JPWO2005124752A1 - 光記録媒体、光制御装置及び光制御方法 - Google Patents

Abstract

光ディスク等において、使用する光波長と集光レンズの開口数（ＮＡ）によって決まる集光ビームウエスト径の最小値があるため、入手可能な光波長と集光レンズ開口数による一定直径の光ディスクの記録容量には限界が存在する。本発明はこの限界を突破して小さいビームウエスト径を得られる光ディスク及びその制御装置を提供する。そのために光ディスクのプラスチック層４の直後、記録層６の直前に薄い（μｍオーダー）飽和非線形屈折率媒質層５を設ける。

Description

本発明は、光記録媒体、光制御装置及び光制御方法に関するものであって特に大容量のそれらに関する。
本発明特許で言う光記録媒体とは、記録媒体と光書き込み・読み出し用ヘッドとを相互に移動可能とする機構によって、その記録部に書き込み・読み出しを行う形式の光記録媒体であって、ディスク状、チップ状、カード状、またはテープ状など種々の形態のものを含み得る。

以下、発明の背景技術から発明の実施例までの記述を光記録媒体のうちでも現今最も広く使われている光ディスク状の形態を持つ光ディスクを例にとって行う。他の形の記録媒体についても原理は同じであるから以下の説明が適用される。
近年、光を用いて記録するディスク状の記憶媒体すなわち光ディスクの記録容量の増大には多大の努力が払われ、その成果にも著しいものがある。そして、現在も記録容量増大のため、一層の努力が続けられている。当初は、直径１２cmのＣＤ(Compact Disk)と同じサイズ（直径について）のディスク上に標準的な劇場映画１本分のビデオ情報を収容しようということが目標とされた。さらにその後の技術の進展により現在では、より広くデータ処理用をも含めた汎用ＤＶＤ (Digital Versatile Disk) が光ディスク発展の主流となってきている。また一定面積の光ディスク上への記録容量の向上を行えば光ディスクの読み出し書き込みについてのいわゆるアクセス速度向上も同時に得られる。この点からも面積当たりの記録容量の増大が望まれている。

ＣＤの開発当初は、光源として用いる半導体レーザーの波長が近赤外光の７８０ｎｍの使用に限られていた。したがって、この波長をもとにして必要な規格が設定され、ＣＤの容量は６５０ＭＢであった。その後、波長６５０ｎｍの赤色光を発振する半導体レーザーが開発された。また光ディスクの保護用プラスチック層の厚さの低減にともなって、読み出し書き込み用レンズとして開口数 ＮＡ＝０.６のものが使われるようになった。そのような波長６５０ｎｍの半導体レーザーとＮＡ＝０.６のレンズを用いるものとして、現今一般に普及しているＤＶＤの記録容量の規格値は４.７ＧＢとなっている。また、近時、波長４０５ｎｍの青色半導体レーザーの実現、記録層の２層化やプラスチック層のさらなる薄層化、それに伴う使用レンズの高ＮＡ化などによって１枚の光ディスクで５０ＧＢ程度の記録容量が実現されつつある。このことから、ディジタルハイビジョンを６時間直接録画できるほどの大容量の実現が可能になりつつある。
上で用いたレンズの開口数ＮＡとは、焦点距離での結像の際、レンズによって形成される集光ビームの絞り半角をθとして ＮＡ＝ｓｉｎθ の値であり、レンズの集光能力と分解能の指標となる。

光ディスク装置への手軽な着脱が可能な従来のベアータイプ光ディスクにおいては、光ディスク表面のよごれや疵などの影響を回避するために、保護層として記録層に密着して設けた透明なプラスチック層は必須の構成要素である。このような光ディスクでは読み取り・書き込み用の光ビームはその透明なプラスチック層を通して記録層にアクセスする。このように、プラスチック層を通して読み書きする場合、使用波長などの他の条件が変わらなければ、上述の現在到達している記録容量は、ほぼ限界に達しているものと考えられている。

このような従来技術の延長線上での数値的改善によるものの他に、大容量化のための新技術として、２光子共焦点読み出し書き込みによる記憶ピットの３次元化、近接場光学系の採用、さらに、必ずしも光ディスク形態とは限らないが、ホログラフィックに３次元化を目指すボリュームホログラフィックメモリーなどが考えられている。

これら従来の諸技術では、それら技術によって得られる従来の規格による光ディスクでは、容量に限界があること、また、ＴＢ（テラバイト）容量という超々大容量をも視程に入れた新技術は多くの克服すべき問題点を含んでいて実用化にはまだ多くの歳月を要するものと見られていること、また従来の光ディスク書込み読み取り装置とのコンパチビリティーを欠くことなど、の問題があった。
特開平６−４０９６３ 特開平５−２２５６１１ 特開平５−２３４１３６ 特開平６−１１１３３０ 特開２００３−１２１８９２

従来技術による光ディスク書込み読み取り装置とのコンパチビリティーを維持しつつ製造設備にも大きな変更を加えることなく光ディスクの大容量化を果たせる方法として、特許文献１〜５に記された方法が提案されている。これらの方法においては、いずれも色素系分子（特許文献１〜４）またはナノ微粒体（特許文献５）をポリマーに溶解または分散させた光吸収媒質を用いている。このような媒質は、光強度の増加に対して吸収率が低下し飽和する（光の透過率が増大し飽和する）いわゆる可飽和吸収特性を有している。アクセス用光ビームの断面内強度分布が光ビームの中心部に最大値を持つような通常の光ビームを用いるものとすれば、そのような光ビームが可飽和吸収特性を持つ媒質を通過するとき光ビーム全体にわたって吸収損失を受けるが、中心部に対して周辺部の光強度が低いため周辺部が中心部より大きく減衰させられ、その結果としてビーム径が小さくなりそれによって大容量化を達成することを目指している。しかしこの際光ビーム中心部も減衰を蒙るので大容量化には原理的な限度が存在する。何故ならビーム径の削減にともなって光ディスク記録層へ達するビームエネルギーが減少し、この方法によって大容量化を図ろうとすると、光ディスクの記録に必要なエネルギーが確保できなくなり、記録不能となるからである。また、光ディスク記録層からの反射読み出し光の光量も同様に低下するので、記録読み取りに必要な信号対ノイズ比を確保できなくなることも大容量化率を制限する。

本発明によれば、光記録媒体である現行のＣＤまたはＤＶＤの光ディスクの製造装置と大部分同じ光ディスク製造装置を使って光ディスクをつくり、その記録層表面上に高屈折率をもつ飽和非線形屈折率媒質の薄層を設置した構造およびそれを設置する製法によって、従来技術よっては打ち破れなかった限界を超えて従来技術による記録容量の２倍ないし１０倍あるいはそれ以上の記録容量が得られる。しかも発明の実施においては、光ビームの外周部を減衰または削除する必要がないために光エネルギーの損失が殆ど生ぜず、その結果、良好な信号対ノイズ比が得られる。また、この発明によれば、このようにしてつくった大容量光ディスクを従来の規格と同じ光ディスク装置によって制御すなわち書き込みおよび読み取りがおこなえ、現行の光ディスクのシステムとの間にコンパチビリティーを維持したまま、その大容量光ディスクの書き込み読み取りが可能なシステムを提供することができる。

発明者は、光記録媒体の通過経路上、たとえば、光記録媒体の記録層の入射面上に、ある種の層を含むように構成することにより、記録面に入射する光ビームの直径を格段に小さくできることを見出した。ここに記録面というのは、記録層への入射ビームの入射面に近い記録層の部分を指すものとする。
そのある種の層とは飽和非線形屈折率媒質の層である。その飽和非線形屈折率媒質の層は通常、非線形屈折率材料と呼ばれているものを含んで構成されている。
飽和非線形屈折率媒質とは、屈折率が光強度に依存し、その光強度に対する依存度が飽和する媒質を言う。特に、本発明においては、その依存度の符号がプラスの場合、すなわち光強度の増大に対して屈折率が増加する場合、に限るものとする。このような光強度の増大に対して屈折率が増加するような光強度に対する依存性を、本発明では符号がプラスの非線形屈折率と呼ぶことにする。また、飽和非線形屈折率微粒体とは飽和非線形屈折率媒体材料のナノメータから数十ナノメータ台のサイズを持つ微結晶体を言う。
従来技術の課題を解決するための本特許発明の各観点による手段を以下に述べる。

請求項１の光記録媒体は、記録層へのアクセス用の光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層が高屈折率を有するポリマー中に飽和非線形屈折率微粒体を分散させた材料であることを特徴とする。
このようにすることによって集光ビームスポット径、すなわちビームウエスト径を小さくすることができる。

請求項２の光記録媒体は、記録層へのアクセス用の光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層が高屈折率を有する半導体中に飽和非線形屈折率微粒体を分散させた材料であることを特徴とする。
このようにすることによってビームウエスト径を小さくすることができる。

請求項３の光記録媒体は、記録層へのアクセス用の光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、飽和非線形屈折率媒質層がポリマー中に高屈折率微粒体と飽和非線形屈折率微粒体とを分散させた材料であることを特徴とする。
このようにすることによって、ビームウエスト径を小さくすることができる。

請求項４の光記録媒体は、請求項２の光記録媒体において高屈折率を有する半導体が高屈折率を有するアモルファスシリコンまたはアモルファス化合物半導体であることを特徴とする。
このようにすることによって、ビームウエスト径を小さくすることができる。

請求項５の光記録媒体は、請求項３の光記録媒体において、ポリマーがポリカーボネートまたはポリスチレンであることを特徴とする。
このような材料の選択によって、従来の製造設備をそのまま使うことができる。

請求項６の光記録媒体は、請求項１から５のいずれかの光記録媒体において、飽和非線形微粒体がカーボンナノチューブまたはＣ６０サッカーボールなどのカーボン微粒体であることを特徴とする。
近時、カーボン微粒体の製造法が発展定着し、その安価な利用が可能となってきたことから、このようなカーボン微粒体の使用によって、飽和非線形屈折率媒質層の設置を必要とする本発明をコスト上昇を招くことなく実施することができる。

請求項７の光記録媒体は、請求項３の光記録媒体において、高屈折率微粒体が酸化チタン（ルチル）、酸化ジルコン、シリコン及び化合物半導体からなる群から選ばれた少なくとも１つの高屈折率材料の微粒体であるであることを特徴とする。
酸化チタンや酸化ジルコン、シリコン及び化合物半導体は一般に広く使われている材料であり、その微粒体の使用によって、本発明を安価に実施することができる。

請求項８の光記録媒体は、項請求項１から７のいずれかの光記録媒体において、前記飽和非線形屈折率媒質層を前記録層の入射面に密着して設けたことを特徴とする。
このように構成することによって、記録面上でのビームウエスト径を小さくすることができ、それによって光記録媒体の記録容量を大きくすることができる。

請求項９の光記録媒体は、請求項１から８のいずれかの光記録媒体において、飽和非線形屈折率媒質層と記録層との間に線形屈折率層を含むことを特徴とする。
このようにするっことによって、線形屈折率媒質層内に、短距離のビーム伝搬の間にビーム径変化の急峻なビームウエストを得ることができる。それによって高い位置弁別能を持つフォーカスサーボ系を構成することができ、光記録媒体における光ビームのトラッキングを高精度に実行することができる。

請求項１０の光記録媒体は、請求項１から９のいずれかの光記録媒体において、プラスチック層と高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質層との間に無反射コーディング層を含むことを特徴とする。
このようにすることによって、高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質層からのアクセス光の反射を無くすことができ、それによって光記録媒体の書き込みおよび読み取りを容易にすることができる。

請求項１１の光記録媒体は、請求項１から１０のいずれかの光記録媒体において、飽和非線形屈折率媒質層中に生じるビームウエスト位置の飽和非線形屈折率媒質層のアクセス光ビーム入射側境界面への入射から所定の深さにおける飽和非線形屈折率媒質層の入射側境界面と平行な面を記録面とすることを特徴とする。
このようにすることによって、光源あるいは検出器と記録面との間の共焦点関係をフォーカスサーボ機構を用いて維持することができ、それによって光記録媒体の書き込みおよび読み取りを容易にすることができる。

請求項１２の光記録媒体は、請求項１から１１のいずれかの光記録媒体において、光記録媒体へのアクセス光ビームの周波数が飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であるアクセス光ビームを用いることを特徴とする。
このようにすることによって、飽和非線形屈折率微粒体による吸収損失を避けながら、微粒体の符号がプラスの共鳴的に大きい飽和非線形屈折率を利用することができ、より小さいビームウエスト径を得ることができる。

請求項１３の光記録媒体は、請求項１から１２のいずれかの光記録媒体において、光記録媒体へのアクセス光ビームを繰り返しパルス列として、パルスのピーク出力とパルスのデューティー比を独立に調節できる前記アクセス光ビームを用いることを特徴とする。
このようにすることによって、より小さいビームウエスト径を得ることができ、さらに、オーバーライトを含む書き込み、消去、ならびに読み出しに最適な動作状態を得ることができる。

請求項１４の光制御装置は、光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体に所定光周波数のアクセス光ビームによって情報を書き込むための光を発する、及びまたはそのアクセス光ビームを光記録媒体に投射して反射された光を読み取るための光制御装置であって、そのアクセス光ビームの周波数が飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であることを特徴とする。
このようにすることによって、飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数での大きな非線形吸収を避けつつ、飽和非線形屈折率微粒体の大きな飽和非線形屈折率を利用することができ、明瞭でかつ小さいビームウエスト径を光損失の少ない状態で得ることができる。

請求項１５の光制御装置は、光記録媒体の制御・つまり記録・再生のため繰り返し光パルスを制御する光制御装置であって、前記繰り返し光パルスのピーク光パワーを所望のビームウエスト径を得るに必要な値に保ちつつ、前記繰り返し光パルスの繰り返し周波数と繰り返し光パルスのデューティー比とを独立に変化して、その平均光パワーを記録情報の書き込み、オーバーライト、消去、および記録の読み出し再生などの各動作モードにそれぞれ必要な各平均光パワーに切り換えて動作するレーザー、及びそのレーザを励起して動作させるための励起電源、及びその励起電源の動作モードを切り換えるためのコントローラー、を有することを特徴とする。
このようにすることによって、ビームウエスト径を所望の一定な値に保持しつつ、光記録媒体への記録、光記録媒体からの再生にともなう上記の各動作モードを安定かつ確実に行うことができる。

請求項１６の光制御方法は、光記録媒体の記録・再生におけるアクセス光ビームのフォーカスをサーボコントロールする工程であって、光記録媒体の飽和非線形屈折率媒質層と記録層との間に線形屈折率媒質層を設置することによって得られる急峻な（ビーム伝搬方向に対して）ビーム径変化を持つビームウエストの持つ高い位置弁別能を利用することを特徴とする。
この方法によって、高い位置弁別能を持つフォーカスサーボ系を構成することができ、光記録媒体における光ビームのトラッキングを高精度に実行することができる。

請求項１７の光制御方法は、光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体に所定光周波数のアクセス光ビームによって情報を書き込むための光を発する工程、及びまたはそのアクセス光ビームを光記録媒体に投射して反射された光を読み取る工程、但しそれらのアクセス光ビームの周波数が飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であることを特徴とする。
この方法によれば、飽和非線形屈折率媒体層によるビームウエスト径縮小の効果を光損失の少ない状態で安定に得ることができ、また、ビームウエスト位置の記録層上への保持に必要なフォーカスサーボコントロールを確実に行うことができる。

請求項１８の光制御方法は、光記録媒体の記録・再生のため繰り返し光パルスを制御する光制御方法であって、前記繰り返し光パルスのピーク光パワーを所望のビームウエスト径を得るに必要な値に保ちつつ、前記繰り返し光パルスの繰り返し周波数と繰り返し光パルスのデューティー比とを独立に変化させる工程、前記繰り返し光パルスの平均光パワーを記録情報の書き込み、オーバーライト、消去、および記録の読み出し再生などの各動作モードにそれぞれ必要な各平均光パワーに切り換えるようレーザーを動作させる工程、及びそのレーザを励起してそれぞれの動作をさせるように励起電源の動作モードを切り換える工程、を有することを特徴とする。
この方法によって、ビームウエスト径を所望の一定な値に保持しつつ、光記録媒体への記録、光記録媒体からの再生にともなう上記の各動作モードを安定かつ確実に行うことができる。

請求項１９の記録媒体は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含む高記録密度の光記録媒体であって、記録媒体の表面が厚さほぼ０.６ｍｍの厚いプラスチック保護層を有する請求項１, ２, ３, ４, ５, ６, ７, ８, ９, １０, １１, １２ または １３ のいずれか１つによることを特徴とする。
このようにすることによって、着脱可能なディスクの表面に設けられるプラスチック保護層の厚さを従来ディスクにおける０.６ｍｍに保ったまま、ディスク表面のよごれや疵などの影響を回避でき、ベアータイプのディスク形態を採用することも可能な取り扱いが容易で薄形の大容量ディスクが実現できる。

請求項２０の光制御装置は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面が厚さほぼ０.６ｍｍの厚いプラスチック保護層を有する請求項１９ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１４または１５ のいずれかによることを特徴とする。
このようにすることによって、明瞭でかつ小さいビームウエスト径を光損失の少ない状態で得ることができ、光記録媒体の書き込みおよび読み取りを容易にすることができる。

請求項２１の光制御方法は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面が厚さほぼ０.６ｍｍの厚いプラスチック保護層を有する請求項１９ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１６, １７ または１８のいずれか１つによることを特徴とする。
このようにすることによって、光記録媒体における光ビームのトラッキングを高精度に実行することができ、ビームウエスト位置の記録層上への保持に必要なフォーカスサーボコントロールを確実に行うことができ、かつ、光記録媒体への記録、光記録媒体からの再生を安定かつ確実に行うことができる。

請求項２２の記録媒体は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含む高記録密度の光記録媒体であって、記録媒体の表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項１, ２, ３, ４, ５, ６, ７, ８, ９, １０, １１, １２ または １３ のいずれか１つによることを特徴とする。
このようにすることによって、大容量化が実現する。ただし、この光記録媒体では、プラスチック保護層の厚さがほぼ０.１ｍｍと薄いため、通常、ケース入りの状態で取り扱われる。

請求項２３の光制御装置は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項２２の高密度光記録媒体を動作させる請求項１４, １５ のいずれかによることを特徴とする。
このようにすることによって、明瞭でかつ小さいビームウエスト径を光損失の少ない状態で得ることができ、光記録媒体の書き込みおよび読み取りを容易にすることができる。

請求項２４の光制御方法は、波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項２２の高密度光記録媒体を動作させる請求項１６, １７ または１８のいずれか１つによることを特徴とする。

ＣＤ、またはＤＶＤ等の光記録媒体の光入射面に高屈折率をもつ薄い飽和非線形屈折率媒質層を設けることで光ディスクの大容量化を実現し、また、その光記録媒体は、現行のＣＤまたはＤＶＤの光ディスク製造装置を殆ど変更せずに使ってつくることができる。上記の大容量化とは、従来のものの２倍から１０倍以上の記録容量とすることである。そしてその大容量化された光ディスクは従来の規格と本質的には同じ光ディスク装置又は光記録媒体装置によって制御すなわち書き込みおよび読みとりができる。従って現行の光ディスクとの間にコンパチビリティーを維持しつつ、本発明による大容量の光ディスクへの書き込みと読み取りが可能なシステムが実現できる。
《発明の基礎的な背景についての説明》

まず、本発明の原理の説明に先立って、従来の集光によって誘電体中で得られる光ビームの集光点でのビーム径について本発明の基礎的な背景を説明する。先にも述べたように、光ディスク装置に手軽に着脱可能な従来タイプのＣＤやＤＶＤのベアータイプの光ディスクにおいては、光ディスク表面のよごれや疵などの影響を回避するために、保護層であるプラスチック層を通して読み書きアクセス光を光ディスク又は光記録媒体の記録面に集光する構成となっている。
このプラスチック層のような誘電体（Dielectric Material）中のガウスビームについて考える。誘電体の屈折率をｎとする。また、ガウスビームの半径を、光強度がビーム軸（z 軸にとってある）上の光強度の１／e²となる円の半径ｒで表すこととする。ガウスビームの伝搬について示す。ガウスビームをレンズなどによる集光点付近、すなわちビームウエスト付近を光軸に対して直角に離れた側方から見て、光軸をｚ軸（横軸）とし半径ｒを縦軸としたプロファイルの図として示すと、それは図１に示す一対の双曲線１０１で示されるようなものとなる。これら一対の双曲線の一対の漸近線が幾何光学で扱われる光線１０２に対応している。

光線１０２とビーム光軸１０３とのなす角、すなわち、ビーム絞り半角をθ_d とする。座標原点にある集光点でのビーム半径はビームウエスト半径ｗ_d と呼ばれる。ビームウエスト半径ｗ_d は周知のガウスビームの理論からの次式で与えられる。
ｗ_d ＝ λ_d ／（π ・ｔａｎθ_d ） ・・・[１]
ただし、λ_dは屈折率ｎ_d の誘電体中の光の波長であり、それは使用光波長（真空波長）λと
λ_d ＝ λ／ｎ_d ・・・[２]
の関係にある。

通常、ＣＤやＤＶＤの集光系でのθ_dは０.６ラジアン程度である。このような条件のもとでは、θ_d ≒ｔａｎθ_d≒ｓｉｎθ_dであるから、式[１]を次のように書き換えてもよい。
ｗ_d ＝ λ_d ／（π ・ｓｉｎθ_d ） ・・・[３]
式[３]に式[２]の関係を用いると、ｗ_d は次式で表されることになる。
ｗ_d ＝ λ／（π ・ｎ_d ・ｓｉｎθ_d ） ・・・[４]
式[４]によれば、他の条件を一定とすれば、誘電体の屈折率ｎ_d が大きいほど、それに反比例してビームウエスト半径ｗ_d が縮小されることになる。しかし通常、光ディスクについて行われているように光ディスクの外部に置かれた集光レンズで集光する場合には、以下に述べる理由で、そうはならない。

一般に、アクセス用のガウスビームは、プラスチック層の外部から入射される。図２はこの様子を集光用レンズ１１１を含むディスク１００の要部の鉛直方向断面図で模式的に示している。図１におけるz 軸方向は図２においては実際のＤＶＤ装置に合わせて鉛直上方にとられており、入射アクセス光ビーム１２０は下方から上方に向かって進行する（記録面からの反射光は、記録面上にビームウエストがあることにより、入射ビームと同一のプロファイルを上方から下方にたどって進行する）。ディスク１００は図の下方から順にプラスチック層１０４（厚さｄ）、記録層１０６、および裏面の基板１０７を含んでいる。

図２において、集光用レンズ１１１を出た後のアクセス光ビーム１２０はプラスチック層１０４の表面の空気との境界面１０５で屈折される。この屈折における屈折角は、図２からわかるように、プラスチック層１０４とそれに接する記録層１０６との境界面上での光ビームの絞り半角θ_dに等しい。屈折点における光線の入射角をθとすれば、屈折点において、次の屈折の法則が成立する（空気の屈折率を１として）。
ｓｉｎθ ＝ ｎ_d ・ｓｉｎθ_d ・・・[５]
この式[５]を式[４]に代入すれば、
ｗ_d ＝ λ ／（π・ｓｉｎθ ） ・・・[６]
と書ける。

ここで、比較のため、図２と同じレンズ配置において、光ディスクを取り外して、空気中にビームウエストを生じさせた場合を考える。そのビームウエスト半径をｗとしてｗを求める。先の誘電体中におけるガウスビームのビーム半径を与える式[４]において、屈折率を ｎ_d ＝１とし、したがって式[２]より λ_d＝λとする。ガウスビームの絞り半角はθであることから、θ_d＝θ とすれば、ｗは
ｗ ＝ λ／（π・ｓｉｎθ ） ・・・[７]
と表される。式[６]と式[７]を比較すれば、
ｗ_d ＝ ｗ ・・・[８]
が結論される。

すなわち、空気中に置かれたレンズによって誘電体中につくられるビームウエスト半径は、屈折率ｎ_dの誘電体中にあるにもかかわらず、空気（屈折率＝１）中で得られるビームウエスト半径と変わらない。
これは、プラスチック層の屈折率によるビームウエスト半径縮小の効果がプラスチック層表面での屈折によって生ずるビーム絞り角の縮小によるビームウエスト半径拡大の効果によってちょうど相殺されてしまうからである。

ところで、屈折点において入射角θを持つ光線を得るに必要なレンズの開口数（ＮＡ）は、そ
の定義によって、ｓｉn θに等しい。すなわち、
ｓｉｎθ ＝ ＮＡ ・・・[９]
したがって、式[６]と式[７]は、まとめて
ｗ ＝ ｗ_d ＝ λ／（π・ＮＡ ) ・・・[１０]
と書ける。
式[１０]の結果によれば、ガウス光を光ディスクの外部に置かれたレンズによって集光する場合、得られるガウスビームのビームウエスト半径は、屈折率ｎ_d のプラスチック層内にあるにもかかわらず空気（屈折率１）中で得られるビームウエスト半径と変わらず（屈折率ｎ_d によるビームウエスト半径の縮小は起こらず）、そのビームウエスト半径は使用波長λと集光レンズの開口数（ＮＡ）だけで決まる、と結論される。

以上によって、ビームウエスト半径を小さくするには、使用波長λを小さくするか、使用するレンズの開口数ＮＡを大きくするしかない。使用波長λを短くすることについて、通常の着脱可能な光ディスク用光源として用いられる半導体レーザーからの波長として４０５ｎｍの波長が実現され、それを用いる２５ＧＢクラスの次世代光ディスクが既に開発されている。現在の技術の延長線上のものとしてはこのあたりがそろそろ限界だろうと考えられている。また、開口数ＮＡの増大に関しては、プラスチック層を通してアクセスする構造をとる限り、その値をレンズ自体の可能な限界（０.９ 程度）にまで増大することはできない。何故なら、プラスチック層表面のよごれや疵などの影響を回避するために、プラスチック層１０４の表面での集光光束１０１の直径はよごれや疵などの大きさより十分大きくなければならず、そのためには、プラスチック層１０４の厚さ d を数１００μｍオーダーより極端に減らすことができない。何故なら、このように、プラスチック層がある程度の厚さを持つ場合には、レンズの開口数ＮＡが大きいと、光ディスク面が入射光束に対して傾いた場合に発生するコマ収差が許容限度を超えるからである。ここでＮＡが大きい場合とは、ＮＡの値が約０.６を超える場合のことを言う。

以上に説明してきたように、プラスチック層を通してアクセス光を光ディスクの記録面に集光させる構成の着脱可能な現行あるいは次世代ＣＤやＤＶＤに関しては、その記録容量は先にも述べたようにほぼ限界に達している。このように、従来技術の延長線上では記録容量の大幅な向上が望めない。
《発明の原理》

上記の問題を解決するための方策として、すでに述べたように本発明では、光ディスク内の記録層の光入射面に高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質の層を設ける。以下にこの構成によりビームウエスト半径が小さくなる原理を説明する。

発明者は、飽和非線形屈折率媒質空間に安定に存在する空間ソリトンの性質を利用することに着目した。ここに言う媒質の屈折率の光非線形性とは媒質の屈折率が光強度に依存する性質を指している。その光強度依存性の符号が先述のとおりプラスである媒質及び状態、すなわち、屈折率が光強度に依存して増大する媒質とその状態においては、光ビーム断面内において強度の大きい部分の屈折率が増大する。それ故、基本ガウス分布のような単純な単峰性の強度分布を有する光ビームに対しては、この媒質は一種の凸レンズ効果を呈し、光ビームの伝搬とともに、もともと強度の大きい部分にますます光が集中することとなる。その結果ビーム径はその部分ではますます収縮することとなる。他方でビーム径の収縮は光の回折効果を増大させるので、ビーム径は広がろうとする。そこで、非線形性による収縮と回折効果による発散とが釣り合えば、ビーム径は一定値を保つことになる。しかし、屈折率の増大分の光強度依存性が光強度に対して比例的（１次関数）である場合には、光ビームの伝搬にともなう収縮が累積的に起こるので、収縮効果の方が回折による発散効果を上回る。そのため、光の伝搬空間内に過度な強度集中が急激に起こり、一般には光ビームは崩壊する。実際には、光強度レベルが大きい場合、媒質内にブレークダウンが起こり、光ビーム伝搬は不可能となる。

実際の媒質においては、一般的に、屈折率のこのような光強度依存性（強度に対する比例的依存性）は光強度の増大に対して無制限には維持できず飽和する。非線形性がこのように飽和する場合、光ビームの伝搬にともなう光強度の集中には限界が存在することとなる。その結果、ビーム径の収縮にも限度が生じ、このため光ビームは伝搬とともに、この集束効果と発散効果とがバランスするビームに落ち着き、ビーム断面内強度分布も一定形状をとることとなる。この伝搬にともなって一定形状の定常な強度分布に落ち着いた状態の光ビームが先にあげた空間ソリトンビームであり、その一定形状の強度分布はソリトンモードと呼ばれる。空間ソリトンという呼びかたは、光ファイバー中のソリトンがその伝搬軸上に、したがって時間軸上に存在することから時間ソリトンと呼ばれているのに対して、空間ソリトンはその伝搬軸方向を法線方向とする２次元面空間内に一定形状を保って存在することに由来している。上に述べてきたように、空間ソリトンは飽和非線形屈折率媒質内においてはじめて安定に存在することはすでに周知である。

空間ソリトンのモード分布関数は、その基本モードについて、線形媒質内の基本ガウスビームの基本ガウス分布にほぼ近くなることが知られている。以下に、この基本モードについて説明する。

本発明は、以上に述べてきた一定形状のソリトンが生成されるまでの過渡的なソリトン伝搬の光ビーム集束効果を利用するものである。
いま、空間ソリトン伝搬が可能な飽和非線形屈折率媒質内に外部から光ビームを入射して空間ソリトンを励起する場合を考える。その励起ビーム径が入射パワーで決まる一定のビームモード径よりも大きい場合には、回折効果による発散力よりも飽和非線形屈折率性による収縮力の方が上回るので、先に述べた定常なソリトンモードに収斂するまでの過程で、集束する過渡的な空間ソリトン伝搬が起こる。

この集束する過渡的な空間ソリトン伝搬では、入射する光ビーム自体によって飽和非線形屈折率媒質内に凸レンズが生成され、それによって光ビームの収束が起こっていると言える。このように誘電体媒質内に集光レンズが存在する場合には、光ビームは、このような内部のレンズによる集束を受けた後も記録面に達するまで空気との境界面を通過することがないので、誘電体外部に置かれた従来のレンズによる集束の場合に境界面で起こっていた光ビームの屈折による収束のキャンセレーションは起こらない。したがって誘電体外部の空気中に置いたレンズによって集束した場合に課せられていた式[１０]の制約が存在しない。このことは先にも述べた通りである。その場合には、誘電体媒質中の集光レンズによって集束した場合に成立する式[４]をそのまま使うことができる。すなわち、誘電体媒質の屈折率がビームウエスト半径の縮小に直接寄与できることとなる。これが本発明の基本的な原理となっている。

本発明によれば、プラスチック層を通して読み書きアクセス用光ビームを光ディスクの記録面に集束する構成の着脱可能な光ディスクの従来技術による現行の、あるいは次世代の、ＣＤまたはＤＶＤの記録容量を簡単な構造によって増大させることができる。その構造とは単に飽和非線形屈折率層を記録面に密着して設けることである。その増大の率は、本発明によって得られるビームウエスト半径ｗ_d に対する従来技術によって得られるビームウエスト半径ｗの比の２乗、すなわち（ｗ／ｗ_ｄ）^２で与えられる。先述の式［４］と式［７］との比較により ｗ／ｗ_ｄ＝ｎ_ｄ であるから、増倍率はｎ_ｄ ^２、すなわちビームウエストが存在する場所の誘電体の屈折率ｎ_ｄの２乗で与えられる。本発明では誘電体は飽和非線形屈折率媒質である。そこで、飽和非線形屈折率媒質の屈折率を１.６ から３.５の高屈折率の範囲とすれば、本発明による記録容量の増大率は２.６ から１０倍またはそれ以上となる。またそれにともなってアクセススピードの向上の効果が得られる。

また、以上述べてきた原理は、保護層であるプラスチック層を有する従来技術によるＣＤやＤＶＤのみならず、種々の新技術によるプラスチック層を持たない表面記録型やその他の光ディスクに対しても適用可能である場合には、これを適用することによって、それぞれの新技術によって得られる記録容量ならびにアクセススピードを、飽和光非線形屈折率層を設けることによって得られる増大率だけ向上させることができる。このことはディスク形状のみならず、その他のたとえば今後発展が考えられるカード形状やチップ形状、さらにはテープ形状の媒体に対しても、その媒体が光書き込み・読み出し用ヘッドと相互に移動可能な機構によって書き込み・読み出しを行う形式の光記録媒体である場合には光ディスクの場合と同様に適用できる。

以上に本発明の原理を定性的に説明してきた。以下では、飽和非線形屈折率媒質内の空間ソリトンビームの振舞いを過渡的な過程をも含めて、計算機シミュレーションを用いて定量的に説明し、その実現可能性を示す。
シミュレーションには、下に示す非線形光伝搬偏微分方程式、式 [１１]を用いる。この非線形偏微分方程式は非線形シュレーディンガー方程式として広く知られた方程式である。

このシミュレーションでは、光ビームの伝搬座標（z軸）ならびにそれに垂直な断面内座標（ｘ，ｙ軸）について、これらを使用波長ならびに扱っているビーム径に比べて十分細かいメッシュに区切って、上の式[１１]を差分方程式に置き直し、収束条件を十分確認して行った。
式[１１]中の飽和非線形屈折率媒質の屈折率ｎの光ビーム強度に対する依存性は次の式[１２]で与えられる。
ｎ = ｎ₀ + ｎ₂ I _S { 1 − 1／（１＋I／I_S ）} ・・・[１２]

式 [１１]、 [１２] 中に表れる変数、係数の対応する物理量は以下の通りである。
i ： 虚数単位
Ｅ ： 複素光電界振幅 Ｅ＝Ｅ（ｘ,ｙ,ｚ）
Ｉ ： 光強度 Ｉ＝Ｉ（ｘ,ｙ,ｚ）∝｜Ｅ（ｘ,ｙ,ｚ）｜^２
ｘ,ｙ ： 光伝搬軸に垂直な（ｘ,ｙ）断面内での直交座標
ｚ ： 光伝搬軸方向座標
ｋ ： 真空内自由空間の伝搬定数 ｋ＝２π／λ. ただしλ：使用波長（真空波長）
β ： 媒質内ｚ軸方向の伝搬定数
ｎ ： 式[１２]で与えられる飽和非線形屈折率媒質の屈折率
ｎ₀ ： 線形屈折率
ｎ₂ ： 非線形屈折率
I_S ： 屈折率の飽和パラメ−タ
なお、式[１１]、 [１２]の有効性は、非線形屈折率ｎ₂ をゼロと置いた場合、通常のガウスビーム伝搬が厳密に再現できることで確認した。

飽和非線形屈折率媒質は、光ディスクないし光記録媒体アクセス用として用いられている半導体レーザーなどからの低出力光源に対して十分な非線形屈折率を有すると同時にその線形屈折率が大きい、いわゆる高屈折率性の材料であることが望ましい。ここで、高屈折率とは、屈折率１.６超のものを指すものとする。
素材自体で大きい非線形屈折率と高屈折率をあわせ持つものとしては、III - Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造中の室温エキシトン共鳴効果によりエンハンスされた光非線形性に基づくものが候補にあげられるが生産性が低い。
そこで、以下の混合材料を検討した。
（１）高屈折率を有するポリマーをベース材として、これに飽和非線形屈折率微粒体を分散させた混合材料。
（２）高屈折率を有する半導体をベース材として、これに飽和非線形屈折率微粒体を分散させた混合材料。
（３）ポリマーをベース材として、これに高屈折率微粒体と飽和非線形屈折率微粒体を分散させた混合材料。
上記の３種類の混合材料に対して必要な各素材としては、以下のものを用いる。
（Ａ）高屈折率を有するポリマー：アリル系（アリル基を含む）ポリマーのごとき高屈折率ポリ
マー。
（Ｂ）高屈折率を有する半導体：アモルファスシリコン、アモルファス化合物半導体。
（Ｃ）ベース材料としてのポリマー：ポリカーボネート、ポリスチレン。
（Ｄ）高屈折率微粒体：酸化チタン（ルチル）、酸化ジルコンまたはシリコン、化合物半導体などの微粒体。
（Ｅ）飽和非線形屈折率微粒体：カーボンナノチューブ、Ｃ６０サッカーボールのごときナノ微粒体構造によって共鳴的にエンハンスされた飽和非線形屈折率をもつ微粒体。

下記の本発明の実施例では、飽和非線形屈折率媒質として、光ディスクまたは光記録媒体製造上の容易性、安定性、コスト、ならびに非線形性の応答速度などの観点から材料を選定しなければならない。
本特許発明の光ディスクによれば従来例にくらべて記録密度が高まり、それによって記録容量が増大する。記録密度の増大によって記録書き込みならびに記録読み取り再生のアクセス速度の向上も可能となる。したがって、本発明を実施するための基本的構成部材である飽和非線形屈折率媒質層を構成する飽和非線形屈折率媒質の光に対する応答速度が上記向上したアクセス速度に対応するだけ十分高速なものであることが好ましい。上に述べたカーボンナノチューブ又は半導体の微粒体などの飽和非線形屈折率媒質の非線形屈折率は材料物質原子の最外殻電子遷移に由来するものであることから、その応答速度はピコ秒台のものであり、それを分散させた飽和非線形屈折率媒質層は大容量光ディスクの記録再生に必要なアクセス速度を十分上回る応答速度を持っている。

シミュレーションには現在実用化されているＤＶＤの規格に本発明を適用するものとして、次の[表１]のパラメータを設定した。

［表１］
アクセス用光ビームの波長： λ = ０.６５μｍ
集光レンズの開口数： ＮＡ = ０.６
入射ガウスビームのビーム半径： ｗ_in = ０.３４μｍ （z = ０ において）
入射ガウスビームの位相条件： 等位相面 ： 平面（ビームウエスト条件）

入射光ビームとして、プラスチック層外部に置かれたレンズによって形成されたガウスビームがプラスチック層を通して飽和非線形屈折率媒質の入力端面にビームウエストを持つように入射する光ビームを採用する。このビームウエストの半径ｗ_inは、先に式[１０]で示した、同一波長、同一レンズによって空気中で得られるビームウエスト半径ｗに等しい。［表１]中の入射光ビームのビーム半径ｗ_in （０．３４μｍ）は、表中のλとＮＡの値を式[１０]に代入して得たｗの値である。

飽和非線形屈折率媒質のベース材料となるポリマーとしては、先にあげたもののうち、アリル系ポリマーのごとき高屈折率を有するポリマーを用いる。すなわち、アリル系ポリマーにカーボンナノチューブを分散させた材料を飽和非線形屈折率媒質として用いる。この材料は比較的低コストであり、しかも、十分高速なアクセススピードを持っている。また、ポリカーボネートポリマーに近いアリル系ポリマーを主体とする材料であることから従来のＤＶＤの製造プロセスをそのまま使えるメリットがある。
上記のアリル系ポリマーを主材とする材料のパラメータは、次の［表２］の通りである。

［表２］
非線形屈折率： ｎ₂ = ５×１０^{- 12} ｍ²／Ｗ
飽和パラメータ： Ｉ_S = １０¹¹ Ｗ／ｍ²
線形屈折率 ： ｎ₀ =１.６５

［表２］中の飽和非線形屈折率層の線形屈折率には、アリル系ポリマーの屈折率である１.６５を用いた。この屈折率の値は飽和非線形屈折率層の光ビーム入射端に接するプラスチック層の素材であるポリカーボネートの屈折率、１．６に近い。

入力光ビームの入力パワーＰ_in として波長λ＝０.６５μｍの半導体レーザーに対して、Ｐ_in ＝３０ｍＷとした。このＰ_in の値と［表２］のｎ₂ 、Ｉ_S の値の組み合わせによって、飽和非線形屈折率媒質の非線形性による屈折率の変化率はほぼ１０％程度となる。以後の計算例においても飽和非線形屈折率媒質の非線形性による屈折率の変化率は同様である。

図３に、計算機シミュレーションの結果を伝搬距離 z に対するビーム半径 r の変化を示すカーブ（ビーム半径プロファイル）で示す。グラフの横軸ｚと縦軸ｒはいずれもμｍ単位で表した距離であるが、図３では縦軸ｒのスケールが横軸ｚに対して大きく拡大されている。ここに、入射ガウスビームのビーム半径ｗ_inとは、ビーム横断面の上でのビーム内強度分布がビーム中心強度の１/e² となる円の半径である。図３中に符号１１０で示したビームプロファイルの最初の部分は、後出の図５の光ディスク構造断面図中の飽和非線形屈折率層内のビームプロファイル１１０に対応する。
計算機シミュレーションの結果は以下のように説明される。
入射光ビームは入射端面（z＝０）でビームウエストを持つようにしているので、入射電界はz＝０において平面の等位相面を持つガウス分布光である。したがって入射光ビームの飽和非線形屈折率媒質層内での光ビーム伝搬のごく初期には平面波として入射ビーム半径を保って伝搬する。 しかし、以上に設定したパラメータと入力パワーのもとでは、飽和非線形屈折率媒質の非線形性による凸レンズ効果のためビーム半径減少の効果の方が回折による発散効果を上回っているため、ビームはその半径を減じはじめる。ビーム半径が減少すると、ビーム中心付近の入力パワー強度が増大し、それにともなう屈折率の上昇が起こり凸レンズ効果が増大し、さらなる半径の減少が起こることとなってビーム半径は急速に減少する。しかし、飽和非線形屈折率媒質においてはその飽和非線形性のために屈折率増大に限界がある。このためにビーム半径の減少の効果にも限界が現れる。それによりビーム半径の縮小にともなう回折による発散効果の増大も起こり半径減少の速度は徐々に減じる。やがて、発散の効果が回折の効果を上回ることとなり、ビーム半径の最小点が現れ、その後ビーム半径は増大に転じる。

上に述べたビーム半径の最小点を飽和非線形屈折率媒質中のガウスビームのビームウエストと考えてもよい。入力端での光ビームを線形媒質中のガウスビームのビームウエストに選んだので、これを第１のビームウエストと呼ぶことにすれば、この飽和非線形屈折率媒質中のビームウエストを第２のビームウエストと呼ぶことができる。ビーム半径が第２のビームウエスト半径にまで減少してから後のビーム半径の増大は回折による発散効果を減じるので、やがて、非線形性による半径減少効果が回折による発散効果を上回り、ビーム半径の最大点が現れビーム半径は減少に転じる。以後、同様の過程によって、ビーム半径の減少と増大が振動的に繰り返され、第３、第４のビームウエストが現れる。この振動の過程で、ビーム半径は振動の都度、半径減少と発散の釣り合うビーム半径を経過するので、半径の振動の振幅は徐々に釣り合い点へと収斂し、やがて、図３に見るように過渡的なソリトンビームから、距離zが図３の右の方に進むにつれて、釣り合い半径を半径rとする定常な基本ソリトンビームへと落ち着いてゆく。
第２のビームウエストまでの伝搬距離を z₂ 、第２のビームウエストのビームウエスト半径をｗ_２として図３中に示した。本シミュレーションでは、 z₂ ＝１.１μｍ、ｗ₂ ＝０.２２μｍであった。

以上のシミュレーション結果に現れた第２のビームウエストにおける光ビーム波面は平面となっている。すなわち、光源と共焦点関係を持っている。したがって、この第２のビームウエストを生ずる伝搬距離（または深さ）z₂ を飽和非線形屈折率媒質層の厚みとして、飽和非線形屈折率媒質層のビーム入射側の境界面入からz₂の深さにおける飽和非線形屈折率媒質層の入射側境界面と平行な面に記録面を置くことによって、第２のビームウエストを記録面での書き込み・読み出しを行う集光ビームスポットとして用いることができる。
また、光ディスク又は光記録媒体において必要となる光ビームのフォーカスのサーボコントロールに上に述べてきた第２のビームウエストを利用することができる。すなわち、第２のビームウエスト位置が記録面からずれることによる記録面からの反射光量の変化を変調微分方式などによってずれの符号（光軸の前の方にずれているか後の方にずれているかの）をも含めて検出し、それをエラー信号として集光レンズの位置を制御することによって光ビームのフォーカスサーボコントロールが実現できる。

第２のビームウエストのビームウエスト半径は ｗ_２＝０.２２μｍであった。この０．２２μｍのビームウエスト半径は現用のＤＶＤに用いられているビームウエスト半径に相当する入力端でのビームウエスト半径 ｗ_in ＝０.３４μｍに対して（０．２２μｍ／０．３４μｍ＝） 1/１.６ と減少している。このビームウエストの半径減少率は、使用した飽和非線形屈折率媒質の線形屈折率ｎ₀ ＝１.６５で決まる１/ｎ₀ の値によく一致している。

以上の結果は飽和非線形屈折率媒質内部に光ビームによって形成された凸レンズ効果によってもたらされたものである。そのビームウエストの半径減少率は、先に述べた光ディスクまたは光記録媒体の外部に配置された集光用レンズによっては超えられなかった式[１０]の従来技術による制約を超えて、式[４]による誘電体中のビームウエストを実現できたことを示している。

上に述べた計算機シミュレーションの結果にもとづいて、また、後に行うシミュレーションにもとづいて本発明の実施例を以下に述べる。

本発明の第１の実施例の構成を図４に示す。この図４は光ディスクアクセス用の集光レンズ１及び部分４、５、６、７からなる実施例の光ディスクの及び光ビームの断面を模式的に示したものである。ディスク形状以外の光記録媒体、たとえばカード状又はテープ状のものにおいても、断面とその中の光ビームの形状は同じである。したがって以下の実施例の説明では、これらのディスク形状以外の記録媒体も含める意味でそれらの代表例として光ディスクの名称を用いることにする。光ディスクへの情報の書き込み・読み出し用のアクセス光ビーム２０は、その波長がλ＝０.６５μｍ、そのビーム断面内強度分布が基本ガウスモードであるガウスビームである。ガウスビームであるアクセス光ビーム２０を図２と同様に、ｚ軸方向のビームの伝播距離ｚ_２とウエスト半径ｗ_２の関係で示すビームプロファイルで示した。このアクセス光ビーム２０は、光ディスクの外部下方の空気中に置かれた開口数ＮＡ＝０.６の集光用レンズ１によって、プラスチック層４を通して、プラスチック層４の底面４５ 付近に集光されるよう配置されている。プラスチック層４の底面４５（図４において層４の上側の面）には、通常のＤＶＤにはない高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質層５が新たに設けられている。飽和非線形屈折率媒質層５に入力されるアクセス光ビーム２０の半径は、光ディスク外部においた集光用レンズ１を用いて従来技術により、先のシミュレーションに用いたビーム半径 ｗ_in ＝０.３４μｍ 程度に保つことができる。飽和非線形屈折率媒質層５の厚さ t は、先の計算機シミュレーションによって得られた第２のビームウエストを生じる伝搬距離ｚ₂ ＝１.１μｍに選んである。飽和非線形屈折率媒質層５の底面５６（図４では層５の上側の面）には情報が記録される（または、記録されている）記録層６が設けられている。上の飽和非線形屈折率媒質層５の厚さt の選択によって、飽和非線形屈折率媒質層５と記録層６との境界面（前記底面５６に同じ）におけるビーム半径を、先の計算機シミュレーションで得た飽和非線形屈折率媒質中に生じる第２のビームウエストの半径 、ｗ₂＝０.２２μｍにまで絞ることができる。またこの第２のビームウエストの位置は、既知のフォーカスサーボコントロール技術により常に飽和非線形屈折率媒質層５と記録層６の境界面５６上に来るように保たれる。記録層６の底面（図４では層６の上側の面）には、記録層６を支持し保護する裏面の基板７が設けられている。

光ディスク又は光記録媒体内部での光ビームの挙動を詳しく説明するために、図４の光ディスク又は光記録媒体の断面構造図中の破線枠８で囲まれた領域を拡大して図５に示す。図５のプラスチック層４内では光ビームは、幾何光学としての表示による光線によってではなく、ガウスビームプロファイル１０１によって示した。また、飽和非線形屈折率媒質層５内では先の図３中に示したシミュレーション結果のビームプロファイル１１０の第２のビームウエストまでの部分で示した（ただし、この図５では、図の横方向と縦方向の距離のスケールを同程度にとったので、ビームプロファイル１１０の形状が図３中のビームプロファイル１１０のものにくらべてビームの伝播軸ｚの方向に引き伸ばされた形となっている）。飽和非線形屈折率媒質層５は、一般にプラスチック層の材料として用いられているポリカーボネートまたはアリル系ポリマー中にカーボンナノチューブを分散させたものである。したがって、その層５の線形屈折率ｎ₀ は、プラスチック層４の材料であるポリカーボネートの屈折率１.６にほぼ一致しており、それにより飽和非線形屈折率媒質層５とプラスチック層４の境界面４５における反射は低く抑えられる。記録層６には、ＤＶＤの用途に応じて、たとえば、ＤＶＤ−ＲＯＭの場合にはエンボスピット層、ＤＶＤ−Ｒの場合には色素層、あるいは、ＤＶＤ−ＲＷの場合には相変化記録材料層などを用いればよい。また、この記録層６の底面部（図５では層６の上側の面）には、読み出し戻り光をよく反射するための反射層６７を含んでもよい。反射層６７としては、好ましくは厚さ１μｍ程度のアルミニウム蒸着層を用いうる。
飽和非線形屈折率媒質層５と記録層６の境界面５６にある記録層の表面は光源と共焦点関係を維持しているので、記録層境界面５６からの読み取り反射光は入射光ビームと同一のビームプロファイルを持ち、その進行方向は光検出器（図示していないが図５の下の方）へと、入射光ビームとは逆方向に伝播して光検出器での読み出しが可能となる。

飽和非線形屈折率層５についてのパラメータ値を表２の値によって行った先のシミュレーション結果によれば、以上の構成によって、飽和非線形屈折率媒質層５の入力端面４５では ｗ_in ＝０.３４μｍであったビーム半径が記録層６の入力境界面５６ではｗ_２＝０.２２μｍとｗ_in の１/１.６に縮小され、ディスクの記録容量は現用のＤＶＤの２.６（１.６の２乗）倍の増大が期待できる。なおこの実施例におけるプラスチック層４は厚さ０.６ｍｍのポリカーボネートであり、その屈折率は約１.６である。飽和非線形屈折率媒質層５は厚さ約１.１μｍであり、その屈折率は、ベース材として用いたアリル系ポリマーの屈折率１.６５に近いので、プラスチック層4と飽和非線形屈折率媒質層５との境界面における光の反射は小さく保たれる。記録層６は相変化記録媒体の場合はカルコゲナイド化合物材料の１μｍ以下の層、なお、色素記録媒体の場合は有機色素化合物の１μｍ以下の層、また裏面を保護する裏面の基板７は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートの層である。

実施例１の基礎となった図３のシミュレーション結果でも示されたように、飽和非線形屈折率媒質層を設置することによって、［式４］による誘電体中でのビームウエスト半径ｗ_dがほぼ実現できた。すなわち、飽和非線形屈折率媒質層を設けることによって得られる入力ビーム半径ｗ_inから飽和非線形屈折率媒質中の第２のビームウエスト半径ｗ_２への縮小率ｗ_２ /ｗ_in は、飽和非線形屈折率媒質の線形屈折率ｎ₀ に依存し、ｗ_２ /ｗ_inの値はｎ₀ に反比例して縮小されることが示された。
そこで、本実施例では、線形屈折率ｎ₀の値がより大きい飽和非線形屈折率媒質の使用を検討する。このような高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質は、実施例１と同様、アリル系などのポリマーにカーボンナノチューブを分散させた材料であるが、さらに、屈折率を増大するために、カーボンナノチューブと同時に酸化チタン（ルチル）または酸化ジルコンのナノ微粒体を分散させた材料を用いる。酸化チタン（ルチル）または酸化ジルコンの屈折率は２.３ であり、酸化チタン・ナノ微粒体のポリカーボネートへの分散による総合的線形屈折率ｎ₀ としては２.１のものが実現されている。

ルチル・ナノ微粒体とカーボンナノチューブを分散させたポリカーボネートを飽和非線形屈折率媒質として使用した場合について、計算機シミュレーションを実施した。シミュレーションに使用したパラメータを次の[表３]に示す。 線形屈折率が ｎ₀＝２.１であること以外は[表１]、[表２] のパラメータに等しい。

［表３］
アクセス用光ビームの波長： λ = ０.６５μｍ
集光レンズの開口数： ＮＡ = ０.６
入射ガウスビームのビーム半径： ｗ_in = ０.３４μｍ（z = ０ において）
入射ガウスビームの位相条件： 等位相面 ： 平面（ビームウエスト条件）
非線形屈折率： ｎ₂ = ５×１０^{- 12} ｍ²／Ｗ
飽和パラメータ： Ｉ_S = １０¹¹ Ｗ／ｍ²
線形屈折率 ： ｎ₀ = ２.１
入力パワー： Ｐ_{i n} = ３０ｍＷ

シミュレーションの結果を図６に示す。図中に符号１１０で示したビームプロファイルの最初の部分は後出の図７のディスク構造断面図中に示すビームプロファイル１１０に対応する。伝搬にともなうビーム半径の変化の様子は、実施例１の場合（ｎ₀ ＝１.６５）の様子に似ている。第２のビームウエストを生じる伝搬距離 z₂ は z₂ ＝１.２μｍ であった。本実施例ではｎ₀＝２.１と大きくとったことによって飽和非線形屈折率媒質中で得られる第２のビームウエスト半径 ｗ₂ は ｗ₂＝０.１８μｍとなり、実施例１の場合にくらべてさらに縮小されている。第２のビームウエスト半径の縮小率 は ｗ₂ /ｗ_in ＝０.１８/０.３４＝１/１.９で、この結果は、縮小率がｎ₀ の値に依存し、具体的には 1/ｎ₀ で与えられるという先の予想、1/ｎ₀ ＝ 1／２.１に近い値を示している。この縮小率による光ディスク記録容量の現用のＤＶＤに対する増加率は約３.６（１.９の２乗）倍である。

上のシミュレーション結果にもとづく本実施例の光ディスク要部断面の拡大図を図７に示す。本実施例では、飽和非線形屈折率媒質層５の厚さｔは、上のシミュレーション結果の z₂ に合わせて t = １.２μｍに選んである。なお、この実施例におけるプラスチック層４は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートであり屈折率は約１．６である。記録層６は相変化記録媒体の場合はカルコゲナイド化合物材料の１μｍ以下の層、なお、色素記録媒体の場合は有機色素化合物の１μｍ以下の層であり、また裏面の基板７は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートの層である。
飽和非線形屈折率媒質の線形屈折率をｎ₀ ＝２.１としたので、飽和非線形屈折率媒質層６とプラスチック層４として用いているポリカーボネートの屈折率１.６との間にかなり差がある。したがって、プラスチック層４と飽和非線形屈折率媒質層５との境界面４５で反射が生ずる。この反射をなくすために、プラスチック層４と飽和非線形屈折率媒質層５との境界面に無反射コーティング層９を挿入している。 この構成によって、小さいビームウエスト半径ｗ₂（０.１８μｍ）が得られ、それにより、記録容量の従来比３.６倍の増加が反射光量の損失を伴わずに得られる。

実施例１、実施例２によって、飽和非線形屈折率媒質層の付加により飽和非線形屈折率媒質中のビームウエスト半径ｗ₂はほぼ飽和非線形屈折率媒質の線形屈折率ｎ₀ に反比例して縮小されることが示された。
線形屈折率ｎ₀ のより大きい材料として種々の半導体や金属の酸化物が考えられる。ここでは、このような高屈折率を有する飽和非線形屈折率材料として、アモルファスシリコンまたはアモルファス化合物半導体にカーボンナノチューブを分散させた材料を用いる。半導体の中ではアモルファス半導体が光ディスク製造の観点から望ましい材料である。これら高屈折率材料の屈折率は２.５から３.５付近にある。たとえば、アモルファスＧａＡｓにカーボンナノチューブを分散させた飽和非線形屈折率媒質の線形屈折率ｎ₀ としては３.０付近の値が得られると考えられる。

カーボンナノチューブを分散させたアモルファス半導体を高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質として使用した場合について、計算機シミュレーションを実施し、飽和非線形屈折率媒質中でのビームウエスト半径を求めた。シミュレーションに使用したパラメータを次の［表４]に示す。 線形屈折率の ｎ₀ ＝３.０以外、［表３］のパラメータに等しい。

［表４］
アクセス用光ビームの波長： λ = ０.６５μｍ
集光レンズの開口数： ＮＡ = ０.６
入射ガウスビームのビーム半径： ｗ_in = ０.３４μｍ
入射ガウスビームの位相条件： 等位相面 ： 平面（ビームウエスト条件）
非線形屈折率： ｎ₂ = ５×１０^{- 12} ｍ²／Ｗ
飽和パラメータ： Ｉ_S = １０¹¹ Ｗ／ｍ²
線形屈折率 ： ｎ₀ = ３.０
入力パワー： Ｐ_{i n} = ３０ｍＷ

シミュレーションの結果を図８に示す。図８中に符号１１０で示したビームプロファイルの最初（左端）の部分の区間ａ−ｂは後出の図９の光ディスク構造断面図中のビームプロファイル１１０の区間ａ−ｂ部に対応する。第２のビームウエストを生じる区間ａ−ｂのｚ軸方向伝搬距離 z₂ は z₂ = １.３μｍ であった。本実施例では飽和非線形屈折率媒質６の線形屈折率ｎ₀ を実施例１の場合（ｎ₀ ＝１.６）または実施例２の場合（ｎ₀ ＝２.１）よりさらに大きくｎ₀ ＝３.０をとった。このような高屈折率を有する飽和非線形屈折率媒質６中で得られる第２のビームウエスト半径 ｗ₂ は ｗ₂＝０.１４μｍと、実施例１または実施例２の場合に比して、さらに縮小されている。ビームウエスト半径の縮小率ｗ_２/ｗ_in は ｗ_２/ｗ_in＝０.１４/０.３４＝１/２.４であり、この値は実施例２の場合と同様、縮小率がｎ₀ の値に依存し、1/ｎ₀ で与えられるというさきの予想の、1/ｎ₀ ＝ 1／３.０に近い値であった。この縮小率による光ディスク記録容量の、現用のＤＶＤの記録容量に対する増加率は約５．８（２.４の２乗）倍である。

上のシミュレーション結果にもとづく本実施例の光ディスク要部断面の拡大図を図９に示す。
本実施例では、飽和非線形屈折率媒質層５の厚さtは上のシミュレーション結果の z₂ に合わせて t = １.３μｍに選んである。本実施例においても飽和非線形屈折率媒質層６の線形屈折率 ｎ₀ ＝３.０とプラスチック層４として用いているポリカーボネートの屈折率１.６とが異なっているため、プラスチック層と飽和非線形屈折率媒質層との境界面に無反射コーティング層９が挿入してある。なおこの実施例におけるプラスチック層４は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートであり屈折率は約１．６である。記録層６は相変化記録媒体の場合はカルコゲナイド化合物材料の１μｍ以下の層、なお、色素記録媒体の場合は有機色素化合物の１μｍ以下の層、また裏面を保護する裏面の基板７は厚さ０.６ｍｍのポリカーボネートの層である。

以上の各実施例においては、シミュレーションの入力端における境界条件として、外部集光レンズによる入射光ビームのビームウエストをすべて飽和非線形屈折率媒質層の入射面に一致させる配置をとった。しかし本特許発明を実施するためには、この配置は必ずしも必要条件ではなく、飽和非線形屈折率媒質層中で発生する第２のビームウエストを記録層６の入力面近傍部の記録面に一致させる配置であればよい。その配置によって光源と記録面上のビームウエストの共焦点関係が維持される。
以下に述べる実施例４（図１０及び図１１）においては、外部集光レンズによる入射光ビームのビームウエストを飽和非線形屈折率媒質層の入射面にではなく、直接、記録層６の入力面５６に一致させるように入射させた。外部集光レンズのＮＡは先の実施例３と同じくＮＡ＝０.６とした。その他のパラメータは実施例３のものと同じである。
図１０は実施例４のシミュレーションの結果である。図中に符号１１０で示したビームプロファイルの最初の部分の区間ａ−ｂは後出の図１１のディスク構造断面図中のビームプロファイル１１０の区間ａ−ｂ部に対応する。本シミュレーションの結果では、記録層６の光ビーム入力面５６上のビームウエストである第２のビームウエスト（但しこのシミュレーションでは第１のビームウエストは存在しない）以後ビームは発散してしまう。飽和非線形屈折率媒質層５への入射がビームウエストにおいてではないので、入射面でのビーム半径はビームウエスト入射の場合より大きい（入射ビーム半径ｗ_in =０．４μｍ）が、収束状態で入射するためにビームの回折広がりが抑えられ、記録層６への入力面５６上での第２ビームウエストの半径ｗ₂ は ｗ₂＝０.１１μｍにまで絞られている。また図１０に示す第２ビームウエストの位置z₂はz₂＝０.８μｍである。

ビームウエスト半径の縮小率は、実施例３（ビームウエスト状態で入射）におけるビームウエスト入射時の入射面でのビームウエスト半径ｗ_in＝０.３４μｍと比較して、ｗ_２/ｗ_in＝０.１１/０.３４＝１/３.５である。この実施例での結果は、縮小率が飽和非線形屈折率媒質層の線形屈折率の逆数1/ｎ＝１/３以上に縮小されていることを示しており、入力が収束状態で行われている結果、強度な集光が行われて飽和非線形性によって増大した屈折率で決まる縮小率が得られることを示す。得られた縮小率によるディスク記録容量の現用のＤＶＤの記録容量に対する増加率は約１２.３（３.５の２乗）倍である。

以上のシミュレーション結果にもとづく本実施例のディスクの要部断面の拡大図を図１１に示す。飽和非線形屈折率媒質層５の厚さtはシミュレーション結果の z₂ に合わせてt=０.８μｍに選んである。本実施例においても、飽和非線形屈折率媒質層６の線形屈折率 ｎ₀ ＝３.０とプラスチック層４として用いているポリカーボネートの屈折率１.６とが異なっているので、プラスチック層と飽和非線形屈折率媒質層との境界面に無反射コーティング層９を挿入して入射光ビームの反射によるロスを防いでいる。

また、以上の実施例１から実施例４までにおいては、集光レンズの開口数（ＮＡ）は、いずれもＮＡ = ０.６とした。その場合には、保護層であるプラスチック層としては現行ＤＶＤの比較的保護効果の大きい０.６ｍｍ厚程度のものが好適である。しかし、本発明の効果は保護層の厚みに依存するものではないので、種々の厚みの保護用プラスチック層をもつ種々のタイプのディスクに適用できる。本発明の効果は記録面の直前に飽和非線形屈折率媒質層を設けるだけで可能であるから、プラスチック層を持たない表面記録型の記録媒体にも適用できる。
また、将来の新技術による光ディスクに対しても、上記のような構成が適用可能である場合には、これを適用することよって、それぞれの新技術よって得られる記録容量ならびにアクセススピードを、飽和屈折率についての非線形性によって得られる改善率の分だけ向上させることができる。なおこの実施例におけるプラスチック層４は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートであり屈折率は約１．６である。記録層６は相変化記録媒体の場合はカルコゲナイド化合物材料の１μｍ以下の層、なお、色素記録媒体の場合は有機色素化合物の１μｍ以下の層、また裏面を保護する裏面の基板７は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートの層である。

実施例１から実施例４では、すべて飽和非線形屈折率媒質層５に密着して記録層６を設置する構造を持っていた。これらの実施例において、図３、図６、図８、図１０のそれぞれのシミュレーション結果が示すように、いずれも明確なビームウエストが存在することから、飽和非線形屈折率媒質層５の入射側境界面４５への入射光ビームの入射位置からビームウエストが存在する位置までの深さにおける飽和非線形屈折率媒質層５の入射側境界面４５と平行な面５６を記録面６とし、飽和非線形屈折率媒質層５の厚さ t を決めた。その結果、記録層６とアクセス光ビームの光源または検出器（いずれも図示せず）との間に共焦点関係が成立し、アクセス光ビームによる書き込み、読み取り動作が可能となる配置となっている。また、この共焦点関係を維持するために、上記のビームウエストを利用してフォーカスサーボを行うことが可能であることを実施例１から実施例４に述べた。

本実施例５では、飽和非線形屈折率媒質層（実施例１から実施例４まででは、符号５で示したもの）をビームウエストを得る厚さよりある程度薄くして、その直後に線形屈折率媒質の薄層（後述の図１３に符号１０で示す）を密接して置き、さらにその後に密着して記録層６を配置する構造をとっている。この構造によって光ビームの伝搬方向に関して急峻に変化する形をもつビームウエストを得ることができる。
図１２に本実施例についての計算機シミュレーションの結果を示す。図中の縦線Ａ−Ｂは、符号Ｎで示す飽和非線形屈折率媒質領域Ｎと符号Ｌで示す線形屈折率媒質領域Ｌとの境界線を表わしている。飽和非線形屈折率媒質領域Ｎでのパラメータには実施例３での飽和非線形屈折率媒質のパラメータと同一のパラメータを用いた。(すなわち、領域Ｌでのパラメータは ｎ₂ = ５×１０^-12 ｍ²／Ｗ、Ｉ_S =１０¹¹ Ｗ／ｍ²、 ｎ₀ = ３.０)。線形屈折率媒質領域Ｌでのパラメータには、そこでの非線形屈折率ｎ₂ をゼロとする以外は、領域Ｎの飽和非線形屈折率媒質のパラメータと同一のパラメータを用いた（すなわち、領域Ｌでのパラメータは、ｎ₂ = ０、Ｉ_S =１０¹¹ Ｗ／ｍ²、ｎ₀= ３.０）。その他のパラメータは実施例３のものと同じである。図１２中の点ａは飽和非線形屈折率媒質領域Ｌへのビーム入射点、境界線Ａ-Ｂ上の点c は線形屈折率媒質領域Ｌへの入射点にそれぞれ対応している。図１２中に符号tで示す飽和非線形屈折率媒質領域Ｎの厚さは１μｍである。この厚さの選択は、前述のごとく飽和非線形屈折率媒質中のビームウエストまでの距離（実施例３で示されたように１.３μｍ）よりある程度薄くしたことによる。光ビームが飽和非線形屈折率媒質領域Ｎを通過してc点で線形屈折率媒質領域Ｌに入ると、光ビームは線形屈折率媒質中のガウスビームとして振舞う。すなわち、非線形屈折率による集束性がなくなるので、c点からわずか０.１５μｍの短い伝搬距離にあるd 点でビームウエストを生じ、その後、回折によってビーム径は急速に増大する。このように、領域Ｎから領域Ａにかけての光ビームの振る舞いによって、光ビームはごく短距離の間に大きなビーム半径の変化を伴ったビームウエスト、言い換えれば、シャープなビームウエストを生じる。

上の本実施例の計算機シミュレーションとの比較のために、図１２中に実施例３の計算機シミュレーションによるビームプロファイルを破線のカーブ１１５で示す（飽和非線形屈折率媒質領域Ｎ中では本実施例の実線１１６で示すビームプロファイルと完全に重なっている）。図１２に実線で示す本実施例のビームウエストの方が破線で示す実施例３のビームウエストに比して格段にシャープな形をもっていることがわかる。なお、本実施例で得られるビームウエスト半径ｗ'_２は実施例３のビームウエスト半径ｗ_２よりも若干拡大されて大きくなるが、その拡大の率は１４％に過ぎない。
このように、本実施例の構造によって、シャープな、すなわち、軸方向位置に対するビーム径の変化の大きいビームウエストが得られる。このようなシャープなビームウエストに対して光検出器を共焦点関係に維持して配置し、この光検出器によって記録層または反射層からの反射光を検出すれば、上記ビームウエストの記録層または反射層からのずれ（すなわち、フォーカスのずれ）に依存したシャープな検出出力の変化が得られる。このようなシャープなビームウエストからの検出出力の変化に対して、一般に光ディスクに対して広く使われている変調微分方式によるフォーカスずれ符号検出法、あるいは、検出器直前に設置したアナモルフィック光学系と４分割光検出器によるフォーカスずれの符号検出法などを適用すれば、高い位置弁別能を持つフォーカスサーボ系を構成できる。その高い弁別能を用いて光ディスクまたは光記録媒体における光ビームのトラッキングを高精度に実行することができる。
なお、本実施例で得られるビームウエスト半径の縮小率ｗ_２／ｗ_ｉｎは、飽和非線形屈折率媒質層への入射点でのビームウエスト半径ｗ_inを実施例３の場合と同じくｗ_in＝０.３４μｍと選んでいるので、ｗ_２/ｗ_in＝０.１６/０.３４＝１/２.1となり、この縮小率（１／２．１）にもとづく現用のＤＶＤの光ディスク記録容量に対する記録容量増加率は約４.４（上記２.１の２乗）倍となる。

以上の計算機シミュレーションの結果から、ごく薄い線形屈折率媒質層を飽和非線形媒質層と記録層との間に設置することによって、シャープな変化形状をもつビームウエストが、ビームウエスト半径の大幅な増大を伴うことなく得られることが示された。
この計算機シミュレーションの結果にもとづく本実施例の光ディスク要部断面の拡大図を図１３に示す。飽和非線形屈折率媒質層５の厚さ t は、図１２のａ点とc 点間の伝搬距離に対応する厚さに選ばれている。すなわちt ＝1μｍである。飽和非線形屈折率媒質層５と記録層６との間に図１２中のc点とd点に対応した伝搬距離に相当する厚さt'= ０.１５μｍの線形屈折率媒質層１０が設置されている。線形屈折率媒質層１０の材料として本実施例では、実施例３の飽和非線形屈折率層のベース材料であるＧａＡｓなどのアモルファス半導体を用いた。ただし、この層は線形屈折率層であるので、カーボンナノチューブのような飽和非線形屈折率性を生ずる媒質を加えない。また、飽和非線形屈折率媒質層５とプラスチック層４との間には無反射コーティング層９が挿入してある。なおこの実施例におけるプラスチック層４は厚さ０．６ｍｍのポリカーボネートである。記録層６は相変化記録媒体の場合はカルコゲナイド化合物材料の１μｍ以下の層である。なお色素記録媒体を用いる別のバージョンの場合は記録層６は有機色素化合物の１μｍ以下の層が好ましい。また裏面を保護する裏面の基板７は厚さ０.６ｍｍのポリカーボネートの層である。

先に述べてきた実施例の計算機シミュレーションにおいては、飽和非線形媒質として、すべてカーボンナノチューブを分散したポリマーを想定した。その非線形屈折率n₂としては、一般的に推定されている値 ｎ₂ = ５×１０^{- 12} ｍ²／Ｗを用いた。その後（2005年前半）、非線形屈折率が大きいと考えられるナノメートルオーダーの直径を有する単層カーボンナノチューブについて光通信波長帯である波長1.6μmにおける測定結果が報告された。（ A. Maeda et al., Physical Review Letters 94, 047404 "Large Optical Nonlinearity of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes under Resonant Excitations", (3 February, 2005) ）その値は、３次非線形分極率（実部）Re(χ⁽³⁾)=1.3±0.21×10^-6esu である。これを分散する媒質の線形屈折率をｎ₀=2.1 として非線形屈折率ｎ₂に換算すると、ｎ₂ = 3.6×１０^-12ｍ²／Ｗ となる。この値は以上の実施例のシミュレーションで用いた上掲のｎ₂値に非常に近い。しかし、そこで測定に用いられた波長は上に述べたように1.6μmであり、光記録波長帯である波長 650nmまたは405nmにおける測定結果は未だ報告されていない。

そこで本発明者らは、単層カーボンナノチューブについて、光記録波長帯である波長405 nmにおいて、非線形屈折率の測定に一般的に用いられるZスキャン法（ M. Sheik-Bahae, A. A. Said, Tai-Huei Wei, D. J. Hagan, E. W. Van Stryland；"Sensitive Measurement of Optical Nonlinearities Using a Single Beam", IEEE Jour. of Quantum Electronics, vol. 26, No, 4 (1990年4月), pp.760−769）を用いてカーボンナノチューブの非線形屈折率の測定を行なった。

測定用光源にはチタンサファイアモード同期レーザーのフェムト秒パルスを用い、被測定媒質への熱的影響をできるだけ避けるように配慮した。測定ビームの中心波長を406nmと平均直径1.1nm（ナノメーター）の単層カーボンナノチューブを分散させたジメチルスルオキシド（DMSO）溶液を石英基板上にスピンコートしたサンプルを用いた。塗布厚は約0.2ミクロンである。その結果、非線形屈折率ｎ₂の実測値、ｎ₂ = １±０.５×１０^-12 ｍ²／Ｗ が得られた。

上に得られた非線形屈折率ｎ₂の実測値を用い、以上の実施例における計算機シミュレーションで用いた波長６５０ｎｍを、今後用いられる光記録用波長である４０５ｎｍ（たとえば、後藤顕也、「近接場光記録技術」、レーザー研究, ３２巻,１号,２２ページ［参考文献１］参照）とし、その他の条件を実施例４と同一にして、実施例における計算機シミュレーションを行なった。用いたパラメータをまとめると、下の[表４]となる。

［表４］
アクセス用光ビームの波長： λ = ４０５ｎｍ
集光レンズの開口数： ＮＡ = ０.６
入射ガウスビームのビーム半径： ｗ_in = ０.２５μｍ（ z = ０ において ）
入射ガウスビームの位相条件： ＮＡ = ０.６集束レンズによる集束ビーム
非線形屈折率： ｎ₂ = １×１０^{- 12} ｍ²／Ｗ
飽和パラメータ： Ｉ_S = １０¹¹ Ｗ／ｍ²
線形屈折率 ： ｎ₀ = ２.１（アリル系ポリマーへのルチルの同時分散を想定）
入力パワー： Ｐ_{i n} = ３０ｍＷ

図１６に本実施例についての計算機シミュレーションの結果を示す。z=０ における初期条件は、ディスク外に置かれたＮＡ=０.６の集光レンズによって飽和非線形媒質層中に励起されたビームが集光過程にあるとした場合に対応する。飽和非線形媒質層中の伝搬距離z=０.２６μｍにおいてビームウエストに達し、ビームウエスト半径 ｗ₂=０.０６μｍ の非常に小さいビームウエスト半径が実現できることが示された。ここに記録層を置けば光記録密度の飛躍的な向上が期待できる。飽和非線形媒質を使わない場合に期待されるビームウエスト半径 ｗ は、波長をλ = ４０５ｎｍ、集光レンズのＮＡをＮＡ = ０.６、媒質の線形屈折率をｎ₀=２.１として、[１０]式よりｗ＝０.２１μｍ であるので、本実施例におけるビームウエスト半径縮小率はｗ₂/ｗ =０.０６/０.２１=
０.２９ で、ディスク記憶容量の増大率は約１２（（1/０.２９）の２乗）倍となる。

上に計算機シミュレーションによって得られ飽和非線形媒質を用いることによるディスク記憶容量の増大率は、ＮＡ = ０.６の集光レンズで得られたものである。したがって、着脱可能なディスクの表面に設けられるプラスチック保護層の厚さを従来ディスクにおける０.６ｍｍ（たとえば、後藤顕也、「近接場光記録技術」、レーザー研究, ３２巻,１号,２２ページ 参照）に保ったまま、ディスク表面のよごれや疵などの影響を回避でき、ベアータイプのディスク形態を採用することも可能な取り扱いが容易で薄形の大容量ディスクが実現できる。
上に述べたように、プラスチック保護層の厚さを従来ディスクと同一に保ったまま大容量化できることは、本発明による大容量用ディスク装置によって従来標準ディスクの記録、読み取りが可能なことを意味している。このことによって、本発明による大容量用ディスク装置の従来標準ディスクに対する下位互換性（コンパチビリティー）維持が可能となる。
また、本発明による大容量用ディスクは、従来のディスク媒体の記録層の直前に厚さ1μｍ以下の飽和非線形屈折率層を付加するだけであるから、従来の光ディスクの製造設備にごく僅かの変更を加えるだけで、その製造が可能となる。
また、本実施例においても、実施例５で行なったような線形媒質層の挿入によるビームウエストのより一層のシャープ化によるフォーカスサーボの高精度化を導入することも可能である。

以上に、０.６ｍｍ厚のプラスチック保護層を有するディスク媒体に対して、本発明を適用する例を述べてきた。それとは別に次世代光ディスクとして、厚さほぼ０.１ｍｍプラスチック保護層を有するディスク媒体をＮＡ = ０.８５の高集光性を有する集光レンズと組み合わせて用いる方式も提案されている[前記参考文献１]。このような光ディスク媒体においては、保護層が薄いため、ベアーディスクとしての使用が難しく、従来ディスクとの互換性に欠け、しかも、従来の光ディスク製造設備の転用可能性にも限界がある。しかし、本発明光ディスク媒体の構造が従来の記録層の直前に厚さ1μｍ以下の飽和非線形屈折率層を付加するだけであるから、ほぼ０.６ｍｍ厚のプラスチック保護層を有する場合と同様に大容量化を達成でき、その場合、得られる大容量化率としては、先のほぼ０.６ｍｍ厚の場合とほぼ同一の値が得られる。

飽和非線形屈折率媒質層５の非線形屈折率が光強度変化に対して持つ応答速度は、その層５に含まれるカーボンナノチューブの最外殻電子遷移由来のものである。したがって前記応答速度はピコ秒台の高速なものであり、書き込み読み出し用アクセス光ビームが数十ピコ秒以上ナノ秒台以下のパルス幅の繰り返しパルス列であっても、飽和非線形屈折率はそのような光ビームに対して十分応答する。それゆえ光ビームを高速に変調しても所望のビームウエスト径を得ることができる。一方、光ディスクの書き込みは、色素熱分解基板変形方式あるいは相変化方式など、熱的な変化にもとづくものが一般であるので、繰り返しパルス動作であっても、その平均パワーによって書き込み動作を行うことができる。
たとえば、光ディスクのアクセス光ビーム用光源として用いられている数十ｍＷ程度までの半導体レーザーを、ディスクへの書き込み読み出しビットレートを十分上回る数百ＭＨｚ程度までの繰り返し周波数でパルス幅数１００ピコ秒から数ナノ秒程度のパルス幅のパルス列でパルス変調することが可能である。このような変調によるパルス動作では、半導体レーザーの平均動作出力の許す範囲内でパルスピークパワーと平均光パワーを自由に組み合わせて変化させることができる。

このように半導体レーザーからのパルス光ビームについての上述の特性を利用すれば、その繰り返し光パルスのパルス光のピークパワーとそのデューティー比を当該半導体レーザーの許容平均動作出力範囲内で独立に変化させることにより以下の（１）、（２）のことが可能となる。
（１）上記許容平均動作出力範囲内で繰り返しパルス光のパルスのデューティー比を小さくしてパルスピークパワーを増大することによって、より小さいビームウエスト径を得ることができ、あるいは、非線形屈折率ｎ₂ の小さい飽和比線形屈折率媒質であっても所要のビームウエスト径を得ることができる。
このことを式［１２］を用いて説明する。すなわち、パルスピークパワーを増大すると、式［１２］中の光強度Iが大きくなる。Iが大きくなると、式［１２］に従って飽和非線形屈折率媒質層内のビーム断面内で屈折率ｎはｎ₀+ｎ₂I_S まで増大する。したがって、屈折率の飽和パラメータＩ_Sの大きい材料を使えば、I及びまたはｎ₂を増加することによりビーム断面内で屈折率ｎを増大することができ、光ビームによって飽和非線形屈折率媒質層中に生成される凸レンズ効果が大きくなり、それに応じてビームウエスト径が縮小される。
（２）書き込み、読み出しは光の平均パワーに依存するので、光パルスのピークパワーを（１）のように維持しつつパルスのデューティー比を調節することによって、相変化方式におけるオーバーライト（上書き記録）に必要な２つの異なるレベルの平均パワー、読み出し時の平均パワーレベル、あるいは、色素方式の書き込み、読み出しなどに必用な平均パワーなどを、ビームウエスト径に影響を与えることなく、それぞれ独立に調節することができる。

本発明特許を読み取り再生専用に実施するために必要な光ビームを供給する光制御装置は、読み取り再生動作に必要な連続光、または一定の繰り返し周波数と一定のデューティー比を持つ繰り返しパルス光を備えたものであればよい。

本発明特許を書き込み記録及び読み取り再生の双方に対して実施するためには、先に述べたように繰り返し光パルスを用いる必要がある。図１４は書き込み記録及び読み取り再生両動作モードを実施するための光制御装置の要部の概略構成をブロック図で示したものである。
記録信号入力１６０は変調回路１５８に入力される。変調回路１５８からの出力は電源動作モード切り換えコントローラー１５２に入力される。電源動作モード切り換えコントローラー１５２は、半導体レーザー１５０へ入力される半導体レーザー励起用電源１５１の出力を連続モードとするかパルスモードとするかの切り換えをし、またパルスモードとした場合、パルスのデューティー比を調節して、記録の書き込み、オーバーライト、消去、および記録の読み出し再生などの各動作モードにそれぞれ必要な各平均光パワーが半導体レーザーから出力されるように切り換えて動作させる。半導体レーザー１５０からの光ビームはコリメータレンズ１５３でコリメートされ、ビームスプリッター１５４を通過して集光レンズ１で集光され、光ディスク１００の記録面に集光され、記録面にある情報を読み出すか、記録面に情報を書き込む。読み出しの際の記録面からの反射光は、反射面に光ビームのビームウエストが一致するようフォーカス制御されているので、入射光ビームと実質的に同じビームプロファイルをもって逆行し、集光レンズ１でコリメートされ、ビームスプリッター１５４で反射されて集光レンズ１５５に向かい、さらに集光レンズ１５５で光検出器１５６に集光される。光検出器の出力は信号再生回路１５７を経て、再生信号出力１６１として出力される。
上に述べた光制御装置によって、本特許発明による光ディスクまたは光記録媒体の書き込み記録及び読み取り再生両動作モードを安定かつ確実に実施することができる。

大きな飽和非線形屈折率を得るのにナノ微粒体のように共鳴的な非線形屈折率エンハンスメント効果を用いるものにおいては、非線形屈折率と同時に非線形吸収が存在する。そこで、非線形吸収をできるだけ避けて非線形屈折率の効果を最大に利用できるような光周波数の選択が望ましい。このことを共鳴的な屈折率ならびに吸収係数の光周波数に対する変化の様子を表わす下記の式[１３]、[１４]の、周知のクラマース・クローニッヒの関係式にもとづいて説明する。

共鳴的屈折率変化 ∝ （ｆ_０-ｆ）/｛（ｆ_０-ｆ）^２ ＋１｝ ・・・[１３]

共鳴的吸収係数変化 ∝ １ /｛（ｆ_０-ｆ）^２ ＋１｝ ・・・[１４]

ただし、簡単のため比例式の形で示した。また、ｆ_０ は共鳴中心の光周波数であり、ｆ は共鳴的吸収係数変化の半値半幅の周波数で規格化した規格化光周波数である。

図１５は上の式[１３]、[１４]のクラマース・クローニッヒの表わすナノ微粒体などの持つ共鳴的な非線形屈折率エンハンスメント効果による屈折率または吸収係数の変化分を示している。実線のカーブ２０１Ｌ、２０１Ｈは共鳴にもとづく屈折率変化を、また破線のカーブ２０２Ｌ、２０２Ｈは共鳴にもとづく吸収係数変化をそれぞれ表わしている。また、２０１Ｌ、２０２Ｌはそれぞれ入射光強度が小さい場合のカーブ、２０１Ｈ、２０２Ｈはそれぞれ入射光強度が大きい場合のカーブである。図からわかるように各カーブは入射光強度が大きいと周波数軸（横軸）に向かって上下方向に圧縮されている。これらのカーブはいずれも式[１３]と式[１４]のクラマース・クローニッヒの比例式によって描かれたものである。各カーブの上下方向の入射光強度の変化に対する圧縮されかたの度合いがそれぞれ非線形屈折率ならびに非線形吸収の大きさに対応している。図１５中の共鳴周波数ｆ_０では吸収係数の光強度による変化は矢印Ｃの長さが示すように最大であるが、そこでの屈折率の光強度による変化は図に見るようにゼロであるので非線形屈折率はゼロである。

以下の説明は本発明特許に関連のある共鳴周波数ｆ_０の高周波数側（縦軸の右側）について行う。低周波数側についても類似の説明ができるが、その側は本発明特許に関連しないのでここでは上記の高周波数側についてのみ説明する。共鳴中心周波数ｆ_０から高周波数側に規格化周波数ｆ=１だけ離調した周波数ｆ_１での非線形吸収係数は矢印Ｄの長さで示されるように共鳴中心周波数ｆ_０における値（矢印Ｃの長さで示される）の１／２に減少する。他方、非線形屈折率は、この周波数ｆ_１(ｆ=１)で最大（矢印Ａの長さで示される）となる。また非線形屈折率の符号は、共鳴中心周波数ｆ_０より高周波数側に離調した周波数では、図１５から読み取れるように、入射光強度の増大（カーブ２０１Ｌを与える小さい入力光強度からカーブ２０１Ｈを与える大きい入射光強度への増大）による屈折率の変化の態様は、たとえば周波数ｆ_１においては、矢印Ａの方向(上向き)で示されるように、屈折率が光強度の増大につれて増大するタイプの変化である。すなわち、共鳴中心周波数ｆ_０より高周波数側に離調した周波数では非線形屈折率の符号はプラスである。本発明特許を実施する上では、符号がプラスの飽和非線形屈折率が必要であることは先にも述べた通りである（[００４０]および[０００９]参照）。したがって、ここで述べるように、特に共鳴的な非線形屈折率エンハンスメント効果を用いる場合には、共鳴周波数ｆ_０より高周波数側に離調した周波数を持つアクセス用光ビームを用いる必要がある。周波数ｆ_１よりさらに高周波数側、例えばｆ_０から規格化周波数ｆ=３だけ離調した周波数f_３での非線形吸収係数は、図１５に矢印Ｅの長さで示されるように離調の程度が大きくなるにつれて急速に小さくなり、周波数f_３では共鳴中心周波数ｆ_０ における値（矢印Ｃの長さで示される）の１／１０と小さい値になる。他方、f_３での非線形屈折率は矢印Ｂの長さで示されるように周波数ｆ_１での非線形屈折率の最大値（矢印Ａの長さで示される）からの減少は比較的に緩やかで、最大値の３/５に減小するに過ぎない。したがって、破線のカーブで示される非線形吸収は十分小さく減少するが、符号がプラスでかつ非線形屈折率の値が３/５にしか減少しない値の得られる上記のような周波数f_３が、上述の共鳴中心周波数ｆ_０より高周波数側に離調した周波数のなかでも後記の［００９０］で記すように好ましい周波数である。

特許文献１から５にあげた非線形吸収にもとづくビーム径削減の効果は共鳴周波数ｆ_０で最大となるが、本発明による非線形屈折率にもとづくビーム径収束の効果は、共鳴周波数ｆ_０から高周波数側に離調した周波数f_１で最大となり、さらに高周波数側に離調すると、上述のように周波数f_３を超える周波数あたりまで緩やかに減少するのみである。この間、非線形吸収（破線）の方は急激に減少する。したがって共鳴周波数ｆ_０から高周波数側に離調した周波数f_１からf_３近辺までの光周波数を持つアクセス用光ビームを用いるのが本発明による光記録のためには好ましい。

以上の説明にもとづいて、特許文献１〜５に記載の可飽和吸収（非線形吸収）によるビーム径縮小の方法と本発明における飽和非線形屈折率によるビーム径縮小の方法との差異ならびに本発明の利点を以下（１）、（２）、（３）に列挙して記す。
（１）特許文献１〜５に記載の可飽和吸収（非線形吸収）によるビーム径縮小の方法においては吸収によって光ビームの外周部を削り取ってビーム径を縮小するので、ビーム径縮小のプロセスにエネルギー損失をともなう。一方、本発明の非線形屈折率によるビーム径縮小の方法においては光ビームを絞り込んでビーム径を縮小するのでエネルギー損失がない。
（２）特許文献１〜５に記載の可飽和吸収（非線形吸収）によるビーム径縮小の方法においては、エネルギー損失のため、書き込み、読み出しに必用とされるエネルギーの点からビーム縮小率に限界が生じる。本発明の非線形屈折率によるビーム径縮小の方法においては、エネルギー損失による限界は存在しない。
（３）特許文献１〜５に記載の可飽和吸収（非線形吸収）によるビーム径縮小の方法においては、エネルギー損失のため非線形媒質内でビームウエストが不明確となるかまたは消滅する。一般に光ディスクにおいては、ビームウエストが光源と共焦点関係にあることを利用して読み出しとフォーカスサーボコントロールが行われている。したがって、可飽和吸収（非線形吸収）によるビーム径縮小の方法においては、読み出しならびにフォーカスサーボコントロールにおける感度と精度の点からビーム縮小率に限界を生じる。本発明の非線形屈折率によるビーム径縮小の方法においては、エネルギー損失をともなわないので、ビームウエストが明確であり、これをフォーカスサーボコントロールに使うことができる。

ナノ微粒体のように共鳴的な飽非線形屈折率を用いるものにおいては、微粒体のサイズのばらつきによる不均一広がりによって非線形屈折率が低下しないよう、サイズ分散の少ないナノ微粒体を用いることが望ましい。

以上、本発明をある程度の詳細さをもって好適な実施形態について説明したが、それらの好適実施形態の現開示内容は構成の詳細について変化してしかるべきものであり、各構成要素の選択や組み合わせの変化は、請求された発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。

本発明に係る光記録媒体は記録層に密着するかまたはごく薄い（０.１μｍオーダー）線形屈折率媒質層を介して薄い（１μｍオーダー）飽和非線形屈折率媒質層を設けることによりビームスポット径を小さくでき、また従来のディスク製造設備をそのまま使って媒体をつくることができる点で、産業上の利用可能性がある。

ガウスビームのビームウエスト付近のプロファイルとそれに漸近する光線を示す図。 集光用レンズを含むディスク要部を模式的に示す鉛直方向断面構造図。 飽和非線形屈折率媒質内を伝搬する空間ソリトンビームの過渡的ビームプロファイル。 実施例１を示すディスク要部の鉛直方向断面構造図。 図４の要部を拡大した実施例１のディスクの要部拡大断面図。 飽和非線形屈折率媒質内を伝搬する空間ソリトンビームの過渡的ビームプロファイル。 実施例２を示すディスク要部の鉛直方向断面構造図。 飽和非線形屈折率媒質内を伝搬する空間ソリトンビームの過渡的ビームプロファイル。 実施例３を示すディスク要部の鉛直方向断面構造図。 飽和非線形屈折率媒質内の過渡的空間ソリトンビームのビームプロファイル。 実施例４を示すディスク要部の鉛直方向断面構造図。 飽和非線形屈折率媒質内とそれに続く線形屈折率媒質内での過渡的空間ソリトンビームのビームプロファイル。 実施例５を示すディスク要部の鉛直方向断面構造図。 本発明を実施した光制御装置のブロックダイヤグラム。 非線形屈折率と非線形吸収係数の光周波数についての変化を示すグラフ。 飽和非線形屈折率媒質内の過渡的空間ソリトンビームのビームプロファイル（波長４０５ｎｍ）

符号の説明

１ 集光用レンズ
４ プラスチック層
５ 飽和非線形屈折率媒質層
６ 記録層
７ 裏面の基板
８ 図５への拡大領域を示す枠
９ 無反射コーディング層
１０ 線形屈折率媒質層
２０ アクセス光ビーム
４５ プラスチック層と飽和非線形屈折率媒質層との境界面
５６ 飽和非線形屈折率媒質層と記録層との境界面
６７ 反射層
７６ 反射面
１００ 光ディスクまたは光記録媒体
１０１ ガウスビームのビームプロファイル、ガウスビーム光束
１０２ ガウスビームの漸近光線
１０３ ビーム光軸（z 軸）
１０４ プラスチック層
１０５ プラスチック層の空気との境界面
１０６ 記録層
１０７ 裏面の基板
１１０ 飽和非線形屈折率媒質内ビームプロファイル
１１１ 集光用レンズ
１１５ 飽和非線形屈折率媒質内ビームプロファイル
１１６ 線形屈折率媒質内ビームプロファイル
１２０ アクセス光ビーム
１５０ 半導体レーザー
１５１ 半導体レーザー励起用電源
１５２ 電源動作モード切り換えコントローラー
１５３ コリメータレンズ
１５４ ビームスプリッター
１５５ 集光レンズ
１５６ 光検出器
１５７ 信号再生回路
１５８ 変調回路
２０１Ｌ、２０１Ｈ 非線形屈折率のカーブ
２０２Ｌ、２０２Ｈ 非線形吸収係数のカーブ

【０００４】
ネルギーの損失が殆ど生ぜず、その結果、良好な信号対ノイズ比が得られる。また、この発明によれば、このようにしてつくった大容量光ディスクを従来の規格と同じ光ディスク装置によって制御すなわち書き込みおよび読み取りがおこなえ、現行の光ディスクのシステムとの間にコンパチビリティーを維持したまま、その大容量光ディスクの書き込み読み取りが可能なシステムを提供することができる。
［０００９］ 発明者は、光記録媒体の通過経路上、たとえば、光記録媒体の記録層の入射面上に、ある種の層を含むように構成することにより、記録面に入射する光ビームの直径を格段に小さくできることを見出した。ここに記録面というのは、記録層への入射ビームの入射面に近い記録層の部分を指すものとする。
そのある種の層とは飽和非線形屈折率媒質の層である。その飽和非線形屈折率媒質の層は通常、非線形屈折率材料と呼ばれているものを含んで構成されている。
飽和非線形屈折率媒質とは、屈折率が光強度に依存し、その光強度に対する依存度が飽和する媒質を言う。特に、本発明においては、その依存度の符号がプラスの場合、すなわち光強度の増大に対して屈折率が増加する場合、に限るものとする。このような光強度の増大に対して屈折率が増加するような光強度に対する依存性を、本発明では符号がプラスの非線形屈折率と呼ぶことにする。また、飽和非線形屈折率微粒体とは飽和非線形屈折率媒体材料のナノメータから数十ナノメータ台のサイズを持つ微結晶体を言う。
従来技術の課題を解決するための本特許発明の各観点による手段を以下に述べる。
［００１０］ 請求の範囲１の光記録媒体は、記録層へのアクセス用の光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層が高屈折率を有するポリマー中に飽和非線形屈折率微粒体を分散させた材料であることを特徴とする。
このようにすることによって集光ビームスポット径、すなわちビームウエスト径を小さくすることができる。
［００１１］
［００１２］ 請求の範囲３の光記録媒体は、記録層へのアクセス用の光の通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層がポリマー中に高屈折率微粒体と飽和非線形屈折率微粒体とを分散させた材料であることを特徴と


４

【０００５】
する。
このようにすることによって、ビームウエスト径を小さくすることができる。
［００１３］
［００１４］ 請求の範囲５の光記録媒体は、請求の範囲３の光記録媒体において、前記ポリマーがポリカーボネートまたはポリスチレンであることを特徴とする。
このような材料の選択によって、従来の製造設備をそのまま使うことができる。
［００１５］ 請求の範囲６の光記録媒体は、請求の範囲１または３の光記録媒体において、前記飽和非線形屈折率微粒体がカーボンナノチューブまたはＣ６０サッカーボールであることを特徴とする。
近時、カーボン微粒体の製造法が発展定着し、その安価な利用が可能となってきたことから、このようなカーボン微粒体の使用によって、飽和非線形屈折率媒質層の設置を必要とする本発明をコスト上昇を招くことなく実施することができる。
［００１６］ 請求の範囲７の光記録媒体は、請求の範囲３の光記録媒体において、前記高屈折率微粒体が酸化チタン（ルチル）、酸化ジルコン、シリコン及び化合物半導体からなる群から選ばれた少なくとも１つの高屈折率材料の微粒体であるであることを特徴とする。
酸化チタンや酸化ジルコン、シリコン及び化合物半導体は一般に広く使われている材料であり、その微粒体の使用によって、本発明を安価に実施することができる。
［００１７］
［００１８］
［００１９］
［００２０］
［００２１］ 請求の範囲１２の光記録媒体は、請求の範囲６の光記録媒体において、光記録媒体へのアクセス光ビームの周波数が前記飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であるアクセス用の光ビームにより書き込まれ読み取られることを特徴とする。
このようにすることによって、飽和非線形屈折率微粒体による吸収損失を避けながら、微粒体の符号がプラスの共鳴的に大きい飽和非線形屈折率を利用することができ、より小さいビームウエスト径を得ることができる。


５

【０００６】
［００２２］
［００２３］
［００２４］
［００２５］
［００２６］
［００２７］
［００２８］
［００２９］
［００３０］
［００３１］
［００３２］
［００３３］
【発明の効果】
［００３４］ ＣＤ、またはＤＶＤ等の光記録媒体の光入射面に高屈折率をもつ薄い飽和非線形屈折率媒質層を設けることで光ディスクの大容量化を実現し、また、その光記録媒体は、現行のＣＤまたはＤＶＤの光ディスク製造装置を殆ど変更せずに使ってつくることができる。上記の大容量化とは、従来のものの２倍から１０倍以上の記録容量とすることである。そしてその大容量化された光ディスクは従来の規格と本質的には同じ光ディスク装置又は光記録媒体装置によって制御すなわち書き込みおよび読みとりができる。従って現行の光ディスクとの間にコンパチビリティーを維持しつつ、本発明による大容量の光ディスクへの書き込みと読み取りが可能なシステムが実現できる。
《発明の基礎的な背景についての説明》
［００３５］ まず、本発明の原理の説明に先立って、従来の集光によって誘電体中で得られる光ビームの集光点でのビーム径について本発明の基礎的な背景を説明する。先にも述べたように、光ディスク装置に手軽に着脱可能な従来タイプのＣＤやＤＶＤのベアータイプの光ディスクにおいては、光ディスク表面のよごれや疵などの影響を回避するために、保護層であるプラスチック層を通して読み書きアクセス光を光ディスク又は


６

Claims (24)

1. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層が高屈折率を有するポリマー中に飽和非線形屈折率微粒体を分散させた材料である光記録媒体。
2. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層が高屈折率を有する半導体中に飽和非線形屈折率微粒体を分散させた材料である光記録媒体。
3. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体であって、前記飽和非線形屈折率媒質層がポリマー中に高屈折率微粒体と飽和非線形屈折率微粒体とを分散させた材料である光記録媒体。
4. 前記高屈折率を有する半導体が高屈折率を有するアモルファスシリコンまたはアモルファス化合物半導体である請求項２の光記録媒体。
5. 前記ポリマーがポリカーボネートまたはポリスチレンである請求項３の光記録媒体。
6. 前記飽和非線形屈折率微粒体がカーボンナノチューブまたはＣ６０サッカーボールである請求項１から５のいずれかの光記録媒体。
7. 前記高屈折率微粒体が酸化チタン（ルチル）、酸化ジルコン、シリコン及び化合物半導体からなる群から選ばれた少なくとも１つの高屈折率材料の微粒体である請求項３の光記録媒体。
8. 前記飽和非線形屈折率媒質層を前記記録層のアクセス用の光ビームの入射面に密着して設けた請求項１から７までのいずれかの光記録媒体。
9. 前記飽和非線形屈折率媒質層と前記記録層との間に線形屈折率層を含む請求項１から7のいずれかの光記録媒体。
10. 前記飽和非線形屈折率媒質層のアクセス用の光ビーム入射面に無反射コーティング層を設けた請求項１から９のいずれかの光記録媒体。
11. 前記飽和非線形屈折率媒質層中に生じるビームウエスト位置の前記飽和非線形屈折率媒質層のアクセス用の光ビーム入射面への入射から所定深さにおける前記飽和非線形屈折率媒質層の入射側境界面と平行な面を前記記録面とする請求項１から１０のいずれかの光記録媒体。
12. 光記録媒体への前記アクセス用の光ビームの周波数が前記飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であるアクセス用の光ビームにより書き込まれ読み取られることを特徴とする請求項１から１１のいずれかの光記録媒体。
13. 光記録媒体へのアクセス用の光ビームを繰り返しパルス列として、パルスのピーク出力とパルスのデューティー比を独立に調節できる前記アクセス用の光ビームにより書き込まれ読み取られることを特徴とする請求項１から１２のいずれかの光記録媒体。
14. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体の前記記録層に所定光周波数のアクセス用の光ビームによって情報を書き込むための光を発する、及びまたはそのアクセス用の光ビームを光記録媒体に投射して反射された光を読み取る光制御装置であって、
    そのアクセス用の光ビームの周波数が前記飽和非線形屈折率媒質層に含まれる飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であること
    を特徴とする光制御装置。
15. 光記録媒体の記録・再生のため繰り返し光パルスを制御する光制御装置であって、前記繰り返し光パルスのピーク光パワーを所望のビームウエスト径を得るに必要な値に保ちつつ、前記繰り返し光パルスの繰り返し周波数と繰り返し光パルスのデューティー比とを互いに独立に変化して、その平均光パワーが記録情報の書き込み、オーバーライト、消去、および記録の読み出し再生などの各動作モードにそれぞれ必要な各平均光パワーに切り換えられて動作するレーザー、及びそのレーザーを上記平均光パワーに切り換えて所望のモードで励起して動作させるための励起電源を有することを特徴とする光制御装置。
16. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を含む光記録媒体の記録・再生におけるアクセス用の光ビームのフォーカスをサーボコントロールする工程を有し、及び、
    前記飽和非線形屈折率媒質層と前記記録層との間に線形屈折率媒質層を設置することで得られる光ビーム伝搬方向に対して急峻なビーム径変化を持つビームウエストの半径変化を検出し、高い弁別能をもって伝搬方向上のビームウエスト位置を検出する工程
    を具備することを特徴とする光制御方法。
17. 記録層へのアクセス用の光ビームの通過経路に置かれた飽和非線形屈折率媒質層を有する記録媒体の前記記録層に所定の光周波数のアクセス用の光ビームによって情報を書き込むための光を発する工程、及びまたはそのアクセス用の光ビームを前記光記録媒体に投射して反射された光を読み取る工程を有し、但し
    それらのアクセス用の光ビームの周波数が前記飽和非線形屈折率媒質層に含まれる前記飽和非線形屈折率微粒体の共鳴周波数より高周波数側に離調した周波数であること
    を特徴とする光制御方法。
18. 光記録媒体の記録・再生のため繰り返し光パルスを制御する光制御方法であって、
    前記繰り返し光パルスのピーク光パワーを所望のビームウエスト径を得るに必要な値に保ちつつ、前記繰り返し光パルスの繰り返し周波数と繰り返し光パルスのデューティー比とを互いに独立に変化させる工程、及び、
    前記繰り返し光パルスの平均光パワーを記録情報の書き込み、オーバーライト、消去、および記録の読み出し再生などの各動作モードにそれぞれ必要な各平均光パワーで動作するよう励起電源でレーザーを動作させる工程
    を有することを特徴とする光制御方法。
19. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含む高記録密度の光記録媒体であって、記録媒体の表面が厚さほぼ０.６ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項１, ２, ３, ４, ５, ６, ７, ８, ９, １０, １１, １２ または １３ のいずれか１つによることを特徴とする光記録媒体。
20. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面が厚さほぼ０.６ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項１９ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１４, １５ のいずれかによることを特徴とする光制御装置。
21. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面が厚さほぼ０.６ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項１９ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１６, １７ または１８のいずれか１つによることを特徴とする光制御方法。
22. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含む高記録密度の光記録媒体であって、記録媒体の表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項１, ２, ３, ４, ５, ６, ７, ８, ９, １０, １１, １２ または １３ のいずれか１つによることを特徴とする光記録媒体。
23. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項２２ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１４, １５ のいずれかによることを特徴とする光制御装置。
24. 波長がほぼ４０５ｎｍ のアクセス用光ビームを用いる飽和非線形屈折率媒質層を含み、その表面に厚さほぼ０.１ｍｍのプラスチック保護層を有する請求項２２ の高密度光記録媒体を動作させる請求項１６, １７ または１８のいずれか１つによることを特徴とする光制御方法。
    

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