JP4097568B2 - 光記録デバイス - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、光記録デバイスに関し、特に、フォトニック結晶状態を変化させることにより情報を記録再生する光サーキットに適用するに好適な光記録デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非常に小さな光集積回路を実現することができるデバイスとして、フォトニック結晶と呼ばれる光デバイスが注目を集めている。ここで、フォトニック結晶とは、屈折率の相異なる媒質を周期的に配列することにより構成される結晶であり、大別して、１次元フォトニック結晶、２次元フォトニック結晶、３次元フォトニック結晶の３種類に分類される。１次元フォトニック結晶は、従来から多層膜として知られており、波長多重分割用フィルタその他広い範囲で実用化されている。３次元フォトニック結晶は、屈折率の相異なる媒質を３次元に周期的に配列した周期構造を有しており、一例として偏光分離素子として実用化されている（特許文献１、２ 参照）。
【０００３】
２次元フォトニック結晶の屈折率周期構造は、高屈折率材料に円柱孔を正方格子状或いは三角格子状に配列形成して構成する。或いは、低屈折率材料中に高屈折率材料の円柱を正方格子状に配列形成して構成する。これらの周期構造によりフォトニックバンドギャップが形成され、２次元フォトニック結晶に入射する面内光はこのバンドギャップによりその伝播を制御される。そして、２次元フォトニック結晶の周期構造に線状欠陥を導入することにより光導波路を形成することができる。また、２次元フォトニック結晶は、２次元フォトニック結晶の導波路の近傍に欠陥を導入することによって、波長フィルタリングができることが示されている（特許文献３、４ 参照）。
【０００４】
一方、フォトニック結晶を用いた光記録デバイスの例が開示されている。この例は、光記録媒体の偏光分離層としてフォトニック結晶を用いている（特許文献５ 参照）。
また、近接場光を用いた光記録デバイスが開示されている。この例では、光記録ヘッドにフォトニック結晶導波路を用いるものである（特許文献６ 参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３２５８２５号 明細書
【特許文献２】
特開２００１−７４９５５号 公報
【特許文献３】
特開２００１−２７２５５５号 公報
【特許文献４】
特許第３３４９９５０号 明細書
【特許文献５】
特開２００３−３６５６１号 公報
【特許文献６】
特開２０００−２８５５０２号 公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したフォトニック結晶を用いて構成した光記録デバイスは、何れも、或る特定の使用条件および制約内において充分に適応動作するものではあるが、多くの種類の光サーキット用デバイスに適用すると、種々の問題が発生する。
１次元フォトニック結晶を用いて構成した光記録デバイスには、光サーキットを集積することができないという問題がある。
特許文献１、特許文献２に開示されている３次元フォトニック結晶は、３次元フォトニック結晶内部に情報を記録することが難しいという重大な問題がある。
２次元フォトニック結晶に関して、特許文献３および特許文献４に開示されている形態では、フォトニック結晶を製造する時に情報を記録することはできるが、後から情報を記録し、消去することはできないという重大な問題がある。
【０００７】
また、特許文献５および特許文献６に開示されるフォトニック結晶を用いた光記録デバイスは、記録用の光を外部から基板に対して略垂直に入射し、その反射光をモニタするものであり、光記録媒体を形成した基板面に光導波路がないので、光サーキットを集積化することができないという問題がある。更に、情報を読み出す場合、記録媒体を回転させながら光ピックアップ（光プローブ）により読み出すので、読み出し速度が遅いという問題がある。
この発明は、フォトニック結晶状態を変化させることにより情報を記録再生する構成を採用して、光記録デバイスと光サーキットを集積化することができ、光記録デバイスを製造後に情報を記録、消去することができ、高速な読み出しを実行する、上述した問題を解決した光記録デバイスを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
複数の波長の光を出射する光源１と、光源１から出射する光を入力光１１として伝播するフォトニック結晶の光導波路２１と、フォトニック結晶の光導波路２１の近傍のフォトニック結晶状態を変化させる情報記録消去部３３１、３３２、３３３とを有する光記録デバイスを構成した。
そして、先の光記録デバイスにおいて、情報記録消去部は、電界、熱或いは光の何れか１つ或いはその組み合わせを印加して、フォトニック結晶状態を変化させるものである光記録デバイスを構成した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の光記録デバイスは、複数の波長の光を出射する光源と、フォトニック結晶導波路と、フォトニック結晶導波路近傍の結晶相の形状或いは屈折率を変化させる構成と、フォトニック結晶導波路から出射される光をモニタする光モニタを有する。
そして、フォトニック結晶導波路は基板面と略平行に形成されており、フォトニック結晶導波路近傍の結晶相の形状或いは屈折率を変化させる基板面と略垂直方向に上下する接触プローブを有している。
また、複数の波長の光を出射する光源と、フォトニック結晶導波路と、フォトニック結晶導波路近傍の屈折率を変化させる構成と、フォトニック結晶導波路から出射される光をモニタする光モニタを有している。
【００１０】
更に、フォトニック結晶導波路が基板面と略平行に形成されており、フォトニック結晶材料としてカルコゲナイド系材料を使用し、フォトニック結晶導波路近傍の屈折率を変化させる基板面と略垂直方向に上下する電界印加プローブを有している。
また、フォトニック結晶導波路が基板面と略平行に形成されており、フォトニック結晶材料としてカルコゲナイド系材料を使用し、フォトニック結晶導波路近傍の屈折率を変化させる基板面と略垂直方向に上下する熱印加プローブを有している。
【００１１】
【実施例】
この発明の実施の形態を図の実施例を参照して説明する。
［実施例１］
図１を参照して光記録デバイスの実施例１を説明する。実施例１の光記録デバイス５１は、複数の波長（λ1〜λn）の波長多重光を出射する光源１と、基板２に形成されるフォトニック結晶導波路２１と、フォトニック結晶の光導波路２１近傍の円孔２２の形状を変化させる構成である３次元アクチュエータ３およびこれに結合固定された接触プローブ３１と、フォトニック結晶の光導波路２１から出射される出力光１２をモニタする光モニタ４を有している。
【００１２】
基板２として、原材料Ｓｉ薄板表面にＳｉＯ2 層２００を形成し、このＳｉＯ2層２００表面にＳｉ層２０１を形成したＳＯＩウエハを使用する。このＳＯＩウエハの基板２の表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布した。次いで、電子ビーム露光装置を用い、図１に示される様な円に包囲される領域が周期的にマトリクス状に配列したレジストパターンを形成した。この場合、直線状の領域を光導波路２１が形成されるべき領域として円を配列しない状態のまま残しておく。その後、円内のレジストを現像除去し、円孔レジストパターンを形成する。更に、反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ＳＯＩウエハの基板２の表層のＳｉ層２０１をエッチングして円孔を形成することにより、２次元フォトニック結晶を形成した。最後に、形成された２次元フォトニック結晶の下層のＳｉＯ2 層２００をウェットエッチングにより除去し、スラブ構造の２次元フォトニック結晶を最終的に形成した。このスラブタイプの２次元フォトニック結晶の光導波路２１に光源１から入力光１１として波長多重光（λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍ）を導入する。フォトニック結晶の光導波路２１の光源１とは反対側から出射される出力光１２をモニタすると、入射したλ1〜λnの波長多重光のすべてが観測される。
【００１３】
２次元フォトニック結晶の上方に、圧電素子を用いた３次元アクチュエータ３およびこれにより駆動される接触プローブ３１より成り、２次元フォトニック結晶に情報を記録し或いは消去する情報記録消去部３３１を配置する。接触プローブ３１の先端には研削用のダイヤモンドが取り付けられている。
ここで、図１（ｂ）を参照するに、接触プローブ３１を降下してフォトニック結晶導波路２１近傍の記憶ビットに相当する円孔２２に挿入し、接触プローブ３１に圧力を加えて円孔２２の直径を増大させる。これに際して、円孔２２の孔径は、光モニタ４によりモニタしながら記録情報に対応した波長（λk）を選択する孔径に調整する。接触プローブ３１をフォトニック結晶から離脱した状態で、先程と同様に、２次元フォトニック結晶の光導波路２１に同様の波長多重光（λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍ）を導入する。この場合、先程直径を拡大した記憶ビットに対応した波長（λk）の光だけが、拡大した孔径の円孔２２から矢印の如くに選択的にフォトニック結晶の上下方向に放出され、光モニタ４側に出力される波長多重の出力光１２は波長λkの光信号を除いた波長（λ1〜λk-1、λk+1〜λn）の光のみとなる。この通りにして情報をフォトニック結晶に記録することができる。
【００１４】
図２を参照して更に具体的に説明するに、一例として８ビットの情報を記録する場合、波長多重光として波長λ1〜λ8の８通りの光を用い、フォトニック結晶光記録デバイス５１において２進法表記データ（００００００００）の場合に、ドロップする波長多重光は存在しないこととする。ここで、２進法表記データ（００００１０１０）を記録したい場合は、波長λ5とλ7の光に対応する孔の径を接触プローブを用いて加工し、記録することにより、波長λ5とλ7の光はフォトニック結晶の上下方向に放出され、光出力としては波長多重光に対応した２進表記データを得ることができる。情報の読み出しサイクル時間は、１０ｎｓ以下と非常に高速にすることができる。
【００１５】
［比較例１］
光記録デバイス５１の従来例を図３を参照して比較例１として説明する。基板２として外径１２０ｍｍ、内径１５ｍｍ、板厚０．６ｍｍのポリカーボネート樹脂薄板を用いた。基板２の表面には、螺旋状の溝をトラックピッチ；０．７４μｍ、溝深さ；５５ｎｍ、溝幅；０．３６μｍで射出成形法により予め形成し、相変化記録媒体２０３を形成した。具体的には、スパッタ法により順次にＺｎＳとＳｉＯ2 の混合物より成るＺｎＳ−ＳｉＯ2 保護膜を膜厚１７０ｎｍに、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系記録膜を膜厚２０ｎｍに、ＺｎＳ−ＳｉＯ2 保護膜を膜厚３０ｎｍに、Ｓｉ膜を膜厚１２０ｎｍに成膜して製造する。次に、ここで製造した光学的情報記録媒体２１に対して、光ヘッドを備えた光学的情報記録再生装置により記録再生を試みた。光ヘッドのレーザビームのレーザ波長は６６０ｎｍ、集光レンズのＮＡは０．６０である。情報の読み出しサイクル時間は１０μｓ以上であり、実施例１と比較して非常に低速であった。
【００１６】
［実施例２］
図４を参照して光記録デバイス５１の実施例２を説明する。基板２として、Ｓｉ薄板の表面にＳｉＯ2 層２００を形成し、ＳｉＯ2 層の表面にカルコゲナイド系材料であるＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系アモルファス薄板２０２を形成したものを使用する。電子ビーム露光装置を使用し、基板２のアモルファス薄板２０２表面を、円により包囲される円柱状の領域を周期的にマトリクス状に配列したパターンの状態に電子ビーム照射して加熱することにより、円柱状の領域に結晶化された円柱状結晶相部分２２’が形成される。この加熱温度はＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系アモルファスの結晶化温度と融点との間の温度とする。この場合、直線状の領域を光導波路が形成されるべき領域として円を配列しない状態のまま残しておく。ここで、アモルファス薄板２０２の元のままのアモルファス相と電子ビーム照射加熱されて円柱状に結晶化された円に対応する領域の結晶相の間の屈折率の差を用いる２次元フォトニック結晶が製造された。更に、２次元フォトニック結晶の下層のＳｉＯ2 層２００をウェットエッチングにより除去し、スラブ構造の２次元フォトニック結晶が最終的に製造される。
【００１７】
この２次元フォトニック結晶の上方には、圧電素子を用いた３次元アクチュエータ３と、これにより駆動される電界印加プローブ３２と、この電界印加プローブ３２と記録媒体のアモルファス薄板２０２との間に接続される電源３０より成る情報記録消去部３３２が配置されている。電界印加プローブ３２と記録媒体のアモルファス薄板２０２との間には電源が接続され、電界印加プローブ３２とアモルファス薄板２０２との間に電界が形成される。
【００１８】
図４（ａ）を参照するに、このスラブタイプの２次元フォトニック結晶の光導波路２１に入力光１１として波長λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍの波長多重光を光源１から矢印の向きに導入する。フォトニック結晶の光導波路２１の光源１の反対側から出射される出力光１２を光モニタ４によりモニタすると、入射した波長λ1〜λnの波長多重光のすべてが導波路２１を伝播して観測される。
ここで、図４（ｂ）を参照するに、電界印加プローブ３２をフォトニック結晶の光導波路の近傍の円柱状結晶相部分２２’に接近させ、この円柱状結晶相部分２２’に電界を印加して結晶化温度と融点の間の温度に加熱し、その円柱の直径を増大させる操作をする。この場合、結晶相部分の円柱の直径は、光モニタ４によりモニタしながら記録情報に対応した波長λkを選択する直径に調整する。
【００１９】
ところで、電界強度を強くして融点近傍の温度に迄加熱することにより、円柱状結晶相部分２２’をアモルファス相に変化させることもできる。これにより、円柱状結晶相部分２２’の一部をアモルファス相に変化させた結晶相部分に変更することができる。この場合、円柱状結晶相部分２２’の円柱の結晶相の一部のアモルファス相化は、光モニタ４によりモニタしながら記録情報に対応した波長λjを選択する程度に調整する。
【００２０】
ここで、電界印加プローブ３２をフォトニック結晶から離脱した状態で、２次元フォトニック結晶の導波路２１に、波長λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍの波長多重光を矢印の向きに光源１から入力光１１として導入する。電界印加加熱して直径を拡大した円柱状の結晶相に対応した波長λkの光、および結晶相の一部をアモルファス相に変化させた円柱状の結晶相に対応した波長λjの光、だけが選択的にフォトニック結晶の上下方向に放出されるに到る。従って、光モニタ４側に出力される波長多重の出力光１２は、結局、波長λkの光および波長λjの光を除いた波長（λ1〜λj-1，λj+1〜λk-1，λk+1〜λn）の光のみとなる。この通りにして、情報をフォトニック結晶に記録することができる。
この場合の情報の読み出しサイクル時間は、１０ｎｓ以下と非常に高速であった。
【００２１】
［実施例３］
図５を参照して実施例３を説明する。基板２としてＳｉ薄板の表面にＳｉＯ2 層２００を形成し、このＳｉＯ2 層２００の表面にカルコゲナイド系材料であるＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系アモルファス薄板２０２を形成したものを使用した。電子ビーム露光装置を使用し、基板２のアモルファス薄板２０２の表面を、円により包囲される領域が周期的にマトリクス状に配列したパターンの状態に電子ビーム照射して加熱することにより、円内を円柱状に結晶化する。この加熱温度は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系アモルファスの結晶化温度と融点との間の温度とする。この場合、直線状の領域を光導波路２１が形成されるべき領域として円を配列しない状態のまま残しておく。ここで、アモルファス薄板２０２の元のままのアモルファス相と電子ビーム照射加熱されて結晶化された円に対応する円柱状の領域の結晶相との間の屈折率差を用いた２次元フォトニック結晶が製造された。更に、２次元フォトニック結晶の下層のＳｉＯ2 層２０２をウェットエッチングにより除去し、スラブ構造の２次元フォトニック結晶が最終的に製造された。
この２次元フォトニック結晶の上方に、圧電素子を用いた３次元アクチュエータ３とこれにより駆動される熱印加プローブ３３より成る情報記録消去部３３３を配置する。熱印加プローブ３３は記録媒体であるアモルファス薄板２０２に局所的に熱を印加する。
【００２２】
図５（ａ）を参照するに、このスラブタイプの２次元フォトニック結晶の光導波路に、波長λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍの波長多重光を矢印の向きに光源１から入力光１１として導入する。フォトニック結晶の光導波路２１の光源１とは反対側から出射される出力光１２を光モニタ４により観測すると、入射した波長λ1〜λnの波長多重光のすべてが観測される。
ここで、図５（ｂ）を参照するに、熱印加プローブ３３をフォトニック結晶の光導波路２１近傍の円柱状結晶相部分２２’に接近させて、円柱状結晶相部分２２’に熱を加えてその直径を増大させる。この場合、直径は光モニタ４によりモニタしながら記録情報に対応した波長λkを選択する直径に調整する。ところで、熱印加プローブ３３から与える熱を更に多くすると円柱状結晶相部分２２’をアモルファス相に変化させることができる。これにより、円柱状結晶相部分２２’の周期配列中に、その一部をアモルファス相に変化させた円柱状領域を形成することができる。
【００２３】
ここで、熱印加プローブ３３をフォトニック結晶から離した状態で、２次元フォトニック結晶の光導波路２１に、波長（λ1〜λn；波長帯１５５０ｎｍ）の波長多重光を矢印の向きに光源１から入力光１１として導入する。加熱加工して結晶相直径を拡大した円柱状結晶相部分２２’に対応した波長λkの光および結晶相を一部アモルファス相に変化させた円柱状領域に対応した波長λjの光だけが選択的にフォトニック結晶の上下方向に放出される。従って、光モニタ４側に出力される波長多重の出力光は、波長λkの光および波長λjの光を除いた波長（λ1〜λj-1，λj+1〜λk-1，λk+1〜λn）の光のみとなる。この通りに、情報をフォトニック結晶に記録することができる。
【００２４】
図５（ｃ）を参照するに、これは、円柱状の結晶相をアモルファス相に変化させて形成した記録ビットを消去して元の結晶相に戻す様子を説明する図である。熱印加ブローブ３３を用いてアモルファス相化された記録ビットに結晶化温度を与えることにより、結晶相の周期的な配列を再形成することができる。この通りにして、記録した情報（λj）を消去することができる。この場合、情報の読み出しサイクル時間は、全て１０ｎｓ以下と非常に高速であった。
図６を参照して、この発明によるフォトニック結晶光記録デバイス５１を光サーキット５０に集積化した適用例を説明する。フォトニック結晶光記録デバイス５１は、光サーキット５０中において、サーキット光導波路５５により光ＩＣ５３に光接続しており、非常に高速に光信号を処理することができる。
【００２５】
以上の実施例において、フォトニック結晶が形成される基板は、その表面にフォトニック結晶を形成することができる基板でありさえすれば、形状構造その他如何なるものも採用することができる。例えば、ＧａＡｓの様な半導体、Ａｌの様な金属、アルミナおよびガラスの様なセラミックスを基板として使用することができる。そして、基板は単一物質である必要はなく、多層膜の様な複合材料でも差し支えない。光源は、フォトニック結晶記録媒体に光を入射することができる光源でありさえすれば、如何なるものも採用することができる。光源或いはこれに対応する部材として、レーザ光源、光ファイバ単体、レンズ、各種材料の導波路を使用することができ、特に限定されるものではない。光モニタとしては、光を受光することができる部材でありさえすれば、如何なるものも採用することができる。光モニタ或いはこれに対応する部材としては、フォトダイオードの如き受光素子、光ファイバー単体、レンズ、各種材料の導波路を使用することができ、特に限定されるものでなはい。２次元フォトニック結晶としては、円孔を三角格子状に周期的に配列形成したものに限らず、Ｓｉの柱を周期的に配列形成した２次元フォトニック結晶、その他の構造のものを採用することができる。その他、２次元フォトニック結晶中の光導波路に関しても、現在までに知られている各種の形状構造の光導波路を採用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
上述した通りであって、この発明に依れば、フォトニック結晶状態を変化させることにより情報を記録再生する構成を採用することにより、光記録デバイスと光サーキットを集積化することができ、光記録デバイスを製造後に情報を記録、消去することができ、高速な読み出しを実行することができる、光記録デバイスを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１を説明する図。
【図２】実施例の動作原理を説明する図。
【図３】従来例を説明する図。
【図４】実施例２を説明する図。
【図５】実施例３を説明する図。
【図６】適用例を説明する図。
【符号の説明】
１ 光源 １１ 入力光
１２ 出力光 ２ 基板
２００ ＳｉＯ2 層 ２０１ Ｓｉ層
２０２ アモルファス薄板 ２０３ 相変化記録媒体
２１ 光導波路 ２２ 円孔
２２’円柱状結晶相部分 ３ ３次元アクチュエータ
３０ 電源 ３１ 接触プローブ
３２ 電界印加プローブ ３３ 熱印加プローブ
３３１、３３２、３３３ 情報記録消去部 ４ 光モニタ
５０ 光サーキット ５１ 光記録デバイス
５３ 光ＩＣ ５５ サーキット光導波路

Claims (2)

  1. 複数の波長の光を出射する光源と、
    光源から出射する光を入力光として伝播するフォトニック結晶の光導波路と、
    フォトニック結晶の光導波路の近傍のフォトニック結晶状態を変化させる情報記録消去部と、
    を有することを特徴とする光記録デバイス。
  2. 請求項１に記載される光記録デバイスにおいて、
    情報記録消去部は、電界、熱或いは光の何れか１つ或いはその組み合わせを印加して、フォトニック結晶状態を変化させるものであることを特徴とする光記録デバイス。
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