專利名稱：波導近場光記錄讀寫頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種波導近場光記錄讀寫頭，根據記錄載體和傳感器之間相對運動完成信息存儲，用光學方法進行讀寫。
美國專利US5689480(公告日1997年11月18日)利用硅片上刻出的十字形槽構成波導，槽內表面為金屬反射層，槽內為空氣或高折射率物質。該技術方案可得到較高的記錄密度，但存在的缺點一是光源與波導分離，采用機電系統跟蹤聚焦實現波導的動態(tài)耦合，使得光學讀寫頭質量大，尋道速度難以提高；二是采用十字形波導雖然可以得到較小記錄光斑，但在信號探測過程中，十字形波導會引入道間串擾和碼間干擾，這都會降低記錄密度。實際上十字形波導提高記錄密度的幅度十分有限。
美國專利US5199090(告出日1993年3月30日)提供了一種在磁光介質上記錄和讀取記錄的磁光讀寫頭。該裝置由一個浮動塊以及位于浮動塊上的光波導結構、光源和探測器，再加一個電磁線圈組成。其波導結構包括一個平面波導、一個準直物鏡和衍射物鏡；半導體激光器與波導結構采用直接集成方式耦合。從光源發(fā)出的光束經準直物鏡進入平面波導，再經衍射透鏡聚焦后作用于記錄介質上。該發(fā)明利用平面波導和衍射透鏡聚焦來獲得極小斑點，斑點一個方向的尺寸由平面波導厚度決定，可以較??；另一個方向的尺寸由衍射透鏡的數值孔徑(N.A.)決定，由于衍射透鏡N.A.值較小，該方向上的光斑尺寸較大，光斑尺寸僅在平面波導方向較小。因此，該方案不能將光斑面積縮到足夠小，光斑尺寸在100納米以上，可以提高記錄密度的潛力有限。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠進一步縮小光斑尺寸并且質量小的波導近場光記錄讀寫裝置，從而提高記錄密度和尋道速度。為實現這一目的，本發(fā)明專門設計波導的形狀和結構，并將半導體激光器與波導直接耦合或組裝耦合。
實現本發(fā)明目的的波導近場光記錄讀寫頭，包括受光器件、浮動塊、半導體激光器和無源波導；半導體激光器與無源波導相耦合，無源波導出光端位于浮動塊的最低點，其特征是
(1)所述無源波導為錐形無源波導、其橫截面斜邊形狀可以為直線段、折線段或曲線，它與半導體激光器耦合形成錐形無源波導集成器件，該錐形無源波導集成器件的出光端口截面面積小于錐形無源波導集成器件中半導體激光器后端面的截面面積；(2)錐形無源波導的芯層為高折射率材料，包層為低折射率材料，芯層材料和包層材料的折射率差≥0.5。
上述波導近場光記錄讀寫頭，所述的半導體激光器可以是一個T形F-P(法布里-珀羅)腔半導體激光器，其出光端部為T形，出光端部T形橫面鍍有反射膜、僅在中間部分出光，其余結構與普通短波長半導體激光器相同，所述錐形無源波導與T形F-P腔半導體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細制造技術組裝耦合。
上述波導近場光記錄讀寫頭，所述半導體激光器也可以是一個分布反饋式半導體激光器，所述錐形無源波導與分布反饋式半導體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細制造技術組裝耦合。
前述幾種情況的波導近場光記錄讀寫頭，所述的受光器件可以包括衍射透鏡、反射棱鏡和光信號檢測元件，衍射透鏡位于浮動塊上，反射棱鏡位于取數臂上與衍射透鏡對應端，光信號檢測元件位于取數臂上與反射棱鏡相對的一端，此時對應的記錄介質為磁光或相變介質。
前述幾種情況的波導近場光記錄讀寫頭，所述的受光器件也可以僅由位于浮動塊上的光信號檢測元件構成，此時對應的記錄介質應為相變介質。
本發(fā)明提供的波導近場光記錄讀寫頭由于錐形無源波導集成器件的出光端口截面面積小于錐形無源波導集成器件中半導體激光器后端面的截面面積，錐形波導芯層材料與包層材料的折射率之差足夠大，光斑尺寸得以進一步縮小，可達到幾十納米，大大提高了光記錄讀寫頭的記錄密度；錐形無源波導集成器件中錐形無源波導與半導體激光器直接集成耦合或利用微細制造技術組裝耦合，減小讀寫頭的質量，可提高尋道速度。


圖1為本發(fā)明波導近場光記錄讀寫頭的俯視圖；圖2為圖1沿E-E剖面的剖視圖；圖3為利用T形F-P腔半導體激光器與錐形無源波導在同一基片上直接集成耦合形成的錐形無源波導集成器件；圖4為圖3沿A-A向的剖視圖；圖5為圖4沿B-B向的剖視圖；圖6為利用分布反饋式半導體激光器與錐形無源波導在同一基片上直接集成耦合形成的錐形無源波導集成器件；圖7為圖6沿C-C向的剖視圖；圖8-1、圖8-2、圖8-3均為圖7沿D-D向剖視圖，它們分別表示錐形無源波導的三種不同形狀。
圖9為一種由圖1和圖2所示的波導近場光記錄讀寫頭構成的光記錄系統。
圖10為另一種由圖1和圖2所示的波導近場光記錄讀寫頭構成的光記錄系統。
以下結合附圖進一步描述本發(fā)明的實施狀態(tài)。從圖1和圖2中可看出，受光器件1接受通過記錄介質5傳遞的光信號，錐形無源波導3和半導體激光器4耦合，無源波導3的出光端位于浮動塊2的最低點，可對記錄介質5寫入光信號。
在圖3-圖7以及圖8-1、8-2、8-3中所示的錐形無源波導集成器件，可以采取以下方法制作而成。
1．采取過渡生長工藝或者選擇性腐蝕工藝制作錐形波導。
(1)過渡生長工藝在n-GaAs或Si襯底7上先沉積并光刻出窄條形低折射率材料8，該材料可以是MgF2，折射率n=1.38；再在襯底上生長高折射率材料9，如GaP薄膜，n=3.4；或ZnS薄膜，n=2.35；或AlGaInP薄膜，n=3.3。由過渡生長過程可以在低折射率材料8的窄條上覆蓋高折射率薄膜9，再利用光刻工藝，去掉窄條外的高折射率材料，然后再在襯底和高折射率材料窄條之上沉積低折射率材料8，得到大折射率差的波導。
(2)選擇性腐蝕工藝先在高折射率材料層9和襯底7之間生長一層選擇性腐蝕層，然后腐蝕掉中間層，最后再沉積低折射率材料8。
圖8-1、圖8-2、圖8-3列舉了錐形波導橫裁面的幾種形狀，錐形波導出光端口3-1截面面積小于半導體激光器后端面4-1的裁面面積。如圖8-1所示，當選用λ為680nm的半導體激光器時，錐形波導出光端寬度90nm，半導體激光器后端面寬度180nm，芯層材料為ALGaInP，包層材料MgF2，錐形波導長度3.4μm。
2．錐形波導3與半導體激光器耦合形成錐形波導集成器件。
(1)T形F-P腔半導體激光器與錐形波導3耦合。見圖3-圖5，當半導體激光器4選用T形F-P腔半導體激光器時，在襯底7上制備的錐形波導可以與該半導體激光器直接集成，除橫截面形狀外，該激光器的結構與普通F-P腔短波長半導體激光器基本相同，包括n-金屬電極10,P金屬電極11，脊形波導12可采用P-GaAs，電流阻擋層13為P-GaInP,P-限制層14材料為P-ALGaInP，有源層15GaInP,n-限制層16為n-ALGaInP。T形F-P腔激光器其出光端部為T形，出光端部T形橫面4-2鍍有反射膜。
(2)也可選用DFB(分布反饋式)半導體激光器與錐形波導3耦合。見圖6、圖7、圖8-1、圖8-2、圖8-3。在這幾張附圖中，各部分標號及說明與前述說明相同，僅僅將半導體激光器4改為DFB半導體激光器，圖7中，17為DFB半導體激光器的反饋光柵。
本發(fā)明中的波導近場光記錄讀寫頭能以多種方式構成光記錄系統。下面是二種結構簡單、實用化程度高的構成方式。
在圖9所示的光記錄系統中，波導近場光記錄讀寫頭中的受光器件1包括一個衍射透鏡18、一個反射棱鏡19和一個光信號檢測元件20。將二個波導近場光記錄讀寫頭按圖9所示對應安裝在光記錄系統中，錐形波導3的出光端口與記錄介質5的表面之間的距離在近場光范圍之內。錐形波導3或3′的出光端口對準另一方的衍射透鏡18′或18。音圈電機22為光學頭徑向尋道驅動電機，半導體激光器4產生激光束進入錐形波導3，錐形波導3利用大折射率差將進入的激光束光斑減到足夠小，光點作用到記錄介質5上面，并通過對面浮動塊2′的衍射透鏡18′將光點變成平行光出射，再利用取數臂21上的反射棱鏡19將光反射回光信號檢測元件20，以實現光記錄介質的讀寫功能。其對面的另一波導近場光記錄讀寫頭工作原理與此相同。這種光記錄系統中的記錄介質5可以是磁光介質或相變介質。
當記錄介質為相變介質時，波導近場光記錄讀寫頭可以構成如圖10所示的光記錄系統。波導近場光記錄讀寫頭中的受光器件僅包括一個位于浮動塊2上的光信號檢測元件6。這種光記錄系統的構成方式與工作原理與圖9相同，只是將一方錐形波導3或3′出射到記錄介質5上的光點，直接進入另一面的光信號檢測元件20′或20，完成其讀寫功能。
權利要求
1．一種波導近場光記錄讀寫頭，包括受光器件、浮動塊、半導體激光器和無源波導；半導體激光器與無源波導相耦合，無源波導出光端位于浮動塊的最低點，其特征是(1)所述無源波導為錐形無源波導、其橫截面斜邊形狀可以為直線段、折線段或曲線，它與半導體激光器耦合形成錐形無源波導集成器件，該錐形無源波導集成器件的出光端口截面面積小于錐形無源波導集成器件中半導體激光器后端面的截面面積；(2)錐形無源波導的芯層為高折射率材料，包層為低折射率材料，芯層材料和包層材料的折射率差≥0.5。
2．如權利要求1所述的波導近場光記錄讀寫頭，其特征在于所述半導體激光器是一個T形F-P腔半導體激光器，其出光端部為T形，出光端部T形橫面鍍有反射膜，僅在中間部分出光，其余結構與普通短波長半導體激光器相同，所述錐形無源波導與T形F-P腔半導體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細制造技術組裝耦合。
3．如權利要求1所述的波導近場光記錄讀寫頭，其特征在于所述半導體激光器是一個分布反饋式半導體激光器，所述錐形無源波導與分布反饋式半導體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細制造技術組裝耦合。
4．如權利要求1、2或3所述的波導近場光記錄讀寫頭，其特征在于所述受光器件包括衍射透鏡、反射棱鏡和光信號檢測元件，衍射透鏡位于浮動塊上，反射棱鏡位于取數臂上與衍射透鏡對應端，光信號檢測元件位于取數臂上與反射棱鏡相對的一端。
5．如權利要求1、2或3所述的波導近場光記錄讀寫頭，其特征在于所述受光器件僅由位于浮動塊上的光信號檢測元件構成，此時對應的記錄介質應為相變介質。
全文摘要
波導近場光記錄讀寫頭,包括受光器件、浮動塊、半導體激光器及與之相耦合的錐形無源波導,錐形無源波導出光端位于浮動塊最低點、出光端口截面積小于半導休激光器后端面的截面積;錐形無源波導芯層為高折射率材料,包層為低折疊率材料,折射率差≥0.5,半導體激光器可采用T形F－P腔半導體激光器,也可選用DFB半導體激光器。本發(fā)明可將光斑尺寸縮小至幾十納米,極大提高了光記錄的密度并可提高尋道速度。
文檔編號G11B7/22GK1225488SQ9911633
公開日1999年8月11日 申請日期1999年2月1日 優(yōu)先權日1999年2月1日
發(fā)明者裴先登, 黃 俊, 謝長生, 黃浩 申請人:華中理工大學