JP3826684B2 - プラズモンを用いた記録再生装置およびその作製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を用いた情報の記録装置または記録再生装置ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光記録においては、レーザ光をレンズで媒体上に小さいスポットとして集光させ、それによって発生する熱や光反応によって、媒体の微小領域の特性を変化させ、記録する方式をとっている。この方法を用いると、集光できるスポット径の大きさは記録に用いるレーザ光の波長で限定される。そのため、より小さいスポットを書き込むためにはより波長の短い光源を用いなければならなかった。
【０００３】
また、アプライド・フィジックス・レター６５（１９９４年）第３８８頁（Appl. Phys. Lett. Vol. 65, p388 (1994)）や特開平５−１８９７９６号に記載のような、固体液浸レンズ（solid immersion lens）を用いて記録する例が報告されている。このレンズを用いると、屈折率の２乗に比例してレンズの開口数を大きくすることができるので、通常のレンズより小さい領域に光を絞り込むことができる。
【０００４】
他に超高密度記録として、微小開口を具備したプローブを用いた近接場光記録法がある。例えば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス７９（１９９６年）第８０８２頁（J. Appl. Phys. Vol. 79, p8082 (1996)）に記載のように、微小開口近傍の光により媒体のごく微小領域の温度を上げて相変化をさせるものなどがある。これらの方法を用いると、用いる光の波長によらず、光の局在する領域が上記開口の大きさ程度となるため、回折限界を超えた微小スポットの書き込み・読み出しができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来用いられてきたレーザ光をレンズで絞る方法では、回折限界で記録密度が限定される。波長を短くすることによって集光スポット径を小さくすることは可能であるが、いずれにしても波長で決められた限界がある。また、紫外領域まで波長が短くなると、これまで用いられてきたレンズ等の安価な光学系では紫外光を吸収してしまうため用いることができなくなる。しかも、そのような波長の短い光源自体、現在のところコンパクトで安定したものは実現されていない。したがって光源の波長を最適化することによる高密度化は現実的ではないと言える。固体液浸レンズにおいても、波長の制限を受けるという点では同様の限界がある。
【０００６】
また、微小開口をもつプローブを利用した記録の場合、開口が小さいことによって光のスループットが悪く、書き込みのためにパワーの大きなレーザが必要であったり、書き込みや読み出しに時間がかかるなどの問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、光による超高密度な記録再生を達成させるため、回折限界を超えた微小光源を実現し、なおかつその記録速度を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
通常のレーザ光をレンズ等で集光しても、使用するレーザの波長の二分の一程度までしか絞り込むことはできない（回折限界）。そのため記録スポットの大きさもその程度に留まってしまう。それより狭い領域で光強度を集中させるために、微小開口から漏れ出す近接場光を利用した記録方法もあるが、利用できる光のパワーの弱さが問題であった。
【０００９】
金属の微粒子に光を照射すると、プラズモンが励起されることが知られている。波長より小さい金属体の近傍で発生するプラズモンを利用すれば、プラズモンの励起により金属体近傍の光電場（光の周波数で振動する電場）強度が増強されるので、回折限界を超えて光電場を集中させることができる。この光電場を書き込みあるいは再生に用いれば、従来よりも小さいスポットを書き込み、あるいは読み取ることができ、高密度な記録再生が可能となる。
【００１０】
プラズモン励起による光電場の増強の度合いは、金属微粒子の形状や入射する光の偏光方向で異なる。真球の場合、ｐ偏光入射のほうが増強の度合いが強く（オプティカル・レビュー６（１９９９年）第２１１頁（Optical Review, Vol.6, P211(1999))）、また、真球より楕円球体の方が増強の度合いは大きく、数十倍にできる（サーフェス・サイエンス１５６（１９８５年）第６７８頁（Surface Science, Vol.156, p678(1985))）。
【００１１】
このように、金属体近傍に励起されたプラズモンによって増強された光電場の空間的広がりは、金属体の大きさ程度であり、その付近だけ飛び抜けて光電場強度が強くなる。レンズで光を金属体に集光すると、記録媒体の他の部分にも光が照射されることにはなるが、記録のおこる光電場強度のしきい値がプラズモンによって増強された光電場とレンズで集光した光による光電場強度の間にある媒体を用いることで、上記プラズモンによって増強された光電場を光記録に利用できる。例えば相変化ディスクであれば、プラズモンにより増強された光電場の強度で相変化が起き、レンズで集光した光だけでは相変化が起きないように、記録媒体の材料と入射光強度の関係を調整すればよい。
【００１２】
また、集光するレンズとして固体液浸レンズを用いると、効率よく集光することができる。このレンズは、球レンズの一部を切り取った形状をしており、その端面に光が集光するようになっている。開口数が非常に高いため、通常のレンズより集光効率が高い。さらに、このレンズを楕円球体ないしは円柱のように、細長い形状の微小金属体と組み合わせた場合、上記微小金属体の長手方向がヘッドの平坦面すなわち固体液浸レンズの平坦面と直行するように配置することによって、さらに光電場の増強が期待できる。
【００１３】
なぜなら、通常のレンズであれば、レンズで集光された光の波数ベクトルは端面に対して斜めであり、プラズモンを励起できる方向（平坦面に垂直な方向）に振動する電場強度は、本来の電場強度に入射角の余弦を乗じた量となって、入射光強度を十分に利用できない。固体液浸レンズで光を絞り込んだ場合、集光された光は端面に対してより高角度で入射する。これはすなわち入射角の余弦が大きくなるので、励起に寄与できる光強度が増える。また、全反射臨界角より大きな角度で入射した光については、エバネセント波となって端面に平行な波数ベクトルを持つ、すなわちその光強度は全てプラズモン励起に寄与でき、効率的にプラズモンを励起することができる。
【００１４】
また、平坦な基板に微小金属体を埋め込んだ形状にすれば、上記基板をスライダーに搭載することで、これを光ヘッドとした時に高速で回るディスク上を障害も衝突もなく記録再生を行うことができる。
【００１５】
また、プラズモンを励起できる条件は、波長、周囲の誘電率、微小金属体の誘電率およびその形状にも大きく左右される。したがって、材質や形状の異なる微小金属体ではそれぞれでプラズモンを励起できる波長が異なる。同じヘッド上に、位置を変えて材質や形状の異なる微小金属体を複数作成し、それぞれに異なる波長の光を同時に照射すれば、複数の微小金属体のプラズモンを別々に励起することになる。本発明によればこのことを利用してマルチヘッド化することもでき、同時に複数列の記録ができるので、記録にかかる時間をその分短縮できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例の基本的な部分の構成を示した図である。ヘリウム・カドミウムレーザの５３３nmの波長の光１０１をレンズ１０２を通して絞り込み、この光に対して透明な材質でできた基板１０３に作られた微小金属体１０４に裏側から集光する。レーザ光１０１は基板１０３に垂直に入射し、レンズ１０２を基板１０３の真上に位置させることでコンパクトな構造としている。
【００１７】
金属体１０４は記録媒体（図示せず）上を移動する際の障害にならないように、基板１０３に埋め込む形で作成されている。基板１０３の作製法は後で詳しく述べるが、本実施例の微小金属体１０４は、基板１０３に直径５０nm、深さ１００nm程度の円柱形の穴を開け、そこに金を埋め込んだ構造としている。
【００１８】
レンズ１０２は、基板１０３に対して上下左右に微動できる機構（図示略）を有しており、焦点のちょうど中央に微小金属体１０４が来るようにレンズ１０２の位置を調整し、固定した。本実施例の装置をヘッドとして用いる場合、これらを一体化した構造にし、自動焦点機構を付加してもよい。
【００１９】
これにレーザ光１０１を入射すると、金属体１０４で局在プラズモンが励起され、金属体１０４近傍の光電場強度が増強される。この場合は微小金属体が円柱形であり、その底面が媒体に面したヘッド平坦面にあるので、増強された光電場の広がりは、底面の金属体円柱の直径程度、すなわち５０nm程度である。このヘッドを記録媒体との距離を制御する機能を有する記録再生装置に搭載し、記録媒体に一定距離接近させると、光の広がり程度のスポット径で情報を記録することができる。
【００２０】
ここで、上記実施例では微小金属体の形状を円柱としたが、ヘッドに配置した時、ヘッド平坦面に対して垂直方向に長い寸法を持つ、すなわち底面の幅より高さの方が長い形状であれば、楕円柱、回転楕円体、円錐、角柱、角錐、円錐台、角錐台形状などでもよい。
【００２１】
本発明において、記録媒体としては従来用いられてきたものと同じ素材であれば同様に用いることができるが、記録される媒体に物性的変化を及ぼすしきい値が、微小金属体近傍で増強された光強度より小さく、それ以外のレンズで集光された部分の光強度より大きい値をとる必要がある。したがって媒体の感度と入射光強度をあらかじめ調整する必要がある。また、ヘッドに近い方が光強度が大きいので、媒体上部の保護層などがない方が記録は効率的になると考えられる。
【００２２】
再生についても、従来の手法を適用できる。記録時よりも入射光強度を弱くした光を用い、反射あるいは透過した信号を検出する。検出のしきい値を、プラズモンで増強された光電場からの信号強度と、それ以外のレンズで集光された部分からの信号強度との間に設定し、プラズモンで増強された光電場からの信号以外はとらないようにする。これにより回折限界以下の微小領域に書き込まれた情報を再生することができる。
【００２３】
図２はレンズとして固体液浸レンズを用いた場合の実施例を示した図である。
レーザ光１０１を固体液浸レンズ２０２を通して絞り込み、図１に示したものと同様の基板１０３中の微小金属体１０４に照射する。微小金属体１０４は、固体液浸レンズ２０２の端面に直接作成してもよいが、ちょうど集光される位置に金属体を作製するのが難しいので、ここでは基板１０３とレンズを同素材で別に作成し、間に紫外光硬化性の光学接着剤（図示せず）を薄くはさんだ。光強度を測定しながら、最も強くなるような位置に基板とレンズを配置し、紫外光を全体に照射して硬化させ、一体化し、ヘッドの基本部分とした。図では平行光が入射するように描いているが、あらかじめレンズで絞った光を入射してもよい。
【００２４】
図３は、図２で示された光ヘッド近傍の光強度を示したグラフである。ヘッド下部の、媒体に対する平坦面上を、近接場光学顕微鏡で微小金属体上を通るように走査し、発生している光をプローブでピックアップしてその強度を測定した。作成された微小金属体１０４の大きさとほぼ同程度の幅を持つ、光強度が増幅された場所が観察された。
【００２５】
図４は固体液浸レンズ２０２を用いた別の実施例を示した図である。レーザ光１０１が照射されている固体液浸レンズ２０２の中央部分に遮光部分４０１を設けたものである。この遮光部４０１は、金属のクロムを蒸着することで形成した。このような遮光機構は、必ずしもレンズに直接設けなくともよい。例えば、瞳フィルタのようなものを入射するレーザ１０１の光路に挿入して、リング状の光をレンズに照射するようにしてもよい。遮光する範囲は、これにより遮光される光の基板に入射する角度θが全反射臨界角よりも小さい範囲となるよう決定される。
【００２６】
このような構造にすると、微小金属体１０４に照射される光は、全反射臨界角よりも大きな入射角をもつものが主になる。このような光は、ヘッドの下部で全反射をおこし、界面近傍にエバネセント波を発生させる。界面近傍のエバネセント波は、界面に平行な方向に波数ベクトルを持つため、その偏波面は界面に垂直である。したがって、界面に垂直方向に細長い形状をした微小金属体の局在プラズモンを効率よく励起できる。
【００２７】
本実施例のように、全反射を起こさない光を遮光すると、入射光全体の強度は下がるが、プラズモンの励起効率は上がるので、プラズモンによって増強された光電場強度と、それ以外のレンズで集光された部分の光電場強度とのコントラストが上がる。したがって、プラズモン励起で増強された光電場以外の、レンズで集光された部分で誤って径の広いスポットが記録されるというエラーを抑えることができる。また、記録に要する光強度のしきい値のとりうる値の範囲がひろがり、設計が容易になるという利点がある。
【００２８】
図５にはさらに別の実施例を示した。上記の方法で作成した、微小金属体１０４を具備した基板１０３に、プリズム５０２を介して基板下部で全反射するようにレーザ光１０１を入射する。このとき、入射するレーザ光の偏光方向はｐ偏光、すなわち偏光方向が入射面に含まれる方向にした。この場合も、全反射によって生じるエバネセント波で励起するので、効率よくプラズモンを励起できる。図では平行光を入射するように描いているが、レンズで絞った光を入射してもよい。
【００２９】
図６は波長多重による並列記録用ヘッドを、媒体に向かう面から見た図である。基板６０３に作成された金の円柱６０１と銀の円柱６０２の直径はともにおよそ５０nmで、高さはともに１００nm程度である。作製方法は後に詳しく述べる。
【００３０】
ヘッドに含まれる微小金属体はここでは簡単のため２個としているが、条件が合えばもっと増やしてもよい。また、形状として円柱としたが、前述のように、ヘッドに配置した時、ヘッド平坦面に対して垂直方向に長い寸法を持つ、すなわち底面の幅より高さの方が長い形状であれば、楕円柱、回転楕円体、円錐、角柱、角錐など、様々な形状が可能であり、それらを長手方向がヘッド平坦面に垂直になるように配置すればよい。
【００３１】
本実施例では、金属体近傍に励起される光電場が、他方の金属体周囲の光電場に影響を及ぼさないよう、微小金属体６０１と６０２の間隔はおよそ２００nm離してある。微小金属体６０１と６０２によって記録される媒体上のマークの間隔を狭めるため、６０１と６０２を結ぶ線がヘッドの進行方向と斜めになるように配置する。ここでは１００nm程度の間隔で記録したいので、６０１と６０２を結ぶ線分をヘッドの進行方向とは３０度ずらした。微小金属体６０１と６０２は記録媒体上を移動する際、障害にならないよう基板に埋め込む形で作成されている。
【００３２】
図７は図６で説明したヘッドを用いた記録装置の構成を簡単に示した図である。ヘッド７０３には先に示したとおり、金と銀が埋め込まれている。金と銀とでは、プラズモンの共鳴波長が異なるため、同時に２色のレーザ光を入射しても、一方にのみ強い光電場の増強が見られる。ここでは金のプラズモンを励起するのに５１４．５nmの波長のアルゴンレーザを用い、銀を励起するのに３６３．８nmのアルゴンレーザを用いた。二つのレーザのオンオフをＡＯモジュレーター７０１と７０２で行い、各々コントロールすることで、他方に影響なく双方独立に、同時に記録ができる。
【００３３】
アルゴンレーザ７１１と７１２から放射された光はミラー７２１とハーフミラー７２２を用いて同一光軸となるよう調整されている。光はレンズ１０２を通して絞り込み、ヘッド７０３に裏側から集光されている。レーザ光は基板に垂直に入射し、レンズ１０２を基板の真上に位置させることでコンパクトな構造としている。
【００３４】
レンズ１０２は、ヘッド７０３に対して上下左右に微動できる構造（図示せず）を有しており、焦点の中央に微小金属体が来るようレンズの位置を調整し、固定した。ヘッドとして用いる場合、これらを一体化した構造にし、自動焦点機構を付加してもよい。これにレーザ光を入射すると、金属体で局在プラズモンが励起され、金属体近傍の光電場強度が増強される。この場合は微小金属体が円柱形であり、その底面が媒体に面したヘッド平坦面にあるので、増強された光電場の広がりは、底面の円の直径程度、すなわち５０nm程度である。このヘッドを記録媒体との距離を制御する機能を有する記録再生装置に搭載し、記録媒体に一定距離接近させると、光の広がり程度のスポット径で情報を記録することができる。
【００３５】
以下では、図１、２、４、６、７で示されたような微小金属体を埋め込んだ光ヘッドのような構造をもつ基板の作製方法を説明する。使用する波長で透明である平板誘電体基板を収束イオンビームで加工し、５０nm程度の直径、深さ１００nm程度の穴をあける。ここに金属を蒸着し、そののち、全体が同じ高さになるよう、表面を研摩する。これによって、誘電体の表面の微小な領域の一部が金属に置き換わったものができる。穴のあけ方は、収束イオンビームでなくとも、リソグラフィでも、微小構造を基板に写し取るスタンプ法でもよい。
【００３６】
金属の種類は、用いる波長と埋め込む基板の光学特性との兼ね合いとなるが、安定性やプラズモンの励起効率という点からは金がよい。これを用い、基板に高屈折率ガラスを用いた場合、５００nm付近の波長で局在プラズモンを励起できる。従ってヘリウム・ネオンレーザやネオジウム・ヤグレーザの２倍波、半導体レーザなどの緑色の光を用いることができる。局在プラズモンの場合、表面プラズモンに比べて励起の条件が比較的緩やかなので、入射角や波長などに厳しい制限がないという利点がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明を用いれば、光記録において、回折限界で半波長程度の大きさに制限されていたスポット径よりも小さなスポットを書き込むことができ、同時に複数の記録が行なえるので、記録に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の記録ヘッドの要部基本的構成を示した断面図。
【図２】本発明の他の実施例の記録ヘッドの要部基本的構成を示した断面図。
【図３】図２で示したヘッドから発する光強度の空間分布を表したグラフ。
【図４】本発明の他の実施例の記録ヘッドの要部基本的構成を示した断面図。
【図５】本発明の他の実施例の記録ヘッドの要部基本的構成を示した断面図。
【図６】本発明の他の実施例であるヘッド要部の平面図。
【図７】本発明の他の実施例である記録装置の基本的構成を示したブロック図。
【符号の説明】
１０１…レーザ光、１０２…レンズ、１０３…基板、１０４…微小金属体、２０２…固体液浸レンズ、４０１…遮光部分、５０２…プリズム、６０１…微小金属体（金）、６０２…微小金属体（銀）、６０３…基板、７０１および７０２…ＡＯモジュレーター、７０３…ヘッド、７１１および７１２…アルゴンレーザ、７２１…ミラー、７２２…ハーフミラー。

Claims (5)

1. 光によって媒体等に記録する記録装置において、ヘッド部分に、記録に用いる光の波長以下の大きさの微小金属体を複数具備し、その近傍に励起されるプラズモンによって増強された光電場を記録に利用することを特徴とする記録装置。
2. 請求項１に記載の記録装置において、具備している複数の微小金属体のプラズモン共鳴波長がそれぞれ異なることを特徴とする記録装置。
3. 請求項１または２に記載の記録装置において、具備している複数の微小金属体が、ヘッドと媒体の相対的な進行方向に対し斜めに並んでいることを特徴とする記録装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の装置において、微小金属体の形状が、ヘッド平坦面に対して垂直方向に長い寸法を持つ、すなわち底面の幅より高さの方が長い形状を有することを特徴とする記録装置あるいは記録再生装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の記録装置あるいは記録再生装置のヘッド部分の作製法において、収束イオンビームまたはリソグラフィ技術を用いて基板に微小な穴を掘り、金属を蒸着して穴を埋め、全体を研摩して平坦面にして作成することを特徴とする記録装置あるいは記録再生装置の作製法。

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