WO1996027880A1 - Tete optique a champ de proximite stratifiee et dispositif d'enregistrement et de reproduction d'informations optiques - Google Patents

Tete optique a champ de proximite stratifiee et dispositif d'enregistrement et de reproduction d'informations optiques Download PDF

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light
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optical
light head
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Kenchi Ito
Toshimichi Shintani
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Hitachi, Ltd.
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    • G11B7/09—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers with provision for moving the light beam or focus plane for the purpose of maintaining alignment of the light beam relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following
    • G11B7/0943—Methods and circuits for performing mathematical operations on individual detector segment outputs

Definitions

  • the present invention relates to an optical disk device and an optical information processing device using the same.
  • Optical disk devices have attracted attention as large-capacity interchangeable media.
  • the recording density has become almost the same as 1 gigabit square inch, and due to the difference in the speed of the increase in the capacity, the recording density has been increasing in recent years. In this regard, it is certain that the magnetic disk drives will overtake them.
  • the size of a recording mark in an optical disk device is approximately expressed by Equation 2.
  • the signal level is low.
  • the detection power is extremely small, only about 100 nW, which is a level that can be used for optical disc devices.
  • a Nd-doped fiber laser was used to apply a 45 mW input to the gold reflector. Output of 3 mW
  • the use of a fiber laser, which has been successful, has a problem in that the resonance frequency is as low as 92 kHz and high-speed information transfer is not possible.
  • the conventional optical system can be used as it is for parts other than the SIL, and the reproduction signal and servo signal detection method can be the same as the conventional method.
  • the basic performance such as signal level and transfer speed is different.
  • the spherical S 1 L 21 must be placed very close to the medium, first of all, it is difficult to align the objective lens 22 with the SIL 21 There is a problem that.
  • SIL has a very small diameter of 0.3 mm, so there is a problem with its mounting method.
  • the SIL needs to be installed very close to the optical recording medium 23 with a distance of about 100 nm, and the conventional focusing / servo method cannot be used. Therefore, there is a problem that a driving mechanism that does not require a focusing 'servo' is required.
  • the present invention has the following means.
  • a substrate a semiconductor laser formed on or in the substrate, or in close contact with the substrate, a lens for emitting light emitted from the semiconductor laser, and a semiconductor laser for the lens.
  • a branching means for branching light conjugated to the condensed light incident from the opposite side to a position different from the semiconductor laser, and a photodetector for receiving the light branched by the branching means.
  • the lens is composed of at least two or more lenses and a high refractive index material in which the lens is embedded, and a maximum value of an angle between a light beam condensed by the lens and an optical axis is formed.
  • the lens system is designed to be larger than the angle of total reflection at the interface between the high refractive material and air.
  • the light lens is sent by a grating lens.
  • the gap between the cavity mirror of the light head of the semiconductor laser and the optical lens is filled with a transparent material to form an integral structure.
  • a meta-luminescence type semiconductor laser in which a resonator is formed in a direction perpendicular to a substrate as a body laser.
  • the aperture of the light lens of the light head is set to 1 mm or less. Still further, in the light head, a ceramic crotch is loaded on a side of the light emitting side.
  • the optical head when the maximum value of the light beam and the optical axis formed by the anterior lens is 0 max, the wavelength of the resting laser is ⁇ , and the refractive index of the high refractive index material is ⁇ ,
  • the optical recording medium is placed within a range of the distance d shown by the equation 1 from the high refractive material.
  • the optical head is mounted on a flying slider.
  • the light head itself is used as a flying slider.
  • an optical information recording / reproducing device including the above-mentioned optical head, a flying slider, and an optical information recording medium is configured. Further, the optical recording medium, a laminated near-field optical head, and the optical head are provided. And the housing that encloses them inside and shuts off the outside air so that they can be removed together.
  • a substrate a semiconductor laser formed on or in the substrate, or in close contact with the substrate; a lens for condensing light emitted from the semiconductor laser; and a semiconductor laser for the lens.
  • a light constituted by a branching means for branching light conjugated to the condensed light incident from the opposite side to a position different from the semiconductor laser, and a photodetector for receiving the light branched by the branching means.
  • the lens is composed of at least two or more lenses and a high-refractive-index material in which the lens is embedded, and the maximum value of the angle between the light beam condensed by the lens and the optical axis is as follows:
  • the gap between the cavity mirror of the light head on the emission side of the semiconductor laser and the Jie optical lens is filled with a transparent material to form an integral structure.
  • a surface emitting type semiconductor laser in which a resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate as the semiconductor laser, all the optical components are placed on the substrate on which the semiconductor laser is formed. By forming them all at once, the alignment of all optical components is not required, and the size of the optical head can be significantly reduced.
  • the processing error and adjustment error of the lens due to aberrations are greatly reduced, and it is possible to use a grating lens especially.
  • the light axis formed by the light beam emitted by the lens When the maximum value is 0 max, the wavelength of the semiconductor laser is I, and the refractive index of the high-refractive-index material is n, the optical recording medium is placed within a distance d from the high-refractive-index material as represented by Formula 1.
  • the transmission efficiency of evanescent light can be increased, and a smaller light spot can be obtained.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram comparing the operation of the lens system used in the present invention with that of the conventional SIL.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows an example of a diffraction grating for generating defocus and track deviation signals.
  • FIG. 5 is a diagram showing a defocus signal.
  • FIG. 6 is a diagram showing a circuit for generating a defocus and track deviation signal.
  • FIG. 7 is a diagram showing a signal detection circuit for magneto-optical detection.
  • FIG. 8 is a view showing a positioning and access mechanism system of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of a drive device equipped with an optical head and a mechanical system according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
  • Laser light emitted from the surface emitting laser 1 enters the filling layer 2, is collimated by the collimating lens 11, and passes through the grating element 3 made of another material having a different refractive index. This causes some light to be diffracted, but this is unnecessary.
  • the light transmitted through the grating is diffracted by the first and second grating lenses 4 and 5, and then collected by the third grating lens 6.
  • the maximum angle 0 maX between the optical axis and the condensed light is larger than the total reflection angle at the end face of the cover # 7.
  • the end of the force bar 17 is set at the focal position ⁇ of the lens system.
  • the optical recording medium 8 when the optical recording medium 8 is arranged in the near field region slightly distant from the end of the cover flexure 7, not only the light incident at an angle of less than total reflection pj c but also the light of Light incident at an angle Partial penetration, effectively increasing NA and narrowing down to smaller spot 9.
  • the reflected light from the optical recording medium 8 passes through the lens systems 4, 5, and 6 again, is diffracted by the grating element 3, and is condensed on a photodiode 10 provided adjacent to the surface emitting laser 1.
  • the reproduced signal and the servo signal are detected.
  • FIG. 2 (b) compares the operation of the present embodiment with that of the conventional SIL shown in FIG. 2 (a).
  • the SIL 21 is installed near the focal point of the objective lens 22.
  • S I L 21 be the refractive index n and the radius be r.
  • the lower portion of SIL 21 is polished and dropped from the center to a position of length r, and the center of SIL 21 is set at a position nr from the focal position of objective lens 22. At this time, the condensed light is refracted on the SIL surface and condensed on one point of the polished surface 23.
  • the first grating lens changes a plane wave to a spherical wave
  • its focal length is fl
  • the refractive index of the cover layer 6 is n1
  • the period of the m-th groove from the center is approximately Represented by 4.
  • the minimum period of the lens groove is 890 nm. This is a period that can be produced by a normal lithography process.
  • the distance between the second grating lens and the first grating lens is a_, and the focal length of the two lens systems of the first and second grating lenses is f2, the period of the m-th groove from the center is Is approximately represented by Equation 5.
  • the focal length of the composite lens of the three grating lenses is f3
  • the refractive index of the top cover eyebrow is n2
  • the minimum groove period of the lens is 550 nm. It is a cycle that can be manufactured with.
  • the synthesized NA is 0.91, and the spot diameter is 450 nm, which is almost the same as when using the conventional SIL. That is, in the present embodiment, NA and spot diameter equivalent to those using SIL are realized by using two actually-produced grating lenses.
  • ⁇ ⁇ 450 nm, which is extremely small, but the cover layer 6 may be grown twice by a thin film growth method such as a CVD method at the time of fabrication. In thin film growth, control of 100 nm is easy, and the surface position of the cover layer 6 can be sufficiently kept within the above depth of focus.
  • the distance between the three grating lenses, 86 / im and 2 Om can be grown with an appropriate thick film growth apparatus, and the distance between them can be controlled with extremely high precision.
  • Such a configuration is characterized in that lens processing errors and adjustment errors related to aberrations can be relatively reduced. Reducing the lens diameter while keeping the NA constant is equivalent to reducing the size of the optical system similarly.
  • the optical system is reduced, the aberration is reduced in a similar manner, but the wavelength of the light passing therethrough is not reduced, so that the amount of aberration with respect to the wavelength is reduced by this magnification. Since the allowable aberration amount of the optical system is usually determined by the wavelength, it is possible to increase the allowable processing error S and the adjustment error S of the lens.
  • Equation 8 becomes Equation 9 when the wavelength changes from S to S + ⁇ S.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
  • the three grating lenses in the first embodiment are composed of one grating lens 31 (focal distance 0.02, ⁇ 0.90).
  • a cover layer 6 is formed by a thick film forming method of about 20 m.
  • the grating lens has a minimum period of 208 nm, which is difficult to fabricate by photolithography. Therefore, it is fabricated using electron beam lithography. Therefore, at the current level of processing technology, the first embodiment is easier to realize from the point of throughput. However, if the throughput of the electron beam lithography method is significantly improved in the future, the second embodiment will be more effective. It is a laid-back configuration and the benefits are expected to be significant.
  • Fig. 4 shows an iS example of the grating 3 and the photodiode 10 for detecting various signals.
  • the grating 3 is a linear diffraction grating that is inclined 45 ° on both sides with the center line as the boundary, and is orthogonal to each other.
  • the photodiode 10 is used to It is arranged in four places so that the reflected light can receive ⁇ 1st order light by the diffraction gratings on both sides.
  • Each photodiode is further divided into two parts vertically and vertically. Further, the dividing line is arranged in a direction parallel to the recording groove of the recording medium.
  • FIG. 5 shows an example of detection of defocus by a photodiode.
  • the distribution of light that enters each of the four detectors at the time of back focus, in focus, and at the time of front focus is shown.
  • a defocus signal can be detected.
  • the accuracy of adjusting the photodiode which is a major problem when assembling conventional bulk optical components, can be sufficiently satisfied by precise positioning of the photomask in the direction perpendicular to the optical axis. Adjustment accuracy can be handled by precise film thickness control of thin or thick films. Therefore, complicated component position adjustment as in the related art is not required.
  • the track shift signal is obtained from the non-uniform distribution of the light from the optical recording medium group. That is, the difference between the amounts of light incident on the left and right gratings 3 is determined.
  • FIG. 6 shows a method for producing a focus shift signal and a track shift signal.
  • the track shift signal is obtained as the difference between the sum of the two upper left and two lower right figures in the figure, and the sum of the two lower left and two upper right figures.
  • the detection signal is the sum of outputs from all photodiodes when the optical recording medium is a ROM medium such as a compact disk or a phase change medium.
  • a magneto-optical signal When a magneto-optical signal is detected, the operation is further performed as shown in FIG. That is, a polarizer having a transmission polarization direction in a direction inclined by ⁇ 45 ° with respect to the polarization direction 71 of the surface emitting laser 1 is attached onto the photodiode.
  • the signal can be detected by taking the difference in the sum of the outputs of the split photodiodes placed under the polarizers.
  • FIG. 8 shows an example in which the laminated optical head of the present invention is applied to a flying slider.
  • Reference numeral 81 denotes a stacked optical head of the present invention
  • 82 denotes a drive element for finely adjusting the distance between the optical head and the optical recording medium during mounting
  • 83 denotes a slider for a magnetic disk
  • 84 85 is a supporting arm
  • 86 is a drive mechanism for finely moving the arm in the track direction of the optical recording medium
  • 87 is a head swing arm
  • 88 is a drive mechanism for accessing the slider.
  • the depth of focus is at most about ⁇ 200 nm. Since the flying height of the current standard magnetic disk drive is about 70-80 soil 10 nm, it is sufficiently possible to levitate while keeping the optical head within the depth of focus. is there.
  • the optical head 81 is mounted on a drive mechanism having a resolution of about ⁇ 10 nm, for example, a piezoelectric element 82, and the above-mentioned defocus detection signal is used when the apparatus is driven. Fine adjustment of the flying height is performed to maintain the light head position within the depth of focus. Once the position control is completed, the position of the light head is kept at a fluctuation of 10 nm or less by the flying of the slider, and dynamic defocus correction is not required. The tracking operation of the optical head is performed by the fine movement mechanism 86 using the above-described track shift detection signal.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a disk package incorporating the Honko Head and Tracking Factory.
  • An optical head, a slider, a tracking device, and an access driving device are stored in a box 91 for shielding the outside air from the inside, and a source input terminal and a signal terminal are provided outside. Information is recorded / reproduced by restricting this to the recording / reproducing device shown in 92.
  • the magnetic disk device S By making the magnetic disk device S have the same density as that of the magnetic disk device S, a cover glass is not required, dust is cut off, and a near-field floating optical disk device Si can be realized.
  • a bit pitch of 400 nm and a track pitch of 400 nm can achieve an N- plane recording density of 4 Gbit / inch 2.
  • a conventional blue light source a four-fold increase of 16 Gbitinch can be achieved.
  • a glass layer having a refractive index of 1.9 is used as the cover layer.
  • the spot diameter is reduced as described above. Since the refractive index of the layer is inversely proportional, the recording density can be further set to 28 Gbit / inch 2 .
  • a higher density can be achieved by increasing the refractive index of the Kano layer.
  • conventional SIL it is necessary to form a spherical lens 21 and the upper limit of the refractive index of glass material is 1
  • the present invention has a great advantage as compared with the conventional optical head using SIL. Industrial applicability
  • an optical head for an optical recording device having an ultra-high recording density can be configured to be small, and this can be played on a flying slider to eliminate the need for defocus adjustment. It is possible to configure an optical recording device.

Description

明細書 積層型近接場光へッ ドおよび光情報記録再生装置 技術分野
_本発明は、 光ディスク装置、 及びそれを用いた光情報処理装置にかかわる。 背景技術
光ディスク装置は、 これまで大容量の可換媒体として注目されてきた。 しかし 最近の磁気ディスク装置の急速な大容量化の進展により、 記録密度は 1ギガビッ ト 平方インチと、 ほぼ同等となり、 また、 その大容量化の進展速度の差から、 ここ数年で、 記録密度の点で磁気ディスク装置に追い抜かれるのは確実な状況と なっている。 光ディスク装置における記録マークの大きさは、 ほぼ数式 2で表わ される。
【数式 2】 σ λ
ΝΑ ここで、 スは記録再生に用いるレーザ光の波長、 Ν Αは開口数と呼ばれ、 光軸と レンズで集光される光のうち光軸と最大の角度をなす光線の光軸に対する角度 S を用いて、 N A = s i n Sと表わされる。 そこで従来、 光ディスク装置の高密度 化は、 使用する半導体レーザ光の短波長化、 桀光レンズの高 N A化を中心に、 微 小な情報記録マークを形成する技術、 および光スポッ ト径より小さい情報記録マ ークを精度よく再生する技術の 4つの方向から推進されてきた。 第 1のァプロ一 チについては、 最近] [一 VI族の半導体による緑色レーザの室溫迎繞発振、 ガリウ ム ·窒素系の ΠΕ— V "族半導体による青色発光ダイォー ドの製品化など画期的な進 歩があり、 第 3、 第 4のアプローチも着突な進歩を遂げている力〈、 これらを総合 してもやっと 1 けたの記録密度向上がはかれる程 fiiであると推定されている。 こ の根本的な原因は、 光の回折現象により、 光を光の波長より小さくすることがで きないためである。
この限界を打ち破り、 記録密度を現状より 2桁向上する方法として、 近接場 (エバネセン ト場） を利用した光記録再生方法が注目されている。 例えば、 アブ ライ ド ' フイ ジクス ' レターズ、 6 1卷、 2号の 1 4 2頁から 1 4 4頁 （A p p l i e d P h y s i c s L e t t e s , V o l . 6 2, N o. 2 , p p. 1 4 2 - 1 4 4 , 1 9 9 2 ) に記載されているように、 光ファイバの先端をコーン 状に加工し、 その先端の数 1 0 n mの領域以外を金属の被膜で つたプローブを 作製し、 これをピエゾ素子を用いた精密ァクチユエ一夕に搭載して位置を制御し て、 直径 6 0 n mの記録マークをプラチナ コバル卜の多層膜上に記録再生した 例が報告されている。 この例の場合、 記録密度は 4 5ギガビッ トノ平方イ ンチに 達し、 現状の約 5 0倍とすることができる。 更に最近、 アプライ ド · フイ ジクス レターズ、 6 5卷、 4号の 388頁から 3 90頁 （A p p l i e d P h y s i c s L e t t e s, V o l . 65, N o. 4, p p - 388 - 3 90, 1 9 9 4 ) には、 図 2に示す固体液浸レンズ （S o l i d I mm e r s i o n L e n s 以下 S I Lと略記） を用いて、 実効的に開口数 N Aを上げることにより、 原理的に 4 0ギガビッ ト 平方ィンチが達成できることが報告されている。 発明の開示
しかし、 上記従来例には以下のような課題がある。
まず第一の光プローブを用いる例では、 信号レベルが小さいことがあげられる 上記第 1の従来例では、 検出パワーは、 わずか 1 0 0 nW程度ときわめて小さ く 光ディスク装--には使用できるレベルにない。 これを改 ¾?するために、 例えば、 アプライ ド ' フイ ジクス ' レターズ、 6 3 ¾、 2 6号の 3 5 5 0頁から 3 5 5 2 頁 （A p p l i e d P h y s i c s L e t t e s , V o l . 6 3. o . 2 6. p p. 3 5 5 0 - 3 5 5 2. 1 9 9 3 ) では、 N d ドープのファイバレーザ を川いて、 4 5 mWの入力で、 金の反射股に対し、 （） . 3 mWの出力を ること に成功している力く、 ファイバレーザを用いるため、 共振周波数が 9 2 k H z と小 さ く高速の情報転送ができないという問題が生じている。
—方第 2の S I Lを用いる従来例では、 S I L以外の部分は従来の光学系がそ のまま使用でき、 再生信号およびサーボ信号の検出方式も従来方式を踏 3 できる ので、 第 1の従来例と異なり、 信号レベル、 転送速度など基本的な性能は、 従来 型の光ディスク装置と遜色ない。 し力、し、 第 2図に示すように、 球状の S 1 L 2 1を媒体にきわめて近接して設置する必要があり、 まず第 1に対物レンズ 2 2と S I L 2 1の位置合わせが難しいという課題がある。 第 2に、 S I Lは直径 0 . 3 m mときわめて小さいので、 その実装方法に課題がある。 第 3に、 S I Lは光 記録媒体 2 3に距離 1 0 0 n m程度と極めて近接して設置する必要があり、 従来 のフォーカシング · サーボ方法は使用できない。 したがって、 フォーカシング ' サーボを必要としない駆動機構が必要という課題がある。
上記の課題を解決するため、 本発明では以下のような手段を構じる。
まず、 基板と、 該基板上、 または該基板内、 または該基板に密着して形成され た半導体レーザと、 該半導体レーザから出射した光を桀光するレンズと、 該レン ズに対し半導体レーザとは反対側から入射する該集光光に共役な光を該半導体レ 一ザとは異なる位置に分岐する分岐手段と、 該分岐手段によって分岐された光を 受光するホ トディテクタとによって構成された光へッ ドにおいて、 該レンズを少 なく とも 2枚以上のレンズと該レンズを埋め込む高屈折率材料とで構成し、 該レ ンズで集光される光線と光軸のなす角の最大値が、 該高屈折材料と空気の界面に おける全反射角より大きくなるよう、 該レンズ系を設計する。 さらにまた、 ½光 レンズをグレーティ ングレンズによつて栴成する。
さらに、 前記光へッ ドの該半導体レーザの出射側共振器ミ ラ一と^光レンズと の空隙を透叨材料で充填し、 一体^造とする。 あるいはまた、 ^体レーザとし て共振器を基板に対して垂 Si方向に形成した而発光型の半導体レーザを川いる。
さらに、 前記光へッ ドの ½光レンズの口径を 1 m m以下とする。 さらにまた、 前記光へッ ドにおいて、 光出射側の ¾而にセラ ミ ック股を装荷する。
さらに光へッ ドにおいて、 前 己レンズで 光される光線と光軸のなす の 大 値が 0 ma x , - 休レーザの波長が λ、 高屈折率材料の屈折-率が ηであるとき、 光記録媒体を前記高屈折材料から数 1で示される距離 dの範囲に設置する。 さらに前記光へッ ドを、 浮上スライダ上に搭載する。 あるいはまた光へッ ド自 身を浮上スライダとして用いる。
さらに、 上記光へッ ドと、 浮上スライダと、 光情報記録媒体からなる光情報記 録再生装置を構成し、 さらに光記録媒体と、 積層型近接場光へッ ドと、 該光へッ ドを移動させるァクチユエ一夕と、 それらを内部に包含し外気と遮断する筐体を 一体としてとりはずせるようにする。
上記手段は、 以下のように作用する。
基板と、 該基板上、 または該基板内、 または該基板に密着して形成された半導 体レーザと、 該半導体レーザから出射した光を集光するレンズと、 該レンズに対 し半導体レーザとは反対側から入射する該集光光に共役な光を該半導体レーザと は異なる位置に分岐する分岐手段と、 該分岐手段によって分岐された光を受光す るホ トディテク夕とによって構成された光へッ ドにおいて、 該レンズを少なく と も 2枚以上のレンズと該レンズを埋め込む高屈折率材料とで構成し、 該レンズで 集光される光線と光軸のなす角の最大値が、 該高屈折材料と空気の界面における 全反射角より大きくなるよう、 該レンズ系を設計し、 特に集光レンズをグレーテ ィ ングレンズによって構成し、 半導体プロセス技術を用いて作製可能とすること で、 S I Lと同等の N A向上効果を得るとともに、 レンズ系の位置合わせを不要 とし、 かつ実装をきわめて容易にする。
さらに、 前記光へッ ドの該半導体レーザの出射側共振器ミ ラーと桀光レンズと の空隙を透明材料で充填し、 一体構造とする。 あるいはまた、 半導体レーザとし て共振器を基板に対して垂直方向に形成した面発光型の半導体レーザを用いるこ とで、 すべての光学部品を半^体レーザが形成されている基板上に ¾ ϋ一括形成 し、 全光学部品の位 合わせをも不要とし、 かつ光へッ ドの大幅な小型化を実現 できる。
さらに、 ϊΛΊ己光へッ ドの集光レンズの口径を 1 m m以下とするとすることで、 収差に対するレンズの加工誤差、 調整誤差を大幅に軽減し、 ¾際にグレーティ ン グレンズの使川を可能とする。
さらに前記光へッ ドにおいて、 前記レンズで ^光される光線と光軸のなす/ の 最大値が 0 max、 半導体レーザの波長が； I、 高屈折率材料の屈折率が nであると き、 光記録媒体を前記高屈折材料から数式 1で示される距離 dの範囲に設置する ことで、 エバネセン ト光の透過効率を高め、 より小さな光スポッ トを得ることが できる。 d≤ λ Z { 2 π 7" ( n ' s i n 1 0 1 ) } … （数式 1 ) また、 前記のような超小型の積展型の光へッ ドを実現することで、 光へッ ドを スライダ上に搭載できるようになる。 これにより、 フォーカシング ·サ一ボを不 要とすることができる。 図面の簡単な説明
第 1図は本発明の一実施例を示す断面図である。 第 2図は本発明で用いるレン ズ系と、 従来の S I Lの動作を比較した図である。 第 3図は本発明の他の実施例 である。 第 4図は焦点ずれ、 トラックずれ信号発生用の回折格子の一例である。 第 5図は焦点ずれ信号を表わす図である。 第 6図は焦点ずれ、 トラックずれ信号 の発生回路を表わす図である。 第 7図は光磁気検出用の信号検出回路を表わす図 である。 第 8図は本発明の位置合わせ、 アクセス機構系を表わす図である。 第 9 図は本発明の光へッ ド、 機構系を搭載したドライブ装置の概念図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第 1図は本発明の第 1の実施例である。 面発光レーザ 1から出射したレーザ光 は、 充填層 2に入り、 コリメー トレンズ 1 1によりコリメートされ、 屈折率の異 なる他の材料で構成されたグレーティ ング素子 3を透過する。 これにより、 若干 の光が回折されるが、 これは不要となる。 グレーティ ングを透過した光は、 第 1 第 2のグレーティ ングレンズ 4、 5で回折されたのち、 さらに第 3のグレーティ ングレンズ 6で集光される。 このとき、 光軸と集光された光とのなす最大角 0 ma Xは、 カバー ϋ 7の端面における全反射角より大きい値となっている。 なお、 力 バー； 1 7の端而はレンズ系の焦点位遛に設定されている。 さらに、 カバー屈 7の 端而から、 僅かに離れた近接場領域に、 光記録媒体 8を配 ϋすると、 全反射 pj c以下の ½度で入射してきた光のみならず、 £> c以上の角度で入射してきた光も一 部透過し、 実効的に N Aが大きくなり、 より小さなスポッ ト 9に絞れこまれる。 光記録媒体 8からの反射光は、 レンズ系 4、 5、 6を再び透過し、 グレーティ ン グ素子 3によって回折され、 面発光レーザ 1に隣接して設けられたホ トダイォー ド 10上に集光され、 再生信号およびサーボ信号が検出される。
以下、 実施例 1の動作について第 2図でさらに詳しく説明する。 第 2図 （ b ) に-、 本実施例と第 2図 （ a ) に示した従来の S I Lの動作を比較して示す。 従来の S I Lでは、 対物レンズ 2 2の集光点付近に S I L 2 1を設置する。 対 物レンズ 2 2の NAを NA= s i n 0Oとする。 S I L 2 1の屈折率を n、 半径 を r とする。 さらに S I L 2 1の下部を中心から長さ r の位置まで研磨して 落とし、 S I L 2 1の中心を対物レンズ 2 2の焦点位置より n rの位置に設置す 'る。 このとき、 集光された光は S I L表面で屈折され、 研磨面 2 3の一点に集光 される。 入射角を 01、 屈折角を 02とすると、 スネルの法則より、 s i n 01= n · s i n 02が成り立つ。 三角形の相似より 02= 00、 01= 0maxとなる。 し たがって、 スポッ ト径は数式 3のように表わされる。
【数 3】 σ - これにより、 実効的に Ν Αが η倍に、 さらにスポッ ト径が 1 /η2になる。 ス = 7 8 0 n m、 対物レンズ 2 2の N A = 0. 5、 n = l . 9とすると、 実効 NAは 0. 9 5に、 スポッ ト径 σ = 4 3 0 n mとなり、 S I Lを用いない場合に比べ、 約 1 Z 3. 6となる。 ただし、 このままでは全反射角 Sc = s i n-'d/n)以上の 角度で入射した光は透過することができないので、 S I Lの近接場領域に光記録 媒体 8を配置し、 以上の角度で入射する光をも取り出すことが可能となる。 一方本実施例で用いたグレーティ ングレンズでは、 N Aはもっぱらグレーティ ングの周期で決まる。 例えば、 第 1のグレーティ ングレンズは、 平面波を球面波 に変えるとし、 その焦点距離を f l、 カバー層 6の屈折率を n 1とすると、 中心か ら m番目の溝の周期は、 近似的に数式 4で表わされる。
【数 4】
z m Πι 本実施例で、 レンズ直径 0. l mm、 = 78 0 n m, N A = 0. 5、 n 1 = 1. 5とすると、 f l 0. 0 8 6 mmであるから、 レンズの溝の最小周期は 8 9 0 nmとなる。 これは、 通常のリ ソグラフィプロセスで作製可能な周期である。 次に、 第 2のグレーティ ングレンズ と第 1のグレーティ ングレンズの距離を a_、 第 1、 第 2のグレーティ ングレンズの 2つレンズ系の焦点距離を f 2とする と、 中心から m番目の溝の周期は、 近似的に数式 5で表わされる。
【数 5】 m a = 0. 04 mm. f 2= 0. 024 mmとすると、 レンズの最小の溝の周期は、 680 n mであり、 通常のリソグラフィプロセスで作製可能な周期である。
さらに、 第 3のグレーティ ングレンズと第 2のグレーティ ングレンズとの距離を b、 3つのグレーティ ングレンズの合成レンズの焦点距離を f 3、 最上カバー眉 の屈折率を n2とすると、 中心から m番目の溝の周期は、 同様に数式 6で表わさ れる
【数 6】 " Λ w m =
2 ^■ - : b = 0. 0 2 mm f 3 = 0. 02 mm. n2= 1. 9とすると、 レンズの最小の 溝の周期は、 5 5 0 n mであり、 通常のリ ソグラフィプロセスで作製可能な周期 である。 合成の NAは 0. 9 1、 スポッ ト径は 4 50 nmと従来型の S I Lを用 いた場合とほぼ同等となる。 すなわち、 本実施例では、 2枚の現実に作製可能な グレーティ ングレンズを用いて、 S I Lを用いるのと同等の N A、 およびスポッ 卜径を実現している。
また、 本実施例では従来の S I Lを用いる方式に対し、 次のようなメ リ ッ 卜が ある。 前記のように通常の S I Lでは、 球レンズを中心から r / nの距離まで研 磨しなければならない。 焦点ずれ Δ zが存在しても十分良好な像が得られる範1 すなわち焦点深度は、 例えば尾上守夫編の光ディスク技術 （ラジオ技術者） の 60 頁によれば、 数式 7で与えられる。
Γ教 7 1 Λζ < ^—— ^
L SX J 7 (NA)2
S_ I Lを用いる上記例のレンズ系では N Aは 0 . 9 5と極めて大きいので、 Δ ζ = 4 3 O n mと極めて小さい。 し力、し、 研磨によって球レンズの寸法をこの範囲 内に合わせることは極めて困難である。 また、 対物レンズと S I Lの位置合わせ 精度もほぼこのレベルであり、 位置合わせ、 さらに位置合わせ後の対物レンズ、 S I Lの実装、 固定もまた極めて困難である。 これに対し本実施例では、 Δ ζ = 4 5 0 n mと極めて小さいが、 作製時に、 カバー層 6を C V D法等の薄膜成長法 で 2 成長させれば良い。 薄膜成長では 1 0 0 n mの制御は容易であり、 十分 に上記焦点深度内へカバー層 6の表面位置をおさめることが可能である。 また、 3つのグレーティ ングレンズの距離 8 6 /i m、 2 O mも、 適当な厚膜成長装置 で成長可能であり、 また極めて高精度に相互の距離を制御することも可能である また、 上記のような構成は収差に関するレンズの加工誤差、 調整誤差を相対的 に軽減できるという特徴をもつ。 N A—定のままレンズ口径を小さ くするという ことは、 光学系を相似的に縮小するということに相当する。 光学系を縮小すれば 収差も相似的に縮小するが、 そこに通す光の波長は縮小されないので、 波長に対 する収差量はこの倍率だけ小さ くなる。 光学系の許容収差量は通常波長によって 決まるため、 レンズの加工誤差や、 調整誤差の許容 Sも大きく とることができる 例えば、 本実施例では面発光レーザ 1 より出射した 1 Z e 2半幅約 1 0度の光を レーザから距離 0 . 2 8 4 m mの位 Sにあるコリメ一卜レンズによってコ リメ一 卜するため、 ビームの直径は 0 . 1 m mと通常の光学系の 1ノ 1 0以下であり、 上記効果が顕著になると考えられる。 簡 のため、 笫 1のグレーティ ングレンズ 4について考察する。 グレーティ ング'レンズの球而収差 Wは入射光線の高さを h とすると、 数式 8で与えられる。 【数 8】 W = Ah4
ここで、 特に問題となる入射光線の波長の変動にともなういわゆる色収差を考え る-と、 波長がスからス + Δスとなった場合、 数式 8は数式 9となる。
【数 9】 W = (NA) h 半導体レーザの波長変動量は通常 5 n m程度であるから、 本実施例の場合最大の 光線高さ h = 0 . 0 5 m mにたいして 0 . 0 1 3 λとなり、 光記録装置に用いる ことが十分可能な収差量となる。 これは、 光線の光軸からの傾きによって生じる コマ収差などほかの収差にもあてはまり、 本光学系が大きな加工誤差や、 調整誤 差の許容量を有していることを示している。
第 3図は、 本発明の第 2の実施例を示したものである。 本発明では、 第 1の実 施例中の 3枚のグレーティ ングレンズが、 1枚のグレーティ ングレンズ 3 1 (焦 点距雜 0 . 0 2、 Ν Α 0 . 9 0 ) で構成されており、 3 1の上にカバー層 6が 2 0 mほど厚膜形成法で作製されている。 グレーティングレンズの最小周期は 2 0 8 n mであり、 ホトリソグラフィ技術では作製が難しいので、 電子ビームリソ グラフィ法を用いて作製する。 従って、 現在の加工技術の水準では、 スループッ 卜の点から実施例 1の方が実現容易であるが、 将来、 電子ビームリソグラフィ法 のスループッ 卜に大幅な改善がみられれば、 実施例 2はより節潔な構成であり、 利点がおおいにでてくるものと予想される。
なお、 これまでの実施例では面発光型の半導体レーザを用いていたが、 通常の 端而発光型の半導体レーザを用いてももちろんよい。 また、 半 ¾体レーザと光検 出器は、 従来のように別々の部品を実装する方式でも、 上記効 は変わらない。 第 4図に、 各種信号検出用のグレーティ ング 3とホトダイォード 1 0の iS成例 を示す。 グレーティ ング 3は、 中央線を境界として両側とも 4 5 ° 傾き、 互いに 直交した直線形状の回折格子である。 ホ卜ダイオード 1 0は、 光記錄 体からの 反射光の、 両側それぞれの回折格子による ± 1次光を受光できるように 4か所に 配置されている。 それぞれのホ トダイオー ドは、 グレーティ ングの分割方向と垂 直にさらに 2分割されている。 さらに、 前記分割線は、 記録媒体の記録溝と平行 な方向に配置されている。
第 5図は、 ホ トダイオー ドによる焦点ずれの検出の例を示す。 4つのディテク 夕それぞれに入射する光の、 後焦点時、 合焦点時、 前焦点時の光分布を示す。 こ れにより 4分割されたディテクタそれぞれに対して、 2分割ホ 卜ダイオー ドの出 力の差をとれば、 焦点ずれ信号を検出できる。 従来のバルク光学部品をァセンブ リする場合に大いに問題となるホトダイオー ドの調整精度は、 本実施例では、 光 軸に垂直方向はホ 卜マスクの精密な位置決めで十分対応でき、 また光軸方向の調 整精度は薄膜ないし厚膜の精密な膜厚制御で対応できる。 したがって、 従来のよ うな煩雑な部品位置調整は不要となる。
また、 トラックずれ信号は、 光記録媒体のグループからの回沂光分布の不均一 から得られる。 すなわち、 左右両側のグレーティ ング 3に入射する光量の差を取 る。
第 6図に、 焦点ずれ信号と トラックずれ信号の作製方法を示す。 トラックずれ 信号は、 図中上段左側 2つと下段右側 2つの和と、 下段左側 2つと上段右側 2つ の和の差として得られる。
検出信号は、 光記録媒体がコンパク トディスクのような R O M媒体または相変 化媒体の場合は、 全ホ トダイォー ドからの出力の総和をとる。
光磁気信号を検出する場合は、 さらに第 7図のようにする。 すなわち、 上記ホ トダイォー ドの上に、 面発光レーザ 1 の偏光方向 7 1 と ± 4 5 ° 傾いた方向に透 過偏光方向を有する偏光子をはりつける。 信号は、 それらの偏光子の下に配 fiiさ れた分割ホ トダイオー ドの出力の和の差をとることによって検出できる。
本突施例が従来例笫 2図と大いに ¾なる他の点として、 光へッ ドの大きさがき わめて小さいことがあげられる。 すなわち、 本突施例では而発光レーザ 1 から力 バー JB 7まで僅か 0 . 4 — 0 . 5 m mの大きさである。 したがって、 ^ 1 図に示 した光へッ ドを笸休に入れ、 これを浮上スライダ上に搭^することが可能である 第 8図に、 本発明の積層型の光へッ ドを浮上型スライダに搭戯した例を示す。 8 1 は本発明の積層型光へッ ド、 8 2は実装時に光へッ ドと光記録媒体との距離 を微調節するための駆動素子、 8 3は磁気ディスク用のスライダ、 8 4、 8 5は 支持用のアーム、 8 6はアームを光記録媒体のトラック方向へ微動させるための 駆動機構、 8 7はヘッ ドスイングアーム、 8 8はスライダをアクセスするための 駆動機構である。 前述のように、 本発明の光へッ ドでは、 焦点深度は高々 ± 2 0 0 n m程度である。 現在の標準的な磁気ディスク装置の浮上量は、 約 7 0 - 8 0 土 1 0 n mであるから、 光へッ ドを前記焦点深度内に保持しつつ、 浮上させるこ とは十分に可能である。 ただし本光へッ ドは、 磁気へッ ドと異なり、 磁気スライ ダ中に埋め込まれているわけではないので、 研磨によってへッ ド面を露出させる ことは困難である。 そこで、 本実施例では、 光ヘッ ド 8 1を ± 1 0 n m程度の分 解能を有する駆動機構、 例えば圧電素子 8 2の上に搭載し、 装置駆動時に前記の 焦点ずれ検出信号を用いて浮上量の微調整を行い、 前記焦点深度内に光へッ ド位 置を保持する。 一端位置制御が終了すれば、 その後はスライダの浮上により光へ ッ ドの位置は土 1 0 n m以下の変動に保たれ、 ダイナミ ックな焦点ずれ補正は不 要となる。 光へッ ドの トラッキング動作は、 前述の トラックずれ検出信号を用い て 8 6の微動機構で行う。 このようなシンプルな磁気ディスクと同様な駆動系が 用いられる理由は、 本実施例の光へッ ドが一括積層された極めて小型 '軽量の光 へッ ドであるからであり、 従来の S I Lを用いる光へッ ドにない特徴である。 第 9図は、 本光へッ ド、 トラッキングァクチユエ一夕を内蔵したディ スクパー ッケージの実施例を示す。 外気と内部を遮断する箱 9 1の中に、 光へッ ド、 スラ イダ、 トラッキング、 アクセス駆動機栴が収納され、 筘外部には、 ^源入力端子 信号端子を備える。 これを、 9 2に示される記録、 再生装^に抑入することで、 情報の記録 ·再生を行う。 このような磁気ディ スク装 Sと同様な密 造とする ことで、 カバーガラスを不要化し、 ゴミを遮断して近接場浮上型の光ディ スク装 Siを奘現することができる。
以上により、 本究明によれば、 祓^な 号処理、 光記錄¾休^造を川いなくて も、 現状の波長 7 8 0 n mの半導体レーザを用いて、 ビッ トピッチ 4 0 0 n m、 トラック ピッチ 4 0 0 n m N 面記録密度 4 G b i t / i n c h 2が達成可能であ る。 捋来の青色光源を用いれば、 さらに 4倍の 1 6 G b i t i n c h が達成 可能である。 また、 前記実施例ではカバー層として屈折率 1 . 9のガラス層を用 いているが、 例えば屈折率が 2 . 5程度の 一 VI族の半導体を用いれば、 前記の ようにスポッ ト径はカバー層の屈折率の反比例するするので、 記録密度はさらに 2 8 G b i t / i n c h 2とすることができる。 このように、 本発明では、 カノく 一層の屈折率を大きく とることで、 一層の高密度化も可能となる。 従来の S I L は、 球状のレンズ 2 1 を形成する必要があり、 ガラスの硝材の屈折率の上限が 1
9程度であるので、 それ以上の高屈折率物質を使用することは極めて困難である この点でも本発明は、 従来の S I Lを用いる光へッ ドに比べ大きな利点がある。 産業上の利用可能性
以上のように本発明によれば、 超高記録密度の光記録装置用の光へッ ドを、 小 型に構成することが可能で、 これを浮上スライダに搭戯し、 焦点ずれ調整不要の 光記録装置を構成することが可能となる。

Claims

請求の範囲
1 . 基板と、 該基板上、 または該基板内、 または該基板に密着して形成された半 導体レーザと、 該半導体レーザから出射した光を集光するレンズと、 該レンズに 対し半導体レーザとは反対側から入射する該集光光に共役な光を該半導体レーザ とは異なる位置に分岐する分岐手段と、 該分岐手段によって分岐された光を受光 するホ トディテク夕とによって構成された光へッ ドにおいて、 該レンズが高屈折 率材料で埋め込まれており、 該レンズで集光される光線と光軸のなす角の最大値 カ^ 該高屈折材料と空気の界面における全反射角より大きいことを特徵とする積 層型近接場光へッ ド。
2 . 請求項 1記載の積層型近接場光ヘッ ドにおいて、 集光レンズがグレーティ ン グレンズによって構成されていることを特徵とする積層型近接場光へッ ド。
3 . 請求項 1 または 2記載の積層型近接場光へッ ドにおいて、 該半導体レーザの 出射側共振器ミラーと集光レンズとの空隙を透明材料で充填し、 一体構造とした ことを特徴とする積眉型近接場光へッ ド。
4 . 請求項 1 〜 3のうちいずれかに記戦の積層型近接場光へッ ドにおいて、 半導 体レーザが共振器を基板に対して垂直方向に形成した面発光型の半導体レーザで あることを特徵とする積層型近接場光へッ ド。
5 . 請求項 1 〜 4のうちいずれかに記載の積層型近接場光へッ ドにおいて、 集光 レンズの口径が 1 m m以下であることを特徴とする積層型近接場光へッ ド。
6 . 請求項 1 ~ 5のうちいずれかに記戦の積層型近接場光へッ ドにおいて、 光出 射側の表面にセラ ミ ック膜を装荷したことを特徴とする嵇層型近接場光へッ ド。
7 - 基板と、 該基板上、 または該基板内、 または該 ¾板に密着して形成された半 導体レーザと、 該半導体レーザから出射した光を ίβ光するレンズと、 該レンズに 対し半導体レーザとは反対側から入射する該 ¾光光に共役な光を該半導体レーザ とは興なる位 Εに分岐する分岐手段と、 該分岐手段によって分岐された光を受光 するホ 卜ディテクタとによって^成された光へッ ドにおいて、 該レンズが高屈折 率材料で め込まれており、 該レンズで ½光される光線と光軸のなす ftの ¾大^1 力 · ¾屈扩「材料と空気の界而における全反射 Λより大きいことを特徴とする ¾ 層型近接場光へッ ドにより光記録媒体のアクセスを行う光記録再生装置において 上記レンズで集光される光線と光軸のなす角の最大値が 0 max、 半導体レーザの 波長が λ、 高屈折率材料の屈折率が ηであるとき、 上記光記録媒体が前記高屈折 材料から以下の式で示される距離 dの範囲に設置されていることを特徴とする光 記録再生装置。
8 . 請求項 7記載の積眉型近接場光へッ ドが、 浮上スライダ上に搭載されている ことを特徵とする光記録再生装置。
9 . 請求項 7記載の積層型近接場光へッ ド自身を浮上スライダとして用いること ^特徴とする光記録再生装置。
1 0 . 請求項 7記載の光情報記録再生装置であって、 光記録媒体と、 積層型近接 場光へッ ドと、 該光へッ ドを移動させるァクチユエ一夕と、 それらを内部に包含 し外気と遮断する筐体を一体としてとりはずせることを特徵とする光情報記録再 生装置。
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