でコア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも大きな有効屈折率ｎ_ｅｆｆが確立される。このとき、境界面１４、１６はフレネル反射に基づく反射面を確立する。境界面１４、１６に入射する入射角度は９０度に近いことから、フレネル反射の反射率の絶対値は「１」に近づく。したがって、光はコア層１３内にほぼ閉じ込められる。コア層１３から出射する光は例えば対象物上に波長より小さい径のスポットを形成する。４次以降のモードではコア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも小さい有効屈折率ｎ_ｅｆｆが確立される。光は境界面１４、１６から漏れ出てしまう。こうして漏れ出た光がコア層１３から出射すると、例えば対象物上に余分なスポットが形成される。こういった光の漏れが許容される場合には、光の垂直入射が利用されればよい。ここでは、計算にあたって光の偏光面は前述の基準面１７に直交する方向に設定された。ただし、これに限定されることはなく、直交または平行のいずれかの直線偏光であることが望まれる。その他、斜め入射に基づき特定のモードのみで光の伝播が確立されてもよい。こういった特定の入射角度の確立によれば、光の漏れは回避されることができる。このとき、光の入射角度θ_ｉｎｃは次式を満たせばよい。

例えばコア層１３の膜厚が２０［ｎｍ］では１次モードで有効屈折率ｎ_ｅｆｆは１．７６を示す。このとき、［数８］に従えば光の入射角度θ_ｉｎｃは８０度に設定されればよい。こういった入射角度θ_ｉｎｃの調整にあたって、例えば図４に示されるように、光は傾斜面１９からコア層１３に導入されればよい。その他、斜め入射の確立にあたって例えばプリズムが用いられてもよい。

次に、本発明者は本発明の第２実施形態に係る光導波路の有効屈折率ｎ_ｅｆｆを算出した。この第２実施形態では、第１および第２クラッド層１２、１５に前述のＡｌ_２Ｏ_３に代えてＳｉ（シリコン）が用いられた。シリコンの屈折率は（４．３８＋ｊ２．０２）に設定された。シリコンの屈折率は虚数部（ｊ２．０２）を含む。ＳｉＯ_２の屈折率は１．４７に設定された。前述と同様に、入射光には波長４０５［ｎｍ］の青紫色光が設定された。その他、光導波路の構造は前述の光導波路１１の構造に同一に設定された。

図５に示されるように、単一のモードで光の伝播が確立された。このモードの光の伝播ではコア層１３の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも大きな有効屈折率ｎ_ｅｆｆが確立される。光はコア層１３内にほぼ閉じ込められる。こうして単一のモードが確立される場合には、垂直入射が用いられればよい。垂直入射に拘わらず、光の漏れは確実に回避されることができる。ただし、第１および第２クラッド層１２、１５の材料では光の損失が避けられないことから、有効屈折率に虚数部が発生する。その影響で光の強度の損失が引き起こされる。したがって、強度の損失に応じて光導波路２１の長さは設定される。光導波路２１の長さは制限される。

図６は本発明の第３実施形態に係る光導波路２１を概略的に示す。この光導波路２１はいわゆるリッジ型光導波路に形成される。光導波路２１は基板（図示されず）上に形成される。すなわち、光導波路２１は、基板に支持される基体２２を備える。基体２２の表面には第１コア層２３が重ね合わせられる。第１コア層２３は基体２２の表面に密着する。第１コア層２３は光導波路２１の前端から後端まで均一な幅Ｗ_１および均一な厚みｔ_１で延びる。第１コア層２３の表面には第２コア層２４が重ね合わせられる。第２コア層２４は第１コア層２３に一体化される。第２コア層２４は光導波路２１の前端から後端まで均一な幅Ｗ_２および均一の厚みｔ_２で延びる。第２コア層２４の幅Ｗ_２は第１コア層２３の幅Ｗ_１よりも小さく設定される。基体２２の表面には被覆層２５が重ね合わせられる。被覆層２５は第１および第２コア層２３、２４に覆い被さる。こうして第１および第２コア層２３、２４は基体２２および被覆層２５に途切れなく囲まれる。第１および第２コア層２３、２４と基体２２および被覆層２５との間には境界面が確立される。基体２２および被覆層２５はクラッドとして機能する。第１コア層２３や第２コア層２４の形成にあたって基体２２上でフォトリソグラフィが用いられればよい。フォトリソグラフィの実施にあたって特願２００２−１８８５７９に開示される作製手法が採用されればよい。

第１および第２コア層２３、２４の屈折率ｎ_ｃｏｒｅは基体２２および被覆層２５の屈折率ｎ_ｃｌａｄよりも小さく設定される。ここでは、第１および第２コア層２３、２４はＳｉＯ_２（酸化ケイ素）で形成される。ＳｉＯ_２は１．４７の屈折率を有する。被覆層２５は例えば基体２２と同一の素材から形成される。被覆層２５および基体２２はＳｉ（シリコン）で形成される。Ｓｉは（４．３８＋ｊ２．０２）の屈折率を有する。

本発明者は光導波路２１の第１および第２コア層２３、２４内で光の伝播の様子を観察した。観察にあたってＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法に基づく電磁界シミュレーションが利用された。電磁界シミュレーションの実施にあたって第１コア層２３の幅Ｗ_１は３００［ｎｍ］に設定された。第１コア層２３の厚みｔ_１は１００［ｎｍ］に設定された。第２コア層２４の幅Ｗ_２は１００［ｎｍ］に設定された。第２コア層２４の厚みｔ_２は１００［ｎｍ］に設定された。光導波路２１の長さＬは５００［ｎｍ］に設定された。基体２２および被覆層２５の総高さＨは１０００［ｎｍ］に設定された。基体２２および被覆層２５の幅Ｄは１１００［ｎｍ］に設定された。前述と同様に、入射光には波長４０５［ｎｍ］の青紫色光が設定された。光の垂直入射が設定された。その結果、図７に示されるように、第１コア層２３の中心部分で１００×１００［ｎｍ］の範囲に光が集中した。境界面で光の反射面が確立された。光は閉じ込められた。

なお、本発明は前述の薄膜構造の光導波路１１、２１だけでなく光ファイバーといった円筒型の光導波路にも適用されることができる。

図８は記憶媒体駆動装置すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）３１の内部構造を概略的に示す。このＨＤＤ３１は筐体すなわちハウジング３２を備える。ハウジング３２は箱形のベース３３およびカバー（図示されず）から構成される。ベース３３は例えば平たい直方体の内部空間すなわち収容空間を区画する。カバーはベース３３の開口に結合される。カバーとベース３３との間で収容空間は密閉される。

収容空間には記憶媒体すなわち２枚以上の磁気ディスク３４が収容される。磁気ディスク３４はスピンドルモーター３５の回転軸に装着される。スピンドルモーター３５は高速度で磁気ディスク３４を回転させることができる。磁気ディスク３４にはいわゆる垂直磁気ディスクが用いられる。

収容空間にはキャリッジブロック３６がさらに収容される。キャリッジブロック３６は、垂直方向に延びる支軸３８に回転自在に連結される。キャリッジブロック３６には、支軸３８から水平方向に延びる剛体のキャリッジアーム３９が区画される。キャリッジアーム３９の先端にはヘッドサスペンション４１が取り付けられる。ヘッドサスペンション４１はキャリッジアーム３９の先端から前方に延びる。ヘッドサスペンション４１の前端には浮上ヘッドスライダー４３が支持される。浮上ヘッドスライダー４３は磁気ディスク３４の表面に向き合わせられる。浮上ヘッドスライダー４３には電磁変換素子が搭載される。浮上ヘッドスライダー４３には、磁気ディスク３４の表面に向かってヘッドサスペンション４１から押し付け力が作用する。磁気ディスク３４が回転すると、磁気ディスク３４の表面に沿って気流が生成される。この気流の働きで浮上ヘッドスライダー４３には浮力が生成される。ヘッドサスペンション４１の押し付け力と浮力とは釣り合う。こうして磁気ディスク３４の回転中に比較的に高い剛性で浮上ヘッドスライダー４３は浮上し続けることができる。浮上ヘッドスライダー４３の浮上中に支軸３８回りでキャリッジアーム３９が揺動すると、浮上ヘッドスライダー４３は半径方向に磁気ディスク３４の表面を横切ることができる。こうした浮上ヘッドスライダー４３の半径方向移動に基づき電磁変換素子は目標の記録トラックに向き合わせられる。

図９は一具体例に係る浮上ヘッドスライダー４３を示す。この浮上ヘッドスライダー４３は、例えば平たい直方体に形成されるスライダー本体４５を備える。スライダー本体４５は例えばＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ（アルチック）といった硬質の非磁性材料から形成される。スライダー本体４５の空気流出側端面には非磁性絶縁層すなわち素子内蔵膜４６が積層される。素子内蔵膜４６は例えばＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）といった比較的に軟質の絶縁非磁性材料から形成される。素子内蔵膜４６に前述の電磁変換素子４７が組み込まれる。

スライダー本体４５は媒体対向面４８で磁気ディスク３４に向き合う。媒体対向面４８には所定の形状に従ってレール４９が形成される。レール４９の頂上面には空気軸受け面５１が確立される。磁気ディスク３４の回転中、空気軸受け面５１と磁気ディスク３４との間には空気膜が形成される。なお、浮上ヘッドスライダー４３の形態はこういった形態に限られるものではない。

図１０は電磁変換素子４７の様子を詳細に示す。電磁変換素子４７は読み出しヘッド素子５２と書き込みヘッド素子５３とを備える。読み出しヘッド素子５２は上部シールド層５４および下部シールド層５５を備える。上部シールド層５４および下部シールド層５５は導電性の磁性材料から形成される。上部シールド層５４および下部シールド層５５の間に例えばスピンバルブ膜やトンネル接合膜といった磁気抵抗効果（ＭＲ）膜５６が挟み込まれる。上部シールド層５４および下部シールド層５５からセンス電流は磁気抵抗効果膜５６に供給される。磁気ディスク３４から作用する磁界の向きに応じて磁気抵抗効果膜５６の抵抗値は変化する。こうした抵抗の変化に基づき２値情報は判別される。上部シールド層５４および下部シールド層５５の間隔は磁気ディスク３４上で記録トラックの線方向に磁気記録の分解能を決定する。

書き込みヘッド素子５３は読み出しヘッド素子５２よりも空気流出側に配置される。この書き込みヘッド素子５３はいわゆる単磁極ヘッドに構成される。書き込みヘッド素子５３は磁気ディスク３４に向かって磁力の流れを生成する主磁極５７を備える。主磁極５７には磁気コイル（図示されず）の働きで磁力が供給される。磁気コイルは書き込み電流の供給に応じて磁界を生成する。電流の向きに応じて磁界の向きは反転する。こうした磁界の働きで磁気ディスク３４に２値情報は書き込まれる。磁界は主磁極５７、磁気ディスク３４および補助磁極５８を循環する。

読み出しヘッド素子５２および書き込みヘッド素子５３の間には前述の光導波路２１が配置される。光導波路２１の確立にあたって素子内蔵膜４６には前述の第１コア層２３および第２コア層２４が埋め込まれる。光導波路２１は浮上ヘッドスライダー４３の空気流出端面に沿って浮上ヘッドスライダー４３の背面から媒体対向面４８まで光を誘導する。前述のように光は波長よりも小さい径のスポットに絞られることができる。磁気ディスク３４上では、こうして光エネルギーで加熱された磁性膜に主磁極５７から磁界が作用する。作用する磁界は磁性膜内で磁化を確立する。素子内蔵膜４６はクラッドとして機能する。

１１光導波路、１２クラッド（第１クラッド層）、１３コア（コア層）、１４境界面、１５クラッド（第２クラッド層）、１６境界面、２１光導波路、２２クラッド（基体）、２３コア（第１コア層）、２４コア（第２コア層）、２５クラッド（被覆層）。

Claims

第１屈折率の第１材料から形成されるコアと、第１屈折率よりも高い第２屈折率の第２材料から形成され、コアとの境界面で光の反射面を確立するクラッドとを備え、コアの有効屈折率は第１屈折率を超えることを特徴とする光導波路。
請求項１に記載の光導波路において、前記第２屈折率ｎ_ｃｌａｄと、コアの法線方向に対する入射角度θ_ｃｏｒｅと、前記有効屈折率ｎ_ｅｆｆとの間には次式が成立することを特徴とする光導波路。
請求項１または２に記載の光導波路において、前記第２屈折率は実数部のみを有することを特徴とする光導波路。
請求項１または２に記載の光導波路において、前記第２屈折率は実数部および虚数部を有することを特徴とする光導波路。
請求項１〜４に記載の光導波路において、スラブ型光導波路であることを特徴とする光導波路。
請求項１〜４に記載の光導波路において、リッジ型光導波路であることを特徴とする光導波路。
記憶媒体と、媒体対向面で前記記憶媒体に向き合わせられるヘッドスライダーと、前記ヘッドスライダーに搭載されて、前記ヘッドスライダーの背面から前記媒体対向面まで延びる光導波路とを備え、前記光導波路は、第１屈折率の第１材料から形成されるコアと、第１屈折率よりも高い第２屈折率の第２材料から形成され、コアとの境界面で光の反射面を確立するクラッドとを備え、コアの有効屈折率は第１屈折率を超えることを特徴とする記憶媒体駆動装置。