JPWO2009119327A1 - 光学装置、光記録ヘッド及び光記録装置 - Google Patents

Abstract

光入力部に照射された光を導波路の先端部から効率よく射出できる光学装置を提供する。光学装置は、実質的に放物線の輪郭を規定する側面と、光が射出され、２つの開口端で規定されている光射出面とを有する先端部と、を含むコア層を備えた光学素子と、光源からの光を前記コア層に照射して光スポットを形成する導光ユニットと、コア層における、導光ユニットによって光スポットが形成される位置に設けられ、光をコア層に導入する光入力部と、を具備し、光入力部によってコア層に導入された光は、放物線の焦点を通り放物線の準線に垂直な放物線の軸と平行に進み、側面に入射した光は、側面で反射され放物線の焦点に収束され、光射出面から射出され、導光ユニットによってコアに形成された光スポットの光の最大強度箇所が前記放物線の軸からずれている。

Description

本発明は、光学装置、光記録ヘッド及び光記録装置に関する。

磁気記録方式では、記録密度が高くなると磁気ビットが外部温度等の影響を顕著に受けるようになる。このため高い保磁力を有する記録媒体が必要になるが、そのような記録媒体を使用すると記録時に必要な磁界も大きくなる。記録ヘッドによって発生する磁界は飽和磁束密度によって上限が決まるが、その値は材料限界に近づいており飛躍的な増大は望めない。そこで、記録時に局所的に加熱して磁気軟化を生じさせ、保磁力が小さくなった状態で記録し、その後に加熱を止めて自然冷却することにより、記録した磁気ビットの安定性を保証する方式が提案されている。この方式は熱アシスト磁気記録方式と呼ばれている。

熱アシスト磁気記録方式では、記録媒体の加熱を瞬間的に行うことが望ましい。また、加熱する機構と記録媒体とが接触することは許されない。このため、加熱は光の吸収を利用して行われるのが一般的であり、加熱に光を用いる方法は光アシスト式と呼ばれている。光アシスト式で高密度記録を行う場合、使用光の波長以下の微小な光スポットを必要とする。

そのため、入射光の波長以下の大きさの光学的開口から発生する近接場光（近視野光とも称する。）を利用する光ヘッドが利用されている。（特許文献１参照）。

特許文献１に開示された光記録ヘッドは、書き込み磁極とこの書き込み磁極に隣接したコア層とクラッド層を有する平面導波路を備えている。コア層は、該コア層内で電磁波を反射して焦点に導く放物線形状をした少なくとも１つのエッジを備え、また放物線の焦点が位置する先端部は放物線の先端部が切り取られたような平面形状をしている。この先端部は、記録ヘッドが記録媒体と対向する空気ベアリング（ＡＢＳ：Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）面に隣接して設けられている。

コア層には、該コア層内に光を導入する回折格子が設けられ、例えばレーザ光を回折格子に照射すると、レーザ光はコア層に導入され、先端部に位置する焦点に収束する。この先端部から放射される光により記録媒体が照射され加熱される。
米国特許第６９４４１１２号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の光記録ヘッドにおいては、回折格子に照射されたレーザ光は、平面導波路のコア層内に導入され先端部に向かって導波されて進むが、放物線の先端が切り取られた平面形状部分に直接進んできた光は、焦点に収束されない。このため、回折格子に照射された光強度分布をガウス分布とするレーザ光は、効率よく焦点に収束されない場合が生じ、コア層の先端部から効率よく光が射出できないという課題があった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光入力部に照射された光をコア層の先端部より効率よく射出できる光学装置、この光学装置を備えた光記録ヘッド、この光記録ヘッドを備えた光記録装置を提供することである。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

１． 実質的に放物線の輪郭を規定する側面と、光が射出され、２つの開口端で規定されている光射出面とを有する先端部と、を含むコア層を備えた光学素子と、
光源からの光を前記コア層に照射して光スポットを形成する導光ユニットと、
前記コア層における、前記導光ユニットによって前記光スポットが形成される位置に設けられ、光をコア層に導入する光入力部と、を具備し、
前記光入力部によって前記コア層に導入された光は、前記放物線の焦点を通り該放物線の準線に垂直な該放物線の軸と平行に進み、前記側面に入射した光は、前記側面で反射され前記放物線の焦点に収束され、前記光射出面から射出され、
前記導光ユニットによって前記コアに形成された前記光スポットの光の最大強度箇所が前記放物線の軸からずれていることを特徴とする光学装置。

２． 前記光射出面は、前記放物線の準線に対して傾いていることを特徴とする前記１に記載の光学装置。

３． 前記光射出面は、前記２つの開口端の内、前記放物線の軸に対して、前記光スポットの最大強度箇所がずれた側にある開口端が前記放物線の焦点に近づくように傾いていることを特徴とする前記２に記載の光学装置。

４． 前記光入力部は、前記コアの表面に形成された回折格子であることを特徴とする前記１から３の何れか一項に記載の光学装置。

５． 前記回折格子は、前記放物線の準線に平行に前記コアに形成された複数の溝で構成されていることを特徴とする前記４に記載の光学装置。

６． 前記１から５の何れか一項に記載の光学装置と、
磁気記録媒体に磁気記録を行う磁気記録部と、を備えていることを特徴とする光記録ヘッド。

７． 前記６に記載の光記録ヘッドと、
磁気記録媒体と、
前記光記録ヘッドにより前記磁気記録媒体に磁気記録を行う制御をする制御部と、
を備えていることを特徴とする光記録装置。

本発明の光学装置によれば、光入力部に照射された光をコア層の先端部から効率よく射出できる。また、本発明の光記録ヘッド及び光記録装置によれば、光入力部に照射された光をコア層の先端部より効率よく射出できる光学装置を備えることができる。

本発明の実施形態の光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置の概略構成の例を示す図である。 本発明の実施形態の光記録ヘッドの一例の断面図を示している。 本発明の実施形態の導波路を模式的に示す正面図である。 本発明の実施形態の導波路を模式的に示す側面図である。 本発明の実施形態の導波路において、放物線の軸から光スポットの光強度の最も大きい中心の位置をずらした場合の集光状態を示す図である。 本発明の実施形態の導波路において、放物線の軸から光スポットの光強度の最も大きい中心の位置をずらした場合の集光効率をシミュレーションした結果を示す図である。 本発明の実施形態の導波路において、放物線の軸から光スポットの光強度の最も大きい中心の位置をずらし、更に先端部を傾けた場合の集光状態を示す図である。 本発明の実施形態の導波路において、放物線の軸から光スポットの光強度の最も大きい中心の位置をずらし、更に先端部を傾けた場合の集光効率をシミュレーションした結果を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ ディスク
３ 光記録ヘッド
４ サスペンション
２０ 光学素子
２１ コア層
２２ クラッド層
２４ 先端部
２６、２７ 側面
２９ 回折格子
３０ スライダ
３２ ＡＢＳ面
４０ 磁気記録部
５０ 光ファイバ
５１ ミラー
５３ 外部光学系
５５ 光スポット
６０ 放射光
８０ 光強度分布
Ｃ 軸
ｄ 距離
Ｆ 焦点
Ｐ 位置

本発明は、小さな光スポットを発生することができる光学装置に関するものであって、例えば光磁気記録媒体又は光記録媒体に記録を行うための光記録ヘッドに使用できる。

以下、図を参照しながら、本発明の実施の形態である光記録ヘッドと磁気記録部とにより構成される光アシスト式磁気記録ヘッド、および、その光アシスト式磁気記録ヘッドを備えた光記録装置に基づいて、本発明を説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。尚、各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複の説明を適宜省略する。

図１に、本発明の実施形態に係る光アシスト式磁気記録ヘッドを搭載した光記録装置（例えばハードディスク装置）の概略構成例を示す。この光記録装置１００は、以下（１）〜（６）を筐体１の中に備えている。
（１）記録用のディスク（記録媒体）２
（２）支軸５を支点として矢印Ａの方向（トラッキング方向）に回転可能に設けられたサスペンション４
（３）サスペンション４に取り付けられたトラッキング用アクチュエータ６
（４）サスペンション４の先端に取り付けられた光アシスト式磁気記録ヘッド（以下、光記録ヘッド３と称する。）
（５）ディスク２を矢印Ｂの方向に回転させるモータ（図示しない）
（６）トラッキング用アクチュエータ６、モータ及びディスク２に記録するために書き込み情報に応じて照射する光、磁界の発生等の光記録ヘッド３の制御を行う制御部７
こうした光記録装置１００は、光記録ヘッド３がディスク２上で浮上しながら相対的に移動しうるように構成されている。

図２は、光記録ヘッド３の一例の記録書き込みに係わる部分の断面を概念的に示している。光記録ヘッド３は、ディスク２に対する情報記録に光を利用する光記録ヘッドであって、スライダ３０、光学素子２０、磁気記録部４０、導光ユニットである光ファイバ５０、外部光学系５３及びミラー５１を備えている。

スライダ３０は、磁気記録媒体であるディスク２の上を浮上しながらディスク２に対して相対的に移動するため、スライダ３０のディスク２と対向する面には、浮上特性向上のためのＡＢＳ面３２（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：空気ベアリング面）を有している。

例えば光源（図示しない）を半導体レーザとして、半導体レーザから放射される光は光ファイバ５０により光学素子２０の近くまで導光される。光ファイバ５０から射出された光は、外部光学系５３に入射し、コリメート光５２として射出され、ミラー５１で反射されて光学素子２０を照射する。光学素子２０は、後述するように、光入力部である回折格子と、入力された光を導波して射出するコア層とクラッド層からなる導波路とを備えており、ミラー５１で反射された光は、回折格子を介して導波路、詳しくはコア層に導入される。コア層に導入された光は、コア層の先端部２４に進み、加熱のための放射光６０としてディスク２に向かって放射される。

放射光６０が微小な光スポットとしてディスク２に照射されると、ディスク２の照射された部分の温度が一時的に上昇してディスク２の保磁力が低下する。その光が照射され保磁力の低下した状態の部分に対して、磁気記録部４０により磁気情報が書き込まれる。

尚、図２ではディスク２の記録領域の進入側から退出側（図の矢印２ａ方向）にかけて、光学素子２０、磁気記録部４０の順に配置されている。このように、光学素子２０の退出側直後に磁気記録部４０が位置すると加熱された記録領域の冷却が進みすぎない内に書き込みができるので好ましい。また、磁気記録部４０より退出側又は光学素子２０より進入側にディスク２に書き込まれた磁気記録情報を読み出す磁気情報再生部（図示しない）を設けてもよい。

光学素子２０に関して説明する。光学素子２０の正面図を図３、側面図を図４にそれぞれ模式的に示す。光学素子２０は、導波路を構成するコア層２１とクラッド層２２を有し、コア層２１の表面には、光入力部である回折格子２９が形成されている。導波路は、屈折率が異なる物質による複数層で構成することができ、コア層２１の屈折率は、クラッド層２２の屈折率より大きい。この屈折率差により導波路が構成され、コア層２１内の光はコア層２１内部に閉じ込められ、効率よく矢印２５の方向に進み、先端部２４に到達する。

コア層２１の屈折率は、１．９から４．０程度とし、クラッド層２２の屈折率は、１．０から２．０程度とすることが望ましいが、この範囲に限定されるものではない。クラッド層２２の屈折率より大きな値の屈折率を持つコア層２１を形成することにより、コア層２１は、内面反射によりより効率よく光を導波することができる。クラッド層２２の屈折率に対するコア層２１の屈折率の比を大きくするに従って、コア層２１は、より多くの光をコア層２１の内部に閉じ込めることができる。尚、コア層２１のクラッド層２２と接する反対面（図４における右側の面）は空気と接しており、この空気は、クラッド層として作用する。

コア層２１は、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＺｎＳｅ等で形成され、厚みは約２０ｎｍから５００ｎｍの範囲とすることが望ましいが、この範囲に限定されるものではない。またクラッド層２２は、ＳｉＯ₂、空気、Ａｌ₂Ｏ₃等で形成され、厚みは約２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲とすることが望ましいが、この範囲に限定されるものではない。

コア層２１は、導入された光をその放物線の焦点Ｆに向かって反射するように実質的に放物線形状の輪郭を構成するように形成された側面２６、２７を備えている。図３において、輪郭の放物線の左右対称の中心軸を軸Ｃ（放物線の準線（図示しない）に垂直で焦点Ｆを通る線）で示し、放物線の焦点を焦点Ｆとして示している。側面２６、２７の輪郭形状は、図３に示すように厳密な放物線形状としてもよいが、焦点Ｆに向かって光を収束することができる形状であれば、放物線に近い形状であってもよい。側面２６、２７には、例えば金、銀、アルミニウム等の反射物質を設けて、光反射損失をより少なくする助けとしてもよい。

また、導波路のコア層２１は、ディスク２に隣接して、放物線形状の側面２６、２７の先端が切断されたような平面を有する先端部２４を備えている。先端部２４の幅Ｗ１は、約１μｍから１０μｍの範囲が望ましいが、この範囲に限定されるものではない。幅Ｗ１は、例えば側面２６、２７の形状に依存して変えたり、先端部２４から放射する光の集中度合いを大きくするため、幅Ｗ１を小さくすることにより、射出の幅Ｗ１に対する放物線の開口幅である入射の幅Ｗ２の比を大きくするように変えてもよい。側面２６、２７の厚さは、コア層２１の他の寸法に比べて非常に薄いので、側面２６、２７がコア層２１の輪郭を実質的に規定する。

焦点Ｆから放射される光は急に発散するため、先端部２４の形状を平面とすることは、ディスク２に焦点Ｆをより近くに配置することができ、集光された光が大きく発散する前にディスク２に入射するので好ましい。また、先端部２４に焦点Ｆを形成してもよいし、先端部２４の外側に焦点Ｆを形成しても良い。尚、本例では、先端部２４の形状を平面としているが、必ずしも平面である必要はない。

また、図３に示すように、先端部２４に開口を決める金属膜３１を設けてもよい。金属膜３１による開口幅Ｗ３を先端部２４の幅Ｗ１より小さくすることにより、光学素子２０からディスク２に放射して形成する光スポット径をより小さくすることができる。幅Ｗ３は約１０ｎｍから５００ｎｍの範囲とすることができ、金属膜３１は、アルミニウム、金、銀等が挙げられる。

回折格子２９は、コア層２１の側面２６、２７の形状である放物線の準線に対して平行な複数の溝により構成されている。この回折格子２９は、光ファイバ５０から射出する光が、例えば球面レンズ等で構成される外部光学系５３を用いてコリメート光５２に変換されて所定の入射角（詳しくは、放物線の軸Ｃを通るコア層２１に垂直な面内での角度）で照射される。回折格子２９を照射する光を光スポット５５で示している。光スポット５５は、回折格子２９を介してコア層２１に導入される。コリメート光をコア層２１に導入する方法としては、例えば上記の回折格子を用いたグレーティングカプラの他、例えば回折格子の代わりにプリズムを用いたプリズムカプラと呼ばれる光学素子を用いる方法があるが、これらに限定されない。尚、回折格子２９の形状を、非平行光を平行光に変換するようにすれば、回折格子２９を照射する光はコリメート光である必要はない。

所定の入射角で回折格子２９を照射したコリメート光は、コア層２１に導入され、側面２６、２７の形状である放物線の軸Ｃに対し、紙面に対して垂直方向から見て、実質的に平行に進む。

回折格子２９を照射する光の強度分布は、一般的に直径方向に対称なガウス分布をしている。ガウス分布の光強度分布を有した光スポット５５を回折格子２９に照射した様子を図５に示す。図５において、回折格子２９に照射される光スポット５５の位置Ｐを中心とする強度分布を光強度分布８０として示している。横軸ｘは、光スポットの中心（位置Ｐ）を原点０として、直径方向の位置を示し、縦軸Ｉは、光強度を示している。つまり、位置Ｐは、光スポット５５の光の最大強度箇所を示している。回折格子２９に照射された光は、コア層２１に導入され、コア層２１内を進む。コア層２１内を進む光の内、側面２６、２７に入射する光は焦点Ｆに集束するが、側面２６、２７に入射しないで、先端部２４の幅Ｗ１の開口に直接進む光（例えば図５中、矢印３５で示す光）は、焦点Ｆに集束しない。図５の光強度分布８０の斜線部Ｍに示す部分は、幅Ｗ１の開口に直接進む光を示している。幅Ｗ１の開口に直接進む光束は、光学素子２０が焦点Ｆに形成する光スポットにほとんど寄与せず、光効率の低下を招く。

ここで、側面２６、２７がなす放物線の軸Ｃから、回折格子２９に投影される光スポット５５の最も光強度の大きい箇所である位置Ｐまでの距離を距離ｄとし、距離ｄを変化させて、焦点Ｆにおける集光効率をシミュレーションした結果を図６に示す。

シミュレーションの条件は、以下とした。
（１）側面２６、２７の形状である放物線を規定する式：ｙ＝ｘ²／６
（２）開口の幅Ｗ１：６μｍ
（３）放物線の軸Ｃ方向の長さＨ：１００μｍ
（４）光スポット径（１／ｅ²）：３０μｍ
図６が示す通り、位置Ｐが放物線の軸Ｃ上にある、距離ｄ＝０のときが最も集光効率が低く、位置Ｐが軸Ｃから離れるに従い、集光効率が向上することが分かる。尚、図５において、軸Ｃから位置Ｐまでの距離ｄと集光効率との関係は左右対称であるため、図６はｄ＝０からプラス側のみを示している。距離ｄ＝０の時、最も集光効率が低いのは、光強度分布がガウス分布を有する光スポット５５の最も光強度の大きい位置Ｐを中心とする光束の内、幅Ｗ１に相当する光束が焦点Ｆに集束しないためである。よって、光スポット５５の最も光強度の大きい中心の位置Ｐを放物線の軸Ｃ上からずらすことにより集光効率を向上させることができる。尚、集光効率は、光スポット５５の中心の位置Ｐが軸より離れるに従いどこまでも向上するのではなく、回折格子２９が設けてある位置の軸Ｃに対称な放物線の幅や光スポット５５の径の大きさ等に依存して集光効率は最大値を持ち、その後低下するのは勿論である。

更に、図７に示すように、先端部２４の平面を傾けるのが好ましい。焦点Ｆが先端部２４の平面上にあり、放物線の軸Ｃに垂直で焦点Ｆを通り紙面に対して垂直な軸を中心に傾けた場合の焦点Ｆへの集光効率をシミュレーションした結果を図８に示す。シミュレーションの条件は、上記（１）から（４）の条件で距離ｄを１０μｍとして、準線Ｋに対する傾きθを変化させた。

このシミュレーションの例では、図８が示す通り、傾きθ＝１１°程度が最も集光効率が良いことが分かる。集光効率が傾き角θの変化に応じて変化するのは、先端部２４を傾けることにより、準線Ｋにおける先端部２４の開口の一方の端２４ａは焦点Ｆ側に近づき、他方の端２４ｂは焦点Ｆから離れるように開口の幅Ｗ５が変化し、幅Ｗ５の開口に進む光束（図７中の斜線部Ｎ）の量が変化するためである。この構成の場合、光スポット５５の中心の位置Ｐが存在する、コア層２１が軸Ｃにより２つの側に分割された一方側、の開口の端２４ａが焦点Ｆに近づくように先端部２４を傾けると集光効率が最大となる角度が存在する。

これまで説明したように、回折格子２９に照射する光スポットの位置、詳しくは光強度の最も強い位置を適切に定め、更にコア層２１の先端部２４の平面の傾きを適切に定めることにより、焦点Ｆにおける集光効率を向上でき、先端部２４より集光効率の良い光を射出することができる光記録ヘッド３を得ることができる。

また、これまで説明した光記録ヘッドは、ディスク２に対する情報記録に磁気を利用する光アシスト式磁気記録ヘッドであるが、記録媒体に対する情報記録に光を利用し、磁気記録部を有しない、例えば、近接場光記録、相変化記録等の記録を行う光記録ヘッドとしてもよい。

Claims (7)

1. 実質的に放物線の輪郭を規定する側面と、光が射出され、２つの開口端で規定されている光射出面を有する先端部と、を含むコア層を備えた光学素子と、
   光源からの光を前記コア層に照射して光スポットを形成する導光ユニットと、
   前記コア層における、前記導光ユニットによって前記光スポットが形成される位置に設けられ、光をコア層に導入する光入力部と、を具備し、
   前記光入力部によって前記コア層に導入された光は、前記放物線の焦点を通り該放物線の準線に垂直な該放物線の軸と平行に進み、前記側面に入射した光は、前記側面で反射され前記放物線の焦点に収束され、前記光射出面から射出され、
   前記導光ユニットによって前記コアに形成された前記光スポットの光の最大強度箇所が前記放物線の軸からずれていることを特徴とする光学装置。
2. 前記光射出面は、前記放物線の準線に対して傾いていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学装置。
3. 前記光射出面は、前記２つの開口端の内、前記放物線の軸に対して、前記光スポットの最大強度箇所がずれた側にある開口端が前記放物線の焦点に近づくように傾いていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光学装置。
4. 前記光入力部は、前記コアの表面に形成された回折格子であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項の何れか一項に記載の光学装置。
5. 前記回折格子は、前記放物線の準線に平行に前記コアに形成された複数の溝で構成されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光学装置。
6. 請求の範囲第１項から第５項の何れか一項に記載の光学装置と、
   磁気記録媒体に磁気記録を行う磁気記録部と、を備えていることを特徴とする光記録ヘッド。
7. 請求の範囲第６項に記載の光記録ヘッドと、
   磁気記録媒体と、
   前記光記録ヘッドにより前記磁気記録媒体に磁気記録を行う制御をする制御部と、
   を備えていることを特徴とする光記録装置。