KR100660076B1 - 근접장 발광 소자 및 정보 기록/재생 장치 - Google Patents

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Abstract

근접장 발광 소자는 코어를 통해 베이스 쪽으로 전파되는 전자기파를 편향시키는 편향 유닛을 포함한다. 베이스 상에 배열되는 편향 유닛은 출구로부터 근접장 광을 발산한다. 베이스의 대향 측면에 자기헤드를 구비함으로써, 자기헤드와 근접장 광의 광도 중심 사이의 거리가 최소화될 수 있다. 편향 유닛이 비교적 두껍게 형성되므로, 전자기파는 표면 전파파가 매우 효율적으로 생성되게 하는 소정의 각도로 전파 유닛에 입사하게 된다.
정보 기록, 재생, 근접장 발광 소자, 편향 유닛, 전파 유닛, 도파관 유닛

Description

근접장 발광 소자 및 정보 기록/재생 장치{NEAR-FIELD LIGHT EMITTING DEVICE AND DATA RECORDING/REPRODUCTION APPARATUS}
도1은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100a)의 단면도이다.
도2는 근접장 발광 소자(100a)의 사시도이다.
도3은 근접장 발광 소자(100a)의 전기장 세기에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내기 위한 개략도이다.
도4는 근접장 발광 소자(100a)의 전기장 세기에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타내기 위한 개략도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100b)의 사시도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100c)의 사시도이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100d)의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100a, 100b, 100c, 100d : 근접장 발광 소자
120a : 광학 도파관 130a :발산체
121a, 123a : 클래딩 122a : 코어
110a : 베이스 131a : 표면 전파 유닛
132a : 편향 유닛 133a : 에칭 마스크 재료
본 발명은 근접장 발광 소자 및 근접장 발광 소자를 구비하는 데이터 기록/재생 장치에 관한 것이다. 처리되어야 하는 정보의 증가와 함께, 기록밀도를 대폭 개선시켜줄 수 있는 정보 기록 방법 및 정보 기록/재생 장치에 대한 수요가 증가하고 있다. 기록 밀도를 증가시키기 위해서 심지어 입사광의 파장보다도 작은 빔 스폿(beam spot)을 형성하는 근접장 광(near-field light)이 주목을 끌고 있다.
근접장 광은 광학 디스크에서 사용될 수 있다. 그렇지만, 근접장 광이 자기 기록 장치(magnetic recording apparatus)에서 적용될 수 있는 방법에 대한 연구가 진행중이다. 자기 기록 매체의 기록 밀도를 증가시키기 위해서, 자기 기록 매체는 자기적으로 안정한 재료로 형성될 필요가 있다. 그러나, 자기적으로 안정한 재료은 자기 기록 매체에 정보를 기록하는 것을 어렵게 한다. 따라서, 열(광)-보조 기록방법으로 알려진 기록 방법이 현재 연구되고 있다.
열-보조 기록 방법은 자기 헤드(magnetic head)에 의해 자기 기록 매체에 정보가 기록되기 전에, 정보가 기록될 부분에 빔(beam)을 인가함으로써 온도를 증가시켜 일시적으로 해당 부분을 쉽게 기록가능하도록 만든다. 열-보조 기록 방법에서 근접장 광을 인가함으로써 제곱 인치 당 1 테라비트(1 terabit per square inch, Tbpsi)가 넘는 광 기록 밀도가 실현될 것으로 예상되고 있다.
열-보조 기록 방법에서는, 자기 헤드의 자기 코어(magnetic core)와 빔 스폿 사이의 거리를 짧게 하는 것이 중요하다. 만약 거리가 길면, 해당 부분의 온도가 내려가서, 자기 기록 매체에 정보를 기록하는 것을 어렵게 한다.
예를 들어, 일본 특허 출원 제2004-255732호에 개시된 기술에서 빔 출구(beam outlet)는 자기 헤드에 가깝게 배열된다. 이 기술에서, 근접장 광을 발산하는 소자는 리소그라피(lithography)에 의해 자기 헤드와 같은 웨이퍼 상에 형성된다. 더욱이, 빔 출구를 자기 헤드에 더 가깝게 하기 위하여 근접장 발광 소자의 복층 구조는 비대칭적으로 만들어진다.
그러나, 상기 기술에서 발광 소자에 레이저(laser)를 전파하는 광학 도파관(optical waveguide)의 클래딩(cladding) 두께는 고려되지 않았다. 클래딩은 광학 도파관의 코어(core)를 피복하며(covers), 레이저가 감쇠 없이 발광 소자로 전파되기 위하여 필수적이다. 클래딩의 두께는 대략 레이저의 파장이 되어야 한다. 따라서, 자기 헤드와 빔 스폿은 클래딩의 두께와 동등한 거리만큼 분리된다.
만일, 자기 헤드용으로 사용되는 재료와 같은, 더 높은 흡수 계수를 가지며 클래딩 두께보다 더 얇은 재료가 레이저와 접촉하는 경우에, 클래딩의 두께가 레이저의 파장보다 작게 감소된다면, 표면에서 흡수가 발생하게 되어 레이저의 감쇠가 초래된다. 더군다나, 레이저의 흡수는 열을 발생시켜, 자기헤드의 열화(degradation)가 초래된다.
통상적인 기술의 상기 문제점들을 적어도 해결하는 것이 본 발명의 목적이다. 본 발명의 일실시예에 따른 발광 소자는 발광 소자의 베이스 상에 배열되며 전자기파를 전파하도록 구성된 도파관 유닛(wave guiding unit)과, 베이스 상에 배열되며 전파된 전자기파로부터 근접장 광을 발산하도록 구성된 발산 유닛(emitting unit)과, 근접장 광이 출력되는 출구(outlet)를 포함한다. 발산 유닛은 전파된 전자기파를 베이스 쪽으로 편향시키도록 구성된 편향 유닛과, 편향 유닛과 베이스 사이에 배열되어 출구로부터 근접장 광을 발산하도록 편향된 전자기파로부터 표면 전파파(surface-propagating wave)를 생성하도록 구성된 전파 유닛을 포함하며, 출구는 도파관 유닛의 대향 측면 상의 전파 유닛의 단부에 배열된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 기록/재생 장치는 전술한 실시예에 따른 발광 소자를 포함한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부하는 도면과 관련하여 기술된 후술하는 본 발명의 상세한 설명에 구체적으로 설명되거나 그 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명에 따른 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명된다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100a)의 단면도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 근접장 발광 소자(100a)가 자기 헤드와 같은 다른 요소들이 맵핑된(mapped) 베이스(110a) 상에 설치된다. 근접장 발광 소자(100a)는 광학 도파관(120a)과 발산체(130a)를 포함한다.
광학 도파관(120a)은 전자기파(광)를 발산체(130a)로 안내한다. 광학 도파 관(120a)은 클래딩(121a)과 클래딩(123a)에 의하여 피복된 코어(122a)로 이루어진다. 도1에 도시되지는 않지만, 클래딩(123a)은 코어(122a)의 측면도 또한 피복한다. 코어(122a)는 전자기파를 전파한다. 클래딩(121a)과 클래딩(123a)은 전자기파의 감쇠를 방지한다.
발산체(130a)는 근접장 광을 발생시키며 베이스(110a) 상에 설치된 복층 구조의 형태이다. 발산체(130a)는 적층되어 있는 표면 전파 유닛(131a)과, 편향 유닛(132a)과, 에칭 마스크 재료(133a)를 포함한다.
표면 전파 유닛(131a)은 입사 전자기파로부터 표면 전파파를 생성하고, 광학 도파관(120a)의 대향 단부에 구비되는 개구로부터 근접장 광을 발산한다. 특히, 표면 전파 유닛(131a)은 입사광과 접하게 되는 구성 재료와 그 재료의 복소 굴절률 덕분에 표면 전파파를 생성한다. 입사광과 대면하는 재료의 복소 굴절률은 n-jㆍk와 동일하도록 정의되며, 여기서 n은 굴절률의 실수부이고, k는 허수부이며, j는 j2=-1인 허수이다. 표면 전파 유닛(131a)은 작은 k 값을 갖는 투명 전도 재료를 감싸거나 개재시키는 전도 재료의 유전상수 n2-k2보다 큰 유전상수의 절대값 및 큰 k값을 갖는 불투명 재료로 구성된 구조물이다.
400 나노미터(nm, nanometers)의 파장 λ를 갖는 전자기파에 있어서, 표면 전파 유닛(131a)은 상대적으로 보다 큰 굴절율과 k값을 갖는 Si와 같은 재료 사이에 SiO2(n=1.48)나 MgF2와 같은 투명 재료를 감싸거나 개재시킴으로써 맵핑된다. 하나의 출구는 표면 전파 유닛(131a)에 맵핑된다. 표면 전파 유닛은 Si층을 통해 투과된 전자기파로부터 표면 전파파를 Si-SiO2 접합부에 생성시키며, 출구로부터 근접장 광을 발산한다.
표면 전파파를 생성시키기 위하여 두 재료 사이의 유전상수 차이가 크면 클수록 좋다. 예를 들면, 낮은 굴절률을 갖는 투명 재료인 SiO2(n=1.48)와 높은 굴절률을 갖는 재료인 Si(n=4.380, k=2.02)의 접합부에서, 표면 전파파는 낮은 굴절률과 작은 k값을 갖는 재료의 측면 상에서 발생된다.
Si와 같이 높은 굴절률을 갖는 재료들은 전파될 때 전자기파의 감쇠를 일으키는 감쇠율을 나타내는 큰 k값을 갖는다. 따라서, Si층과의 접합부로부터의 표면 전파파의 전파거리는 가능한 한 짧아야 한다. 따라서, 표면 전파파가 발광 소자의 전면 단부에서 출구에 근접하게 발생되는 것이 바람직할 것이다. 한편, 전자기파는 Si에 의하여 흡수되는 것이 유리한데, 그로 인해 다른 층의 흡수에 의한 전자기파의 감쇠를 감소시킬 수 있기 때문이다. 다른 층(layers)으로부터의 세기가 감소함에 따라, 근접장 스폿 프로파일(near-field spot profile)은 감소될 수 있다. 이러한 거리의 재생은 필름 성형 장치(film-forming device)에서 Å유닛의 정확도로 보증될 수 있다.
작거나 대략 0인 k값을 갖는 중간 정도의 굴절률을 갖는(ZnS 등과 같은) 재료의 층은 작은 굴절률을 갖는 재료와 큰 굴절률 재료 사이에 개재될 수 있다. 그러므로, ZnS와 SiO2의 접합부에서 발생되는 표면 전파파는 Si로 인한 감쇠를 저지할 수 있으며 효율을 증가시킨다. 그러나, 베이스(110a)로부터 출구의 거리는 중간 굴절률 재료의 두께의 범위만큼 증가할 것이다.
편향 유닛(132a)은 광학 도파관(120a)을 통해 전파된 전자기파를 표면 전파 유닛(131a) 쪽으로 편향시킨다. 특히, 편향 유닛(132a)은 다른 굴절률을 갖는 적어도 두 가지 형태의 전도재료들로 구성되는데, 전도 재료들의 구성비는 단계적으로 변한다. 이와 달리, 편향 유닛(132a)은 서로 다른 굴절률을 가지며 하나가 또다른 것의 상부에 적층된 적어도 두 가지 형태의 재료들로 구성되며, 이러한 여러 개의 유닛들이 하나가 또다른 것의 상부에 적층될 수 있다. 편향 유닛(132a)의 또다른 교대구조는 전자기파를 반사하는 단 한가지 형태의 투명 재료일 것이다.
에칭 마스크 재료(133a)는 에칭에 의하여 표면 전파 유닛(131a)과 편향 유닛(132a)을 성형하기 위한 마스크(mask)이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 방법에서, 근접장 광이 출력되는 출구는 베이스(110a)에 대향하여 배치된다. 결과적으로, 적절한 클래딩 두께가 제공될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 자기 헤드와 출구 사이의 거리는 최소한으로 유지될 수 있다.
출구를 베이스(110a)에 대향하여 구비하는 것은 전자기파가 편향 유닛(132a)에 의하여 베이스(110a) 쪽으로 현저하게 편향될 것을 요구할 것이다. 이러한 큰 편향각은 편향 유닛(132a)을 구성하는 재료들의 적절한 조합에 의하여 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 근접장 발광방법에서, 표면 전파 유닛(131a)은 베이스(110a)에 향하여 형성된 얇은 층이다. 따라서, 광학 도파관(120a)을 통과하여 전파되는 전자기파가 편향 유닛(132a)의 내에서 손실없이 전파되기 위해서는, 편향 유닛(132a)의 두께는 표면 전파 유닛(131a)의 두께를 고려하지 않는 경우에 클래딩(121a)의 두께와 코어(122a)의 두께의 합 이상일 것이 요구된다.
입사각은 표면 전파 유닛(131a)이 표면전파파를 효율적으로 발생시킬 수 있도록 특정되어야(specific) 한다. 본 발명에 따른 근접장 발광 방법에서, 비교적 두꺼운 편향 유닛(132a)은 전자기파를 편향시켜 입사각을 조절하는 데 유리하다. 입사각은 표면 전파 유닛(131a)과 편향 유닛(132a)의 유효 굴절률에 의해 결정된다. 본 발명의 실시예에서 입사각은 55도이다.
본 발명에 따른 근접장 발광 소자(100a)의 구조가 다음에 설명된다. 도2는 근접장 발광 소자(100a)의 사시도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 발산체(130a)는 자기 헤드가 맵핑되는(mapped) 베이스(110a) 상에 놓여지며, 이등변 사다리꼴의 긴 측면과 모서리를 공유하는 정사각형을 갖는 이등변 사다리꼴로 이루어지는 다각형 기둥의 형태이다. 광학 도파관(120a)의 코어(122a)의 전방 단부는 이등변 사다리꼴의 표면에 대향하는 발산체(130a)의 표면에 결합된다. 광학 도파관(120a)의 타단부는 렌즈 커플링(lens coupling), 단부 인젝션(end injection), 그리고 클래딩(cladding)과 같은 방법에 의해 광학 도파관(120a)을 레이저 빔에 커플링하는 미도시된 유닛에 결합된다.
발산체(130a)는 표면 전파 유닛(131a)과, 편향 유닛(132a)과, 에칭 마스크 재료(133a)를 포함하되, 에칭 마스크 재료(133a)이 최상부 층을 형성하도록 하나가 또다른 하나의 상부에 적층되며, 발산체(130a)는 표면 전파 유닛(131a)과 편향 유 닛(132a)의 이등변 사다리꼴 부분의 이등변부를 형성하는 두 개의 경사진 측벽(134a)를 더 포함한다. 표면 전파 유닛(131a)은 투명 전도재료의 복층으로 구성된 복층 구조이며, 각각의 층은 전자기파의 파장보다 크지 않은 두께를 가진다. 편향 유닛(132a)도 또한 유효 굴절률 분포(effective refractive index distribution)를 갖는 복층 구조이다.
광학 도파관(120a)을 통해 전파된 전자기파는 편향 유닛(132a)의 복층 구조에 의하여 다각형 기둥의 베이스(110a) 쪽으로 편향되고, 경사진 측벽(134a)에 의하여 내부 쪽으로 집중된다. 표면 전파 유닛(131a)은 경사진 측벽(134a)에 의하여 편향 유닛(132a)으로부터 나타나는 전자기파를 내부 쪽으로 집중시키고, 출구로부터 파장보다 작지만 크지 않은 근접장 광을 발산한다. 경사진 측벽(134a)은 빛이 출구를 통과하지 않고 새는 것을 방지한다.
발산체(130a)는 리소그라피(lithography) 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 베이스(110a)용 증착과, 표면 전파 유닛(131a)용 증착과, 편향 유닛(132a)용 증착은 전체 웨이퍼 상에 순차적으로 이루어진다. 다음으로 표면 전파 유닛(131a)과 편향 유닛(132a)의 복층 구조를 격리시키는 다각형 기둥의 에칭이 실행된다. 다음으로, 발광 소자의 경사진 측벽(134a)용 증착이 이루어진다. 그런 다음 광학 도파관(120a)용 클래딩(121a)과, 코어(122a) 및 클래딩(123a)이 리프트 오프(lift-off) 기술 또는 에칭을 사용하여 순차적으로 패턴화된다.
도1에서 코어(122a)는 클래딩(121a)이 발산체(130a)에 결합되는 것을 방지하기 위하여 L-형상으로 마련된다. 클래딩 층을 형성하는 경우에, 이러한 것은 코어 (122a)가 발산체(130a)에 결합되는 발산체(130a)를 클래딩(121a)이 피복하는 것을 방지한다.
따라서, 클래딩(121a)은 발산체(130a)와 코어(122a)가 연결되는 접촉 영역을 피복하지 않으면서 형성된다. 이와 달리, 접촉 영역이 클래딩(121a)에 의하여 피복되더라도, 코어(122a)와 발산체(130a)가 서로 접촉할 수 있도록 접촉 영역 내에서 클래딩을 제거하기 위해 에칭기술이 사용될 수 있다. 그렇지만, 후자의 기술은 증가된 제조공정을 수반한다.
표면 전파 유닛(131a)은 층들의 적층 세트들(stacked sets of layers)로 이루어지고, 층들의 각각의 세트는 1.0 이상의 굴절률 차이와 24nm의 두께를 갖는 Si(n=4.380, k=2.02)층에 의해 양측에 개재된 16nm 두께의 SiO2(n=1.48)의 층으로 구성된다. 이러한 방식으로 형성되는 표면 전파 유닛(131a)의 전체 두께는 64nm이다.
편향 유닛(132a)은 하나가 또다른 하나의 상부에 적층된 Ta2O5와 SiO2의 교대 층들로 구성된다. 표면 전파 유닛(131a)으로부터, Ta205와 SiO2 층은 448 nm 두께의 Ta205, 20 nm SiO2, 100 nm Ta205, 70 nm SiO2, 70 nm Ta205, 120 nm SiO2, 20 nm Ta205와 220 nm SiO2의 순이다. 이것은 편향 유닛의 전체 두께를 1068nm로 만든다.
Ta205와 SiO2의 층의 두께를 변화시키는 것은 광학 도파관(120a)을 통해 전파된 모든 전자기파를 증착 방향으로 편향시키며 전자기파를 표면 전파 유닛(131a)의 출구 근처에서 입사시키는 효과를 갖는다. 본 발명의 실시예에서, 증착의 방향에 수직하는 방향에서 편향 유닛(132a)의 너비는 1.0 마이크로미터(㎛)로 유지되며, 광학 도파관(120a)의 코어(122a)와 접촉하는 표면과 출구 사이의 거리는 1.52㎛로 유지되며, 이등변 측면의 대면각은 75도로 유지된다.
편향 유닛(132a)으로부터 표면 전파 유닛(131a)상에 입사하는 전자기파의 입사각은 55도로 설정되는데, 이 각도는 표면 전파 유닛(131a)이 표면 전파파를 가장 효율적으로 발생시키는 각도에 근접한다.
광학 도파관(120a)에 결합되는 표면이 아닌 편향 유닛(132a)의 모든 표면들은 높은 전자기파 반사율을 갖는 재료 그룹으로 피복된다. 높은 반사율 재료는 양호하게는 sinθ〉n2/n1인 전반사조건을 만족시키는 재료이어야 하는데, n1은 경사진 측벽의 유효 굴절률이고, n2는 전도재료 코팅의 유효굴절률이며, θ는 경사진 측벽에서의 입사각이며, 경사진 측벽은 출구를 제외한 이등변 사다리꼴의 이등변 측면에 결합된 표면이다.
이와 달리, 적어도 경사진 측벽(134a)에 의해 광 빔(light beam)이 표면 전파 유닛(131a)의 내부로 반사되도록, 음의 비유도 용량(negative specific inductive capacity)을 갖는 재료, 즉 알루미늄(n=0.49, k=4.86) 및 금과 같이 n2-k2〈0인 재료를 경사진 측벽(134a) 용으로 사용하는 것이 바람직할 것이다.
100nm 두께를 갖는 Al층은 에칭 공정 동안 편향 유닛(132a)의 상부에 마스크로서 증착된다. 이 Al층은 에칭 마스크 재료(133a)에 대응한다. 또한, 예를 들어 Ta205는 광학 도파관(120a)의 코어용으로 사용될 수 있으며 SiO2는 클래딩용으로 사용될 수 있다.
따라서, 깊이 방향으로 매개변수(parameter)를 갖지 않는 2차원 패턴을 사용하는 것은 기판 상에서 결정 방향의 제한을 제거시켜주며, Si 이외의 다른 기판을 사용할 수 있도록 해준다. 반면 통상적인 역피라미드 형상(reverse-pyramid-shaped)의 발광 소자는 Si 기판 상에 설치되어야만 했다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 임의의 꼭지각이 다각형 기둥용으로 설정될 수 있다. 최신 필름 형성 소자의 증착 정확도는 결정 에칭 방법과 비교할 때 1~2Å에서 수 Å까지의 치수이다. 결과적으로, 맵핑(mapping) 오차는 대폭 줄어든다.
표면 전파 유닛(131a)의 투명 전도층의 두께는 증착 방향을 따라 이러한 2차원 복층 구조로부터 발산된 근접장 광의 프로파일을 결정한다. 발광 소자의 출구의 형상은 증착방향에 수직인 근접장 광의 프로파일을 결정한다. 따라서, 근접장 영역에서 회절 한계(diffraction limit)를 넘어선 자유 공간에서의 파장보다 훨씬 미세한 빔 스폿이 얻어질 수 있다.
미세한 빔 스폿 사이즈가 얻어지더라도, 제곱 인치당 1테라비트를 초과하는 기록밀도를 실현시키는 것을 어렵다. 만약 이러한 근접장 광이 자기 기록 매체를 가열하는 열원으로 열 보조 자기 기록/재생 장치에 적용된다면, 기록 밀도로 실현될 수 있는 전술한 기록 밀도는 자기 헤드에 의하여 결정된다. 이 경우에, 기록에 사용되는 자기 헤드의 자기 코어는 수 나노미터의 크기이다. 따라서, 발광 소자는 나노 크기여야 한다.
열 보조 기록 방법에서, 먼저 자기 기록 매체의 온도가 제일 먼저 발광 소자에 의해 발산되는 빔에 의하여 올라간다. 다음으로 코일에 의하여 발생되는 자기장에 의하여 데이터가 기록된다. 따라서, 데이터를 기록하기 위하여 비교적 적은 자기장 세기가 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100a)는 열 보조 자기 기록/재생 장치에 적용된다. 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100a)는 미세한 빔 스폿을 발생시키지만, 상변화 형태의 광학 디스크 장치 또는 광자기 디스크 소자로 사용될 수도 있다. 미세한 빔 스폿이 저면에 근접하여 형성되므로 근접장 발광 소자(100a)는 광학 회로 장치로서 사용될 수도 있다.
슬라이더 단부로부터 먼저 발광 소자가 그런 다음에 자기 헤드가 오는 구조에서, 발광 소자의 출구가 자기 헤드의 기록 코어와 같은 형상이 아니라면 또는 발광 소자가 자기 헤드보다 크다면, 자기 헤드가 먼저 맵핑되고(mapped) 발광 소자가 자기 헤드의 위에 맵핑되어야 한다. 자기 헤드가 상부에 맵핑되어 있는 보드가 슬라이더로 간주된다면, 기록을 수행하기 위한 빔을 발생시키기 위한 셋업(setup)의 순서는 역전될 것으로 보인다. 이 경우에 기록은 발광 소자를 슬라이더에 접착(bonding)시킴으로써 수행될 수 있다.
도3은 최대 20(V/m)2의 선형 스케일 상에 표현된 YZ면의 개략도이며, 도2에 도시된 근접장 발광 소자(100a)의 전기장 세기(V/m)2용 시뮬레이션의 결과를 도시한 다. 도3에 도시된 바와 같이, Z축을 따라 λ=400nm의 파장을 가지며 전파되는 전자기파는, SiO2로 구성된 광학 도파관(120a)의 코어(122a)를 통해 전파되며, 복층인 편향 유닛(132a)의 적층방향으로 편향되고, 표면 전파 유닛(131a)의 출구의 중심 부로부터의 보이드(void) 내의 광도로서 분배된다.
도4는 최대 100 V/m2의 선형 스케일 상의 XZ면 상에 표현된 표면 전파 유닛(131a)의 SiO2층의 개략도이다. Z축을 따라 전파된 λ=400nm의 파장을 갖는 전자기파는 SiO2층의 출구 근처에 집중되고, 자기장의 세기를 얻으며, 출구의 중심부로부터 보이드 내의 광도로서 분배된다. YZ면의 편향 유닛(132a) 및 코어(122a) 내의 전자기파의 전파를 도시하기 위하여 YZ면과 XZ면에 대하여 다른 스케일들이 사용된다.
이러한 구조에서, 편향 유닛(132a)에 의한 흡수나 반사에 의해 광학 도파관(120a)을 통하여 전파되는 전자기파의 손실은 무시할 만하다. 또한, 전자기파는 표면 전파 유닛(131a) 상에 적절한 각도로 입사되며, 표면 전파파를 발생시키고, 그에 따라 출구로부터 근접장 광의 매우 효율적인 발산을 가능하게 한다.
또한, 비록 전파율이 변화될 수 있더라도, 요구조건에 따라 적층방향 내에서 표면 전파 유닛(131a)의 출구의 두께와 너비를 변화시킴으로써 스폿 프로파일이 변경될 수 있다. 예를 들어, 나머지 구조를 동일하게 유지하면서, 표면 전파 유닛(131a)의 오직 SiO2 층이 더 얇아지면, 비록 전파율도 역시 낮아질지라도 스폿 프로 파일은 감소될 수 있다. 마찬가지로, 출구의 폭이 좁아진다면, 비록 층 두께의 감소와 함께 전파율이 급격히 감소할지라도, 스폿 크기는 감소될 수 있다.
발광 소자를 제조하는 공정의 일예가 이하에 설명된다. 자기 헤드가 제일 먼저 제조된다. 근접장 발광 소자는 자기 헤드 상에 수평으로 놓이고(leveled), 표면 전파 유닛(131a)과 편향 유닛(132a)은 리소그라피 노광 공정에 의하여 증착되며, 에칭 마스크 재료는 이온 도료(plating) 방법에 의해 증착된다.
레지스트는 근접장 발광 소자의 다각형 패턴을 전자 빔(electron beam)에 쬠으로써 근접장 발광소자의 다각형 패턴 상에 남게 된다. 에칭 마스크 재료(133a)가 먼저 에칭된다. 예를 들어, Al이 에칭 마스크 재료(133a)로 사용된다면, 염소 가스가 에칭용으로 사용된다. 그런 다음, 편향 유닛(132a)과 표면 전파 유닛(131a)이 원 고 싱(one go sing) 할로겐 가스 내에서 에칭된다. 발산체(130a)의 중실구조는 이렇게 완성된다.
다음으로 광학 도파관(120a)의 클래딩(121a)은 증착과 리프트 오프(lift-off) 방법에 의하여 맵핑되며, 코어(122a)도 증착과 리프트 오프 방법에 의하여 마찬가지로 맵핑된다. 광학 도파관(120a)의 코어(122a)는 레지스트에 의하여 피복된다. 코어(122a)와 클래딩(121a)의 패턴 상의 잉여부와 다각형 실린더부의 노출된 측벽은 경사진 측벽(134a)을 형성하도록 알루미늄으로 피복된다. 클래딩(123a)은 코어(122a)를 피복하기 위하여 맵핑된다. 이러한 순서를 따름으로써, 코어(122a)와 클래딩(121a)의 패턴 상의 잉여부로부터 빛이 새어나가는 것이 방지될 수 있다. 마지막으로, 다이서(dicer)가 사용되어 기판을 칩으로 절단하며, 출구가 포커싱된 이온 빔(focused ion beam, FIB) 또는 이온 밀링(ion milling)에 의해 개방된다.
본 발명의 실시예에서, 편향 유닛(132a)에서 낮은 굴절률 재료로서 기능 하는 SiO2층의 두께는 30nm이다. 이러한 두께는 더 두꺼운 프로파일을 얻기 위해 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서 먼저 (자기 헤드와 같은)헤드가 맵핑되고 그 후에 근접장 발광 소자(100a)가 맵핑된다.
따라서, 제1실시예에서, 전자기파는 편향 유닛(132a)에 의하여 베이스(110a) 쪽으로 상당히 편향된다. 베이스(110a)에 대향하여 증착된 표면 전파 유닛(131a)은 전자기파를 수신하며 출구를 통해 근접장 광으로 발산한다. 결과적으로, 베이스(110a)와 발산된 근접장 광의 광도 중심 사이의 거리가 최소화된다. 자기 헤드를 베이스(110a)에 대향하는 측면 상에 맵핑함으로써, 자기 헤드와 출구로부터 발산된 근접장 광의 광도 중심과 자기헤드 사이의 거리는 짧아지게 된다.
더군다나, 제1실시예에 따르면, 전자기파를 베이스(110a) 쪽으로 편향시키는 편향 유닛(132a)은 비교적 두껍다. 그것은 따라서 전자기파가 표면 전파 유닛(131a)에 표면 전파파의 대단히 효율적인 발생을 가능하게 하는 각도로 입사되게 된다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100b)의 사시도이다. 도5에 개시된 편향 유닛(132b)은 도2에 도시된 편향 유닛(132a)과는 차이가 있다. 편향 유닛(132b)은 전자기파를 증착방향으로 집중되지만 증착방향에 수직인 방향으로 는 집중시키지 않는다. 특히, 출구면은 이등변 측면의 형상을 갖지 않는다. 따라서, 경사진 측벽(134a)에 대응하는 구조는 없다.
표면 전파 유닛(131b)은 표면 전파 유닛(131a)과 유사한 구조를 가진다. 즉, 표면 전파 유닛(131b)이 이등변 사다리꼴을 형성하며, 대면하는 이등변 측면들은 좁은 단부를 형성하도록 테이퍼링되고, 좁은 단부의 저면은 출구를 형성한다. 이등변 측면에 결합되는 면들은 Al과 같은 반사 재료(135b)에 의해 피복된다. 반사 재료(135b)은 전자기파를 내부로 아주 효율적으로 반사한다.
따라서, 편향 유닛(132b)이 전자기파를 증착방향에 수직인 방향으로는 집중시키지 않으므로 본 발명에 따른 근접장 발광 소자(100b)는 표면 전파 유닛(131b)의 출구로부터 근접장 광의 발생 효율이 감소되는 불이익을 가진다. 그러나, 표면 전파 유닛(131b)만이 이등변 사다리꼴의 형태를 가지므로, 본 발명에 따른 근접장 발광 소자의 이점은, 소자 패턴의 종횡비와 레지스트가 에칭하는 동안에 감소될 수 있기 때문에 이등변 사다리꼴의 좁은 쪽의 더 정교한 패터닝과 에칭이 실행될 수 있는 것이다.
편향 유닛(132b)은 직육면체이다. 그러나, 편향 유닛(132b)은 그것이 증착방향으로 광 빔을 편향시킬 수 있는 한 리소그라피 맵핑 공정에 의하여 둥글게도(rounded) 만들어질 수 있다.
또한, 표면 전파 유닛(131b)의 출구면(exit surface)과 편향 유닛(132b)의 출구면은 반드시 정렬될 필요는 없다. 비록 편향 유닛(132b)의 출구면이 도파관 단부 쪽으로 표면 전파 유닛(131b)의 이등변 사다리꼴 형상 내로 리세스(recess)되 더라도 근접장 광은 표면 전파 유닛(131b)의 출구면으로부터 얻어질 수 있으므로, 두 개의 출구면의 정렬에서의 정확도는 완화될 수 있다. 그러나, 두 개의 출구면이 정렬되지 않는 정도에 비례하는 근접장 광의 발생 효율은 감소한다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100c)의 사시도이다. 근접장 발광 소자(100c)는, 복층 구조 대신에, 출구 쪽으로 경사지며 경사면 상에 반사면(136c)을 갖는 단일층 편향 유닛(132c)을 가진다. 비록 편향 유닛(132b)이 편향 유닛(132c)과 같은 형상이더라도, 도5에 도시된 구조를 위한 같은 결과가 얻어질 수 있다. 따라서, 편향 유닛과 표면 전파 유닛은 다른 형태일 수도 있다. 도5와 도6은 편향 유닛과 클래딩 상에 에칭 재료를 도시하지 않는다.
따라서, 제2 실시예에서, 편향 유닛과 표면 전파 유닛의 정렬의 정확도는 전자기파가 편향 유닛의 증착 방향에 수직인 방향으로 집중되지 않기 때문에 완화될 수 있다. 또한, 표면 전파 유닛만이 이등변 다각형 형상이기 때문에 이등변 다각형의 좁은 베이스 상에 출구를 맵핑하기 위한 공정 정확도는 개선될 수 있다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 근접장 발광 소자(100d)의 사시도이다. 도7에 도시된 편향 유닛(132d)은, 도1에 도시된 편향 유닛(132a)과 마찬가지로, 증착 방향으로 광 빔(light beam)을 집중시킨다. 더불어, 편향 유닛(132d)은 증착 방향에 수직인 방향으로도 광 빔을 집중시킨다.
근접장 발광 소자(100d)는, 표면 전파 유닛(131a)과는 달리, 평면 층인 표면 전파 유닛(131d)을 가진다. 광 빔이 광 전파 구조(131d) 내에서 증착방향에 수직인 방향으로는 활발하게 집중되지 않으므로, 편향 유닛(132d)의 이등변 사다리꼴 형상의 좁은 단부의 베이스의 직경보다 넓은 빔 스폿이 형성된다.
그러나, 본 발명에 따른 근접장 발광 소자(100d)에서는 에칭하기 어려운 재료도 표면 전파 유닛(131d) 용으로 사용될 수 있다. 도1에 도시된 표면 전파 유닛(131a)에서 투명 전도층은 SiO2로 구성되며 Si는 불투명 재료로 사용된다. 표면 전파 유닛(131d)에서, 굴절률이 낮은 재료 MgF2는 SiO2 대신 사용될 수 있으며, Al은 불투명 재료로 사용될 수 있다.
따라서, 낮은 굴절률을 갖는 재료를 투명 전도층으로 사용하는 것은 유전 분산(dielectric variance)을 야기하며, 표면 전파파의 발생효율을 개선시킨다. 그러나, MgF2와 Al과 같은 재료들은 할로겐 가스에 의하여 쉽게 에칭되지 않으며 소자의 주요 부분 내에 존재하는 산화물을 에칭하는 데 사용된다. 비록 MgF2와 Al의 에칭이 실행되더라도, 공정 중 다른 재료들의 부수적인 에칭(side-etching)이 야기된다.
따라서, 제3실시예에서, 표면 전파 유닛은 증착방향의 수직인 방향으로 전자기파를 집중시키지 않는다. 결과적으로, 에칭되기 어려운 재료들은 표면 전파 유닛용으로 사용될 수 있다.
본 발명은 완전하고 명확한 개시를 위하여 특정의 실시예에 관하여 기술되었으나, 첨부된 청구항들은 이에 한정되지 않고 본 명세서에 설명된 기본적인 설명에 정당하게 속하는 당업자가 수행할 수 있는 모든 변경과 교대 구조들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
전술한 실시예에 따르면, 자기 헤드와 근접장 광의 광도 중심 사이의 거리를 최소화할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 매우 효율적으로 표면 전파파를 생성하게 하는 각으로 전자기파가 입사되도록 할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 근접장 광이 발산되는 출구 근처에서 전자기파를 집중시켜 근접장 광의 발생을 개선시킬 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 높은 기록 밀도를 실현시키는 데이터 기록/재생 장치를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 발광 소자의 베이스 상에 배열되며, 전자기파를 전파하도록 구성된 도파관 유닛과,
    베이스 상에 배열되며, 전파된 전자기파로부터 근접장 광을 발산하도록 구성된 발산 유닛과,
    근접장 광이 발산되는 출구를 포함하는 발광 소자이며,
    발산 유닛은,
    전파된 전자기파를 베이스 쪽으로 편향시키도록 구성되는 편향 유닛과,
    편향 유닛과 베이스 사이에 배열되며, 편향된 전자기파로부터 표면 전파파를 생성하도록 구성되어 출구를 통하여 근접장 광을 발산하는 전파 유닛을 포함하며,
    출구는 도파관 유닛의 대향 측면 상의 전파 유닛의 단부에 배열되는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 도파관의 코어와 베이스 사이에 배열되는 클래딩을 더 포함하되, 편향 유닛은 코어의 두께와 복층구조의 방향으로의 클래딩의 두께의 합에서 복층 구조의 방향으로의 전파 유닛의 두께를 감산함으로써 얻어지는 값 이상의 두께를 갖는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 편향 유닛은 층상구조 내에서 다른 굴절률을 갖는 적어도 두 가지 형태의 재료로 형성된 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 편향 유닛은 반사면으로 전자기파를 편향시키도록 구성된 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 편향 유닛은 표면 전파파의 가장 효율적인 생성을 가능하게 하는 각도로 전자기파가 전파 유닛에 입사되도록 구성된 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 전파 유닛은 제1재료가 제2재료 사이에 개재되거나 제2재료에 의해 싸이는 구조를 갖도록 구성되고, 제1재료는 투명하며 전자기파에 관한 복소 굴절률 n-jㆍk에서 작은 k값을 갖고, 제2재료는 제1재료의 유전상수보다 큰 유전상수 n2-k2의 절대값을 가지며, n은 복소 굴절률의 실수부이고, k는 허수부이며, j는 j2=-1인 허수인 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서, 편향 유닛은 출구 쪽으로 좁아지는 테이퍼링된 구조를 갖도록 구성된 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 편향 유닛은 테이퍼링된 구조의 측면에서 전자기파를 내부로 반사하도록 구성된 반사 구조를 포함하는 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서, 전파 유닛은 출구 쪽으로 좁아지는 테이퍼링된 구조를 갖도록 구성된 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서, 편향 유닛은 테이퍼링된 구조의 측면 상에서 전자기파를 내부로 반사하도록 구성된 반사 구조를 포함하는 발광 소자.
  11. 발광 소자를 포함하는 데이타 기록/재생 장치이며,
    발광 소자는,
    발광 소자의 베이스 상에 배열되며 전자기파를 전파하도록 구성된 도파관 유닛과,
    베이스 상에 배열되며 전파된 전자기파로부터 근접장 광을 발산하도록 구성된 발산 유닛과,
    근접장 광이 출력되는 출구를 포함하고,
    발산 유닛은,
    전파된 전자기파를 베이스 쪽으로 편향시키도록 구성된 편향 유닛과,
    편향 유닛과 베이스 사이에 배열되며, 편향된 전자기파로부터 표면 전파파를 생성하여 근접장 광이 출구를 통하여 출력되도록 구성된 전파 유닛을 포함하며,
    출구는 도파관 유닛의 대향 측면 상의 전파 유닛의 단부에 배열되는 데이터 기록/재생 장치.
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