專利名稱：波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，根據(jù)記錄載體和傳感器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成信息存儲(chǔ)，用光學(xué)方法進(jìn)行讀寫(xiě)。
美國(guó)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(gòu)成波導(dǎo)，槽內(nèi)表面為金屬反射層，槽內(nèi)為空氣或高折射率物質(zhì)。該技術(shù)方案可得到較高的記錄密度，但存在的缺點(diǎn)一是光源與波導(dǎo)分離，采用機(jī)電系統(tǒng)跟蹤聚焦實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的動(dòng)態(tài)耦合，使得光學(xué)讀寫(xiě)頭質(zhì)量大，尋道速度難以提高；二是采用十字形波導(dǎo)雖然可以得到較小記錄光斑，但在信號(hào)探測(cè)過(guò)程中，十字形波導(dǎo)會(huì)引入道間串?dāng)_和碼間干擾，這都會(huì)降低記錄密度。實(shí)際上十字形波導(dǎo)提高記錄密度的幅度十分有限。
美國(guó)專利US5199090(告出日1993年3月30日)提供了一種在磁光介質(zhì)上記錄和讀取記錄的磁光讀寫(xiě)頭。該裝置由一個(gè)浮動(dòng)塊以及位于浮動(dòng)塊上的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光源和探測(cè)器，再加一個(gè)電磁線圈組成。其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)平面波導(dǎo)、一個(gè)準(zhǔn)直物鏡和衍射物鏡；半導(dǎo)體激光器與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)采用直接集成方式耦合。從光源發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡進(jìn)入平面波導(dǎo)，再經(jīng)衍射透鏡聚焦后作用于記錄介質(zhì)上。該發(fā)明利用平面波導(dǎo)和衍射透鏡聚焦來(lái)獲得極小斑點(diǎn)，斑點(diǎn)一個(gè)方向的尺寸由平面波導(dǎo)厚度決定，可以較?。涣硪粋€(gè)方向的尺寸由衍射透鏡的數(shù)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(dǎo)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(jìn)一步縮小光斑尺寸并且質(zhì)量小的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)裝置，從而提高記錄密度和尋道速度。為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明專門(mén)設(shè)計(jì)波導(dǎo)的形狀和結(jié)構(gòu)，并將半導(dǎo)體激光器與波導(dǎo)直接耦合或組裝耦合。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，包括受光器件、浮動(dòng)塊、半導(dǎo)體激光器和無(wú)源波導(dǎo)；半導(dǎo)體激光器與無(wú)源波導(dǎo)相耦合，無(wú)源波導(dǎo)出光端位于浮動(dòng)塊的最低點(diǎn)，其特征是
(1)所述無(wú)源波導(dǎo)為錐形無(wú)源波導(dǎo)、其橫截面斜邊形狀可以為直線段、折線段或曲線，它與半導(dǎo)體激光器耦合形成錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件，該錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件的出光端口截面面積小于錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件中半導(dǎo)體激光器后端面的截面面積；(2)錐形無(wú)源波導(dǎo)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(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，所述的半導(dǎo)體激光器可以是一個(gè)T形F-P(法布里-珀羅)腔半導(dǎo)體激光器，其出光端部為T(mén)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(jié)構(gòu)與普通短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器相同，所述錐形無(wú)源波導(dǎo)與T形F-P腔半導(dǎo)體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細(xì)制造技術(shù)組裝耦合。
上述波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，所述半導(dǎo)體激光器也可以是一個(gè)分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述錐形無(wú)源波導(dǎo)與分布反饋式半導(dǎo)體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細(xì)制造技術(shù)組裝耦合。
前述幾種情況的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，所述的受光器件可以包括衍射透鏡、反射棱鏡和光信號(hào)檢測(cè)元件，衍射透鏡位于浮動(dòng)塊上，反射棱鏡位于取數(shù)臂上與衍射透鏡對(duì)應(yīng)端，光信號(hào)檢測(cè)元件位于取數(shù)臂上與反射棱鏡相對(duì)的一端，此時(shí)對(duì)應(yīng)的記錄介質(zhì)為磁光或相變介質(zhì)。
前述幾種情況的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，所述的受光器件也可以僅由位于浮動(dòng)塊上的光信號(hào)檢測(cè)元件構(gòu)成，此時(shí)對(duì)應(yīng)的記錄介質(zhì)應(yīng)為相變介質(zhì)。
本發(fā)明提供的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭由于錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件的出光端口截面面積小于錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件中半導(dǎo)體激光器后端面的截面面積，錐形波導(dǎo)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(jìn)一步縮小，可達(dá)到幾十納米，大大提高了光記錄讀寫(xiě)頭的記錄密度；錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件中錐形無(wú)源波導(dǎo)與半導(dǎo)體激光器直接集成耦合或利用微細(xì)制造技術(shù)組裝耦合，減小讀寫(xiě)頭的質(zhì)量，可提高尋道速度。


圖1為本發(fā)明波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)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(dǎo)體激光器與錐形無(wú)源波導(dǎo)在同一基片上直接集成耦合形成的錐形無(wú)源波導(dǎo)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(dǎo)體激光器與錐形無(wú)源波導(dǎo)在同一基片上直接集成耦合形成的錐形無(wú)源波導(dǎo)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(wú)源波導(dǎo)的三種不同形狀。
圖9為一種由圖1和圖2所示的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭構(gòu)成的光記錄系統(tǒng)。
圖10為另一種由圖1和圖2所示的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭構(gòu)成的光記錄系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的實(shí)施狀態(tài)。從圖1和圖2中可看出，受光器件1接受通過(guò)記錄介質(zhì)5傳遞的光信號(hào)，錐形無(wú)源波導(dǎo)3和半導(dǎo)體激光器4耦合，無(wú)源波導(dǎo)3的出光端位于浮動(dòng)塊2的最低點(diǎn)，可對(duì)記錄介質(zhì)5寫(xiě)入光信號(hào)。
在圖3-圖7以及圖8-1、8-2、8-3中所示的錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件，可以采取以下方法制作而成。
1．采取過(guò)渡生長(zhǎng)工藝或者選擇性腐蝕工藝制作錐形波導(dǎo)。
(1)過(guò)渡生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)渡生長(zhǎng)過(guò)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(dǎo)。
(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(zhǎng)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(dǎo)橫裁面的幾種形狀，錐形波導(dǎo)出光端口3-1截面面積小于半導(dǎo)體激光器后端面4-1的裁面面積。如圖8-1所示，當(dāng)選用λ為680nm的半導(dǎo)體激光器時(shí)，錐形波導(dǎo)出光端寬度90nm，半導(dǎo)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(dǎo)長(zhǎng)度3.4μm。
2．錐形波導(dǎo)3與半導(dǎo)體激光器耦合形成錐形波導(dǎo)集成器件。
(1)T形F-P腔半導(dǎo)體激光器與錐形波導(dǎo)3耦合。見(jiàn)圖3-圖5，當(dāng)半導(dǎo)體激光器4選用T形F-P腔半導(dǎo)體激光器時(shí)，在襯底7上制備的錐形波導(dǎo)可以與該半導(dǎo)體激光器直接集成，除橫截面形狀外，該激光器的結(jié)構(gòu)與普通F-P腔短波長(zhǎng)半導(dǎo)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(dǎo)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(mén)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(dǎo)體激光器與錐形波導(dǎo)3耦合。見(jiàn)圖6、圖7、圖8-1、圖8-2、圖8-3。在這幾張附圖中，各部分標(biāo)號(hào)及說(shuō)明與前述說(shuō)明相同，僅僅將半導(dǎo)體激光器4改為DFB半導(dǎo)體激光器，圖7中，17為DFB半導(dǎo)體激光器的反饋光柵。
本發(fā)明中的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭能以多種方式構(gòu)成光記錄系統(tǒng)。下面是二種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用化程度高的構(gòu)成方式。
在圖9所示的光記錄系統(tǒng)中，波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭中的受光器件1包括一個(gè)衍射透鏡18、一個(gè)反射棱鏡19和一個(gè)光信號(hào)檢測(cè)元件20。將二個(gè)波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭按圖9所示對(duì)應(yīng)安裝在光記錄系統(tǒng)中，錐形波導(dǎo)3的出光端口與記錄介質(zhì)5的表面之間的距離在近場(chǎng)光范圍之內(nèi)。錐形波導(dǎo)3或3′的出光端口對(duì)準(zhǔn)另一方的衍射透鏡18′或18。音圈電機(jī)22為光學(xué)頭徑向?qū)さ莉?qū)動(dòng)電機(jī)，半導(dǎo)體激光器4產(chǎn)生激光束進(jìn)入錐形波導(dǎo)3，錐形波導(dǎo)3利用大折射率差將進(jìn)入的激光束光斑減到足夠小，光點(diǎn)作用到記錄介質(zhì)5上面，并通過(guò)對(duì)面浮動(dòng)塊2′的衍射透鏡18′將光點(diǎn)變成平行光出射，再利用取數(shù)臂21上的反射棱鏡19將光反射回光信號(hào)檢測(cè)元件20，以實(shí)現(xiàn)光記錄介質(zhì)的讀寫(xiě)功能。其對(duì)面的另一波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭工作原理與此相同。這種光記錄系統(tǒng)中的記錄介質(zhì)5可以是磁光介質(zhì)或相變介質(zhì)。
當(dāng)記錄介質(zhì)為相變介質(zhì)時(shí)，波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭可以構(gòu)成如圖10所示的光記錄系統(tǒng)。波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭中的受光器件僅包括一個(gè)位于浮動(dòng)塊2上的光信號(hào)檢測(cè)元件6。這種光記錄系統(tǒng)的構(gòu)成方式與工作原理與圖9相同，只是將一方錐形波導(dǎo)3或3′出射到記錄介質(zhì)5上的光點(diǎn)，直接進(jìn)入另一面的光信號(hào)檢測(cè)元件20′或20，完成其讀寫(xiě)功能。
權(quán)利要求
1．一種波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，包括受光器件、浮動(dòng)塊、半導(dǎo)體激光器和無(wú)源波導(dǎo)；半導(dǎo)體激光器與無(wú)源波導(dǎo)相耦合，無(wú)源波導(dǎo)出光端位于浮動(dòng)塊的最低點(diǎn)，其特征是(1)所述無(wú)源波導(dǎo)為錐形無(wú)源波導(dǎo)、其橫截面斜邊形狀可以為直線段、折線段或曲線，它與半導(dǎo)體激光器耦合形成錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件，該錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件的出光端口截面面積小于錐形無(wú)源波導(dǎo)集成器件中半導(dǎo)體激光器后端面的截面面積；(2)錐形無(wú)源波導(dǎo)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(quán)利要求1所述的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器是一個(gè)T形F-P腔半導(dǎo)體激光器，其出光端部為T(mén)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(jié)構(gòu)與普通短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器相同，所述錐形無(wú)源波導(dǎo)與T形F-P腔半導(dǎo)體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細(xì)制造技術(shù)組裝耦合。
3．如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器是一個(gè)分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述錐形無(wú)源波導(dǎo)與分布反饋式半導(dǎo)體激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微細(xì)制造技術(shù)組裝耦合。
4．如權(quán)利要求1、2或3所述的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)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(hào)檢測(cè)元件，衍射透鏡位于浮動(dòng)塊上，反射棱鏡位于取數(shù)臂上與衍射透鏡對(duì)應(yīng)端，光信號(hào)檢測(cè)元件位于取數(shù)臂上與反射棱鏡相對(duì)的一端。
5．如權(quán)利要求1、2或3所述的波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭，其特征在于所述受光器件僅由位于浮動(dòng)塊上的光信號(hào)檢測(cè)元件構(gòu)成，此時(shí)對(duì)應(yīng)的記錄介質(zhì)應(yīng)為相變介質(zhì)。
全文摘要
波導(dǎo)近場(chǎng)光記錄讀寫(xiě)頭,包括受光器件、浮動(dòng)塊、半導(dǎo)體激光器及與之相耦合的錐形無(wú)源波導(dǎo),錐形無(wú)源波導(dǎo)出光端位于浮動(dòng)塊最低點(diǎn)、出光端口截面積小于半導(dǎo)休激光器后端面的截面積;錐形無(wú)源波導(dǎo)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(dǎo)體激光器可采用T形F－P腔半導(dǎo)體激光器,也可選用DFB半導(dǎo)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(hào)G11B7/22GK1225488SQ9911633
公開(kāi)日1999年8月11日 申請(qǐng)日期1999年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月1日
發(fā)明者裴先登, 黃 俊, 謝長(zhǎng)生, 黃浩 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)