專利名稱：光學頭和信息存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學頭和使用該光學頭的信息存儲裝置。
背景技術：
隨著信息化社會的進展，信息量日趨增大。與該信息量的增大對應，有著更高的記錄密度的信息記錄方式和基于該信息記錄方式的記錄再現(xiàn)裝置一直被期待。在作為一種信息記錄再現(xiàn)裝置的光盤裝置中，與記錄容量有關系的集光束徑受光波長的限制。作為光盤裝置的高記錄密度化的方案，有進一步縮短所使用的激光的波長和提高光學透鏡的數(shù)值孔徑(NA)的方案，然而由于衍射限制而制約了記錄密度的提高。作為光學透鏡的高NA化的方案，提出了一種方法，該方法使用固態(tài)浸沒透鏡，把數(shù)值孔徑(NA)設定為大于等于1，利用從固態(tài)浸沒透鏡的底面透出的漸消失光，在光盤介質(zhì)內(nèi)記錄信息。然而，該方法由于通過固態(tài)浸沒透鏡的折射率來提高NA，因而在高記錄密度化方面自然會存在界限。
作為用于實現(xiàn)高記錄密度的記錄方式，一種近場光記錄方式受到注目，該近場光記錄方式通過生成比入射光的波長小的微小開口，利用從該開口部產(chǎn)生的近場光，形成比光波長小的光束點。作為產(chǎn)生近場光的結構(近場光探針)，廣泛使用具有光波長以下的微小開口的作了前端銳化的光纖(光纖探針)。該光纖探針通過在對光纖的一端加熱的同時進行拉伸，或者使用化學蝕刻法進行前端銳化，之后將前端以外的部分用金屬涂敷來制成。當把光導入到光纖內(nèi)時，可在形成于光纖前端的微小開口附近產(chǎn)生近場光。然而，該光纖探針具有光利用效率低的缺點。例如，當開口直徑是100nm時，入射到光纖上的光的強度和從光纖前端出射的光的強度之比小于等于0.001％。
作為提高光利用效率的方法，提出了以下探針。
(1)多階段前端銳化光纖探針該探針是沿著光纖從根部到前端使光纖前端的尖角按2階段或3階段變化的光纖探針(Applied Physics Letters，Vol.68，No.19，p2612-2614，1996；Applied Physics Letters，Vol.73，No.15，p2090-2092，1998)。
(2)金屬針探針該探針使用掃描型隧道顯微鏡(STM)的針作為探針，通過使光照射到針前端，在前端附近產(chǎn)生強的近場光(特開平6-137847號公報)。
(3)帶有金屬微小球的微小開口光纖探針該光纖探針在光纖前端的微小開口中心形成有金屬微小球，使用從微小開口出射的光，在金屬微小球中激勵等離子體振子，在金屬球附近產(chǎn)生強的近場光(特開平11-101809號公報)。
(4)作了金屬涂敷的玻璃片探針該探針在呈三角柱狀切出的玻璃片上形成厚度50nm左右的金屬膜，在金屬膜上激勵表面等離子體振子。表面等離子體振子向頂點傳播，在頂點附近產(chǎn)生強的近場光(Physical Review B，Vol.55，No.12，p7977-7984，1997)。
(5)具有金屬散射體的玻璃基板探針該探針在玻璃基板底面裝有金屬散射體，在金屬散射體附近產(chǎn)生強的近場光(特開平11-250460號公報)。
然而，在近場光學系統(tǒng)中，必須設定產(chǎn)生近場光的微小結構和試樣表面的間隔為數(shù)nm至數(shù)10nm。因此，在使用上述由光纖和玻璃片構成的探針的情況下，需要一種用于對探針前端和試樣表面的間隔進行控制的特別的控制系統(tǒng)。一般，使用在探針前端和試樣之間作用的原子間力測定間隔，使用該測定值實施伺服控制。然而，在利用該伺服控制的情況下，由于伺服頻帶存在限制，因而探針的掃描速度存在限制。特別是，在需要高的數(shù)據(jù)傳送速度的光記錄再現(xiàn)裝置中，有必要使探針在光盤上高速掃描，存在的問題是，使用上述伺服控制方法不能對由光盤的失真或傾斜產(chǎn)生的高頻率的間隔變動進行控制。
為了解決該問題，提出了以下探針。
(1)平面開口探針該探針在硅基板中使用各向異性蝕刻形成開口，由于微小開口周邊部是平坦的，因而通過使探針壓緊試樣，可使間隔保持恒定(The PacificRim Conference on Lasers and Electro-Optics，WL2，199)。
(2)帶有襯墊的開口探針該探針在玻璃基板底面形成在前端具有微小開口的四角錐的突起，并在該突起周邊形成襯墊，襯墊使探針前端和試樣的間隔保持恒定(特開平11-265520號公報)。
(3)帶有金屬微小突起的面發(fā)光激光探針該探針在面發(fā)光激光出射口端面形成有金屬的微小開口和金屬的微小突起，由于結構是平坦的，因而通過使探針壓緊試樣，可使間隔保持恒定(應用物理Vol.68，No.12，p1380-1383，1999)。由于具有金屬的微小突起和共振結構，因而預計光利用效率提高。
(4)把插片式(patch)天線和同軸電纜應用于光學領域，高效率產(chǎn)生近場光(Optics Communications Vol.69，No.3，4，p219-224，1989)。
(5)通過把蝴蝶結型的金屬片做成微小偶極天線，高效率產(chǎn)生微小的近場光(美國專利第5,696,372號)。
然而，作為使用近場光的光存儲器的性能，需要以下3點。
(a)以遠比波長小的等級對近場光與記錄介質(zhì)的間隔進行精密控制。
(b)微小的光束點。
(c)光利用效率高，即，可進行高速數(shù)據(jù)傳送。
使前端的尖銳角按多階段變化的光纖探針與一般使用的光纖探針相比具有10～100倍的高效率，但在應用于需要0.5％以上的光利用效率的光記錄再現(xiàn)裝置方面還是不夠。并且，由于使用光纖，因而機械強度脆弱，不能進行高速掃描。金屬針探針、帶有金屬微小球的微小開口光纖探針、作了金屬涂敷的玻璃片探針、以及帶有金屬散射體的玻璃基板探針全都利用金屬特性來實現(xiàn)效率提高，有可能提高光利用效率。然而，探針前端全都形成為機械脆性的形狀，不適合高速掃描。特別是，金屬針探針、以及具有金屬散射體的玻璃基板探針由于使未照射到針前端或散射體上的光也入射到試樣上，因而具有能檢測出很多背景光的缺點。
盡管如上所述提出了幾種可進行高速掃描的探針，然而在平面開口探針以及具有襯墊的開口探針的情況下，雖然可進行高速掃描，但是光利用效率小。對于微小開口，使用模型并采用FDTD法(有限差分時域法)，進行嚴密的電磁場計算，該模型是在由鋁形成的厚度為560nm的基板上形成30°的錐角，把微小開口做成100nm直徑，并使波長400nm的光入射。結果，如圖1所示，當使光束入射到直徑100nm的金屬微小開口上時，即使在剛出射后的近場區(qū)域內(nèi)，光束也為超過開口尺寸的160nm(半幅值寬度)，形成特別在入射偏振光方向形成方形的輪廓，難以進行高密度記錄。
帶有金屬微小突起的面發(fā)光激光探針預計在高速掃描中，光利用效率高，背景光也少。然而，在使用金屬的微小突起產(chǎn)生強的近場光方面必須優(yōu)化金屬形狀，但，在特開平11-101809號中關于形狀卻未作任何記載。并且，對其制造方法也未作任何說明。
在把光應用于插片式天線和同軸電纜，高效率產(chǎn)生近場光的方法、以及通過把蝴蝶結型的金屬片做成微小偶極天線，產(chǎn)生微小的近場光的方法中，使用金屬自由電子的等離子體振子共振條件來使光強度放大。然而與上述一樣，使用FDTD法進行嚴密的電磁計算的結果，如圖2所示，只要不把記錄面放置在距蝴蝶結天線面2～3nm的距離以內(nèi)，就會得到與不使用等離子體振子增強的良導體相同的效果。即，存在的問題是，強度沒有增強，不能獲得必要的大于等于0.5％的光量。并且，還存在的問題是，滿足等離子體振子條件的蝴蝶結型的形狀等的容許值小。
另一方面，發(fā)表了一種在光盤介質(zhì)中裝有透鏡形狀的基板，提高記錄密度的方法(Optical Data Storage 2001 Technical Digestpp277-279，Guerra，et.al，April 22-25，2001)。在該方法中，目的是解決灰塵、頭盤接口等的問題，然而不利用近場光，而是內(nèi)裝微距透鏡并利用在微距透鏡所集光的光在記錄膜內(nèi)記錄再現(xiàn)信息。該方法通過提高透鏡用材料的折射率來提高記錄密度，但存在的問題是，在增大折射率方面存在限制，以及不能提高圓周方向的記錄密度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供光利用效率高、可進行高速掃描的使用近場光的光學頭。
本發(fā)明的另一目的是提供可使用上述光學頭進行高密度記錄的信息記錄再現(xiàn)裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一側面，提供一種光學頭，其特征在于，具有第1介電體層，具有第1折射率；一對第2介電體層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有比所述第1折射率大的第2折射率；一對第3介電體層，與所述各第2介電體層鄰接配置；以及一對第4介電體層，與所述各第3介電體層鄰接配置，具有比所述第1折射率大的第3折射率；使光從與所述第1至第4介電體層的疊層方向正交的方向入射。
理想的是，第1和第3介電體層具有相互不同的折射率。并且理想的是，第3介電體層具有比第1折射率小的第4折射率。作為替代方案，第1和第3介電體層具有相互不同的厚度。理想的是，第3介電體層具有比第1介電體層厚的厚度。理想的是，入射到光學頭上的光是偏振光面在與各層的疊層方向正交的方向的直線偏振光。
根據(jù)本發(fā)明的另一側面，提供一種光學頭，其特征在于，具有第1介電體層；一對第1金屬層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有負介電常數(shù)；一對第2介電體層，與所述各第1金屬層鄰接配置；以及一對第2金屬層，與所述各第2介電體層鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體層的折射率相互不同或者厚度相互不同；使光從與所述各層的疊層方向正交的方向入射。
理想的是，第1介電體層具有第1折射率，各第2介電體層具有比第1折射率大的第2折射率。作為替代方案，第1介電體層具有第1厚度，各第2介電體層具有比第1厚度厚的第2厚度。理想的是，入射到光學頭上的光是偏振光面在與各層的疊層方向正交的方向的直線偏振光。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種光學頭，它是圓筒形狀光學頭，其特征在于，具有第1介電體，配置在中心，具有第1折射率；環(huán)狀第2介電體，與所述第1介電體鄰接配置在其外周，具有比所述第1折射率大的第2折射率；環(huán)狀第3介電體，與所述第2介電體鄰接配置在其外周；以及環(huán)狀第4介電體，與所述第3介電體鄰接配置在其外周，具有比所述第1折射率大的第3折射率；使光向圓筒形狀光學頭的軸方向入射。
取代環(huán)狀第2介電體層，可以配置具有負介電常數(shù)的環(huán)狀第1金屬，取代環(huán)狀第4介電體層，可以配置具有負介電常數(shù)的環(huán)狀第2金屬。
本發(fā)明的另一方面，提供一種信息存儲裝置，以記錄介質(zhì)為對象進行信息的記錄或再現(xiàn)，其特征在于，該信息存儲裝置具有光源，使光束出射；以及光學頭，把基于該光束的光照射到記錄介質(zhì)上；所述光學頭具有第1介電體層，具有第1折射率；一對第2介電體層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有比所述第1折射率大的第2折射率；一對第3介電體層，與所述各第2介電體層鄰接配置；以及一對第4介電體層，與所述各第3介電體層鄰接配置，具有比所述第1折射率大的第3折射率；使光從與所述第1至第4介電體層的疊層方向正交的方向入射到所述光學頭上。
本發(fā)明的另一方面，提供一種信息存儲裝置，以記錄介質(zhì)為對象進行信息的記錄或再現(xiàn)，其特征在于，該信息存儲裝置具有光源，使光束出射；以及光學頭，把基于該光束的光照射到記錄介質(zhì)上；所述光學頭具有第1介電體層；一對第1金屬層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有負介電常數(shù)；一對第2介電體層，與所述各第1金屬層鄰接配置；以及一對第2金屬層，與所述各第2介電體層鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體層的折射率相互不同或者厚度相互不同；使光從與所述各層的疊層方向正交的方向入射到所述光學頭上。


圖1是說明以往的微小開口方式的問題點的說明圖；圖2是以往的蝴蝶結型天線方式的問題說明；圖3是根據(jù)本發(fā)明第1實施方式的光學頭的立體圖；圖4是使光入射到在前端部附近不具有光封入部的金剛石梯形柱上時的X方向的計算機模擬圖像；圖5是使光入射到在前端部附近不具有光封入部的金剛石梯形柱上時的Y方向的計算機模擬圖像；圖6是在中央僅具有1個透射部的梯形柱光學頭的比較例的剖面圖；圖7是使光入射到圖6的比較例上時的Y方向的計算機模擬圖像；圖8是具有多個光透射部的梯形柱光學頭的比較例的剖面圖；圖9是使光入射到圖8的比較例上時的Y方向的計算機模擬圖像；圖10是本發(fā)明第1實施方式的光學頭沿著Y方向的剖面圖；圖11是使光入射到本發(fā)明第1實施方式的光學頭上時的Y方向的計算機模擬圖像；圖12是使光入射到本發(fā)明第1實施方式的光學頭上時的X方向的計算機模擬圖像；圖13是使光入射到第1實施方式的光學頭上時的在距出射面10nm的位置的光束輪廓；圖14是本發(fā)明第2實施方式的光學頭沿著Y方向的剖面圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明第3實施方式的光學頭的立體圖；圖16是第3實施方式的光學頭沿著Y方向的剖面圖；圖17是使光入射到第3實施方式的光學頭上時的Y方向的計算機模擬圖像；圖18是使光入射到第3實施方式的光學頭上時的X方向的計算機模擬圖像；圖19是使光入射到第3實施方式的光學頭上時的在距出射面10nm的位置的光束輪廓；圖20是本發(fā)明第4實施方式的光學頭沿著Y方向的剖面圖；
圖21是利用本發(fā)明的光學頭的信息記錄再現(xiàn)裝置的概略構成圖；圖22是本發(fā)明的另一實施方式的光學頭的立體圖；圖23是在圖22的另一實施方式的光學頭中使用的第5實施方式的圓筒狀光學頭的立體圖；圖24是本發(fā)明第6實施方式的光學頭的立體圖；圖25是第6實施方式的光學頭的變形例圖；圖26是本發(fā)明第7實施方式的光學頭的立體圖；圖27是利用圖22的光學頭的信息記錄再現(xiàn)裝置的概略構成圖；圖28A～圖28C是表示第1實施方式的光學頭的制造過程的圖；以及圖29A～圖29D是表示第3實施方式的光學頭的制造過程的圖。
具體實施例方式
為了產(chǎn)生微小光，雖然可以考慮在二維中使用微小開口，在一維中使用單一狹縫，然而光的波長以下大小的開口和狹縫(例如長度100nm左右)，透射的光極其微弱。本發(fā)明者們鑒于這種情況，將關注的對象轉到周期形成的衍射光柵上。當高折射率和低折射率的折射率差非常大時，對于光的透射等，顯示出特異的表現(xiàn)，然而對于這種狀況下的光的表現(xiàn)，至今還未進行詳細探討。作為這種高折射率材料，使用III-V屬等的寬隙的半導體等正受到注目。
通常，如果是透射型的衍射光柵，則當衍射光柵的周期長度(間距)大于入射的光的波長時，入射到多個衍射光柵的光束全都透射或者衍射。因此，作為光束的透射光必然在近場成為具有許多峰、谷的光束，而在遠視野，光束成為大而模糊的光束。因此，為了獲得衍射界限以下的細微光束，提出了一種方法，該方法使用金屬等覆蓋全部衍射光柵，并使用聚焦離子束在其一部位穿出小于等于要使用的光波長且在衍射界限以下的例如200nm左右的細微開口。這樣，使金屬等離子體振子激勵光從微小開口出射。
然而，在該方法中，存在的問題是，從開口出射的光的利用效率低，聚焦離子束的加工不適合批量生產(chǎn)制造，聚焦離子束的開口加工，其大小、形狀不穩(wěn)定。而且，還存在以下等問題，即該方法是不適合為了廉價地進行批量生產(chǎn)而以使用晶片制造為目標的光學裝置的制造。
本發(fā)明具有的優(yōu)點是，不需要形成通過聚焦離子束加工等而形成的開口，就能高效率產(chǎn)生遠比衍射界限小的光束。我們通過計算首先發(fā)現(xiàn)，具有很低的周期數(shù)而且形成該周期的構成要素并不相同的這種特殊周期結構的光學元件可使光不衰減而是增大地透射比光波長小的區(qū)域。
首先，對利用高折射率的介質(zhì)和低折射率的介質(zhì)的折射率差封入光的方法進行說明。在以下說明中，假設在光記錄和再現(xiàn)中使用的激光器使用藍紫色激光二極管(波長400nm)。此處，高折射率的材料采用硅(Si)，在波長400nm時的Si的折射率是5.56。另一方面，低折射率的材料采用金剛石，在波長400nm時的金剛石的折射率是2.47。折射率差非常大，為3.1，此時的光的表現(xiàn)，如后所述，發(fā)生被稱為異常衍射(anomaly)的特別現(xiàn)象。
當衍射光柵的周期長度(間距)d小于等于波長λ(不含0)時，不產(chǎn)生衍射光。也因為以比該周期更短的周期制作衍射光柵是困難的，所以至此還未進行詳細探討。然而，本發(fā)明者等通過計算發(fā)現(xiàn)，當使該周期長度d更小，例如小于等于λ/5(不含0)時，透射光不衰減地出射。即，形成具有某一折射率和比其更高折射率的衍射光柵，衍射光柵的周期長度為小于等于使用的波長并且小于等于一定周期長度時，通過計算發(fā)現(xiàn)透射光強烈出射的異常衍射現(xiàn)象另一方面，通過計算發(fā)現(xiàn)，當衍射光柵的周期長度小于等于使用的波長并且大于等于上述一定周期長度時，透射光幾乎不出射。
根據(jù)這些現(xiàn)象，通過配置在中央的具有第1折射率的第1介電體、以及與該第1介電體的兩側鄰接配置的具有比第1折射率高的折射率的第2介電體的組合，在小于等于一定周期長度(不含0)的寬度內(nèi)形成中央組合。通過具有第2折射率的第3介電體、以及具有比第2折射率高的折射率的第4介電體的組合，以大于等于一定周期長度的寬度形成中央組合的左右鄰。通過這樣形成，不產(chǎn)生來自中央組合的鄰接部的透射光，光被封入到中央介電體的組合內(nèi)，并且0次衍射光即透射光強烈出射而不衰減，并在衍射光柵內(nèi)傳播。本發(fā)明的特征在于，即使不具有多個周期數(shù)，僅使用3個左右的周期數(shù)就能進行這種光封入。
在以下的光的計算中，采用FDTD法進行嚴密的電磁場計算。并且，假設X、Z方向的單元為120個，各10nm的大小，Y方向的單元為240個，各5nm的大小，計算也利用了達到了充分穩(wěn)定狀態(tài)的周期數(shù)30的結果。并且，為了使計算的解在即使采用作為負介電體的金屬時也穩(wěn)定，通過與FDTD法同時聯(lián)立計算作為金屬的自由電子模型的洛倫茲的自由電子的運動方程式，可獲得準確的解。
參照圖3，表示本發(fā)明第1實施方式的光學頭2的概略立體圖。在本實施方式中，梯形柱4具有相互平行的一對梯形狀主面4a，矩形狀底面4b，與該矩形狀底面4b平行的矩形狀頂面4c，以及使頂面4c和底面4b以及一對梯形狀主面4a之間分別連接的一對傾斜側面4d。梯形柱4由折射率2.47的對所使用的光透明的金剛石形成。在梯形柱光學頭中，使具有X方向的直線偏振光的藍紫光入射到矩形狀底面4b上，光在梯形柱4的側面4d多次反射形成干涉，這樣，在X方向和Y方向，光束均可微小化，特別是在X方向可產(chǎn)生縮小的光束(參照特願2002-188579)。
梯形柱4在Y方向的厚度是600nm，前端的頂角是30°，梯形柱4在光行進方向Z的長度是1.4μm。在梯形柱4的前端部分附近形成有光封入部6。該光封入部6，如后面詳細說明那樣，由配置在中央的金剛石層8、以及與該金剛石層8的兩側鄰接配置的一對Si層10形成。為了進一步縮小光束徑，當采用在使用波長時為負介電常數(shù)的材料(例如金屬等)包圍介電體時，擬似地等效于提高中間的介電體的折射率，因而使用鋁(12)將梯形柱4的周圍包圍。而且，由于鋁在使用波長時的介電常數(shù)的實部是一23.38，金剛石的介電常數(shù)是6.1，因而滿足等離子體振子激勵條件，即，在使用波長時為負介電常數(shù)的材料的介電常數(shù)的實部絕對值大于鄰接介電體的介電常數(shù)。
當使光入射到在前端部附近不具有光封入部6的金剛石梯形柱上時的光的傳播狀態(tài)的計算機模擬圖像如圖4和圖5所示。圖4表示X方向的光的傳播狀態(tài)，圖5表示Y方向的光的傳播狀態(tài)，對光在X方向和Y方向進行干擾的狀態(tài)作了圖示。在出射面14，光干涉最強，為使光束細微化而選擇出射面14?？芍?，此時在離開出射面14 10nm的位置的1/e2的光束尺寸，在X方向是100nm，在Y方向是600nm，在X方向，由于干涉效果，光束被細微化，而Y方向的光束需要進一步細微化。對于這種單方向的光束縮小，通過利用本發(fā)明的采用少的周期結構的光束封入，能夠不使X方向的集光性混亂的縮小Y方向的光束。
圖6表示在中央僅具有1個光透射部(狹縫或開口)18的梯形柱光學頭16的比較例的剖面圖。與圖3一樣，梯形柱4由金剛石形成，設置在光出射部的中央的光透射部18與梯形柱4一樣的由金剛石形成，其厚度是25nm。與光透射部18的兩側鄰接形成有一對Si層20。22是包圍了梯形柱4和Si層20的周圍的厚度200nm的Al層。在該構成時，如圖7的計算機模擬圖像所示，光不能透射小于等于所使用的光的波長的狹縫18，光不從出射面14出射。
參照圖8，表示另一比較例的梯形柱光學頭24的剖面圖。在該比較例中，梯形柱4同樣由金剛石形成，并形成多個狹縫26、以及與各狹縫26的兩側鄰接的多個Si層28。狹縫26和Si層28的厚度全都是25nm。狹縫26由金剛石形成。梯形柱4和Si層28的周圍由厚度200nm的Al層22包圍。當使光入射到該比較例的光學頭24上時，如圖9的計算機模擬圖像所示，發(fā)現(xiàn)，光可透射厚度25nm的狹縫26而不衰減。但是，在該狀態(tài)下，多個細微光束從出射面14出射。
另一方面，當使用圖8所示的多層周期結構擴大周期間隔時，通過同樣的電磁場計算也發(fā)現(xiàn)光不能透射光透射部(開口)的現(xiàn)象。根據(jù)該計算結果，判明通過進行僅使中央成為由低折射率的介電體形成的透射部(開口)，在開口兩側配置高折射率的介電體層的組合，并擴大除此以外的其他衍射光柵的間距或者使這些光柵的折射率不同，可把小于等于使用的波長的細微光束封入到中央的光封入部內(nèi)，并使該微小的1個光束從出射面出射。
圖10表示圖3所示的第1實施方式的光學頭2沿著Y方向的剖面圖。成為光透射部(開口)的中心的第1介電體層8由與梯形柱4相同的金剛石形成，將其厚度設定為20nm。與第1介電體層8的兩側鄰接配置有由Si形成的厚度25nm的一對第2介電體層10。與各第2介電體層10鄰接配置有由SiO2形成的厚度40nm的一對第3介電體層30。并且，與各第3介電體層30鄰接配置有由Si形成的厚度120nm的一對第4介電體層32。梯形柱4和第4介電體層32由厚度200nm的Al層12包圍。多層結構在Z方向的長度是100nm。第1介電體層8和第3介電體層30對所使用的光是透明的。
該第1實施方式的光的傳播狀態(tài)的計算機模擬圖像如圖11和圖12所示。圖11是Y方向的模擬圖像，圖12是X方向的模擬圖像。從圖11和圖12可知，光通過厚度20nm的中央開口8傳播，不會衰減而使強度增大。此時的在距出射面14為10nm的位置的光束輪廓如圖13所示。在從出射面出射了10nm的位置的1/e2的光束徑在X方向是100nm，在Y方向是86nm，在半幅值寬度是66×40nm，極其細微化。此時的出射光量對入射到光學頭上的光量之比，即光利用效率是2.4％的高效率，獲得足夠作為大容量光存儲器的光學頭的特性。
在本實施方式中，由于鄰接介電體層之間的折射率差Δn大，因而即使疊層結構的總數(shù)少，也能達到充分的光利用效率。但是，僅僅使用一對高折射率的介電體層夾持配置在中心的低折射率的介電體層，如圖7所示，光不能透射光學頭。相對之下，如本實施方式那樣，當采用具有3個周期的多層結構時，光通過中央開口傳播，不衰減而強度增大的從出射端面出射。然而，雖說是3周期結構，要注意的是，中央組合及其兩側的組合，是具有周期長度(間距)或者折射率不同的特殊周期性的周期結構。而且，在本實施方式中，周圍用Al層12包圍，而即使不使用Al層12，也能獲得強度強的透射光。
在上述第1實施方式中，第1介電體層8由金剛石形成，第2介電體層10和第4介電體層32由Si形成，第3介電體層30由SiO2形成，然而各介電體層的材料不限于此。即，只要第2介電體層10和第4介電體層32具有比第1介電體層8大的折射率，第3介電體層30與第1介電體層8的折射率或者厚度不同即可。理想的是，第3介電體層30具有比第1介電體層8小的折射率。作為替代方案，優(yōu)選的第3介電體層30的厚度比第1介電體層8厚。另外，優(yōu)選的第1介電體層8和第2介電體層10的折射率差大于等于2。
此處，通過使介電體層的材質(zhì)不同，可使折射率不同。雖然低折射率的介電體層和高折射率的介電體層的折射率差只要大于等于0.1即可，但折射率差大的情況是有效的。介電體層的厚度差即使小也可以，具體地說，在大于等于數(shù)nm且小于等于數(shù)百nm的范圍內(nèi)選擇是有效的。
可以認為本實施方式的具有疊層結構的衍射光柵是廣義的一維光刻晶體，而在入射光的偏振光方向與層的疊層方向正交的情況下，光透射增大，光透射率依賴于入射光的偏振光方向。在這種透射現(xiàn)象中，一般在透射光中，在行進方向大致周期性地出現(xiàn)強度的腹和節(jié)，當該光透射的介質(zhì)的折射率為n時，該周期是大約λ/2n，大多成為所謂法布里-珀羅型的共振模式。作為高折射率和低損失的材料，列舉出KNbO3，LiNbO3，AgBr，TlCl，ZnS，KPS-6，ESO，TiO2等。
而且，在上述說明中，對在梯形柱4中具有特殊周期結構的元件(光學頭)作了說明，然而本發(fā)明不限于梯形柱形狀，即使使通過普通透鏡等作出的平行光和收斂球面波等入射到上述那樣的具有特殊周期結構的元件上，也能同樣在單方向使光束大幅縮小。
參照圖14，表示本發(fā)明第2實施方式的光學頭2A的剖面圖。在本實施方式中，將第3介電體層30從出射端面削除規(guī)定距離。第3介電體層30由SiO2形成，如果將其厚度設定為W，則通過對SiO2進行蝕刻，在進深方向把第3介電體層30消除到W左右。W是50～100nm左右。這樣，可防止微弱光從第3介電體層30泄漏。
參照圖15，表示本發(fā)明第3實施方式的光學頭34的立體圖。圖16是沿著圖15的Y方向的剖面圖。梯形柱36具有相互平行的一對梯形狀主面36a，矩形狀底面36b，與該矩形狀底面36b平行的矩形狀頂面36c，以及使頂面36c和底面36b以及一對梯形狀主面36a之間分別連接的一對傾斜側面36d。梯形柱36的頂角是30°。本實施方式是在光學頭(光學元件)34的全長上存在多層膜的情況。
在圖16的剖面圖中，40是配置在光學頭34的中心的厚度20nm的由SiO2形成的第1介電體層，與該第1介電體層40的兩側鄰接分別配置有厚度30nm的由Al形成的一對第1金屬層42。與各第1金屬層42鄰接分別配置有厚度160nm的由金剛石形成的一對第2介電體層44。而且，與各第2介電體層44鄰接分別配置有厚度200nm的由Al形成的一對第2金屬層38。這樣在本實施方式中，使用金屬作為遮擋光的構件。此時，為了在使用波長的波段通過金屬的自由電子共振使光強度增大，因第1金屬層42和第2金屬層38必須滿足存在等離子體振子的條件。即，金屬的介電常數(shù)的實部絕對值必須大于鄰接介電體的介電常數(shù)。在本實施方式中，使用滿足該條件的鋁(Al)作為第1和第2金屬層。第1介電體層40和第2介電體層44對所使用的光是透明的。
使光入射到第3實施方式的光學頭34上時的光傳播狀態(tài)的計算機模擬圖像如圖17和圖18所示。圖17是Y方向的模擬圖像，圖18是X方向的模擬圖像。從圖17和圖18可知，光不衰減地透射厚度20nm的極其細微的第1介電體層40。此時在從出射面出射了10nm的位置的光束輪廓如圖19所示。在從出射面出射了10nm的位置的1/e2的光束徑在X方向是100nm，在Y方向是71nm，在半幅值寬度是65×37nm，極其細微化。本實施方式的光利用效率是高效率，為0.94％，獲得足夠作為大容量存儲器的光學頭的特性。
在上述第3實施方式中，各金屬層由鋁形成，然而也可使用具有負介電常數(shù)的其他金屬。有必要使金屬的介電常數(shù)的實部絕對值大于鄰接介電體層的介電常數(shù)。理想的是，第2介電體層44具有比第1介電體層40大的折射率?；蛘撸?介電體層44具有比第1介電體層40厚的厚度。作為本實施方式的變形例，可以采用第1和第2實施方式的介電體的疊層結構。并且，作為第1和第2實施方式的變形例，可以使用鋁(Al)等的金屬層作為遮擋光的構件。
圖20表示本發(fā)明第4實施方式的光學頭46的概略剖面圖。該實施方式是使疊層結構的周期數(shù)增大的實施方式。配置在中心的第1介電體層48由金剛石形成，第2介電體層50由Si形成，第3介電體層52由SiO2形成，第4介電體層54由Si形成。即，第1至第4介電體層的疊層結構與圖10所示的第1實施方式相同。并且在本實施方式中，第5介電體層56由Si形成，第6介電體層58由Si形成。第7介電體層60由SiO2形成，第8介電體層62由Si形成。
本實施方式的光學頭46的特征之一是，第5介電體層56由高折射材料形成，阻止光在該部分透射。在制作時，第4至第6介電體層54-58不用說是在一次成膜步驟形成。本實施方式，是為了阻止圖9所示光透射多個狹縫時，存在大強度透射自中央起第3個狹縫的現(xiàn)象。在此情況下，具有的優(yōu)點是，通過增加衍射光柵的周期數(shù)，可增強透射強度。取代第5介電體層56，可以使用具有負介電常數(shù)的金屬材料。
參照圖21，表示利用本發(fā)明的光學頭的信息記錄再現(xiàn)裝置64的概略構成圖。該信息記錄再現(xiàn)裝置64是光輔助磁記錄再現(xiàn)裝置。磁記錄介質(zhì)66向箭頭R方向旋轉。在下部磁屏蔽68和上部磁屏蔽及下部磁心70之間形成有再現(xiàn)用磁傳感器頭72、以及光學頭2。光通過光波導路74入射到光學頭2上。在下部磁心70上形成有信息寫入用的線圈76。78是上部磁心。
在該信息記錄再現(xiàn)裝置64中，通過磁記錄介質(zhì)66的旋轉，按照再現(xiàn)用磁傳感器頭72、光學頭2以及磁場產(chǎn)生用線圈76的順序通過一標記。在信息寫入時，從光學頭2出射的光3照射到磁記錄介質(zhì)66上，使磁記錄介質(zhì)66的溫度上升，之后立即通過在線圈76產(chǎn)生的磁場80寫入信息，因而能以較小的磁場強度把信息寫入到磁記錄介質(zhì)66內(nèi)。該信息記錄再現(xiàn)裝置64可通過晶片處理過程制造成完全一體型頭。
而且，作為信息記錄再現(xiàn)裝置，對光輔助磁記錄再現(xiàn)裝置作了說明，然而本發(fā)明的光學頭的應用不限于此，由于可形成微小的光束點，因而也同樣可用作相變化型的光盤裝置和光磁盤裝置的光學頭。特別是，在光磁盤裝置的情況下，通過磁場激光脈沖調(diào)制，可在圓周方向進行所謂月牙記錄，由于可縮短記錄長度的，因而可實現(xiàn)高記錄密度化。并且，可通過磁場激光脈沖調(diào)制進行改寫記錄，可實現(xiàn)高速的記錄再現(xiàn)。
圖22表示本發(fā)明的又一實施方式。光束在物鏡82被收集，進入固態(tài)浸沒透鏡84，由該固態(tài)浸沒透鏡84進一步集光。固態(tài)浸沒透鏡84是半球透鏡，在其平面部形成有第5實施方式的圓筒狀光學頭86。圓筒狀光學頭86，如圖23所示，包含第1介電體88，配置在中心，例如由金剛石形成；環(huán)狀第2介電體90，與第1介電體88鄰接配置在其外周，由例如Si形成；環(huán)狀第3介電體92，與第2介電體90鄰接配置在其外周，由例如SiO2形成；以及環(huán)狀第4介電體94，與第3介電體92鄰接配置在其外周，由例如Si形成。圓筒狀光學頭86還包含環(huán)狀第5介電體95，與第4介電體94鄰接配置在其外周，由SiO2形成；以及環(huán)狀第6介電體96，與第5介電體95鄰接配置在其外周，由Si形成。
作為圖23的圓筒狀光學頭86的變形例，中心部分88可以由SiO2形成，環(huán)狀部分90、94、96可以由鋁等的金屬形成，環(huán)狀部分92、95可以由金剛石形成。在圖23所示的第5實施方式中，可在全部方向實現(xiàn)光束的縮小。
圖24表示本發(fā)明第6實施方式的光學頭98，其構成為，在由Si形成的圓筒體102的中心配置由金剛石形成的長方體100，在其周邊呈柵狀配置由SiO2形成的長方體104。圓筒體102可以由鋁等的金屬形成。在此情況下，中心的長方體100優(yōu)選由SiO2形成，呈柵狀配置的長方體104優(yōu)選由金剛石形成。圖25表示圖24所示的第6實施方式的變形例的光學頭98A。在該變形例中，除了圖24的長方體104以外，還形成有由與長方體104相同的SiO2形成的4個長方體106。在圖24和圖25所示的實施方式中，可實現(xiàn)X方向和Y方向的光束同時縮小。
圖26表示本發(fā)明第7實施方式的光學頭108，其構成為使2個正交的衍射光柵110、112疊層。在本實施方式中，也可實現(xiàn)X方向和Y方向的光束同時縮小。
圖27表示把圖22所示的實施方式應用于例如光磁盤裝置的構成圖。在由懸掛裝置116支撐的滑動器114內(nèi)形成有磁場調(diào)制用線圈118，固態(tài)浸沒透鏡84以及圓筒狀光學頭86。120是光磁盤介質(zhì)。從激光二極管(LD)122出射的激光束在準直透鏡124成為準直光束后，透射偏振光光束分離器126，由物鏡128、固態(tài)浸沒透鏡84以及圓筒狀光學頭86收集在光磁盤介質(zhì)120上。在信息寫入時，磁場調(diào)制用線圈118與要寫入的數(shù)據(jù)相應的被調(diào)制，數(shù)據(jù)被寫入到光磁盤介質(zhì)120內(nèi)。在信息讀出時，來自光磁盤介質(zhì)120的反射光在偏振光光束分離器126被反射，被透鏡130集光在光檢測元件132上，光磁信號被檢測。
通過把本發(fā)明的光元件(光學頭)的出射面制作成LD和LED等出射面，可提高光的集光性，制造高效率的光學裝置。并且，通過把本發(fā)明的光元件形成在光導波路端面，可作為通信用光纖、光布線等的結合元件來使用。
圖28A～圖28C表示圖3所示的第1實施方式的光學頭2的制造方法的一例。首先，如圖28A所示，采用濺鍍、真空蒸鍍或CVD法，使Al層136和多層膜結構138成膜。然后，如圖28B所示，使由金剛石形成的梯形柱的光透射部分140成膜。最后，如圖28C所示，使Al142在多層膜結構138和梯形柱140上成膜。
圖29A～圖29D表示圖15所示的第3實施方式的光學頭34的制造方法的一例。首先，如圖29A所示，采用RF濺鍍、真空蒸鍍或CVD法，使多層膜成膜。然后，如圖29B所示，在涂敷光致抗蝕劑后，使用分步曝光裝置或電子束直接描繪裝置等，進行梯形144的構圖。然后，如圖29C所示，通過反應性離子蝕刻(RIE)等對形狀進行精加工，最后如圖29D所示，進行最外周的Al層146的成膜。這些制造過程在晶片工序中進行，最后切出成各芯片，進行研磨，以形成規(guī)定面。
上述各實施方式中的梯形柱的頂角可在10°～120°的范圍內(nèi)，根據(jù)制造面、光束設計進行合適選擇。并且，各實施方式的各層的材料可根據(jù)制造面、材料費、光束設計進行合適選擇，不限于各實施方式的材料。例如，可以不是SiO2，而是包含SiO2的SiO2系材料、包含Al的Al系材料。
本發(fā)明的光學頭，如上詳述，由于可使微小光束出射，因而在應用于信息記錄再現(xiàn)裝置時，可實現(xiàn)超高密度記錄。并且，可使用在基板上形成的二維圖形容易制造可出射縮小的光束的光學頭，可實現(xiàn)光學頭的批量生產(chǎn)。并且，由于可與再現(xiàn)用頭一并采用光刻技術制作，因而可提供每1平方英寸對應亞太拉位以上的高密度記錄光學頭和使用該光學頭的信息記錄再現(xiàn)裝置。
而且，本發(fā)明的光學頭不僅可應用于信息存儲裝置，而且可應用于光通信用部件、半導體加工裝置等的光學裝置。
權利要求
1.一種光學頭，其特征在于，所述光學頭包括第1介電體層；一對第1鄰接層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有負介電常數(shù)；一對第2介電體層，與所述各第1鄰接層鄰接配置；以及一對第2鄰接層，與所述各第2介電體層鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體層的折射率相互不同或者厚度相互不同；使光從與所述各層的疊層方向正交的方向入射。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述第1介電體層具有第1折射率，所述各第2介電體層具有比所述第1折射率大的第2折射率。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述第1介電體層具有第1厚度，所述各第2介電體層具有比所述第1厚度厚的第2厚度。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述第1和第2介電體層以及所述第1和第2鄰接層具有相互不同的厚度。
5.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述第1和第2鄰接層由相同金屬材料形成。
6.根據(jù)權利要求5所述的光學頭，所述第1介電體層由SiO2形成，所述第1和第2鄰接層由鋁形成。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，其還具有一對第3介電體層，與所述各第2鄰接層鄰接配置；以及一對第3鄰接層，與所述各第3介電體層鄰接配置。
8.根據(jù)權利要求7所述的光學頭，所述第1至第3鄰接層由相同金屬材料形成，所述各第2鄰接層具有比所述第1鄰接層的厚度厚的厚度。
9.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述光學頭具有光入射的入射端面和光出射的出射端面；所述各第2介電體層在所述出射端面?zhèn)缺幌鞒艘?guī)定距離。
10.根據(jù)權利要求1所述的光學頭，所述入射的光是偏振光面在與所述各層的疊層方向正交的方向的直線偏振光。
11.一種光學頭，為圓筒形狀，其特征在于，所述光學頭包括第1介電體，被配置在中心；環(huán)狀第1鄰接材料，與所述第1介電體鄰接配置在其外周，具有負介電常數(shù)；環(huán)狀第2介電體，與所述第1鄰接材料鄰接配置在其外周；以及環(huán)狀第2鄰接材料，與所述第2介電體鄰接配置在其外周，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體的折射率相互不同或者厚度相互不同；使與圓筒形狀光學頭的軸方向平行的光入射。
12.一種光學頭，其具有相互平行的一對梯形狀主面、矩形狀底面、與該矩形狀底面平行的矩形狀頂面、以及使所述頂面和所述底面以及所述一對梯形狀主面之間分別連接的一對傾斜側面，其特征在于，該光學頭包括第1介電體層，與所述梯形狀主面平行；一對第1鄰接層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有負介電常數(shù)；一對第2介電體層，與所述各第1鄰接層鄰接配置；以及一對第2鄰接層，與所述各第2介電體層鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體層的折射率相互不同或者厚度相互不同；使光從與所述矩形狀底面正交的方向入射到該底面上。
13.一種光學頭，其特征在于，所述光學頭具有具有平面的半球狀固態(tài)浸沒透鏡；以及圓筒狀光學元件，形成在所述固態(tài)浸沒透鏡的所述平面上；所述圓筒狀光學元件包括第1介電體，配置在中心；環(huán)狀第1鄰接材料，與所述第1介電體鄰接配置在其外周，具有負介電常數(shù)；環(huán)狀第2介電體，與所述環(huán)狀第1鄰接材料鄰接配置在其外周；以及環(huán)狀第2鄰接材料，與所述環(huán)狀第2介電體鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體的折射率相互不同或者厚度相互不同；使與所述圓筒狀光學元件的軸方向平行的光入射到所述固態(tài)浸沒透鏡上。
14.一種光學頭，其特征在于，所述光學頭包括圓筒狀金屬，具有負介電常數(shù)；長方體形狀的第1介電體，嵌入在所述圓筒狀金屬的中心部分內(nèi)，具有第1折射率；以及多個長方體形狀的第2介電體，呈柵狀嵌入在所述第1介電體的周圍的所述圓筒狀金屬中，具有與所述第1折射率不同的第2折射率；使光從所述圓筒狀金屬的軸方向入射。
15.一種信息存儲裝置，以記錄介質(zhì)為對象進行信息的記錄或再現(xiàn)，其特征在于，該信息存儲裝置具有射出光束的光源；以及把基于該光束的光照射到記錄介質(zhì)上的光學頭，所述光學頭包括第1介電體層；一對第1鄰接層，與所述第1介電體層的兩側鄰接配置，具有負介電常數(shù)；一對第2介電體層，與所述各第1鄰接層鄰接配置；以及一對第2鄰接層，與所述各第2介電體層鄰接配置，具有負介電常數(shù)；所述第1和第2介電體層的折射率相互不同或者厚度相互不同；使光從與所述各層的疊層方向正交的方向入射到所述光學頭上。
全文摘要
本發(fā)明提供光學頭和信息存儲裝置。一種光學頭，包括第1介電體層，具有第1折射率；一對第2介電體層，與第1介電體層的兩側鄰接配置，具有比第1折射率大的第2折射率；一對第3介電體層，與各第2介電體層鄰接配置；以及一對第4介電體層，與各第3介電體層鄰接配置，具有比第1折射率大的第3折射率。使光從與第1至第4介電體層的疊層方向正交的方向入射。第1和第3介電體層具有相互不同的折射率或者具有相互不同的厚度。
文檔編號G01N13/14GK1901052SQ20061012649
公開日2007年1月24日 申請日期2002年11月13日 優(yōu)先權日2002年11月13日
發(fā)明者長谷川信也, 田和文博 申請人:富士通株式會社