JPS59121302A - ミクロン以下の開口を有する光波ガイド、その製造方法及びそれを用いた光メモリ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ミクロン以下の開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）
を持つ尖った光波ガイド、この光波ガイドを製造する方
法、及びこの光波ガイドを応用した光メモリに関する。

１μｍ以下の範囲の直径を持つ開口を有する光波ガイド
は、商業及び娯楽のための光学情報記憶への応用の外に
、光学顕微鏡に用いると、その分解能を従来の光学顕微
鏡の限界を越えることができる（ヨーロッパ特許出願第
８２１１１９７４．０号を参照）。

ＡｂｂｅとＩｔ　ａ　ｙ　ｌ　ｅ　ｉ　ｇ　ｈ　（７）
理論に従えば、回折力光学システムにより達成すること
のできる分解能の限界の主要な原因となっている。分解
能は使用される放射の波長とその光学システムで用いら
れる開口数により決まる。

上述の限界は、レーザ・ビームの収束することのできる
最小の直径により光学分解能が与えられて、これにより
、ビット密度が制限される光メモリにも適用される。こ
め最小の直径の大きさは約−波長に相当し、６００ｎｍ
の波長のレーザ・ビームでは理論記憶密度が１０６ｂｉ
ｔ／　ｃｌ＋の程度である。

光メモリはよく知られている。例えば、１９７９年、ミ
ュンヘン、Ｔａ５ｃｈｅｎｂｕｃｈ　Ｅｌｅｋｔ；ｒｏ
ｔｅｃｈｎｉｋ、Ｂｃｌ、４．６３４ページを参照され
たい。せまく収束されたレーザ・ビームが、情報を読出
し、書込み、消去するために特定のアドレスに従い記憶
媒体の画点上に向けられる。書込むためには、情報を例
えば記憶媒体の物理的性質を変化させるレーザ・ビーム
の上に重ね合せられた変調により表現してもよい。読出
すためには、記録媒体のアドレスされた画点を透過する
又はアドレスされた画点により反射されたレーザ・ビー
ムを検出器により解析し、この検出器により記憶されて
いる情報を表す出力信号を発生する。光ディスク・メモ
リの典型的な構成が、ＩＥＥＥ　　Ｊ、ＱＥ−１８、Ｎ
。

９（１９８２）、ページ１３５１−１３６１のＣ１１１
ａｒｄｅｒ、　　Ｋ、Ｙ、Ｌａｎ　とＡ　、　Ｙａｒｉ
ｖによる論文″Ｂ１５ｌ；ａｂｊｌｊｌ：ｙ　　ａｎｄ
　　Ｐｕｋａし１ｏｎｓ　　ｉｎ　　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄ
ｕｃｊｏｒＬａｓｅｒｓ　　ｗｊｔ；ｈ　　Ｉｎｈｏｍ
ｏｇｅｎｅｏｕｓ　　Ｃｕｒｒｅｎｔ　　Ｉｎｊｅｃｔ
ｉｏｎ”に示さ４している。

光メモリの記憶密度についての改良は、従来の手段で可
能なよりももつと小さい領域にレーザ・ビームを局限す
ることができる場合にのみ可能となる。

この発明の１つの目的は、使用されるレーザ光の一波長
よりも小さい直径を有する光学開口を提供することであ
る。この大きさの開口は、一般に結像光学において有用
ではないため、その製造は想像もされず、今まで開示さ
れなかった。

この発明によれば、ミクロン以下の大きさの開口が、不
透明膜により被覆された鋭角な結晶の先端の不透明膜を
除去して、光が通過することのできる結晶の小さな領域
を露呈することにより、製造される。Ｉ　Ｂ　Ｍ　　Ｔ
ｅｃｈｎｉｃａｌ　ＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅＢｕｌｌｅｔ
ｉｎ　　、−Ｖｏｌ、１　１３　、　Ｎｏ、　　１　２
　、　１９７６年、　５月、４１７４ページのＴ、Ｓ、
Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄによる論文”　Ｓｅｌｆ−Ｉｍａ
ｇｅ　ａｎｄ　Ｅｎｌａｒｇｉｎｇ　Ｌｅｎｓ”には、
拡大レンズとして用いられる結晶が記載されている。こ
こでは逆ピラミッド型のレンズが写真フィル１１上に記
録された像を拡大し、拡大された像をつや消しされたそ
の基面上に表示するために用いられている。しかし、こ
の結晶は金属被膜を有せず、その光学的振舞いはこの発
明の光波ガイドとは無関係である。

この発明は、１μｍ以下の直径の開口を持つ尖った光波
ガイド、この光波ガイドを製造する方法、及びこの光波
ガイドを用いた光メモリに関する。

この発明の光波ガイドは、その一端が鋭く尖った頂点を
形成し、その他端がなめらかで光学的に平坦であり、不
透明膜を形成する材料で被覆されており、そして頂点に
おいてこの不透明膜はくぼんで不透明膜中に５００ｎｍ
よりも小さく、典型的には１０ｎｍ程度の直径を持つ開
口を形成している。

この発明の光波ガイドを製造する方法は、次の工程を有
する。すなわち、透明な結晶体を所望の大きさに切出し
、約６０度の角度の円錐先端を結晶体の−・端に形成し
、結晶体の他端を磨いて光学的に平坦にし、結晶体の円
錐先端を食刻して鋭く尖った頂点を形成し、結晶体を不
透明膜で被覆し。

そして、５００ｎｍ以下の直径を持つ開口を形成するた
めに機械的に不透明膜をくぼませて結晶体の頂点の領域
の部分を露出する。

この光波ガイドを光メモリに応用するには、この光波ガ
イドを回転する記録媒体上を径方向に移動する腕の上に
取（−１け、そして開口を記録媒体から一定距離だけ離
してその記録トラックに対向させ、記録媒体」二の個々
の記録位置にアクセスさせて、加えられる変調に従って
情報を読出したり。

書込んだり、消去したりする。

以下、この発明を、図面を参照しながら実施例につき詳
細に説明する。

第１図は、水晶又はそれと同様な光学的に高度に透明な
結晶ロッド１を示す。製造工程の始めにおいて、ロッド
１の大きさは、例えばＩ　５Ｘ２Ｘ２ｍｍ又はこれより
も小さくてもよい。ロッド１の軸は結晶Ｃ軸と平行に整
列していてもよい。ロッド１は光波ガイドの本体である
。ロッド］の一端を研磨することにより、頂角６０度を
持つ円錐先端２を形成し、一方、他端３を光学的平坦に
なるように磨く。

そして、ロッド１は、フッ酸（例えば、体積百分率４８
％のＨＦ）に満たされた閉じたビーカ４内に入れられる
。ロッド１の先端２に向かって酸が流れるように酸をか
くはんするため、ビーカ４内をかくはん器５が回転する
。短期間のエツチングの後、ロッドＩの先端に鋭く尖っ
た頂点を形成する滑らかで平衡的な表面が形成される。

結晶中の転位により恐く１又は２の２次的頂点が形成さ
れるかもしれないが、しかし、主頂点から明確にくぼん
でおり、完成された光波ガイドの性能を損なわない。

さらに次の工程で、ロッド１は、後端３の磨かれた表面
を除いて不透明の金属膜６により被覆される。金属被覆
は好ましくは蒸着工程により行なわれ、この間中、ロッ
ドは均一な被膜を確実にするために動かされる。最善の
結果が第３図に示すように上の層を水晶表面に良好に接
着させる役割を果す約５ｎｍのクロムの第１層７と、電
子走査顕微鏡内での検査を可能にする約５ｎｍの金の第
２層８と、水晶ロッドの周囲に不透明被膜を与える５０
０乃至１１０００ｎの間の厚さを持つアルミニウムから
なる第３層９と、アルミニウムの第３層９を酸化から保
護するための金からなる最後の第４層１０と、からなる
金属の四層を用いることにより得られる。光波ガイドを
製造するための次の工程は、ロッド１の先端２に開口を
形成することである。いくつかの可能な手段、例えばイ
オン切削のようなものがあるが、しかし最善の結果は、
光波ガイドのロッドを硬い平板に良好に制御された方法
でもって押し付けるという後述の方法により得られる。

この目的のため、ロッド１は通常の顕微鏡ｌ】の機械的
及びピエゾ電気的に垂直に並進する結合された台の上に
取付けられる。垂直並進台１２には、プログラム可能な
高電圧源１４に接続されたピエゾエレクトリック結晶の
積層体１３が設けられており、積層体１３をはさんで電
位を加えることにより、垂直方向に適当な変位が発生す
る。−テーブル１５が積層体１３に固定されており、ロ
ッド１を真直ぐな状態で保持する。

ロッド１の上方に平板１６が顕微鏡】ｌの本体に強固に
固定されている。平板１６上には顕微鏡の光学部分即ち
、対物レンズ１７、接眼レンズ１８、ホト・アタッチメ
ント１９が設けられてｂする。

平板１６は、その下表面が例えば金であってもよい金属
膜２０により被覆された顕微鏡スライドであってもよい
。金属膜２０及びロッド１上の金属膜６は、電圧源２１
に接続されていて、電圧が加えられる。

レーザ・ビーム、例えば青のアルゴン・レーザからのレ
ーザ・ビームが、鏡２３及び台１２の孔２４を経てロッ
ド１にその後端から加えられる。

光波ガイドのロッド１からは、その先端２及び周壁が不
透明なため、光が出ない。ガラス・ファイバ・ケーブル
２５の一端にはホト・アタッチメン１〜１９の像面の中
央に数句けられており、そして他端は干渉フィルタ２７
が取付けられたホト・マルチプライヤ２６に接続されて
おり、干渉フィルタ２７は顕微鏡ランプからの光がホト
・マルチプライヤ２６に入るのを防ぐためレーザ波長に
合わされている。

、　最大電圧（人よそ、］、、２ＫＶ）がピエゾエレク
トリンク結晶の積層体１３に加えられ、積層体ｊ３を垂
直に縮小させる。

そして光波ガイドロン１〜］は、機械的並進台１２によ
り１０μｍ以下の距離に近付けられる。そして顕微鏡は
ロッドの先端２の像がカラス・ファイバ・ケーブル２５
の一端に結像するように光波ガイド・ロン１り】の先端
２上に焦点を合わせられる。

最終的接近は、ピエゾエレクトリック積層体１３によっ
て行なわれる。電源１４がらの電圧は、２モー１〜の内
の１つのモードで電子的に制御される。第１のモードに
おいては、ロッド１と平板Ｉ６との間に電気的接触がな
い限りゆっくりと電圧が減少される。これは、ロッド１
と平板Ｉ６との間の距離に約１μｍ　／　１５０　Ｖの
割合の減少を生ずる。電圧の減少は、接触信号が受信さ
れるまで又は最低電圧に到達するまで続Ｇブられる。

最低電圧に到達した場合は、電圧は単純にその最大値に
回復され、先端２とプレー１−１６との間の距離は２乃
至４マイクロメータだけ手動で減少される（これは容易
である）。そして前述の工程が繰返される。接触信号が
発生した時、電圧は即座にわずかな量だけ増加され、先
端２を少しだ（ブ引き込める。そして一定の値に保つ。

今、先端２は平板１６に非常に近接していて、平板１６
に対して定まった方法で押すことができるようになって
いる。

第２のモー１くにおいては、電圧源１４により、積層体
１３に印加される電圧がゆっくりと減少される。接触信
号が生じた時、電圧の減少は所定のわずかな量まで続け
られる。そこですぐに、電圧が増加され先＠２が再びり
１き下げられる。この工程は電圧ステップを増加させな
がら、電圧源１４の制御が第１のモードに戻るまで数回
反復される。

接触時間の間、小さな接触面積のため先端２に高い圧力
が加わる。この圧力は、金属膜６を塑性的に変形してそ
の金属膜の初めの球形形状を本質的に平坦で滑らかな形
状に変化させるのに十分なほど強い。第５図は平板Ｉ６
に到達した誇張された形状の先端２の頂点を示すもので
金属被膜は結晶の頂点の回りに乳棒状形状を取るように
変形される。／ｈさな光学開口２８がこのように形成さ
れ、この開口を経てレーザ光が光波ガイド・ロッド１か
ら放出される。この結果、大変小さくて、弱い光の点が
顕微鏡中に確認できる。レーザ光はホ１〜マルチプライ
ヤ２６に到達し、所望の大きさの開に１を形成する抑圧
ステップを終了させるのに用いることができる。

このようにして製造された種々の光波ガイド・ロッドの
先端を電子顕微鏡で検査すると、ロッドの先端は実際に
平坦な形状であって、中心に開口が開いている。

今まで述べられた製造工程は、半導体レーザ内に開口を
組込ませるように適合させることができる。この長所は
、分離されたレーザと開口との１１■に必要なガラス・
ファイバ・ケーブルのような光学接続が必要でなく、全
体のユニットの大きさを極端に小さくすることができ、
従って、以下に述べられるような光メモリの応用におい
て重要である大変小さな質量にすることができる。

半導体レーザ自身は、周知であり、これの原理はり、Ｒ
ｏｓｓによる”Ｌａ５ｅｒ”　＋　Ｆｒａｎｋ　ｆｕ＋
ｔ、１９６Ｇ、ｐ、６７ｆｆ、に記載されている。半導
体レーザのレーザ発生領域は、−次元で薄い。これは、
２つの透明な層の間に挟まれた典型的には２μｍ以下の
増幅接合（ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇｊｕｎｃｔｉｏｎ）か
らなる。

３層の全体の厚さは一波長、媒体中で大よそ５゜Ｏｎｍ
、を越えるものでなければならず、普通数μｍである。

第６図には最近のＣ，１（ａｒｄｅｒ　、　Ｋ、Ｖ。

Ｌａｕ及びＡ、Ｙａｒｉｖの論文”Ｂ１５ｔａｂｉｌｊ
、ｔｙ　ａｎｄＰｕｌｓａしｊ、ｏｎｓ　　ｉｎ　　Ｓ
ｅ＋＋＋１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　１ａｓｅｒｓ　　ｗ
ｊしｈＩｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　　Ｃｕｒｒｅｎｔ
、　　Ｉｎｊｅｃ仁ｉｏｎ”　　　　ＩＥＥＥＪ、ＱＥ
ｌ、８、Ｎｏ、　９、ｐ、１３５１の出ｊ＆後に描かれ
た典型的な設計が示さ九てし゛る。

簡単に説明すれば、増幅接合２９は、それぞれＰ−とｎ
型の半導体材料の透明な層３０と３１との間に埋め込ま
れている。層３０及び３１の側部には各々３２及ぞび３
３で示されるｎ−及び、−型の大きな半導体物質がある
。亜鉛層３４が透明層３１内に拡１校されている。Ｓ　
ｉ　０２の絶縁層３５が、大きな半導体物質３３及び拡
散された亜鉛層３４を上部に有しない透明Ｍ３１の上部
を覆っている。拡散された亜鉛層３４は分離されたＣｒ
−Ａ　ｕ　Ｊｉ　３６に接続されていて、エネルギが加
えられる。動作状態において、レーデ光が増幅接合２９
からレーザ装置の前部より発射される。

上述した例においては、層２９から層３１までの全体の
厚さは３．２μｍに選ばれているけれども、この発明の
目的においては、より容易に製造しやすい１μｍに改削
を圧縮することが好ましい。

」二連したタイプの開］」は、第７図に示すようにただ
ちに半導体レーザ内に組込むことができる。

レーザの本体３７は、分割することにより、磨くことに
より、及び／又はエツチングすることにより尖った形状
にされる。そして薄い絶縁層３８により覆われ、次に、
比較的厚い不透明層３９、好ましくは金属により被覆さ
れる。頂点において、半導体本体３７はレーザ光を放出
できるようレーザ発生接合（増幅接合）２つを露出する
ために絶縁層３８及び金属屑３９が各々取り除が才して
いる。

第７図に示される屋根形は開口を形成する領域が、スリ
ット形成を有していてもよいため十分である。

この頂点構造は水晶ロッド１と関連して上述したように
、本体３７を硬い平板に対して制御しながら押圧するこ
とにより形成してもよいことはもちろんである。

１７ＦＪ口は大変小さいけれども、かなりの旦のレーザ
出力を引き出すことができるように、レーザ発生領域の
相当の部分を露呈する。第７図のレーザの上側及び下側
には必要なポンピング・パルスを供給するための図示し
ない適当な電極が設けられている。

レーザ光の波長よりも小さい大きさを持つ半導体レーザ
の開口２８を用いれば、光メモリにかなりの改良を行う
ことができる。前述のＨａｒｄｅｒ等の論文に示される
ような従来の光メモリにおいては、メモリ・ディスク上
の記憶位置に高速にアドレスすることは、光学システム
の一部が少なくともレーザ、収束レンズ及びミラーを有
し、ディスク」二の個々の１へラックにアクセスするた
めに回転しているディスクに対して径方向に動かされな
ければならず、その達成できる速度は動かされるべき質
量に制限されるため、因難な問題であった。

第８図は、この発明による開口２８を備えた半導体レー
ザ４０を直接に光ディスク４１の記録表面」二に吊した
構成を示している。レーザ４０は、矢印゛４３の方向に
図示しない通常の手段により移動させることのできる腕
４２に取付けられている。

ディスク４１の表面からの開口２８の距離は、′磁気デ
ィスク記憶装置で知られている通常の手段でもって、光
の波長よりも小さい値に制御することができる。

この発明による光波ガイドを、前述したヨーロッパ特許
出願に記載された近接視野光学走査顕微鏡に応用する場
合は、光学ガラス・ファイバ、光フィルタ又は同様のも
のに光学的に接続することができるように光波ガイドの
後端表面３上に金属被覆を設けない。ところが、半導体
レーザの場合は好ましくは、開口２８の反対表面は金属
被膜が設けられる。後端側の金属被膜は通常の蒸着技術
により直接形成される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の光波ガイ１〜を製造する
のに用いられる結晶を示す概略図、第２図はこの実施例
のガイドを製造するのに用いられる回転かくはん器を示
す平面図、第３図は金、＠被膜が設けられた光波ガイド
の理想的な先端の断面図、第４図は開口を形成するため
に用いるように設定された顕微鏡を概略的に示す図、第
５図は金属被膜が塑性変形された後の光波ガイドの先端
を示す図、第６図は従来の半導体レーザの断面図、第７
図はこの発明による光波ガイドとこ九に組込ま才した半
導体レーザとを示す斜視図、第８図は第７図の半導体レ
ーザを用いた光メモリの主要部分を示す斜視図である。 １・・・・本体（結晶ロンド）、２・・・・先端、６．
３９・・・・不透明膜（金属膜）、７・・・・第１層、
８・・・・第２Ｍ、９・・・・第３層、１０・・・・第
４層、１′１・・・・顕微鏡、１６・・・・平板５２８
・・・・開口、２９・・・・増幅接合、３７・・・・本
体（レーザ）、３８・・・・絶縁層、４０・・・・レー
ザ、４１・・・・光ディスク、４２・・・・腕。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 復代理人　弁理士　合　　　１）　　　潔−ル スイス国８１３４アトリスビル・フ エルゼンホツフシュトラーセ１０ 番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　光学的に透明な本体が、不透明膜により被覆
   されている光波ガイドにおいて、前記本体が鋭く尖った
   先端を有し、前記不透明膜が前記本体の先端においてミ
   クロン以下の大きさの開口を有することを特徴とする光
   波ガイド。 （２）　　前記本体が半導体レーザであり、前記不透明
   膜が前記本体に絶縁層を介して被膜された金属膜であり
   、この金属膜に形成された前記開口が半導体レーザの増
   幅接合の端と一致するように形成されている特許請求の
   範囲第（１）項記載の光波ガイド。 （３）　　前記本体が結晶であり、前記不透明膜が約５
   　ｎ　ｍの厚さのクロムの第１層、約５ｎｍの厚さの金
   の第２層、約５００乃至１１０００ｎの厚さのアルミニ
   ウムの第３層、及び約５ｎｍの厚さの金の第４層を有す
   る特許請求の範囲第（１）項記載の光波ガイド。 （／Ｉ）　　光学的に透明な本体が、不透明膜により被
   覆されていて、この不透明膜にミクロン以下の開口が形
   成されている光波ガイドを製造する方法において、前記
   本体を所定の大きさに切出し、前記本体の一端に円錐先
   端を形成し、前記円錐先端をエツチングして、鋭く尖っ
   た頂点を形成し、前記本体に不透明膜を被覆し、前記頂
   点を機械的に抑圧して前記不透明膜を窪ませて前記本体
   の頂点の部分を露呈するミクロン以下の開口を形成する
   ことを特徴とするミクロン以下の開口を有する光波ガイ
   ドを製造する方法。 （５）　　光メモリ装置において、鋭く尖った先端を有
   する半導体レーザを不透明膜で被覆して前記先端の前記
   不透明膜にレーザ光の波長よりも小さくてレーザ光が放
   出可能な開口が形成された光波ガイドを備え、半導体レ
   ーザが組込まれた前記光波ガイドが回転可能な記録媒体
   の径方向に移動可能な腕に取付けられていて、前記開口
   が前記媒体の記録１−ラックに一定距離だけ離れて対向
   していて、前記媒体の個々の記録位置に情報を書込み、
   読出し、消去するためにアクセス可能となっている光メ
   モリ装置。