JP4308731B2 - 近視野光ヘッドおよび該近視野光ヘッドを用いた情報再生装置 - Google Patents

Description

この発明は、光の回折限界を超える記録密度での情報の記録再生を行う近視野光ヘッドおよび該近視野光ヘッドを用いた情報再生装置に関する。

近年情報化社会における画像・動画情報の急激な増加に対応するため、情報記録再生装置は大容量化・小型化が進められている。光を用いた情報記録再生装置においては、記録密度が光波長に依存するため、短い波長の光を用いることで高密度化が図られてきた。波長に依存しない密度の実現の方法としては、近視野光を用いた記録再生原理が注目されている。

近視野光ヘッドを利用した記録再生装置は、基本的構成は従来型の磁気ディスク装置と同じで、磁気ヘッドの代わりに近視野光ヘッドを用いる。このような近視野光ヘッドでは、光ファイバーや光導波路からの出射光を反射面での反射によって方向を変え、レンズを通して集光することで、光学的微小開口に光を照射させていた（特許文献１参照）。

また、光学的微小開口の光透過効率を向上させるために、プラズモンを励起させる試みも行われてきた（特許文献２参照）。特許文献２では、金属膜に微小開口を形成し、金属膜表面に対して特定の入射角を持った光を光ファイバーによって照射することによって、プラズモンを励起することによって高効率な近視野光ヘッドを実現しようとしている。
国際特許公開第００／２８５３６号パンフレット（第４１−４６頁、第１−６、８、２１、２４−３０、４１−４５図） 特開２０００−１７３０９３号公報 （第３−４頁、第１図）

しかしながら、光ファイバーや光導波路からの出射光を反射面を用いて方向を変え、微小開口に入射させる構造では、反射面で反射した光は導波路内の伝播モードではもはや無いため、一部の光は伝播できずに失われる。伝播できる部分は反射光のうち、導波路伝播モードとのカップリングした成分のみである。また、反射面における損失も無視できない。

導波路内を伝播した光は、その先の光学的微小開口あるいは微小突起などの近視野光発生素子に照射されることにより近視野光となるが、近視野光発生素子のサイズは伝播光の広がりに比べて数百分の一であるため、素子付近に照射された光のうちごく一部しか実際には素子に入射せず、残りの光は素子近傍の遮光膜に吸収され熱エネルギーとなって失われる。結果としてレーザーからの出射光エネルギーのうち、実際に近視野光として記録媒体との相互作用に利用されるエネルギーは数十万〜数百万分の一である。

近視野光エネルギーが弱いと、記録媒体との相互作用の結果発生する散乱光も弱くなり、情報記録装置におけるヘッド性能としてのＳ／Ｎ比が向上しないという課題となる。近視野光エネルギーを増加させるために近視野発生素子のサイズを大きくする、例えば微小開口のサイズを大きくすると、光が局在化せず、高い記録密度が実現できない。またレーザーの出力を上げると、レーザーが高価なものとなってヘッドの製造コストが上昇する上に、エネルギー節約の観点からも好ましくない。

また、光の反射面と導波路構造を基板上面に作製する必要があり、斜面に導波路を作製するなどの極めて困難なステップを含んだ作製工程になっている。反射面と導波路構造を別の基板上に作製してから貼りあわせる方法で作製する場合には、貼りあわせの位置精度が高いことが要求される上に、ヘッド全体が小型化しにくい構造となってしまう。

また、プラズモンを励起することで光効率を向上させようとした場合でも、光ファイバーあるいは光導波路を金属膜に対して斜めに配置するために光ファイバーや光導波路を折り曲げる必要があり、途中の光損失を防止するには折り曲げ部分の曲率を小さく抑えなければならず、結果としてヘッドが小型化できないという課題があった。

上記課題を解決するために本発明は、光源からの入射光を変換して近視野光を発生させ、回転する記録媒体表面との相互作用を前記近視野光を介することで行い、情報の記録再生を行う近視野光ヘッドにおいて、
前記記録媒体と対面する一方の面に近視野光発生素子を有し、他方の面から前記近視野光発生素子に貫通する貫通面が形成された基板と、
前記貫通面の少なくとも一部を覆う金属膜と、前記金属膜の少なくとも一部を覆う誘電体膜と、を持つことを特徴とする。

また本発明は、前記貫通面が倒立錐形状の側面であり、前記倒立錐の頂部が前記記録媒体表面の方向に向いていることを特徴とする。

また本発明は、前記倒立錐が前記入射光を透過する材質から成ることを特徴とする。

また本発明は、前記倒立錐が物理的な貫通穴であることを特徴とする。

また本発明は、前記金属膜が可視光によって表面プラズモンを発生させる材質から成ることを特徴とする。

また本発明は、前記基板がシリコンから成り、前記貫通面が前記基板の結晶異方性エッチングによって形成されたものであることを特徴とする。

また本発明は、前記近視野光発生素子が、光学的微小開口であることを特徴とする。

また本発明は、前記近視野光発生素子が、前記金属膜と前記誘電体膜の界面と、前記基板の底面とが交差する部分であることを特徴とする。

また本発明は、前記近視野光発生素子が、少なくとも一部の側面に金属膜を持つ錐状ティップであり、前記錐状ティップの先端において近視野光を発生させるものであることを特徴とする。

また本発明は、上記のいずれかの近視野光ヘッドと、光源とからなり、該光源からの入射光を変換して近視野光を発生させ、回転する記録媒体表面との相互作用を前記近視野光を介することで行い、情報の記録再生を行うことを特徴とする情報再生装置である。

本発明によれば、光源から近視野光発生素子までの光エネルギーの損失を最小限に抑えることができるため、光効率が高く、検出信号のＳ／Ｎが良好で、データの高速転送可能な近視野光ヘッドを実現することができる。

また、本発明によれば、一枚基板から近視野光ヘッドを作製することができ、小型で薄型の近視野光ヘッドとなり、記録媒体表面からの浮上量を低減することで高記録密度のデータストレージを実現することができる。

また、本発明によれば、量産に適したリソグラフィー技術の組み合わせのみで近視野光ヘッドを作製することができ、低コストで高性能の近視野光ヘッドを実現することができる。

また、本発明によれば、１枚の記録媒体で大量のデータを保持できる大容量情報記録再生装置が実現できる。

以下に、この発明の実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッドを用いた情報再生装置の概略を示す。本実施の形態に係る情報再生装置は、従来の磁気ディスク装置と基本構成は類似であり、近視野光を発生する微小開口（図示略）を有する近視野光ヘッド１０６を記録媒体１０７の表面に数十ナノメートルまで近接した状態で記録媒体１０７を高速に回転させ、近視野光ヘッド１０６が記録媒体１０７と常に一定の相対配置で浮上するために、フレクシャー１０５をサスペンションアーム１０４の先端部に形成している。サスペンションアーム１０４はボイスコイルモータ（図示略）によって記録媒体１０７の半径方向に移動可能である。ここで、近視野光ヘッド１０６は、記録媒体１０７に微小開口が対面するように配置されている。

レーザー１０１からの光束をフレクシャー１０５近傍まで導く光伝搬部は、レンズ１０２とサスペンションアーム１０４に固定された光ファイバー１０３から構成されている。

ここで、光ファイバー１０３を用いたが、これは、光導波路や空中光伝搬を用いてもよい。また、必要に応じて、レーザー１０１は回路系１０８により強度変調などをかけることもできる。概略をわかりやすくするために、サスペンションアーム１０４とフレクシャー１０５と近視野光ヘッド１０６はそれぞれ分解した形で示してあるが、実際には、それぞれは接続され必要に応じて固定されている。

図２に本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６と、それに固定された光ファイバー３０１の断面を示す。近視野光ヘッド１０６の構造は、Ｓｉ基板２０１が倒立四角錐状の凹部２０２を持つ。凹部２０２はその先端が正方形の光学的微小開口２０７となっている。Ｓｉ基板２０１の厚みＴは４００μｍであり、微小開口２０７の一辺の長さは１００ｎｍである。凹部２０２は四角錐であるので側面を４面持つが、そのうち微小開口２０７から見て光ファイバー３０１の方向に伸びた側面２０３に金属膜２０５と誘電体膜２０６が形成されている。

他の側面２０４には金属膜などは形成されていない。光ファイバー３０１はＳｉ基板２０１に形成されたガイド溝２０９に固定されている。光ファイバー３０１の端面３０３と金属膜２０５端面２０８の距離は約１０μｍである。金属膜２０５はＡｕから成る厚さ１００ｎｍの薄膜であり、誘電体膜２０６はＩｎＰから成る厚さ約１μｍの薄膜である。金属膜２０５の材質はＡｕに限定されるものではなく、ＡｇやＰｔ、Ｐｄなどでも良い。誘電体膜２０６もＩｎＰに限定されるものではなく、ガラスやプラスチックなどから成っていても良い。光ファイバー３０１はシングルモードファイバーを用いた。Ｓｉ基板２０１の底面には直方体の空気浮上面２１０が形成されている。

レーザー（図示略）からの入射光３１１は光ファイバー３０１のコア３０２内を伝搬して光ファイバー端面３０３から出射し、金属膜端面２０８に入射する。金属膜２０５とＳｉ基板２０１の界面、および金属膜２０５と誘電体膜２０６の界面では入射光のエネルギーによって表面プラズモンが発生する。表面プラズモンは光と金属表面の電子が結合して生成する量子であり、界面から離れる方向には伝搬することができず、界面付近に局在した状態で図中矢印の方向に伝播する。途中、界面が立体的に折れ曲がっているが、表面プラズモンの大部分のエネルギーは表面に沿って伝搬し、微小開口２０７から近視野光３１２となって分布する。このように本実施の形態においては、近視野光発生素子として光学的微小開口を用いたが、微小開口以外の素子、たとえば微小突起などを用いても良い。

この近視野光ヘッド１０６を媒体（図示略）に近接させた状態で、媒体を高速に回転させることによって生じる空気流による浮上力を空気浮上面２１０が受け、空気浮上面２１０と微小開口２０７は媒体表面のデータマークから数ｎｍ〜数十ｎｍの距離に近接浮上して走査する。微小開口２０７からの近視野光３１２とデータマークの相互作用によって発生する散乱光を光検出器（図示略）によって検出することによって、媒体表面に記録された情報を読み出す。また、近視野光によって媒体表面の光物性あるいは磁気物性を変化させることで微小領域に情報を記録することもできる。

図３は本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６と、それに固定された光ファイバー３０１の上面図を示す。図２と同一部分は同一符号を与え、説明を略す。凹部２０２の４側面のうち、微小開口２０７から見て光ファイバー３０１の方向に伸びた側面２０３に金属膜２０５と、誘電体膜（図示略）が形成されている。金属膜２０５はさらにＳｉ基板２０１の上面を光ファイバー３０１の方向に向かって形成されている。

図４は本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６の作製方法を示す。ステップＳ１０１において、Ｓｉ基板２０１に結晶異方性エッチングによってガイド溝２０９を形成する。ステップＳ１０２では結晶異方性エッチングによって凹部２０２を形成する。ステップＳ１０３で底面側をエッチングし、空気浮上面２１０と、微小開口２０７を形成する。ステップＳ１０４で金属膜２０５と、誘電体膜２０６を順次蒸着およびパターニングによって形成する。最後にステップＳ１０５で光ファイバー３０１をガイド溝２０９にはめこんで完成する。このようにすべての過程が量産に適したプロセスとなっている。

本実施の形態に係る近視野光ヘッド１０６は、一枚の基板から作製されるため薄型になっており、媒体表面からの浮上量を低減することができる。微小開口２０７付近に分布する近視野光３１２と媒体表面の微小データマークとの相互作用の強さは、浮上量に指数関数的に依存する。浮上量を低減することによって検出光エネルギーが増大し、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させ、転送速度の向上を実現できる。また、本実施の形態においては、レーザーから近視野光ヘッド１０６までの光の伝搬を光ファイバー３０１を用いて行っているため、途中のエネルギー損失が無視できる程小さい。

近視野光ヘッド１０６の内部では、光ファイバー３０１から出射した光が、誘電体に挟まれた金属膜２０６の表面プラズモンを励起し、エネルギーが表面プラズモンの形で微小開口２０７まで伝搬する。表面プラズモンは金属表面の電子の振動であり、金属表面から離れる方向には伝搬することができない。エネルギーは金属表面に閉じ込められた状態で伝搬する。このため、エネルギーがほとんど失われることなく、微小開口２０７まで伝搬する。結果として、微小開口２０７付近に分布する近視野光３１２は強いエネルギーを持ち、媒体表面のデータマークと強い相互作用を起こす。これにより検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、転送速度の向上を実現できる。また、本実施の形態に係る近視野光ヘッド１０６の作製方法は、一枚基板のエッチングと蒸着によるものであり、すべて簡略で低コストでの量産に適したものとなっている。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッド３００の上面図を示す。実施の形態１で説明した近視野光ヘッド１０６と同一部分には同一符号を与え、説明を略す。実施の形態１との相違点は、金属膜３０５が、凹部２０２の側面のうち、微小開口２０７から見て光ファイバー３０１の方向に伸びた面３０６の全面にわたって形成されている点である。

上述したように凹部２０２は倒立四角錐形状であり、その側面は傾斜を持っている。本実施の形態においては側面３０６全面に金属膜３０５が残るようにパターニングされており、作製がより容易となる。表面プラズモンの伝搬は、途中で金属膜３０５の幅が広くなるため効率がやや落ちるが、エネルギーの主成分は直進するため、微小開口２０７に到達するエネルギーとしては十分に強いものとなっている。これにより、高い光効率を持つ近視野光ヘッド３００が、より簡略で容易な方法で作製でき、低コストでの量産が可能となった。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッド４００の上面図を示す。実施の形態１で説明した近視野光ヘッド１０６と同一部分には同一符号を与え、説明を略す。実施の形態１との相違点は、光ファイバー４０６の先端面４０７が曲面形状を持っている点である。先端面４０７が曲面であるためレンズとして働き、光ファイバー４０６のコア３０２を伝搬した光３１１は、高い効率で金属膜２０５に照射される。これにより、より強いエネルギーを持つ表面プラズモンが金属膜２０５表面に励起され、結果として強い近視野光によるデータマークとの相互作用を起こす。これにより、高い光効率を持つ近視野光ヘッド４００が実現された。

（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４に係る近視野光ヘッド５００の断面図を示す。実施の形態１で説明した近視野光ヘッド１０６と同一部分には同一符号を与え、説明を略す。実施の形態１との相違点は、誘電体膜５０６が、金属膜２０５の上面だけでなく、近視野光ヘッド５００全体の上面に形成されている点である。近視野光ヘッド上面のうち、微小開口２０７の真上部分が平坦になる。このような構造は、誘電体膜５０６を形成した後に、上面を研磨することによって容易に作製可能である。

これにより近視野光ヘッド５００を媒体表面から浮上させるためにサスペンションアームから負荷をかける部分（ロードポイント）を、微小開口２０７の真上に置くことができる。結果として近視野光ヘッド５００が媒体表面に対して姿勢を変化させても微小開口２０７は媒体表面に対して常に同一の距離に位置することができ、安定した信号を検出することができた。

（実施の形態５）
図８は本発明の実施の形態５に係る近視野光ヘッド６００の断面図を示す。近視野光ヘッド６００は、ガラス基板６０１の上面にガイド溝６０２と、底面に三角錐ティップ６０３を持つ。三角錐ティップ６０３のガラス基板６０１の底面からの高さＨは１０μｍである。三角錐ティップ６０３の側面の一部には金属膜６０４と、誘電体膜６０８が形成されている。ガイド溝６０２に光ファイバー６０５が固定される。光ファイバー６０５の端面６０６は斜めに研磨されている。

光ファイバー６０５のコア６０９を伝搬した光６１０は、端面６０６が斜めに研磨されているために斜め下方に出射し、金属膜６０４に照射される。光エネルギーは金属膜６０４の表面プラズモンを励起し、表面プラズモンがエネルギーを伝搬することで三角錐ティップ６０３の先端部６１１に到達する。エネルギーは先端部６０１から近視野光６０７として分布する。三角錐ティップ６０３は、ガラス基板６０１底面の等方的エッチングにおけるサイドエッチを利用することで形成する。金属膜６０４と誘電体膜６０８は、ガラス基板６０１を傾けた状態で蒸着することで形成する。ガイド溝６０２は、ガラス基板６０１を上面からエッチングすることで形成する。

このようにして作製した近視野光ヘッド６００は、一枚の基板から作製されているため薄型で軽く、浮上量の低減が容易である。浮上量を低減することによって、より微小なデータマークを識別可能となり、高い記録密度のデータストレージが実現される。また、光ファイバー６０５から出射した光エネルギーが、近視野光を発生させる三角錐ティップ６０３の先端部６１１まで金属膜６０４の表面プラズモンの形で伝搬するため、従来のヘッド構造に比べてより微小領域にエネルギーが局在化される。このことにより微小データマークとの相互作用が可能となり、記録密度が向上した。

（実施の形態６）
図９は本発明の実施の形態６に係る近視野光ヘッド７００の断面図を示す。実施の形態１で説明した図２とほぼ同様の構造であるので、同様の部分については符号と説明を略す。特徴は貫通穴７０１が基板７０２を光学的にだけでなく、物理的に貫通している点である。結果として開口７０３は光学的にだけでなく、物理的な開口となっている。このような構造であっても上述した実施の形態と同様の効果が得られた。

本発明に係る近視野光ヘッドを用いた情報再生装置の概略を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６と、それに固定された光ファイバー３０１の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６と、それに固定された光ファイバー３０１の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る近視野光ヘッド１０６の作製方法を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る近視野光ヘッド３００の上面図である。 本発明の実施の形態３に係る近視野光ヘッド４００の上面図である。 本発明の実施の形態４に係る近視野光ヘッド５００の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る近視野光ヘッド６００の断面図である。 本発明の実施の形態６に係る近視野光ヘッド７００の断面図である。

符号の説明

１０１ レーザー
１０２ レンズ
１０３ 光ファイバー
１０４ サスペンションアーム
１０５ フレクシャー
１０６ 近視野光ヘッド
１０７ 記録媒体
１０８ 回路系
２０１ Ｓｉ基板
２０２ 凹部
２０３ 凹部２０２の１側面
２０４ 凹部２０２の他の側面
２０５ 金属膜
２０６ 誘電体膜
２０７ 微小開口
２０８ 金属膜２０５端面
２０９ ガイド溝
２１０ 空気浮上面
３００ 近視野光ヘッド
３０１ 光ファイバー
３０２ コア
３０３ 光ファイバー３０１の端面
３０５ 金属膜
３０６ 凹部２０２の一側面
３１１ 入射光
３１２ 近視野光
４００ 近視野光ヘッド
４０６ 光ファイバー
４０７ 光ファイバー４０６の先端面
５００ 近視野光ヘッド
５０６ 誘電体膜
６００ 近視野光ヘッド
６０１ ガラス基板
６０２ ガイド溝
６０３ 三角錐ティップ
６０４ 金属膜
６０５ 光ファイバー
６０６ 光ファイバー６０５の端面
６０７ 近視野光
６０８ 誘電体膜
６０９ 光ファイバー６０５のコア
６１０ 光ファイバーを伝搬した光
６１１ 三角錐ティップ６０３の先端部
７００ 近視野光ヘッド
７０１ 貫通穴
７０２ 基板
７０３ 開口
Ｈ 三角錐ティップ６０３の高さ
Ｓ１０１〜Ｓ１０５ 近視野光ヘッドの作製ステップ
Ｔ Ｓｉ基板２０１の厚み

Claims (11)

1. 光源からの入射光を変換して近視野光を発生させ、回転する記録媒体表面との相互作用を前記近視野光を介することで行い、情報の記録再生を行う近視野光ヘッドにおいて、
   前記記録媒体と対面する一方の面に近視野光発生素子を有し、他方の面から前記近視野光発生素子に向う軸に対して傾斜する錐状の傾斜面が形成された基板と、
   前記傾斜面の少なくとも一部を覆う金属膜と、前記金属膜の少なくとも一部を覆う誘電体膜とを備え、
   前記金属膜及び前記誘電体膜は、互いに重ね合わされた状態で、前記傾斜面の前記記録媒体側の一端部分から前記傾斜面の前記記録媒体側とは反対側の他端部分に亘って、前記傾斜面を覆い、
   前記近視野光発生素子は、前記金属膜の前記記録媒体側の金属膜一端部分と、前記誘電体膜の前記記録媒体側の誘電体膜一端部分とを備え、前記金属膜一端部分及び前記誘電体膜一端部分とは反対側の他端部分である積層他端部分に、前記入射光が照射されることにより、前記金属膜一端部分及び前記誘電体膜一端部分の境界部分を介して前記近視野光を発生し、
   前記光源は、前記積層他端部分に前記入射光を照射する光導波路を備え、前記光導波路の先端部分は、前記基板の前記記録媒体側とは反対側の面に備えられ、前記基板に対して略平行に形成されていることを特徴とする近視野光ヘッド。
2. 前記傾斜面が前記基板の倒立錐部の側面であり、前記倒立錐部の頂部が前記記録媒体表面の方向に向いていることを特徴とする、請求項１に記載の近視野光ヘッド。
3. 前記倒立錐部が前記入射光を透過する材質から成ることを特徴とする請求項２に記載の近視野光ヘッド。
4. 前記倒立錐部が物理的な貫通穴であることを特徴とする、請求項２に記載の近視野光ヘッド。
5. 前記金属膜が可視光によって表面プラズモンを発生させる材質から成ることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
6. 前記基板がシリコンから成り、前記傾斜面が前記基板の結晶異方性エッチングによって形成されたものであることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
7. 前記近視野光発生素子が、光学的微小開口を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
8. 前記金属膜一端部分及び前記誘電体膜一端部分は、前記基板の前記記録媒体側の面と面一となるように形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
9. 前記近視野光発生素子が、前記傾斜面に前記金属膜を持つ錐状ティップを備え、前記錐状ティップの先端において近視野光を発生させるものであることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の近視野光ヘッド。
10. 前記光導波路の先端部分は、前記入射光を前記積層他端部分に集光させる曲面を備えることを特徴とする請求項１に記載の近視野光ヘッド。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載の近視野光ヘッドと、光源とからなり、該光源からの入射光を変換して近視野光を発生させ、回転する記録媒体表面との相互作用を前記近視野光を介することで行い、情報の記録再生を行うことを特徴とする情報再生装置。

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