專利名稱：包括光學(xué)諧振腔的光記錄頭及含有其的光驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及與光盤數(shù)據(jù)存儲裝置一起使用的光記錄頭，并且更具體而言涉及其中形成有光波長諧振腔(resonant cavity)介質(zhì)加熱裝置的記錄頭的設(shè)計和制造。
背景技術(shù)：
光驅(qū)動器(optical drive)通常包括一個或更多個其上形成有數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)層的可旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲盤，并且小區(qū)域形式的數(shù)據(jù)-稱為數(shù)據(jù)位-由記錄頭寫在所述盤的介質(zhì)層上。光學(xué)記錄基本上是熱過程，其中熱能借助于小的聚焦光點光學(xué)地傳遞給介質(zhì)。點(spot)的大小通常決定位的大小，并且實現(xiàn)更高數(shù)據(jù)面記錄密度之路是產(chǎn)生更小的點尺寸。光記錄技術(shù)在下面進(jìn)行了概述，并且在許多參考資料，如1985年Adam Hilger Ltd.出版的“Principles of OpticalDisc Systems”(作者為G.Bouwhuis，J.Braat，A.Juijser，J.Pasman，G.VanRosmalen和K.Schouhamer Immink)中進(jìn)行了描述。
為了便于理解，在圖1中示出了常用的現(xiàn)有技術(shù)的光驅(qū)動器的示意圖。如其中所示的，光驅(qū)動器10包括通過光頭在其上寫入數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)介質(zhì)盤14。該光頭包括兩個部分，一個是包括激光器和其它組件的固定頭部分18，而另一個是一般包括激光束導(dǎo)向反射鏡26和光束聚焦透鏡30的可移動頭部分22。在一般的光驅(qū)動器10中，可移動頭22設(shè)置在線性致動器上并且相對于旋轉(zhuǎn)盤徑向移動。激光束被從固定頭18導(dǎo)引向移動頭22的反射鏡26，通過聚焦透鏡30到達(dá)介質(zhì)上而形成點。對于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，點大小直接與激光波長成正比而與聚焦透鏡30的數(shù)值孔徑(NA)成反比。這是兩個主要的變量，對這兩個變量進(jìn)行改變以減少點大小從而實現(xiàn)較高數(shù)據(jù)面記錄密度。
存在兩種主要的可重寫光記錄技術(shù)相變技術(shù)和磁光技術(shù)。在相變技術(shù)中，局部熔化一般由硫族化物材料構(gòu)成的盤介質(zhì)，其后跟有快速冷卻，使記錄材料上的被加熱的點改變?yōu)榉蔷B(tài)。其后跟有慢速冷卻過程的熔化使加熱點改變?yōu)榫B(tài)。設(shè)計這兩個狀態(tài)具有不同的反射率從而當(dāng)讀取激光束隨后掃描數(shù)據(jù)時能夠讀出記錄的信號為反射率的改變。在讀取期間，減弱激光功率從而介質(zhì)的狀態(tài)不受影響，即不再被熔化。對于磁光系統(tǒng)，當(dāng)施加大面積磁場時使用光束以將介質(zhì)加熱高于它的居里點。僅介質(zhì)的被加熱區(qū)域響應(yīng)外加磁場并且相應(yīng)地改變它的磁化狀態(tài)。使用其偏振被介質(zhì)的磁化狀態(tài)稍微改變的偏振激光進(jìn)行讀出。檢測反射光的偏振以產(chǎn)生讀回信號。
對于不可重寫介質(zhì)，可以使用不同的技術(shù)。例如在一次寫入介質(zhì)中，可以使用激光點以局部燒蝕介質(zhì)，因此引起反射率的改變。預(yù)先記錄的介質(zhì)(例如CD和DVD)使用壓印在盤表面上的物理凹點來編碼數(shù)據(jù)。本發(fā)明原則上能夠用于相變或燒蝕一次寫入或磁光介質(zhì)的寫入。
目前現(xiàn)有技術(shù)光記錄裝置的一個主要特征是它能夠在距離可移動頭22幾毫米處的介質(zhì)14上聚焦一個小點(大約0.5μm的直徑)。這提供了高數(shù)據(jù)存儲密度而不存在磁記錄的頭盤界面的問題。然而，對于當(dāng)前可得到的二極管激光器該點大小達(dá)到了大約0.2μm的衍射極限。為了光學(xué)地實現(xiàn)較小的點，必須采取“超分辨率”技術(shù)。本發(fā)明基本上是實現(xiàn)了超出衍射極限大約10倍的超分辨率技術(shù)，而大多數(shù)超分辨率技術(shù)概念提供的比這一技術(shù)要少得多。這一增加分辨率的折衷是裝置必須在光學(xué)近場中運行，也就是距離介質(zhì)大約1到100納米處運行，從而頭-盤間隔是光波長的一小部分而不是毫米。那么這就要求如正常磁記錄中所使用的浮動頭。
實現(xiàn)超分辨率的一個方法是迫使光通過小孔(aperture)。這里小孔近場中的點大小可以由孔大小設(shè)定而不是如衍射限制系統(tǒng)(diffraction limited system)中由光波長限定。然而，亞波長(sub-wavelength)孔的透射隨著r4減少，這里r是孔的半徑。因此亞波長孔的透射效率非常差而需要高功率激光器加熱介質(zhì)。最近的工作已經(jīng)研究了C孔和其它特別的孔，這些孔比通常的亞波長孔具有較高的效率。本發(fā)明把潛在地包括C孔或者類似裝置的亞波長孔與光學(xué)諧振腔相結(jié)合，以放大入射在孔上的強度并因此增加從激光源到介質(zhì)傳輸光的總效率。
為了理解光學(xué)諧振腔的工作，首先考慮微波頻率下的簡單圓柱形腔的諧振是有用的，即腔是中空圓柱。在微波電子學(xué)中，密閉式圓柱具有良好定義的由橫磁TMmnp模式和橫電TEmnp模式表示的諧振。腳標(biāo)m、n和p分別指的是方位角方向、徑向方向和縱向方向上的模式數(shù)量。對于本發(fā)明例子，我們限定討論于基模TM010，即在方位角方向上和縱向方向上沒有變化。在這個簡單的模式中，TM010的磁場與圓柱同心。另一方面，電場在軸向方向上并且在圓柱的中心具有最大值。所有它的電場線在兩個側(cè)壁之間跨越(span)。
在增加圓柱腔中的電場的努力中，如圖2A和圖2B所示的凹進(jìn)(reentrant)圓柱形諧振腔112被發(fā)展用于利用速調(diào)管和磁電管的微波功率的產(chǎn)生。這個腔112簡單地是帶有同軸柱116的圓柱腔，該同軸柱116比腔的厚度要短。柱從一個側(cè)壁120延伸并且終止于距相對側(cè)壁124的距離為亞波長d的位置處。通常是亞波長直徑的孔128設(shè)置在與柱116的末端相對的側(cè)壁124中。柱116的存在混合了諧振模式的標(biāo)號。然而，腔112正常地運行以在基模下諧振從而電場和磁場是軸對稱的。此外，柱末端的電場保持平行于軸并且在軸處的或者在軸的附近達(dá)到峰值。同樣，磁場垂直于電場從而它的場線是圍繞軸的同心圓。柱116的存在加強了軸處的電場，因為柱到側(cè)壁間隔d現(xiàn)在小于圓柱的厚度。通常，d的尺寸越小，沿著軸的軸向電場強度越大。微波領(lǐng)域的這些實驗已經(jīng)表明的是亞波長尺寸的凹進(jìn)圓柱腔在垂直于腔的表面124的方向上能夠產(chǎn)生很高強度的電場，在本發(fā)明中這一事實被擴展在光學(xué)波長用于近場熱學(xué)加熱。
因為對于諧振腔的任何調(diào)整諸如調(diào)整柱或者孔，將擾動腔中的簡單TE和TM模式，下面我們把原始的未改變的諧振腔中應(yīng)該具有TM的模式稱為軸向模式(axial mode)，并且使用平面模式(in-plane mode)來指代未改變的諧振腔中應(yīng)該是TE的場。因此對于圓柱形腔，軸向場將意味著電場主要平行于圓柱的軸定向，而平面場將意味著電場主要垂直于圓柱的軸定向并因此在空氣支撐表面(air bearing surface)的平面內(nèi)。
使用光學(xué)諧振腔用于近場加熱的一個重要考慮是將光功率耦合到諧振腔112中。將光功率耦合到圓柱光學(xué)腔的光通信中的公知技術(shù)是利用從集成波導(dǎo)(waveguide)的衰減波(evanescent wave)耦合。作為這樣的一個例子，R.W.Boyd等人在Journal of Modern Optics(2003年Vol 50，No.15-17，2543-2550)的“Nanofabrication of optical structures and devices for photonicsand biophotonics”中教導(dǎo)了一個包括耦合到諧振回音廊模式(WGM)腔的波導(dǎo)的系統(tǒng)。該技術(shù)示意性地表示在圖2C和圖2D中，其中有錐度的平面波導(dǎo)140設(shè)置在圓盤微腔144附近。如果波導(dǎo)140距腔以間隙148設(shè)置將能實現(xiàn)耦合，間隙148是波長的一小部分。在這個裝置中腔和波導(dǎo)由相對較高折射率的材料150如砷化鎵構(gòu)成，材料150被相對較低折射率的材料-在本例中是空氣包圍。波導(dǎo)和腔的上表面和下表面同樣地與相對較低折射率的材料諸如AlxGa1-xAs構(gòu)成的層152相鄰，這里x等于0.4。
最近，已經(jīng)公布了用于熱輔助磁記錄環(huán)境中的介質(zhì)近場加熱的幾個熱記錄方法的描述。這些方法是在傳統(tǒng)的磁記錄頭中結(jié)合了光學(xué)加熱裝置。在已公布的美國專利申請US2003/0184903 A1和US2004/0008591 A1中，教導(dǎo)了設(shè)置在磁頭中的透射特別高的近場孔以應(yīng)用在垂直記錄中。在一個實例中，將近場孔直接設(shè)置在磁頭的寫入磁極的下行道處，使得近場孔的輸入平面平行于空氣支撐表面(ABS)。在已公布的美國專利申請US2004/0001420A1和US2004/0062503A1中，一個平面波導(dǎo)構(gòu)建在磁頭的寫入磁極的下行道側(cè)。通常，被加熱點的大小取決于光波長、孔的尺寸和用于波導(dǎo)/近場孔的材料的成分。
如同從下面的描述中將要理解的，本發(fā)明采用了利用諧振腔對光記錄介質(zhì)的近場熱學(xué)加熱。所述應(yīng)用類似于傳統(tǒng)的光記錄系統(tǒng)。然而，存在關(guān)鍵的不同，特別是(1)受熱的點可以是20nm那樣小(與當(dāng)前利用紅色或者近IR激光的衍射限制的光存儲裝置中的大約700納米相比)；(2)因為它限于近場加熱，因此在光頭和盤之間不存在聚焦機構(gòu)；(3)從腔的觀點來看，這個光頭的讀/寫帶寬是大約1GHz或者更大，因為用于脈沖輸入的在諧振腔中達(dá)到諧振的估計時間范圍是幾百飛秒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的記錄頭實施例包括介質(zhì)加熱裝置，該介質(zhì)加熱裝置被構(gòu)建在記錄頭結(jié)構(gòu)中以對于熱敏光介質(zhì)盤寫入和讀取數(shù)據(jù)。介質(zhì)加熱裝置包括產(chǎn)生亞波長尺寸的高強度近場光束的光能諧振腔，亞波長尺寸的高強度近場光束適于記錄每平方英寸1T比特(1T bits/in2)和更多。光能通過靠近腔設(shè)置的波導(dǎo)耦合進(jìn)入諧振腔，并且光能通過靠近腔中的波腹設(shè)置的孔耦合出腔之外。在從相變介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)過程中，將光探測器設(shè)置在波導(dǎo)的末端處。從波導(dǎo)的末端發(fā)射的光能(optical energy)受到介質(zhì)數(shù)據(jù)位的反射率的影響，并且被解釋為二進(jìn)制數(shù)據(jù)位信號。
本發(fā)明的記錄頭的一個優(yōu)勢是它包括改進(jìn)的介質(zhì)加熱元件以利于對光介質(zhì)盤的寫入和讀取數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的記錄頭的另一個優(yōu)勢是它借助于諧振腔和特別設(shè)計的耦合機構(gòu)提供了光從光源進(jìn)入介質(zhì)的高效耦合。
本發(fā)明的記錄頭的另一個優(yōu)勢是它提供了可隨著位密度增加超過每平方英寸1T比特而可縮放比例的受熱位點。
本發(fā)明的記錄頭還有另一個優(yōu)勢是它包括利用諧振腔和波導(dǎo)的讀取頭，其中探測器提供受從波導(dǎo)輸出的光的變化控制的輸出信號。
本發(fā)明的記錄頭進(jìn)一步的優(yōu)勢是它在記錄頭和盤之間不需要光學(xué)聚焦，而在普通的光記錄頭中需要光學(xué)聚焦。
本發(fā)明的記錄頭更進(jìn)一步的優(yōu)勢是在介質(zhì)上寫入數(shù)據(jù)和從介質(zhì)上讀取數(shù)據(jù)期間不需要光學(xué)折射組件。
本發(fā)明的光驅(qū)動器的優(yōu)勢是它包括具有改進(jìn)的介質(zhì)加熱元件的記錄頭，由此可以得到光驅(qū)動器的較高數(shù)據(jù)面存儲密度。
本發(fā)明的光驅(qū)動器的另一個優(yōu)勢是它包括具有改進(jìn)的介質(zhì)加熱元件的記錄頭，由此可在具有熱敏介質(zhì)層的數(shù)據(jù)存儲盤上寫入。
本發(fā)明的光驅(qū)動器的另一個優(yōu)勢是它包括記錄頭，該記錄頭包括利用諧振腔和波導(dǎo)的讀取頭，其中探測器提供受從波導(dǎo)輸出的光的變化控制的輸出信號。
本發(fā)明的光驅(qū)動器還有的另一個優(yōu)勢是它包括具有加熱元件的記錄頭，借助于諧振腔和特別設(shè)計的耦合機構(gòu)該記錄頭提供了光從光源進(jìn)入介質(zhì)的高效耦合。
本發(fā)明的光驅(qū)動器更進(jìn)一步的優(yōu)勢是它包括具有介質(zhì)加熱元件的記錄頭，提供了隨著位密度增加超過每平方英寸1T比特而可縮放比例的受熱點。
本發(fā)明的光驅(qū)動器還有的另一個優(yōu)勢是它包括在記錄頭和盤之間不需要光學(xué)聚焦的記錄頭，而普通的光記錄頭需要光學(xué)聚焦。
本發(fā)明的光驅(qū)動器更進(jìn)一步的優(yōu)勢是它包括在介質(zhì)上寫入數(shù)據(jù)和從介質(zhì)上讀取數(shù)據(jù)期間不需要光學(xué)折射組件的記錄頭。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)員來說基于閱讀下面的參照幾個附圖所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它特征與優(yōu)勢將無疑是明顯的。


下面的附圖不是按實際裝置的比例作出的，而是提供用來說明在這里描述的本發(fā)明。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的具有線性致動器的光驅(qū)動器的示意圖；圖2A和2B描述了現(xiàn)有技術(shù)的圓柱形微波凹進(jìn)諧振腔，其中圖2A是俯視圖而圖2B是沿著圖2A的線2B-2B取的側(cè)橫截面圖；圖2C和2D描述了現(xiàn)有技術(shù)的用于從光源通過波導(dǎo)到諧振腔耦合光的系統(tǒng)，其中圖2C是俯視圖而圖2D是沿著圖2C的線2D-2D取的側(cè)橫截面圖；圖3A是帶有本發(fā)明的線性致動器的光驅(qū)動器的示意圖，所述光驅(qū)動器包括本發(fā)明的記錄頭。
圖3B是本發(fā)明的包括本發(fā)明的記錄頭的旋轉(zhuǎn)光驅(qū)動器的俯視圖；圖4A、4B和4C描述了本發(fā)明的包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置的記錄頭的第一實施例，其中圖4A是從ABS取的平面圖，圖4B是沿著圖4A的線4B-4B取的橫截面圖，圖4C是側(cè)視圖；圖5A、5B和5C描述了包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置的本發(fā)明的記錄頭的另一實施例，其中圖5A是從ABS取的平面圖，圖5B是沿著圖5A的線5B-5B取的橫截面圖，而圖5C是側(cè)視圖；圖6A、6B和6C描述了本發(fā)明的包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置的記錄頭的另一實施例，其中圖6A是從ABS取的平面圖，圖6B是沿著圖6A的線6B-6B取的橫截面圖，而圖6C是側(cè)視圖；圖7A、7B和7C描述了本發(fā)明的包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置的記錄頭的另一實施例，其中圖7A是從ABS取的平面圖，圖7B是沿著圖7A的線7B-7B取的橫截面圖，而圖7C是側(cè)視圖；圖8A、8B和8C描述了本發(fā)明的包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置的記錄頭的另一實施例，其中圖8A是從ABS取的平面圖，圖8B是沿著圖8A的線8B-8B取的橫截面圖，而圖8C是側(cè)視圖；圖9A、9B和9C描述了本發(fā)明的既包括寫數(shù)據(jù)光諧振腔裝置又包括讀數(shù)據(jù)光諧振腔裝置的記錄頭，其中圖9A是從空氣支撐表面取的平面圖，圖9B是沿著圖9A的線9B-9B取的橫截面圖，而圖9C是側(cè)視圖；圖10A、10B和10C描述了本發(fā)明的可選記錄頭實施例，其中寫數(shù)據(jù)光諧振腔裝置和讀數(shù)據(jù)光諧振腔裝置合并成帶有單個波導(dǎo)的單個腔，其中圖10A是從空氣支撐表面取的平面圖，圖10B是沿著圖10A的線10B-10B取的橫截面圖，而圖10C是側(cè)視圖。
圖11A、11B和11C描述了本發(fā)明的可選記錄頭實施例，其中寫數(shù)據(jù)光諧振腔裝置的波導(dǎo)和讀數(shù)據(jù)光諧振腔裝置的波導(dǎo)合并成單個波導(dǎo)，其中圖11A是從空氣支撐表面取的平面圖，圖11B是沿著圖11A的線11B-11B取的橫截面圖，而圖11C是側(cè)視圖。
具體實施例方式
利用本發(fā)明的記錄頭以對于諸如在光驅(qū)動器中的光盤的熱敏介質(zhì)讀取和寫入數(shù)據(jù)?？梢岳斫猓景l(fā)明的光驅(qū)動器可以包括光介質(zhì)，該光介質(zhì)是相變介質(zhì)、磁光介質(zhì)或者燒蝕介質(zhì)；然而，為了簡潔，本發(fā)明將參考相變介質(zhì)進(jìn)行描述，可以理解為本發(fā)明能夠適用于所有類型的光介質(zhì)。
在圖3A中示出了本發(fā)明的具有線性致動器的光驅(qū)動器310的簡圖，該線性致動器用于支撐本發(fā)明的光讀取頭。這個光驅(qū)動器310可以包括類似于圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的線性光驅(qū)動器10的組件。如圖3A所示，線性光驅(qū)動器310包含至少一個光盤312，光盤312在軸314上可旋轉(zhuǎn)地安裝。光頭由兩部分組成，包括激光器和其它組件的固定頭部分320，安裝在線性致動器上并且相對旋轉(zhuǎn)盤徑向移動的可移動頭部分324。可移動頭324包括激光束反射鏡328，聚焦透鏡330和本發(fā)明的光記錄頭332。記錄頭332安裝在記錄頭支撐機構(gòu)338中，記錄頭支撐機構(gòu)338類似于用來支撐現(xiàn)有技術(shù)的硬盤驅(qū)動器的磁頭飛行在旋轉(zhuǎn)硬盤的表面之上的空氣軸承上的頭支撐機構(gòu)。因此，如同從下面的描述中將要了解的，在類似于用來制造磁頭的制造工藝中，本發(fā)明的記錄頭332在滑塊體表面上形成，其隨后安裝在可移動頭324的支撐機構(gòu)338上以飛行在每一個旋轉(zhuǎn)盤312的表面上面。當(dāng)運行光驅(qū)動器310時，光盤312在軸314上旋轉(zhuǎn)并且光頭332飛行在旋轉(zhuǎn)盤的表面上充當(dāng)空氣軸承。在線性光驅(qū)動器的另外的可選實施例中(未示出)，激光器可以構(gòu)造在飛行光記錄頭332之內(nèi)作為激光器二極管(下面對其進(jìn)行描述)。在這種實施例中，在固定頭320上不需要激光器，且不需要反光鏡328和透鏡330。
圖3B示出了本發(fā)明的具有用于支撐光頭的旋轉(zhuǎn)致動器的另一個光驅(qū)動器實施例350的簡化俯視圖，其中至少一個光盤352旋轉(zhuǎn)性地安裝在軸354上。本發(fā)明的光記錄頭356在滑塊357上形成，滑塊357安裝在旋轉(zhuǎn)致動器臂358上以飛行在每一個旋轉(zhuǎn)盤352的表面359的上面。當(dāng)光驅(qū)動器350運行時，光盤352在軸354上旋轉(zhuǎn)且滑塊充當(dāng)了空氣軸承飛行在旋轉(zhuǎn)盤的表面之上。在本光驅(qū)動器350中，如同下面的詳細(xì)描述，激光器可以包括構(gòu)造在光記錄頭356中的激光器二極管。
如下面所描述的，本發(fā)明包括具有改進(jìn)的介質(zhì)加熱裝置的光記錄頭，所述介質(zhì)加熱裝置包括用于使熱記錄能夠達(dá)到每平方英寸1T比特和更多的光能諧振腔系統(tǒng)。這樣的諧振腔光學(xué)系統(tǒng)的一般性討論下面將要表述，緊接著是這樣的諧振腔光學(xué)系統(tǒng)在本發(fā)明的記錄頭實施例中實現(xiàn)的具體討論。
用于記錄頭的諧振腔光學(xué)系統(tǒng)由三個分離的元件組成，它們必須設(shè)計為工作在一起。主要的組件是諧振腔，其提供了高光場以改進(jìn)從記錄頭到記錄介質(zhì)耦合光的效率。也需要一種用于從激光源導(dǎo)引光進(jìn)入諧振腔的裝置；這個裝置優(yōu)選地是有錐度的并以最大化從波導(dǎo)到腔的耦合的方式靠近腔定位的波導(dǎo)。最后，需要一種從腔到介質(zhì)以直徑大約為25納米量級的小局部區(qū)域耦合光的裝置。
為了實現(xiàn)諧振條件，腔尺寸和材料特性密切地與波長相匹配是基本的。給定的腔將僅僅在由腔尺寸和光特性確定的特定波長區(qū)域處諧振。在其上腔諧振的區(qū)域?qū)挾扔蒕因數(shù)確定。Q因數(shù)越高，將要諧振的波長區(qū)域越窄。Q因數(shù)又主要由在腔中的損耗決定。腔尺寸和特性將設(shè)計成在特定的目標(biāo)波長諧振。然而，因為確切的尺寸和光特性將在制造處理過程中變化并且也將根據(jù)環(huán)境因素像溫度和濕度而變化，因此必須調(diào)整腔和/或波長以得到所期望的諧振條件。優(yōu)選實施例使用了可調(diào)激光器從而能夠改變波長從而與腔的諧振條件相匹配。也可以例如熱學(xué)地或者電光地調(diào)整腔從而與給定的波長相匹配。腔相對于波長的大小也決定允許何種類型的模式。對于圓柱形腔，我們通常使用最低階模式。在該例子中，我們設(shè)計腔足夠小從而不允許較高階模式。因為WGM模式是本征高階模式，WGM腔必須一般地較大使得它們支持WGM模式。
本發(fā)明的目的是使用諧振光學(xué)腔在記錄介質(zhì)上產(chǎn)生非常強的光場。這些腔通常是圓柱形或者環(huán)形結(jié)構(gòu)，盡管它們也可以是矩形或者光子晶體結(jié)構(gòu)。特別是環(huán)形結(jié)構(gòu)能夠成為伸長的形狀以形成跑道形環(huán)形結(jié)構(gòu)。這些腔內(nèi)部的場通過等于Q，或腔的品質(zhì)因數(shù)的大因數(shù)能夠被增加從而超過用來供給腔的場。通常引證大于1的Q值并且值105-109已經(jīng)在模擬中證實。腔裝置中的大的場增強意味著即使通過腔的孔的傳輸效率是低的，也可以傳遞給介質(zhì)更大的場。用電介質(zhì)材料制造腔，其定型為所期望的腔尺寸并且設(shè)置在記錄頭中，這里電介質(zhì)材料在用來激勵腔的光波長處是不吸收的。對于在1-2μm范圍內(nèi)的波長，可使用硅(Si)作為腔材料。腔和波導(dǎo)可以集成在絕緣體上硅(SOI)晶片上，而其它通常使用的材料是硅上二氧化硅和氮氧化硅(SiON)。當(dāng)源(例如半導(dǎo)體激光器)或者其它有源光學(xué)裝置集成在同一結(jié)構(gòu)中時，也經(jīng)常使用砷化鎵和其它III-V族材料，并且它們也可以結(jié)合在本發(fā)明中。
通過許多熟知的方法可以將光限定在腔中，所述方法都產(chǎn)生反射光的界面。這些方法最簡單的是具有較低折射率的電介質(zhì)材料的界面，如用在階梯折射率光纖中。其它的方法包括反射金屬涂層、反射電介質(zhì)薄膜疊層、梯度折射率界面、高折射率材料覆層、反射光柵覆層、抗諧振反射結(jié)構(gòu)或者光子晶體結(jié)構(gòu)。對于本發(fā)明的目的，電介質(zhì)界面一般地將是優(yōu)選的方法，盡管金屬界面可以使用在頂面和/或底面上以幫助限定被耦合出腔進(jìn)入記錄介質(zhì)的場。
腔的尺寸由材料中的光的波長、限定方法和所使用的腔模式確定。在波長為1.55μm(在空氣中)處對于由空氣包圍的硅圓柱形腔中的TM010模式，腔直徑將大約是340納米。為了確保在軸方向上僅僅允許最低的階模式，腔厚度應(yīng)該少于λeff/2，這里λeff是腔中的波長。在1.55μm對于硅腔，這就意味著腔厚度應(yīng)該小于220納米。對于本發(fā)明，也能夠使用較高階模式?？梢允褂没匾衾饶Ｊ?WGM)，這里環(huán)繞著圓柱的周邊存在一串最大值。在這種情況中腔的直徑可以是幾μm。
給定諧振腔，需要機構(gòu)來導(dǎo)引光進(jìn)入腔，而后再耦合光到腔之外并進(jìn)入記錄介質(zhì)。在實踐中，需要對所有這些元件結(jié)合腔和記錄介質(zhì)進(jìn)行設(shè)計以使整體性能最優(yōu)化，但是為了簡潔，它們將在下面單獨討論。通常，將使用半導(dǎo)體激光器作為光源，并且本發(fā)明使用了波導(dǎo)以導(dǎo)引光從光源到諧振腔。盡管不必要，為了簡單波導(dǎo)一般地就用來構(gòu)造它的材料和薄膜厚度而論將類似于腔。用多種通常熟知的方法能夠?qū)⒐鈴募す馄黢詈系讲▽?dǎo)。如果激光器和波導(dǎo)在同一襯底上，那么激光器能夠高效地直接對接耦合(butt-couple)進(jìn)波導(dǎo)。如果不在同一襯底上，那么將點大小減小器設(shè)置在波導(dǎo)的末端且激光能夠聚焦在它的上面，或者可以將光柵或者棱鏡耦合器設(shè)置在波導(dǎo)上用于耦合。當(dāng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計時，所有這些方法能夠具有良好的耦合效率。用于設(shè)計波導(dǎo)、波導(dǎo)耦合器和相關(guān)波導(dǎo)組件的技術(shù)是公知的并且在諸如文獻(xiàn)“IntegratedOpticsTheory and Technology”(R.G.Hunsperger，第三版，Springer-Verlag，1991)中進(jìn)行了描述。
為了將光從波導(dǎo)耦合到腔，波導(dǎo)通常是有錐度的并且緊密靠近腔。波導(dǎo)耦合到諧振腔并且兩個元件在同一襯底上的例子在“Nanofabrication ofoptical structures and devices for photonics and biophotonics”(R.W.Boyd等人，Journal of Modern Optics，2003年，Vol.50，No.15-17，2543-2550)中進(jìn)行了描述。當(dāng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計時，這個耦合能夠接近100％的效率并且在腔中的場強將大到波導(dǎo)中的場Q因數(shù)倍。
最后要求將光耦合到腔的外面并且進(jìn)入記錄介質(zhì)。這可以諧振性地實現(xiàn)或者非諧振性地實現(xiàn)。因為腔內(nèi)具有非常高的場，任何設(shè)置在腔上的非諧振孔或者擾動將導(dǎo)致腔外的良好場強。作為這樣的例子，Boyd等人教導(dǎo)在腔頂部上的場最大的位置處設(shè)置小吸收粒子，由此幾乎100％的來自波導(dǎo)的光通過腔耦合并且在粒子位置處出來，導(dǎo)致在粒子處有非常強的場。在本發(fā)明中，在小局部區(qū)域處的輸出耦合可以通過在腔面中的場最大的位置處制作小直徑孔并且使它開口或者用折射率不同于腔材料的折射率的材料填充它來實現(xiàn)。重要的是要認(rèn)識到這是輸出耦合機構(gòu)的設(shè)計與腔的設(shè)計以及記錄介質(zhì)密切相關(guān)的區(qū)域。引入擾動將稍微改變腔諧振，如記錄介質(zhì)在腔的近場中的出現(xiàn)。這些影響必須在設(shè)計中進(jìn)行考慮。采用合適的設(shè)計，輸出耦合也能夠諧振性地實現(xiàn)以使到記錄介質(zhì)的總耦合最大。這種情況的例子是上面描述的在腔中設(shè)置金屬柱的微波凹進(jìn)腔，選定其尺寸以實現(xiàn)諧振。這極大地增強了腔輸出處的場，其在微波例子中是位于柱下面的腔中的洞。第二種方法是使用所謂的近場孔，其將在下面進(jìn)行描述。
通過在諧振腔中的場最大的位置處構(gòu)建金屬柱可以將類似于微波諧振腔的技術(shù)用于本發(fā)明的光學(xué)腔。柱的尺寸和形狀設(shè)計為與腔中的場實現(xiàn)諧振，在柱下面產(chǎn)生強電場。強場的橫向范圍由柱的直徑?jīng)Q定。這個柱和孔的直徑可以比使用的波長小許多。在微波凹進(jìn)腔例子中(參考A.J.Sangster等人在Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2001，Vol 15，815-821，“Coupled re-entrant cavity system for electromagnetic levitation”)，柱和孔的直徑在0.052λ和0.17λ之間。對于使用λ＝1.55μm和硅腔的光學(xué)例子，這就意味著大約23納米的孔直徑，其記錄范圍為每平方英寸1T比特。這再一次采用了具有軸向電場的諧振條件。
諧振腔方法也可以用于平面場(in-plane field)。對于軸向場，優(yōu)選的腔是帶有柱的腔，如凹進(jìn)腔中那樣。對于平面場和軸向場，可以在低階模式或WGM模式中使用圓柱盤或者跑道形腔?？梢允褂眠@些具有簡單孔或者近場孔的腔，這里我們定義近場孔為在近場中具有增強強度透射的孔。這種例子是所謂的C孔，其已經(jīng)在“Design of a C aperture to achieve λ/10 resolutionand resonant transmission”(X.Shi和L.Hesselink在Journal of the OpticalSociety of America B，2004，Vol.21，No.7，1305-1317)中做了描述。雖然設(shè)計細(xì)節(jié)是不同的，但是可以設(shè)計近場孔用于軸向或者平面場。通過在近場孔后面提供非常高的場，近場孔與諧振孔結(jié)合再一次增加了它的效率。盡管金屬柱對于本發(fā)明是優(yōu)選實施例，但也可以使用產(chǎn)生小局部場的任何其它諧振結(jié)構(gòu)。下面討論五個實施例來說明用于光記錄的諧振腔的應(yīng)用。
圖4A，4B和4C描述了本發(fā)明的記錄頭的第一實施例400，其包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置404，其中圖4A是從ABS取的平面圖，圖4B是沿著圖4A的線4B-4B取的橫截面圖，而圖4C是4A的側(cè)視圖。如圖4A、4B和4C所示，頭實施例400包括襯底基體(substrate base)408，其可以由AlTiC、二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)員所熟知的其它材料構(gòu)成。相對較低折射率的材料層412被沉積為橫跨襯底404的表面，然后符合光學(xué)諧振腔的大小和形狀的腔416形成在該低折射率材料中，諸如通過使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的光刻技術(shù)來實現(xiàn)。也可以同時形成波導(dǎo)形腔420。其后，諧振腔416和波導(dǎo)腔420分別由相對較高折射率的材料424和426填充，折射材料424和426通常將是相同材料。其后，橫跨裝置的上表面沉積相對較低折射率的材料的外表面層428，以封住諧振腔和波導(dǎo)材料。供選地，可以省略層428留下一個空氣界面，或者層428可以由金屬薄膜構(gòu)成。隨后，通過諧振腔404的外表面層428將孔436構(gòu)建在腔中心軸位置。因此，由高折射率電介質(zhì)材料424(例如，用于波長1-2μm的硅)構(gòu)成的腔404形成在另一種具有較低折射率的電介質(zhì)材料(例如二氧化硅)的母體412中，從而將場限定在該腔中。形成小孔436并且用材料440填充，材料440與腔電介質(zhì)材料424具有不同的折射率，如不同的電介質(zhì)材料或者空氣。外表面層428可以用作記錄頭400的空氣軸承表面(ABS)的一部分。如果省略層428，那么孔436在腔材料424中形成。
在輸入波長下的基模的諧振中，腔404產(chǎn)生非常高的電場和衰減波(evanescent wave)，在孔436處發(fā)出并且平行于腔中心軸。在優(yōu)選實施例中電場主要垂直于腔的外層428的輸出能量延伸通過孔436且下行到相變介質(zhì)中以產(chǎn)生熱學(xué)加熱(thermal heating)。雖然孔436的大小能夠影響選定波長下的腔的諧振行為，但腔設(shè)計可以是數(shù)據(jù)位幾何形狀特定的。這就意味著可以針對所期望的受熱數(shù)據(jù)位點大小選取孔尺寸。重要的是應(yīng)注意光驅(qū)動器位密度的增加需要減少孔436的尺寸以產(chǎn)生更小尺寸的數(shù)據(jù)位。在這個方面，可以重新調(diào)節(jié)孔的尺寸，因為孔限定被加熱點的位置和尺寸。
對于具有軸向場的基模，腔404的直徑一般是輻射的有效波長的大約70％，這里將有效波長定義為自由空間波長除以腔材料的折射率的商。對于硅腔中1.55μm的波，腔直徑大約是0.32μm。
經(jīng)過類推，用于每平方英寸1T比特的數(shù)據(jù)位的尺寸將是大約25納米。在此方面，合適的孔436應(yīng)該是直徑大約25納米。可以理解為如本領(lǐng)域技術(shù)員所熟知的，能夠設(shè)計這些腔用于其它波長。對于不同波長需要使用兼容的材料。隨著波長和材料的改變，腔尺寸將與材料的折射率成比例。
為了產(chǎn)生光進(jìn)入腔404的高效耦合，將接近腔沿450有錐度的光學(xué)波導(dǎo)420設(shè)置在腔的附近以提供耦合。上面已經(jīng)描述了來自波導(dǎo)的光的耦合并且這對于本領(lǐng)域的技術(shù)員是很好理解的。
將光源例如固態(tài)二極管激光器456耦合到波導(dǎo)420可以通過幾種方法中的一個實現(xiàn)，這里光源456可以是滑塊117的集成組件(例如參見下面的圖9B所述)，但也可以是如圖3A所示的和以上所述的單獨的組件。一個耦合方法很容易地從圖4C看出，其中光柵耦合器由在遠(yuǎn)離面對ABS一側(cè)的波導(dǎo)表面上形成的光柵線464構(gòu)成。將光源456適當(dāng)?shù)鼐劢共⑶以O(shè)定入射角用于最好的耦合?？蛇x地，可以將光直接耦合進(jìn)遠(yuǎn)離腔的波導(dǎo)的末端。這些耦合方法是公知的并且在參考文獻(xiàn)，如“Integrated OpticsTheory and Technology”(R.G.Hunsperger，第三版，Springer-Verlag，1991)中進(jìn)行了描述。
在執(zhí)行“寫”操作過程中，將從脈沖源456發(fā)出的光經(jīng)由波導(dǎo)420耦合到腔404。每個脈沖在腔中建立諧振從而光場延伸通過孔436抵達(dá)介質(zhì)。對于相變介質(zhì)所吸收的光熔化介質(zhì)并且使它改變?yōu)榉蔷?。對于每個脈沖重復(fù)這個過程。甚至對于大的高Q腔，腔建立它的整個諧振能(full resonant energy)的時間也少于1ns。對于這種腔的模擬結(jié)果示于“FDTD MicocavitySimulationsDesign and Experimental Realization of Waveguide-CoupledSingle-Mode Ring and Whispering-Gallery-Mode Disk Resonators”(S.C.Hagness，D.Refizadeh，S.T.Ho和A.Taflove，Journal of LightwaveTechnology，Vol 15，No.11，1997年11月，第2154-2165頁)。其建議利用合適的腔大小、脈沖寬度、介質(zhì)厚度、襯底熱學(xué)特性和其它材料要求，位寫入速率可以是1GHz或者更高。
圖5A，5B和5C示出了本發(fā)明的記錄頭的第二實施例500，其包括凹進(jìn)腔介質(zhì)加熱裝置504，其中圖5A是從ABS取的平面圖，圖5B是沿著圖5A的線5B-5B取的橫截面圖，而圖5C是圖5A的側(cè)視圖。如其中所示，該記錄頭實施例500包括襯底基體508，可以由AlTiC、SiO2或者本領(lǐng)域的技術(shù)員所熟知的其它材料構(gòu)成。相對較低折射率的材料512的層被沉積為橫跨襯底508的表面，然后符合光學(xué)諧振腔504的大小和形狀的腔516形成在低折射率材料512中。也可以同時形成波導(dǎo)形腔520。接著窄柱522構(gòu)建在腔內(nèi)。除了別的以外，該柱優(yōu)選地由諸如銀、金、鋁、銠、鉑、鉻的材料構(gòu)成，并且利用本領(lǐng)域技術(shù)員所熟知的光刻技術(shù)和/或電鍍技術(shù)制成?？蛇x地，該柱可以由電介質(zhì)材料形成并且表面涂覆諸如上面列出的這樣的金屬。然后，諧振腔516和波導(dǎo)腔520分別由相對較高折射率的材料524和526填充。然后，橫跨裝置的上表面沉積相對較低折射率的材料的外表面層528以封住諧振腔和波導(dǎo)材料?？蛇x地，可以省略層528留下空氣界面，或者它可以由金屬膜構(gòu)成。隨后，在腔中心軸位置處構(gòu)建孔536通過諧振腔的外表面層528，并且該孔536在柱522的正上方。因此，由高折射率的電介質(zhì)材料524(例如對于1-2μm波長的硅)構(gòu)成的腔504形成在另一種具有較低折射率的電介質(zhì)材料512(例如二氧化硅)的母體中，從而把場限定在腔中。形成小孔536并且用與腔電介質(zhì)材料524具有不同折射率的材料諸如不同的電介質(zhì)材料或者空氣填充。如果省略層528，那么孔536在腔材料524中形成。該記錄頭500因此包括凹進(jìn)光學(xué)諧振腔，該凹進(jìn)光學(xué)諧振腔在類似于圖4A和4B所示以及上面所述的諧振腔400的模式下運行。
盡管在選定波長柱522的大小能夠影響腔504的諧振行為，但腔設(shè)計可以是柱幾何形狀(post geometry)和柱尺寸特定的。這意味著可以設(shè)計孔536和柱522的尺寸以對于相關(guān)的腔尺寸和所需的受熱點大小產(chǎn)生諧振。重要的是應(yīng)注意，增加位密度必須減少柱和孔的尺寸。在這一方面，可以重新調(diào)節(jié)柱和孔的尺寸，因為柱限定最大電場和受熱點的位置，而孔限定受熱點的大小。
為了提供光進(jìn)入腔504的高效耦合，將光學(xué)波導(dǎo)520設(shè)置在腔504的附近以提供耦合。波導(dǎo)520的結(jié)構(gòu)和它到二極管激光源556的耦合類似于圖4A、4B和4C所示以及上面所述。
本發(fā)明第三實施例600涉及使用回音廊模式(WGM)的諧振腔604，其示于圖6A、6B和6C，其中圖6A是從ABS取的平面圖，圖6B是沿著圖6A的線6B-6B取的橫截面圖，而圖6C是圖6A的側(cè)視圖。WGM腔和諧振腔的其它類型在“Optical Microcavities”(K.J.Vahala在Nature，Vol 424 2003年8月14日第839-846頁)中進(jìn)行了回顧。如圖6A，6B和6C所示，頭實施例600包括襯底基體608，其可以由AlTiC、二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)員所熟知的其它材料構(gòu)成。相對較低折射率的材料層612被沉積為橫跨襯底表面，然后符合光學(xué)WGM諧振腔的大小和形狀的腔616形成在低折射率材料612中。波導(dǎo)形腔620也可以同時形成。然后，諧振腔616和波導(dǎo)腔620分別由相對較高折射率的材料624和626填充。接下來橫跨所述裝置的上表面沉積相對較低折射率材料的外表面層628以封住諧振腔和波導(dǎo)材料?？蛇x地，可以省略層628留下空氣界面，或者它可以由金屬膜構(gòu)成。隨后，在合適的位置構(gòu)建孔636(如下所述)通過諧振腔的外表面層628。因此，由高折射率的電介質(zhì)材料624(例如對于1-2μm波長的硅)構(gòu)成的腔604形成在另一種具有較低折射率的電介質(zhì)材料612(例如二氧化硅)的母體中，從而將場限定在腔內(nèi)。形成小孔636并且用材料640填充，該材料640具有不同于電介質(zhì)材料624的折射率，諸如不同的電介質(zhì)材料或者空氣。如果省略了層628，那么孔636在腔材料624中形成。
小心地選取孔636在WGM腔空間中的的精確位置，使得它與輸入波長下的諧振模式的波腹處于相同的徑向位置和方位角位置。電場主要垂直于腔面的輸出能量可以延伸到并且滲透進(jìn)磁介質(zhì)以產(chǎn)生熱學(xué)加熱。盡管孔636的大小在選定波長下能夠影響腔的諧振行為，但腔設(shè)計可以是孔幾何形狀和孔尺寸特定的。這意味著可以設(shè)計孔尺寸以對于給定的腔尺寸和所需的受熱點大小產(chǎn)生諧振。重要的是應(yīng)注意增加位密度需要減少孔尺寸。
為了提供光進(jìn)入腔604的高效耦合，將光學(xué)波導(dǎo)620設(shè)置在腔604的附近以提供耦合。波導(dǎo)620的結(jié)構(gòu)和它到二極管激光源656的耦合類似于圖4A，4B和4C所示以及上面所述。
圖7A，7B和7C示出了本發(fā)明的記錄頭的第四實施例700，其中圖7A是從ABS取的平面圖，圖7B是沿著圖7A的線7B-7B取的橫截面圖，而圖7C是圖7A的側(cè)視圖。如下所述，第四實施例700包括凹進(jìn)WGM諧振腔704，凹進(jìn)WGM諧振腔704包括形成在該腔中的柱722。該記錄頭實施例700包括襯底基體708，其可以包括AlTiC、二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)員所熟知的其它材料。相對較低折射率的材料層712被沉積為橫跨襯底表面，然后符合光學(xué)WGM諧振腔的大小和形狀的腔716形成在低折射率材料712中。波導(dǎo)形腔720也可以同時形成。除了別的以外，該柱優(yōu)選地由諸如銀、金、鋁、銠、鉑、鉻的材料構(gòu)成，并且利用本領(lǐng)域技術(shù)員所熟知的光刻技術(shù)和/或電鍍技術(shù)形成。供選地，該柱可以由電介質(zhì)材料形成，并且表面涂覆諸如那些上面列出的金屬。然后，諧振腔716和波導(dǎo)腔720分別由相對較高折射率的材料724和726填充。然后，橫跨裝置的上表面沉積相對較低折射率的材料的外表面層728以封住諧振腔和波導(dǎo)材料?？蛇x地，可以省略層728留下空氣界面，或者它可以由金屬膜構(gòu)成。隨后，在合適位置(如下所述)構(gòu)建孔736通過諧振腔的外表面層728。因此，由高折射率電介質(zhì)材料724(例如對于1-2μm波長的硅)構(gòu)成的腔704形成在另一種具有較低折射率的電介質(zhì)材料712(例如二氧化硅)的母體中，從而把場限定在腔內(nèi)。形成小孔736并且用材料填充，該材料具有不同于腔電介質(zhì)材料724的折射率，諸如不同的電介質(zhì)材料或者空氣。如果省略層728，那么孔736形成在腔材料724中。
小心地選取腔中的柱722的精確位置，從而它與輸入波長下的諧振模式的波腹處于相同的徑向位置和方位角位置。該柱的末端從腔面728稍微縮回。輸入波長下的WGM模式諧振能夠提供非常高的電場，該電場垂直于與柱722相對的孔736的平面。電場主要垂直于腔面728的輸出能量可以延伸到并且滲透進(jìn)磁介質(zhì)中以產(chǎn)生熱學(xué)加熱。盡管孔736和柱722的大小能夠影響腔的諧振行為，但腔設(shè)計可以是柱幾何形狀和柱尺寸特定的。這意味著可以設(shè)計孔尺寸以對于給定的柱尺寸和所需的受熱點大小產(chǎn)生諧振。重要的是應(yīng)注意，位密度的增加必須減少柱和孔尺寸。在這一方面，可以重新調(diào)節(jié)柱和孔尺寸，因為該柱限定最大電場和受熱點的位置，而孔尺寸決定受熱點的大小。
為了提供光進(jìn)入腔704的高效耦合，將光學(xué)波導(dǎo)720設(shè)置在腔704的附近以提供耦合。波導(dǎo)720的結(jié)構(gòu)和它耦合到二極管激光源756類似于圖4A，4B和4C所示以及上面所述。
圖8A，8B和8C示出本發(fā)明的第五實施例800，其包括光能諧振腔介質(zhì)加熱裝置804和近場孔860，其中圖8A是從ABS取的平面圖，圖8B是沿著圖8A的線8B-8B取的橫截面圖，而圖8C是圖8A的側(cè)視圖。如其中所示，頭實施例800包括襯底基體808，其可以包括AlTiC、二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)員所熟知的其它材料。相對較低折射率的材料層812被沉積為橫跨襯底808的表面，然后符合光學(xué)諧振腔的大小和形狀的腔816形成在低折射率材料內(nèi)，諸如通過利用本領(lǐng)域技術(shù)員所熟知的光刻技術(shù)。波導(dǎo)形腔820也可以同時形成。然后，諧振腔816和波導(dǎo)腔820分別由相對較高折射率的材料824和826填充，它們一般是相同的材料。然后，橫跨所述裝置的上表面沉積相對較低折射率的材料的外表面層828以封住諧振腔和波導(dǎo)材料。可選地，可以省略層828留下空氣界面，或者它可以由金屬膜構(gòu)成。隨后，在腔中心軸位置構(gòu)建孔836通過諧振腔804的外表面層828。因此，由高折射率電介質(zhì)材料824(例如用于1-2μm波長的硅)構(gòu)成的腔804形成在另一種具有較低折射率的電介質(zhì)材料812(例如二氧化硅)的母體中，從而把場限定在腔內(nèi)。形成小孔836并且用材料840填充，該材料840具有不同于腔電介質(zhì)材料824的折射率，諸如不同的電介質(zhì)材料或者空氣。如果省略層828，那么孔836形成在腔材料824中。腔804類似于上面所述的這些(404，504，604和704)并且可以被構(gòu)造為具有柱或者可以不具有柱；波導(dǎo)820的結(jié)構(gòu)和它到二極管激光源856的耦合類似于以上所述。
接下來將近場孔860構(gòu)建在孔836的上面。為了實現(xiàn)這個，將具有大約10納米厚的薄膜858沉積在層828上，這里薄膜858由對于光能透明的材料構(gòu)成。其后，將具有形成在其中的開口864的金屬薄膜片868構(gòu)建在層858上的另一薄膜層878中。薄膜858可以由在近場孔860制造過程中用作蝕刻停止物的材料構(gòu)成。金屬薄膜868可以由諸如銀、金、鋁、銠、鉑、鉻及其它的材料構(gòu)成，金屬薄膜868厚度是波長的一部分。在近場孔860的情況下，近場孔的開口864的形狀可以類似字符C(由X.Shi和L.Hesselink在Journalofthe Optical Society of America B，Vol 21，No.7，1305-1317，“Design of a Caperture to achieve λ/10 resolution and resonant transmission”中進(jìn)行了描述)或者字符H。也可以使用能夠提供增加了強度的近場光能點的其它開口幾何形狀和亞波長尺寸。近場孔的開口864的軸優(yōu)選地與腔的孔836同軸。圖8A示出在腔804的內(nèi)部沒有柱的情況；腔804內(nèi)部存在柱的情況未示出，但是基于回顧本公開對于本領(lǐng)域的技術(shù)員來說該情況將很好理解。近場孔860可以設(shè)計為與平面場一起使用或者與軸向場一起使用。然而，可以理解柱存在的情形中軸向場是優(yōu)選的。
電場主要垂直于腔面828的輸出能量能夠延伸到并且滲透進(jìn)近場孔860以產(chǎn)生增強的傳輸并且因此在磁介質(zhì)處熱學(xué)加熱。選取孔836的大小以優(yōu)化該光束到近場孔864的大小的耦合。因為孔836的大小能夠影響腔804的諧振行為，因此可以調(diào)整腔設(shè)計以得到耦合的腔近場孔運行的最優(yōu)性能。這意味著可以設(shè)計腔804的孔尺寸以對于近場孔860針對給定柱(如果存在)和所需的受熱點大小產(chǎn)生諧振。
上面所述的光學(xué)諧振腔裝置可用于相變、燒蝕或者磁光介質(zhì)盤寫入數(shù)據(jù)或者從相變或者燒蝕介質(zhì)盤讀取數(shù)據(jù)。下面將借助于圖9A，9B和9C描述適合于寫入和讀取操作的記錄頭900，其中圖9A是記錄頭900的ABS表面的平面圖，圖9B是沿著圖9A的線9B-9B取的橫截面圖，而圖9C是圖9A的側(cè)視圖。如圖9A，9B和9C所示，記錄頭900包括用于將數(shù)據(jù)寫入到相變介質(zhì)盤上的第一諧振腔裝置902。第一諧振腔裝置902包括光能諧振腔904、波導(dǎo)920和光能源956。諧振光學(xué)腔904可以由上面所述的任何諧振腔404，504，604，704或者804構(gòu)成，光能從激光源956到波導(dǎo)920的耦合以及到諧振腔904的耦合已經(jīng)在上面進(jìn)行了具體描述。如上所述，利用來自諧振腔904的能量將數(shù)據(jù)寫到介質(zhì)上。
記錄頭900還包括從相變或者燒蝕介質(zhì)盤讀取數(shù)據(jù)的第二諧振腔裝置982。該讀取光學(xué)裝置包括諧振腔984、波導(dǎo)988、激光光能源992和耦合到波導(dǎo)988的遠(yuǎn)端(distal end)996的光能探測器994。合適的探測器994可以包括InGaAs或者Si光探測器或者本領(lǐng)域技術(shù)員所熟知的其它光敏器件。
耦合波導(dǎo)988到探測器994可以由幾種方法中的一個實現(xiàn)，這里探測器通常是頭900的集成組件。在圖9B和9C中描述了一種耦合方法，其中包括光柵線995的光柵耦合器形成在波導(dǎo)988的遠(yuǎn)端996的表面上。供選地，光可以直接從波導(dǎo)的端996耦合到探測器994。
在執(zhí)行“讀”操作時，光源992能夠在脈沖或者連續(xù)波模式下以減小的功率運行，從而抵達(dá)介質(zhì)的光不改變它的表面狀態(tài)。因為光橫穿介質(zhì)中的高反射率和低反射率材料的區(qū)域，從波導(dǎo)988耦合到腔984的光的強度根據(jù)被介質(zhì)吸收的光的量變化。沒有耦合到腔的光傳輸?shù)讲▽?dǎo)988的遠(yuǎn)端996。這個信號與寫入“位”的吸收率成反比。因此遠(yuǎn)端996的波導(dǎo)輸出隨著光橫穿低或者高反射率區(qū)域而分別為或者高或者低。這由用于數(shù)據(jù)檢出目的的探測器994解釋為二進(jìn)制信號。
對于相變材料，復(fù)原介質(zhì)的表面狀態(tài)的擦除操作是必要的。通常，這需要對材料進(jìn)行低功率退火從而它一直低于熔化溫度。為了執(zhí)行這種操作，光源在功率降低模式但是高于讀取操作的功率操作。特定的相變材料會需要不同的光源條件用于重寫、寫入和讀取操作。所述不同方面可以是功率密度、加熱的持續(xù)時間和加熱點的尺寸。另外，可能需要寫前復(fù)原/擦除或者讀取前寫入。在這一方面，類似結(jié)構(gòu)的第二或者甚至第三諧振腔裝置可以集成在相同記錄頭中以提供不同的近場加熱條件。在圖9A、9B和9C中示出了寫后讀設(shè)置的例子，其中每個腔耦合到它自己的波導(dǎo)，并且寫入腔是讀取腔的上行道(uptrack)。
用于相變介質(zhì)盤讀取和寫入數(shù)據(jù)的方法可以通過僅使用一個諧振腔裝置簡化，并且借助于圖10A、10B和10C描述適合于在單個諧振腔中執(zhí)行寫入和讀取操作的記錄頭1000，其中圖10A是記錄頭1000的ABS表面的平面圖，圖10B是沿著圖10A的線10B-10B取的橫截面圖，而圖10C是圖10A的側(cè)視圖。如圖10A、10B和10C所示，記錄頭1000包括用于將數(shù)據(jù)寫入到諸如相變介質(zhì)盤的光盤的諧振腔裝置1002。諧振腔裝置1002包括光能諧振腔1004、波導(dǎo)1020和光能源1056。諧振光學(xué)腔1004可以由上面已經(jīng)描述的任何諧振腔404、504、604、704或者804構(gòu)成，并且光能從激光源1056到波導(dǎo)1020的第一端1096以及到諧振腔1004的耦合已經(jīng)在上面進(jìn)行了具體描述。如上所述利用來自諧振腔1004的能量將數(shù)據(jù)寫到光介質(zhì)。
為了執(zhí)行讀取操作，記錄頭1000也包括耦合到波導(dǎo)1020的第二端1098的光能探測器1094。合適的探測器可以是上面已經(jīng)描述的探測器994中的一個。耦合波導(dǎo)1020到探測器1094也可以如上對于探測器994所描述的那樣實現(xiàn)。類似地，“讀取”和“擦除”操作可以分別遵循上面對于裝置982和902所描述的方式。與用于“寫入”和“擦除”操作中的激光能量相比較，讀取操作中激光1056的能量減少了。
在圖11A、11B和11C中描述了另一個供選記錄頭1100，其中圖11A是記錄頭1100的ABS表面的平面圖，圖11B是沿著圖11A的線11B-11B取的橫截面圖，而圖11C是圖11A的側(cè)視圖。如圖11A、11B和11C所示，記錄頭1100包括兩個都耦合到了單個波導(dǎo)1120的諧振腔1104和1108。每一個腔1104和1108以在不同波長下諧振的不同尺寸形成。能夠調(diào)諧到兩個不同波長的激光光源1156耦合到波導(dǎo)1120。如上所述，當(dāng)激光源1156調(diào)諧到寫波長時，以合適的功率將光能耦合到諧振腔1104從而在光介質(zhì)上執(zhí)行寫操作。當(dāng)來自激光源1156的光能的波長調(diào)諧到諧振腔1108的波長時，較低功率下的光能耦合進(jìn)腔1108用于讀取操作，并且探測器1180耦合到波導(dǎo)1120的遠(yuǎn)端1184以提供二進(jìn)位數(shù)據(jù)信號。探測器1180可以類似于上述探測器994。
總之，本發(fā)明描述了在光盤諸如相變記錄介質(zhì)上的小局部區(qū)域(橫斷25納米量級)中產(chǎn)生大的光能場的機構(gòu)。本發(fā)明也描述了用于在近場中從小局部區(qū)域(25納米的量級)讀取數(shù)據(jù)的機構(gòu)、及其在用于具有每平方英寸1T比特存儲密度的光存儲的記錄中的應(yīng)用。本發(fā)明也包括取代傳統(tǒng)的圓形腔使用正方形、矩形或者多邊形腔。具有直線邊界的腔比具有曲線邊界的腔可以提供更好的耦合路徑，并且使用這種腔將獲得相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。
雖然參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)示出本發(fā)明并對其進(jìn)行了描述，但是可以理解本領(lǐng)域的技術(shù)人員基于本公開可以做出形式和細(xì)節(jié)上的修改。因此權(quán)利要求意圖覆蓋所有這樣的修改和變化，所述修改和調(diào)整仍然包括本發(fā)明的發(fā)明特征的真實精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光記錄頭，包括寫入頭部分和讀取頭部分，每一部分接近所述記錄頭的空氣支撐表面設(shè)置；所述寫入頭部分包括接近所述空氣支撐表面設(shè)置的光學(xué)諧振腔；且所述光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述光學(xué)諧振腔的光能的孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述讀取頭部分包括接近所述空氣支撐表面設(shè)置的第二光學(xué)諧振腔；且所述第二光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述第二光學(xué)諧振腔的光能的孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述光學(xué)諧振腔用于所述寫入頭部分和所述讀取頭部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括光能源和將來自所述光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔的光能傳輸裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光記錄頭，其中所述讀取頭部分進(jìn)一步包括光能源和將來自所述光能源的光能耦合到所述第二光學(xué)諧振腔的光能傳輸裝置、以及檢測來自所述光能傳輸裝置的光能的光探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光記錄頭，其中利用單個光能傳輸裝置將來自所述光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔和所述第二光學(xué)諧振腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光記錄頭，其中所述光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光記錄頭，其中所述光能源是可調(diào)激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光記錄頭，其中所述光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的波導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括第一光能源和將來自所述第一光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔的第一光能傳輸裝置，其中所述光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的第一波導(dǎo)，其中所述讀取頭部分包括靠近所述空氣支撐表面設(shè)置的第二光學(xué)諧振腔，所述第二光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述第二光學(xué)諧振腔的光能的孔；其中所述讀取頭部分進(jìn)一步包括第二光能源和將來自所述第二光能源的光能耦合到所述第二光學(xué)諧振腔的第二光能傳輸裝置、以及檢測來自所述第二光能傳輸裝置的光能的光探測器，且其中所述第二光能傳輸裝置包括靠近所述第二光學(xué)諧振腔設(shè)置的第二波導(dǎo)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述光學(xué)諧振腔包括設(shè)置在所述光學(xué)諧振腔中的柱。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光記錄頭，其中所述柱由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光記錄頭，其中所述柱由電介質(zhì)材料構(gòu)成，其涂覆有由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的材料構(gòu)成的金屬膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光記錄頭，其中所述柱設(shè)置在所述光學(xué)諧振腔中的光能諧振波腹處。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中與所述光學(xué)諧振腔中的光能波長相比所述孔形成為具有亞波長尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述光學(xué)諧振腔由比鄰近的外部材料具有相對較高折射率的材料構(gòu)成，并且所述孔由折射率不同于腔材料折射率的材料構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中設(shè)定所述光學(xué)諧振腔的大小從而允許所述腔中的WGM諧振模式。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述光學(xué)諧振腔的大小設(shè)定為允許WGM諧振模式，并且所述光學(xué)諧振腔包括設(shè)置在波腹處且平行于所述腔的中心軸的柱，并且所述柱由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的光記錄頭，其中所述柱由電介質(zhì)材料構(gòu)成，其涂覆有由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的材料構(gòu)成的金屬膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光記錄頭，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括設(shè)置在所述光學(xué)諧振腔和所述空氣支撐表面之間的近場孔。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的光記錄頭，其中所述近場孔包括與所述光學(xué)諧振腔的所述孔軸向地對準(zhǔn)的開口。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光記錄頭，其中所述近場孔形成為由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成的薄膜。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的光記錄頭，其中所述開口形成為C或H形。
24.一種光驅(qū)動器，包括至少一個制造為用于在光驅(qū)動器上旋轉(zhuǎn)運動的光盤，所述光盤有設(shè)置在其上的熱敏光記錄介質(zhì)層；至少一個適于飛行在所述光盤上面用于將數(shù)據(jù)寫在所述光盤上的記錄頭，所述記錄頭包括寫入頭部分和讀取頭部分，每一部分接近所述記錄頭的空氣支撐表面設(shè)置；所述寫入頭部分包括接近所述空氣支撐表面設(shè)置的光學(xué)諧振腔；且所述光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述光學(xué)諧振腔的光能的孔。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述讀取頭部分包括接近所述空氣支撐表面設(shè)置的第二光學(xué)諧振腔；且所述第二光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述第二光學(xué)諧振腔的光能的孔。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述光學(xué)諧振腔用于所述寫入頭部分和所述讀取頭部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括光能源和將來自所述光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔的光能傳輸裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光驅(qū)動器，其中所述讀取頭部分進(jìn)一步包括光能源和將來自所述光能源的光能耦合到所述第二光學(xué)諧振腔的光能傳輸裝置、以及檢測來自所述光能傳輸裝置的光能的光探測器。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光驅(qū)動器，其中利用單個光能傳輸裝置將來自所述光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔和所述第二光學(xué)諧振腔。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的光驅(qū)動器，其中所述光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的波導(dǎo)。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的光驅(qū)動器，其中所述光能源是可調(diào)激光器。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的光驅(qū)動器，其中光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的波導(dǎo)。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括第一光能源和將來自所述第一光能源的光能耦合到所述光學(xué)諧振腔的第一光能傳輸裝置，其中所述光能傳輸裝置包括靠近所述光學(xué)諧振腔設(shè)置的第一波導(dǎo)，其中所述讀取頭部分包括靠近所述空氣支撐表面設(shè)置的第二光學(xué)諧振腔，所述第二光學(xué)諧振腔包括用于通常垂直于所述空氣支撐表面導(dǎo)引來自所述第二光學(xué)諧振腔的光能的孔；其中所述讀取頭部分進(jìn)一步包括第二光能源和將來自所述第二光能源的光能耦合到所述第二光學(xué)諧振腔的第二光能傳輸裝置、以及檢測來自所述第二光能傳輸裝置的光能的光探測器，且其中所述第二光能傳輸裝置包括靠近所述第二光學(xué)諧振腔設(shè)置的第二波導(dǎo)。
34.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述諧振腔包括設(shè)置在所述諧振腔中的柱。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光驅(qū)動器，其中所述柱由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光驅(qū)動器，其中所述柱由電介質(zhì)材料構(gòu)成，其涂覆有由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的材料構(gòu)成的金屬薄膜。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的光驅(qū)動器，其中所述柱設(shè)置在所述光學(xué)諧振腔中的光能諧振波腹處。
38.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中與所述光學(xué)諧振腔中的光能波長相比所述孔形成為具有亞波長尺寸。
39.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述光學(xué)諧振腔由比鄰近的外部材料具有相對較高折射率的材料構(gòu)成，并且所述孔由折射率不同于腔材料折射率的材料構(gòu)成。
40.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中設(shè)定所述光學(xué)諧振腔的大小從而允許所述腔中的WGM諧振模式。
41.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述光學(xué)諧振腔的大小設(shè)定為允許WGM諧振模式，并且所述光學(xué)諧振腔包括設(shè)置在波腹處且及平行于所述腔的中心軸的柱，并且所述柱由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的光驅(qū)動器，其中所述柱由電介質(zhì)材料構(gòu)成，其涂覆有由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的材料構(gòu)成的金屬薄膜。
43.根據(jù)權(quán)利要求24所述的光驅(qū)動器，其中所述寫入頭部分進(jìn)一步包括設(shè)置在所述光學(xué)諧振腔和所述空氣支撐表面之間的近場孔。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的光驅(qū)動器，其中所述近場孔包括與所述光學(xué)諧振腔的所述孔軸向地對準(zhǔn)的開口。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的光驅(qū)動器，其中所述近場孔形成為由諸如銀、金、鋁、銠、鉑和鉻的金屬構(gòu)成的薄膜。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的光驅(qū)動器，其中所述開口形成為C或H形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光記錄頭，包括介質(zhì)加熱裝置以在熱敏光介質(zhì)盤上寫入數(shù)據(jù)和從其讀取數(shù)據(jù)。該介質(zhì)加熱裝置包括產(chǎn)生亞波長尺寸的高強度近場光點的光能諧振腔。光能通過靠近腔設(shè)置的波導(dǎo)耦合進(jìn)入諧振腔，并且光能通過靠近腔中的波腹或者柱設(shè)置的孔耦合到腔之外。在從光介質(zhì)讀取數(shù)據(jù)期間，將光探測器設(shè)置在波導(dǎo)的末端。從波導(dǎo)的末端發(fā)出的光能受到介質(zhì)數(shù)據(jù)位的反射性的影響，并且被解釋為數(shù)據(jù)位信號。
文檔編號G11B7/135GK1811929SQ200510126979
公開日2006年8月2日 申請日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月24日
發(fā)明者潘志程, 蒂莫西·C·斯特蘭德 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司