JPWO2010050299A1 - 近接場光発生装置、光記録ヘッド及び光記録装置 - Google Patents

Abstract

記録媒体に対し近接場光を効率良く発生し利用することができる近接場光発生装置を提供する。このため、近接場光発生装置は、コアと前記コアに接するクラッドを備え、前記コアと前記クラッドとの境界面に対して垂直方向に電界成分を持つ光を導波する導波路と、前記導波路の光が射出される射出端面に設けられ、前記導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する金属構造体と、を備え、前記金属構造体は、前記電界成分の前記境界面から前記クラッドにはみ出している電界成分を受けることができるように、前記コアと前記クラッドとに跨って前記射出端面に配置されている。

Description

本発明は、近接場光発生装置、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。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式は光アシスト磁気記録方式と呼ぶ。

光アシスト磁気記録方式において、高比屈折率差の導波路を用いて光スポットを小さくすることができるが、λ（使用する光の波長）／ｎ（屈折率）程度にしか光スポットを絞ることができない。このため、超高密度記録に用いるために必要とされる２０ｎｍ程度のスポットの大きさには十分に対応できない。これに対し、光スポットを更に小さくする方法として、近接場光を用いる方法がある。近接場光による光スポット径は、先鋭化された微小な金属構造体（プラズモンプローブと称される。）の主に先端形状によって決定され、その径は数十ｎｍで１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２以上の超高密度記録の光アシスト式磁気記録に適した大きさにすることができる。

特許文献１には、レーザー光を例えばプレーナー状光波ガイド（Ｐｌａｎｅｒ Ｓｏｌｉｄ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｍｉｒｒｏｒ：ＰＳＩＭとも称される。）によって金属ピンに集光し近接場光を発生する磁気記録ヘッドが記載されている。

特許文献２においては、プラズモンプローブに関して、その大きさを照射する光スポットより小さくし、プラズモンプローブの材質、形状、寸法をプラズモン共鳴が発生するようにして、高分解能、高効率な近接場光発生装置としている。

特開２００５−１１６１５５号公報 特開２００６−３２３９８９号公報

しかしながら、特許文献１、２の記載において、近接場光の発生位置は、コア内又はその延長上となっている。このため、コアを通過する光だけの作用によって近接場光を発生させており、近接場光の発生効率が悪いという問題があった。

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、記録媒体に記録を行う時に近接場光を効率良く発生し利用することができる近接場光発生装置、光記録ヘッド及び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．コアと前記コアに接するクラッドを備え、前記コアと前記クラッドとの境界面に対して垂直方向に電界成分を持つ光を導波する導波路と、
前記導波路の光が射出される射出端面に設けられ、前記導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する金属構造体と、を備え、
前記金属構造体は、前記電界成分の前記境界面から前記クラッドにはみ出している電界成分を受けることができるように、前記コアと前記クラッドとに跨って前記射出端面に配置されていることを特徴とする近接場光発生装置。

２．前記コアの材料の屈折率ｎ_ｃｏｒｅと前記クラッドの材料の屈折率ｎ_ｃｌａｄとから次の式より求められる比屈折率差Δは、０．２５以上であることを特徴とする前記１に記載の近接場光発生装置。
Δ＝（ｎ_ｃｏｒｅ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）／（２×ｎ_ｃｏｒｅ ^２）
３．前記導波路は、前記導波路の入射側の光スポットの大きさよりも射出側の光スポットの大きさを小さくして前記射出側に導波する光スポットサイズ変換手段を有していることを特徴とする前記１又は２に記載の近接場光発生装置。

４．前記金属構造体は、その形状内に先鋭部分を有し、該先鋭部分が前記クラッドに存在するように配置されてい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近接場光発生装置。

５．前記金属構造体は、三角形状であって、何れか１つの頂点部分が前記クラッドに存在し、前記頂点部分に向い合う対辺部分が前記コアに存在するように配置されていることを特徴とする前記４に記載の近接場光発生装置。

６．磁気記録媒体に近接場光を与えるために設けられた前記１から５の何れか一項に記載の近接場光発生装置と、
前記近接場光発生装置によって近接場光が与えられた磁気記録媒体に磁気記録を行うように配置された磁気記録部と、を備え、
前記金属構造は、前記コアから前記磁気記録部が位置する側のクラッドに跨って配置され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、
前記導波路に結合される光を発する光源と、
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する制御を行う制御部と、
を備えていることを特徴とする光記録装置。

本発明の近接場光発生装置、光記録ヘッド及び光記録装置によれば、導波路によって導波される光のクラッドにはみ出している電界成分をも利用して近接場光を発生させるため、近接場光を効率良く発生して利用することができる。

本発明における実施の形態における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。 光記録ヘッドの断面図である。 平面光学素子の正面図である。 平面光学素子の断面図である。 平面光学素子の底面図である。 解析を行うための導波路の光射出端面を示す図である。 電界Ｅｘの強度分布を示す図である。 電界Ｅｚの強度分布を示す図である。 解析を行うためのプラズモンプローブを備えた導波路の光射出端面を示す図である。 プラズモンプローブを備えた導波路の光射出端面における電界強度を示す図である。 導波路とプラズモンプローブとの相対位置と、プラズモンプローブの先端における最大電界強度と、の関係を示す図である。 プラズモンプローブの別の例を示す図である。 ２次元スラブ導波路のモデルを説明する図である。 モードフィールド径をパラメータとした比屈折率差と規格化周波数との関係を示す図である。 モードフィールド径をパラメータとした比屈折率差と規格化周波数との関係を示す図である。 コア中心の電界強度とコアとクラッドとの境界での電界強度との比をパラメータとした比屈折率差と規格化周波数との関係を示す図である。 光記録ヘッドの別の例の断面図である。 導波路の別の例を示す図である。

以下、本発明を図示の実施の形態である光記録ヘッドに磁気記録部を有する光アシスト式磁気記録ヘッドとそれを備えた光記録装置に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。例えば、本実施の形態の光記録ヘッドは、光磁気記録媒体ではなく光記録媒体への記録にも適用することができる。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、本発明の実施の形態におけ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６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アーム５に支持されたサスペンション４
（３）アーム５に取り付けられたトラッキング用アクチュエータ７
（４）サスペンション４の先端に結合部材４ａを介して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７、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８
光記録装置１００においては、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、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３の一例として、光記録ヘッド３Ａの記録書き込み周辺部を側面から概念的に示している。光記録ヘッド３Ａは、スライダ３０、回折格子２０ａと導波路２０ｂを備えた平面光学素子２０、導波路２０ｂの光射出端面に設けられ近接場光を発生する微小な金属構造体であるプラズモンプローブ２４ｄ、磁気記録部４０等を備えている。

スライダ３０は、浮上しながらディスク２に対して相対的に移動するが、ディスク２に付着したごみや、ディスク２に欠陥がある場合には接触する可能性がある。その場合に発生する摩耗を低減するため、スライダ３０の材質には耐摩耗性の高い硬質の材料を用いることが望ましい。例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含むセラミック材料、ＡｌＴｉＣやジルコニア、ＴｉＮなどを用いれば良い。また、摩耗防止処理として、スライダ３０のディスク２側の面に耐摩耗性を増すために表面処理を行っても良い。例えば、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）被膜を用いると、近赤外光の透過率も高く、ダイヤモンドに次ぐＨｖ＝３０００以上の硬度が得られる。

また、スライダ３０のディスク２と対峙する面には、浮上特性向上のための空気ベアリング面３２（ＡＢＳ（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）面とも称する。）を有している。

光源５０は、例えばレーザー素子であり、サスペンション４に固定されている。この光源５０としては、レーザー素子からの光を導く光ファイバーの射出端部としてもよく、また、複数枚のレンズを備えた光学系と組み合わせたものであってもよい。光源５０から射出される光５２は、平行光で、平面光学素子２０に設けてある回折格子２０ａに入射（結合）する。光源５０は、回折格子２０ａ（グレーティングカプラとも称する。）に対して特定方向に電界成分を有する平行光を入射する。

光源５０から射出された光５２は、ミラー５１で偏向され、偏向された光５２ａは、効率よく回折格子２０ａに結合できるように所定の入射角で回折格子２０ａに入射する。

回折格子２０ａに入射する光は、図２におけるＸＺ面に電界の振動方向を有する。このため、導波路２０ｂのコアとクラッドとの境界面に対し垂直方向に電界成分を有する光が導波路２０ｂに結合される。

平面光学素子２０は、光が入射する回折格子２０ａと入力された光を導波して射出するコアとクラッドからなる導波路２０ｂとを備えている。

回折格子２０ａに結合された光は、導波路２０ｂに結合され、平面光学素子２０の先端面２４に向かって進む。導波路２０ｂを通過した光は、平面光学素子２０の先端に配置されているプラズモンプローブ２４ｄを照射する。光が照射されたプラズモンプローブ２４ｄは近接場光６０を発生する。一般に近接場光は光の波長以下の領域に局在する光であるが、スライダの浮上量は例えば１０ｎｍ以下と非常に小さいためディスク２の磁気記録媒体は近接場光６０によって十分に加熱される。また、プラズモンプローブよって発生される近接場光の光スポットサイズは、プラズモンプローブの先端形状の大きさによって決まり数十ｎｍ以下とすることができるため、１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２以上の超高密度記録の光アシスト式磁気記録に適した大きさである。

近接場光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。その保磁力の低下した状態の照射された部分に対して、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、平面光学素子２０、磁気記録部４０の順に配置されている。このように、平面光学素子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の退出側にはディスク２に書き込まれた磁気記録情報を読み出す磁気再生部４１が設けられている。この磁気再生部４１は平面光学素子２０の流入側に設けてもよい。

平面光学素子２０に関して説明する。平面光学素子２０の正面図を図３、断面図を図４にそれぞれ模式的に示す。平面光学素子２０は、導波路を構成するコア２１とクラッド２２を有し、コア２１には、光入力部である回折格子２０ａが形成されている。

図３には、回折格子２０ａに入射する光５２ａを光スポット５５で示している。回折格子２０ａは、コア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。

導波路２０ｂは、屈折率が異なる物質による複数層で構成され、コア２１の屈折率は、クラッド２２の屈折率より大きい。この屈折率差により、回折格子２０ａにより結合された光はコア２１内部に閉じ込められ、矢印２５の方向に進み、先端面２４に到達する。尚、コア２１のクラッド２２がある側と反対側は、空気がクラッドとして機能している。

コア２１は、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ等で形成され、厚みは約２０ｎｍから５００ｎｍの範囲としてよく、またクラッド２２は、ＳｉＯ_２、空気、Ａｌ_２Ｏ_３等で形成され、厚みは約２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲としてよい。

コア２１は、回折格子２０ａにより結合された光を焦点Ｆに向かって反射するように形成された、外周面の輪郭形状が放物線である側面２６、２７を備えている。図３において、放物線の左右対称の中心軸を軸Ｃ（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。

尚、外周面の輪郭形状が放物線である側面２６、２７を備えるコア２１を有する導波路２０ｂは、回折格子２０ａにより結合された幅広い光スポットを焦点Ｆに集光することから、光スポットのサイズを小さく変換していると考えることができる。

導波路２０ｂのコア２１は、放物線の先端が切断されたような平面形状で、ディスク２に対向する先端面２４を備えている。焦点Ｆから放射される光は急に広がるため、先端面２４の形状を平面とすることにより、ディスク２に焦点Ｆをより近くに配置することができる。本実施の形態では、先端面２４に焦点Ｆを形成している。

先端面２４には、プラズモンプローブ２４ｄが配置され、この配置をディスク２側から見た様子を図５に示す。図５に示すプラズモンプローブ２４ｄは、三角形状をしており、底辺部分はコア２１にあり、最も先鋭な部分（先端Ｐ）はクラッド２２にあるように、コア２１とクラッド２２とに跨って配置されている。また、導波路２０ｂには、コア２１とクラッド２２との境界面Ｂに対して垂直な電界成分を有する光が結合されるため、コア２１を通過しプラズモンプローブ２４ｄを照射する光は、コア２１とクラッド２２の境界面Ｂに対して垂直なｘ方向に電界成分を有する光（ＴＭ波）となっている。

プラズモンプローブ２４ｄによって発生される近接場光に関して、最も強度の強い光を発生する先端Ｐ近傍をクラッド２２側にはみ出した位置とすることができる。このため、強い近接場光をコア２１よりも磁気記録部４０に近づけることができ、ディスク２を近接場光で加熱して磁気記録を行う上で有利である。また、コア２１を通過してプラズモンプローブ２４ｄの周辺を通過する周辺光と先端Ｐ近傍で発生する近接場光とが重畳することがなく、周辺光がディスク２への記録に悪影響を与えることがない。

導波路２０ｂに所定の方向に電界成分を有する光が結合された場合におけるプラズモンプローブへの光の作用に関して以下に詳しく説明する。

導波路の先端における電界分布に関して説明するための例として図６（ａ）に導波路２００を示す。導波路２００は、下部クラッドとなる基板２０１、角柱状のコア２０３及び上部クラッド２０２で構成されている。コア２０３のコア幅はｗ、コア高さはｈ、基板厚さをｄと定義し、図６（ｂ）は、説明のための座標系を示している。基板２０１とコア２０３との境界面の中央を通る軸（紙面に垂直）をＺ軸、導波路２００の先端面とＺ軸が交差する位置をＺ＝０とし、Ｚ＝０を通り境界面に平行な軸をＹ軸、Ｚ＝０を通り境界面に垂直な軸をＸ軸とする。

これまで説明した導波路２０ｂを導波路２００に照らし合わせて見ると、基板２０１は空気に、コア２１はコア２０３に、クラッド２２は上部クラッド２０２に該当する。また、コア２０３のコア幅ｗは、導波路２０ｂの先端面２４のコア２１の幅に該当し、コア２０３のコア高さｈはコア２１の厚みに該当すると考えられる。

ここで、コア２０３、上部クラッド２０２、基板（下部クラッド）２０１の屈折率はそれぞれｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌａｄ、ｎ_ｓｕｂとして、導波路２００の特性を表す比屈折率差Δの定義を以下の式（１）に示す。

Δ＝（ｎ_ｃｏｒｅ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）／（２×ｎ_ｃｏｒｅ ^２） （１）
導波路２００を構成する具体的な材料及びその屈折率を「材料（屈折率）」の形式で以下に示す。波長１．５μｍ帯及び１．３μｍ帯の通信波長帯においてはコア２０３の材料としてＳｉ（３．４８）、クラッド（上部クラッド２０２及び基板２０１）の材料としてＳｉＯｘ（１．４〜３．４８）やＡｌ_２Ｏ_３（１．８）などがあり、比屈折率差Δは概ね０．００１〜０．４２の範囲で設計することができる。また波長４００ｎｍ〜８００ｎｍの可視域においてはコア２０３の材料としてＧａＡｓ（３．３）、Ｓｉ（３．７）などがあり、クラッドの材料としてＴａ_２Ｏ_５（２．５）、ＳｉＯｘ（１．４〜３．７）を用いることができ比屈折率差Δは概ね０．００１〜０．４１の範囲で設計することができる。ここに示した材料に限らずに例えばＴｉＯ_２、ＳｉＮ、ＺｎＳｅなどの材料を組み合わせたり、フォトニック結晶構造等を用いて構造屈折率を変化させたりすることで、ある程度自由に比屈折率差Δを設計することができる。尚、比屈折率差Δの定義上理論的に取り得るΔの値の範囲は０〜０．５である。

近接場光を効率よく発生できるようにプラズモンプローブに照射する光のモードフィールド径（ＭＦＤ）は、例えば０．５μｍ程度以下が好ましい。モードフィールド径を０．５μｍ程度に小さくするため、例えば波長１．５μｍでコア２０３の材料の屈折率を３．５、比屈折率差Δを０．４程度の導波路を想定して電界分布の解析をした。

解析における具体例として、コア２０３の材料としてはＳｉ（ｎ_ｃｏｒｅ＝３．４８）、上部クラッド２０２の材料としてＳｉＯｘ（ｎ_ｃｌａｄ＝１．４６５）、基板（下部クラッド）２０１の材料としてＳｉＯ_２（ｎ_ｓｕｂ＝１．４４）とした。コア幅ｗとコア高さｈは、ｗ＝ｈ＝３００ｎｍとした。

上記の屈折率から比屈折率差Δは０．４１１と計算され、導波路２００に結合する光の電界振動方向を図６で示すＸ軸方向とすると、プラズモンプローブを照射する光においては電界のＸ成分（Ｅｘ）とＺ成分（Ｅｚ）が主成分となる。

導波路２００における電界Ｅｘのモード解析を行った結果を図７（ａ）、（ｂ）に示す。解析手法としては有限差分法（ＦＤＭ： Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いた。

図７（ａ）は電界Ｅｘの振幅を等高線表示し、図７（ｂ）は、Ｙ＝０のＸ−Ｚ断面での電界｜Ｅｘ｜のプロファイルを示す。等高線及びプロファイルは何れも最大振幅値（絶対値）を１とする正規化した値で示している。図７（ａ）、（ｂ）から、コア２０３と上部クラッド２０２及び基板２０１との境界近くに強い電界が分布することが分かる。境界近くのクラッド部分に生じる電界強度は、比屈折率差Δが大きくなるに従って大きくなる。

また、図７（ｂ）に示したＸ方向の断面の電界分布では、コア２０３と上部クラッド２０２及び基板２０１との境界付近で大きな不連続部分が存在している。不連続部分の存在は、マックスウェル方程式より導きかれる電束密度の境界面に垂直な成分の境界条件である。
ε_ｃｏｒｅ・Ｅ_ｃｏｒｅ＝ε_ｃｌａｄ・Ｅ_ｃｌａｄ （２）
より、境界における電界のＸ成分のコア側Ｅ_ｃｏｒｅとクラッド側Ｅ_ｃｌａｄについて
ｎ_ｃｏｒｅ ^２・Ｅ_ｃｏｒｅ＝ｎ_ｃｌａｄ ^２・Ｅ_ｃｌａｄ （３）
と、なることから理解される。今回解析に用いたそれぞれの屈折率を代入すると、
Ｅ_ｃｌａｄ／Ｅ_ｃｏｒｅ＝ｎ_ｃｏｒｅ ^２／ｎ_ｃｌａｄ ^２＝１／（１−２×Δ）＝５．６１となり、図７（ｂ）のグラフからの読み取り値とほぼ一致しており、Ｅ_ｃｏｒｅとＥ_ｃｌａｄとの関係は、ＦＤＭ法を用いなくても式（２）を用いて求めることができる。

電界Ｅｚのモード解析の結果を図８に示す。図８（ａ）、（ｂ）が示す等高線、プロファイルそれぞれの強度値は、電界Ｅｘの場合と同じく正規化している。図８（ｂ）の電界Ｅｚ成分がコア２０３から基板２０１及び上部クラッド２０２にはみ出すように存在していることが分かる。

電界Ｅｘ及び電界Ｅｚのモード解析の結果から、コア２０３と基板２０１及び上部クラッド２０２の境界付近のクラッド側に強い電界強度が得られることが分かる。

尚、電界のモードフィールド径はＹ方向の電界強度分布｜Ｅｘ｜プロファイルの最大値の１／ｅでの全幅として定義され、本例では３８０ｎｍと計算された。

プラズモンプローブの近接場光が最も強く発生可能と考えられる先鋭な部分は、クラッド２０２上に存在し、プラズモンプローブは、図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明した、コア２０３と上部クラッド２０２及び基板２０１との境界近くの強い電界成分を受けるように配置される。このようにプラズモンプローブを配置することにより強い近接場光を得ることができる。これに関して以下に説明する。

上記で説明した導波路２００の先端面に配置されたプラズモンプローブの電界増強度ｍをＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて解析した。電界増幅度ｍは、以下の式（４）で求める。

ｍ＝｜Ｅｈｐ｜^２／｜Ｅｎｐ｜^２ （４）
但し、
Ｅｈｐ：プラズモンプローブが設けてある場合の電界の最大値
Ｅｎｐ：プラズモンプローブが設けてない場合の電界の最大値
解析に使用したプラズモンプローブ２１０は、図９に示すように、長さ（高さ）Ｌ＝３００ｎｍ、頂角θが４０度、厚さが４０ｎｍの２等辺三角形で、その材料は金である。プラズモンプローブ２１０は、導波路２００の先端面に、その三角形の底辺が基板２０１とコア２０３との境界面に平行で、その先端ＰがＸ軸上で、ΔＸ＝４００ｎｍとなるように配置されている。

金の分散モデルにはＤｒｕｄｅモデルを用い、解析のメッシュサイズは１０ｎｍとし、観測点はプラズモンプローブ２１０の表面から１０ｎｍ離れたＸ−Ｙ平面とし、解析結果を図１０に示す。図１０における等高線の値は、この最大値により正規化した値を示している。

図１０に示す通り、プラズモンプローブ２１０の先端Ｐに近接場による強度の強い光スポットが上部クラッド２０２に存在する。この光スポットの半値幅は２０ｎｍ程度と小さく１Ｔｂｉｔ／ｉｎ^２以上の高密度記録用の光アシスト式磁気記録ヘッドに用いることができることが確認できた。

図９で示したプラズモンプローブ２１０をＸ軸に沿ってΔＸ＝０から５００ｎｍまでずらした時、プラズモンプローブ２１０の先端Ｐにおける近接場光の強度の状態を図１１に示す。

図１１において、横軸は導波路２００とプラズモンプローブ２１０との相対的ずれ量ΔＸ（図９参照）を示し、縦軸は電界強度増幅度ｍを示す。例えばΔＸ＝３００ｎｍでは、コア２０３と上部クラッド２０２の境界にプラズモンプローブ２１０の先端Ｐがあることを意味する。

図１１に示した通り、ΔＸ＝４００ｎｍ、すなわち上部クラッド２０２にプラズモンプローブ２１０の先端ＰがＸ軸プラス側に１００ｎｍはみ出た状態での発光強度は、コアと一致するようにプラズモンプローブ２１０を配置した場合（ΔＸ＝３００ｎｍ）よりも大きく、コア中心付近にプラズモンプローブ２１０の先端Ｐを配置した場合（ΔＸ＝２００ｎｍ）とほぼ同等の強度が得られることが分かる。

よって、これまで説明した解析結果より、電界強度分布を考慮してプラズモンプローブ２１０を配置することでプラズモンプローブ２１０の先端Ｐ近傍で高い強度の近接場光が得られ、その位置はコア２０３と上部クラッド２０２との境界面よりも上部クラッド２０２側のＸ軸方向にはみ出した位置であることが確認できた。

尚、導波路２００に結合する光の電界振動方向を図６で示すＹ軸方向とすると、プラズモンプローブを照射する光においては電界のＹ成分（Ｅｙ）とＺ成分（Ｅｚ）が主成分となる。電界振動方向が図６で示すＸ軸方向の場合と同様に、電界強度分布を考慮してプラズモンプローブ２１０を配置（図９においてプラズモンプローブを９０度回転させた状態）することで、プラズモンプローブ２１０の先端Ｐ近傍で高い強度の近接場光が得られる。この場合には、高い強度の近接場光が得られる位置はコア２０３と上部クラッド２０２との境界面より上部クラッド２０２側のＹ軸方向にはみ出した位置となる。

プラズモンプローブの材料としては金を例として説明したが、Ａｇ、Ａｌなど他の金属材料を用いることができる。また、プラズモンプローブ２４ｄ、２１０の形状については、上述した三角形状に限らず、例えば図１２に示すような形状としてもよい。図１２において、プラズモンプローブ２１０の形状は、それぞれ（ａ）円形、（ｂ）開口内に先鋭部を有する形状、（ｃ）向い合った先鋭部を有する形状、（ｄ）先鋭部を有する五角形である。また、プラズモンプローブ２１０が有する先鋭部は、例えば曲率半径２０ｎｍ以下とするのが好ましい。

図１２に示すような形状のプラズモンプローブを、図９を用いて説明した三角形のプラズモンプローブと置き換えた場合、図１２に点線で示した領域内に高い強度の近接場光を生じるようにすることができる。

次に、導波路のモード分布における比屈折率差に関して説明する。この説明では、２次元スラブ導波路をモデルとしてモード分布解析した。尚、図３から図５を用いて説明した導波路２０ｂは、以下で説明する２次元スラブ導波路と等価であると考えることができ、基本的な特性は以下に示す式で説明することができる。２次元スラブ導波路をモデルとした解析に関しては、「フォトニクスシリーズ 光導波路の基礎」（岡本勝就、コロナ社、１９９２．）を参考にした。

図１３に示す解析モデルとする２次元スラブ導波路３００において、クラッド３０１の屈折率がｎ_ｏ、コア３０２の屈折率がｎ_１、コア幅が２ａの三層対称スラブ導波路のＴＭ次モード（Ｈｙ、Ｅｘ、Ｅｚ）の解析解は以下の式（５）〜（１１）で与えられる。

ここでｋ_ｏは真空中の波数である。パラメータｕ、ｗは比屈折率差Δと規格化周波数ｖによって上記の式を用いて一意に決定される。導波モードが一つしか存在しないカットオフ条件は、ｖ＜π／２であり、以降では、ｖ＜π／２として最低次（ｍ＝０）モードについて説明する。

波長λが１．５μｍ、コア屈折率ｎ_１＝３．４８のとき、モードフィールド径をパラメータにして、比屈折率差Δと規格化周波数ｖとの関係を求めた結果を図１４に示す。

図１４より、例えば比屈折率差Δが０．４以上の場合、カットオフ条件以下の規格化周波数ｖにおいて、モードフィールド径が規格化周波数ｖに対して急激に変化することがわかる。このことから比屈折率差Δが０．４以上とする導波路についてはシングルモード条件近くでモードフィールド径が最小となることが分かる。具体的には、比屈折率差Δが０．２５以上のシングルモード導波路でモードフィール径を最小にするためには、コア幅はカットオフ時（ｖ＝π／２）のコア幅の０．８倍（図１４中の破線位置）〜１．０倍程度であることが望ましい。

コア中心の電界強度（Ｅｘ（ｘ＝０））とクラッド境界のクラッド側（Ｅｘ（ｘ＝ａ＋０））の電界強度比Ｅ_Ｒをパラメータとして、比屈折率差Δと規格化周波数ｖとの関係を求めた結果を図１５に示す。図１４よりモードフィールド径を最小にするために望ましいとする規格化周波数ｖをカットオフ時の規格化周波数ｖの０．８〜１．０倍の範囲において、図１５より、クラッド領域の電界強度がコア中心と同じ（電界強度比Ｅ_Ｒ＝１）以上とするためには、比屈折率差Δは、０．２５以上であれば十分であることが分かる。これより、導波路を構成するクラッド３０１とコア３０２との比屈折率差Δが０．２５以上であることが好ましいことを示している。

図１６は、光記録ヘッド３の別の一例として光記録ヘッド３Ｂを示す。光記録ヘッド３Ｂは、光を導光する光ファイバー１１、ディスク２の被記録部分を近赤外レーザー光でスポット加熱するための導波路８０（コア２１とクラッド２２とで構成される）、光ファイバー１１から出射する近赤外レーザー光を導波路８０に導く屈折率分布型レンズ１２、１３及び光路偏向部材であるプリズム１４で構成される光学系、ディスク２の被記録部分に対して磁気情報の書き込みを行う磁気記録部４０及びディスク２に記録されている磁気情報の読み取りを行う磁気再生部４１等、を備えている。

光ファイバー１１により導光される光は、例えば、半導体レーザーより出射される光である。光ファイバー１１の端面から出射した近赤外レーザー光は、光学系（屈折率分布型レンズ１２、１３及びプリズム１４）によって、スライダ３０に設けられた導波路８０の上端面に集光され、導波路８０の射出面で先端面８４に到る。先端面８４には、上記の導波路２０ｂと同様にプラズモンプローブ８４ｄを配置し、近接場光によりディスク２を照射する。

導波路８０の光射出面をディスク２側から見た図を図１７に示す。図１７は、図５とほぼ同じであることから、図５で説明した内容とほぼ同様なため説明は省略する。

導波路８０に入射する光の電界はＸ軸方向とし、電界方向を所定の方向となるように、光ファイバー１１は、例えば偏波保持ファイバーとするのが好ましい。

導波路８０を構成するコア２１とクラッド２２の比屈折率差が０．２以上の場合、この導波路８０に光を導入する際の光スポット位置合わせには高い精度が要求される。このような場合、光導波路８０に光スポット変換部を設けることが好ましい。

光スポット変換部は、例えば光導波路８０の光入射側のコアに、コアより屈折率が低くクラッドより屈折率が高いサブコアを設けることにより形成できる。光スポット変換部を設けることにより、より大きな光スポットを導波路８０に効率良く光結合することができ、入射する光スポットの中心と導波路８０の中心との位置合わせの許容誤差を大きくすることができる。また、効率よく近接場光を発生することができるようにプラズモンプローブを照射する光スポット径を０．５μｍ程度に小さくすることができる。

光スポット変換部を備えた導波路８０の例として図１８（ａ）、（ｂ）を示す。図１８（ａ）は、導波路８０を光ヘッドが記録（読み取り）時相対的に移動する方向で且つ磁気記録面に対して平行方向から見た様子を示し、図１８（ｂ）は移動方向に対して垂直方向で且つ磁気記録面に対して平行方向から見た様子を模式的に示している。

図１８（ａ）、（ｂ）に示す導波路８０は、コア２１（例えばＳｉ）、サブコア２１ａ（例えばＳｉＯＮ）及びクラッド２２（例えばＳｉＯ_２）からなっており、例えば、入射端側のスポット径を５μｍ程度から射出端側で数１００ｎｍまで小さくするスポットサイズ変換を行う構成としている。

コア２１の幅は、図１８（ｂ）が示す断面では光入力側から光出力側にかけて一定になっているが、図１８（ａ）に示す断面ではサブコア２１ａ内において光入力側から光出力側にかけて徐々に広くなるように変化している。このコア幅の滑らかな変化によりモードフィールド径が変換される。図１８（ａ）において導波路８０のコア２１の幅は、光入力側で０．１μｍ以下（ｄｍ１）、光出力側で０．３μｍ（ｄｍ２）となっているが、図１８（ａ）に示すように、光入力側ではサブコア２１ａによりモードフィールド径が５μｍ（Ｄｍ）程度の導波路８０が構成されている。光入射側から入射したモードフィールド径が５μｍ程度の光スポットは、サブコア２１ａから徐々にコア２１に集中するように光結合してモードフィールド径を小さくし、光射出側ではモードフィールド径が０．３μｍ程度の光スポットに変換される。

以上のように導波路に光スポット変換部を備えることにより、導波路に結合させる光スポット径が大きくてよく、また、光スポットと導波路との位置合わせの許容幅を大きくすることができる。

１ 筐体
２ ディスク
３、３Ａ、３Ｂ 光記録ヘッド
４ サスペンション
２０ 平面光学素子
２０ａ 回折格子
２０ｂ、８０、２００、３００ 導波路
２１、２０３、３０２ コア
２１ａ サブコア
２２、３０１ クラッド
２４、８４ 先端面
２６、２７ 側面
３０ スライダ
３２ 空気ベアリング面
４０ 磁気記録部
４１ 磁気再生部
５０ 光源
５１ ミラー
５２、５２ａ 光
５５ 光スポット
６０ 近接場光
１００ 光記録装置
２４ｄ、８４ｄ、２１０ プラズモンプローブ
２０１ 基板
２０２ 上部クラッド
Ｃ 軸
Ｆ 焦点

Claims (7)

1. コアと前記コアに接するクラッドを備え、前記コアと前記クラッドとの境界面に対して垂直方向に電界成分を持つ光を導波する導波路と、
   前記導波路の光が射出される射出端面に設けられ、前記導波路によって導波された光を受けて近接場光を発生する金属構造体と、を備え、
   前記金属構造体は、前記電界成分の前記境界面から前記クラッドにはみ出している電界成分を受けることができるように、前記コアと前記クラッドとに跨って前記射出端面に配置されていることを特徴とする近接場光発生装置。
2. 前記コアの材料の屈折率ｎ_ｃｏｒｅと前記クラッドの材料の屈折率ｎ_ｃｌａｄとから次の式より求められる比屈折率差Δは、０．２５以上であることを特徴とする請求項１に記載の近接場光発生装置。
   Δ＝（ｎ_ｃｏｒｅ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）／（２×ｎ_ｃｏｒｅ ^２）
3. 前記導波路は、前記導波路の入射側の光スポットの大きさよりも射出側の光スポットの大きさを小さくする光スポットサイズ変換手段を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の近接場光発生装置。
4. 前記金属構造体は、その形状内に先鋭部分を有し、該先鋭部分が前記クラッドに存在するように配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の近接場光発生装置。
5. 前記金属構造体は、三角形状であって、何れか１つの頂点部分が前記クラッドに存在し、前記頂点部分に向い合う対辺部分が前記コアに存在するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の近接場光発生装置。
6. 磁気記録媒体に近接場光を与えるために設けられた請求項１から５の何れか一項に記載の近接場光発生装置と、
   前記近接場光発生装置によって近接場光が与えられた磁気記録媒体に磁気記録を行うように配置された磁気記録部と、を備え、
   前記金属構造体は、前記コアから前記磁気記録部が位置する側のクラッドに跨って配置されていることを特徴とする光記録ヘッド。
7. 請求項６に記載の光記録ヘッドと、
   前記導波路に結合される光を発する光源と、
   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する制御を行う制御部と、
   を備えていることを特徴とする光記録装置。