KR100821744B1 - 회절 격자 - Google Patents

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KR100821744B1
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윌리엄 에이. 찰레너
에드워드 씨. 게이지
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크리스토프 미할씨
케이쓰 마운트필드
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시게이트 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

전자기파를 평면형 도파로에 결합시키기 위한 회절 격자들이 개시된다. 회절 격자는 서로에 대해 경사진 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 회절 격자는 이들 사이에 갭을 형성하도록 이격된 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자를 포함할 수 있다.

Description

회절 격자{DIFFRACTION GRATING}
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 자기 헤드들을 포함할 수 있는 자기 디스크 드라이브의 사시도이다.
도 2는 기록 헤드에 의해 형성된 열 프로파일의 그래프를 갖는 자기 기록 헤드의 일부분의 개념도이다.
도 3은 기록 헤드에 의해 형성된 자기장과 저장 매체의 보자력의 그래프들을 갖는 자기 기록 헤드의 일부분의 개념도이다.
도 4는 수직 및 종방향 헤드들을 위한 헤드 필드-대-하부 트랙 위치를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따라 구성되는 수직형 자기 기록 헤드, 및 연동되는 수직형 자기 저장 매체의 일부분의 단면도이다.
도 6은 도 5의 수직형 자기 기록 헤드의 등측도이다.
도 7은 본 발명에 따라 구성되는 도파로의 개념도이다.
도 8은 자기 기록 폴 장치와 결합되는 도 7에 도시된 도파로의 등측도이다.
도 9는 본 발명에 따른 도파로의 다른 실시예의 개념도이다.
도 10은 도 9에 도시된 도파로의 부가적인 개념도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200: 도파로 250: 고체 액침 미러
252: 이중 입력 격자 커플러 254, 256: 격자
258: 갭 276, 278: 에지
280, 282: 전자기파 284: 절단부
본 발명은 National Institute of Standards and Technology(NIST)에 의해 인정된 Agreement No. NANB1H3056하에 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리들을 갖는다.
본 출원은 2003년 9월 5일자로 제출된 미국 특허출원 시리얼 넘버 10/655,994의 연속 출원이다.
본 발명은 일반적으로 회절 격자들(diffraction gratings)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전자기파를 평면형 도파로(waveguide)에 결합시키기 위한 회절 격자들에 관한 것이다.
자기 저장 매체의 면적 밀도를 증가시키기 위한 노력에서, 자기 저장 매체에 정보의 비트들을 저장하는데 사용되는 자기 물질의 부피를 감소시키는 것이 바람직하다. 초상자성(superparamagnetic) 불안정성들은 그레인 부피가 감소됨에 따라 문제가 된다. 초상자성 효과는 KuV/kBT>70의 불균형이 더 이상 유지될 수 없을 정 도로 그레인 부피 V가 충분히 작을 때 가장 명백하다. Ku는 물질의 자기 결정 비등방성 에너지 밀도이고, kB는 볼츠만 상수이며, T는 절대 온도이다. 이러한 불균형이 만족되지 않으면, 열 에너지는 저장된 비트들을 비자화(demagnetize)시킨다. 그러므로, 그레인 크기가 면적 밀도를 증가시키기 위해 감소되기 때문에, 안정한 데이터 저장이 더 이상 구현될 수 없도록 주어진 물질 Ku 및 온도 T에 대한 임계치에 도달된다.
열 안정성은 매우 높은 Ku를 가진 물질로 이루어진 기록 매체를 사용함으로써 개선될 수 있다. 그러나, 기록 매체들은 이러한 매체상에 기록되기에 충분한 또는 충분히 높은 기록 자기장을 이용가능한 물질들에 제공할 수 없다. 따라서, 기록 자기장을 상기 매체에 적용할 때 또는 그 이전에 기록 매체상의 국부 영역을 가열하는 열 에너지를 사용함으로써 기록 헤드 필드 제한사항들을 극복하도록 제안되어 왔다. 매체를 가열함으로써, 기록 자기장이 매체에 기록되기에 충분하도록 Ku 또는 보자력(coercivity)이 감소된다. 매체가 주위 온도로 냉각되면, 매체는 기록된 정보의 열 안정성을 보장하도록 충분히 높은 보자력 값을 갖는다.
열 보조 자기 기록은 작은 그레인 매체들의 사용을 허용하며, 이는 충분한 열 안정성을 보장하기 위해 실온에서 더 높은 자기 비등방성을 갖는 증가된 면적 밀도들에서 기록하는데 바람직할 수 있다. 열 보조 자기 기록은 편향(tilted) 매체, 종방향 매체, 수직형 매체 및 패턴화된 매체를 포함하는 자기 저장 매체의 임 의의 타입에 적용될 수 있다.
열 보조 자기 기록을 위해, 매체의 국부화된 영역의 온도를 상승시켜서 상기 영역의 자화의 스위칭을 용이하게 하도록 예를 들어 가시광선, 적외선 또는 자외선의 전자기파가 데이터 저장 매체의 표면으로 유도될 수 있다. 공지된 고체 액침(immersion) 렌즈(SIL)들은 전자기 광선을 받은 매체상의 스폿의 크기를 감소시키는데 사용하기 위해 제안되었다. 또한, 고체 액침 미러(SIM)들은 스폿 크기를 감소시키도록 제안되었다. SIL들 및 SIM들은 3차원 또는 2차원일 수 있다. 2차원인 경우, SIL들 및 SIM들은 평면형 도파로들에서 인덱스 렌즈(index lens)들 또는 미러들에 해당한다. SIM 외부의 제한된 광선이 기록 매체의 표면으로 유도되도록 SIM의 포커스에서 금속 핀이 삽입될 수 있다. 참조로 본 발명에 포함되는 공동 출원된 미국특허 제6,795,630호는 광 에너지를 작은 스폿으로 집중시키기 위해 금속 핀 트랜스듀서를 갖는 몇몇 도파로들을 개시한다.
집적된 열 보조 자기 기록(HAMR) 트랜스듀서의 설계를 위해, 근접장(near field) 광원과 기록 자기장의 상호-위치설정(co-location)이 요구된다는 것이 공지되어 왔다. 집적된 HAMR 헤드를 위한 현재의 설계들은 소프트 하부층(soft underlayer)을 요구하는 수직형 자기 기록기에 의존한다. HAMR은 광학 트랜스듀서의 결합 효율성을 개선하고 열적 특성들을 제어하는데 특별한 매체를 필요로 하기 때문에, 기록 매체의 소프트 하부층을 갖는데에 있어서 부가적인 제약을 없애는 것이 매우 바람직하다.
따라서, 소프트 하부층을 필요로 하지 않는 저장 매체에 수직으로 자기 기록을 제공할 수 있는 HAMR 헤드에 대한 필요성이 있다.
데이터 저장 시스템들은 정보의 기록을 돕기 위해 광학 컴포넌트들을 포함한다. 이러한 시스템들은 본 발명에 기술되는 바와 같이, 예를 들어 기록 시스템들, 광자기 기록 시스템들 또는 다른 열적 또는 열 보조 타입의 기록 시스템들을 포함할 수 있다. 광학 컴포넌트들을 사용하는 이러한 시스템들의 중요한 특징은 에너지의 작고 강한 광학 스폿들을 생성하는 능력을 포함할 수 있다. 광학 스폿들은 정보의 비트들의 판독 또는 기록을 돕는 것과 같이, 기록 프로세스의 다양한 기능들을 위해 사용될 수 있다.
에너지의 작고 강한 광학 스폿들을 생성하기 이전에, 일반적으로 에너지 소스에서 도파로와 같은 원하는 광 집광기(optical condenser)로 전자기파를 결합시키는 것이 필요하다. 전자기파를 광 집광기로 결합시키기 위한 한가지 공지된 구조물은 회절 격자이다. 회절 격자들은 일반적으로 광학 시스템의 공지된 컴포넌트들이고, 라인들의 간격과 전자기파의 파장에 의해 결정되는 특정 방향들로 회절된 전자기파를 집중시키도록 회절 효과들을 상호 강화시키는, 예를 들어 미세 광선, 평행하고 동일하게 이격된 반사 또는 전송 라인들 또는 그루브들을 포함할 수 있다.
데이터 저장 시스템들의 면적 밀도들을 개선하는데 있어 중요성이 증가하고 있다. 따라서, 데이터 저장 시스템의 모든 컴포넌트들은 더 높은 면적 밀도들을 달성하도록 개선되고 있다. 예를 들어, 정보의 기록을 보조하도록 광학 컴포넌트들을 포함하는 이러한 시스템들은 향후 데이터 저장 시스템들을 지원하기 위해 보다 더 작고 더 강한 에너지의 광학 스폿들을 형성할 수 있어야 하는 필요성이 있다. 또한, 필요시 더 작고 강한 광학 스폿들이 생성될 수 있도록 전자기파를 광 집광기로 보다 효율적으로 결합시키는 새롭고 개선된 회절 격자들이 바람직할 수 있다.
따라서, 공지된 회절 격자들의 제한사항들, 단점들을 극복하는 개선된 회절 격자에 대한 필요성을 인지할 수 있다.
본 발명의 목적은 공지된 회절 격자들의 제한사항들, 단점들을 극복하는 개선된 회절 격자를 제공하는 것이다.
본 발명의 자기 기록 헤드는 공기 베어링 표면에 인접한 폴 팁(pole tip)을 갖는 기록 폴(write pole), 리턴 폴, 자기 기록 매체의 일부분을 가열하기 위한 근접장 복사(near field radiation)을 형성하기 위해 상기 공기 베어링 표면에 인접하게 위치된 근접장 트랜스듀서를 포함하고, 상기 자기 기록 매체의 일부분의 열 프로파일은 상기 기록 폴에 의해 형성되는 기록 자기장(magnetic write field)을 받는 지점에서 최대 기울기를 갖는다. 금속 핀 또는 돌출부(ridge) 도파로를 포함하는 다양한 근접장 트랜스듀서들이 사용될 수 있다.
근접장 트랜스듀서가 금속 핀일 경우, 상기 근접장 트랜스듀서에 전자기파를 결합시키기 위해 도파로가 사용될 수 있고, 상기 금속 핀은 상기 도파로의 초점에서 위치된다. 자기 기록 헤드는 상기 기록 폴로부터 금속 핀을 전기적으로 절연하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 저장 매체를 회전시키기 위한 수단; 및 상기 저장 매체의 표면에 인접하게 기록 헤드를 위치설정하기 위한 수단을 포함하는 디스크 드라이브를 포함하며, 상기 기록 헤드는 공기 베어링 표면에 인접한 폴 팁을 갖는 기록 폴, 리턴 폴, 자기 저장 매체의 일부분을 가열하기 위한 근접장 복사를 형성하기 위해 상기 공기 베어링 표면에 인접하게 위치된 근접장 트랜스듀서를 포함하고, 상기 자기 저장 매체의 일부분의 열 프로파일은 상기 기록 폴에 의해 형성된 기록 자기장을 받는 지점에서 최대 기울기를 갖는다.
다른 실시예에서, 본 발명은, 자기 저장 매체에 인접하게 자기 기록 헤드의 공기 베어링 표면을 위치설정하는 단계 - 상기 기록 헤드는 공기 베어링 표면에 인접한 폴 팁을 갖는 기록 폴, 리턴 폴, 상기 공기 베어링 표면에 인접하게 위치된 근접장 트랜스듀서를 포함함 -; 상기 자기 저장 매체의 일부분을 가열하는 상기 근접장 트랜스듀서에서 형성된 근접장 복사를 이용하는 단계 - 상기 자기 저장 매체의 일부분의 열 프로파일은 상기 기록 폴에 의해 형성된 기록 자기장을 받는 지점에서 최대 기울기를 가짐 -; 및 상기 자기 저장 매체의 일부분의 자화에 영향을 주는 상기 기록 폴에 의해 형성된 자기장을 이용하는 단계를 포함하는 자기 기록 방법을 제공한다.
상기 근접장 복사에 의해 상기 자기 저장 매체에서 형성된 열 프로파일은 상기 기록 폴의 에지 아래에서 최대 기울기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전자기파를 수용하기 위한 수단 및 평면형 도파로를 포함하는 장치를 제공하는 것이다. 상기 전자기파를 수용하기 위한 수단은 상기 전자기파를 유도하여 상기 평면형 도파로의 사각지대(dead zone) 또는 사각 스폿(dead spot) 영역을 규정하기 위해 상기 평면형 도파로에 대해 위치되거나 형상화된다. 상기 전자기파를 수용하기 위한 수단은 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자는 이들 사이에 갭을 형성하도록 이격될 수 있다. 선택적으로, 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자는 서로에 대해 경사질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 제 1 전자기파를 수용하기 위한 제 1 회절 격자 및 제 2 전자기파를 수용하기 위한 제 2 회절 격자를 포함하는 장치를 제공하는 것이다. 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자는 이들 사이에 갭을 형성하도록 이격된다. 또한, 상기 장치는 상기 제 1 전자기파 및 제 2 전자기파를 각각 미리 결정된 지점으로 유도하기 위해 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자에 대해 구조화되고 배치되는 평면형 도파로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 제 1 전자기파를 수용하기 위한 제 1 회절 격자 및 제 2 전자기파를 수용하기 위한 제 2 회절 격자를 포함하는 장치를 제공하는 것이다. 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자는 서로에 대해 경사진다. 상기 장치는 또한 상기 제 1 및 제 2 전자기파를 미리 결정된 지점으로 유도하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 상기 전자기파를 유도하기 위한 수단은 상기 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자 중 적어도 하나를 위치설정하는 기능으로서 구조화되고 배치된다.
본 발명의 이러한 실시예들 및 다른 실시예들은 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명은 작은 광학 스폿들을 형성하는데 사용될 수 있고 자기 및/또는 광학 기록 매체에 사용되는 자기 및/또는 광학 기록 헤드들에 사용될 수 있는 장치들을 포함한다. 그러나, 본 발명은 예를 들어, 고해상도 광학 현미경, 리소그래피, 통신 또는 다른 애플리케이션들을 위한 집적된 광전자 장치들과 같은 다른 기술들에도 활용될 수 있다.
도면들을 참조하면, 도 1은 자기 기록 헤드들, 또는 본 발명에 따라 구성되는 광자기 또는 열 보조 기록 헤드들과 같은 다른 형태의 기록 헤드들을 활용할 수 있는 디스크 드라이브(10)의 사시도이다. 디스크 드라이브는 디스크 드라이브의 다양한 컴포넌트들을 포함하는 크기로 구성되는 하우징(12)(본 도면에서 상부는 제거되었고 하부는 보임)을 포함한다. 디스크 드라이브는 상기 하우징내에서 적어도 하나의 데이터 저장 매체(16)(이 경우 자기 디스크)를 회전시키기 위한 스핀들 모터(14)를 포함한다. 적어도 하나의 암(18)은 하우징(12)내에 포함되고, 각각의 암(18)은 기록 및/또는 판독 헤드 또는 슬라이더(22)를 갖는 제 1 단부(20), 및 베어링(26)에 의해 샤프트에 피봇가능하게 장착되는 제 2 단부(24)를 구비한다. 액추에이터 모터(28)는 디스크(16)의 목표된 섹터에 대해 헤드(22)를 위치시키도록 암(18)을 피봇시키기 위해 상기 암의 제 2 단부(24)에 위치된다. 액추에이터 모터(28)는 본 도면에 도시되지 않은 공지된 제어기에 의해 조정된다.
도 2는 기록 헤드에 의해 저장 매체에 형성되는 열 프로파일(32)의 그래프를 갖는 링 타입 자기 기록 헤드(30)의 일부분의 개념도이다. 기록 헤드는 기록 폴 (34)과 리턴 폴(36)을 포함하며, 그 각각은 공기 베어링 표면(38)에 인접하게 위치된다. 금속 핀(40)의 형태인 트랜스듀서는 기록 폴과 리턴 폴 사이에 위치된다. 트랜스듀서는 자기 저장 매체(46)의 일부분(44)을 가열하는데 사용되는, 라인들(42)로 도시된 근접장 복사를 형성하는데 사용된다. 곡선(32)은 저장 매체의 가열된 부분(44)의 열 프로파일을 나타낸다. 도 2의 예에서, 핀은 예를 들어 24nm의 폭(W)을 갖는 것으로 도시되고, 피크 온도는 핀의 중심 아래에서 발생한다. 점(48)은 열 프로파일의 가장 뾰족한 열 기울기에서 위치되고 본 예에서 핀의 중심으로부터 16nm의 거리 σ이다. 기록 폴 코너(50)는 핀의 중심으로부터 12nm 거리에 위치된다. 금속 핀은 도 2의 예에 도시되고 이후의 예들에서 근접장 트랜스듀서로서 도시되지만, 본 발명은 금속 핀 트랜스듀서들에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 예를 들어, 돌출부 도파로가 근접장 트랜스듀서로서 사용될 수도 있다.
도 3은 기록 헤드에 의해 형성되는 열 프로파일(62)의 그래프를 갖는 수직형 자기 기록 헤드(60)의 일부분의 개념도이다. 기록 헤드는 기록 폴(64)과 리턴 폴(66)을 포함하고, 그 각각은 공기 베어링 표면(68)에 인접하게 위치된 단부를 갖는다. 금속 핀(70)의 형태인 트랜스듀서는 기록 폴에 인접하게 위치된다. 트랜스듀서는 자기 저장 매체(76)의 일부분(74)을 가열하는데 사용되는 라인들(72)로 도시된 근접장 복사를 형성하는데 사용된다. 곡선(62)은 저장 매체의 가열된 부분의 열 프로파일을 나타낸다. 도 3의 예에서, 핀은 예를 들어 24nm의 폭(W)을 갖는 것으로 도시되고, 피크 온도는 핀의 중심 아래에서 발생한다. 점(78)은 열 프로파일의 가장 뾰족한 열 기울기에 위치되고 본 예에서 핀의 중심으로부터 16nm의 거리 σ이다. 기록 폴 코너(80)는 핀의 중심으로부터 12nm 거리에 위치된다.
모델링은 전자기 핀에 대한 스폿 크기가 핀의 직경에 거의 선형적인 크기를 갖는 것으로 도시된다. 도 2 및 도 3의 예들에서, 열 프로파일은 24nm의 직경을 갖는 핀에 의해 형성될 수 있는 대략 37nm의 반치폭(FWHM)을 갖는다. 가장 뾰족한 열 기울기는 가우시안(Gaussian) 열 프로파일의 제 1 시그마에서 발생한다. 37nm FWHM를 갖는 24nm 핀에 대해, 가장 뾰족한 열 기울기들은 핀의 좌측 및 우측으로 약 15nm에서 발생한다. 이것은 갭에서 핀을 갖는 종방향 링 헤드를 나타내는 도 2와 폴의 상부에 제조되는 핀을 갖는 수직형 폴 기록기를 나타내는 도 3에 개념적으로 도시된다. 수직형인 경우, 가장 뾰족한 열 기울기의 위치는 폴의 우측으로 28nm(16nm+12nm)에서 발생한다. 종방향 링 헤드인 경우, 가장 뾰족한 열 기울기는 폴 코너의 우측으로 4nm(16nm-12nm)에서 발생한다. 이러한 예들에서 가우시안 열 프로파일이 가정되었지만, 다른 열 프로파일들이 형성될 수도 있다.
매체가 수직형 배향을 갖는 것으로 가정된 도 4는 도 2 및 도 3의 헤드들로부터 자기장들의 상대적 크기를 도시한다. 곡선(90)은 수직형 헤드 필드를 나타내고 곡선(92)은 종방향 헤드 필드를 나타낸다. 도 4에서 폴 코너들은 상기 헤드들에 대해 x=0에 배치된다. 따라서 시스템의 적절한 최적화를 갖는 전이는 점(94)로 도시된 종방향 링 헤드에 대해 x=4nm에서 발생하고, 점(96)으로 도시된 수직형 헤드에 대해 x=28nm(16nm+12nm)에서 발생한다. 도 2의 링 헤드의 자기장의 수직 성분은 도 4의 데이터를 획득하는데 사용됨을 유의한다. 수직형 헤드 필드에 대해 Westmijze 헤드 필드가 사용되었고, 종방향 헤드 필드에 대해 Karlqvist 헤드 필드 가 사용되었다. 열 기울기들이 지배적으로 관련되고 헤드 필드 기울기들은 관련되지 않는다고 가정하면, 종방향 링 헤드를 이용함으로써 상당히 더 많은 필드가 저장 매체의 자화의 전이 위치에서 달성될 수 있음은 명백하다. 도 4에서, 필드의 크기는 갭 사이즈들이 동일한 예를 기반으로 한다. 실제적인 필드는 예를 들어, 갭을 증가시키면 필드가 감소되는 것과 같이, 자기 헤드들의 갭 폭에 좌우될 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 구성되는 자기 기록 헤드(100)의 일부분의 단면도, 및 이와 연동되는 수직형 자기 저장 매체(102)의 일부분의 단면도이다. 자기 기록 헤드(100)는 페디스털(108)에 의해 결합되는 기록 폴(104)과 리턴 폴(106)을 포함한다. 전도체들(112, 114)을 포함하는 코일(110)은 페디스털을 둘러싸고 절연체(116)에 의해 지지된다. 코일의 전류는 페디스털과 폴들에서 자기장을 유도한다. 자속(118)은 공기 베어링 표면(120)에서 기록 헤드 외부로 나와서 화살표(124)로 도시된 것처럼 저장 매체(102)의 자기적으로 하드층(122)인 부분들의 자화를 변화시키는데 사용된다. 금속 핀 형태인 전기장 트랜스듀서(128)는 기록 폴과 리턴 폴 사이에 위치된다. 저장 매체는 기판(126)을 포함할 수 있지만, 링 타입 기록 헤드가 사용되면, 저장 매체는 다른 수직형 기록 매체들에서 발견할 수 있는 것과 같은 소프트 하부층을 포함할 필요가 없다. 트랜스듀서는 레이저와 같은 외부 소스로부터 전자기파를 수용하는 도파로(130)에 결합된다. 트랜스듀서의 단부에서 전기장은 저장 매체 보자력을 낮추도록 저장 매체의 일부분(132)을 가열하는데 사용됨으로써 기록 폴로부터의 자기장이 저장 매체의 자화에 영향을 줄 수 있다. 트랜스듀서는 예를 들어 절연층(134)에 의해 폴들로부터 전기적으로 절연된다. 절연층은 상기 도파로의 일부분 또는 별도의 층에 의해 형성될 수 있고, 예를 들어 Al2O3로 이루어질 수 있다. 절연층의 조성 및 두께는 최적의 성능을 위해 선택되어야 한다. 선택된 두께는 동작 파장 뿐만 아니라, 핀 형상 및 물질 조성의 함수일 것이다.
본 발명에 따라 구성되는 수직형 기록 헤드에 대해, 소프트 하부층을 갖는 저장 매체가 사용될 수 있다. 또한, 열 보조 자기 기록 매체들에서, 자기층으로부터 열을 제거하는데 방열층이 사용될 수 있다.
도 6은 도 5의 수직형 자기 기록 헤드의 등측도이다. 자기 기록 헤드(100)는 도 5에 도시된 컴포넌트들을 포함하며, 여기서 도파로는 기록 헤드의 공기 베어링 표면 부근의 단부에 인접하게 내장되는 트랜스듀서를 갖는 포물면(parabolic) 미러(150)이다. 상기 도파로는 갭(158)에 의해 분리된 격자들(154, 156)로 이루어진 이중 입력 격자 커플러(152)를 포함한다. 점선 원형(160)으로 도시된 레이저 빔은 격자들로 유도되고, 화살표들(162, 164)로 도시된 바와 같이 도파로내에서 전자기파들을 형성하도록 상기 격자들에 의해 도파로에 결합된다. 상기 격자들은 화살표(164)로 도시된 전자기파가 화살표(162)로 도시된 전자기파에 대해 180°만큼 위상 시프트되도록 구성된다. 화살표들(166, 168)은 상기 전자기파들의 순간 전기장을 나타낸다. 상기 전자기파들은 도파로의 포물면들에서 반사되고, 트랜스듀서(170)가 자기 저장 매체의 일부분을 가열하도록 기록 헤드의 공기 베어링 표면 부근에 전자기파들을 집중시키기 위해 트랜스듀서에서 수직 방향으로 반사파들의 전 기장 성분들이 부가된다. 상기 도파로는 피복층(172)에 내장되고 슬라이더(174)에 장착되는 것으로 도시된다.
도 7과 도 8을 참조하면 본 발명의 추가적인 실시예가 도시되며, 특히 이중 입력 격자 커플러 개념에 해당하는 실시예는 도 6에 도시된다. 구체적으로, 도 7은 고체 액침 미러(250)의 형태인 2차원 평면형 도파로(200)의 개념도이다. 도파로(200)는 실질적으로 포물면 형상을 갖는 에지들(276, 278)을 포함한다. 도파로(200) 및 근접 물질(미도시) 사이의 굴절률 차이 때문에, 화살표들(280, 282)로 도시된 바와 같이, 도파로(200)를 통해 축 방향으로 이동하는 전자기파는 도파로(200)에 의해 도파로(200)의 초점(F)으로 반사된다. 갭(258)에 의해 분리된 격자들(254, 256)로 이루어진 이중 입력 격자 커플러(252)는 전자기파들(280, 282)을 평면형 도파로(200)에 결합시키는데 사용될 수 있다. 그 다음, 이러한 전자기파들(280, 282)은 이들의 의도된 사용 목적을 위해 각각 에지들(276, 278)에 의해 반사된다.
격자들(254, 256) 사이에 형성된 갭(258)을 갖도록 이중 입력 격자 커플러(252)를 구성함으로써, 점선(286)으로 일반적으로 지정된 "사각지대" 또는 "사각 스폿"은 도파로(200)에 형성된다. 따라서, 사각지대(286)의 면적에서 도파로(200)에 어떠한 전자기파들이나 광이 방출되지 않는다.
이중 입력 격자 커플러(252)의 한가지 장점은 바람직하지 않은 전자기파들 또는 광이 평면형 도파로(200)로 방출되는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 7에 도시된 평면형 도파로(200)는 근접 기록 매체에 보다 효율적으로 에 너지를 전송하기 위해 초점(F)에 인접한 절단부(truncated end)(284)를 포함한다. 전자기파들은 평면형 도파로(200)로 정상적으로 방출되지만, 격자들(254, 256) 사이에 형성된 갭(258)에 대해서는 고체 액침 미러(250)의 에지들(276, 278)에 의해 반사됨이 없이 절단부(284)를 향하여 사각지대(286)를 관통한다. 그렇지 않을 경우, 이러한 바람직하지 않은 전자기파들은 바람직하지 않은 방식으로 초점(F)에서 포커싱된 빔과 간섭할 수 있는 반평면 파면에서 도파로(200)의 절단부(284)에 도달한다. 이러한 바람직하지 않은 전자기파들은 절단부(284)를 직접 관통하여 기록 프로세스와 간섭되는 기록 매체에 원치않는 에너지를 전달한다.
일 실시예에서, 갭(258)의 폭(W1)은 본 발명에 기술된 바와 같이 도파로(200)로의 원치않는 전자기파들의 바람직하지 않은 결합을 방지하기 위해 도파로(200)의 절단부(284)의 폭(W2)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 8을 참조하면, 사각지대(286)를 생성하기 위해 이중 입력 격자 커플러(252)를 활용하는 부가적인 장점이 도시된다. 구체적으로, 도 8에서, 기록 폴들(290, 292)을 연결하는 요크부(288)와 같은 데이터 저장 장치의 부가적인 컴포넌트들은 도파로(200)의 동작에 영향을 주거나 간섭되지 않으면서, 도파로(200)를 관통할 수 있고, 즉 본 발명에서 기술된 것처럼 전자기파들을 반사시키고 에너지의 광학 스폿 생성에 의해 기록 매체를 가열하기 위한 도파로(200)로의 전자기파들(280, 282)(도 7 참조)의 결합에 영향을 주거나 간섭되지 않으면서, 도파로(200)를 관통할 수 있다. 도 8로부터 인식될 수 있는 것처럼, 기술된 구성은 효율적인 광자기 또는 열 보조 기록 프로세스들을 위해 바람직할 수 있는 도파로(200)의 초점(F)에 인접하게 기록 폴(290)의 단부(294)를 근접 위치설정하는 것을 가능하게 한다. 사각지대(286)를 갖는 도파로(200)는 데이터 저장 장치들 또는 컴포넌트들 이외에 다른 장치들과 컴포넌트들에 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 구성되는 평면형 도파로(300)의 추가적인 실시예가 도시된다. 구체적으로, 도 9는 고체 액침 미러(350)의 형태인 도파로(300)의 개념도이다. 도파로(300)는 실질적으로 포물면 형상을 가질 수 있는 에지들(376, 378)을 포함한다. 도파로(300)와 근접 물질(미도시) 사이의 굴절률의 차이로 인해, 전자기파들(380, 382)은 도파로(300)의 측면들(376, 378)에 의해 도파로(300)의 초점(F)으로 반사된다. 전자기파들(380, 382)을 도파로(300)에 결합시키기 위해, 도파로(300)는 서로에 대해 편향되거나 경사진 격자들(354, 356)로 이루어진 이중 입력 격자 커플러(352)를 포함한다. 격자들(354, 356) 중 하나 또는 모두는 도 9에 도시된 것처럼, 각도 φ에서 전자기파들(380, 382)을 도파로(300)로 방출하기 위해 격자 각 θr에서 경사질 수 있다. 또한, 격자들(354, 356)은 본 발명에 따라 서로에 대해 상이한 격자 각들에서 경사질 수 있음을 이해할 것이다.
격자(354)에 대한 격자 각(θr)은 약 0°에서 약 20°의 범위일 수 있다. 유사하게, 격자(356)에 대한 격자 각(θr)은 약 0°에서 약 20°의 범위일 수 있다. 전자기파들(380, 382)에 대한 각도 φ는 약 0°에서 약 20°의 범위일 수 있다. 격자들(354, 356) 중 하나는 일반적으로 경사진 다른 격자와 수평으로, 즉 θr=0° 로 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예와 유사하게, 도파로(300)에 대해 기술된 구성은 일반적으로 점선(386)으로 지정된 "사각지대" 또는 "사각 스폿"을 형성하게 한다. 이전에 기술된 것처럼, 사각지대(386)는 도파로(300)의 동작에 영향을 주거나 간섭되지 않으면서 도파로(300)를 관통하도록 도파로(300)를 포함할 수 있는 데이터 저장 장치 또는 다른 장치의 부가적인 컴포넌트들을 허용한다.
도 9를 참조하면, 서로 경사진 격자들(354, 356)을 갖는 도파로(300)의 부가적인 장점은 이중 입력 격자 커플러(352)의 폭에 대해 도파로(300)에 유도되는 실질적으로 모든 전자기파들이 도파로(300)에 결합된다는 것이다. 이는 격자(354)가 격자(356)와 만나는 그 중심에 인접하게 도파로(300)에 진입하는 전자기파들을 포함한다.
도 10은 경사진 격자들(354, 356)에 대해 고체 액침 미러(350)의 형상을 결정하기 위한 목적으로 도파로(300)를 도시한다. 고체 액침 미러(350)의 측면(376)은 격자(354)의 격자 각(θr)에 대해 형상화되고 측면(378)의 형상은 격자(356)의 격자 각(θr)에 대해 형성됨을 이해할 것이다. 구체적으로, 고체 액침 미러(350)의 측면들(376, 378)의 형상은 이하의 방정식들에 의해 결정될 수 있다:
Figure 112005078357504-pat00001
여기서, f= 기점으로부터 초점 거리, a= 스케일 팩터, θ= 도 10에 도시된 각도, θr= 격자 각, m= 스케일 팩터, λ= 파장, (x,y)는 고체 액침 미러(350)상의 점들이다.
본 발명의 기록 헤드들은 모드 인덱스 렌즈들 또는 평면형 고체 액침 미러들에 의해 포커싱된 빔들을 생성하기 위해 미국특허 제6,795,630호에 도시된 것들과 같은 다양한 도파로들을 포함할 수 있다. 도 6의 기록 헤드에서 도파로는 도파로의 단부에 내장되는 금속 핀을 포함하는 고체 액침 미러의 형태인 2차원 도파로이다. 핀의 팁은 도파로 아래로 연장될 수 있다. 도파로는 본 예에서 실질적으로 포물면 형상을 갖는 에지들을 포함한다. 도 6은 특정 예를 도시하지만, 다른 형태의 편광을 활용하는 다른 도파로들이 사용될 수도 있음을 이해해야 한다.
도파로와 근접 물질 사이의 굴절률의 차이들로 인해, 도파로를 통해 축방향으로 이동하는 전자기파는 도파로에 의해 금속 핀의 표면으로 반사된다. 초점에서 전기장이 상기 핀의 축에 평행하면, 상기 핀에 결합되어 상기 핀의 표면을 따라 표면 플라즈몬(plasmon)들을 생성할 수 있다. 상기 핀의 팁으로부터 근접장 복사가 발산된다. 포커스에 배치된 금속 핀은 모드 인덱스 렌즈들 또는 하나의 SIM에서 있을 수 있는 것보다 훨씬 더 작은 스폿으로 광을 집중시킨다. 도파로는 들어오는 대부분의 전자기파가 45°와 같은 몇몇 미리 결정된 각도 미만의 각도에서 도파로의 에지들과 충돌하기 위해 핀에 인접한 단부에서 절단될 수 있다. 선형으로 편광되는 조준 전자기파를 위해, 포물면 형상을 가진 에지들은 전자기파를 초점으로 포커싱할 것이다. 그러나, 입력 전자기파가 상기 전자기파 특성들과 에지 형상의 조합에 의해 핀에서 전자기파의 목표된 포커싱을 형성할 수 있는 조건을 가지면, 다른 에지 형상들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상기 핀은 사각형 단면을 가질 수 있고 임의의 지점으로 테이퍼링될 수 있다. 그러나, 다른 단면 형상들을 갖는 핀들이 사용될 수도 있다.
미국특허 제6,795,630호에 기술된 것처럼, 도파로는 목표된 파장과 굴절률에 따라 예를 들어 Ti02, Ta2O5, Si, SiN, 또는 ZnS와 같은 높은 굴절률의 유전체 코어 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Si는 근접 적외선에서 1550nm의 파장에서 3.5의 매우 높은 굴절률을 가지지만, 가시광선을 투과시키지 못한다. Ta2O5는 약 2.1의 더 낮은 굴절률을 갖지만 근접 적외선과 가시광선을 투과시킨다. 또한, 도파로는 코어의 일측상에 유전체 피복층들을 포함한다. 피복층은 코어층보다 더 낮은 굴절률을 가져야 한다. 바람직하게는 코어층과 피복층 사이의 굴절률 차이는 가능한 커야한다. 공기는 피복의 일측면에 대한 적합한 유전체이다. 피복층들로서 사용될 수 있는 다른 유전체들은 1.5의 굴절률을 갖는 SiO2와 약 1.8의 굴절률을 갖는 Al2O3를 포함한다.
본 발명은 횡방향 전기(TE) 또는 횡방향 자기(TM) 모드 전자기파와 함께 사용될 때, 전자기파의 일부분을 위상 시프트하는 수단이 제공될 수 있다. 이러한 위상 시프트는 2차원 아날로그의 용이하게 편광되는 파를 평면형 도파로로 방출시키기 위한 수단을 제공함으로써 달성될 수 있다. 이것은 소위, 분할 선형 편광 도파로 모드이다. 분할 선형 편광을 달성하기 위한 2가지 방법들이 미국특허 제6,795,630호에 개시된다. 제 1 기술은 코어 또는 피복 유전체들의 굴절률 및/또는 코어 또는 피복 유전체들의 두께를 일 단면의 도파로에서 변경함으로써 평면형 도파로의 절반을 변형시킨다. 용이하게 편광되는 평면형 도파로 모드를 생성하기 위한 선택적 기술은 회절 격자의 사용으로 평면형 모드를 발산하는 것이다. 회절 격자들은 광을 평면형 도파로에 주입시키는데 통상적으로 사용된다. 용이한 편광을 생성하기 위해 이들 사이의 종방향 오프셋을 갖는 2개의 회절 격자들이 사용된다. 이중 격자의 목적은 2개의 절반들의 빔 사이에 상대성 180°위상 시프트를 도입하는 것이다.
SIM의 중심에는 어떠한 광도 도파로에 발산되지 않는 "사각 스폿"이 있다. 링 헤드는 이러한 갭내에 제조되어 분할 후방 헤드가 요구되지 않는다(비록 설계는 하나로 이루어질 것이지만). 핀과 도파로의 기능은 미국특허 제6,795,630호에 기 술된 것과 동일하다. 그러나 본 발명은 링 헤드로부터 수직형 필드 컴포넌트들을 사용한다. 핀 설계상에 많은 변형들이 있을 수 있다. 예를 들어, 유전체로 핀을 둘러싸거나 SIM으로부터 돌출되는 핀을 구비하는 것은 효과들을 증대시킴을 알 수 있다. 이러한 모든 부가적인 변형들은 이러한 설계와 호환될 수 있다. 본 발명은 수직형 기록기들 또는 디스크 드라이브들의 기록기들로 제한되지 않음을 유의해야 한다. 예를 들어, 열 보조 자기 기록의 이론적인 장점들은 종방향으로 경사진 매체 기록 장치들의 면적 밀도들을 증가시키는데 사용될 수 있으며 매체의 비등방성은 막의 평면에 수직이 아닐 수 있다. 이러한 예들에서, 헤드 자기장의 동일 평면 필드 컴포넌트는 보자력을 감소시키도록 가열된 이후 매체를 배향하는 수직 컴포넌트를 대신하여 사용될 수 있다. 구체적으로 종방향 매체에 대해 동일 평면 필드 컴포넌트는 갭의 중심 바로 아래에서 가장 크다. 이러한 예에서, 가장 뾰족한 열 기울기가 이러한 지점에서 발생하도록 위치되는 핀을 구비하는 것이 바람직하다.
링 헤드를 이용하는 많은 장점들이 있다. 가장 중요한 것은 매체에서 소프트 하부층에 대한 필요성을 제거함으로써, 매체 개발 프로세스를 간락화할 수 있다는 것이다. 이것은 근접장 트랜스듀서로부터의 결합을 최적화하고 매체내의 열 특성들을 제어하는 것과 같은 엄격한 HAMR 요구조건들을 충족시키는 매체 설계를 간략화시킨다. 또한, 소프트 하부층을 이용하지 않음으로써, 소프트 하부층 노이즈가 제거된다.
가능한 가장 신속한 전이를 얻기 위해, 매체가 입자상(granular)이든 연속상(continuous)이든 상관없이, 열 기울기로 필드 기울기를 최대화시키는 것이 바람직 하다. 이것은 근접장 트랜스듀서에 대한 폴의 위치에 몇가지 제약들을 둔다. 비자화 필드는 헤드 필드에 항상 대향하므로, 전이를 넓히도록 작용한다. 열 기울기들은 보다 신속한 전이를 효과적으로 제공하는 전이 형성을 돕는다.
매체가 회전하므로, 열 프로파일의 피크는 입사 광선의 피크에 정렬(line up)되지 않을 수 있다. 이것은 광학 기록에서 예열(preheating)로서 널리 공지되어 있다. 또한 근접장 트랜스듀서는 기록 폴에 근접하기 때문에, 폴은 트랜스듀서에서 전자기장 프로파일을 왜곡시켜서 입사 광 프로파일의 변화를 초래한다. 그러나, 본 발명의 상세한 설명의 목적으로, 열 프로파일은 트랜스듀서의 바로 아래에 집중되고 폴로 인한 광학 스핀의 왜곡은 최소화되는 것으로 가정한다.
전술한 기록 헤드들과 디스크 드라이브와 더불어, 본 발명은, 자기 저장 매체에 인접하게 자기 기록 헤드의 공기 베어링 표면을 위치설정하는 단계 - 상기 기록 헤드는 공기 베어링 표면에 인접한 폴 팁을 갖는 기록 폴, 리턴 폴, 상기 공기 베어링 표면에 인접하게 위치된 근접장 트랜스듀서를 포함함 -; 상기 자기 저장 매체의 일부분을 가열하는 상기 근접장 트랜스듀서에서 형성된 근접장 복사를 이용하는 단계 - 상기 자기 저장 매체의 일부분의 열 프로파일은 상기 기록 폴에 의해 형성된 기록 자기장을 받는 지점에서 최대 기울기를 가짐 -; 및 상기 자기 저장 매체의 일부분의 자화에 영향을 주는 상기 기록 폴에 의해 형성된 자기장을 이용하는 단계를 포함하는 자기 기록 방법을 제공한다. 상기 근접장 복사에 의해 상기 자기 저장 매체에 형성되는 열 프로파일은 기록 폴의 에지 아래에서 최대 기울기를 가질 수 있다.
본 발명은 몇가지 예들에 의해 기술되었지만, 이하의 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 개시된 예들에 다양한 변형들이 이루어질 수 있음은 통상의 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명에 의하면, 공지된 회절 격자들의 제한사항들, 단점들을 극복하는 개선된 회절 격자를 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치로서,
    평면형 도파로; 및
    전자기파를 수용하기 위해 상기 평면형 도파로에 형성된 회절 격자들 - 상기 전자기파를 수용하기 위한 회절 격자들은 상기 전자기파를 유도하고 상기 평면형 도파로의 사각지대(dead zone) 영역을 규정하도록 상기 평면형 도파로에 대해 위치됨 -
    을 포함하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자들은 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자를 포함하며, 상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 이들 사이에 갭을 형성하도록 이격되는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자들은 제 1 회절 격자 및 제 2 회절 격자를 포함하며, 상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 서로에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  4. 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치로서,
    광 도파로;
    제 1 전자기파를 수용하고 상기 제 1 전자기파를 상기 광 도파로로 지향하기 위한 제 1 회절 격자; 및
    제 2 전자기파를 수용하고 상기 제 2 전자기파를 상기 광 도파로로 지향하기 위한 제 2 회절 격자 - 상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 서로에 대해 경사짐 -
    를 포함하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 상기 제 1 및 제 2 전자기파를 미리 결정된 지점으로 유도하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 평면형 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 평면형 도파로는 상기 제 1 회절 격자에 인접한 제 1 에지 및 상기 제 2 회절 격자에 인접한 제 2 에지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 에지는 실질적으로 포물면(parabolic) 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 에지는 평면형 고체 액침 미러(solid immersion mirror)의 형태인 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자는 0°에서 20°범위의 격자 각에서 위치되는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 회절 격자는 0°에서 20°범위의 격자 각에서 위치되는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 상기 제 1 전자기파 및 상기 제 2 전자기파를 상기 평면형 도파로의 사각지대 영역 주위로 유도하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  13. 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치로서,
    광 도파로;
    제 1 전자기파를 수용하고 상기 제 1 전자기파를 상기 광 도파로로 지향하기 위한 제 1 회절 격자; 및
    제 2 전자기파를 수용하고 상기 제 2 전자기파를 상기 광 도파로로 지향하기 위한 제 2 회절 격자 - 상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 이들 사이에 갭을 형성하도록 이격됨 -
    를 포함하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 도파로는 상기 제 1 전자기파 및 상기 제 2 전자기파를 미리 결정된 지점으로 유도하기 위한 평면형 도파로인 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 평면형 도파로는 상기 제 1 회절 격자에 인접한 제 1 에지 및 상기 제 2 회절 격자에 인접한 제 2 에지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 에지는 실질적으로 포물면 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 에지는 평면형 고체 액침 미러의 형태인 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 지점은 상기 평면형 도파로의 초점인 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 평면형 도파로는 상기 초점에 인접한 절단부를 포함하며, 상기 절단부는 상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자 사이의 갭의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자 및 상기 제 2 회절 격자는 상기 제 1 전자기파 및 상기 제 2 전자기파를 상기 평면형 도파로의 사각지대 영역 주위로 유도하는 것을 특징으로 하는 광 스폿들을 형성하기 위한 광학 장치.
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