KR100595777B1 - 광학 헤드 및 정보 기억 장치 - Google Patents

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Abstract

광학 헤드로서, 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체층과, 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과, 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과, 각 제3 유전체층에 인접하여 배치되며 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층을 포함하고 있다. 제1 내지 제4 유전체층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시킨다. 제1 및 제3 유전체층은 서로 다른 굴절율을 갖고 있거나, 혹은 서로 다른 두께를 갖고 있다.

Description

광학 헤드 및 정보 기억 장치{OPTICAL HEAD AND INFORMATION STORAGE DEVICE}
본 발명은 광학 헤드 및 이 광학 헤드를 이용한 정보 기억 장치에 관한 것이다.
정보화 사회의 진전에 따라 정보량은 점차 증대하고 있다. 이 정보량의 증대에 대응하여 비약적으로 높은 기록 밀도의 정보 기록 방식 및 그것에 기초하는 기록 재생 장치가 크게 요구되고 있다. 정보 기록 재생 장치의 일종인 광 디스크 장치에서는 기록 용량에 관계하는 집광 빔의 직경이 광파장에 의해 제한된다. 광 디스크 장치의 높은 기록 밀도화의 대책으로서, 사용하는 레이저를 단파장화하고 광학 렌즈를 고개구수(NA)로 하고 있지만, 회절 한계 때문에 높은 기록 밀도화에 한계가 있었다. 광학 렌즈를 고개구수(NA)로 하는 대책으로서, SIL(Solid Immersion Lens)을 이용하여 개구수(NA)를 1 이상으로 하고, SIL의 저면으로부터 배어 나온 에버네센트 광(evanescent light)을 이용하여, 광 디스크 매체에 정보를 기록하는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 SIL의 굴절율에 의해 NA를 향상시키고 있기 때문에 높은 기록 밀도화에 자연히 한계가 있다.
높은 기록 밀도 실현을 위한 기록 방식으로서 입사광의 파장보다도 작은 미 소 개구를 마련하고, 그 개구부로부터 발생하는 근접장광(近接場光)을 이용하여, 광의 파장보다 작은 빔 스폿을 형성하는 근접장광 기록 방식이 주목받고 있다. 근접장광을 발생시키는 구조(근접장광 프로브)로서는 광파장 이하의 미소 개구를 갖는 선단이 뾰족한 광 파이버(광 파이버 프로브)가 널리 이용된다. 이 광 파이버 프로브는 광 파이버의 일단을 가열하면서 늘어나게 하거나, 또는 화학 에칭법을 이용함으로써 선단을 뾰족하게 한 후, 선단 이외를 금속으로 코팅함으로써 제작된다. 광 파이버 내에 광을 도입하면, 광 파이버 선단에 형성된 미소 개구 근방에 근접장광을 발생시킬 수 있다. 그러나, 이 광 파이버 프로브는 광 이용 효율이 낮다고 하는 결점을 갖는다. 예컨대, 개구 직경이 100 nm일 때, 광 파이버에 입사하는 광의 강도와 광 파이버 선단으로부터 출사하는 광의 강도의 비는 O.001% 이하이다.
광 이용 효율을 향상시키는 방법으로서 이하와 같은 프로브가 제안되어 있다.
(1) 다단층의 첨예화 파이버 프로브
광 파이버 선단의 첨각(尖角)을 근원으로부터 선단으로 감에 따라서 2단계 또는 3단계로 변화시킨 광 파이버 프로브(Applied Physics Letters, Vol.68, No.19, p2612-2614, 1996; Applied Physics Letters, Vol.73, No.15, p2090-2092, 1998).
(2) 금속바늘 프로브
주사형 터널 현미경(STM)의 바늘을 프로브로서 사용하는 것으로, 바늘 선단에 광을 조사함으로써 선단 근방에 강한 근접장광을 발생시킨다(특허 공개 평6- 137847호 공보).
(3) 금속 미소구가 부착된 미소 개구 파이버 프로브
광 파이버 선단의 미소 개구의 중심에 금속 미소구가 형성된 파이버 프로브이며, 미소 개구로부터 출사된 광에 의해 금속 미소구중에 플라즈몬이 여기되어, 금속구 근방에 강한 근접장광이 발생한다(특허 공개 평11-101809호 공보).
(4) 금속 코트된 유리편 프로브
삼각 기둥형으로 잘라낸 유리편 위에 두께 50 nm 정도의 금속막을 형성하여, 금속막 위에 표면 플라즈몬을 여기시킨다. 표면 플라즈몬은 정점을 향하여 전파하여, 정점 근방에 강한 근접장광이 발생한다(Physical Review B, Vol.55, No.12, p7977-7984, 1997).
(5) 금속 산란체가 부착된 유리 기판 프로브
유리 기판 저면에 금속의 산란체를 부착한 프로브이며, 금속 산란체 근방에 강한 근접장광이 발생한다(특허 공개 평11-250460호 공보).
그런데, 근접장 광학계에서는 근접장광을 발생시키는 미소 구조와 시료 표면의 간격을 수 nm로부터 수 10 nm로 할 필요가 있다. 그래서, 상기 광 파이버나 유리편으로 구성된 프로브를 이용하는 경우, 프로브 선단과 시료 표면의 간격을 제어하기 위한 특별한 제어계가 필요하게 된다. 일반적으로는, 프로브 선단과 시료의 사이에 작동하는 원자간 힘을 이용하여 간격을 측정하여, 그 측정치를 사용하여 서보 제어를 실시한다. 그러나, 이 서보 제어를 이용하는 경우, 서보 대역에 한계가 있기 때문에 프로브의 주사 속도에는 제한이 있다. 특히, 높은 데이터 전송 속도 가 요구되는 광 기록 재생 장치에 있어서는 프로브를 광 디스크상에서 고속으로 주사시킬 필요가 있어, 광 디스크의 왜곡이나 경사로부터 생기는 높은 주파수의 간격 변동을 상기 서보 제어 방법에서는 제어할 수 없다고 하는 문제가 있다.
이 문제를 해결하기 위해서 이하와 같은 프로브가 제안되어 있다.
(1) 평면 개구 프로브
실리콘 기판 중에 이방성 에칭을 이용하여 개구를 형성한 프로브이며, 미소 개구 주변부가 평탄하게 되어 있기 때문에 프로브를 시료에 압박하는 것에 의해 간격을 일정히 유지할 수 있다(The Pacific Rim Conferenceon Lasers and Electro-Optics, WL2,199).
(2) 패드가 부착된 개구 프로브
유리 기판 저면의 선단에 미소 개구를 갖는 사각추의 돌기를 형성하여, 그 돌기 주변에 패드를 형성한 프로브이며, 패드에 의해서 프로브 선단과 시료의 간격이 일정히 유지된다(특허 공개 평11-265520호 공보).
(3) 금속 미소칩이 부착된 면발광(面發光) 레이저 프로브
면발광 레이저 출사구 단면에 금속의 미소 개구 및 금속의 미소 돌기를 형성한 프로브이며, 구조가 평탄하게 되어 있기 때문에 프로브를 시료에 압박하는 것에 의해 간격을 일정히 유지할 수 있다(응용물리 Vol.68, No.12, p1380-1383, 1999). 금속의 미소 돌기 및 공진 구조를 갖기 때문에 광 이용 효율의 향상도 예상된다.
(4) 패치 안테나와 동축 케이블을 광에 응용하여, 근접장광을 고효율로 발생시킨다(Optics Communications Vol.69, No.3, 4, p219-224, 1989).
(5) 보우-타이형(Bow-Tie)의 금속편을 미소 다이폴 안테나(dipole antenna)로 함으로써 미소한 근접장광을 고효율로 발생시킨다(미국 특허 제5,696,372호).
그런데, 근접장광을 이용한 광 메모리의 성능으로서는 다음의 3가지가 요구된다.
(a) 근접장광과 기록 매체의 간격을 파장보다 매우 작은 오더로 또한 엄밀하게 제어하는 것.
(b) 미소한 빔 스폿인 것.
(c) 광 이용 효율이 높은 것, 즉, 고속 데이터 전송이 가능한 것.
선단의 첨예각을 다단층으로 바꾼 파이버 프로브는 일반적으로 사용되고 있는 파이버 프로브에 비해 10∼100배 높은 효율을 갖지만, 0.5% 이상의 광 이용 효율이 요구되는 광 기록 재생 장치에 응용하기 위해서는 아직 충분하지 않다. 또한, 광 파이버를 이용하고 있기 때문에 기계적으로 취약하고, 고속 주사는 불가능하다. 금속 바늘 프로브, 금속 미소구가 부착된 미소 개구 파이버 프로브, 금속 코트된 유리편 프로브, 금속 산란체가 부착된 유리 기판 프로브는 모두 금속의 특성을 이용하여 효율의 향상을 도모하고 있고, 높은 광 이용 효율을 기대할 수 있다. 그러나, 모두의 프로브 선단은 기계적으로 취약한 형상을 하고 있어 고속 주사에는 적합하지 않다. 특히, 금속 바늘 프로브, 금속 산란체가 부착된 유리 기판 프로브는 바늘 선단 또는 산란체에 접촉하지 않는 광도 시료에 입사하기 때문에 백그라운드광이 많이 검출된다고 하는 결점을 갖는다.
고속 주사가 가능한 프로브도 전술한 바와 같이 몇 가지 제안되어 있지만, 평면 개구 프로브 및 패드가 부착된 개구 프로브의 경우, 고속 주사는 가능하지만 광 이용 효율이 작다. 미소 개구에 대해서는 알루미늄으로 된 두께 560 nm의 기판에 30°의 테이퍼각을 갖게 하고, 미소 개구를 100 nm 직경으로 하여, 파장 400 nm의 광을 입사하는 모델로 FDTD 법(피닛트·디퍼런스·타임·도메인·메소드)에 의해 엄밀한 전자계 계산을 행했다. 그 결과, 도 1에 도시한 바와 같이, 직경 100 nm의 금속 미소 개구에 빔을 입사시키면, 출사 직후의 근접장 영역에서도 빔은 개구 사이즈를 넘는 160 nm〔반치전폭(半値 全幅)〕로 되어, 입사 편광 방향으로 특히 각형상을 가진 프로파일로 되어, 고밀도 기록이 어렵다.
금속 미소 돌기가 부착된 면발광 레이저 프로브는 고속 주사에서 광 이용 효율도 높고, 백그라운드광도 적을 것으로 예상된다. 단지, 금속 미소 돌기를 사용하여 강한 근접장광을 발생시키는 데는 금속의 형상을 최적화해야 하지만, 형상에 관해서는 특허 공개 평11-101809호에는 전혀 개시되어 있지 않다. 또한, 그 제조 방법에 관해서도 전혀 개시되어 있지 않다.
패치 안테나와 동축 케이블을 광에 응용하여, 근접장광을 고효율로 발생시키는 방법이나, 보우-타이형의 금속편을 미소 다이폴 안테나로 함으로써 미소한 근접장광을 발생시키는 방법에서는 금속의 자유 전자에 의한 플라즈몬 공명 조건을 이용하여 광강도를 증폭시키지만, 상기와 같이 FDTD법에 의해 엄밀한 전자 계산을 행한 결과, 도 2에 도시한 바와 같이 보우-타이 안테나면에서 2∼3 nm의 거리 이내에 기록면을 두지 않는 한, 플라즈몬 증강을 이용하지 않는 완전 도체와 동일한 효과가 된다. 즉, 강도의 증가는 없고, 필요한 광량 0.5% 이상을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다. 또한, 플라즈몬 조건을 만족시키는 보우-타이형의 형태 등의 허용치가 작다고 하는 문제도 있다.
한편, 광 디스크 매체중에 렌즈 형상의 기판을 부착하여, 기록 밀도를 올리는 방법이 발표되어 있다(Optical Data Storage 2001 Technical Digest pp277-279, Guerra, et. al, April 22-25, 2001). 이 방법에서는, 진애(塵埃), 헤드 디스크 인터페이스 등의 문제의 해결이 목적이지만, 근접장광을 이용하는 것이 아니라, 마이크로 렌즈를 내장하여 마이크로 렌즈로 집광한 광을 이용하여 기록막에 정보를 기록 재생하는 것이다. 렌즈용 재료의 굴절율을 올림으로써 기록 밀도를 올리지만, 굴절율을 크게 하는 데에 한계가 있고, 원주 방향의 기록밀도를 향상할 수 없다고 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광 이용 효율이 높고, 고속 주사가 가능한 근접장광을 이용한 광학 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 광학 헤드를 이용하여 고밀도 기록이 가능한 정보 기록 재생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되고 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과, 상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과, 상기 각 제3 유전체층에 인접하여 배치되고 상기 제1 굴절율보다 큰 제3의 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층을 구비하고, 상기 제1 내지 제4 유전체층 의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드가 제공된다.
바람직하게는, 제1 및 제3 유전체층은 서로 다른 굴절율을 갖고 있다. 더욱 바람직하게는, 제3 유전체층은 제1 굴절율보다 작은 제4 굴절율을 갖고 있다. 대안으로서, 제1 및 제3 유전체층은 서로 다른 두께를 갖고 있다. 바람직하게는, 제3 유전체층은 제1 유전체층보다 두꺼운 두께를 갖고 있다. 바람직하게는, 광학 헤드에 입사되는 광은 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로 편광면을 갖는 직선 편광이다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 마이너스의 유전률을 갖는 한 쌍의 제1 금속층과, 상기 각 제1 금속층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제2 유전체층과, 상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제2 금속층을 구비하고, 상기 제1 및 제2 유전체층은 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르고, 상기 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드가 제공된다.
바람직하게는, 제1 유전체층은 제1 굴절율을 갖고, 각 제2 유전체층은 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖고 있다. 대안으로서, 제1 유전체층은 제1 두께를 갖고, 각 제2 유전체층은 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께를 갖고 있다. 바람직하게는, 광학 헤드에 입사되는 광은 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로 편광면을 갖는 직선 편광이다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 원통형상 광학 헤드로서, 중심에 배치되며 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체와, 상기 제1 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 링형 제2 유전체와, 상기 제2 유전체에 인접하여 그 외주에 배치된 링형 제3 유전체와, 상기 제3 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 링형 제4 유전체를 구비하고, 원통형상 광학 헤드의 축방향으로 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드가 제공된다.
링형 제2 유전체층 대신에 마이너스 유전률을 갖는 링형 제1 금속을 배치하고, 링형 제4 유전체층 대신에 마이너스 유전률을 갖는 링형 제2 금속을 배치하도록 하여도 좋다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 기록 매체에 정보를 기록 재생하는 정보 기억 장치로서, 광 빔을 출사하는 광원과, 해당 광 빔에 기초한 광을 기록 매체에 조사하는 광학 헤드를 구비하고, 상기 광학 헤드는 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과, 상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과, 상기 각 제3 유전체층에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층을 구비하며, 상기 제1 내지 제4 유전체층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 상기 광학 헤드에 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 정보 기억 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 기록 매체에 정보를 기록 재생하는 정보 기억 장치로서, 광 빔을 출사하는 광원과, 해당 광 빔에 기초한 광을 기록 매체에 조사하는 광학 헤드를 구비하고, 상기 광학 헤드는 제1 유전체층과, 상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제1 금속층과, 상기 각 제1 금속층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제2 유전체층과, 상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제2 금속층을 구비하며, 상기 제1 및 제2 유전체층은 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르고, 상기 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 상기 광학 헤드에 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 정보 기억 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 미소 개구 방식의 문제점 설명도.
도 2는 종래의 보우타이형 안테나 방식의 문제점 설명도.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 광학 헤드의 투시도.
도 4는 선단부 근방에 광 감금부(light confinement)를 갖지 않는 다이아몬드 사다리꼴 기둥에 광을 입사했을 때의 X 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 5는 선단부 근방에 광 감금부를 갖지 않는 다이아몬드 사다리꼴 기둥에 광을 입사했을 때의 Y 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 6은 투과부를 중앙에 1개만 갖는 사다리꼴 기둥 광학 헤드의 비교예의 단면도.
도 7은 도 6의 비교예에 광을 입사했을 때의 Y 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 8은 복수의 광 투과부를 갖는 사다리꼴 기둥 광학 헤드의 비교예의 단면도.
도 9는 도 8의 비교예에 광을 입사했을 때의 Y 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 10은 본 발명의 제1 실시형태의 광학 헤드의 Y 방향을 따른 단면도.
도 11은 본 발명의 제1 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 Y 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 12는 본 발명의 제1 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 X 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 13은 제1 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 출사면으로부터 10 nm의 위치에서의 빔 프로파일.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태의 광학 헤드의 Y 방향을 따른 단면도.
도 15는 본 발명의 제3 실시형태에 관한 광학 헤드의 투시도.
도 16은 제3 실시형태의 광학 헤드의 Y 방향을 따른 단면도.
도 17은 제3 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 Y 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 18은 제3 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 X 방향의 컴퓨터 시뮬레이션 화상.
도 19는 제3 실시형태의 광학 헤드에 광을 입사했을 때의 출사면으로부터 10 nm의 위치에서의 빔 프로파일.
도 20은 본 발명의 제4 실시형태의 광학 헤드의 Y 방향을 따른 단면도.
도 21은 본 발명의 광학 헤드를 이용한 정보 기록 재생 장치의 개략 구성도.
도 22는 본 발명의 다른 실시형태의 광학 헤드의 사시도.
도 23은 도 22의 다른 실시형태의 광학 헤드에 사용하는 제5 실시형태의 원통형 광학 헤드의 사시도.
도 24는 본 발명의 제6 실시형태의 광학 헤드의 사시도.
도 25는 제6 실시형태의 광학 헤드의 변형예를 도시한 도면.
도 26은 본 발명의 제7 실시형태의 광학 헤드의 사시도.
도 27은 도 22의 광학 헤드를 이용한 정보 기록 재생 장치의 개략 구성도.
도 28a∼도 28c는 제1 실시형태의 광학 헤드의 제조 프로세스를 도시한 도면.
도 29a∼도 29d는 제3 실시형태의 광학 헤드의 제조 프로세스를 도시한 도면.
미소한 광을 발생시키기 위해서는, 이차원에서는 미소한 개구를 이용하고, 일차원에서는 단일 슬릿을 이용하는 것이 고려되지만, 광 파장 이하의 크기의 개구나 슬릿(예컨대 길이 100 nm 정도)에서는 투과하는 광은 매우 미약하다. 본 발명자들은 이러한 사정을 감안하여, 주기적으로 형성한 회절 격자에 주목했다. 높은 굴절율과 낮은 굴절율과의 굴절율차가 매우 클 때에는 광의 투과 등에 대하여 특이한 거동을 나타내는 경우가 있지만, 이러한 상황에서의 광의 동작은 지금까지 자세 히 검토되지 않았다. 이러한 높은 굴절율 재료로서 III-V속 등의 와이드 갭의 반도체 등을 사용하는 것이 주목되고 있다.
통상은, 투과형의 회절 격자인 경우에 회절 격자의 주기의 길이(피치)가 입사하는 광의 파장보다 클 때에는 복수의 회절 격자에 입사하는 광 빔은 전부 투과하거나 또는 회절한다. 이 때문에, 광 빔인 투과광은 필연적으로 근접장에서는 많은 산, 골을 갖는 빔으로 되어, 먼 시야에서는 빔이 현저히 흐려지게 된다. 이 때문에, 회절 한계 이하의 미세한 광 빔을 얻기 위해서는 회절 격자의 전면을 금속 등으로 덮고, 그 한 곳에 사용되는 광파장 이하이면서 또한 회절 한계 이하의, 예컨대 200 nm 정도의 미세한 개구를 포커스ㆍ이온ㆍ빔 등으로 천공하는 방법이 제안되어 있다. 이렇게 해서, 금속 회절 격자에 의한 플라즈몬 여기광을 미소한 개구로부터 출사시킨다.
그러나, 이 방법에서는 개구로부터 나오는 광의 이용 효율이 낮고, 포커스ㆍ이온ㆍ빔의 가공이 양산 제조에는 적합하지 않고, 포커스ㆍ이온ㆍ빔에 의한 개구의 가공은 그 크기 및 형태가 불안정하다고 하는 문제가 있다. 또한, 저렴하게 양산하기 위해서 웨이퍼로 제조하는 것을 목적으로 하는 광 디바이스의 제조에는 이 방법이 적합하지 않은 등의 문제가 있다.
본 발명은 포커스ㆍ이온ㆍ빔 가공 등에 의해 개구를 형성하지 않고서, 회절 한계보다 매우 작은 빔을 고효율로 발생할 수 있는 이점을 갖는다. 우리들은 매우 주기수가 적고, 또한 그 주기를 형성하는 구성 요소가 동일하지 않은 특수한 주기 구조를 갖는 광학 소자가, 광의 파장보다 작은 영역의 내부를 광이 감쇠하는 일없 이 증대하여 투과할 수 있는 것을 계산에 의해 처음으로 발견했다.
우선, 광을 감금하기 위해서 높은 굴절율의 매질과 낮은 굴절율의 매질과의 굴절율차를 이용하는 방법에 관해서 진술한다. 이하의 설명에서는, 광 기록이나 재생에 이용하는 레이저는 청보라색 레이저 다이오드(파장 400 nm)를 사용하는 것으로 한다. 여기서, 높은 굴절율의 재료를 실리콘(Si)으로 하고, 파장 400 nm에서의 Si의 굴절율은 5.56이다. 한편, 낮은 굴절율의 재료를 다이아몬드로 하고, 파장 400 nm에서의 다이아몬드의 굴절율은 2.47이다. 굴절율차는 3.1로 매우 커져, 이 때의 광의 동작은 후에 진술하는 바와 같이 이상 회절(anomaly)이라 불리는 특이한 현상이 생기는 것이다.
회절 격자의 주기 길이(피치; d)가 파장(λ) 이하(0은 포함하지 않음)가 되면 회절광은 생기지 않게 된다. 그보다 더욱 짧은 주기에서는 회절 격자의 형성도 곤란해지는 경우가 있어, 지금까지 자세히 검토되지 않았다. 그러나, 이 주기 길이(d)를 더욱 미세하게, 예컨대 λ/5 이하(0은 포함하지 않음)로 하면, 투과광이 감쇠되지 않고 나오는 것을 본 발명자들은 계산에 의해 발견했다. 즉, 어떤 굴절율과 그보다 높은 굴절율의 회절 격자를 형성하여, 회절 격자의 주기 길이가 사용하는 파장 이하인 일정한 주기 길이 이하로 되면, 투과광이 강하게 나오는 이상 회절 현상을 계산에 의해 발견했다. 한편, 회절 격자의 주기 길이가 사용하는 파장 정도 이하인 일정한 주기 길이 이상이 되면, 투과광은 거의 나오지 않는 것을 계산에 의해 발견했다.
이들 현상으로부터, 중앙의 조합을, 중앙에 배치된 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체와, 해당 제1 유전체의 양측에 인접하여 배치되고 제1 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 제2 유전체의 조합으로, 일정한 주기 길이 이하(0은 포함하지 않음)의 폭으로 형성한다. 중앙의 조합의 양 이웃을 제2 굴절율을 갖는 제3 유전체와, 제2 굴절율보다 높은 굴절율을 갖는 제4 유전체의 조합으로 하여, 일정한 주기 길이 이상의 폭으로 형성한다. 이와 같이 형성함으로써, 중앙 조합의 인접부로부터의 투과광은 발생하지 않고, 광이 중앙의 유전체의 조합 안에 감금되고, 또한 O차 회절광인 투과광으로서 강하게 나와 감쇠하지 않고 회절 격자 내를 전파한다. 본 발명은 많은 주기수를 갖지 않더라도, 불과 3개 정도의 주기수라도 이러한 광을 감금할 수 있는 것에 특징이 있다.
이하의 광의 계산에서는 FDTD법에 의해 엄밀한 전자계 계산을 행했다. 또한, X, Z 방향의 셀은 120개로 각 10 nm, Y 방향의 셀은 240개로 각 5 nm의 크기로 하여, 충분히 정상 상태에 달한 주기수 30의 결과를 이용하여 계산하였다. 또한, 마이너스 유전체인 금속이라도 계산의 해(解)가 안정되도록 금속의 자유 전자 모델인 로렌츠에 의한 자유 전자의 운동 방정식을 FDTD법과 동시에 연립하여 계산함으로써, 정확한 해를 얻을 수 있게 되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시형태의 광학 헤드(2)의 개략 투시도가 표시되어 있다. 이 실시형태에 따르면, 사다리꼴 기둥(4)은 서로 평행한 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면(4a)과, 직사각형 저면(4b)과, 이 직사각형 저면(4b)과 평행한 직사각형 정상면(4c)과, 정상면(4c)과 저면(4b) 및 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면(4a)끼리를 각각 접속하는 한 쌍의 경사 측면(4d)을 갖고 있다. 사다리꼴 기둥(4) 은 굴절율 2.47의 사용 광에 대하여 투명한 다이아몬드로 형성되어 있다. 사다리꼴 기둥 광학 헤드에서는 X 방향의 직선 편광을 갖는 청보라색 광을 직사각형 저면(4b)에 입사시켜, 사다리꼴 기둥(4)의 측면(4d)에서 광이 다중반사하여 간섭함으로써 X 방향 및 Y 방향 모두의 빔이 미소화할 수 있지만, 특히 X 방향에서 축소된 빔을 발생할 수 있는 것이다(특원 2002-188579 참조).
사다리꼴 기둥(4)의 Y 방향의 두께는 600 nm, 선단의 꼭지각은 30°이며, 사다리꼴 기둥(4)의 광 진행 방향 Z의 길이는 1.4 ㎛이다. 사다리꼴 기둥(4)의 선단 부분 근방에 광 감금부(6)가 형성되어 있다. 이 광 감금부(6)는 후에 상세히 설명되는 바와 같이, 중앙에 배치된 다이아몬드층(8)과, 이 다이아몬드층(8)의 양측에 인접하여 배치된 한 쌍의 Si층(10)으로 형성된다. 빔 직경을 더욱 축소하기 위해 사용 파장으로 마이너스 유전률이 되는 재료(예컨대 금속 등)로 유전체를 둘러싸면, 유사하게 중앙 유전체의 굴절율이 오르는 것과 동등한 효과가 있기 때문에, 사다리꼴 기둥(4)의 주위를 알루미늄(Al)(12)으로 둘러싸고 있다. 또한, 알루미늄의 사용 파장에서의 유전률의 실부는 -23.38이며, 다이아몬드의 유전률은 6.1이기 때문에 플라즈몬 여기의 조건, 즉 사용 파장으로 마이너스 유전률이 되는 재료의 유전률의 실부 절대치가 이웃 유전체의 유전률보다 큰 것을 만족시키고 있다.
선단부 근방에 광 감금부(6)를 갖지 않는 다이아몬드 사다리꼴 기둥에 광을 입사했을 때의, 광 전파 모습의 컴퓨터 시뮬레이션 화상을 도 4 및 도 5에 도시한다. 도 4는 X 방향의 광 전파 모습을, 도 5는 Y 방향의 광 전파 모습을 나타내고 있고, X 방향 및 Y 방향 모두 광이 간섭해 나가는 모습이 나타나 있다. 출사면 (14)에서 광이 가장 간섭하고, 빔이 미세화되도록 출사면(14)을 선택하고 있다. 이 때의 출사면(14)으로부터 10 nm 나간 곳에서의 1/e2의 빔 사이즈는 X 방향에서 100 nm, Y 방향에서 600 nm이며, X 방향은 간섭 효과에 의해 빔은 미세화되어 있지만, Y 방향의 빔을 더욱 미세화할 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 한 방향의 빔 축소에 대해서는 본 발명의 적은 주기 구조에서 빔을 감금하는 것을 이용함으로써 X 방향의 집광성은 어지럽혀지지 않고서 Y 방향의 빔을 축소할 수 있다.
도 6에 광 투과부(슬릿 또는 개구)(18)를 중앙에 1개만 갖는 사다리꼴 기둥 광학 헤드(16)의 비교예의 단면예를 도시한다. 도 3과 같이 사다리꼴 기둥(4)은 다이아몬드로 형성되어 있고, 광 출사부의 중앙에 설치된 광 투과부(18)는 사다리꼴 기둥(4)과 같은 다이아몬드로 형성되고, 그 두께는 25 nm이다. 광 투과부(18)의 양측에 인접하여 한 쌍의 Si층(20)이 형성되어 있다. 22는 사다리꼴 기둥(4) 및 Si층(20)의 주위를 둘러싼 두께 200 nm의 Al층이다. 이 구성을 할 때에는 도 7의 컴퓨터 시뮬레이션 화상에 도시한 바와 같이, 광은 사용하는 광의 파장 이하의 슬릿(18)을 투과할 수 없고, 광은 출사면(14)으로부터 출사되지 않는다.
도 8을 참조하면, 다른 비교예의 사다리꼴 기둥 광학 헤드(24)의 단면도가 나타나 있다. 이 비교예에서는 사다리꼴 기둥(4)을 마찬가지로 다이아몬드로 형성하고, 복수의 슬릿(26)과, 각 슬릿(26)의 양측에 인접한 복수의 Si층(28)을 형성했다. 슬릿(26) 및 Si층(28)은 모두 그 두께가 25 nm이다. 슬릿(26)은 다이아몬드로 형성되어 있다. 사다리꼴 기둥(4) 및 Si층(28)의 주위는 두께 200 nm의 Al층 (22)으로 둘러싸여 있다. 이 비교예의 광학 헤드(24)에 광을 입사하면, 도 9의 컴퓨터 시뮬레이션 화상에 도시한 바와 같이, 광이 두께 25 nm의 슬릿(26)의 안에서 감쇠되는 일없이 투과할 수 있는 것을 발견했다. 그러나, 이대로는 다수의 미세빔이 출사면(14)으로부터 출사하게 된다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같은 다층의 주기 구조로 주기 간격을 넓히면, 광이 광 투과부(개구)를 투과할 수 없게 되는 현상도 같은 전자계의 계산에 의해 발견했다. 이 계산 결과로부터, 중앙만을 낮은 굴절율의 유전체로 형성한 투과부(개구)로 하고, 개구의 양측에 높은 굴절율의 유전체층을 배치한 조합으로 하고, 이외의 회절 격자의 피치를 넓히거나, 혹은 굴절율을 다르게 함으로써 사용하는 파장 이하의 미세한 광 빔이 중앙의 광 감금부에 감금되고, 출사면에서 이 미소한 1개의 광 빔이 출사하는 것이 판명되었다.
도 10에 도 3에 도시한 제1 실시형태의 광학 헤드(2)의 Y 방향을 따른 단면도를 도시한다. 광 투과부(개구)가 되는 중심의 제1 유전체층(8)은 사다리꼴 기둥(4)과 동일한 다이아몬드로 형성하여, 그 두께를 20 nm으로 한다. 제1 유전체층(8)의 양측에 인접하여 Si로 형성된 두께 25 nm의 한 쌍의 제2 유전체층(10)이 배치되어 있다. 각 제2 유전체층(10)에 인접하여 SiO2로 형성된 두께 40 nm의 한 쌍의 제3 유전체층(30)이 배치되어 있다. 또한, 각 제3 유전체층(30)에 인접하여 Si로 형성된 두께 120 nm의 한 쌍의 제4 유전체층(32)이 배치되어 있다. 사다리꼴 기둥(4) 및 제4 유전체층(32)은 두께 200 nm의 Al층(12)으로 둘러싸여 있다. 다층 구조의 Z 방향의 길이는 100 nm이다. 제1 유전체층(8) 및 제3 유전체층(30)은 사용하는 광에 대하여 투명하다.
이 제1 실시형태의 광 전파 모습의 컴퓨터 시뮬레이션 화상을 도 11 및 도 12에 도시한다. 도 11은 Y 방향의 시뮬레이션 화상이며, 도 12는 X 방향의 시뮬레이션 화상이다. 도 11 및 도 12로부터 분명한 바와 같이, 광은 두께 20 nm의 중앙의 개구(8)에서 감쇠되지 않고 강도를 증대시켜 전파해 나간다. 이 때의, 출사면(14)으로부터 10 nm 떨어진 위치에서의 빔 프로파일을 도 13에 도시한다. 출사면에서 10 nm 출사한 위치에서의 1/e2의 빔 직경은 X 방향에서 100 nm, Y 방향에서 86 nm, 반치 전폭에서는 66 ×40 nm으로 매우 미세화되어 있다. 이 때의 광학 헤드에 입사하는 광량에 대한 출사광량의 비, 즉 광 이용 효율은 2.4%보다 고효율로 되어, 대용량 광 스토리지의 광학 헤드로서 충분한 특성을 얻을 수 있었다.
본 실시형태에서는 인접하는 유전체층의 사이의 굴절율차(Δn)가 크기 때문에 적층 구조의 총수가 적더라도 충분한 광 이용 효율을 달성할 수 있다. 단지, 중심에 배치한 저굴절율의 유전체층을 한 쌍의 고굴절율의 유전체층으로 끼우는 것만으로는 도 7에 도시한 바와 같이 광은 광학 헤드를 투과할 수 없다. 이것에 대하여, 본 실시형태와 같이 3개의 주기를 갖는 다층 구조이면, 광은 중앙의 개구에서 감쇠되지 않고 강도를 증대시켜 전파하여, 출사 단부면으로부터 출사한다. 단지, 3개의 주기 구조라 하더라도 중앙의 조합과 그 양측의 조합에서는 주기의 길이(피치) 혹은 굴절율이 다르다고 하는 특수한 주기성이 있는 것에 주목해야 한다. 또한, 본 실시형태에서는 Al층(12)으로 주위를 둘러싸고 있지만, Al층(12)을 사용하지 않더라도 강도가 강한 투과광을 얻을 수 있다.
전술한 제1 실시형태에서는 제1 유전체층(8)을 다이아몬드로 형성하고, 제2 유전체층(10) 및 제4 유전체층(32)을 Si로 형성하며, 제3 유전체층(30)을 SiO2로 형성하고 있지만, 각 유전체층의 재료는 이것에 한정되는 것이 아니다. 즉, 제2 유전체층(10) 및 제4 유전체층(32)은 제1 유전체층(8)보다 큰 굴절율을 갖고, 제3 유전체층(30)은 제1 유전체층(8)과 굴절율이 다르거나 혹은 두께가 서로 다르면 좋다. 바람직하게는, 제3 유전체층(30)은 제1 유전체층(8)보다 작은 굴절율을 갖고 있다. 대안으로서, 제3 유전체층(30)은 제1 유전체층(8)보다 두께가 두꺼운 것이 바람직하다. 또한, 제1 유전체층(8)과 제2 유전체층(10)의 굴절율차는 2 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 유전체층의 재질을 다르게 함으로써 굴절율을 다르게 하는 것이 가능하다. 낮은 굴절율의 유전체층과 높은 굴절율의 유전체층의 굴절율차는 O.1 이상이면 좋지만, 굴절율차가 큰 쪽이 효과적이다. 유전체층의 두께의 차는 약간이라도 있으면 좋고, 구체적으로는 수 nm 이상 수백 nm 이하의 범위에서 선택하는 것이 효과적이다.
본 실시형태와 같은 적층 구조를 갖는 회절 격자는 광의의 일차원 포토닉 결정이라고 볼 수 있지만, 입사되는 광의 편광 방향이 층의 적층 방향에 직교하고 있는 경우에 광의 투과가 커져, 광의 투과율은 입사하는 광의 편광 방향에 의존한다. 이러한 투과 현상에서는 일반적으로 투과광에는 강도의 산 및 골이 진행 방향에 거의 주기적으로 나타나, 그 주기는 광이 투과하는 매질의 굴절율을 n이라고 하면, 대충 λ/2n이며, 소위 패브리 페로(Fabry-Perot)형의 공진 모드로 되어 있는 것이 많다. 고굴절율이고 저손실의 재료로서는 KNbO3, LiNbO3, AgBr, TlCl, ZnS, KPS-6, ESO, TiO2 등을 들 수 있다.
또한, 전술한 설명에서는 사다리꼴 기둥(4)의 속에 특수한 주기 구조를 갖는 소자(광학 헤드)를 설명했지만, 본 발명은 사다리꼴 기둥 형상에 한정되는 것이 아니라, 통상의 렌즈 등에 의해 발생할 수 있는 평행광이나 수속 구면파 등을 전술한 바와 같은 특수한 주기 구조를 갖는 소자에 입사시키더라도 마찬가지로 한 방향으로 빔을 대폭 축소화할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시형태의 광학 헤드(2A)의 단면도가 나타나 있다. 이 실시형태에서는 제3 유전체층(30)을 출사 단부면으로부터 소정 거리 삭제한다. 제3 유전체층(30)이 SiO2로 형성되고, 그 두께를 W라고 하면, SiO2를 에칭함으로써 깊이 방향에서 제3 유전체층(30)을 W정도까지 삭제한다. W는 50∼100 nm 정도이다. 이에 따라, 제3 유전체층(30)으로부터의 미약한 광의 누설을 방지할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제3 실시형태의 광학 헤드(34)의 투시도가 나타나 있다. 도 16은 도 15의 Y 방향을 따른 단면도이다. 사다리꼴 기둥(36)은 서로 평행한 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면(36a)과, 직사각형 저면(36b)과, 이 직사각 형 저면(36b)과 평행한 직사각형 정상면(36c)과, 정상면(36c)과 저면(36b) 및 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면(36a)끼리를 각각 접속하는 한 쌍의 경사 측면(36d)을 갖고 있다. 사다리꼴 기둥(36)의 꼭지각은 30°이다. 본 실시형태는 다층막이 광학 헤드(광학소자)(34)의 전체 길이에 존재하는 경우이다.
도 16의 단면도에 있어서, 40은 광학 헤드(34)의 중심에 배치된 두께 20 nm의 SiO2로 형성된 제1 유전체층이며, 이 제1 유전체층(40)의 양측에 인접하여 각각 두께 30 nm의 Al로 형성된 한 쌍의 제1 금속층(42)이 배치되어 있다. 각 제1 금속층(42)에 인접하여 각각 두께 160 nm의 다이아몬드로 형성된 한 쌍의 제2 유전체층(44)이 배치되어 있다. 또한, 각 제2 유전체층(44)에 인접하여 각각 두께 200 nm의 Al로 형성된 한 쌍의 제2 금속층(38)이 배치되어 있다. 이와 같이 본 실시형태에서는 광을 감금하는 부재로서 금속을 이용하고 있다. 이 때, 사용 파장으로 금속의 자유 전자의 공명에 의해 광강도를 증대시키기 위해서 플라즈몬이 존재하는 조건을 제1 금속층(42) 및 제2 금속층(38)이 만족시킬 필요가 있다. 즉, 금속의 유전률의 실부 절대치는 이웃의 유전체의 유전률보다 큰 것이 필요하다. 본 실시형태에서는 이 조건을 만족하는 알루미늄(Al)을 제1 및 제2 금속층으로서 사용했다. 제1 유전체층(40) 및 제2 유전체층(44)은 사용하는 광에 대하여 투명하다.
제3 실시형태의 광학 헤드(34)에 광을 입사했을 때의 광 전파 모습의 컴퓨터 시뮬레이션 화상을 도 17 및 도 18에 도시한다. 도 17은 Y 방향의 시뮬레이션 화상이며, 도 18은 X 방향의 시뮬레이션 화상이다. 도 17 및 도 18로부터 분명한 바 와 같이, 두께 20 nm라는 매우 미세한 제1 유전체층(40)의 안에서 광이 감쇠되지 않고 투과하고 있다. 이 때의, 출사면에서 10 nm 출사한 위치의 빔 프로파일을 도 19에 도시한다. 출사면에서 10 nm 출사한 위치에서의 1/e2의 빔 직경은 X 방향에서 100 nm, Y 방향에서 71 nm이며, 반치 전폭에서는 65 ×37 nm으로 매우 미세화되어 있다. 본 실시형태의 광 이용 효율은 0.94%보다 고효율이며, 대용량 스토리지의 광학 헤드로서 충분한 특성을 얻을 수 있었다.
전술한 제3 실시형태에서는 각 금속층을 알루미늄으로 형성하고 있지만, 마이너스 유전률을 갖는 다른 금속도 사용할 수 있다. 금속의 유전률의 실부 절대치는 인접하는 유전체층의 유전률보다 클 필요가 있다. 바람직하게는, 제2 유전체층(44)은 제1 유전체층(40)보다 큰 굴절율을 갖고 있다. 혹은, 제2 유전체층(44)은 제1 유전체층(40)보다 두꺼운 두께를 갖고 있다. 본 실시형태의 변형예로서 제1 및 제2 실시형태와 같은 유전체의 적층 구조를 채용해도 좋다. 또한, 제1 및 제2 실시형태의 변형예로서 광을 감금하는 부재로서 알루미늄(Al) 등의 금속층을 이용해도 좋다.
도 20은 본 발명의 제4 실시형태의 광학 헤드(46)의 개략 단면도를 나타내고 있다. 이 실시형태는 적층 구조의 주기수를 늘린 실시형태이다. 중심에 배치한 제1 유전체층(48)은 다이아몬드로 형성되고, 제2 유전체층(50)은 Si로 형성되며, 제3 유전체층(52)은 SiO2로 형성되고, 제4 유전체층(54)은 Si로 형성된다. 즉, 제1 내지 제4 유전체층의 적층 구조는 도 10에 도시한 제1 실시형태와 마찬가지다. 본 실시형태에서는 또한 제5 유전체층(56)을 Si로 형성하고, 제6 유전체층(58)을 Si로 형성한다. 제7 유전체층(60)은 SiO2로 형성되며, 제8 유전체층(62)은 Si로 형성된다.
본 실시형태의 광학 헤드(46)의 특징의 하나는 제5 유전체층(56)을 고굴절 재료로 형성하여, 이 부분에서의 광의 투과를 저지하고자 하는 것이다. 제작할 때는 제4 내지 제6 유전체층(54-58)은 물론 1회의 성막 스텝으로 형성한다. 본 실시형태에서는 도 9에서 복수의 슬릿을 투과하는 경우, 중앙으로부터 세 번째에는 광이 강하게 투과하는 현상이 있기 때문에, 이것을 저지하는 것이다. 이 경우, 회절 격자의 주기수를 늘림으로써 투과 강도를 강하게 할 수 있는 이점이 있다. 제5 유전체층(56) 대신에, 마이너스 유전률을 갖는 금속 재료를 이용하여도 좋다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 광학 헤드를 이용한 정보 기록 재생 장치(64)의 개략 구성도가 나타나 있다. 이 정보 기록 재생 장치(64)는 광 어시스트 자기 기록 재생 장치이다. 자기 기록 매체(66)는 화살표 R 방향으로 회전한다. 하부 자기 실드(68)와 상부 자기 실드 겸 하부 코어(70)의 사이에 재생용 자기 센서 헤드(72), 광학 헤드(2)가 형성되어 있다. 광학 헤드(2)에는 광 도파로(74)를 통해 광이 입사된다. 하부 코어(70) 위에는 정보 기록용의 코일(76)이 형성되어 있다. 78은 상부 코어이다.
이 정보 기록 재생 장치(64)에서는 자기 기록 매체(66)의 회전에 의해 재생용 자기 센서 헤드(72), 광학 헤드(2) 및 자장 발생용 코일(76)의 순으로 마크를 통과한다. 정보의 기록시에는 광학 헤드(2)로부터 출사된 광(3)이 자기 기록 매체(66)에 조사되어 자기 기록 매체(66)의 온도를 올려, 그 직후에 코일(76)에서 발생된 자계(80)에 의해 정보를 기록하기 때문에, 비교적 작은 자계 강도로 자기 기록 매체(66)에 정보를 기록할 수 있다. 이 정보 기록 재생 장치(64)는 웨이퍼 처리 프로세스에 의해 완전한 일체형 헤드로서 제조할 수 있다.
또한, 정보 기록 재생 장치로서 광 어시스트 자기 기록 재생 장치에 관해서 설명했지만, 본 발명의 광학 헤드의 적용은 이것에 한정되는 것이 아니라, 미소한 빔 스폿을 형성할 수 있기 때문에 상(相)변화형의 광 디스크 장치나 광 자기 디스크 장치의 광학 헤드로서도 마찬가지로 적용할 수 있다. 특히, 광 자기 디스크 장치의 경우에는 자계 레이저 펄스 변조에 의해 원주 방향으로 소위 삼일월 기록이 행해져, 기록 길이의 단축화가 행해지기 때문에, 높은 기록 밀도화를 도모할 수 있다. 또한, 자계 레이저 펄스 변조에 의해 오버라이트 기록이 행해져, 고속 기록 재생이 가능해진다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타내고 있다. 광 빔은 대물 렌즈(82)로 집광되어 SIL(84)에 들어가, 이 SIL(84)에 의해 더욱 집광된다. SIL(84)는 반구 렌즈이며, 그 평면부에 제5 실시형태의 원통형 광학 헤드(86)가 형성되어 있다. 원통형 광학 헤드(86)는 도 23에 도시한 바와 같이 중심에 배치된 예컨대 다이아몬드로 형성된 제1 유전체(88)와, 제1 유전체(88)에 인접하여 그 외주에 배치되며 예컨대 Si로 형성된 링형 제2 유전체(90)와, 제2 유전체(90)에 인접하여 그 외주에 배치되며 예컨대 SiO2로 형성된 링형 제3 유전체(92)와, 제3 유전체(92)에 인접하여 그 외주에 배치되며 예컨대 Si로 형성된 링형 제4 유전체(94)를 포함하고 있다. 원통형 광학 헤드(86)는 또한 제4 유전체(94)에 인접하여 그 외주에 배치되며 SiO2로 형성된 링형 제5 유전체(95)와, 제5 유전체(95)에 인접하여 그 외주에 배치된 Si로 형성된 링형 제6 유전체(96)를 포함하고 있다.
도 23의 원통형 광학 헤드(86)의 변형예로서, 중심 부분(88)을 SiO2로 형성하고, 링형 부분(90, 94, 96)을 알루미늄 등의 금속으로 형성하며, 링형 부분(92, 95)을 다이아몬드로 형성하더라도 좋다. 도 23에 도시한 제5 실시형태에 있어서는 모든 방향에 대하여 빔의 축소화를 도모할 수 있다.
도 24는 본 발명의 제6 실시형태의 광학 헤드(98)를 나타내고 있어, Si로 형성된 원통체(102)의 중심에 다이아몬드로 형성된 직방체(100)를 배치하고, 그 주변에 격자형으로 SiO2로 형성된 직방체(104)를 배치하여 구성한다. 원통체(102)를 알루미늄 등의 금속으로 형성하더라도 좋다. 이 경우에는, 중심의 직방체(100)는 SiO2로 형성하고, 격자형으로 배치된 직방체(104)는 다이아몬드로 형성하는 것이 바람직하다. 도 25는 도 24에 도시한 제6 실시형태의 변형예의 광학 헤드(98A)를 나타내고 있다. 이 변형예에 있어서는, 도 24의 직방체(104)에 덧붙여, 직방체(104)와 동일한 SiO2로 형성된 4개의 직방체(106)가 형성되어 있다. 도 24 및 도 25에 도시하는 실시형태에 있어서는 X 방향 및 Y 방향 빔 모두의 축소화를 도모할 수 있 다.
도 26은 본 발명의 제7 실시형태의 광학 헤드(108)를 나타내고 있어, 2개의 수직 회절 격자(110, 112)를 적층하여 구성하고 있다. 이 실시형태에 있어서도 X 방향 및 Y 방향 빔 모두의 축소화를 도모할 수 있다.
도 27은 도 22에 도시한 실시형태를 예컨대 광 자기 디스크 장치에 응용한 구성도를 나타내고 있다. 서스펜션(116)에 지지된 슬라이더(114)에는 자계 변조용 코일(118)과, SIL(84) 및 원통형 광학 헤드(86)가 형성되어 있다. 120은 광 자기 디스크 매체이다. 레이저 다이오드(LD)(122)로부터 출사된 레이저 빔은 콜리메이트 렌즈(124)로 콜리메이트 빔으로 된 후, 편광 빔 분할기(126)를 투과하여, 대물렌즈(128), SIL(84) 및 원통형 광학 헤드(86)에 의해 광 자기 디스크 매체(120) 위에 집광된다. 정보의 기록시에는 자계 변조용 코일(118)이 기록해야 하는 데이터에 따라서 변조되어, 데이터가 광 자기 디스크 매체(120)에 기록된다. 정보의 독출시에는 광 자기 디스크 매체(120)로부터의 반사광이 편광 빔 분할기(126)로 반사되어, 렌즈(130)에 의해 광 검지 소자(132) 위에 집광되어, 광 자기 신호가 검지된다.
본 발명의 광 소자(광학 헤드)를 LD나 LED 등의 출사면에 제작함으로써 광의 집광성을 높게 할 수 있어, 효율이 좋은 광 디바이스를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 광 소자를 광 도파로 단부면에 형성함으로써 통신용 광 파이버와의 결합이나, 광 배선 등의 결합 소자로서 사용할 수 있다.
도 28a∼28c는 도 3에 도시한 제1 실시형태의 광학 헤드(2)의 제조 방법의 일례를 나타내고 있다. 우선, 도 28a에 도시한 바와 같이, 스퍼터링, 진공 증착 혹은 CVD법에 의해 Al층(136) 및 다층막 구조(138)를 성막한다. 계속해서, 도 28b에 도시한 바와 같이, 다이아몬드로 이루어지는 사다리꼴 기둥의 광 투과 부분(140)을 성막한다. 마지막으로, 도 28c에 도시한 바와 같이, 다층막 구조(138) 및 사다리꼴 기둥(140) 위에 Al(142)을 성막한다.
도 29a∼도 29d는 도 15에 도시한 제3 실시형태의 광학 헤드(34)의 제조 방법의 일례를 나타내고 있다. 우선, 도 29a에 도시한 바와 같이 RF 스퍼터링, 진공 증착 혹은 CVD법에 의해 다층막을 성막한다. 계속해서, 도 29b에 도시한 바와 같이, 포토레지스트를 도포후, 스테퍼(stepper) 또는 전자빔 직접 묘화 장치 등을 사용하여 사다리꼴(144)을 패터닝한다. 계속해서, 도 29c에 도시한 바와 같이, 반응성 이온 에칭(RIE) 등으로 형상을 마무리하고, 마지막으로 도 29d에 도시한 바와 같이, 최외주의 Al층(146)을 성막한다. 이들 제조 프로세스는 웨이퍼 프로세스에 의해 수행되고, 마지막으로 각 칩을 잘라내어, 소정의 면이 나오도록 연마를 행한다.
전술한 각 실시형태에 있어서의 사다리꼴 기둥의 꼭지각은 10°∼120°의 범위에서 제조면, 빔 설계에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 각 실시형태의 각 층의 재료는 제조면, 재료비, 빔 설계에 따라서 적절하게 선택할 수 있고, 각 실시형태의 재료에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, SiO2가 아니더라도 SiO2를 포함하는 SiO2계 재료, Al을 포함하는 Al계 재료라도 좋다.
본 발명의 광학 헤드는 이상 상술한 바와 같이 미소한 광 빔을 출사할 수 있기 때문에 정보 기록 재생 장치에 적용하면 초고밀도 기록을 실현할 수 있다. 또한, 기판 위에 형성하는 이차원 패턴으로 용이하게 축소화된 광 빔을 출사할 수 있는 광학 헤드를 제조할 수 있고, 광학 헤드의 양산화가 가능하다. 또한, 재생용 헤드와 더불어 리소그래피 기술로 제작할 수 있기 때문에, 1인치 평방당 서브테라비트 이상의 고밀도 기록에 대응할 수 있는 광학 헤드 및 이것을 이용한 정보 기록 재생 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 광학 헤드는 정보 기억 장치뿐만 아니라, 광통신용 부품, 반도체 가공 장치 등의 광학 장치에 응용할 수 있다.

Claims (32)

  1. 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과,
    상기 각 제3 유전체층에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층
    을 구비하고, 상기 제1 내지 제4 유전체층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
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  13. 제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제1 인접층과,
    상기 각 제1 인접층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제2 인접층
    을 구비하고, 상기 제1 및 제2 유전체층은 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르며,
    상기 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
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  23. 원통형상 광학 헤드로서,
    중심에 배치되며 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체와,
    상기 제1 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 링형 제2 유전체와,
    상기 제2 유전체에 인접하여 그 외주에 배치된 링형 제3 유전체와,
    상기 제3 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 링형 제4 유전체
    를 구비하고, 원통형상 광학 헤드의 축방향에 광을 입사시키는 것을 특징으 로 하는 광학 헤드.
  24. 원통형상 광학 헤드로서,
    중심에 배치된 제1 유전체와,
    상기 제1 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 링형 제1 인접재와,
    상기 제1 인접재에 인접하여 그 외주에 배치된 링형 제2 유전체와,
    상기 제2 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 링형 제2 인접재
    를 구비하고, 상기 제1 및 제2 유전체는 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르며,
    원통형상 광학 헤드의 축방향에 평행한 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  25. 서로 평행한 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면과, 직사각형 저면과, 이 직사각형 저면과 평행한 직사각형 정상면과, 상기 정상면과 상기 저면 및 상기 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면끼리를 각각 접속하는 한 쌍의 경사 측면을 갖는 광학 헤드로서,
    제1 굴절율을 갖고, 상기 사다리꼴 형상 주면에 평행한 제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과,
    상기 각 제3 유전체층에 인접하여 배치된 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층을 구비하고,
    상기 직사각형 저면에 이 저면과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  26. 서로 평행한 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면과, 직사각형 저면과, 이 직사각형 저면과 평행한 직사각형 정상면과, 상기 정상면과 상기 저면 및 상기 한 쌍의 사다리꼴 형상 주면끼리를 각각 접속하는 한 쌍의 경사 측면을 갖는 광학 헤드로서,
    상기 사다리꼴 형상 주면과 평행한 제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제1 인접층과,
    상기 각 제1 인접층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제2 인접층
    을 구비하고, 상기 제1 및 제2 유전체층은 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르고,
    상기 직사각형 저면에 이 저면과 직교하는 방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  27. 평면을 갖는 반구형 SIL(Solid Immersion Lens)과,
    상기 SIL의 상기 평면 위에 형성된 원통형 광학 소자를 구비하고,
    상기 원통형 광학 소자는,
    제1 굴절율을 갖고, 중심에 배치된 제1 유전체와,
    상기 제1 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 링형 제2 유전체와,
    상기 제2 유전체에 인접하여 그 외주에 배치된 링형 제3 유전체와,
    상기 제3 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 링형 제4 유전체
    를 구비하며, 상기 원통형 광학 소자의 축방향과 평행한 광을 상기 SIL에 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  28. 평면을 갖는 반구형 SIL과,
    상기 SIL의 상기 평면 위에 형성된 원통형 광학 소자를 구비하고,
    상기 원통형 광학 소자는,
    중심에 배치된 제1 유전체와,
    상기 제1 유전체에 인접하여 그 외주에 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 링형 제1 인접재와,
    상기 링형 제1 인접재에 인접하여 그 외주에 배치된 링형 제2 유전체와,
    상기 링형 제2 유전체에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 링형 제 2 인접재를 구비하며,
    상기 제1 및 제2 유전체는 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르고,
    상기 원통형 광학 소자의 축방향에 평행한 광을 상기 SIL에 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  29. 제1 굴절율을 갖는 원통형 제1 유전체와,
    상기 원통형 제1 유전체의 중심 부분에 매립되며 상기 제1 굴절율보다 작은 제2 굴절율을 갖는 직방체 형상의 제2 유전체와,
    상기 제2 유전체 주위의 상기 원통형 제1 유전체중에 격자형으로 매립되며 상기 제1 굴절율보다 작은 제3 굴절율을 갖는 복수의 직방체 형상의 제3 유전체
    를 구비하고, 상기 원통형 제1 유전체의 축방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  30. 마이너스 유전률을 갖는 원통형 금속과,
    상기 원통형 금속의 중심 부분에 매립되며 제1 굴절율을 갖는 직방체 형상의 제1 유전체와,
    상기 제1 유전체의 주위의 상기 원통형 금속중에 격자형으로 매립되며 상기 제1 굴절율과 다른 제2 굴절율을 갖는 복수의 직방체 형상의 제2 유전체
    를 구비하고, 상기 원통형 금속의 축방향으로부터 광을 입사시키는 것을 특 징으로 하는 광학 헤드.
  31. 기록 매체에 정보를 기록하거나 재생하는 정보 기억 장치로서,
    광 빔을 출사하는 광원과,
    상기 광 빔에 기초한 광을 기록 매체에 조사하는 광학 헤드를 구비하고,
    상기 광학 헤드는,
    제1 굴절율을 갖는 제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제3 유전체층과,
    상기 각 제3 유전체층에 인접하여 배치되며 상기 제1 굴절율보다 큰 제3 굴절율을 갖는 한 쌍의 제4 유전체층을 구비하며,
    상기 제1 내지 제4 유전체층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 상기 광학 헤드에 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 정보 기억 장치.
  32. 기록 매체에 정보를 기록하거나 재생하는 정보 기억 장치로서,
    광 빔을 출사하는 광원과,
    상기 광 빔에 기초한 광을 기록 매체에 조사하는 광학 헤드를 구비하고,
    상기 광학 헤드는,
    제1 유전체층과,
    상기 제1 유전체층의 양측에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제1 인접층과,
    상기 각 제1 인접층에 인접하여 배치된 한 쌍의 제2 유전체층과,
    상기 각 제2 유전체층에 인접하여 배치되며 마이너스 유전률을 갖는 한 쌍의 제2 인접층을 구비하며,
    상기 제1 및 제2 유전체층은 굴절율이 서로 다르거나 혹은 두께가 서로 다르고,
    상기 각 층의 적층 방향과 직교하는 방향으로부터 상기 광학 헤드에 광을 입사시키는 것을 특징으로 하는 정보 기억 장치.
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