JP4029538B2 - Semiconductor laser, optical head, optical disk apparatus, and method of manufacturing semiconductor laser - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己結合効果を利用してレーザ光を出射する半導体レーザ、光ヘッド、光ディスク装置、および半導体レーザの製造方法に関し、特に、微小開口から放射されるレーザ光の強度を増大させることにより、記録媒体の高記録密度化が可能となり、小型化およびデータ転送レートの向上を図った半導体レーザ、光ヘッド、光ディスク装置、および半導体レーザの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ディスク装置においては、光ディスクはコンパクトディスク(CD)からディジタルビデオディスク(DVD)へと高密度・大容量化が進められているが、コンピュータの高性能化やディスプレイ装置の高精細化に伴い、ますます大容量化が求められている。
【0003】
光ディスクの記録密度は、基本的には記録媒体上に形成される光スポットの径で抑えられる。レーザ光の回折限界以下の光スポットを得る手段として、微小開口を透明集光用媒体の光スポット位置に設け、そこから染み出す近接場光を利用する方法が注目を集めている。しかし、この方法では、光利用効率が小さいため、染み出す近接場光の強度が低く、まだ従来のレンズによる集光で得られる記録マーク(約0.1μm)よりも小さな記録マークは得られていない。
【0004】
この問題を解決する手段として、半導体レーザの自己結合効果(SCOOP効果)を利用して記録・再生する方法が提案されている。すなわち、この方法は、半導体レーザの出力面のスポット位置に微小開口を形成し、そこから放射されるレーザ光を記録・再生に使用する方法であり、特に再生時には、記録媒体からの反射光を微小開口を通してレーザの共振器内に再入射し、それによって生じるレーザの発振状態の変調を電気的・光学的に検出するものである。この検出方式によれば、感度が高いため、再入射光が微弱でも再生することが可能となる。
【0005】
この方式を用いた従来の光ヘッドとして、例えば、A.Partoviにより発表された「Tech.Dig.ISOM/ODS '99、ThC−1(1999)p.352.」(以下「文献I」という。)、およびS.Shimadaにより発表された「Jpn.J.Appl.Phys.38(1999)Pt.2,No.11B,p.L1327.」(以下「文献II」という。)に示されたものがある。
【0006】
図8は、上記文献Iに記載された従来の光ヘッドを示す。この光ヘッド1は、浮上スライダ11の後端部11aに、端面発光型半導体レーザ2を配置したものである。この端面発光型半導体レーザ2は、発振波長980nmの共振器を構成する高反射多層膜10aおよび低反射多層膜10bを発振領域8の後端面と先端面にそれぞれ配置し、その低反射多層膜10bの表面に、Gaイオンの収束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB)を用いたエッチングにより微小開口5が形成された金属遮光体4を配置したものである。このような構成において、微小開口5から放射される微小サイズのレーザ光6を光ディスク7の相変化型記録媒体7aに照射することにより、記録・再生を行う。再生時には、記録媒体7aからの反射光を微小開口5を通して半導体レーザ2の共振器内に再入射させ、自己結合効果、すなわち、再入射光による半導体レーザ2の変調を電気的あるいは光学的に検出することにより情報の再生を行う。微小開口5によって微小化されたレーザ光6を記録・再生に用いることにより、高記録密度化が図れる。
【0007】
図9は、上記文献IIに記載された従来の半導体レーザを示す。この半導体レーザ2は、AlGaAs系の半導体結晶からなる850nmの波長で発振する面発光型半導体レーザ2であり、GaAs基板11に、高反射多層膜10a、P型AlAs層33、P型スペーサ層34、部分透過率を有する高反射多層膜10cおよび位相調整層35を順次形成し、半導体レーザ2の出力面3に、収束イオンビームを用いたエッチングにより発振領域8の上部に微小開口6が形成された金属遮光体4を配置したものである。共振器を構成する高反射多層膜10aおよび高反射層膜10cは、1/4波長厚のGaAs層とAlGaAs層を交互に積層して構成されている。出力側の共振器用ミラーは、上記の高反射多層膜10cと金属遮光体4とで構成されている。また、金属遮光体4での反射は位相が反転するので、光路長が1/4波長となる厚さのAlGaAsからなる位相調整層35を挟み、両者の反射が強め合うように調整されている。微小開口5によって微小化されたレーザ光6を記録・再生に用いることにより、高記録密度化が図れる。
【0008】
一方、自己結合効果を利用してレーザ光を出射する半導体レーザではあるが、上記2つの従来例とは異なる構成の半導体レーザとして、例えば、第73回微小光学研究会資料、p.27、(1999、9月)に示されるものがある。
【0009】
図12は、その半導体レーザを示す。この半導体レーザ2は、面発光型半導体レーザであり、レーザ2の出力面に設けられた半導体材料で形成するトータルレフレクションチップ(Total Refrection Tip)と称する角錐状の集光体61と、集光体61の先端に設けられた円錐状の中心金属体66と、中心金属体66の先端に形成されたカーボンナノチューブからなる微小同軸体65と、これらの集光体61、中心金属体66および微小同軸体65の周囲に誘電体層62を介して形成された金属膜63とを有する。この構成によれば、図13に示すように、
微小同軸体65から微小サイズの伝播光(TEM00モード)を得ようとするものである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図8および図9に示す従来の半導体レーザによると、レーザ光の出力面に設けた金属遮光体の厚さ分記録媒体との間にエアギャップが形成されるので、記録密度を高めるために微小開口のサイズを小さくしても、開口の面積に反比例する以上に急激に出力パワーが低下し、記録密度の向上を図ることができないという問題がある。
【0011】
すなわち、単純開口の場合、マイクロ波の導波管からも類推されるように、開口が波長の1/2以下ではカットオフとなり、開口が狭くなるにつれて通過し得るレーザ光は指数関数的に減少する。また、その場合、レーザ光は主に近接場光として界面付近に界在するが、その広がり長さは開口サイズ程度である。開口幅を100nmとした場合、図10(a)に示すように、奥行きと開口幅が同程度の長さとなり、近接場光は、同図(b)に示すように、開口法線方向に指数関数的に強度が減少し、金属遮光体4の表面4aより外側には殆ど届かなくなる。このことから、上述したように開口サイズを小さくすると、急激にパワーが低下する。
【0012】
図11は、その開口サイズと光出力パワーとの関係を示す。記録再生型の光記録媒体としては、GeSbTe等を主体とする相変化型記録媒体とFeTbCo等を主体とする光磁気記録媒体とがあるが、いずれも記録には、3×106W/cm2(光スポット径1μmの場合、20mW)程度の光パワー密度を必要とする。これに対し、同図に示すように、開口サイズが0.1μmと0.05μmの場合、出力パワーはそれぞれ0.1mW、0.01mW、光パワー密度はそれぞれ1.8×106W/cm2、0.7×106W/cm2と急激に低下し、記録に必要な光パワー密度の数分の一以下となり、出力不足となる。
【0013】
図13は、図12に示す従来の面発光型半導体レーザ2の問題点を示す。面発光型半導体レーザ2の出力光の大半は、同図に示すように、角錐状の集光体61の斜面61aにおいて、2回全反射して面発光型半導体レーザ2に戻るように構成され、この斜面61a自体がレーザ2の出力側共振器の反射鏡の一部を担っている。そのため、斜面61aの傾き角は45度に形成されている。その外側に誘電体層62が設けられているが、蒸着やスパッタにより形成され得る誘電体層62の屈折率は、高いものでもせいぜい2.2であり、一方、レーザ用半導体の屈折率は3.5程度であり、入射臨界角は38度程度となるので、45度入射では、確かに、全反射の条件を満たし、半導体の集光体61の斜面61aで全反射される。そして、出力光は、角錐状の集光体61の頂点の傾斜が鈍って曲率を帯びている部分から放出されることになる。しかし、その頂点の部分に同軸の中心金属体66が形成されており、殆どの出力光がこの中心金属体66により反射ないし吸収されることになり、微小同軸体65には殆ど光が到達し得ない構造である。仮に、集光体61の斜面61aから漏れ出したとしても、金属膜63によりレーザ方向に反射されるか、微小テーパー型プローブにおいてよく知られているように吸収されて、やはり殆ど微小同軸体65にはレーザ光は到達せず、必要な光強度が得られていない。
【0014】
従って、本発明の目的は、微小開口から放射されるレーザ光の強度を増大させることにより、記録媒体の高記録密度化が可能となり、小型化およびデータ転送レートの向上を図った半導体レーザ、光ヘッド、光ディスク装置、および半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、レーザ光出射側に位置する平坦な面に共振器の一部を構成する100nm以下のサイズを有する微小開口が形成された金属遮光体を備え、前記微小開口の中心に中心金属体が設けられるとともに、前記微小開口内に前記金属遮光体の表面とほぼ同一の面となるようにレーザ光透光性の材料が埋め込まれてなることを特徴とする半導体レーザを提供する。
上記構成によれば、開口内のレーザ光の波長が、レーザ光透過性の材料の屈折率に反比例して短くなるため、波長に対する開口幅の比がそれに比例して大きくなり、レーザ光が開口を通過し易くなる。微小開口と中心金属体とから同軸開口が形成され、この同軸開口から伝播光が出力される。この伝播光を出力する表面が、元のレーザ光出力面から微小開口内に埋め込まれた材料の表面まで移動するため、伝播光を出力する面と記録媒体との距離を近づけられることになり、伝播光を効率良く記録媒体内に入射することが可能となる。なお、微小開口内に埋め込むレーザ光透過性の材料としては、半導体レーザ構造の一部を構成する材料や反射防止膜がある。半導体レーザ構造としては、反射膜や多層反射膜、活性層やクラッド層、あるいは活性層より広いバンドギャップを有し、活性層の端面に設けられる窓材料があり、これらの1つあるいは複数が微小開口内に埋め込まれるように構成されるものである。また、反射防止膜としてはSiO2などの誘電体材料を用いることができる。
【0016】
本発明は、上記目的を達成するため、レーザ光出力側に位置する平坦な面に共振器の一部を構成する100nm以下のサイズを有する微小開口が形成された金属遮光体を備え、前記微小開口の中心に中心金属体が設けられるとともに、前記微小開口内に前記金属遮光体の表面とほぼ同一の面となるようにレーザ光透過性の材料が埋め込まれてなる半導体レーザと、前記半導体レーザを保持するとともに、光ディスク上を浮上走行する浮上スライダとを備えたことを特徴とする光ヘッドを提供する。
【0017】
本発明は、上記目的を達成するため、記録媒体が形成された光ディスクと、レーザ光出力側に位置する平坦な面に共振器の一部を構成する100nm以下のサイズを有する微小開口が形成された金属遮光体を備え、前記微小開口の中心に中心金属体が設けられるとともに、前記微小開口内に前記金属遮光体の表面とほぼ同一の面となるようにレーザ光透過性の材料が埋め込まれてなる半導体レーザと、前記半導体レーザを保持するとともに、光ディスク上を浮上走行する浮上スライダとを有する光ヘッドを備えたことを特徴とする光ディスク装置を提供する。
【0018】
本発明は、上記目的を達成するため、レーザ光出力面を有する半導体レーザ材料を準備し、前記レーザ光出力面上に設定されたドーナツ状領域を除く部分をエッチングすることにより凹部を形成し、前記凹部にフォトリソグラフィ工程あるいは収束イオンビーム法によって金属体を被着することにより、請求項1に記載の半導体レーザを製造することを特徴とする半導体レーザの製造方法を提供する。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る光ヘッドを示し、同図(b)は、それに用いる半導体レーザの要部を示す。なお、それぞれの部品のサイズは寸法通りではなく、小さく薄い部品ほど拡大されている。本光ヘッド1は、浮上スライダ11を有し、この浮上スライダ11の後端部11に、AlGaInP系の半導体結晶から構成された波長650nmで発振する端面発光型半導体レーザ2を配置したものである。
【0020】
端面発光型半導体レーザ2は、同図(a)に示すように、レーザ2の共振器を構成する高反射多層膜10aおよび低反射多層膜10bを結晶部20の後端面と先端面にそれぞれ配置し、その低反射多層膜10bの表面に同軸開口15を有する金属遮光体4を配置したものである。同軸開口15は、矩形状の開口50と、開口50の中心に同軸的に配置された同じく矩形状の中心金属体51とから構成されている。
【0021】
高反射多層膜10aは、95%程度の反射率を有する。一方、低反射多層膜10bは、結晶ヘキ開面26上に形成され、高屈折率のTiO2と低屈折率のSiO2の誘電体膜からなり、20〜30%程度の反射率を有する。
【0022】
金属遮光体4は、厚さ60nmのAgからなり、レーザ光のかなりの部分をレーザ2内に反射し、低反射多層膜10bとともに複合共振器を構成する。なお、金属遮光体4は、被着性が良好であれば他の金属でもよい。同軸開口15の中心に配置されている中心金属体51は、開口50の1/3程度のサイズのとき、レーザ光の同軸による減衰は最も小さくなるが、20nm程度あるいはそれ以下であれば、減衰は無視できる程度であるので、20nmのサイズとしている。開口50の辺の長さには、特に限定はないが、50〜100nm程度が安定して作製するには、好適である。各辺は光ディスク7の記録トラック(図示せず)と平行あるいは垂直となるように配置されている。
【0023】
結晶部20は、同図(b)に示すように、GaAs基板結晶21の上に、n型AlGaInPクラッド層22、GaInP活性層23、p型AlGaInPクラッド層24、およびGaAsキャップ層25を順次積層したものである。結晶部20の先端面には、上記金属遮光体4が形成され、同軸開口15および金属遮光体4は、SiO2からなる反射防止膜27で覆われている。
【0024】
同軸開口15内には、同図(b)に示すように、低反射多層膜10bの表面(出力面)3と金属遮光体4の表面4aとがほぼ同一平面となるように低反射多層膜10bが埋め込まれ、同軸開口15内に埋め込まれた開口部5aの表面3側には、高屈折率(約2.25)のTiO2膜5bを配置している。
【0025】
この同軸開口15の形成方法の一例を説明する。低反射多層膜10bのうち同軸開口15内に埋め込まれるドーナツ状の開口部5a以外の部分をエッチングにより除去し、その除去した部分に金属遮光体4および中心金属体51を被着する。エッチングには、フォトリソグラフィ工程を用いることも可能であるが、端面発光型半導体レーザの端面幅は0.5mm以下と狭いため、Gaイオンを用いた収束イオンビーム(Focused Ion Beam:FIB法)により行うのが好ましい。金属遮光体4および中心金属体51の被着には、エッチングと同様にFIB法を用いるとよい。金属遮光体4は、60nmの厚さを有するので、ほぼこの部分からのレーザ光の漏れを防ぐことができる。
【0026】
次に、本実施の形態の光ヘッド1の動作を説明する。ここでは、光ディスク7として、基板7b上にGeSbTeからなる相変化型記録媒体7aが形成されたものを記録・再生の対象として説明する。本光ヘッド1は、浮上スライダ11によってディスク7の記録媒体7a上を数十nmの浮上高で浮上走行する。端面発光型半導体レーザ2は、順方向の電流が印加されると、共振器を構成する反射多層膜10a,10b間でレーザ発振を行う。記録用情報に基づいて端面発光型半導体レーザ2の入力が変調されると、その変調によってレーザ光6が伝播光として同軸開口15から放射される。この伝播光を記録媒体7aに照射することにより、記録がなされる。再生時には、レーザ2は変調せず、連続光を記録媒体7aに照射し、その記録媒体7aからの反射光を同軸開口15を通してレーザ2内に再入射させる。この再入射光により、レーザ2自体の発振状態が変調され(自己結合効果)、それをレーザ2の入力端子(図示せず)から電気的に検出することにより、情報の再生が行われる。
【0027】
上述した第1の実施の形態によれば、同軸開口15内に半導体レーザ材料である低反射多層膜10bを埋め込み、さらに、開口部5aの表面(出力面)3側に高屈折率のTiO2膜5bを配置しているので、このTiO2膜5b中でのレーザ光の波長は短くなり(300nm以下)、レーザ光は同軸開口15から放射され易くなる。また、矩形状の同軸開口15を用いることにより、放射光も矩形状となり、記録トラック幅を狭めても隣接トラックとのクロストークが少なく、また、トラック方向の記録密度を上げることができ、高速・高密度の記録が可能となる。また、同軸開口15の表面3には、反射防止膜27を設けているので、同軸開口15でのレーザ2内部の反射を低減でき、光利用効率をより高めることができる。また、反射防止膜27で金属遮光体4全体を覆っているので、反射防止膜27の被着時にフォトリソグラフィ工程を不要にでき、金属遮光体4の保護膜としての効果も有する。
なお、レーザ2の後端部の高反射多層膜10aの外側に光検出器(図示せず)設け、その光検出器によりレーザ2の変調状態を検出してもよい。この場合、高反射多層膜10aの反射率は少し低下させて透過率を10%以上に上げることにより、再生信号のSN比を上げることができる。
【0028】
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す。この第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同様の端面発光型半導体レーザ2であるが、同軸開口15を短手方向の辺がレーザ2の共振器内での波長の1/2よりも短く、長手方向の辺がレーザ2の共振器内での波長の1/2よりも長い長方形にしたものであり、本実施の形態の開口50は、例えば、50nm×150nmの長方形有する。微小金属体51は、同じく開口50に沿った長方形を有する。この端面発光型半導体レーザ2は、リッジ28によって発振領域8が限定される屈折率導波型構造を有し、活性層23には、約10nm幅の量子井戸を使用している。発振領域8は、活性層23を中心とする水平方向に2〜3μm、縦方向に1μmの楕円状を有する。同軸開口15は、同図(a)に示すように、発振領域8のほぼ中心に設けられ、長手方向の辺が活性層23と平行になっている。このような同軸開口15の配置により、同軸開口15に入射するレーザ光の強度は最大となる。また、開口50の長手方向の辺は、同図(b)に示すように、活性層23に対して垂直としてもよい。これにより、レーザ2の光ヘッドに取り付ける方向を変えずに、記録トラックに対する同軸開口15の向きを変えることができる。
【0029】
上述した第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態と同様に、同軸開口15内を半導体レーザ材料で埋めているので、レーザ光が同軸開口15から放射され易くなる。なお、光ディスクあるいはハードディスクに用いられている磁気記録媒体等を記録再生に使用する場合には、同軸開口15の長手方向を記録トラックと平行方向としてもよい。光ディスクあるいはハードディスクに用いられている磁気記録媒体の記録においては、磁界を変調して記録がなされるため、磁界が反転される度にその直前に記録したマークの後部を次のマークが消しながら記録がなされるので、実質的には記録密度を下げることなく、光利用効率を上げることができる。
【0030】
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す。この第3の実施の形態は、第1の実施の形態において、金属遮光体4の開口50側の縁部4bに斜面50aを形成して縁部4bをレーザ2内部に向かって広がるテーパー形状にし、中央金属体51の周辺に斜面51aを形成して中央金属体51の周辺をレーザ2内部に向かって狭くなるテーパー形状にし、他は第1の実施の形態と同様に構成されている。これにより、金属遮光体4の縁部4b、および中央金属体51の周辺に集光効果を持たせることができ、同軸開口15からのレーザ光の強度を増すことができる。
【0031】
図4(a),(b)は、本発明の第4の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す。この第4の実施の形態は,第1の実施の形態において、同軸開口15の内部に半導体材料のAlGaInPを埋め込んだものであり、他は第1の実施の形態と同様に構成されている。
【0032】
図4(a)に示す半導体レーザ2は、レーザ結晶のヘキ開面26をFIB法によりエッチングして、ドーナツ状の開口部5a以外の部分を除去し、その除去した部分にSiN膜からなる絶縁膜29を介してAgからなる金属遮光体4を被着し、同軸開口15および金属遮光体4をSiO2からなる反射防止膜27で覆ったものである。また、このレーザ2の共振器は、金属遮光体4と、後端面の高反射多層膜10b(図示せず)により一方の共振器用ミラーを構成している。
【0033】
図4(b)に示す半導体レーザ2は、ヘキ開面26上にノンドープの高抵抗のAlGaInP層29aを再成長し、そのAlGaInP層29aのドーナツ状の開口部5a以外の部分をエッチングして除去し、その除去した部分に金属遮光体4および中心金属体51を被着したものである。
【0034】
上述した第4の実施の形態によれば、同軸開口15内に屈折率の高い(約3.5)半導体材料AlGaInPを埋め込んでいるので、この中での波長は200nm以下と短くなり、同軸開口15とのカップリング効率を上げることができる。従って、開口50のサイズを第1の実施の形態と同様に50nmとした場合、レーザ光の透過率を大幅に上げることができる。また、同軸開口15および金属遮光体4を反射防止膜27で覆っているので、レーザ2の共振器内部に反射される割合を減らすことができ、光利用効率が向上するとともに、半導体結晶の劣化を防ぐことができる。
【0035】
図5は、本発明の第5の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す。この第5の実施の形態は、半導体レーザとして活性層に垂直にレーザ発振を行う面発光型半導体レーザ(VCSEL)2を使用している以外は、第4の実施の形態と同様である。この面発光型半導体レーザ2は、GaAs基板11の上に、高反射多層膜10a、n型スペーサ層31、AlGaInP活性層32、p型AlAs層33、スペーサ層34、部分透過率を有する高反射多層膜10c、およびAlGaInPからなる位相調整層35を順次積層し、位相調整層35のドーナツ状の開口部5a以外をエッチングによって除去した部分にp型電極38、金属遮光体4および中心金属体51を設け、同軸開口15および金属遮光体4の表面を反射防止膜39によって覆ったものである。
【0036】
位相調整層35は、発振波長の1/4の厚さに金属遮光体4の厚さを加えた厚さを有し、エッチング深さを金属遮光体4の厚さに等しくしている。これにより、開口部5aの表面(出力面)3と金属遮光体4の表面4aとを同一平面上に形成することができる。また、位相調整層35によって金属遮光体4での反射と高反射多層膜10bでの反射の位相を揃えることができ、両者により、99%以上の高反射を達成することができる。開口部5aはそれよりも反射率が低くなり、比較的高強度のレーザ光が開口部5aに達する。このレーザ光の波長は、位相調整層35の屈折率に反比例して短くなっており、180nm程度である。このため、一辺50nmの同軸開口15においても比較的強力な伝播光を発生させることができる。
【0037】
図6は、同軸開口15を示す。同軸開口15は、図6(a)に示すように、直径3μmの発振領域8の中心に設けられており、開口50は一辺50nmの正方形を有する。また、発振領域を1μm以下と狭めた場合は、共振器内の光強度に対して、同軸開口15から再入射する光の割合が増加し、自己結合効果が高まるため、再生信号のSNが大きくでき、好適である。しかし、この場合、レーザ発振の横モードは、同図(b)の40で示すように、TEM01モードとなり、中心強度が低下し、発振領域8の半径1/2あたりが強度が最大となる。このため、開口同軸15は、同図(b)に示すように、中心から半径1/2の距離だけずらした位置に設定することにより、同軸開口15からの光の発生を最大にできる。また、TEM01モードは、発振強度分布が不安定なため、共振器の出力側に反射率を部分的に低下させる部分を設け、発振位置を固定してもよい。
【0038】
次に、この面発光型半導体レーザ2の製造方法の一例について説明する。GaAs基板11の上に、1/4波長厚さのn型AiGaP層とn型GaInP層からなる高反射多層膜10a、n型スペーサ層31、AlGaInP活性層32、p型AlAs層33、スペーサ層34、1/4波長厚さのp型AiGaP層とp型GaInP層からなる高反射多層膜10c、およびAlGaInPからなる位相調整層35を順次結晶成長により積層させた後、エッチングによりレーザ2のポート部分36以外を除去し、さらにAlAs層33を水蒸気を用いた熱酸化により、周囲から酸化させ、AlOx層37を形成する。AiOxは、AlGaInP層に比べて屈折率が低いため、導波路が形成され、また、絶縁性であるため、同時に電流狭窄もなされるので、これにより発振領域8を形成することができる。その後、位相調整層35をそのドーナツ状の開口部5aと電極部分を残してエッチングにより除去し、その除去した部分にp型電極38、金属遮光体4および中心金属体51を被着する。なお、VCSELの場合は、ヘキ開をせずに、ウェハ単位でプロセスができるため、フォトリソグラフィ工程を用いて同軸開口15を形成することができるが、FIB法を用いてもよい。その後、同軸開口15および金属遮光体4の表面4aに反射防止膜39を被着する。
【0039】
上述した第5の実施の形態によれば、同軸開口15内に屈折率の高い(約3.5)AlGaInPからなる位相調整層35を埋め込んでいるので、効率良くレーザ光を放射することができる。
【0040】
図7は、本発明の第6の実施の形態に係るディスク装置を示す。このディスク装置100は、回転軸130によって回転する光ディスク7と、第1の実施の形態と同様の光ヘッド1を回動軸133aを中心に回動可能に支持するサスペンション133と、サスペンション133を回動させる回転型リニアモータ143とを有する。
【0041】
光ディスク7は、GeSbTeからなる相変化型記録媒体を有する。半導体レーザの自己結合効果を用いて、光ディスク7からの反射光を半導体レーザ2の後部に設けた光検出器で検出する場合、光検出器でレーザ光を分割できないため、トラッキング誤差信号の形成にはサンプルサーボ法を使用している。すなわち、光ディスク7上に設けた千鳥型のマーク(図示せず)を使用し、光スポットが左右の千鳥マークを通過する時の反射光の大小から位置ずれを検出する。
【0042】
上述した第6の実施の形態によれば、回転型リニアモータ143は、光ディスク7の外側に配置できるため、光ヘッド1を薄型にでき、ディスク装置100全体を小型化できる。また、これにより、光ディスク7を高速(3600rpm)で回転させることができ、平均360Mbps以上のデータ転送レートが可能となる。
なお、圧電素子を介して半導体レーザ2を浮上スライダに取り付け、圧電素子にサーボ信号を印加することにより、高周波領域のトラッキングを行うことも可能である。
また、記録媒体に、磁気ハードディスク用の磁気記録媒体あるいはGaFeCo等の光磁気記録媒体を使用し、スライダに磁気抵抗効果により信号検出を行うGMRセンサ(図示せず)を取り付けて記録信号の再生を行うことも可能である。これにより、記録再生の高転送レート化が図れ、また、レーザ2は記録のみに使用し、再入射光は使用しないため、共振器の反射率を高めるなど記録用のレーザ光を出力するための最適化ができる。
また、上記光ディスク装置100において、第2から第5の実施の形態の半導体レーザを用いてもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、同軸開口内にレーザ光透過性を有する材料を埋め込んだので、記録媒体に入射するレーザ光の強度を大幅に増大させることができ、それにより記録媒体の高記録密度化が可能となり、小型化およびデータ転送レートの向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る光ヘッドを示す図、(b)は、それに用いる半導体レーザの要部を示す図
【図2】(a),(b)は本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザを示す図
【図3】本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す図
【図4】(a),(b)は本発明の第4の実施の形態に係る半導体レーザの要部を示す図
【図5】本発明の第5の実施の形態に係る半導体レーザを示す図
【図6】(a),(b)は同軸開口の位置を示す図
【図7】本発明の第6の実施の形態に係る光ディスク装置を示す斜視図
【図8】従来の光ヘッドを示す断面図
【図9】従来の半導体レーザを示す断面図
【図10】(a),(b)は従来の問題点を説明するための図
【図11】開口サイズと光出力パワーとの関係を示す図
【図12】 (a)は同軸開口を有する従来の半導体レーザを示す図、(b)は(a)のA部詳細を示す図
【図13】図12に示す半導体レーザの問題点を示す図
【符号の説明】
1 光ヘッド
2 半導体レーザ
3 半導体レーザの出力面
4 金属遮光体
5a 開口部
5b TiO2膜
6 出力レーザ光
7 光ディスク
7a 記録媒体
7b 基板
8 レーザの発振領域
10a,10c 高反射多層膜
10b 低反射多層膜
11 浮上スライダ
15 同軸開口
20 半導体レーザ用結晶部
21 レーザ用基板
22 n型クラッド層
23 活性層
24 p型クラッド層
25 キャップ層
26 ヘキ開面
27 反射防止膜
28 リッジ
29 AiGaInP層
31 スペーサ層
32 活性層
33 AlAs層
34 スペーサ層
35 位相調整層
36 レーザ用ポート
37 AlOx層
38 p電極
39 反射防止膜
40 半導体レーザの横モード
50 開口
50a 斜面
51 中心金属体
51a 斜面
61 集光体
61a 集光体の斜面
62 誘電体層
63 金属膜
65 微小同軸体
66 中心金属体
100 ディスク装置
130 回転軸
133 サスペンション
133a 回動軸
143 回転型リニアモータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser that emits laser light using a self-coupling effect, an optical head, an optical disk device, and a method for manufacturing a semiconductor laser, and in particular, by increasing the intensity of laser light emitted from a minute aperture. The present invention relates to a semiconductor laser, an optical head, an optical disc apparatus, and a method for manufacturing a semiconductor laser, which can increase the recording density of a recording medium, and are reduced in size and improved in data transfer rate.
[0002]
[Prior art]
In optical disc devices, optical discs are being increased in density and capacity from compact discs (CDs) to digital video discs (DVDs), but this is in line with higher computer performance and higher definition display devices. Larger capacity is required.
[0003]
The recording density of the optical disc is basically suppressed by the diameter of the light spot formed on the recording medium. As a means for obtaining a light spot below the diffraction limit of laser light, a method of using a near-field light that has a minute aperture at a light spot position of a transparent condensing medium and oozes from the spot is attracting attention. However, in this method, since the light utilization efficiency is low, the intensity of the near-field light that oozes out is low, and a recording mark smaller than the recording mark (about 0.1 μm) obtained by condensing with a conventional lens is still obtained. Absent.
[0004]
As means for solving this problem, a recording / reproducing method using a self-coupling effect (SCOOP effect) of a semiconductor laser has been proposed. In other words, this method is a method in which a minute aperture is formed at the spot position on the output surface of the semiconductor laser, and laser light emitted from the aperture is used for recording / reproduction. In particular, during reproduction, reflected light from the recording medium is used. The laser beam is re-entered into the laser resonator through the minute aperture, and the modulation of the oscillation state of the laser caused thereby is detected electrically and optically. According to this detection method, since the sensitivity is high, it is possible to reproduce even if the re-incident light is weak.
[0005]
As a conventional optical head using this method, for example, A.I. “Tech. Dig. ISOM / ODS '99, ThC-1 (1999) p. 352” (hereinafter referred to as “Document I”) published by Partovi, and “Jpn. J. J. published by S. Shimada”. Appl. Phys.38 (1999) Pt.2, No. 11B, p.L1327. ”(Hereinafter referred to as“ Document II ”).
[0006]
FIG. 8 shows a conventional optical head described in Document I above. In this
[0007]
FIG. 9 shows a conventional semiconductor laser described in Document II. This
[0008]
On the other hand, although it is a semiconductor laser that emits laser light using the self-coupling effect, as a semiconductor laser having a configuration different from the above two conventional examples, see, for example, the 73rd Micro-Optics Society document, p. 27, (1999, September).
[0009]
FIG. 12 shows the semiconductor laser. This
A small-sized propagating light (TEM00 mode) is to be obtained from the small
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional semiconductor laser shown in FIGS. 8 and 9, since an air gap is formed between the recording medium and the thickness of the metal light-shielding member provided on the laser light output surface, the recording density is increased. However, there is a problem that even if the size of the minute aperture is reduced, the output power is drastically decreased more than inversely proportional to the area of the aperture, and the recording density cannot be improved.
[0011]
In other words, in the case of a simple aperture, as can be inferred from a microwave waveguide, the cutoff is cut off when the aperture is 1/2 or less of the wavelength, and the laser beam that can pass through decreases exponentially as the aperture becomes narrower. To do. In this case, the laser light is mainly present near the interface as near-field light, but its spreading length is about the size of the opening. When the aperture width is 100 nm, the depth and the aperture width are approximately the same as shown in FIG. 10A, and the near-field light is in the normal direction of the aperture as shown in FIG. The intensity decreases exponentially and hardly reaches outside the surface 4a of the
[0012]
FIG. 11 shows the relationship between the aperture size and the optical output power. As the recording / reproducing optical recording medium, there are a phase change recording medium mainly composed of GeSbTe or the like and a magneto-optical recording medium mainly composed of FeTbCo or the like. 6 W / cm 2 An optical power density of about 20 mW when the light spot diameter is 1 μm is required. On the other hand, as shown in the figure, when the aperture size is 0.1 μm and 0.05 μm, the output power is 0.1 mW and 0.01 mW, respectively, and the optical power density is 1.8 × 10 respectively. 6 W / cm 2 0.7 × 10 6 W / cm 2 Suddenly decreases to a fraction of the optical power density required for recording, resulting in insufficient output.
[0013]
FIG. 13 shows a problem of the conventional surface emitting
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is to increase the intensity of the laser light emitted from the minute aperture, thereby enabling a high recording density of the recording medium, and reducing the size and improving the data transfer rate. An object is to provide a head, an optical disk device, and a method of manufacturing a semiconductor laser.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is positioned on the laser beam emission side. On a flat surface Configure part of the resonator Having a size of 100 nm or less A metal light-shielding body in which a minute opening is formed, and a central metal body is provided at the center of the minute opening, and in the minute opening To be almost the same surface as the surface of the metal shading body Provided is a semiconductor laser in which a laser light transmitting material is embedded.
According to the above configuration, the wavelength of the laser beam in the aperture is shortened in inverse proportion to the refractive index of the laser beam transmitting material, so that the ratio of the aperture width to the wavelength is increased in proportion thereto, and the laser beam is opened. It becomes easy to pass through. A coaxial opening is formed from the minute opening and the central metal body, and propagating light is output from the coaxial opening. Since the surface that outputs this propagating light moves from the original laser beam output surface to the surface of the material embedded in the microscopic aperture, the distance between the surface that outputs the propagating light and the recording medium can be reduced, Propagating light can be efficiently incident on the recording medium. Note that examples of the laser light transmissive material embedded in the minute openings include a material constituting a part of the semiconductor laser structure and an antireflection film. Semiconductor laser structures include reflective films, multilayer reflective films, active layers, clad layers, or window materials that have a wider band gap than the active layer and are provided on the end face of the active layer, one or more of which are minute It is configured to be embedded in the opening. In addition, as an antireflection film, SiO 2 A dielectric material such as can be used.
[0016]
In order to achieve the above object, the present invention is positioned on the laser beam output side. On a flat surface Configure part of the resonator Having a size of 100 nm or less A metal light-shielding body in which a minute opening is formed, and a central metal body is provided at the center of the minute opening, and in the minute opening To be almost the same surface as the surface of the metal shading body There is provided an optical head comprising: a semiconductor laser in which a laser light transmitting material is embedded; and a flying slider that holds the semiconductor laser and floats on an optical disk.
[0017]
In order to achieve the above object, the present invention provides an optical disk on which a recording medium is formed and a laser beam output side. On a flat surface Configure part of the resonator Having a size of 100 nm or less A metal light-shielding body in which a minute opening is formed, and a central metal body is provided at the center of the minute opening, and in the minute opening To be almost the same surface as the surface of the metal shading body There is provided an optical disk apparatus comprising an optical head having a semiconductor laser in which a laser light transmitting material is embedded, and a flying slider that holds the semiconductor laser and floats on the optical disk.
[0018]
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor laser material having a laser beam output surface, and forms a recess by etching a portion excluding a donut-shaped region set on the laser beam output surface. A metal body is deposited on the recess by a photolithography process or a focused ion beam method. Thus, the semiconductor laser according to
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1A shows an optical head according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows a main part of a semiconductor laser used therefor. In addition, the size of each part is not according to the dimension, and the smaller and thinner part is enlarged. This
[0020]
In the edge-emitting
[0021]
The highly
[0022]
The
[0023]
As shown in FIG. 2B, the
[0024]
In the
[0025]
An example of a method for forming the
[0026]
Next, the operation of the
[0027]
According to the first embodiment described above, the low-
Note that a photodetector (not shown) may be provided outside the highly
[0028]
FIG. 2 shows a main part of a semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment is an edge-emitting
[0029]
According to the second embodiment described above, since the inside of the
[0030]
FIG. 3 shows a main part of a semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, in the first embodiment, a slope 50a is formed on the edge 4b on the
[0031]
4A and 4B show the main part of a semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment is the same as the first embodiment except that AlGaInP, which is a semiconductor material, is embedded in the
[0032]
In the
[0033]
In the
[0034]
According to the fourth embodiment described above, since the semiconductor material AlGaInP having a high refractive index (about 3.5) is embedded in the
[0035]
FIG. 5 shows a main part of a semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment is the same as the fourth embodiment except that a surface emitting semiconductor laser (VCSEL) 2 that performs laser oscillation perpendicular to the active layer is used as a semiconductor laser. The surface-emitting
[0036]
The
[0037]
FIG. 6 shows the
[0038]
Next, an example of a method for manufacturing the surface emitting
[0039]
According to the fifth embodiment described above, since the
[0040]
FIG. 7 shows a disk device according to a sixth embodiment of the present invention. This
[0041]
The
[0042]
According to the sixth embodiment described above, the rotary linear motor 143 can be disposed outside the
It is also possible to perform tracking in the high frequency region by attaching the
In addition, a magnetic recording medium for a magnetic hard disk or a magneto-optical recording medium such as GaFeCo is used as a recording medium, and a GMR sensor (not shown) for detecting a signal by a magnetoresistive effect is attached to a slider to reproduce a recorded signal. It is also possible to do this. As a result, a high transfer rate for recording and reproduction can be achieved, and since the
In the
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the material having the laser beam transmissivity is embedded in the coaxial opening, the intensity of the laser beam incident on the recording medium can be greatly increased. Recording density can be increased, and miniaturization and improvement of the data transfer rate can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a diagram showing an optical head according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a main part of a semiconductor laser used therefor.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a main part of a semiconductor laser according to a third embodiment of the invention.
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing a main part of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing the positions of coaxial openings.
FIG. 7 is a perspective view showing an optical disc apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view showing a conventional optical head.
FIG. 9 is a sectional view showing a conventional semiconductor laser.
FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining conventional problems.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between aperture size and optical output power
12A is a diagram showing a conventional semiconductor laser having a coaxial aperture, and FIG. 12B is a diagram showing the details of part A of FIG.
13 is a diagram showing problems of the semiconductor laser shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Optical head
2 Semiconductor laser
3 Output surface of semiconductor laser
4 Metal shade
5a opening
5b TiO 2 film
6 output laser light
7 Optical disc
7a Recording medium
7b substrate
8 Laser oscillation region
10a, 10c highly reflective multilayer film
10b Low reflection multilayer film
11 Levitation slider
15 Coaxial opening
20 Crystal part for semiconductor laser
21 Laser substrate
22 n-type cladding layer
23 Active layer
24 p-type cladding layer
25 Cap layer
26 Open face
27 Anti-reflective coating
28 Ridge
29 AiGaInP layer
31 Spacer layer
32 Active layer
33 AlAs layer
34 Spacer layer
35 Phase adjustment layer
36 Laser port
37 AlOx layer
38 p electrode
39 Anti-reflective coating
40 Transverse mode of semiconductor laser
50 openings
50a slope
51 Central metal body
51a slope
61 Light collector
61a Slope of light collector
62 Dielectric layer
63 Metal film
65 Micro coaxial body
66 Central Metal Body
100 disk unit
130 Rotating shaft
133 suspension
133a Rotating shaft
143 Rotary linear motor
Claims (19)
前記微小開口の中心に中心金属体が設けられるとともに、
前記微小開口内に前記金属遮光体の表面とほぼ同一の面となるようにレーザ光透光性の材料が埋め込まれてなることを特徴とする半導体レーザ。A metal light-shielding body in which a minute opening having a size of 100 nm or less and constituting a part of the resonator is formed on a flat surface located on the laser beam emission side;
A central metal body is provided at the center of the minute opening,
A semiconductor laser characterized in that a laser light transmitting material is embedded in the minute opening so as to be substantially the same surface as the surface of the metal light-shielding body .
前記半導体レーザを保持するとともに、光ディスク上を浮上走行する浮上スライダとを備えたことを特徴とする光ヘッド。A metal light-shielding body having a minute aperture having a size of 100 nm or less constituting a part of the resonator is formed on a flat surface located on the laser beam output side, and a central metal body is provided at the center of the minute aperture. A semiconductor laser in which a laser light transmissive material is embedded in the minute opening so as to be substantially the same surface as the surface of the metal light-shielding body ,
An optical head, comprising: a flying slider that holds the semiconductor laser and floats on an optical disk.
レーザ光出力側に位置する平坦な面に共振器の一部を構成する100nm以下のサイズを有する微小開口が形成された金属遮光体を備え、前記微小開口の中心に中心金属体が設けられるとともに、前記微小開口内に前記金属遮光体の表面とほぼ同一の面となるようにレーザ光透過性の材料が埋め込まれてなる半導体レーザと、前記半導体レーザを保持するとともに、光ディスク上を浮上走行する浮上スライダとを有する光ヘッドを備えたことを特徴とする光ディスク装置。An optical disc on which a recording medium is formed;
A metal light-shielding body having a minute aperture having a size of 100 nm or less constituting a part of the resonator is formed on a flat surface located on the laser beam output side, and a central metal body is provided at the center of the minute aperture. A semiconductor laser in which a laser light-transmitting material is embedded in the minute opening so as to be substantially the same surface as the surface of the metal light-shielding body, and holding the semiconductor laser and flying above the optical disk An optical disk apparatus comprising an optical head having a flying slider.
前記レーザ光出力面上に設定されたドーナツ状領域を除く部分をエッチングすることにより凹部を形成し、前記凹部にフォトリソグラフィ工程あるいは収束イオンビーム法によって金属体を被着することにより、請求項1に記載の半導体レーザを製造することを特徴とする半導体レーザの製造方法。Preparing a semiconductor laser material having a laser beam output surface;
By the portions excluding the donut-like region set in the laser light output surface on a recess by etching, depositing a metal member by a photolithography process or a focused ion beam method in the recess, claim 1 A method for manufacturing a semiconductor laser, comprising: manufacturing the semiconductor laser according to 1).
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