JP4339387B2 - 近視野光メモリヘッド - Google Patents

Description

本発明は、近視野光（ニアフィールド及びファーフィールドを共に含む）を利用して、記録媒体（光メモリ）における高密度な情報の再生及び記録をおこなうのに好適な近視野光メモリヘッドに関する。

従来より、試料表面においてナノメートルオーダの微小な領域を観察するために走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）が用いられている。ＳＰＭは、先端が先鋭化されたプローブを試料表面に走査させ、プローブと試料表面との間に生じるトンネル電流や原子間力などの相互作用を観察対象として、プローブ先端形状に依存した分解能の像を得ることができるが、比較的、観察する試料に対する制約が厳しい。

そこで、伝搬光を使用し、試料表面に生成される近視野光とプローブとの間に生じる相互作用を観察対象とすることで、試料表面の微小な領域の観察を可能にした近視野顕微鏡が注目されている。

上記した近視野顕微鏡は、伝搬光を試料の表面に照射して近視野光を生成し、生成された近視野光を、先端が先鋭化されたプローブによって散乱させ、その散乱光を従来の伝搬光検出と同様に処理することで、従来の光学顕微鏡による観察分解能の限界を打破し、より微小な領域の観察を可能とするものである。さらに、近視野顕微鏡は、試料表面に照射する光の波長を掃引することで、微小領域における試料の光学物性の観測をも可能とするものである。

また、近視野顕微鏡には、光ファイバを先鋭化して周辺を金属でコーティングし、その先端に微小開口を設けた構成の光ファイバプローブが使用される。この光ファイバプローブは、その微小開口部を近視野光と相互作用させることによって生じた散乱光を自身の内部に通過させて光検出器に導く役目をしている。
また、近視野顕微鏡は、光ファイバプローブを通して試料に向けて光を導入させることによって、光ファイバプローブの微小開口に近視野光を生じさせ、この近視野光と試料表面の微細構造との相互作用によって生じた散乱光を更に付加された集光系を用いて光検出器に導き、表面観察を行うことも可能である。

更に、近視野顕微鏡の技術は、顕微鏡としての利用だけでなく、光ファイバプローブを通して試料に向けて比較的強度の大きな光を導入させることにより、光ファイバプローブの微小開口にエネルギー密度の高い近視野光を生成し、その近視野光によって試料表面の構造または物性を局所的に変更させる高密度な情報記録・再生技術への応用も可能である。

ここで、上述した光ファイバプローブとして、フォトリソグラフィ等の半導体製造技術によってシリコン基板にこれを貫通する開口部を形成し、シリコン基板の一方の面には絶縁膜を形成して、開口部の反対側の絶縁膜の上に円錐形状の光導波層を形成したカンチレバー型光プローブが提案されている。（例えば、特許文献１）
このカンチレバー型光プローブにおいては、開口部に光ファイバを挿入し、光導波層の先端部以外を金属膜でコーティングすることで形成された微小開口に光を透過させることができる。
米国特許第5 2 9 4 7 9 0号明細書 更に、従来においては、上述した光ファイバプローブのように先鋭化された先端をもたない平面プローブの使用が提案されている。この平面プローブは、シリコン基板に異方性エッチングによって逆ピラミッド構造の微小開口を形成したものであり、特にその頂点が数十ナノメートルの径を有して貫通されている。また、平面プローブにおいては、逆ピラミッド構造部分にレンズが設けられており、レーザ光を上記レンズにより微小開口へ集光することにより、微小開口に生じる近視野光の強度を高めるような構成とされている。この平面プローブは、特に近視野光を利用した光情報記録媒体（光メモリ）の再生及び記録に適した近視野光メモリヘッドとして使用されている。

しかしながら、従来のカンチレバー型光プローブにおいては、その開口部に光ファイバを挿入して、光導波層からの散乱光の受光、または光導波層への伝搬光の導入を達成するため、光導波層と光ファイバとの間において十分な光量を損失なく伝搬することができなかった。例えば、光導波路層先端の微小開口から近視野光を出射する場合、生成される近視野光の効率（＝近視野光の光強度／入射光エネルギ）は、微小開口の径を１００ｎｍとすると、最大でも１０^-6オーダとなり、ほとんどの光エネルギが熱エネルギに変換されてしまい、無駄なエネルギを消費してしまうという問題があった。

ここで、上記した近視野光の生成効率に影響を与える要因としては、微小開口近傍の形状（特に、開口幅が可視光の波長以下となる部分）、光導波層の表面に形成されている金属膜の反射率、微小開口への伝搬光の集光率等が考えられる。

そこで、カンチレバー型光プローブにおいては、十分な近視野光の光強度を得るために微小開口に照射する光源の光強度を高める方法も考えられるが、この方法では、大きな熱量の熱が発生することから、構成部材（金属膜）等を破損する可能性があり現実的ではない。

さらに、従来の平面プローブにおいては、光ファイバのコア端面と微小開口との間を、レンズを介して空間的に結合させているため、カップリングロスが非常に大きいことから、このカップリングロスを考慮することによりさらに光損失が大きくなり、イルミネーションモードにおける近視野光の光強度および生成効率、コレクションモードにおける近視野光散乱による伝搬光の光強度および検出効率がともに低くなる。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、イルミネーションモードにおける近視野光の光強度および生成効率、コレクションモードにおける近視野光散乱による伝搬光の光強度および検出効率をともに高めることができるとともに、特に、イルミネーションモードにおいて微小開口に発生する熱量を低減させることができる近視野光メモリヘッドを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための、本発明の第１の特徴は、近視野光を利用して記録媒体の情報の記録と再生との少なくともいずれかを行う近視野光メモリヘッドにおいて、少なくとも１つの逆錐状の穴がその頂部を微小開口とするように貫通して形成された平面基板と、先端部分が前記平面基板の逆錐状の前記穴の形状と略同形状となるようにテーパ状に形成され、かつ前記先端部分が前記穴に嵌合された光ファイバと、を備えることを特徴とする。

かかる発明によれば、光ファイバの先端部分が平面基板の穴に嵌合されると、光ファイバの出射端面と微小開口との間の距離が非常に短くなる。この状態において、レーザ光が光ファイバの入射端面に入射されると、上記レーザ光は、光ファイバ内を伝搬した後、出射端面から微小開口へ向けて空間光として出射され、微小開口近傍には近視野光が生成される。この空間光が伝搬する距離が非常に短いため空間結合時のカップリングロスが、従来のものと比較して非常に小さく抑えられることから、光伝搬損失が低減される。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に記載の近視野光ヘッドにおいて、光ファイバの先端面は、略球形状とされていることを特徴とする。
かかる特徴によれば、光ファイバにおける略球形状の先端部が集光レンズとしての役目を果たすことから、光ファイバの先端面から出射されるレーザ光が微小開口へ向けて集光されつつ、伝搬する。従って、微小開口に向けて出射されたレーザ光の強度が高まり、ひいては微小開口に生成される近視野光の光強度が高まる。

本発明の第３の特徴は、近視野光を利用して記録媒体の情報の記録と再生との少なくともいずれかを行う近視野光メモリヘッドにおいて、少なくとも１つの逆錐状の穴がその頂部を微小開口とするように貫通して形成された平面基板と、端部が平面基板の逆錐状の穴に位置し、かつその端面が微小開口近傍に位置するように配設された光導波路と、光導波路を平面基板に支持する支持部材と、を備えることを特徴とする。

かかる特徴によれば、光導波路を単に支持部材を介して平面基板に支持するように構成したので、本発明の第１の特徴に係る発明と同様の作用を奏するとともに、構成が簡略化される。

本発明の第４の特徴は、本発明の第３の特徴に記載の近視野光ヘッドにおいて、光導波路の端面は、略球形状とされていることを特徴とする。

かかる特徴によれば、光導波路における略球形状の端面部分が集光レンズとしての役目を果たすことから、光導波路の端面から出射されるレーザ光が微小開口へ向けて集光されつつ、伝搬する。従って、微小開口に向けて出射されたレーザ光の強度が高まり、ひいては微小開口に生成される近視野光の光強度が高まる。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１による近視野光メモリヘッド１の構成を示す側断面図である。図１に示す近視野光メモリヘッド１において、シリコン基板２は、その厚さｔを数１００μｍとしており、その中央部には、表面から裏面に向けて徐々にテーパ状に縮径される逆錐形状のテーパ穴２ａが形成されている。このテーパ穴２ａの頂点においては、数十ナノメートルの径の微小開口２ｂが形成されている。イルミネーションモードにおいては、この微小開口２ｂの近傍に近視野光Ｐが生成される。

反射膜３は、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）等の金属膜、または誘電体多層膜等からなり、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、蒸着等の手法により、テーパ穴２ａのテーパ面に形成されている。光ファイバ４は、コア４ａおよび該コア４ａの周囲を覆うクラッド４ｂから構成されており、例えば、シングルモード光ファイバである。この光ファイバ４は、レーザ光源（図示略）から射出されたレーザ光Ｌａを伝搬させる。この光ファイバ４において、コア４ａの屈折率はクラッド４ｂの屈折率より大きくなるように設計されている。

また、光ファイバ４の先端部４ｃは、エッチング、機械的研磨、熱引き等の手法により、テーパ穴２ａの形状に合致するようにテーパ状に形成されており、テーパ穴２ａに嵌合されている。従って、実施の形態１による近視野光メモリヘッド１においては、コア４ａの端面と微小開口２ｂとの距離が従来のものと比較して非常に短くなるように構成されている。

上記した構成において、近視野光メモリヘッド１を記録媒体の記録再生に適用する場合には、近視野光メモリヘッド１の下方に図示しない記録媒体が配設される。この記録媒体は、例えば円盤状の平面基板であり、相変化記録方式を適用できる材料からなり、局所的な光の照射による情報記録を可能とする。また、記録・再生中において、記録媒体は、図示しない駆動機構により高速回転される。

さらに、この場合には、微小開口２ｂ近傍に生成される近視野光Ｐを記録媒体に作用させるために、微小開口２ｂと記録媒体の記録面との間を微小開口２ｂの径程度まで近接させる必要がある。そこで、この例では、近視野光メモリヘッド１と記録媒体との間に潤滑剤を充填し、この潤滑剤の表面張力を利用して近視野光メモリヘッド１と記録媒体の記録面との距離を十分に小さく維持する。また、上記した潤滑剤は、高速回転中に生じる記録媒体の回転軸方向の撓みに近視野光メモリヘッド１の位置を追従させる役目を果たしている。あるいは、ハードディスクで用いられているフライングヘッドの機構を利用することにより、微小開口２ｂと記録媒体との距離を十分小さく維持することも可能である。

このような状態において、図示しない近視野光メモリヘッド制御機構によって、近視野光メモリヘッド１の微小開口２ｂが、記録媒体の記録面における所望の位置に配置されるように、近視野光メモリヘッド１の位置が制御される。続いて、図示しないレーザ光源から射出されたレーザ光Ｌａが光ファイバ４のコア４ａの入射端面に入射されると、該レーザ光Ｌａは、コア４ａ内を同図下方向に伝搬した後、コア４ａの端面から微小開口２ｂへ向けて空間光として放射される。

これにより、微小開口２ｂの近傍、言い換えれば、微小開口２ｂと記録媒体の記録面との間の微小空間に近視野光Ｐが生成される。ここで、上記空間光が伝搬中においては、コア４ａの端面と微小開口２ｂとの間の距離が非常に短いため、上記空間光と微小開口２ｂとのカップリングロスが従来のものと比較して小さくなる。

そして、上記近視野光Ｐと記録媒体の記録面との相互作用によって生じた伝搬光が、記録面の記録状態に依存した強度や位相等の特性を伴って図示しない受光素子へと導かれて電気信号に変換され、図示しない信号線を介して同じく図示しない信号処理部によって情報記録部の記録状態が判断される。

以上説明したように、上述した実施の形態１による近視野光メモリヘッド１によれば、光ファイバ４の先端部４ｃをテーパ状に形成することで、コア４ａの端面と微小開口２ｂとの間の距離を非常に小さくするように構成したので、従来のものと比較して、空間光の伝搬距離が短くなるため、空間光と微小開口２ｂとのカップリングロスを低減することができる。

従って、上述した実施の形態１による近視野光メモリヘッド１によれば、上記カップリングロスが小さい分、従来のものと比較して、イルミネーションモードにおける近視野光の光強度および生成効率、コレクションモードにおける近視野光散乱による伝搬光の光強度および検出効率をともに高めることができるとともに、微小開口における熱の発生量を少なくすることができる。

なお、上述した実施の形態１による近視野光メモリヘッド１においては、光ファイバ４を直線状に配設した例について説明したが、光ファイバ４の先端部４ｃから曲げて配設し、先端部４ｃ以外の部分をシリコン基板２に、例えばＵＶ接着剤によって接着するように構成してもよい。この場合には、光ファイバ４の配設位置を近視野光メモリヘッド１の形状に応じて変更することができるので、近視野光メモリヘッド１の小型化が図れる。
（実施の形態２）
図２（ａ）は、本発明の実施の形態２による近視野光メモリヘッド１０の構成を示す側断面図である。図２（ａ）において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付けその説明を省略する。

図２（ａ）においては、図１に示す光ファイバ４に代えて、光導波路１２を有したガラス基板１１が設けられている。ガラス基板の代わりにシリコン基板などを用いても良い。なお、この説明においては、図２に示す反射膜１３は設けられていないものとする。

図２（ａ）に示すガラス基板１１は、裏面上の突出部１１ａを有している。この突出部１１ａは、一部がガラス基板１１の側面と一致した側面を有し、先端部を除く他部がシリコン基板２のテーパ穴２ａの形状に合致するようにテーパ状に形成されている。また、突出部１１ａは、その端面（先端部）と微小開口２ｂとの間の距離が非常に小さくなるようにして形成されている。

また、ガラス基板１１は、シリコン基板２に形成された嵌合部２ｃに、ＵＶ接着剤または陽極接合等によって接合されている。ここで、上記陽極接合とは、ガラス基板１１とシリコン基板２との間に高電圧を印加することにより、境界面において生じるイオン結合による結合をいう。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。光導波路１２は、図示しないコアとクラッドからなり、図２（ｂ）に示すようにガラス基板１１の側面上に、かつ図２（ａ）に示すように逆Ｌ字状に設けられている。また、光導波路１２の端面は、突出部１１ａの端面とほぼ一致する位置にある。

ここで、突出部１１ａの端面とほぼ一致した光導波路１２の端面は、その中心部が微小開口２ｂの中心軸上に位置するように配置される。すなわち、光導波路１２は、微小開口２ｂの近傍にまで配置されたガラス基板１１、特にその突出部１１ａを支持体として、端面と微小開口２ｂとの間の距離が、非常に短くなるように配設される。

上記構成において、図示しないレーザ光発生装置により発生されたレーザ光Ｌａが光導波路１２の入射端面に入射されると、該レーザ光Ｌａは、光導波路１２内を伝搬した後、光導波路１２の端面から微小開口２ｂへ向けて空間光として放射される。これにより、前述した動作と同様にして、微小開口２ｂの近傍に近視野光Ｐが生成される。

ここで、上記した空間光が伝搬中においては、光導波路１２の端面と微小開口２ｂとの間の距離が非常に短いため、前述した実施の形態１による近視野光メモリヘッド１（図１参照）と同様にして、上記空間光と微小開口２ｂとのカップリングロスが従来のものと比較して小さくなる。従って、上述した実施の形態２による近視野光メモリヘッド１０によれば、実施の形態１による近視野光メモリヘッド１と同様の効果が得られる。 なお、上述した実施の形態２による近視野光メモリヘッド１０においては、光導波路１２の屈曲部１２ａに、レーザ光Ｌａを端面（微小開口２ｂ）方向へ反射させる反射膜１３を設ける構成としてもよい。この場合には、反射膜１３によりレーザ光Ｌａが効率よく端面（微小開口２ｂ）へ導かれるので、屈曲部１２ａにおける光伝搬損失を低減することができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３による近視野光メモリヘッド２０の構成を示す側断面図である。図３において、図２の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。図３においては、図２に示すガラス基板１１に代えて、支持部材２１が設けられている。すなわち、図３において、光導波路１２は、支持部材２１を介してシリコン基板２の表面に直接、支持されている。また、光導波路１２は逆Ｌ字状になるように、レーザ光による熱変形、ポリイミドなどの膜応力により、曲成されている。

従って、上記実施の形態３による近視野光メモリヘッド２０によれば、前述した近視野光メモリヘッド１０（図２参照）と比較して、ガラス基板１１が無い分、容積を小さくすることができることから、結果的に小型化を図ることができる。
（実施の形態４）
図４（ａ）は、本発明の実施の形態４による近視野光メモリヘッド３０の構成を示す側断面図であり、図４（ｂ）は、上記近視野光メモリヘッド３０の構成を示す平面図である。図４（ａ）および（ｂ）において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付けその説明を省略する。

図４（ａ）においては、図１に示す光ファイバ４に代えて、光導波路３１および反射膜３２が設けられている。図４（ａ）に示す光導波路３１は、テーパ穴２ａのテーパ面に沿いかつ断面がＶ字状になるように、上記テーパ面に形成された薄膜光導波路であり、コア３１ａおよびクラッド３１ｂから構成されている。また、光導波路３１の表面には、前述したアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）等の金属膜や、誘電体多層膜からなる反射膜３２が、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着等の手法により薄膜形成されている。

上記した構成において、図示しないレーザ光発生装置により発生されたレーザ光Ｌａが光導波路３１の入射端面に入射されると、該レーザ光Ｌａは、光導波路３１内を伝搬した後、光導波路３１内を図４（ｂ）に示す矢印Ａ１方向、すなわち、微小開口２ｂ方向へ伝搬する。そして、レーザ光Ｌａが光導波路３１の屈曲部３１ｃに到達すると、その一部が微小開口２ｂへ放射される。これにより、微小開口２ｂ近傍には、近視野光Ｐが生成される。

一方、屈曲部３１ｃから放射されなかったレーザ光Ｌａの残りの部分は、図４（ｂ）に示す矢印Ａ２方向、言い換えれば、光導波路３１の端部３１ｄ方向へ伝搬する。そして、上記残りの部分のレーザ光Ｌａが端部３１ｄに到達すると、端部３１ｄにおいては、上記レーザ光Ｌａが反射膜３２の反射部３２ａにより図４（ｂ）に示す矢印Ａ３方向、言い換えれば、端部３１ｄから屈曲部３１ｃへ向けて伝搬する。

そして、反射部３２ａにより反射されたレーザ光Ｌａが屈曲部３１ｃに到達すると、上記レーザ光Ｌａは、微小開口２ｂへ放射される。これにより、微小開口２ｂ近傍には、近視野光Ｐが生成される。

すなわち、実施の形態４による近視野光メモリヘッド３０においては、屈曲部３１ｃから端部３１ｄへ向けて伝搬したレーザ光Ｌａを、反射部３２ａにより再び屈曲部３１ｃへ反射させるように構成したので、近視野光Ｐの光強度を高めることが可能となる。 なお、上述した実施の形態４による近視野光メモリヘッド３０においては、反射部３２ａを曲面形成するか、または反射部３２ａにグレーディングを施すことにより、反射部３２ａを凹面鏡として作用させてもよい。この場合には、反射部３２ａにより反射されたレーザ光Ｌａが屈曲部３１ｃ（微小開口２ｂ）へ向けて集光されるので、さらに近視野光Ｐの光強度を高めることができる。以上本発明の実施の形態１〜４について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態１〜４に限られるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述した実施の形態１〜３においては、図１に示す光ファイバ４（コア４ａ）、図２に示す光導波路１２および図３に示す光導波路１２の各端面を球状に形成して、レンズ機能を持たせるように構成してもよい。この場合には、微小開口２ｂへの集光率が高まるので、近視野光Ｐの光強度を高めることができる。

また、実施の形態１〜４において、近視野光を生成するのに用いる光は、レーザ光のように特にコヒーレントな光である必要はなく、インコヒーレントな光であるＬＥＤ等から射出される光を用いてもよい。

本発明の実施の形態１にかかる近視野光メモリヘッド１の構成を示す側断面図である。 実施の形態２にかかる近視野光メモリヘッド１０の構成を示す側断面図である。 実施の形態３にかかる近視野光メモリヘッドの２０構成を示す側断面図である。 実施の形態４にかかる近視野光メモリヘッド３０の構成を示す図である。

符号の説明

１，１０，２０ 近視野光メモリヘッド
２ シリコン基板
２ａ テーパ穴
２ｂ 微小開口
３，１３，３２ 反射膜
４ 光ファイバ
４ｃ 先端部
１１ ガラス基板
１２，３１ 光導波路
２１ 支持部材

Claims (3)

1. 近視野光を利用して記録媒体へ情報の記録あるいは再生を行う際に、回転している前記記録媒体から浮上する近視野光メモリヘッドであって、
   少なくとも１つの逆錐状の穴がその頂部を微小開口とするように貫通して形成された平面基板と、
   端部が前記平面基板の逆錐状の前記穴に位置するとともに、前記平面基板の前記微小開口を有する面と対向する面から逆錐状の前記穴に向かって屈曲して配置される光導波路と、
   前記光導波路を前記平面基板に支持する支持部材と、を備えることを特徴とする近視野光メモリヘッド。
2. 前記光動波路は、逆錐状の前記穴の側面から離間して配置され、前記端部から放射した光により前記微小開口から前記近視野光を生成することを特徴とする請求項１に記載の近視野光メモリヘッド。
3. 前記光導波路の前記端面は、略球形状とされていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の近視野光メモリヘッド。

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