JP4008334B2 - 光情報記録装置および光情報記録媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、集光機能層を有する光情報記録装置および光情報記録媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の光通信を用いた情報化社会の発展により、大容量の情報を高速で通信できる通信システムの構築が必要となっている。このような大容量高速光通信を展開するために必要不可欠な光デバイスとして、大容量の光情報を蓄積するための光情報記録媒体が挙げられる。さらにテレビ画像などの映像のデジタル化、高精細化などの高画質化に伴い、その高画質状態を保ち、かつ長時間記録可能な大容量光情報記録媒体の開発が急務である。
【0003】
現在、光情報記録媒体として、片面4.7GBの容量を有するDVDが実用化され、コンピューター用途のほか、ビデオなどの大容量動画を扱うための媒体として広く普及している。このDVDは、直接基板に情報が書き込まれた読み出し専用のROM(DVD−ROM)の他、書換可能な記録再生媒体としても実用化が進んでいる。このような光情報記録媒体の高記録密度化を目的とした開発が行われており、情報記録の高密度化を達成する手段として、CDなどに使われていたレーザー(780nm)よりも短波長の650nmのレーザー光を用いている。しかし、コンピューターグラフィックスやデジタルハイビジョン映像等の大容量の情報を扱うためには、さらにその4〜5倍の高記録密度化を達成する必要がある。これを達成するため、さらに短波長の青色半導体レーザー(波長405nm)を用いる光ディスクの開発が行われ、片面27GBの光ディスクの実用化が進められている。
【0004】
もう一つの高記録密度化技術として、集光機能層の形成が挙げられる。この集光機能層は、光記録媒体に形成されている光記録層の上面または下面に形成される膜で、この膜を透過または反射した入射光のビームスポットを縮小化することにより、高記録密度化を達成できる。この技術を上述のレーザー短波長化技術と合わせることで、更なる大容量の光ディスクを得ることができる。
【0005】
上記集光機能効果のメカニズムの一つは、吸収飽和現象であり、集光機能層がその吸収飽和量以上の強度をもつ光は透過させ、それ以下の強度の光は吸収するという非線形な光学特性を利用した現象である。読み書きに利用されるレーザービームの空間的な強度はガウス分布となっているため、ビームが集光機能層を通過することにより強度の低い裾野の部分は集光機能層によって吸収され、中心部分の強度の高い部分では光が透過する。このため、透過後のビーム径を縮小することができる。
【0006】
現在、このような層を構成する材料として、特開平8−96412号に見られるようなフタロシアニン系の有機膜やカルコゲナイド系化合物等が挙げられる。この他、同じく有機材料で、特開平6−162564号記載のサーモクロミック材料や、特開平6−267078号記載のフォトクロミック材料を用いる試みも知られている。
【0007】
しかしこれらのサーモクロミック材料、フォトクロミック材料を用いた集光機能材料では、光照射による加熱や光による励起によって材料の消衰係数が上昇し、透過率や反射率が低下し、読み出しに必要なレーザーパワーが低下する。そこで、特開2001−273679号では、所定の閾値を越える量の光照射により選択的に消衰係数が大きくなる超解像再生膜(集光機能材料)の光照射側に低屈折率層及び高屈折率層からなる積層干渉層を設けている。干渉層の作用により光照射時の反射率の増加を利用している。
【0008】
特開2000−34381号には、光照射により光透過特性が変化するマスク層を含む光記録媒体が記載されている。このマスク層は本発明における集光機能層に対応するものである。特開平10−340482号には、超解像膜として考えられている有機膜の耐久性を向上することを目的として、照射光の強度分布と透過した光の強度分布が非線形に変化するガラス層を用いた記録媒体が記載されている。またここで用いられている超解像膜とは、本発明における集光機能層に対応するものである。
【0009】
【特許文献1】
特開平8−96412号公報(請求項5)
【特許文献2】
特開平6−162564号公報(要約)
【特許文献3】
特開平6−267078号公報(要約)
【特許文献4】
特開2001−273679号公報(要約)
【特許文献5】
特開平10−340482号公報(要約)
【特許文献6】
特開2000−348381号公報(請求項1)
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超解像膜を用いる上記公知例のいずれにおいても光情報記録媒体のS/N比が低いという問題があった。本発明の目的は、超解像膜を用いた光情報記録媒体のS/N比を向上することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光情報を記録する記録部と、複数の薄膜を積層した積層部と、それらを支持する基板とを有し、レーザー光の照射中、分光反射率曲線における光吸収ピークが前記レーザー光照射前に対して長波長側、あるいは短波長側にシフトする光情報記録媒体が提供される。また、この情報記録媒体を用いた光情報記録装置が提供される。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の光情報記録媒体の実施態様を具体的に説明する。基板上に直接または他の層を介して形成された光情報を記録する記録部と、その上部又は下部に直接又は他の層を介して形成された2種類の誘電体層1と誘電体層2を周期的にn(n=2〜30)サイクル繰り返し積層して構成される積層部とから構成される。この2種類の誘電体層1、2のいずれかの層の屈折率が、上記光情報を読書きするために照射されるレーザー光の強度の上昇に伴い、可逆的に上昇あるいは低下し、かつ消衰係数が可逆的に低下する。特に5サイクル以上、とりわけ10サイクル以上が好ましい。
【0012】
さらにこの光情報記録媒体は、前記光記録部と、その上部又は下部に直接又は他の層を介して形成された2種類の誘電体層2と誘電体層3を周期的にnサイクル(n=2〜30)及びmサイクル(m=2〜30)繰り返し積層して構成される2つの積層部及びこの2つの積層部に挟まれて形成される一層の誘電体層1から構成される。この誘電体層1の屈折率が、上記光情報を読書きするために照射されるレーザー光の強度の上昇に伴い、可逆的に上昇あるいは低下しかつ消衰係数が可逆的に低下する。
【0013】
上記光情報記録媒体の誘電体層1、誘電体層2または誘電体層3の各層の膜厚と、0.16GW/m2以下の強度を有するレーザー光で測定される屈折率の積が、レーザー波長の0.15倍以上0.35倍以下である。すなわち照射光波長の約4分の1である。
【0014】
第1の誘電体が、照射光に対してある閾値以上の光量または強度に対して消衰係数(屈折率の虚部であり、吸収係数に比例する。この値が大きいほど暗い材料である。)が減少または低下する薄膜を用いる。
【0015】
上記誘電体層1の好ましい材料としてはコバルト、鉄、ニッケル、バナジウム、マンガン、クロム、カドミウム、銅、銀、白金、金の少なくとも一種から選ばれる遷移金属の酸化物あるいは硫化物がある。またこれらの遷移金属粒子が分散されたガラスからなる薄膜である。誘電体層2または誘電体層3はシリコン、亜鉛を含有する酸化物、窒化物、硫化物を含有する。好ましくは上記誘電体層1がCo3O4であり、誘電体層2はSiO2、ZnS−SiO2、Si3N4から選ばれる誘電体層である。第1の誘電体第2の誘電体、及び第3の誘電体はそれぞれ照射光に対して異なった屈折率を有する。光情報記録媒体の上記光記録層は基板上に形成された読取専用の突起又は溝、または基板上に直接又は他の層を介して形成された読書き、消去が可能な光記録層である。
【0016】
本発明の好ましい情報記録媒体は、光情報を記録する記録部と、複数の薄膜を積層した積層部と、それらを支持する基板とを有する。そして、レーザー光の照射中、分光反射率曲線における光吸収ピークが前記レーザー光照射前に対して長波長側、あるいは短波長側にシフトする。上記吸収ピークの立ち上がり角度が60°以上であることが好ましい。この急峻なピークの立ち上がり特性を持つことによって、S/N比が高い情報記録媒体が得られる。
【0017】
(実施例)
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【0018】
(実施例1)
図1に、本発明で作製した読書き、消去可能なRAM構造を有する光情報記録媒体の断面構成図を示す。図1において、1は基板、2は反射層、3は保護層、4は記録層、5は集光機能層であり、これは誘電体層6と誘電体層7との繰り返し積層膜で構成されている。8はカバー層である。読書きに用いるレーザー光はカバー層8側から入射され、各層を透過し、また各層界面で反射したのち、反射層2で反射して図には示されていない光検出器に入る。本発明では、1の基板に厚さ1.1mm、直径120mmのポリカーボネートの基板を用いた。この基板に、内径15mmφの基板チャックの穴を形成した。また2の反射層としてAl−3%Tiからなる合金層を用いた。膜厚は50nmである。また3の保護層として80ZnS−20SiO2(mol比)の薄膜を用いた。膜厚は70nmである。記録層4として10Ge−70Sb−20Te(mol比)からなる記録層(厚さ20nm)を形成した。集光機能層5を構成する誘電体層6として厚さ70nmのCo3O4層と、誘電体層7として厚さ70nmの80ZnS−20SiO2(mol比)を形成した。本実施例では、この誘電体層6及び7を5サイクル形成した例について示した。ここで、1サイクルとは誘電体層6、7をそれぞれ一層ずつ、1対を形成した場合の積層膜を指す。従って5サイクルでは各誘電体層を5層ずつ合計10層成膜したことになる。さらにカバー層8に、厚さ0.1mmのポリカーボネートシートを紫外線硬化樹脂を用いて貼り付けた。貼り付けは、成膜後のポリカーボネート基板上に紫外線硬化樹脂をスピンコートにより均一に塗布した後、この基板と同じ内外周径を持つポリカーボネートシートを基板上に完全に重なるように載せた。その状態で上部より紫外線をUVランプにより照射し、樹脂を硬化させた。
【0019】
2から7の各層はすべてスパッタリング法を用いて形成した。2の層はDCマグネトロンスパッタ法を用いて、また3から7の層はRFマグネトロンスパッタ法を用いて形成した。スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、ガス圧を約0.7Paとした。各層とも152.4mmφのターゲットに0.2kWから1kWのパワーを印加し、基板を自転、公転させて成膜した。
【0020】
図16に、この光ディスクの断面斜視図を示す。図16において、1は基板、200は図1に示す層2〜8からなる積層膜であり、201は情報をもって記録された記録パターンである。図16に示すように、本実施例で検討した光ディスクは、ランド−グルーブ構造を有しており、ランド部、グルーブ部ともに記録される。
【0021】
この積層体に波長405nmの半導体レーザーを開口数0.8の集光レンズを用いて成膜面側から集光照射することによって光情報の記録、再生、消去を行い、光ディスクの特性評価を行った。
【0022】
図1の5に示すような屈折率や消衰係数の異なる誘電体層(6、7)の周期構造をもつ誘電体膜の積層体から構成される集光機能層は、一般に、一次元のフォトニッククリスタル、あるいは誘電体多層膜と呼ばれる構成のものである。本発明の光ディスクでは、この集光機能層のうち、誘電体層6は、その屈折率及び消衰係数がレーザー照射時にその強度に応じ、または特定の閾値以上の強度において可逆的に変化するものである。
【0023】
まず、この誘電体層6単層の膜を平板なガラス基板上に成膜し、レーザー照射による屈折率変化を求めた。図2に、屈折率、消衰係数変化の測定に用いたエリプソメーターの模式図を示す。図2において、1は基板、6は誘電体層、9はパルス発生器、10は光源、11は偏光子、12は入射光、13は反射光、14は検光子、15はフィルター、16は受光器、17はデジタルオシロスコープ、18は制御用コンピューター、19は焦点レンズである。光源10として波長650nm及び405nmの半導体レーザーを用いた。このレーザーを、パルス発生器9を用いて所望の強度、時間を有するパルス光とした。このパルス光を偏光子を用いて光の振動面が試料表面に平行な光(s偏光)と垂直な光(p偏光)になるように偏光させた。また焦点レンズ19を用いてこのレーザー光を試料表面に集光させた。このとき、波長が650nmの場合は集光部のレーザー径は0.9μmであった。また波長が405nmのとき、0.6μmであった。
【0024】
このような偏光を試料に照射すると、試料の膜厚、屈折率、及び消衰係数によってs偏光とp偏光の反射率と位相が異なる。従って、膜厚を予め測定しておき、s偏光とp偏光の反射率比、位相を求めることにより、屈折率と消衰係数を推定できる。ここで、一般的に複素数表示された屈折率の実部が屈折率(n)、虚部が消衰係数(k)である。kは材料の光の吸収に関するパラメータであり、吸収係数に比例した無単位の物理量である。
【0025】
反射光の受光側に検光子14を置き、検光子の角度を回転させ、それぞれの検光子角度で得られる反射光量からs偏光とp偏光の反射率比、位相を求めた。検光子角度は一回転を12分割した各角度で測定した。また受光器は許容量以上の光が入射されると適切な解析が不能になるため、各パルス光の強度に応じたフィルター15を設置して受光器に入る反射光量を調節した。
【0026】
反射光は受光器に導入される光をデジタルオシロスコープ17で時間分割し、2nsごとに測定した。またパルス光が入射される50ns前(−50ns)から測定を開始し、パルスが発生してから100nsの間測定した。また一回の測定ではレーザーや受光器のばらつきや電気的なノイズによりC/N比が低く、精密な測定ができない。そこで、それぞれの測定を128回積算してその平均値を求めた。レーザー光照射前の屈折率は、時間が−50nsから0nsの間の屈折率の平均値、あるいはパルス光を照射しないときの−50ns〜100nsの屈折率の平均として求めた。またレーザー照射中の屈折率は、パルス立ち上がり後50ns〜100nsの間に測定される屈折率の平均値として求めた。
【0027】
図3に、この誘電体層6としてCo3O4を用い、この膜単層のレーザー強度に対する屈折率及び消衰係数の変化を示す。なお、このデータは参考文献(Applied Physics Letters,81巻、6号、999〜1001ページ、2002年8月5日発行)に記されている。レーザー波長は405nmである。図3において、横軸は時間であり、時刻0からレーザーパルスが立ち上がる。レーザーパルスを発生させないときの光強度は0.16GW/m2であり、このときの屈折率は1.9であった。レーザーパルス強度上昇によって屈折率は大きく上昇し、レーザーパルス強度が8.2GW/m2のとき2.7と、その変化量は42%となった。またレーザーパルス強度が1.0GW/m2のときの屈折率は約2.1であり、10.5%程度の屈折率変化が見られた。また消衰係数もレーザー強度変化に応じて変化しており、0.85から0.65と、約24%低下していた。この屈折率の変化の応答速度は図2のパルス立ち上がりに対するレーザー強度の立ち上がり速度から、ナノ秒以下であることが推定される。
【0028】
レーザーパルス強度に対する屈折率及び消衰係数の関係を図4、図5に示す。これらの図には図2の装置を用いて図3と同様の測定を波長650nmの赤色レーザーの場合について行った結果についても同時に示す。波長405nmの青色レーザーの場合は図3で述べたように屈折率が1.9から2.7に上昇するが、波長650nmの赤色レーザーの場合は、屈折率は3.3から3.0に低下した。一方、消衰係数は405nmでは0.85から0.65に、また650nmの場合は1.15から0.6に、いずれも低下した。
【0029】
図5に示すように、本発明で用いた集光機能層は消衰係数がいずれの波長においても低下した。また図4に示すように、屈折率は波長405nmの青色レーザー照射の場合は上昇し、波長650nmの赤色レーザーの場合は低下していた。
【0030】
前記参考文献によれば、この材料の上記のような屈折率変化は、バンドフィリング現象と呼ばれるメカニズムによって生じている。図18、図19に、バンドフィリング現象を説明する図を示す。図18は、消衰係数の波長依存性、図19には屈折率の波長依存性を示す。本実施例で用いたCo3O4薄膜は、丁度650nmに相当するエネルギーを有する光学バンドギャップを有している。そのため、この波長より短い、つまりエネルギーの高い光を照射した場合にはこのバンドギャップに相当する位置に存在する電子が光を吸収し、励起状態となる。従って図18に示すように、長い波長の光は消衰係数が小さく、短い波長の光に対する消衰係数は大きい。
【0031】
電子が励起されると徐々にエネルギーの低い準位に存在する電子が励起状態に達するが、この場合、最初に励起された電子よりも高いエネルギーの励起準位に励起される。すなわち、バンドギャップのエネルギーは最初に励起された電子に比べて高くなっていることが分かる。そうすると、エネルギーの低い長波長の光は吸収されなくなるため、光の吸収係数、つまり消衰係数が低下することになる。このような傾向は全波長域について起こるため、すべての波長に対して消衰係数は低下することになる。より低いエネルギーの光は吸収されなくなるため、全体的に光の吸収は短波長側にシフトしたともいうことができる。
【0032】
一方、図19に示すように、屈折率は消衰係数のクラマース・クローニッヒの関係を用いて算出され、バンドギャップエネルギーにおいてピークを持つ。屈折率の波長依存性も、消衰係数の短波長側へのシフトに伴い同様にシフトする。その結果、バンドギャップ近傍では屈折率は低下し、バンドギャップより短い波長域では逆に屈折率は上昇するということが分かる。つまり、バンドフィリング現象による屈折率変化では、高強度のレーザー光照射によって全波長域で消衰係数は低下し、屈折率は波長によって上昇したり低下したりする。
【0033】
このようにレーザー光照射によって屈折率が変化する誘電体層を用いて作製した集光機能層5の光学特性を評価した。評価は以下のようにして行った。まず、図16に示すようなランド−グルーブ構造や記録ピットなどの凹凸を有さないミラー面と呼ばれる平坦な部位を持つ光ディスク基板に、図11に示す膜構成と同様の積層薄膜を形成する。波長405nmのレーザー光をディスクのミラー面に対して垂直に入射し、ピックアップによって反射光量を測定し、入射光量に対する反射光量を測定した。そして図4に示す結果より、各入射光量に対応する誘電体層6の屈折率を求め、これから誘電体層6の屈折率に対する反射光量の変化を求めた。なお、成膜の方法、ディスクの作製方法などは、先に記した図1の光ディスクの作製方法に準じた。
【0034】
図6に誘電体層6、7の積層サイクルを変化させたときの誘電体層6の屈折率変化に対する波長405nmのレーザー光の反射率を示す。本検討では、積層サイクルを1〜30サイクルと変化させた。また、誘電体層6、7の膜厚は、膜厚と屈折率の積がレーザー波長405nmの0.25倍となるようにした。誘電体層6では、Co3O4層の強いレーザーが照射されていないときの屈折率が1.9であることから、53.3nmとした。また誘電体層7では、屈折率が2.3であることから、その膜厚を44.0nmとした。
【0035】
図6に示すように、積層サイクルが1のときは、誘電体層6の屈折率が1.9のとき、集光機能層5の反射率を0.05と小さくすることができた。そして、この誘電体層6の屈折率が2.7に変化すると反射率が0.27に上昇する。また2サイクルとすると反射率変化量は0.05から0.52と、1サイクルの場合に比べてさらに大きな反射率比が得られた。従って積層サイクルを1から2に上昇させるだけで、同じ屈折率変化のとき大きな反射率変化が得られる。さらにサイクル数を増加していくと、10サイクルでは屈折率を1.9から2.2に変化させることにより反射率を約0.05からほぼ0.92と非常に大きく変化させることができた。図6を見ると、積層サイクル数が多いほど誘電体層6の屈折率変化が小さくても大きな反射率変化が得られることが分かった。したがって、積層サイクル数は5以上特に10以上が好ましい。
【0036】
次に、この積層体からなる集光機能層のサイクル数を変化させたときの透過率の変化を評価した。図7に、サイクル数に対する透過率を示す。この透過率変化を見ると、サイクル数の上昇に伴って膜厚が厚くなるため、透過率が減少していく傾向が見られた。サイクル数が30サイクルを超えると透過率が急激に小さくなることが分かった。このことから、サイクル数は30サイクル以下であることが好ましい。
【0037】
またサイクル数が少ない場合には反射率を高くすることができないため、好ましくはサイクル数が5サイクル以上であれば誘電体層6の屈折率変化によってさらに大きな反射率変化が得られた。従って、サイクル数は5サイクル以上30サイクル以下とすることが好ましい。
【0038】
次に、誘電体層6、7の膜厚変動による反射率変化を検討した。図8に、サイクル数を5としたときの誘電体層6及び7の膜厚に対する反射率の変化を示す。横軸は波長(λ)に対する膜厚(d)と屈折率(n)の積の比(dn/λ)をプロットした。この図のように、dn/λが0.25のとき、反射率を0.05程度まで小さくできるが、この値から外れると反射率が大きくなった。この結果、屈折率変化が生じても反射率の変化としては大きく現れず、好ましくない。図8より、誘電体層6、7とも、dn/λが0.15以上0.35以下であれば、反射率は0.10以下となり、良好であった。一方、dn/λが0.15未満あるいは0.35を超える場合には反射率が0.10を超えるため、反射率変化を大きくすることができず、好ましくなかった。以上より、誘電体層6及び7の膜厚はdn/λが0.15以上0.35以下であることが好ましい。
【0039】
次に、誘電体層6として、いろいろな酸化物について検討を行った。表1に、本発明で検討した誘電体層6を用いて作製した集光機能層5の屈折率変化及び反射率変化を示す。レーザー波長は405nmとし、強度は1.0GW/m2とした。誘電体層7には80ZnS−20SiO2(mol比)を用い、膜厚は44.0nmとした。誘電体層6の膜厚は各実施例ともnd/λ=0.25となる膜厚とした。積層サイクルは5とした。
【0040】
【表1】
【0041】
なお、表1において、n1、k1、R1はレーザー強度0.16GW/m2で測定される屈折率、消衰係数及び反射率であり、n2、k2、R2はレーザー強度1.0GW/m2で測定される屈折率、消衰係数及び反射率である。また屈折率変化量Δn、消衰係数変化量Δkは以下の式によって求めた。
【0042】
Δn=(n2−n1)/n1×100
Δk=(k2−k1)/k1×100
また反射率差ΔRは
ΔR=R2−R1
として求めた。評価の項目では、反射率差ΔRが0.7以上の場合を◎、0.4以上0.7未満の場合を○、0.4未満の場合を×として評価した。
【0043】
表1の試料No.1〜8は、電子励起による吸収の変化による屈折率変化を示す材料であり、いずれも消衰係数が低下する材料である。このうち、試料No.1〜7は遷移金属酸化物の薄膜を誘電体層6として作製した集光機能層5についての評価結果である。また試料No.8はカドミウム硫化物薄膜を用いた場合の評価結果であり、さらに試料No.9〜11は金、銀、銅の微粒子をSiO2ガラス中に分散させて形成した薄膜を用いた場合である。また比較例として、SiO2を誘電体層6として用いた場合、及び消衰係数の増加するフォトクロミック材料であるCuClについて示した。
【0044】
表1の試料No.1のコバルト酸化物であるCo3O4を用いた場合、屈折率、消衰係数の変化量も大きく、反射率差は0.85と非常に良好な結果が得られた。また試料No.2〜11の酸化物、CdS、及び金属微粒子を分散したガラス薄膜では、屈折率変化量Δnは約7〜9%程度であり、反射率差は0.45〜0.67であった。また比較例1のSiO2の場合は、レーザー光強度を変化させても屈折率、消衰係数はほとんど変化せず、反射率差も0.01と低かった。また比較例2のCuClを用いた場合、屈折率はほとんど変化せず、消衰係数が0.1から0.5へ上昇した。この場合、反射率が0.13低下してしまうため、良好とはいえなかった。
【0045】
以上のように、消衰係数の減少する材料を用いて積層構造を作製した場合、反射率を低下させることなく大きな反射率変化を得ることができた。反射率差が大きい材料としては、コバルト酸化物(Co3O4)が最も良好であった。また鉄、ニッケル、バナジウム、クロム、マンガンの酸化物、またはカドミウム硫化物も良好であることが分かった。またSiO2ではほとんど屈折率が変化せず、良好ではなかった。以上より、集光機能層を構成する誘電体層として、コバルト、鉄、ニッケル、バナジウム、クロム、マンガンの酸化物、またはカドミウムから選ばれる遷移金属酸化物、あるいは硫化物が好ましい。特に好ましくはコバルト酸化物(Co3O4)であれば非常に大きな反射率差を得ることができた。
【0046】
(実施例2)
次に、この集光機能層を搭載した図1および図16に示すRAM構造の光ディスクの微細なピットの記録再生特性を評価した。
【0047】
図9に、本実施例で使用した光情報記録再生装置のブロック図を示す。光記憶媒体としての光ディスク(100)の種類を判別する媒体判別手段(101)を有している。光ディスクは、モータ回路制御手段(102)により制御されるモータ(103)の回転軸に、直接または間接に接続された回転機構に一時的に固定される。光ピックアップ(104)内の光源であるレーザーと反射光を検知する検知部により、光ディスクの情報を光信号として読取る。また、ピックアップ内の光源により、光ディスクに情報を記憶する。またピックアップはピックアップ移動ドライバ(123)によりトラック方向の位置決めがなされる。
【0048】
光信号は、プリアンプ(105)、読出し信号処理手段(106)、アドレス読取手段(107)、クロック同期信号読取り手段(108)を経て、再生信号復調手段(109)を介し、再生データ送出手段(110)により、装置外へ出力される。再生データは、表示装置やスピーカ等の所定の出力手段により出力されるか、または、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置により、データ処理が行われる。
【0049】
本実施例では、通常の記録再生に用いられる回路系のほか、任意のレーザー波長を選択可能なレーザー選択手段(111)を設けた。レーザー選択手段の出力に基づき、レーザーパワー制御情報解析手段(112)の解析に基づいて、ピークパワー決定手段(113)にて使用されるピークパワーが決定される。また、同様に読み出しパワー決定手段(119)にて読み出しパワーが決定される。
【0050】
ピークパワー決定手段(113)の出力がパワー比決定手段(114)を介して記録パワーDCアンプ(115)と消去パワーDCアンプ(116)を経由してレーザードライバ(117)に入力され、ピックアップ内の光源を制御する。同様に読み出しパワーDCアンプ(118)を介して読み出しパワー決定手段(119)の出力はレーザードライバ(117)に入力され、ピックアップ内の光源を制御する。また、実際のレーザーとしては650nm、405nmの半導体レーザーを搭載した。
【0051】
波長により焦点や焦点深度が異なるため、レーザーの選択に伴いオートフォーカシング機構可能な構造とした。さらに、ディスクに集光機能層が搭載され、トラッキング幅が細くなるのに対応して、トラッキング誤差検出手段(126)に高密度記録用のものを別に設け、媒体にあわせたトラッキングができるようにした。このトラッキング誤差検出手段(126)の情報はコントローラ(124)、ピックアップ制御回路(125)を介してピックアップに伝達される。また、媒体の反射率差を利用して媒体の種別判別機構を設け、これにより媒体種の違いにあわせてオートでトラッキングできるように設計した。
【0052】
データ記録の際は、記録データ受入手段(120)から記録データが入力され、記録データ変調手段(121)でデータ変調され、記録タイミング補正手段(122)を介してレーザードライバに入力され、ピックアップ内の光源を制御する。
【0053】
図9のような構成とすることにより、波長の異なる光記録媒体をコンパチブルに使用できるだけでなく、大容量化などにより記録容量の異なるディスクを一台の装置で取り扱うことが可能となる。なお、光情報再生記録装置は、その目的・用途により、適宜その構成に変更を加えて使用しても良い。
【0054】
本実施例では、屈折率の変化する誘電体層6としてCo3O4薄膜を用いた。また、比較例として、この集光機能層5を持たない光ディスクを作製し、同様の評価を行った。
【0055】
図10に、等間隔に等形状の記録ビットを作製したRAMディスクの、その記録ビットの長さ(マーク長)に対する再生出力強度(C/N比)を示す。読み出しのレーザー波長は405nmとし、レーザーパワーは0.5mWとした。再生出力は集光機能層5を形成した実施例の方が、形成しない比較例に比べて短いマーク長に対して高くなっていることが分かった。このことから、集光機能層を形成した場合、より短いマーク長に対して再生可能であることが分かった。このことから、RAMディスクに対して、集光機能効果を確認することができた。
【0056】
なお、表1中の試料No.1〜11に記載した材料を誘電体層として作製した集光機能層5では、すべての材料において上記の場合と同様の集光機能効果が確認できた。しかしながら比較例1のSiO2を誘電体層として用いた場合には、上記のような集光機能効果を確認することができなかった。
【0057】
(実施例3)
次に、読取り専用のROMディスクを作成し、集光機能層の有無による集光機能効果について検討した。図11に、本発明で作製したROMディスクの断面の概略図を示す。図11において1は基板、2は反射膜、5は誘電体層6、7の繰り返しから構成される集光機能層、8はカバー層である。また20は基板上に形成された情報ピットである。基板1は、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ガラスなどが、仕様に応じて用いられる。本実施例ではポリカーボネート基板を用いた。また本実施例で作製したROMディスクは、RAMディスクと同様、図16に示すようなランドグルーブ構造によりトラッキングがなされている。いずれのトラックにも情報が書き込まれている。
【0058】
ROMディスクは以下の工程によって作製した。まず、フォトレジスト上にレーザーを用いて情報を持ったピットパターンを形成した。その後Ni金型にピットパターンを複写し、この金型にポリカーボネートを射出成形することによって基板を形成した。この基板上に膜厚50nmの反射膜2を形成した。基板1の厚さは1.1mmであり、カバー層の厚さは0.1mmとした。なお図11に示す膜の成膜方法、カバー層の形成方法などは図1のRAMディスクを作製する場合と同様とした。
【0059】
本実施例では、集光機能層5として表1中の試料No.1〜11の薄膜を誘電体層6として形成したものを用い、集光機能特性を評価した。また、比較例として、誘電体層6として表1中の比較例1に示したSiO2を用いた場合、及び集光機能層を形成しない場合の例についても検討した。
【0060】
作製した光ディスクに形成された集光機能層の組成及び読み出しパワーを1mW、2mW、3mW、4mWとしたときの低周波成分(2MHz)と高周波成分(10MHz)の再生出力特性を調べ、集光機能特性の評価を行った。集光機能特性の評価結果を表2に示す。ここで、集光機能特性とは、光の波長によって定まる回折限界以下の記録ビットを高出力で読み出すことが出来る現象をいう。読み出しに用いたレーザー光は波長405nmの半導体レーザーである。
【0061】
【表2】
【0062】
再生出力特性の周波数依存性はスペクトラムアナライザーにより解析した。図17に、スペクトラムアナライザーによる再生出力特性の測定例を示す。図17では表1試料No.1のCo3O4を誘電体層6として形成したディスクと集光機能層を形成しないディスクにおける再生出力特性を示した。再生レーザーパワーは共に1mWである。
【0063】
集光機能層として試料No.1の膜を形成した場合、比較例に比べてより高周波成分まで出力レベルが高いことが分かった。ROMディスク上では、信号の高周波数成分はより緻密なピットパターンで描かれることから、集光機能層を形成した場合には、より微細なピットパターンまで読取って再生出力していることを示している。このことから、比較例No.1の集光機能層を形成した場合には、集光機能効果が得られている。この現象は、集光機能層がレーザー照射時のみ屈折率が変化することによって生じる。
【0064】
この屈折率変化による集光機能効果について図12および図13を用いて詳細に説明する。図12、13において、20は記録ビット、21はレーザービームである。図12は、集光機能層を有さない場合、図13は集光機能層を有するときの再生時の記録ピットパターンとレーザー反射光の反射光量を示す図である。トラックに対して、レーザーが図中の矢印方向に進行する。図12のように、集光機能層を有さない場合、全てのレーザー照射領域で等しい反射率となるため、全ての領域から反射光が戻る。従って、このレーザーの全領域の情報が一度に受光される。その結果、ピット部分とピット以外の部分は全て反射光の平均となり、ピットのみからの情報が少なくなる。このため、ピット部分とピット以外の部分の反射率差が小さくなり、すなわちC/N比の悪い再生信号となる。
【0065】
一方、図13のような集光機能層を有する場合の再生について考える。レーザー照射により集光機能層の屈折率が変化するため、レーザー照射領域の前方(図中B)は、レーザー照射されてからの時間経過が短いため、屈折率が変化していない領域となる。一方、レーザー照射領域の後方(図中A)では、レーザーが照射されてから時間経過が長いため、屈折率が変化している領域である。反射膜、保護膜などの屈折率、膜厚などの光学設計により、ある屈折率状態では光の反射率を極端に小さくし、従ってマスク領域を作ることが可能である。今、反射膜の屈折率が変化しない状態で反射率を小さくした場合を考えると、領域Bからは光が反射されない状態を生じさせる。
【0066】
このような状態のとき、集光機能層の屈折率が変化すると上記の光学設計から外れるため、反射率が上昇する。つまり、集光機能層の屈折率が変化した部分(領域A)のみから光が反射される状態となる。このような状態のとき、図12の通常の再生に比べて反射光が帰ってくる領域が狭いため、ピットからの信号光とピット以外からの信号光をC/N良く高コントラストで読み出すことが出来る。すなわち、集光機能層のレーザー照射による屈折率変化により、集光機能効果が生じる。この結果、図10に示したような微細ピットの再生が可能になる。
【0067】
表2中の集光機能効果の判断は、以下のように行った。図17のようなスペクトルから、各再生出力における2MHzと10MHzにおける出力を読み取った。レーザー光強度1mWで、高周波信号である10MHzにおける出力が20dB以上の場合を◎、13dB以上20dB未満の場合を○、8dB以上13dB未満を△とし、集光機能効果があったものと判定した。また8dB未満の場合を×とし、集光機能効果が得られなかったと判断した。
【0068】
試料No.1のCo3O4薄膜では、1mW、10MHzの出力が20dB以上となり、集光機能効果は◎であった。また試料No.2〜11の薄膜を用いた場合、1mW、10MHzの出力が13dB以上20dB未満となり、評価結果は○であった。一方、比較例1、比較例2では、2MHzでは高い出力が得られたが、10MHzでは出力は弱く、集光機能効果は認められなかった。
【0069】
以上より、本発明の集光機能層をROM型の光ディスクに形成した場合、良好な集光機能効果が得られた。従って、本発明の集光機能層を有するROMディスクのような光情報記録媒体は、微細な記録ビットを感度よく読取ることが可能であった。
【0070】
(実施例4)
次に、繰り返し再生に対する膜の劣化を検討した。評価は、図1に示すRAMディスクに繰り返し再生信号光を照射し、再生出力を検出することによって行った。レーザー波長は405nm、レーザーパワーは1mWである。記録マークのマーク長は0.2μmである。集光機能層を形成する誘電体層6として、表1中試料No.1のCo3O4薄膜を用いた。さらに、比較例として、フタロシアニン系有機膜を選んだ。
【0071】
図14に、繰り返し回数に対する出力を示す。有機材料系膜を形成したディスクでは、104回弱の繰り返し回数から徐々に出力が低下してくることが分かった。一方、本発明のガラス膜を形成したディスクでは、105回の繰り返しによってもほとんど出力の低下は見られなかった。以上のように、本発明の光ディスクは、繰り返しの再生によっても集光機能効果が保持されることが分かった。また、ガラス膜として表1中の他の試料No.2〜11薄膜を用いた場合でも、繰り返し再生に対して高い安定性を得ることができた。
【0072】
次に、本発明の集光機能層を用いた場合の応答速度を検討した。図1に示すDVD−RAM構造を作成し、マーク長は0.2μmで一定とした。読み出しのパワーは1mWで一定とし、回転の線速度を変化させた。また集光機能層を形成する誘電体層6として試料No.1のCo3O4膜を用いた。
【0073】
図15に、回転の線速度に対するC/N比を示す。本実施例の集光機能層を用いた場合、20m/秒程度では集光機能効果が得られ、高いC/Nが得られていることが分かる。しかし20m/秒を超えるとC/Nが低下することが分かる。これは、ディスクスピードが上昇するため、集光機能層の誘電体層6の屈折率変化が追随できず、記録部分と記録されていない部分の反射率差が十分得られなかったためと考えられる。以上より、本発明の集光機能層を用いた場合、ディスク回転速度が20m/秒以下であれば十分大きい屈折率変化が見られるため、高いC/Nが得られる。しかしながら、20m/秒を超えると屈折率変化が追随できなくなるため屈折率変化量が小さくなり、十分な集光機能効果を得ることが難しかった。
【0074】
(実施例5)
これまではレーザー照射により屈折率変化が変化する材料を誘電体層として積層する構成の集光機能層を有する光情報記録媒体について検討してきた。次に、レーザー照射により屈折率が変化する薄膜を一層のみ、誘電体の積層体中に形成した場合についての実施例を示す。図20に、本実施例で作製した光ディスクの断面膜構成図を示す。図20において、1は基板、2は反射層、3は保護層、4は記録層、208はレーザー照射により屈折率変化が変化する集光機能層である。これは誘電体層206と誘電体層207との繰り返しで形成される二つの積層膜205、及び205‘で挟まれて形成されている。また8はカバー層である。
【0075】
本実施例では、405nmの青色レーザー光の反射率を制御するため、誘電体層206として屈折率1.47のSiO2(厚さ69nm)を形成した。また誘電体層207として、屈折率2.30の80ZnS−20SiO2(mol比)(厚さ44nm)を形成した。また屈折率が変化する集光機能層208として実施例1で検討したCo3O4薄膜(膜厚70nm)を用いた。それ以外の反射層、保護層、記録層は実施例1と同様とした。図20では積層膜205、205‘として各誘電体層を3サイクル、及び2サイクルの状態を記載しているが、実際には、これらの膜の積層サイクル数を5サイクル〜30サイクルと変化させてその特性の変化を調べた。
【0076】
集光機能層208を挟む二つの積層膜の積層サイクル数をいずれも10サイクルとして作製した図20に示すのと同じ膜構成を有する光ディスクを作製し、励起状態と定常状態における反射率の波長依存性を調べた。ここで励起状態とは強いレーザーが照射され、集光機能層の屈折率が変化した状態をさす。また定常状態とはレーザー強度が弱く、集光機能層の屈折率が変化していない状態を指す。
【0077】
この励起状態と定常状態における反射率の波長依存性を調べるため、図23に示すような実験系を作製した。図23において、210は励起用のナノ秒パルスレーザーであり、211は測定用のナノ秒パルスレーザーである。また212は光ディスク試料、213は光学フィルター、214はハーフミラー、215は光検出器である。また216はオシロスコープ、217は遅延ジェネレーター、218はミラーである。
【0078】
210、211の励起用、測定用ナノ秒パルスレーザーには、20Hzの周波数で5nsのパルスが発振されるYAGレーザー光源に、波長可変素子を通じてさまざまな波長が得られるYAG−OPOレーザーを用いた。測定可能波長域は約300nm〜約2000nmであった。本実験では励起用パルスレーザーの波長を405nmと固定し、測定用パルスレーザーの波長を350nmから750nmと変化させた。また励起用パルスレーザーは試料ディスクに対して45°の傾きで照射した。また測定用パルスレーザーは励起用レーザーが照射されている領域に、垂直に入射し、ハーフミラー214によって反射され、光検出器215に入る。測定用パルスレーザーと励起用パルスレーザーのパルス発生位置を同期させるため、遅延ジェネレーターを設け、オシロスコープで両者の時間を一致させた。
【0079】
測定用パルスレーザーの反射光量はオシロスコープに見られる電圧に比例することから、このオシロスコープの電圧を反射光量として計測した。このようにして、まず励起光を照射しないときの測定光の反射光量を測定し、測定レーザー光の波長を350nmから750nmまで1nm間隔でスキャンし、反射光量の定常状態におけるスペクトルを得た。同様の方法で、光ディスクにアルミ反射膜のみを形成した場合についての反射光量を測定しタ。このアルミ反射膜の反射光量で被試験光ディスクの反射光量をノーマライズし、被試験光ディスクの反射率を得た。この波長依存性を測定することにより、まず定常状態の反射率の波長依存性を得た。
【0080】
次に、測定光のパルスに同期させた波長405nmの励起パルスレーザーを照射し、全く同様に測定光の反射光量を測定し、励起状態における反射率の波長依存性を得た。このようにすることにより、光ディスクの定常状態と励起状態における反射率の波長依存性を測定することができた。なお、この実験では5nsのパルスレーザーを用い、測定光をディスクに垂直に入射しているため、光ディスクにおいて生じている非線形光学過程を模擬的に再現することが可能である。
【0081】
反射率の波長依存性を図21の実線で示す。全波長域にわたってほぼ90%程度の高い反射率を有しているが、波長405nm近傍において吸収があり、反射率が小さい(20%程度)。次にこの白色光が集光照射されている領域に波長405nmのレーザー光を照射し、反射率の変化を調べたところ、図21の破線に示すようなプロファイルとなった。すなわち、波長約413nm程度に吸収のピークがシフトしていることが分かった。このことから、波長405nmのレーザー光の照射前後で、吸収のピークがシフトし、波長405nmに着目すると反射率が20%から72%まで上昇していることが分かった。
【0082】
このような鋭利な波長特性は、図20に示すような繰り返し屈折率の異なる薄膜を積層し、その間に集光機能層のような全く光学特性の異なる薄膜を形成したために得られる現象である。またこのような特性は材料の膜厚、屈折率、消衰係数などの光学定数によって決定される。例えば図21に示すように、定常状態で405nmに吸収を持つように積層膜を形成した場合では、励起状態では集光機能層の屈折率が定常状態とは異なり、かつ膜厚などは一定のため、干渉条件が定常状態の場合と変化する。
【0083】
図21の場合は、反射特性が長波長側にシフトしたものであるが、光学設計の如何によっては短波長側にシフトする場合もありうる。このような場合でも例えば波長405nmに着目すれば反射率が大きく変化するので、好ましい。このような反射率変化を大きく起こさせるためには、それらピークの立ち上がり角度が60°より大きい場合に効果的であることがわかった。このようなときに、特定波長域で反射率の差がきわめて大きく、信号の解像度が高い。すなわちS/N比が高い。
【0084】
次に図20に示す膜構成を有する光ディスクを作製し、波長405nmにおける反射率の変化を調べた。ディスク回転数は10m/sである。図22に、レーザー光強度に対する反射率変化を示す。レーザー光強度の上昇に伴い、反射率が大きく上昇した。これは図21に示した変化が光ディスク上でも生じ、反射率が増大したものである。
【0085】
この光ディスクのマーク長に対するC/N比を計測したところ、マーク長0.1μm程度まで40dB近い高いC/N比が得られ、より細かいマークまで高出力で読書きできることが分かった。本実施例では集光機能層208を挟む積層体205、205‘の積層サイクルが同じ場合を示したが、図20に示すように、二つの積層体の積層サイクル数は任意であり、独立に変化させても問題がない。
【0086】
【発明の効果】
本発明の非線形光学薄膜により、記録密度が高く、S/Nの高い光情報記録媒体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例で作製したRAMディスクの断面の模式図。
【図2】本発明による非線形光学薄膜の評価光学系の模式図。
【図3】図2に示す評価光学系から得られたパルス光照射による屈折率と消衰係数の時間変化を示す図。
【図4】図3に示す屈折率のレーザーパルス強度に対する屈折率の関係を示す図。
【図5】図3に示す屈折率のレーザーパルス強度に対する消衰係数の関係を示す図。
【図6】集光機能層を構成する誘電体層のサイクル数を変化させたときの誘電体層の屈折率変化による反射率の変化を示す図。
【図7】集光機能層を構成する誘電体層のサイクル数を変化させたときの透過率変化を示す図。
【図8】誘電体層のdn/λを変化させたときの反射率の変化を示す図。
【図9】本発明で作製した光ディスク再生装置の概念図。
【図10】本発明による光ディスクの集光機能層の有無によるマーク長に対するC/N比の変化を示す図。
【図11】本発明の実施例で作製したROMディスクの断面の模式図。
【図12】通常のレーザーによる再生原理を示す図。
【図13】集光機能層を形成した場合の再生原理を示す図。
【図14】本発明の光ディスクの繰返し再生動作回数に対する出力の劣化を示す図。
【図15】本発明の集光機能層を搭載した光ディスクの線速度に対するC/N比の変化を示す図。
【図16】本発明の実施例で作製したRAM及びROMディスクの断面斜視図。
【図17】本発明の実施例で作製したROMディスクの信号周波数に対する出力を表す図。
【図18】本発明で用いた集光機能層の消衰係数の波長依存性を表す図。
【図19】本発明で用いた集光機能層の屈折率の波長依存性を表す図。
【図20】本発明で作製した光ディスクの断面構造の模式図を示す図。
【図21】図20に示した本発明で作製した光ディスク構造と同じ膜構成を有する積層薄膜の反射光の波長依存性を示す図。
【図22】図20に示した光ディスクの波長405nmのレーザー光を照射したときのレーザー強度と反射率の関係を示す図。
【図23】図22に示す反射率の測定を行った光学系を示す図。
【符号の説明】
1…基板、2…反射層、3…保護層、4…記録層、5…集光機能層、6…誘電体層1、7…誘電体層2、8…カバー層。
Claims (9)
- 基板上に直接または他の層を介して形成された光記録部と、該光記録部に直接または他の層を介して隣接する積層部とを有し、該積層部は情報の記録、読み出しのためのレーザー光に対してそれぞれ異なった屈折率を有する第1の誘電体と第2の誘電体とを2回以上積層して形成され、該第1および第2の誘電体層のいずれかの屈折率が該レーザー光の強度に対して可逆的に変化し、かつ消衰係数が可逆的に低下するものであることを特徴とする光情報記録媒体。
- 上記第1の誘電体層がCo、Fe、Ni、V、Mn、Cr、Cd、Cu、Ag、Pt及びAuからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素、それらの酸化物または窒化物の粒子を含む薄膜であり、上記第2の誘電体層はSi、TiまたはZnの酸化物、窒化物、または硫化物を含有する薄膜であることを特徴とする請求項1記載の光情報記録媒体。
- 上記第1の誘電体層がCo3O4を含む層であり、第2の誘電体層はSiO2、TiO2、ZnS−SiO2、Si3N4からなる群から選ばれた少なくとも一つを含む層であることを特徴とする請求項2に記載の光情報記録媒体。
- 基板上に直接または他の層を介して形成された光記録部と、該光記録部に直接または他の層を介して隣接する積層部と、上記光記録部と積層部との間、または積層部中に直接あるいは他の層を介して形成された第1の誘電体層を有し、該積層部は情報の記録、読み出しのためのレーザー光に対してそれぞれ異なった屈折率を有する第2の誘電体と第3の誘電体とを2回以上積層して形成され、該第1の誘電体層の屈折率が該レーザー光の強度に対して可逆的に変化し、かつ消衰係数が可逆的に低下するものであることを特徴とする光情報記録媒体。
- 上記第1の誘電体層がCo、Fe、Ni、V、Mn、Cr、Cd、Cu、Ag、Pt及びAuからなる群から選ばれた少なくとも一つの元素、それらの酸化物または窒化物の粒子を含む薄膜であり、上記第2および第3の誘電体層はSi、TiまたはZnの酸化物、窒化物、または硫化物を含有する薄膜であることを特徴とする請求項4記載の光情報記録媒体。
- 上記第1の誘電体層がCo3O4を含む層であり、第2の誘電体層はSiO2を含む層であり、第3の誘電体層はTiO2を含む層であることを特徴とする請求項5に記載の光情報記録媒体。
- 上記第1、2および3の誘電体層の膜厚と、0.16GW/m2以下の強度のレーザー光で測定されるそれぞれの層の屈折率との積が、レーザー波長の0.15〜0.35倍であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の光情報記録媒体。
- 基板上に直接または他の層を介して形成された光記録部と、該光記録部に直接または他の層を介して隣接する積層部とを有し、該積層部は情報の記録、読み出しのためのレーザー光に対してそれぞれ異なった屈折率を有する第1の誘電体と第2の誘電体とを2回以上積層して形成され、該第1および第2の誘電体層のいずれかの屈折率が該レーザー光の強度に対して可逆的に変化し、かつ消衰係数が可逆的に低下する光情報記録媒体と、
上記光記録部にレーザー光を照射しその反射光量を検出して情報を読み取る光ピックアップとを備えることを特徴とする光情報記録装置。 - 基板上に直接または他の層を介して形成された光記録部と、該光記録部に直接または他の層を介して隣接する積層部と、上記光記録部と積層部との間、または積層部中に直接あるいは他の層を介して形成された第1の誘電体層を有し、該積層部は情報の記録、読み出しのためのレーザー光に対してそれぞれ異なった屈折率を有する第2の誘電体と第3の誘電体とを2回以上積層して形成され、該第1の誘電体層の屈折率が該レーザー光の強度に対して可逆的に変化し、かつ消衰係数が可逆的に低下する光情報記録媒体と、
上記光記録部にレーザー光を照射しその反射光量を検出して情報を読み取る光ピックアップとを備えることを特徴とする光情報記録装置。
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