JP4746664B2 - 近接場光発生素子および光アシスト磁気記録素子 - Google Patents

Description

本発明は、近接場光を発生する近接場発生素子及びこれを含む光アシスト磁気記録素子関する。

近年、高度情報化社会が進展するにつれ、例えば、ハードディスクドライブ（磁気記録再生システム）や、光ディスクドライブ（光記録再生システム）等の大容量記録システムに対する期待が高まっている。

磁気記録再生システムでは、記録媒体上の記録の最小単位である磁気ビットの磁化方向によって情報が記録されている。ここで、磁性体の磁気的異方性エネルギーをＫｕ、磁性体の体積をＶとすると、磁気ビットの磁化反転に必要なエネルギーである磁気的エネルギーはＫｕ・Ｖで表される。つまり、磁気的エネルギーＫｕ・Ｖが高いほど磁気ビットの磁化反転に必要なエネルギーは大きくなる。

磁気記録再生システムの大容量化のために高記録密度化を進めると、必然的に磁気ビットの体積Ｖが小さくなる。したがって、磁気的異方性エネルギーＫｕが同じ材料を用いた場合、体積Ｖが小さくなるに連れて磁気ビットの磁気的エネルギーＫｕ・Ｖは小さくなる。つまり、磁気記録再生システムの高密度化が進むことにより、磁気ビットの磁気的エネルギーは小さくなる。その結果、室温付近の熱エネルギーによって磁気ビットの磁化が反転してしまう超常磁性の問題が生じる。そして、磁気ビットの磁化が反転してしまうと、室温でも磁気ビットの磁化情報が変化するため、磁気記録再生システムに記録情報を保持できなくなる。

磁気ビットの体積が小さくなったときに発生する超常磁性の問題を回避するためには、高い磁気的異方性エネルギーＫｕを持つ材料を用いればよい。磁気的異方性エネルギーＫｕの高い材料を用いると、磁気ビットの体積が小さくなった場合にも磁気的エネルギーＫｕ・Ｖを大きくすることでき、それにより超常磁性の問題を回避できる。しかしながら、磁気的異方性エネルギーＫｕの高い材料を用いることにより、記録（磁気ビットの磁化反転）に必要な磁界（保磁力）が大きくなるという別の問題が生じる。

この問題を解決するために考えだされた方法として、光アシスト磁気記録技術がある。光アシスト磁気記録技術とは、磁気ビットに磁気記録を行うときに、集光された光によって磁気ビットを昇温させて、それにより記録媒体の保磁力を低下させ、その状態で磁気ビットに磁界を印加して記録を行う技術である。磁化反転を行った後には、温度が低下するため、記録媒体の保磁力が大きくなる。つまり、室温付近の熱エネルギーによって磁気ビットの磁化が反転するという超常磁性の問題は生じない。

しかしながら、この光アシスト磁気記録技術にも次のような問題がある。つまり、磁気記録再生システムの高記録密度化が進むにつれ、小さな磁気ビットを磁化反転させなければならず、光によって昇温する磁気ビットも狭くしなければならない。しかし、光には回折限界が存在し、波長程度のスポットにしかビームを絞ることができないため、昇温される磁気ビットは、光の波長以上の領域に及ぶ。このように、磁気記録再生システムの高記録密度化には、光の波長という制限が加わる。

光アシスト磁気記録を用いることによる前記問題を解決する方法として、近接場光の利用が考えられる。近接場光は光の波長より小さな物体や、光の波長より狭い開口等に光が照射されたときに、物体や開口の周りに発生する光のことであり、光の波長よりも狭い範囲に局在している。この近接場光を記録媒体を昇温するための光源とすることで、光の波長よりも狭い領域の磁気ビットを昇温することができ、それにより高密度化を実現することができる。

近接場光により光の波長よりも狭い領域の磁気ビットを昇温し、的確にその磁気ビットに磁界を印加して記録を行うには、近接場光の発生位置と磁界の発生位置とができるだけ近い位置にあることが望ましい。

光の回折限界よりも狭い領域に近接場光を発生させる方法として、金属等の導電膜により光の波長よりも短い寸法の狭窄部を形成し、開口部に光を照射する方法や、光の波長より小さな金属の散乱体に光を照射する方法がある。いずれの方法においても、表面プラズモン及び局所プラズモンを利用することにより、入射光よりも強い光を、光の波長よりも狭い領域に発生させることが可能である。上述の狭窄部を利用する場合、導電膜に直接電流を流すことにより、狭窄部近傍に強い磁界を発生させることができる。また、金属の散乱体を利用する場合、散乱体周囲に導電膜により、散乱体を取り囲むように微小コイルを形成し、微小コイルに電流を流すことで、近接場光発生位置の近傍で磁界を発生させることが可能である。

上記近接場光発生素子に照射される光は、一般には、近接場光発生素子の外部に設けられた発光素子から照射される。近接場光発生素子から効率よく近接場光を発生させるためには光の波長以下のナノメートルの精度で発光素子と近接場光発生素子との位置あわせを行う必要がある。上記位置あわせを考慮すると、発光素子、近接場光発光素子および磁界発生素子の三者は、半導体プロセス等を用いて一体に形成されることが好ましい。

従来技術における、発光素子と近接場発光素子と磁界発生素子とが一体に形成された光アシスト磁気記録素子（非特許文献１）においては、発光素子として半導体レーザ素子が用いられており、半導体レーザ素子から発生する光は直接近接場光発生素子に照射される。

次に、近接場光の発生方法について述べる。

図１９および図２０は、それぞれ、非特許文献１および特許文献１に示された光アシスト磁気記録素子の斜視図および平面図である。図１９に示されるように、光透過性の材料よりなる基板９０１の表面上に、導電性の金属による棒状の散乱体９０２が形成されている。散乱体９０２の長手方向と照射される光の偏光方向を合わせて配置し、且つ散乱体９０２の長手方向の長さを表面プラズモンが励起される条件に合わせて適切に選定することによって、表面プラズモンを励起することができる。

このように適切な条件に合わせて配置構成した散乱体９０２に対して基板９０１側から光を照射すると、図１９に示すように、散乱体９０２の入射光が照射される面である受光面９０３とその反対側の面である出射面９０４において、入射光の電界によって電荷の偏りが生じることにより表面プラズモンが生じる。

表面プラズモンの共鳴波長と入射光の波長が一致すると表面プラズモン共鳴とよばれる共振状態となり、散乱体９０２は偏光方向に対して強く分極した電気双極子となる。電気双極子となると、散乱体９０２の長手方向両端近傍に大きな電磁界が生じ、近接場光が発生する。発生する近接場光の分布及び強度は散乱体９０２の構造に大きく依存するが、一般的には、入射光の偏光方向と交わる面における曲率が大きい箇所では電界の集中が生じるため、周囲に比べ強い近接場光が発生する。

例えば、図２０に示す棒状構造の散乱体９０２に偏光方向（電界ベクトルの方向）が散乱体９０２の長手方向（Ｅ１）の光を照射すると、曲率半径の大きい端部９０５および端部９０６の頂点で電界集中が生じ、強い近接場光が発生する。散乱体９０２に偏光方向が散乱体９０２の長手方向と垂直な方向（Ｅ２）の光を照射すると、近接場光は図２０の長手方向のエッジ部９０７および９０８で発生する。

非特許文献１および特許文献１においては、近接場光発生のために前述の散乱体９０２を用い、磁界発生のために、磁界発生部９０９を設けている。磁界発生部９０９は散乱体９０２を囲むように設けられた微小コイルである。微小コイルに電流を流すことにより散乱体９０２近傍に磁界を発生させている。

上述の通り、金属導電膜を用いて表面プラズモン共鳴を利用することにより強い近接場光を発生させることが可能である。上述のように、導電膜に発生する表面プラズモンは入射光の偏光方向および導電膜エッジの凹凸（曲率半径）に非常に敏感であるため、近接場光発生素子に意図しない凹凸が存在する場合及び意図しない方向に偏光した光が照射された場合、意図しない箇所で表面プラズモンによる電界増幅効果が生じ、強い近接場光が発生する可能性がある。

例えば、図２１（ａ）に示されるように、散乱体９０２のエッジ９０７および９０８に凹凸が存在する場合、散乱体９０２に、図２１（ｂ）中の矢印Ｅａ方向の偏光成分を有する光が照射されると、頂点部分９０５および９０６において強い近接場光（図２１（ｂ）のＡおよびＢ）が発生する。しかしながら、図２１（ｃ）中の矢印Ｅｂ方向の偏光成分を有する光が照射されると、エッジ９０７および９０８の各凹凸（図２１（ｃ）のＣおよびＤ）で強い近接場光が発生する。このように、意図しない箇所で近接場光が発生する。

散乱体９０２は、リソグラフィ等の半導体プロセスにより作製される。量産プロセスにおいては、フォトリソグラフィが一般的に利用される微細加工方法であり、フォトリソグラフィによる微細加工においては、数ナノメートル〜数十ナノメートル程度の凹凸が発生する。

非特許文献１に示された光アシスト磁気記録技術においては、照射光発生源として、半導体レーザ素子が用いられている。半導体レーザ素子から発せられた光は直接散乱体に照射される。一般の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子に含まれる活性層の面内方向及びその垂直方向のいずれか一方のみに偏光した光がレーザ発振により安定して出力されるように設計されることが多い。一般的には半導体レーザ素子の活性層に用いられている量子井戸構造の井戸層の結晶歪を制御することにより、誘導放出の偏光方向が制御される。

特開２００８−９０９３９号公報 K.Hongo, T.Watanabe"Lensless Surface Plasmon Head with 1Tbit/in.2 Recording Density" in Japanese Journal of Applied Physics Vol.47, No.7, 2008, pp.6000-6006

しかしながら、半導体レーザ素子からは、上述のレーザ発振による光に、自然放出光による光が混在して出射される。一般的に、自然放出光は、レーザ発振により生じる光の偏光方向とは異なる方向に偏光した光も含まれている。

レーザ発振により放出される光は、一般的には自然放出光よりも強く、半導体レーザ素子の駆動電流が大きくなるほど偏光比は大きくなる傾向にある。しかしながら、低駆動電流の条件では、偏光比は小さく、１０：１以下の条件で駆動する場合もある。

近接場光の発生に表面プラズモンを利用する場合、導電膜の形状によっては、発生する近接場光の電界強度は入射光強度の数１００倍にも増強される場合がある。したがって、近接場光発生素子に、意図しない偏光方向を有する光が照射されると、意図しない個所で近接場光が発生する可能性があり、上述の近接場光発生素子を用いた光アシスト磁気記録素子において、誤記録が生じる可能性がある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性が高く、動作が安定した近接場光発生素子及びこれを含む光アシスト磁気記録素子を提供することである。

本発明の近接場光発生素子は、基板と、前記基板上に形成され、第１方向に偏光したレーザ光を出射する発振モードで発振する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の光出射端に近接するように前記基板上に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に偏光した光を吸収すると共に導波路構造を有する光吸収導波路素子と、前記光吸収導波路素子の光出射端に接するように前記基板上に形成された近接場光発生部とを備えており、前記光吸収導波路素子の吸収層が、量子井戸及び量子ドットのうち、いずれかの構造を有している。

上記の構成によれば、半導体レーザ素子から出射された光が光吸収導波路素子を介して近接場光発生部に照射される。近接場光発生部に照射される光はほぼ第１方向だけに偏光していることになるため、第２方向に偏光した光による不要な近接場光の発生を抑制することが可能になり、近接場光発生素子の信頼性が高まり、動作が安定する。
光吸収導波路素子を用いているために、近接場光発生部で発生する近接場光の強度が半導体レーザ素子と近接場光発生部との距離にほとんど依存しないので、当該距離に関する設計自由度が高くなる。また、半導体レーザ素子と近接場光発生部との間に光吸収導波路素子が配置されることによって、近接場光発生部で発生するジュール熱が半導体レーザ素子に悪影響を及ぼすのを抑制でき、近接場光発生素子の寿命を伸ばすことが可能になる。
さらに、前記光吸収導波路素子の吸収層が、量子井戸及び量子ドットのうち、いずれかの構造を有しているので、光吸収導波路素子の吸収層が吸収する光に係る偏光方向の制御が容易になるため、高効率な近接場光の発生が可能になる。

前記半導体レーザ素子の活性層は、量子井戸、量子細線及び量子ドットのうち、いずれかの構造を有していることが好ましい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子の材料利得の方向依存性を制御することが容易になり、一方向に偏光して発振するレーザの実現が容易になるため、高効率な近接場光の発生が可能になる。

前記半導体レーザ素子の活性層は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有しており、前記光吸収導波路素子の吸収層は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有していることが好ましい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子は効率よく量子井戸面内方向と垂直な方向に偏光したモードで発振することが可能になり、光吸収素子は量子井戸面内方向に偏光した光のみを吸収することが可能になる。

前記半導体レーザ素子の活性層は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有しており、前記光吸収導波路素子の吸収層は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有していてもよい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子は効率よく量子井戸面内方向に偏光したモードで発振することが可能になり、光吸収素子は量子井戸面内方向と垂直方向に偏光した光のみを吸収することが可能になる。

半導体レーザ素子及び光吸収導波路素子が上記のような量子井戸構造を含んでいるとき、前記光吸収導波路素子の前記吸収層に含まれる前記井戸層において、価電子帯の第１量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、前記半導体レーザ素子の発振波長に対応する光のエネルギーよりも小さく、かつ、価電子帯の第２量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、前記半導体レーザ素子の発振波長に対応する光のエネルギーよりも大きいことが好ましい。上記の構成によれば、光吸収導波路素子において、半導体レーザ素子から出射された光から第２方向に偏光した成分だけを強く吸収させることが可能になる。そのため、光吸収導波路素子から出射される光が所望の偏光特性を得やすくなり、近接場光発生素子の信頼性を高めることが可能になる。

前記半導体レーザ素子の前記光出射端に近接した前記光吸収導波路素子の光入射端の幅が、前記半導体レーザ素子の共振器の幅以上であると共に、前記光吸収導波路素子の前記光出射端の幅が、前記半導体レーザ素子の前記共振器の幅未満であることが好ましい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子から出射される光のビーム径を効果的に絞ることが可能になり、高効率に近接場光を発生させることが可能になる。

本発明の光アシスト磁気記録素子は、上述したいずれかの近接場光発生素子と、前記近接場光発生素子に含まれる近接場光発生部の近傍に配置された磁界発生素子とを備えている。上記の構成によれば、不要な近接場光の発生による誤記録が抑制され、さらに磁界発生素子での発熱による半導体レーザ素子の不安定動作が抑制され、高信頼性で寿命の長い光アシスト磁気記録素子が得られ易くなる。

（実施の形態１）
まず、図１〜図７を用いて、実施の形態１の光アシスト磁気記録素子１を説明する。光アシスト磁気記録素子１は、基板１００、基板１００の同一面上に形成された半導体レーザ素子１０、光吸収導波路２０および近接場光発生部３０を含む近接場光発生素子と、磁界発生素子５０とを含んでいる。

＜全体構成＞
図１および２に示されるように、光アシスト磁気記録素子１は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板１００を有している。基板１００上には、半導体レーザ素子１０が設けられている。半導体レーザ素子１０は共振器構造を有しており、共振器構造の両端に光を反射するための端面ミラー１１、１２を有している。一方の端面ミラー１１からの光の出射方向に沿って端面ミラー１１近傍には、端面ミラー１１に対向するように光吸収導波路２０の光入射端２１が配置されている。光吸収導波路２０の光入射端２１と反対側には光出射端２２が形成されている。光出射端２２からの光の出射方向に沿って光出射端２２近傍には、近接場光発生部３０及び磁界発生素子５０が設けられている。

＜半導体レーザ素子＞
次に、図３を用いて、半導体レーザ素子１０の構造が説明される。ｎ−ＧａＡｓ基板１００の上に、ｎ−(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）ｎクラッド層１０１、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.45)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸活性層１０２、ｐ-(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）ｐクラッド層１０３、ｐ−ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.49)ｐバッファ層１０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５の順に各層が積層されている。また、ｎクラッド層１０１およびｐクラッド層１０３の厚さはともに１．２μｍ、活性層１０２の井戸層数は１以上であり、井戸層が３層であることが好ましい。バリア層と井戸層が交互に積層され、活性層１０２の両端はバリア層となっている。各井戸層およびバリア層の厚さは７ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５の厚さは２０ｎｍである。なお、各層の厚さ、井戸層数および材料は一例であって、所望の性能（発光波長、偏光方向、発光パワー、閾値など）に応じて、材料および層厚をこれら以外の材料を使用することも可能である。

例えば、基板１００としては、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｉまたはＡｌ_２Ｏ_３など、一般的に半導体レーザ素子に用いられる基板を選択することが可能である。活性層１０２としては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳＳｅ、ＩｎＧａＮＡｓ等の半導体薄膜を選択可能である。

前述の各層は、一般的な半導体レーザ素子用結晶薄膜を作製するのに用いられる有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の結晶成長方法により形成される。

半導体レーザ素子１０は、非埋め込みリッジ型導波路構造になっており、半導体レーザ素子１０の表面からｐクラッド層１０３まで、共振器を規定するリッジ１１１が画定されるように溝１１２、１１３が形成されている。

溝１１２、１１３は、量子井戸活性層１０２の表面までは到達せず、溝１１２、１１３の底面から量子井戸活性層１０２の表面までの間に他の半導体層（ｐクラッド層１０３）が残されている。このように、活性層の上に積層されている半導体層に溝が形成された構造を非埋め込み型リッジ構造という。

また、コンタクト層１０５上にはｐ電極１０６が設けられ、ｎ−ＧａＡｓ基板１００上にはｎ電極１０７が蒸着等の手法を用いて積層されている。

ここで、量子井戸におけるバンド構造についての一般的な説明を行う。図４は、ＩｎxＧａ1-xＰ井戸層／(ＡｌyＧａ1-y)1-zＩｎzＰ（ｙ＝０．５０,ｚ＝０．４９）バリア層により構成される量子井戸において、形成される量子準位のＩｎxＧａ1-xＰ井戸層歪依存性の数値計算結果の一例であり、ＩｎxＧａ1-xＰ井戸層幅５．５ｎｍ、(ＡｌyＧａ1-y)1-zＩｎzＰ（ｙ＝０．５０,ｚ＝０．４９）バリア層幅７．０ｎｍのときの結果である。上述の半導体レーザ素子１０の各層１０１〜１０５は、ＧａＡｓ基板１００に格子整合しているため、各層の量子井戸面内方向の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数のバルク値に一致している。したがって、ＩｎxＧａ1-xＰ井戸層の歪εは、ＧａＡｓ基板の格子定数（ａＧａＡｓ）および無歪ＩｎxＧａ1-xＰの格子定数（ａＩｎＧａＰ）より式（１）の通り計算される。

ε＝（ａＧａＡｓ−ａＩｎＧａＰ）／ａＩｎＧａＰ （１）
また、無歪ＩｎxＧａ1-xＰの格子定数は、ベガード則に従い、無歪ＩｎＰの格子定数（ａＩｎＰ）および無歪ＧａＰの格子定数（ａＧａＰ）を用いて、式（２）の通り計算され、ＩｎxＧａ1-xＰ井戸層のＩｎ組成xにより変化する。
ａＩｎxＧａ1-xＰ＝ｘａＩｎＰ＋（１−ｘ）ａＧａＰ （２）

式（１）に示されるように、ａＧａＡｓ＜ａＩｎＧａＰの場合、歪εは正の値をとり、ａＧａＡｓ＞ａＩｎＧａＰの場合、歪εは負の値をとる。

価電子帯量子準位は、歪を考慮した６×６ハミルトニアンの対角化により計算されている。本計算方法は一般的に半導体価電子帯量子準位計算に用いられており、例えば、文献（J.Piprek“Semiconductor Optoelectronic Devices”,Academic Press, (2003)）等に詳細が記されている

図４において、ＨＨ１は価電子帯のヘビーホールバンドの第１（基底）量子準位、ＬＨはライトホールバンドの第１（基底）量子準位を示す。図４に示されるように、ＨＨ１、ＬＨ１ともにＩｎxＧａ1-xＰ井戸層のεによって変化する。

ε＝０近傍又はε＜０の場合、ＨＨ１が最もエネルギーの高い価電子帯量子準位、つまり価電子帯の第１量子準位となり、発光素子として利用する場合、伝導帯の基底（第１量子）準位（ＣＢ１）とＨＨ１間、ＣＢ１−ＨＨ１の遷移が支配的となる。ＣＢ１−ＨＨ１間の遷移においては、量子井戸面内方向に偏光する光（ＴＥ偏光）が放出される。従って、電流注入によりキャリアを注入した際に生じる材料利得は、ＴＥ偏光で最も大きくなる。また、光吸収においては、ＴＥ偏光の光が吸収される。

ε＝０．１３％の場合、ＨＨ１とＬＨ１はほぼ同じ値となり、ε＞０．１３の場合、ＬＨ１の準位が価電子帯の第１量子準位となり、ＣＢ１−ＬＨ１の遷移が支配的となる。ＣＢ１−ＬＨ１間の遷移においては、量子井戸面内方向と垂直方向に偏光する光（ＴＭ偏光）とＴＥ偏光の両方が放出されるが、ＴＥ偏光よりもＴＭ偏光の強度の方が大きい。例えば、井戸層の結晶成長方向が＜１００＞方向である場合、ＴＭ偏光はＴＥ偏光に比べて、４倍強度が大きくなる。従って、電流注入によりキャリアを注入した際に生じる材料利得は、ＴＭ偏光で最も大きくなる。また、光吸収においても同様に、ＴＭ偏光がよく吸収される。

図４に示した計算結果は一例であり、ＨＨ１、ＬＨ１量子準位の値、ＨＨ１とＬＨ１の交差する井戸層歪の値は井戸層幅、バリア層幅、井戸層材料、バリア層材料、基板材料などによって変化する。ただし、一般的な半導体レーザ素子の量子井戸活性層に用いられるＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどの材料の場合でも、上述の計算結果と同様の傾向を示し、量子井戸活性層の井戸層の歪εが０またはε＜０の場合、ＨＨ１が価電子帯の最大エネルギー準位となり、ある正の歪εの値のときにＨＨ１およびＬＨ１のエネルギー準位がほぼ同じ値をとり、それよりも大きな歪εの値では、ＬＨ１が価電子帯の最大エネルギーとなる傾向がある。ＨＨ１とＬＨ１のエネルギー準位が一致する歪εの値は、０．０３〜０．２０％となる。

上述の０．０３〜０．２０％の歪量は、小さい値であり、上述の有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の結晶成長方法による結晶成長では、ばらつきの範囲に収まる値であるため、実質上無歪であるとみなせる。したがって、本実施の形態においては、ＨＨ１とＬＨ１が同一値をとる歪εよりも大きな歪を、引っ張り歪とし、ＨＨ１とＬＨ１が同一値をとる歪εよりも小さな歪を、無歪または圧縮歪と定義する。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子１０の活性層１０２は井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪（ε〜０．４％）を有している。従って、レーザ発振時の利得はＴＭ偏光の方がＴＥ偏光よりも大きくなるため、半導体レーザ素子１０の発振モードはＴＭ偏光モードである。また、レーザ発振の波長は６３０ｎｍ近傍である。

半導体レーザ素子１０の共振器端面はミラー１１、１２になっている。ミラー１１、１２は、エッチングによって平坦な面が形成されていることが好ましいが、へき開やその他の方法で平坦な面が形成されていてもよい。ミラー１１、１２の表面には、反射率を調整するために例えば、誘電体多層膜や金属膜が形成されていてもよい。本実施の形態において、半導体レーザ素子１０は、光吸収導波路２０に面した出射端面１３からレーザ光を出射する。

ｎ−ＧａＡｓ基板１００およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０５上には、それぞれ、ｎ電極１０７およびｐ電極１０６が形成されている。ｐ電極１０６には、外部に設けられた電源（図示せず）から正電圧が印加される。ｎ電極は０Ｖとされる。このようにして活性層１０２にレーザ発振閾値以上の電流が注入されると、半導体レーザ素子１０はレーザ発振する。

レーザ光は出射端面１３から外部に取り出される。出射端面１３から出射された光は、半導体レーザ素子１０内の導波路構造により生じる回折のため、ある一定の角度（広がり角）で広がる性質を持つ。広がり角は半導体レーザ素子１０の層構造およびリッジ１１１の形状により異なる。例えば図２においては、ｘ方向は約１０度、ｚ方向は約３０度である。出射端面１３から出射された光には、レーザ発振によるＴＭ偏光以外に、自然放出によって生じたＴＥ偏光も混在している。

＜光吸収導波路＞
図５を用いて、光吸収導波路２０の構造が説明される。光吸収導波路２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１００の上に、下部(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）クラッド層２０１、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.52)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸吸収層２０２、上部(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）クラッド層２０３の順に各層が積層されることによって形成されたものである。また、クラッド層２０１およびクラッド層２０３の厚さは１．１５μｍである。吸収層２０２は１以上の量子井戸により構成され、各井戸層の厚さは３．５ ｎｍ、各バリア層の厚さは７ｎｍである。井戸層数は１０以上であることが好ましい。なお、クラッド層２０１および２０３の厚さは、吸収層２０２の中心が半導体レーザ素子１０の活性層１０２の高さと略同一になるように設計される。

なお、各層の材料は一例であって、これら以外の材料を使用することも可能である。光吸収導波路２０は、図２および図５のようにストライプ型の構造になっており、光吸収導波路２０の表面からクラッド層２０１までリッジ２１１が形成されるように溝２１２および２１３が形成されている。リッジ２１１の幅は、半導体レーザ素子１０のリッジ１１１の幅と略同一寸法である。

光吸収導波路２０は、上記の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、半導体レーザ素子１０と同じく、ｎ−ＧａＡｓ基板１００に形成される。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１００上に半導体レーザ素子１０の各層が積層される。その後、光吸収導波路２０を形成する領域部分の半導体レーザ素子１０の各層をエッチングにより除去し、再度ｎ−ＧａＡｓ基板１００を露出させ、光吸収導波路２０の各層を積層する。その後、エッチングにより、半導体レーザ素子１０の各層上に積層された光吸収導波路２０の層が除去され、半導体レーザ素子１０のｐ電極１０６およびｎ電極１０７を形成する（２段階成長）。ただし、前述の２段階成長を用いる方法は一例であり、同一基板上に半導体レーザ素子１０と光吸収導波路２０が形成可能であれば、他の手法を用いてもよい。

量子井戸吸収層２０２は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有している。従って、量子井戸吸収層２０２の価電子帯では、ＨＨ１のエネルギーが最も高く、量子井戸吸収層２０２のＣＢ１−ＨＨ１間のエネルギー差に相当するより大きなエネルギーの光が光吸収導波路２０に照射されると、ＣＢ１−ＨＨ１間の励起によりＴＥ偏光の光が主に吸収される。また、ＣＢ１−ＬＨ１のエネルギー差より大きなエネルギーの光が光吸収導波路２０に照射されると、ＣＢ１−ＬＨ１間の励起により主にＴＭ偏光の光が吸収される。

本実施の形態において、量子井戸吸収層２０２のＬＨ１はＨＨ１よりもエネルギー準位が低いため、ＣＢ１−ＬＨ１（ここでは価電子帯の第２量子準位となる）間のエネルギーは、ＣＢ１−ＨＨ１（ここでは価電子帯の第１量子準位となる）間のエネルギーよりも大きい。従って、ＣＢ１−ＨＨ１間より大きくＣＢ１−ＬＨ１間より小さなエネルギーに相当する波長の光が照射されると、光吸収導波路２０は、ＴＥ偏光の光のみを吸収する。

図６は、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.55)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸における、ＣＢ１−ＨＨ１及びＣＢ１−ＬＨ１間のエネルギーの井戸層幅依存性の数値計算結果を示している。図６に示されたとおり、ＣＢ１−ＨＨ１及びＣＢ１−ＬＨ１は井戸層の幅によって変化する。光吸収導波路２０の井戸幅は３．５ｎｍであるため、６３０ｎｍの光の波長に相当するエネルギーは、ＣＢ１−ＨＨ１とＣＢ１−ＬＨ１の間である。従って、光吸収導波路２０に６３０ｎｍの光が照射されると、ＴＥ偏光の光が選択的に強く吸収される。また、図６の通り、井戸層が２．５ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の幅であれば６３０ｎｍの光の波長に相当するエネルギーは、ＣＢ１−ＨＨ１とＣＢ１−ＬＨ１の間になるため、ＴＥ偏光を選択的に強く吸収させることが可能になる。

光吸収導波路２０の光入射端２１は、半導体レーザ素子１０の出射端面１３に対向するように設けられている。このため、半導体レーザ素子１０の出射端面１３から出射された光は、光入射端２１を通して光吸収導波路２０に導入される。

光吸収導波路２０は光入射端２１と反対側に光出射端２２を有する。光入射端２１から光吸収導波路２０に入射した光は、光吸収導波路２０内を導波し、光出射端２２から出射される。従って、レーザ光にＴＥ偏光成分が混在している場合であっても、光吸収導波路２０の光出射端からはＴＭ偏光の光のみが出射される。

なお、光吸収導波路２０の膜構成、材料については、上記の構成に限らず、半導体レーザ素子１０から発せられた光のうち、ＴＥ偏光成分のみを吸収させることが可能であれば上記以外の構成も可である。

＜近接場光発生部＞
図２および図７を用いて、近接場光発生部３０が詳細に説明される。近接場光発生部３０は、光吸収導波路２０の光出射端２２に対向するように、光吸収導波路２０の近傍に設けられている。

近接場光発生部３０は、クラッド層２０１上に形成された絶縁層３１と、金属製の導電層３２とによって形成されている。導電層３２には、光吸収導波路２０からの光出射方向に延びた溝３３が、形成されている。溝３３には、光吸収導波路２０からの光出射方向と直交する方向に関して互いに対向する２つの側面３４、３５が形成されている。導電膜３２の厚さは５０ｎｍであり、溝３３の深さは３０ｎｍであるため、溝３３の底３６は絶縁層３１まで達していない、近接場光発生のために必要な微小開口となる狭窄部３７を形成している。狭窄部３７の底面は、下方に膨らんだ曲面になっている。

絶縁層３１の厚さは５０ｎｍであり、狭窄部３７が光吸収導波路２０の吸収層２０２の中心と略同一高さになるような厚さとなっていることが好ましい。また、溝３３の幅は約５０ｎｍ、溝３３によって形成された狭窄部３７の底面近傍の曲率半径は約２０ｎｍである。近接場光発生部３０は、光吸収導波路２０と対向する面である光入射面３８とその反対側に近接場光発生面３９とを有する。

半導体レーザ素子１０により発せられたレーザ光は光吸収導波路２０を通り、光吸収導波路２０の出射端面２１から光入射面３８に照射される。照射される光はＴＭ偏光であるため、溝３３の底面に表面プラズモンが発生し、溝３３の底面と近接場光発生面３９との交差領域付近に近接場光が発生する。狭窄部３７の幅は照射される光の波長よりも小さいため、伝搬光は狭窄部３７を通り抜けることができず、近接場光発生面３９には近接場光のみが存在する。

近接場光の発生領域は、照射される光の偏光方向と狭窄部３７の形状に依存する。本実施の形態に係る近接場光発生部３０においては、溝３３の底面付近にのみ近接場光が発生し、近接場光発生面３９付近での近接場光の発生領域（光強度がピーク強度の１／ｅ以上の範囲）は溝３３の底面中心を中心として２０ｎｍ程度であり、底面の曲率半径と同程度である。

なお、近接場光発生部３０の材料及び膜厚並びに狭窄部３７の形状は、発生させる近接場光の波長、強度及びスポット径により定められる。具体的には、マクスウェル方程式の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法等の電磁界シミュレーション方法により計算および設計される。

＜磁界発生素子＞
近接場光発生部３０の導電層３２の端面３４から端面３５の方向（図７の矢印Ｉ１方向）に電流が流されると、図７の矢印Ｈ１に示されるように、溝３３の周囲には右ねじの法則にしたがって磁界が発生する。溝３３の部分は電流の流れる断面積が導電層３２のその他の部分に比べて小さくなるため、溝３３の導電層３２を流れる電流の電流密度はその他の部分に比べて大きくなる。従って、溝３３近傍に発生する磁界は最大となる。電流を端面３５から端面３４の方向に流すと、導電層３２周囲に発生する磁界の向きは図７のＨ１に示される磁界とは反対向きになる。すなわち、本実施の形態において、導電層３２の溝３３付近が磁界発生素子５０を構成している。本実施の形態では、磁界発生素子５０は、近接場光発生部３０と共通の部材によって構成されることで、近接場光発生部３０の近傍に配置されていることになる。

前述の通り、半導体レーザ素子１０に電流を流すことによりレーザ光を発生させると同時に、近接場光発生部３０の導電層３２に電流を流すことで、レーザ光の波長よりも狭い領域に近接場光と磁界を同時に発生させることが可能になり、光アシスト磁気記録素子１が形成される。

本実施の形態によると、半導体レーザ素子１０から出射された光が光吸収導波路２０を介して近接場光発生部３０に照射される。近接場光発生部３０に照射される光はほぼＴＭ偏光だけになるため、ＴＥ偏光による不要な近接場光の発生を抑制することが可能になり、近接場光発生素子の信頼性が高まり、動作が安定する。

図１９及び図２０で説明した非特許文献１に記載の光アシスト磁気記録素子においては、半導体レーザ素子で発生する光が集光素子等を介さずに散乱体９０２に照射されるため、散乱体９０２と半導体レーザ素子の距離が離れるにつれて、発生する近接場光強度は小さくなっていく。したがって、光アシスト磁気記録に必要な強度の近接場光を発生させるためには、半導体レーザ素子と散乱体９０２との間の距離を小さくする必要がある。一方で、磁界の発生のためには、磁界発生素子９０９に電流を流す必要があるため、磁界発生素子９０９には抵抗熱が発生する。微小領域に磁界を発生させるために導体のサイズを小さくすると、磁界発生素子９０９の抵抗は大きくなる。また、強い磁界を発生させるためには、導体に流す電流を大きくする必要がある。従って、微小領域で強い磁界を発生させるに伴い、磁界発生素子９０９での発熱量は大きくなる。磁界発生部９０９で生じた熱が半導体レーザ素子に伝わると、半導体レーザ素子の特性に影響を及ぼし、例えば、素子の劣化や発光状態の変化等の動作不安定が生じる場合がある。

これに対して、本実施の形態では、半導体レーザ素子１０と近接場光発生部３０との間に光吸収導波路２０が配置されることによって、近接場光発生部３０で発生するジュール熱が半導体レーザ素子１０に悪影響を及ぼすのを抑制でき、近接場光発生素子の寿命を伸ばすことが可能になる。また、光吸収導波路２０を用いているため、近接場光発生部３０で発生する近接場光の強度が半導体レーザ素子１０と近接場光発生部３０との距離にほとんど依存しないので、当該距離に関する設計自由度が高くなる。

また、半導体レーザ素子１０の活性層１０２が量子井戸構造を有しているので、一方向に偏光して発振するレーザの実現が容易になるため、高効率な近接場光の発生が可能になる。さらに、光吸収導波路２０の吸収層２０２が、量子井戸構造を有しているので、光吸収導波路２０の吸収層２０２が吸収する光に係る偏光方向の制御が容易になるため、高効率な近接場光の発生が可能になる。

半導体レーザ素子１０の活性層１０２は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有しており、光吸収導波路２０の吸収層２０２は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有している。したがって、半導体レーザ素子１０は効率よく量子井戸面内方向と垂直な方向に偏光したモードで発振することが可能になり、光吸収導波路２０は量子井戸面内方向に偏光した光のみを吸収することが可能になる。

本実施の形態では、光吸収導波路２０の吸収層２０２に含まれる井戸層において、価電子帯の第１量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、半導体レーザ素子１０の発振波長に対応する光のエネルギーよりも小さく、かつ、価電子帯の第２量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、半導体レーザ素子１０の発振波長に対応する光のエネルギーよりも大きい。したがって、光吸収導波路２０において、半導体レーザ素子１０から出射された光からＴＥ偏光の光だけを強く吸収させることが可能になる。そのため、光吸収導波路２０から出射される光が所望の偏光特性を得やすくなり、近接場光発生素子の信頼性を高めることが可能になる。

本実施の形態に係る光アシスト磁気記録素子１によると、不要な近接場光の発生による誤記録が抑制され、さらに磁界発生素子５０での発熱による半導体レーザ素子１０の不安定動作が抑制される。したがって、光アシスト磁気記録素子１が高信頼性で寿命の長いものとなる。

（実施の形態２）
図８を用いて、本実施の形態２の光アシスト磁気記録素子２を説明する。なお、実施の形態１に示された光アシスト磁気記録素子１と同一構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

光アシスト磁気記録素子２は、基板１００、基板１００の同一面上にそれぞれ形成された半導体レーザ素子１０、光吸収導波路４０及び近接場光発生部３０を含む近接場光発生素子と、磁界発生素子５０とを含んでいる。半導体レーザ素子１０、近接場光発生部３０、磁界発生素子５０の構成および配置は、実施の形態１の光アシスト磁気記録素子１で説明したものと同一である。

光吸収導波路４０は実施の形態１で示された光吸収導波路２０と同一の積層膜の構成であるため、説明は繰り返さない。光吸収導波路４０の光入射端４１は、半導体レーザ素子１０の出射端面１３に対向するように（つまり、出射端面１３からの光の出射方向と直交するように）設けられている。このため、半導体レーザ素子１０の出射端面１３から出射された光は光入射端４１を通して光吸収導波路４０に導入される。

光吸収導波路４０は光入射端４１と反対側に光出射端４２を有する。光入射端４１から入射した光は光吸収導波路４０内を導波し、光出射端４２から出射される。従って、レーザ光にＴＥ偏光成分が混在している場合であっても、光吸収導波路４０の光出射端４１からはＴＭ偏光の光のみが出射される。

光入射端４１の幅は、半導体レーザ素子１０のリッジ１１１つまり共振器の幅よりも広くなっている。このような構造により、実施の形態１に示された光吸収導波路２０に比べ、多くの光を光吸収導波路４０へと導くことが可能である。さらに、光出射端４２の幅は、半導体レーザ素子１０のリッジ１１１つまり共振器の幅よりも狭くなっている。このため、光出射端４２での光スポットサイズは半導体レーザ素子１０の出射端面１３におけるスポットサイズよりも小さなサイズになっており、近接場光発生部３０に照射する光のパワーが大きくなる。言い換えると、半導体レーザ素子１０から出射される光のビーム径を効果的に絞ることが可能になり、光吸収導波路２０に比べ、光の利用効率が高くなる。

（実施の形態３）
続いて、図９および図１０を用いて、本実施の形態３の光アシスト磁気記録素子３を説明する。なお、実施の形態１または実施の形態２に示された光アシスト磁気記録素子１または２と同一構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

光アシスト磁気記録素子３は、基板１００、基板１００の同一面上にそれぞれ形成された半導体レーザ素子１０、光吸収導波路２０および近接場光発生部６０を含む近接場光発生素子と、磁界発生素子７０とを含んでいる。

＜近接場光発生部＞
図１０に示されるように、近接場光発生部６０は、光吸収導波路２０の光出射面２２（図２参照）に形成された、半導体レーザ素子１０から発せられる波長の光に対して吸収能を持たない材料からなる絶縁層６２と、絶縁層６２上に形成された金属膜である散乱体６１とで構成されている。散乱体６１は、図１０のｘｚ面内方向からみると、両端に円弧６３および６４を有する棒状構造となっている。散乱体６１の長軸方向はｚ方向である。ｘｚ面内において、散乱体６１の長軸方向の長さ（円弧６３頂点から円弧６４頂点までの長さ）は１００ｎｍ、短軸方向の長さは２５ｎｍであり、円弧６３及び６４の曲率半径は２５ｎｍである。

絶縁層６２には段差面６５が設けられており、段差面６５を境として上方に上面部６６、下方に下面部６７が形成されている。段差面６５は４５度の傾斜を持って設けられている。上面部６６と下面部６７の高さの差は３０ｎｍである。

散乱体６１の一方の円弧６３は上面部６６上に設けられており、他方の円弧６４は下面部６７上に設けられている。また、円弧６３は光吸収導波路２０の吸収層２０２と、図１０のｙ方向に重なるように設けられている。表面プラズモン励起のためには、円弧６３及び６４が共に吸収層２０２とｙ方向に重なるように設けられていることが望ましい。

光吸収導波路２０の光出射面２２からは、ｚ方向に偏光した光が近接場光発生部６０に向けて出射される。近接場光発生部６０にｚ方向に偏光した光が照射されると、散乱体６１に表面プラズモン共鳴が生じ、円弧６３および６４に強い近接場光が発生する。

なお、散乱体６０の材料、形状および配置については、所望の近接場光の波長、近接場光発生領域に対して、表面プラズモンが励起される条件に合わせて設計されるため、上述の構成以外の構成も可能である。

＜磁界発生素子＞
図１０に示されるように、磁界発生素子７０は絶縁層６２上に設けられている。導電層７１からなる磁界発生素子７０は、散乱体６０を取り囲むようにコの字状に形成されている。導電層７１はその両端部７２及び７３が、外部に設けられた電源（図示せず）にそれぞれ接続されており、導電層７１に電流を流すことができるようになっている。すなわち、本実施の形態において、導電層７１からなる磁界発生素子７０は、近接場光発生部６０の近傍に配置されていることになる。

図１０の矢印Ｉ１で示す方向の電流が導電層７２に流されると、アンペールの法則に従い、散乱体６０近傍に、３つの矢印Ｈ１で示す方向に磁界が発生する。

ここで、本実施の形態３における光アシスト磁気記録素子３においては、光吸収導波路２０の代わりに、実施の形態２の構成に示した光吸収導波路４０を用いてもよい。本構成の場合、図１１に示したように、近接場光発生部６０及び磁界発生素子７０は光出射端４２に設けられる。

（実施の形態４）
続いて、図１２〜１７を用いて、本実施の形態４の光アシスト磁気記録素子４を説明する。なお、実施の形態１、実施の形態２または実施の形態３に示された光アシスト磁気記録素子１、２または３と同一構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

光アシスト磁気記録素子４は、基板１００、基板１００の同一面上にそれぞれ形成された半導体レーザ素子３１０、光吸収導波路３２０および近接場光発生部３６０を含む近接場光発生素子と、磁界発生素子３７０とを含んでいる。

＜全体構成＞
光アシスト磁気記録素子４は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）基板１００を有している。基板１００上には、半導体レーザ素子３１０が設けられている。半導体レーザ素子３１０は共振器構造を有しており、共振器構造の両端には光を反射するための端面ミラーを有している。一方の端面ミラーからの光の出射方向に沿って端面ミラー近傍には、この端面ミラーに対向するように光吸収導波路３２０の光入射端が配置されている。光吸収導波路３２０の光入射端と反対側には光出射端が形成されている。この光出射端からの光の出射方向に沿って光吸収導波路３２０の光出射端近傍には、近接場光発生部３６０及び磁界発生素子３７０が設けられている。

＜半導体レーザ素子＞
次に図１３を用いて、半導体レーザ素子３１０の構造が説明される。ｎ−ＧａＡｓ基板１００の上に、ｎ−(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）クラッド層３０１、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.52)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸活性層３０２、ｐ-(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）ｐクラッド層３０３、ｐ−ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.49)ｐバッファ層３０４、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０５の順に各層が積層されている。また、ｎクラッド層３０１およびｐクラッド層３０３の厚さはともに１．２μｍ、活性層３０２の井戸層数は１以上であり、井戸層が３層であることが好ましい。バリア層と井戸層が交互に積層され、活性層３０２の両端はバリア層となっている。各井戸層の厚さは５．５ｎｍ、各バリア層の厚さは７ｎｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０５の厚さは２０ｎｍである。なお、各層の材料は一例であって、これら以外の材料を使用することも可能である。

半導体レーザ素子３１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子１０と同様、非埋め込みリッジ型導波路構造になっており、半導体レーザ素子３１０の表面からｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３０３まで、共振器を規定するリッジ３１１が画定されるように溝３１２、３１３が形成されている。

溝３１２、３１３は、量子井戸活性層３０２の表面までは到達せず、溝３１２、３１３の底面から量子井戸活性層３０２の表面までの間に他の半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３０３）が残されている。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子３１０の活性層３０２は井戸層に量子井戸面内方向の圧縮歪を有している。従って、前述のように、レーザ発振時の利得はＴＥ偏光の方がＴＭ偏光よりも大きくなるため、半導体レーザ素子３１０の発振モードはＴＥ偏光である。また、レーザ発振の波長は６３０ｎｍ近傍である。

半導体レーザ素子３１０の共振器端面はミラーになっている。ミラーは、エッチングによって平坦な面が形成されていることが好ましいが、へき開やその他の方法で平坦な面が形成されていてもよい。ミラーの表面には、反射率を調整するために例えば、誘電体多層膜や金属膜が形成されていてもよい。本実施の形態において、半導体レーザ素子３１０は、光吸収導波路３２０に面した出射端面３１６からレーザ光を出射する。

ｎ−ＧａＡｓ基板１００およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０５には、それぞれ、ｎ電極３０７およびｐ電極３０６が形成されている。ｐ電極３０６には、外部に設けられた電源（図示せず）から正電圧が印加される。ｎ電極はグラウンドとされる。このようにして活性層３０２にレーザ発振閾値以上の電流が注入されると、半導体レーザ素子３１０はレーザ発振する。

レーザ光は出射端面から外部に取り出される。出射端面から出射された光は、半導体レーザ素子３１０内の導波路構造により生じる回折のため、ある一定の角度（広がり角）で広がる性質を持つ。広がり角は半導体レーザ素子１０のものと同程度である。出射端面から出射された光には、レーザ発振によるＴＥ偏光以外に、自然放出によって生じたＴＭ偏光も混在している。

＜光吸収導波路＞
図１４を用いて、光吸収導波路３２０の構造が説明される。光吸収導波路３２０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１００の上に、下部(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）クラッド層４０１、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.45)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸吸収層４０２、上部(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.7,y=0.49）クラッド層４０３の順に各層が積層されることによって形成されたものである。また、クラッド層４０１およびクラッド層４０３の厚さは１．２μｍである。吸収層４０２は１以上の量子井戸により構成され、各井戸層の厚さは８．０ ｎｍ、各バリア層の厚さは７ｎｍである。井戸層数は１０以上であることが好ましい。

なお、各層の材料は一例であって、これら以外の材料を使用することも可能である。光吸収導波路３２０は、図１４のようにストライプ型の構造になっており、光吸収導波路３２０の表面から下部ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４０１までリッジ４１１が形成されるように、溝４１２および４１３が形成されている。

量子井戸吸収層４０２は、量子井戸面内方向に引っ張り歪を有している。従って、量子井戸吸収層４０２の価電子帯では、ＬＨ１が価電子帯の第１量子準位になっており、量子井戸吸収層４０２のＣＢ１−ＬＨ１のエネルギー差より大きなエネルギーの光が光吸収導波路３２０に照射されると、ＣＢ１−ＬＨ１間の励起によりＴＭ偏光の光が主に吸収される。また、ＣＢ１−ＬＨ１間のエネルギー差より大きなエネルギーの光が光吸収導波路３２０に照射されると、ＣＢ１−ＨＨ１間の励起により主にＴＥ偏光の光が吸収される。

本実施の形態において、量子井戸吸収層４０２のＨＨ１はＬＨ１よりもエネルギー準位が低いため、ＣＢ１−ＨＨ１間のエネルギーは、ＣＢ１−ＬＨ１間のエネルギーよりも大きい。従って、ＣＢ１−ＬＨ１間より大きくＣＢ１−ＨＨ１よりも小さなエネルギーに相当する波長（６１８ｎｍ〜６３４ｎｍ）の光（例えば６３０ｎｍ）が照射されると、光吸収導波路３２０は、ＴＭ偏光の光のみを吸収する。

図１５は、ＩｎxＧａ1-xＰ(x=0.45)井戸層／(ＡｌxＧａ1-x)1-yＩｎyＰ（x=0.5,y=0.49）バリア層量子井戸における、ＨＨ１及びＬＨ１の井戸層幅依存性の数値計算結果を示している。図１５に示されたとおり、ＨＨ１及びＬＨ１は井戸層の幅によって変化する。光吸収導波路３２０の井戸幅は８．０ｎｍであるため、６３０ｎｍの光の波長に相当するエネルギーは、ＨＨ１とＬＨ１の間である。従って、光吸収導波路３６０に６３０ｎｍの光が照射されると、ＴＭ偏光の光が選択的に強く吸収される。また、図１５の通り、井戸層が７．０ｎｍ以上１５ｎｍ以下の幅であれば６３０ｎｍの光の波長に相当するエネルギーは、ＨＨ１とＬＨ１の間になるため、ＴＭ偏光を選択的に強く吸収させることが可能になる。

光吸収導波路３２０の光入射端は、半導体レーザ素子３１０の出射端面に対向するように設けられている。このため、半導体レーザ素子３１０の出射端面から出射された光は、光入射端を通じて光吸収導波路３２０に導入される。

光吸収導波路３２０は光入射端と反対側に光出射端を有する。光入射端から光吸収導波路３２０に入射した光は、光吸収導波路３２０内を導波し、光出射端から出射される。従って、半導体レーザ素子３１０から出射されるレーザ光のエネルギーが光吸収導波路３２０のＣＢ１−ＬＨ１（ここでは価電子帯の第１量子準位となる）間のエネルギーとＣＢ１−ＨＨ１（ここでは価電子帯の第２量子準位となる）間のエネルギーとの間であれば、レーザ光にＴＭ偏光成分が混在している場合であっても、光吸収導波路３２０の光出射端からはＴＥ偏光の光のみが出射され、近接場光発生部３６０に照射される。

＜近接場光発生部＞
図１６および図１７に示されるように、近接場光発生部３６０は、光吸収導波路３２０の光出射面に形成された、半導体レーザ素子３１０から発せられる波長の光に対して吸収能を持たない材料からなる絶縁層３６２と、絶縁層３６２上に形成された金属膜である散乱体３６１とで構成されている。散乱体３６１は、図１６のｘｚ面内方向からみると、両端に円弧３６３および３６４を有する棒状構造となっている。散乱体３６１の長軸方向はｘ方向である。ｘｚ面内において、散乱体３６１の長軸方向の長さ（円弧３６３頂点から円弧３６４頂点までの長さ）は１００ｎｍ、短軸方向（ｚ方向）の長さは２５ｎｍであり、円弧３６３及び３６４の曲率半径は２５ｎｍである。

絶縁層３６２には段差面３６５が設けられており、段差面３６５を境として右方に上面部３６６、左方に下面部３６７が形成されている。段差面３６５は４５度の傾斜を持って設けられている。上面部３６６と下面部３６７の高さの差は３０ｎｍである。

散乱体３６１の一方の円弧３６３は上面部３６６上に設けられており、他方の円弧３６４は下面部上に設けられている。また、円弧３６３および３６４は光吸収導波路３２０の吸収層４０２の中心軸と重なるように設けられている。表面プラズモン励起のためには、円弧３６３及び３６４が共に吸収層４０２と重なるように設けられていることが望ましい。

光吸収導波路３２０の光出射面３２２からは、ｘ方向に偏光した光が近接場光発生部３６０に向けて出射される。近接場光発生部３６０にｘ方向に偏光した光が照射されると、散乱体３６１に表面プラズモン共鳴が生じ、円弧３６３および３６４に強い近接場光が発生する。

なお、散乱体３６１の材料、形状および配置については、所望の近接場光の波長、近接場光発生領域に対して、表面プラズモンが励起される条件に合わせて設計されるため、上述の構成以外の構成も可能である。なお、段差面３６５を設けたのは、円弧３６３を円弧３６４よりも磁気記録層に近づけて、円弧３６３付近で発生する近接場光が円弧３６４付近で発生する近接場光よりも磁気記録により大きな割合で寄与するようにするためである。また、段差面３６５を傾斜させているのは、プラズモンをより確実に発生させるためである。

＜磁界発生素子＞
図１６に示されるように、磁界発生素子３７０は絶縁層３６２上に設けられている。導電層３７１からなる磁界発生素子３７０は、散乱体３６１を取り囲むようにコの字状に形成されている。導電層３７１はその両端部３７２及び３７３が、外部に設けられた電源（図示せず）にそれぞれ接続されており、導電層３７２に電流を流すことができるようになっている。

図１６の矢印Ｉ１で示す方向の電流が導電層３７２に流されると、アンペールの法則に従い、散乱体３６１近傍に、３つの矢印Ｈ１に示す方向に磁界が発生する。すなわち、本実施の形態において、導電層３７１からなる磁界発生素子３７０は、近接場光発生部３６０の近傍に配置されていることになる。

本実施の形態によると、半導体レーザ素子３１０から出射された光が光吸収導波路３２０を介して近接場光発生部３６０に照射される。近接場光発生部３６０に照射される光はほぼＴＥ偏光だけになるため、ＴＭ偏光による不要な近接場光の発生を抑制することが可能になり、近接場光発生素子の信頼性が高まり、動作が安定する。

半導体レーザ素子３１０の活性層３０２は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有しており、光吸収導波路３２０の吸収層４０２は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有している。したがって、半導体レーザ素子３１０は効率よく量子井戸面内方向に偏光したモードで発振することが可能になり、光吸収導波路３２０は量子井戸面内方向と垂直方向に偏光した光のみを吸収することが可能になる。

光吸収導波路３２０の吸収層４０２に含まれる井戸層において、価電子帯の第１量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、半導体レーザ素子３１０の発振波長に対応する光のエネルギーよりも小さく、かつ、価電子帯の第２量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、半導体レーザ素子３１０の発振波長に対応する光のエネルギーよりも大きい。したがって、光吸収導波路３２０において、半導体レーザ素子３１０から出射された光からＴＭ偏光の光だけを強く吸収させることが可能になる。そのため、光吸収導波路３２０から出射される光が所望の偏光特性を得やすくなり、近接場光発生素子の信頼性を高めることが可能になる。

（実施の形態５）
図１８を用いて、本実施の形態５の光アシスト磁気記録素子５を説明する。なお、実施の形態１〜４に示された光アシスト磁気記録素子１〜４と同一構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

光アシスト磁気記録素子５は、基板１００、基板１００の同一面上にそれぞれ形成された半導体レーザ素子３１０、光吸収導波路３４０および近接場光発生部３６０を含む近接場光発生素子と、磁界発生素子３７０とを含んでいる。半導体レーザ素子３１０、近接場光発生部３６０、磁界発生素子３７０の構成および配置は、実施の形態４の光アシスト磁気記録素子４と同一である。

光吸収導波路３４０は実施の形態４で示された光吸収導波路３２０と同一の積層膜の構成であるため、説明は繰り返さない。光吸収導波路３４０の光入射端３４１は、半導体レーザ素子３１０の出射端面３１６に対向するように（つまり、出射端面３１６からの光の出射方向と直交するように）設けられている。このため、半導体レーザ素子３１０の出射端面３１６から出射された光は光入射端３４１を通して光吸収導波路３４０に導入される。

光吸収導波路３４０は光入射端３４１と反対側に光出射端３４２を有する。光入射端３４１から入射した光は光吸収導波路３４０内を導波し、光出射端３４２から出射される。従って、レーザ光にＴＭ偏光成分が混在している場合であっても、光吸収導波路３４０の光出射端３４２からはＴＥ偏光の光のみが出射される。

光入射端３４１の幅は、半導体レーザ素子３１０のリッジ３１１つまり共振器の幅よりも広くなっている。このような構造により、実施の形態１に示された光吸収導波路３２０に比べ、多くの光を光吸収導波路３４０へと導くことが可能である。さらに、光出射端３４２の幅は、半導体レーザ素子３１０のリッジ３１１つまり共振器の幅よりも狭くなっている。このため、光出射端３４２での光スポットサイズは半導体レーザ素子３１０の出射端面３１６におけるスポットサイズよりも小さなサイズになっており、近接場光発生部３６０に照射する光のパワーが大きくなる。言い換えると、半導体レーザ素子３１０から出射される光のビーム径を効果的に絞ることが可能になり、光吸収導波路３２０に比べ、光の利用効率が高くなる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、上述した実施の形態では、半導体レーザ素子の活性層が量子井戸構造を有しているが、半導体レーザ素子の活性層が量子細線構造又は量子ドット構造を有していても、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。また、上述した実施の形態では光吸収導波路の吸収層が量子井戸構造を有しているが、光吸収導波路の吸収層が量子ドット構造を有していても、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態１に関する光アシスト磁気記録素子の斜視図である。 図１に示す光アシスト磁気記録素子の部分拡大斜視図である。 図１に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる半導体レーザ素子の断面図である。 図１に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる半導体レーザ素子における、量子井戸の価電子帯エネルギーの井戸層歪依存性を示すグラフである。 図１に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる光吸収導波路の断面図である。 図１に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる光吸収導波路の吸収端の井戸幅依存性を示すグラフである。 図１に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる近接場光発生部及び磁界発生素子の斜視図である。 本発明の実施の形態２に関する光アシスト磁気記録素子の部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態３に関する光アシスト磁気記録素子の斜視図である。 図９に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる近接場光発生素子及び磁界発生素子の斜視図である。 図９に示す光アシスト磁気記録素子の部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態４に関する光アシスト磁気記録素子の斜視図である。 図１２に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる半導体レーザ素子の断面図である。 図１２に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる光吸収導波路の断面図である。 図１２に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる光吸収導波路の吸収端の井戸幅依存性を示すグラフである。 図１２に示す光アシスト磁気記録素子に含まれる近接場光発生素子及び磁界発生素子の斜視図である。 図１２に示す光アシスト磁気記録素子の部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態５に関する光アシスト磁気記録素子の部分拡大斜視図である。 特許文献１および非特許文献１に示された近接場光発生素子の斜視図である。 特許文献１および非特許文献１に示された近接場光発生素子の平面図である。 凹凸の存在する近接場光発生素子の偏光依存性を示す平面図である。

符号の説明

１、２、３、４、５ 光アシスト磁気記録素子
１０、３１０ 半導体レーザ素子
２０、４０、３２０、３４０ 光吸収導波路
３０、６０ 近接場光発生部
５０、７０ 磁界発生素子
１００ 基板

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、第１方向に偏光したレーザ光を出射する発振モードで発振する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子の光出射端に近接するように前記基板上に形成され、前記第１方向と直交する第２方向に偏光した光を吸収すると共に導波路構造を有する光吸収導波路素子と、
   前記光吸収導波路素子の光出射端に接するように前記基板上に形成された近接場光発生部とを備えており、
   前記光吸収導波路素子の吸収層が、量子井戸及び量子ドットのうち、いずれかの構造を有していることを特徴とする近接場光発生素子。
2. 前記半導体レーザ素子の活性層が、量子井戸、量子細線及び量子ドットのうち、いずれかの構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の近接場光発生素子。
3. 前記半導体レーザ素子の活性層は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有しており、
   前記光吸収導波路素子の吸収層は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の近接場光発生素子。
4. 前記半導体レーザ素子の活性層は、井戸層が無歪又は量子井戸面内方向に圧縮歪を有する量子井戸構造を有しており、
   前記光吸収導波路素子の吸収層は、井戸層が量子井戸面内方向に引っ張り歪を有する量子井戸構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の近接場光発生素子。
5. 前記光吸収導波路素子の前記吸収層に含まれる前記井戸層において、価電子帯の第１量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、前記半導体レーザ素子の発振波長に対応する光のエネルギーよりも小さく、かつ、価電子帯の第２量子準位と伝導帯の第１量子準位との間のエネルギー差が、前記半導体レーザ素子の発振波長に対応する光のエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載の近接場光発生素子。
6. 前記半導体レーザ素子の前記光出射端に近接した前記光吸収導波路素子の光入射端の幅が、前記半導体レーザ素子の共振器の幅以上であると共に、前記光吸収導波路素子の前記光出射端の幅が、前記半導体レーザ素子の前記共振器の幅未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の近接場光発生素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の近接場光発生素子と、
   前記近接場光発生素子に含まれる近接場光発生部の近傍に配置された磁界発生素子とを備えていることを特徴とする光アシスト磁気記録素子。

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