KR100429841B1 - Ｇｒｉｎ 렌즈를 구비하는 광 기록헤드 - Google Patents

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Abstract

GRIN 렌즈를 구비하는 광 기록 헤드에 관해 개시되어 있다. 개시된 헤드는 암(arm)에 연결되어 데이터 기록시에 데이터 기록막으로부터 소정의 거리로 부상되는 슬라이더와, 상기 슬라이더에 구비된 집광 수단으로써, 입사광을 집광시켜 상기 데이터 기록막에 근접한 자신의 출사면에 소정 사이즈의 스폿을 형성하는 GRIN 렌즈와, 상기 GRIN 렌즈를 향해 광을 방출하는 광 방출 수단을 구비한다.

Description

ＧＲＩＮ 렌즈를 구비하는 광 기록헤드{Optical head providing GRIN lens}
본 발명은 광 기록헤드에 관한 것으로써, 자세하게는 GRIN 렌즈를 구비하는 광 기록헤드에 관한 것이다.
고밀도의 정보 기록 매체, 예컨대 광 디스크에 데이터를 기록하고 재생하는데 사용되는 광 픽업 장치는 데이터 기록 및 재생 수단으로써 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저를 이용하여 상기 정보 기록 매체의 기록막에 소정의 데이터를 기록하거나 상기 정보 기록 매체의 기록막에 기록된 데이터를 재생시키는 헤드를 구비한다.
광 디스크와 같은 고밀도 정보 기록 매체(이하, 기록 매체라 한다)가 갖는 데이터 기록 밀도, 곧 데이터 기록 용량은 상기 기록 매체의 기록막에 도달되는 레이저의 스폿(spot) 사이즈에 의해 결정된다. 상기 스폿 사이즈는 상기 헤드에 적용된 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저의 파장과 헤드에 포함된 렌즈 광학계의 집광 능력에 의해 결정된다. 따라서, 상기 기록 매체의 용량은 기록에 사용되는 레이저의 파장이 짧을수록 그리고 헤드에 포함된 렌즈 광학계의 집광 능력이 클수록증가될 수 있다.
그런데, 이러한 방식의 기록 밀도 증가는 회절이라는 물리적 현상에 의해 제한된다. 따라서 회절 현상을 극복하면서 기록 밀도를 증가시킬 수 있는 새로운 광 기록헤드가 요구된다.
최근, 회절 현상에 의한 기록 밀도의 한계를 극복하여 초고밀도로 데이터를 기록할 수 있고 재생할 수 있는 광 기록헤드가 개발되었는데, 에반에슨트 커플링(evanescent coupling)을 이용한 근접장 광 기록헤드가 그것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 근접장 광 기록헤드의 렌즈 광학계를 개략적으로 나타낸 단면도로써, 참조번호 2는 디스크이고, 4는 디스크(2) 상에 코팅된 기록막이다. 기록막(4)에 근접해서 공기 부상형 슬라이더(6)가 구비되어 있다. 공기 부상형 슬라이더(6)와 기록막(4)은 데이터 기록에 사용되는 레이저의 파장 이하로 근접해 있다. 공기 부상형 슬라이더(6)를 통과하는 광축과 동일한 광축을 갖는 SIL(Solid Immersion Lens)(8)이 공기 부상형 슬라이더(6)의 기록막(4)과 대향하는 쪽에 탑재되어 있다. SIL(8)의 기록막(4)과 마주하는 면은 평면이고, 반대면은 반구면 또는 초 반구면이다. 따라서, SIL(8)은 평면이 공기 부상형 슬라이더(6)의 기록막(4)과 대향하는 면의 일부를 이루도록 탑재된 반구형 또는 초 반구형 렌즈이다. 공기 부상형 슬라이더(6)의 기록막(4)과 대향하는 면의 안쪽 SIL(8) 둘레에 헤드의 틸트 보정을 위한 자계 변조용 코일(10)이 구비되어 있다. 공기 부상형 슬라이더(6) 위쪽에 공기 부상형 슬라이더(6)와 동일한 광축을 갖는 대물렌즈(12)가 구비되어 있다.
대물렌즈(12)에 의해 집속된 레이저(L)의 스폿 크기는 SIL(8)을 통과하면서 급격히 작아져서 SIL(8) 바닥, 곧 기록막(4)에 근접한 위치에서는 SIL(8)에 입사되기 전 크기의 1/n(SIL(8)이 초반구형일 때는 1/n2)로 줄어든다. 이때, n은 SIL(8)의 굴절률이다.
SIL(8) 바닥의 스폿은 SIL(8)과 기록막(4) 사이의 거리가 레이저(L) 파장 이하로 유지되는 경우 에반에슨트 커플링에 의해 기록막(4)에 그대로 전달된다. 곧, SIL(8) 바닥에 맺힌 스폿이 기록막(4)에 맺힌 것과 같게 된다. 이렇게 해서 근접장 기록이 가능해진다.
도 1에 도시된 종래 기술에 의한 근접장 광 기록헤드는 두 개의 렌즈, 곧 대물 렌즈(12) 및 SIL(8)을 사용하여 광학계의 개구수(NA:Numerical Aperture)를 증가시킨다. 따라서, 기록막(4)에 도달되는 레이저(L)의 스폿 사이즈는 작아진다.
그러나 광학계의 개구수가 커지면, 상기 광학계를 구성하는 광학 요소들의 위치 변동에 대한 허용 오차(tolerance)가 작아진다. 때문에 도 1에 도시된 광 기록헤드의 렌즈 광학계의 수차를 줄이기 위해서는 대물렌즈(12)의 틸트(tilt), 디센트링(decentering) 및 SIL(8)과의 간격 등 광축의 정렬과 조정을 극히 정밀하게 하여야 하는데, 이것은 광 기록헤드의 코스트를 높이는 원인이 된다.
또한, 도 1에 도시된 종래 기술에 의한 광 기록헤드의 경우, 대물렌즈(12)와 SIL(8)의 사용이 불가피하기 때문에 전체 광학계의 체적과 중량 증가로 광 기록헤드의 엑세스 속도가 저하되는 문제점도 있다.
한편, 도 2는 도 1에 도시된 광 기록헤드가 갖는 문제점을 해소하기 위해 제시된 종래 기술에 의한 다른 광 기록헤드의 렌즈 광학계 구성을 개략적으로 나타낸 단면도인데, 참조번호 14는 GRIN 렌즈를 나타낸다. GRIN 렌즈(14) 좌측에 기록을 위한 레이저를 방출하는 반도체 레이저 다이오드가 구비되어 있으나, 편의 상 상기 반도체 레이저 다이오드로부터 방출된 레이저만을 도시하였다.
도 2에 도시된 종래 기술에 의한 광 기록헤드는 GRIN 렌즈(14)와 SIL(8)을 조합한 광학계를 사용함으로써, 광학계의 수차가 증가되는 것이 방지되면서 개구수가 커지고, 구성이 보다 간단해지는 이점이 있을 수 있다.
그러나 이 경우에도 GRIN 렌즈(14)와 SIL(8) 간의 광축 조정이 필요하고, 소형화와 경량화에 어려움이 있다.
도 3은 GRIN 렌즈를 사용한 종래 기술에 의한 또 다른 광 기록헤드의 렌즈 광학계를 개략적으로 나타낸 단면도이다. GRIN 렌즈(14)의 기록막(미도시)과 대향하는 면에 금속막(16)이 부착되어 있다. 금속막(16)의 가운데 부분에 상기 기록막과 대향하는 GRIN 렌즈(14)의 면의 일부가 노출되는 홀(18)이 형성되어 있다. 따라서, 금속막(16)은 GRIN 렌즈(14)를 통과하는 레이저의 방출을 제한하는 어퍼쳐(aperture)역할을 한다. 참조번호 20은 대물 렌즈(12)를 통해 GRIN 렌즈(14)를 향해 레이저를 방출하는 반도체 레이저 다이오드이다.
도 3에 도시된 종래 기술에 의한 광 기록헤드의 경우, SIL대신에 금속막(16)을 사용하기 때문에 광 기록헤드의 구성이 도 2에 도시된 종래 기술에 의한 광 기록헤드보다 간단해지는 이점이 있다.
그러나, 금속막(16)의 중앙에 중심이 광축과 일치하도록 관통홀(18)을 정확하게 형성하기 어려운 문제가 있다. 예를 들어, 직경이 200㎛ 정도이 GRIN 렌즈(14)의 상기 기록면에 대향하는 면에 금속막(16)을 형성한 다음, 금속막(16)의 중앙에 100㎚정도의 직경을 갖는 미세한 관통홀을 정확하게 형성하기는 극히 어렵다.
금속막(16)의 일부를 용융, 증발시킴으로써 원하는 관통홀을 형성할 수 있으나, 이것은 광 반사율이 낮고 흡수율이 높으며 융점이 낮은 극히 일부 재료에 한정된다.
또한, 일반적으로 광 파장보다 적은 사이즈의 관통홀을 광이 통과하는 경우에 광의 투과 효율(출사광의 세기/입사광의 세기)은 매우 낮아진다. 예를 들어 광 섬유를 사용하는 근접장 프로브(probe)의 경우 홀 사이즈가 100㎚일 때, 투과 효율은 10-4∼10-7정도이다.
이렇게 볼 때, 도 3의 광 기록헤드의 경우, 광 효율 저하로 인해 산업상 이용 가능성은 극히 낮다고 할 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 광 기록 헤드와는 대별되는 것으로서, 제조 및 구성이 간단하여 액세스 속도를 높일 수 있고, 원하는 광 스폿과 높은 광 효율을 얻을 수 있는 광 기록헤드를 제공함에 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 서로 다른 종래 기술에 의한 광 기록헤드의 렌즈 구성을 나타낸 단면도들이다.
도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 실시예에 의한 GRIN 렌즈를 이용한 근접장 광 기록헤드의 서로 다른 GRIN 렌즈 구성예 및 각 예에서의 GRIN 렌즈 굴절률 분포를 나타낸 단면도들이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 GRIN 렌즈를 이용한 근접장 광 기록헤드의 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 각각 도 6 및 도 7에 도시한 GRIN 렌즈를 이용한 근접장 광 기록헤드가 적용된 광 기록장치의 일부를 나타낸 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
38:GRIN 렌즈
40, 42, 44, 46, 48, 50:제1 내지 제6 GRIN 렌즈
G1:제1 GRIN 렌즈의 입사면에서의 레이저 세기 분포 곡선
G2:제1 GRIN 렌즈의 출사면에서의 레이저 세기 분포 곡선
G3:제2 GRIN 렌즈의 출사면에서의 레이저 세기 분포 곡선
G4 내지 G8:제3 내지 제6 GRIN 렌즈의 반경 방향 굴절률 분포 곡선
52:테이퍼링 형태의 GRIN 렌즈를 나타내는 점선
54:슬라이더 56:히트 싱크
58, 64:반도체 레이저 다이오드 60:디스크
62:기록막 66:서스펜션
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 암(arm)에 연결되어 데이터 기록시에 데이터 기록막으로부터 소정의 거리로 부상되는 슬라이더와, 상기 슬라이더에 구비된 집광 수단으로써, 입사광을 집광시켜 상기 데이터 기록막에 근접한 자신의 출사면에 소정 사이즈의 스폿을 형성하는 GRIN 렌즈와, 상기 GRIN 렌즈를 향해 광을 방출하는 광 방출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드를 제공한다. 이때, 상기 GRIN 렌즈는 입사광을 다단계로 집광시켜 상기 기록막에 근접한 출사면에 소정의 사이즈를 갖는 스폿을 형성하도록 구비되어 있다.
상기 GRIN 렌즈는 반경 방향의 굴절률 변화 파라미터가 다음 조건을 만족하는 두 영역을 갖는 단일체의 GRIN 렌즈이다.
ω1<ω2 (이때, ω1:광 방출 수단에 가까운 영역의 굴절률 변화 파라미터, ω2: 기록막에 가까운 영역의 굴절률 변화 파라미터)
이때, 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 그 저면이 상기 슬라이더의 상기 기록막에 근접한 면과 동일한 평면상에 위치하도록 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 저면으로부터 돌출되어 있다.
또한, 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 직경이 상기 기록막을 향해 점차 작아지는 테이퍼링 형태 또는 직경의 변화가 없는 원기둥 형태이다.
상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역은 입사광의 스폿이 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역과의 경계면에 형성되게 하는 소정의 길이를 갖는다. 그리고 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 상기 경계면에 형성된 스폿보다 사이즈가 작은 제2의 스폿을 자신의 출사면에 형성하는 소정의 길이를 갖는다.
상기 광 방출 수단은 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역으로부터 소정의 거리만큼 이격된 반도체 레이저 다이오드 또는 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 입사면 상에 구비된 반도체 레이저 다이오드이다. 후자의 경우, 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 입사면 사이에 레이저 발진 중에 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역으로부터 발생되는 열을 흡수하여 양자를 냉각하기 위한 히트 싱크가 더 구비되어 있다.
한편, 상기 GRIN 렌즈는 반경 방향의 굴절률 변화 파라미터가 다음 조건을 만족하는 제1 및 제2 GRIN 렌즈로 구성되어 있다.
ω1<ω2 (이때, ω1:제1 GRIN 렌즈의 굴절률 변화 파라미터, ω2: 제2 GRIN 렌즈의 굴절률 변화 파라미터)
이때, 상기 제1 GRIN 렌즈는 상기 슬라이더에 형성된 홀에 삽입 고정되어 있고, 상기 제2 GRIN 렌즈는 상기 제1 GRIN 렌즈의 저면 중심의 소정 영역 상에 돌출되어 있되, 그 저면이 상기 슬라이더의 상기 기록막에 근접한 면과 동일한 평면상에 위치하도록 돌출되어 있다.
상기 제2 GRIN 렌즈는 직경이 다른 복수의 GRIN 렌즈들로 구성되어 있되, 상기 기록막을 향해 갈수록 직경이 순차적으로 작아지도록 구성되어 있고, 굴절률 변화 파라미터는 증가하도록 구성되어 있다.
이러한 본 발명을 이용하면, 구성이 단순할 뿐만 아니라 구성 요소가 평판형태이기 때문에 조립이 용이하고 소형경량화가 가능하여 고속 데이터 액세스가 가능하다. 또한, 단순히 두 장의 GRIN 렌즈를 접촉하여 사용하기 때문에 광 손실을 최소화하면서 원하는 스폿사이즈를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 근접장 광 기록헤드를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 광 기록헤드에 적용된 GRIN 렌즈에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 광 기록헤드에 적용한 광학계의 반도체 레이저 다이오드(미도시)와 디스크의 기록막(미도시) 사이에 정렬된 GRIN 렌즈(38)의 단면이다.
도 4를 참조하면, GRIN 렌즈(38)는 제1 GRIN 렌즈(40)와 제2 GRIN 렌즈(42)로 구성된 것을 알 수 있다. 제1 및 제2 GRIN 렌즈(40, 42)는 단일체(one body)인 것이 바람직하나, 두 부분이라도 무방하다. 곧, 제2 GRIN 렌즈(42)의 입사면이 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에 접촉된 것일 수도 있다. 이때, 제1 및 제2 GRIN 렌즈들(40, 42)은 모두 동일한 광축상에서 접촉된 것이 바람직하다. 또한, 제2 GRIN 렌즈(42)의 입사면 전체는 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면의 광축을 포함하는 소정영역에 접촉되어 있다.
제1 GRIN 렌즈(40)는 입사면을 통해서 입사되는 레이저가 자신의 출사면(제2 GRIN 렌즈(42)의 입사면)에 제1 스폿을 형성하게 하는 굴절률 변화 파라미터를 갖는다. 제2 GRIN 렌즈(42)는 상기 제1 스폿의 레이저가 자신의 출사면에서 제2스폿(<제1 스폿)을 형성하게 하는 굴절률 변화 파라미터를 갖는다. 따라서, 제1 및 제2 GRIN 렌즈(40, 42)를 구성할 때, 각 렌즈의 굴절률 변화 파라미터를 원하는 제2 스폿을 얻을 수 있도록 구성함으로써, 제2 GRIN 렌즈(42)의 출사면에서 원하는 사이즈의 레이저 스폿을 형성할 수 있다.
원하는 레이저 스폿의 형성과 사용된 GRIN 렌즈 사이의 굴절률 변화 파라미터 사이의 관계는 다음을 통해서 알 수 있다.
즉, 제1 GRIN 렌즈(40)의 굴절률 변화 파라미터를 ω1이라 하고, 제1 GRIN 렌즈(40)의 광축상에서의 굴절률을 n0, 반경 a에서의 굴절률을 nc, Δ= (n0-nc)/nc라 정의하면, 제1 GRIN 렌즈(40)의 반경 방향의 굴절률 분포 n2, 굴절률 변화 파라미터 ω1 및 길이(L) 사이에 다음 수학식 1, 2 및 3으로 표현되는 관계가 성립한다.
수학식 3에서 K는 2π/λ이다.
한편, 도 4에서 참조부호 G1은 제1 GRIN 렌즈(40)의 입사면에 입사되는 레이저의 세기 분포 곡선을 나타내는데, 세기가 1/e로 감소하는 지점의 폭, 곧 반치전폭(FWHM)을 W0라하고, 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에서의 상기 레이저의 세기 분포 곡선(G2)에서의 반치전폭을 Wf라하면, 다음 관계식이 성립한다.
반도체 레이저 다이오드가 정해지면 데이터 기록에 사용되는 레이저의 파장은 정해지므로, 수학식 4로부터 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에서 원하는 사이즈의 레이저 스폿, 곧 상기 출사면에서 원하는 반치전폭 Wf를 얻기 위해서는 제1 GRIN 렌즈(40)의 굴절률 변화 파라미터(ω1) 및/또는 제1 GRIN 렌즈(40)의 입사면에서의 반치전폭 WO을 조정해야한다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에서 원하는 스폿을 얻기 위한 제1 GRIN 렌즈(40)의 굴절률 변화 파라미터(ω1) 및/또는 입사면에서의 반치전폭 WO이 정해지면, 수학식 3에 따라 제1 GRIN 렌즈(40)의 길이를 결정할 수 있다.
제1 GRIN 렌즈(40)에 대한 상기 내용과 수학식들은 제2 GRIN 렌즈(42)에도 그대로 적용된다. 다만, 이때는 제2 GRIN 렌즈(42)의 입사면에서의 레이저 세기 분포 곡선(G2)의 반치전폭은 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에서 반치전폭 Wf와 같게 된다. 또한, 제2 GRIN 렌즈(42)의 출사면에서 레이저 세기 분포 곡선(G3)을 통해서 알 수 있듯이, 제2 GRIN 렌즈(42)의 출사면에서의 반치전폭은 그 입사면에서의 반치전폭에 비해 작은 것이 바람직하므로, 제2 GRIN 렌즈(42)의 굴절률 변화 파라미터(ω2)는 제1 GRIN 렌즈(40)의 그것보다 큰 것이 바람직하다. 따라서, 수학식 3에 의해 제2 GRIN 렌즈(42)의 길이는 제1 GRIN 렌즈(40)의 길이보다 짧아지게 된다.
도 5의 (a)도는 제2 GRIN 렌즈(42)의 변형된 형태를 보여주는 단면도로써, 복수의 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)로 구성되어 있다. 복수의 GRIN 렌즈들은 연속적으로 연결되어 있다. 이들 중에서 제3 GRIN 렌즈(44)는 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에 제2 GRIN 렌즈(42)와 동일한 방식으로 접촉되고, 제4 GRIN 렌즈(46)는 제3 GRIN 렌즈(44)의 출사면에 접촉되어 있되, 제3 GRIN 렌즈(44)가 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면에 접촉되는 원리와 동일한 원리로 접촉되어 있다. 제3 및 제4 GRIN 렌즈(44, 46)의 접촉 방식은 제5 GRIN 렌즈(48)가 제4 GRIN 렌즈(46)에 접촉되고, 제6 GRIN 렌즈(50)가 제5 GRIN 렌즈(48)에 접촉되는 방식에도 그대로 적용된다.
레이저가 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)을 통과하면서 각 GRIN 렌즈의 출사면에서의 스폿 사이즈(또는 반치전폭)는 점차적으로 작아지는 것이 바람직하다.
수학식 1 내지 4는 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50) 각각에 적용된다. 수학식 4를 통해 GRIN 렌즈의 굴절률 변화 파라미터(ω)가 커지면 상기 GRIN 렌즈 출사면에서의 반치전폭(Wf)이 작아진다는 것을 알 수 있다. 따라서 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)을 순차적으로 통과하면서 출사면에서의 레이저 스폿(또는 반치전폭)은 점점 작아지게 된다. 이러한 사실은 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)의 굴절률 변화 파라미터들(ω3, ω4, ω5, ω6) 사이의 관계는 다음과 같아야 함을 의미한다.
ω3<ω4<ω5<ω6
수학식 3에 따르면, 굴절률 변화 파라미터가 증가하는 경우 해당 굴절률 변화 파라미터를 갖는 GRIN 렌즈의 길이는 짧아지므로, 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)의 각각의 길이는 제3 GRIN 렌즈(44)에서 제6 GRIN 렌즈(50)로 갈수록 짧아진다.
도 5의 (b)도는 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50) 각각에 대한 광축을 중심으로 한 반경(r) 방향으로의 굴절률 분포(n2)를 나타낸다. 참조부호 G4 내지 G8은 각각 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)에 대응하는 굴절률 분포 곡선을 나타낸다. 제3 GRIN 렌즈(44)에서 제6 GRIN 렌즈(50)로 갈수록 굴절률 분포 곡선은 반원에 가까워짐을 알 수 있다.
한편, 도 4에서 제2 GRIN 렌즈(42)를 보다 많은 수의 GRIN 렌즈들로 구성하는 경우, 각 GRIN 렌즈에도 수학식 1 내지 4가 적용되고, 수학식 5의 관계가 상기 GRIN 렌즈들의 굴절률 변화 파라미터들 사이에도 적용되며, 따라서 상기 각 GRIN 렌즈의 길이는 점차 짧아지게 될 것이므로, 제2 GRIN 렌즈(42)가 무수히 많은 GRIN 렌즈들로 구성된 경우에, 제2 GRIN 렌즈(42)는 도 5의 (a)도에 점선(52)으로 도시한 바와 같이 제1 GRIN 렌즈(40)로부터 멀어지는 방향으로 점차 가늘어지는 GRIN렌즈(이하, '테이퍼링(tapering) GRIN 렌즈'라 한다)에 대응될 수 있다. 테이퍼링 GRIN 렌즈에서 굴절률 변화 파라미터(ω)는 연속적으로 변화한다.
도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한 GRIN 렌즈는 높은 광 효율을 나타낸다. 예를 들어 제1 GRIN 렌즈(40)가 직경이 200㎛정도이고, 길이가 300㎛ 정도인 원기둥 형태이고, 제2 GRIN 렌즈(42)가 직경이 10㎛정도이고, 길이가 15㎛∼20㎛ 정도인 원기둥 형태라고 할 때, 제2 GRIN 렌즈(42)의 입사면에서의 레이저의 스폿사이즈는 수㎛ 정도이고, 출사면에서는 300㎚정도가 된다. 이때의 광 효율은 80∼90% 정도가 된다.
계속해서, 상기한 GRIN 렌즈를 구비하는 광 기록헤드에 대해 설명한다. 이때, 상술한 설명에서 언급한 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호 또는 부호를 사용한다.
<제1 실시예>
도 6을 참조하면, 참조번호 54는 광 기록헤드에 포함된 슬라이더를 나타낸다. 슬라이더(54) 가운데에 제1 및 제2 GRIN 렌즈(40, 42)로 구성된 GRIN 렌즈(도 4 참조)가 구비되어 있다. 제2 GRIN 렌즈(42)는 제1 GRIN 렌즈(40)의 출사면으로부터 돌출된 팁(tip)으로 볼 수 있다. 슬라이더(54) 아래 근접한 위치에 기록막이 위치하게 된다. 제2 GRIN 렌즈(42)는 슬라이더(54)의 최저면과 동일한 높이로 돌출되게 구비된 것이 바람직하다.
데이터 기록을 위해 광 기록헤드가 광 디스크에 접근하는 경우, 슬라이더(54)와 광 디스크의 기록막 사이의 간격은 광 파장 이하의 거리, 예를 들면 20㎚ 정도가 된다. 따라서 제2 GRIN 렌즈(42)와 상기 기록막 사이의 간격도 동일한 거리가 된다. 이렇게 해서, 제2 GRIN 렌즈(42)와 기록막 사이에 존재하는 얇은 두께의 공기막으로 인해, 제2 GRIN 렌즈(42)와 상기 기록막 사이에는 에반에슨트 커플링이 성립된다. 따라서, 제2 GRIN 렌즈(42)의 출사면에 형성된 미소한 레이저 스폿은 상기 기록막에 그대로 전사된다. 이렇게 해서, 상기 기록막에 미세한 마크가 형성되고, 고밀도 정보 기록이 이루어진다.
한편, 도 6에서 제2 GRIN 렌즈(42)는 도 5에 도시한 제3 내지 제6 GRIN 렌즈들(44, 46, 48, 50)로 구성된 GRIN 렌즈 또는 상기 테이퍼링 GRIN 렌즈이기도 하다.
<제2 실시예>
제1 실시예는 구체적으로 언급하지는 않았지만, 제1 GRIN 렌즈(40)의 입사면에 레이저를 입사시키는 반도체 레이저 다이오드(미도시)가 제1 GRIN 렌즈(40)의 입사면으로부터 소정 거리만큼 이격되어 있는 경우이다.
그러나, 제2 실시예는 도 7에서 볼 수 있듯이 슬라이더(54) 및 제1 GRIN 렌즈(40) 상에 히트 싱크(heat sink)(56)를 구비하고, 히트 싱크(56) 상에 반도레 레이저 다이오드(58)를 구비한 경우이다. 다른 부분은 제1 실시예와 동일하고, 제2 GRIN 렌즈(42)를 도 5에 도시한 GRIN 렌즈 또는 테이프링 GRIN 렌즈로 대신할 수 있음도 동일하다.
이와 같이, 레이저 다이오드(58)를 히트 싱크(56)와 함께 슬라이더(54) 상에 구비한 경우에, 광 기록헤드를 소형경량화 할 수 있기 때문에 헤드의 액세스 속도를 더욱 높일 수 있는 이점이 있다.
도 7을 참조하면, 히트 싱크(56)는 제1 GRIN 렌즈(40) 및 레이저 다이오드(56)를 냉각하기 위한 것으로써, 광축 둘레에 구비되어 있다. 그리고 레이저 다이오드(58)는 자신의 광축이 슬라이더(54)에 장착된 광학계 전체의 광축과 일치하도록 히트 싱크(56) 상에 구비되어 있다. 히트 싱크(56)의 상기 광축 둘레의 내면은 레이저 다이오드(58)로부터 방출되는 레이저가 발산되는 것을 고려하여 상기 레이저 발산 형태와 유사한 형태로 레이저 다이오드(56)로부터 제1 GRIN 렌즈(40)의 입사면까지 경사진 면이다.
도 8은 제1 실시예에 의한 광 기록헤드를 포함하는 광 기록장치의 일부 단면도로써, 60은 디스크를, 62는 디스크(60) 상에 코팅된 기록막을 나타내며, 64는 GRIN 렌즈(38)에 레이저를 방출하는 레이저 다이오드를 나타낸다. 또, 66은 공기 부상형 슬라이더(54)를 암(arm)에 연결하는 플렉셔 서스펜션(flexure suspension)을 나타낸다. 그리고 디스크(60) 아래의 화살표는 디스크(60)의 회전 방향을 나타낸다. 디스크(60)의 고속 회전에 의해 공기 부상형 슬라이더(54)는 기록막(62)으로부터 소정 거리 이격된 상태로 부상하게 된다.
도 9는 제2 실시예에 의한 광 기록헤드를 포함하는 광 기록장치의 일부 단면도로써, 슬라이더(54) 및 GRIN 렌즈(38) 상에 히트 싱트(56) 및 레이저 다이오드(58)가 순차적으로 구비된 것을 제외하고는 도 8과 동일하다.
다음에는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 광 기록헤드를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 6을 참조하면, 슬라이더(54) 형성을 위한 기판에 홀을 형성한다. 이어서, 상기 홀에 제1 GRIN 렌즈(40)를 삽입한다. 이때, 제1 GRIN 렌즈(40)의 밑면이 상기 기판의 밑면과 일치되게 한다. 계속해서, 상기 기판의 밑면을 기계적 가공 공정 또는 사진 식각 공정으로 식각하여 에어 베어링 면(ABS:air bearing surface)을 형성한다. 이 과정에서, 제1 GRIN 렌즈(40)의 밑면, 곧 출사면쪽에 도 4 또는 도 5에 도시한 바와 같은 제2 GRIN 렌즈(42)가 되는 팁이 형성된다. 이후, 상기 에어 베어링 면에 이온교환 방법 등을 이용하여 상기 팁의 반경 방향으로 소정의 굴절률 분포를 부여한다. 이온의 확산되는 거리에 따라 팁의 반경 방향 굴절률 분포가 달라지므로, 상기 팁이 원기둥 형태일 때는 원기둥의 높이에 따른 굴절률 분포는 일정하게 된다.
그러나, 상기 팁이 도 5에 도시한 바와 같은 테이퍼링 GRIN 렌즈인 경우에는 팁의 각 높이에서의 반경 방향의 굴절률 분포는 다르게 해야하므로 적절한 어닐 온도 및 시간 조절이 필요하다.
제2 실시예에 의한 광 기록헤드 제조 방법의 경우, 상기 내용에 히트 싱크(56)를 슬라이더(54) 및 제1 GRIN 렌즈(40) 상에 장착하는 과정과 레이저 다이오드(58)를 히트 싱크(56) 상에 장착하는 과정이 추가된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 제조 과정에서 슬라이더 기판의 저면에 에어 베어링 면을 먼저 형성한 다음, 홀을 형성하고 상기 홀에 제1 및 제2 GRIN 렌즈(40, 42)를 하나로 형성한 GRIN 렌즈를 삽입 고정시킬 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 광 기록헤드는 레이저를 기록막에 집광시키기 위해 GRIN 렌즈를 구비하되, 굴절률 변화 파라미터가 순차적으로 증가하는 제1 및 제2 GRIN 렌즈를 구비하여 레이저를 순차적으로 집광한다. 이렇게 하면, 레이저 스폿을 원하는 사이즈로 줄일 수 있어 초고밀도로 데이터를 기록하는 것이 가능하다. 제1 및 제2 GRIN 렌즈는 평판형이기 때문에 슬라이더를 포함하는 헤드의 구성을 단순화시킬 수 있다. 뿐만 아니라 헤드는 슬라이더에 홀을 형성한 다음 준비된 GRIN 렌즈를 삽입하여 조립되기 때문에 조립이 용이하고 소형경량화가 가능하여 고속 데이터 액세스가 가능하다. 또한, 종래와 같이 GRIN 렌즈의 출사면에 금속막을 구비할 필요가 없기 때문에 광 손실을 최소화하면서 원하는 스폿사이즈를 얻을 수 있는 등 광 효율이 증가된다.

Claims (21)

  1. 암(arm)에 연결되어 데이터 기록시에 데이터 기록막으로부터 소정의 거리로 부상되는 슬라이더;
    상기 슬라이더에 구비된 집광수단으로서, 입사광을 집광시켜 상기 데이터 기록막에 근접한 자신의 출사면에 소정 사이즈의 스폿을 형성하는 GRIN 렌즈; 및
    상기 GRIN 렌즈를 향해 광을 방출하는 광 방출 수단을 구비하되,
    상기 GRIN 렌즈는 반경 방향의 굴절률 변화 파라미터가 조건, ω1<ω2 (ω1:광 방출 수단에 가까운 영역의 굴절률 변화 파라미터, ω2: 기록막에 가까운 영역의 굴절률 변화 파라미터)를 만족하는 두 영역을 갖는 단일체의 GRIN 렌즈 이고,
    상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 그 저면이 상기 슬라이더의 상기 기록막에 근접한 면과 동일한 평면상에 위치하도록 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 저면으로부터 돌출된 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 GRIN 렌즈는 자신의 상기 기록막에 근접한 출사면이 상기 기록막에 근접한 상기 슬라이더의 저면과 동일한 평면상에 위치되도록 구비된 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 GRIN 렌즈는 입사광을 다단계로 집광시켜 상기 기록막에 근접한 출사면에 소정의 사이즈를 갖는 스폿을 형성하도록 구비된 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 직경이 상기 기록막을 향해 점차 작아지는 테이퍼링 형태 또는 직경의 변화가 없는 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역은 입사광의 스폿이 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역과의 경계면에 형성되게 하는 소정의 길이를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω2인 영역은 상기 경계면에 형성된 스폿보다 사이즈가 작은 제2의 스폿을 자신의 출사면에 형성하는 소정의 길이를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광 방출 수단은 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역으로부터 소정의 거리만큼 이격된 반도체 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 광 방출 수단은 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 입사면 상에 구비된 반도체 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광 기록헤드.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역의 입사면 사이에 레이저 발진 중에 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 굴절률 변화 파라미터가 ω1인 영역으로부터 발생되는 열을 흡수하여 양자를 냉각하기 위한 히트 싱크가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  12. 암(arm)에 연결되어 데이터 기록시에 데이터 기록막으로부터 소정의 거리로 부상되는 슬라이더;
    상기 슬라이더에 구비된 집광수단으로서, 입사광을 집광시켜 상기 데이터 기록막에 근접한 자신의 출사면에 소정 사이즈의 스폿을 형성하는 GRIN 렌즈; 및
    상기 GRIN 렌즈를 향해 광을 방출하는 광 방출 수단을 구비하되,
    상기 GRIN 렌즈는 반경 방향의 굴절률 변화 파라미터가 조건, ω1<ω2 (ω1:제1 GRIN 렌즈의 굴절률 변화 파라미터, ω2: 제2 GRIN 렌즈의 굴절률 변화 파라미터)를 만족하는 제1 및 제2 GRIN 렌즈로 구성된 것이고,
    상기 제1 GRIN 렌즈는 상기 슬라이더에 형성된 홀에 삽입 고정되어 있고, 상기 제2 GRIN 렌즈는 상기 제1 GRIN 렌즈의 저면 중심의 소정 영역 상에 돌출되어 있되,
    그 저면이 상기 슬라이더의 상기 기록막에 근접한 면과 동일한 평면상에 위치하도록 돌출된 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제2 GRIN 렌즈는 직경이 상기 기록막을 향해 점차 작아지는 테이퍼링 형태 또는 직경의 변화가 없는 원기둥 형태인 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 GRIN 렌즈는 입사광의 스폿이 제2 GRIN 렌즈의 입사면과 접촉된 자신의 출사면에 형성되게 하는 소정의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제2 GRIN 렌즈는 상기 제1 GRIN 렌즈의 출사면에 형성된 상기 스폿보다 사이즈가 작은 제2의 스폿을 자신의 출사면에 형성하는 소정의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 광 방출 수단은 상기 제1 GRIN 렌즈로부터 소정 거리만큼 이격된 반도체 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 광 방출 수단은 상기 제1 GRIN 렌즈의 입사면 상에 구비된 반도체 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 제1 GRIN 렌즈의 입사면 사이에 레이저 발진 중에 상기 반도체 레이저 다이오드와 상기 제1 GRIN 렌즈로부터 발생되는 열을 흡수하여 양자를 냉각하기 위한 히트 싱크가 더 구비되어있는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 테이퍼링 형태의 제2 GRIN 렌즈는 직경이 다른 복수의 GRIN 렌즈들로 구성되어 있되, 상기 기록막을 향해 갈수록 직경이 순차적으로 작아지도록 구성되어 있고, 굴절률 변화 파라미터는 증가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 복수의 GRIN 렌즈들은 각각 자신의 바로 앞에 구비된 GRIN 렌즈의 출사면에 형성된 광 스폿보다 작은 광 스폿을 자신의 출사면에 형성하는 소정의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 기록 헤드.
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