形成光能小点的装置和方法

专利名称：形成光能小点的装置和方法
有关本申请的交叉参考文献本申请要求2002年6月28日提出的美国临时专利申请书系列号60/392,167及2002年9月30日提出的60/414,968号的权益。
发明的技术领域本申请与一些光波导，尤其是与用于热助磁记录的光波导有关。
发明的背景磁性记录头一直在磁盘驱动存储系统中使用。这种系统中目前所用的多数磁性记录头是“纵向”磁性记录头。传统形式的纵向磁记录，在高位密度情况下，超顺磁性的不稳定一直是个问题。
为了控制高面密度记录的媒体噪声，随着晶粒体积逐渐减小超顺磁性的不稳定就成了问题。当晶粒体积D足够小，不等式KuV/KBT＞70不再成立时，超顺磁性效应最明显，其中Ku是材料的磁的晶态各向异性能密度，KB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。当这个不等式不满足时，热能将储存的位去磁了。因此当为了增加面密度而减小晶粒的大小时，在给定材料的Ku及温度T时就达到一个阈，使得不可能得到稳定的数据存储。
采用具有非常高的Ku的材料制成的记录媒体，固然可以改善这种热稳定性。然而对现有的材料来说，记录头不可能提供一个足够或足够高的磁书写场去书写到这种媒体上。因此已提出了采用热能在把磁书写场施加到媒体上之前或前后加热记录媒体上的一个局部区域来克服记录头磁场的限制。热助磁记录这个概念一般是指局部地加热一个记录媒体借以减小记录媒体的矫顽力从而使在热源造成的记录媒体暂时被磁软化过程中施加的磁场能较易地控制记录媒体的磁化。热助磁记录允许使用具有小晶粒的媒体，这种媒体如果在室温下具有较大的磁各向异性来保证有足够的热稳定性则正是进行较高面密度的记录所需要的。热助磁记录可以用于任何一种磁存储媒体，包括斜向媒体、纵向媒体、垂直媒体和形成图案的媒体。通过把媒体加热，Ku或矫顽力被减小，于是磁书写场足以书写媒体。该媒体一旦冷却到环境温度，媒体就有足够高值的矫顽力能保证已记录信息的稳定性。
一般认为，减小或改变位单元的长宽比就可以扩大位密度的极限。然而看来还需要有不同的方法去克服纵向磁记录的限度。
至少能克服与超顺磁性效应联结着的某些问题但不同于纵向记录的另一种方法是“垂直”磁记录。一般认为垂直磁记录有能力远远超过纵向磁记录的记录密度极限。由垂直磁存储媒体使用的垂直磁记录头可以包含一对相互磁耦合的极，其中有一个主书写极，它的底表面面积相对较小及一个磁通回路极，它的底面面积较大。紧靠主书写极有一个具有多匝的线圈，作用是在那个极与存储媒体的软底层之间感生一个磁场。软底层位于存储媒体的硬磁性记录层之下，它加强由主极产生的磁场的幅度。这又反过来允许使用具有较高矫顽力的存储媒体，因而可以在媒体内存储更稳定的位。在记录过程中，线圈中的电流激励主极，使它产生一个磁场，并在软底层内产生这个场的影像，借以加强在磁性媒体中产生的磁场强度。从极尖发散到软底层的磁通密度穿过磁通回路极返回。回路极置于主书写极足够远的地方因而回路极的物质不至于影响主书写极的磁通，这些磁通垂直地引导入存储媒体的硬层及软底层内。
当给媒体施加一个热源或光源，合乎理想的是把热或光限制到进行书写的轨道上并在媒体受热完成高面密度记录的最近处产生书写场。另外，对热助磁记录(HAMR)来说，要克服的技术障碍之一是需要提供一种能把大量光能发送到记录媒体限于一个小点譬如说50nm或更小些的区域上的有效技术。业已提出了多种换能器设计，其中有些已经过实验检验。这里有金属覆盖的玻璃光纤及中空具有金属壁的角锥结构。对于所有这些方法来说，对光的约束取决于制成结构终端的孔径，因而这种换能器得到一个“孔径探头(aperture probe)”的名称。总的来说，这些器件由于光传输效率低而不能用于HAMR记录。例如锥形的和金属化的光纤，实验证明，当光被约束到50nm左右，吞吐率只有10-6。已经设计出来利用对Si晶片进行各向异性刻蚀制出的角锥探头，对类似大小的点吞吐率也只有10-4。但是这就是本技术领域的现状，对HAMR来说大小还差两个数量级。
通过改变锥角、给中空结构填充高折射率材料以及尝试向这些尖状结构的整合边及角投射表面电磁激元(Surface plasmons)(SP)已经使这些换能器的吞吐率得到改进。虽然这样做把吞吐量增加到一定程度，但是最有前途的SP方法，由于缺乏有效的投射SP技术，还是效率很不高。另外，所有的孔径探头都受到点大小下限的限制，它是用来构成孔径的金属膜的集肤深度的两倍。甚至对铝来说，这种金属对可见光的集肤深度最小，那也对应于20nm左右的点大小。
也提出了用固体浸没透镜(SIL)和固体浸没镜(SIM)把远场光能集中成小点。焦点处的光强的确很大，但是光点的大小仍由衍射极限决定，而它转过来取决于构成SIL或SIM的材料的折射率。用目前已知的透明材料所达到的最小光点是60nm左右，对HAMR来说还是太大。
一个金属针可以用来作换能器把光能集中到任意小的面尺寸。这个金属针支持一个表面电磁激元模态，它沿着针传播，并且由这个表面电磁激元生成的外电场的宽度正比于针的直径。针直径较小就形成一个较小的点，因此从原理上说可以把点的大小造成任意的小。然而，较小的针直径也会造成能量传输的传播距离更短。事实上，对于一个50nm的点大小，表面电磁激元的1/e传播长度典型地实质上比1微米小，因此，一个金属针本身是不能用来作近场换能器的。
因此需要一种能提供点尺寸缩小了的而且吞吐效率提高了的换能器。
发明的概述本发明提供一种用来形成光能小点的装置，它包含一个造成一定形状的平面波导，波导把一个线偏振电磁波引导到内部的一个焦点上以及一个安置在焦点上的金属针，凭由此线偏振电磁波在针的表面上生成表面电磁激元。
那个波导可以包括一些边它们被造成一定形状以便反射电磁波。那些边可以具有实际上是抛物线的形状，波导的末端可以是截了头的。那个平面波导还可以按另一种方式，包括一个模态折射率透镜用来把电磁波引向焦点。那个金属针可以嵌入在波导中还可以延伸穿过波导的一端。
该装置还可以包含将线偏振电磁波耦合进平面波导的装置，并且将线偏振电磁波耦合进平面波导的装置可以包括一个衍射光栅。
该装置还可以包含用于把线偏振电磁波的一部分产生相移的装置。这个造成相移的装置可以包括一层物质，其第一部分具有第一折射率，其第二部分具有第二折射率。
该平面波导可以包括一个芯层，并且那个造成相移的装置可以包括芯层的第一部分和芯层的第二部分，二者的厚度不同。
产生相移的装置的另一种选择是包括一个第一衍射光栅与一个第二衍射光栅，其中第一衍射光栅与第二衍射光栅在纵向方向上偏移一定距离。
该装置还可以在毗邻平面波导的一侧或两侧包括一个包层，该包层可以有不同的厚度从而提供使电磁波发生相移的装置。
另一方面，本发明可以包括将一个线偏振电磁波耦合进平面波导的装置从而激发一个横向磁波导模态。另外，该波导的厚度可选择为比波导的横向磁模态的截止厚度稍大一点。
另一方面，本发明还包含一个装置，它包括一个角锥状结构，具有四个实际上是平的边，它们会聚到一顶点，在毗邻每边面的外侧置有具有第一折射率的第一物质，在毗邻每边面的内侧置有具有第二折射率的第二物质，以及在邻近那个顶点的地方安置一个金属针。这个装置可以再包括一种装置使电磁波在被边反射之前把它的一部分产生相移。
本发明还包括一个装置，它包括一个具有第一折射率的圆锥状结构，在圆锥状结构的一个面上有一个具有第二折射率的物质层，其中第二折射率低于第一折射率，并且在物质层上安置有一金属层，并且在圆锥状结构的那一个顶点的附近安置一金属针。
本发明还包含一个记录头，它包括一个磁书写报，一个平面波导安置在毗邻磁书写板处，该平面波导被制成一定形状以使一线偏振电磁波被引导到波导内的一个焦点上，以及一个置于焦点处的金属针，凭借这些，电磁波在针表面上生成表面电磁激元。
本发明还包含一个记录头，它包括一个磁书写极及一个被安置在磁书写极附近的波导，该波导包括一个角锥状结构，它具有四个实际上平的边，它们会聚到一顶点，在毗邻每个边的外部都置有一个具有第一折射率的第一种物质，在毗邻每个边的内部都置有一个具有第二折射率的第二种物质以及一个安置在那个顶点附近的金属针。
本发明的另一方面包含一种记录头，它包括一磁书写报，以及毗邻于该磁书写报安置的波导，该波导包括具有第一折射率的圆锥形结构，在圆锥形结构的表面上有一层物质，该物质具有比第一折射率，在该层物质上安置一金属层，以及在毗邻于圆锥形结构的顶点处安置一金属针。
本发明还包含一个盘驱动器，它包括转动存储媒体的装置以及将一个记录头定位到存储媒体表面近处的装置，其中这个记录头包括一个磁书写极，安置在毗邻磁书写极处的一个平面波导，该平面波导被造成一定形状能把一个线偏振电磁波引导至波导内的一个焦点上以及一个安置在焦点上的金属针，凭借这些电磁波在针的表面上生成表面电磁激元。
附图的概述

图1是可以包括依据本发明构成的磁头的一个磁盘驱动器的绘图表示。
图2是依据本发明构成的一个平面波导的示意表示。
图3是依据本发明构成的另一种平面波导的示意表示。
图4是依据本发明构成的另一种平面波导的示意表示。
图5是两个衍射光栅的示意表示。
图6是厚度对有效折射率的曲线图。
图7是依据本发明构成的另一种平面波导的示意表示。
图8是一个波导中的TE模波的示意表示。
图9是一个波导中的TM模波的示意表示。
图10是一个电磁波的径向偏振的说明。
图11是引起径向偏振的组合波片的示意表示。
图12是由波片发送的光的伪径向偏振的示意表示。
图13是入射到一个固体浸没透镜上的径向偏振光束的示意说明。
图14是点直径对芯直径的曲线图。
图15是光束直径对传播距离的曲线图。
图16是依据本发明构成的一个圆锥状换能器的示意表示。
图17是依据本发明构成的一个角锥状换能器的示意表示。
图18是包括本发明的波导的记录头的示意表示。
图19是依据本发明构成的截头固体浸没镜的示意表示。
图20是依据本发明构成的另一种截头固体浸没镜的示意表示。
图21是依据本发明构成的另一种波导的等角视图。
图22是依据本发明构成的另一种波导的侧正视图。
本发明的详细说明本发明包含用于磁及/或光记录媒体的磁及光记录头里的设备，以及包括这些设备的磁及/或光记录头以及包括那些记录头的盘驱动器。图1是使用依据本发明构成的记录头的盘驱动器10的绘图表示。这个盘驱动器包括一个外壳12(在本视图中，上部已移去，下部可见)，按盘驱动器所包括的部件来定其大小及配置。盘驱动器包括一个主轴电动机14，用来使外壳里的至少一种数据存储媒体16、在本情况下是一个磁盘转动。在外壳12内至少有一个臂18，每个臂18都有一个第一端20，其上有一个记录及/或阅读头或浮动块22，及一个第二端24，像枢轴那样经一个轴承26装在轴上。在臂的第二端24处有一个传动电动机28，作用是使臂18旋转，令头22按要求位于盘16的一个扇面上。传动电动机28由一个控制器调节，它在这个视图中没有示出，这在本技术领域是众所周知的。
为了进行热助磁记录，把一个电磁波，例如可见光或紫外线，引导到数据存储媒体的一个表面上去把媒体的局部区域的温度升高从而使对该区域的磁化作用更易切换。著名的固体浸没透镜(SIL)已被建议用于减小受电磁辐射的媒体上的点的大小。此外，固体浸没镜(SIM)亦已在文献中作了说明。SIL和SIM既可以是三维的，也可以是二维的。后面这种情况下它们相当于平面波导中的模态折射率透镜或镜。可以在SIM的焦点处插一个金属针借以把从SIM出来的受约束的光束引导到记录媒体的表面上。这个发明提供了一种把从SIM(或SIL)出来的光耦合到金属针的有效方法。
二维平面波导可以用来利用模态折射率透镜或平面固体浸没镜以生成得到聚焦的光束。图2是一个固体浸没镜形式的二维波导30的示意表示，它包括嵌在波导一端中的一个金属针32。针的尖34延伸到波导之外。图2所示的例子中，波导有边36、38，它们实质上具有抛物线的形状。由于波导与毗邻物质的折射率不同，穿过波导沿着轴向传播的电磁波，如箭号40及42所示，会被波导反射到金属针的表面上。如果焦点处的电场平行于针的轴，那末它可以耦合到针并沿着针的表面生成表面电磁激元。随后近场辐射就从针的尖辐射出去如箭号44所示。置于焦点处的金属针把光焦中到一个点上，比用一个模态折射率透镜或SIM单独形成的点小得多。波导可以在毗邻针的那端46被截头。从而使大部分入射电磁波以比某个预定的角度，例如45°小得多的角度落在波导的边上。对于线偏振准直电磁波来说，具有抛物线形状的边会把波会聚到焦点上。然而应该明白，也可以用其它形状的边面，只要入射波合乎条件，就可以使波的特性与边的形状结合起来造成把波按要求会聚到针上。针可以具有矩形的横截面并逐渐缩小成一点。不过，也可以用具有其它形状的横截面的针。
这个波导可以用，例如一种高折射率电介质芯物质如TiO2，Ta2O5，Si，SiN或ZnS制成，这由所要用的波长及折射率决定。例如Si在1550nm近红外波长的折射率很大，有3.5，但是它对可见光是不透明的。Ta2O5的折射率较低，只有2.1左右，但是在近红外及可见光范围内都是透明的。波导在芯的两边都有电介质包层。包层的折射率必须比芯层的低。合乎理想的是芯层与包层的折射率之差要尽可能大。空气是作一边的包层的合适电介质。可以用来作包层的其它电介质有SiO2，其折射率是1.5及Al2O3，其折射率大约是1.8。
当本发明用横电(TE)模电磁波进行工作时，可以提供把电磁波的一部分进行相移的方法。相移可以由提供的一种装置，把径向偏振波的二维模拟投射到平面波导里的方法来达到。我们称这为分裂线偏振波导模式。下面描述两种达到分裂线偏振的方法。第一种技术改变平面波导的一半，通过改变波导的一部分中芯或包层电介质的折射率及/或芯或包层电介质的厚度，如图3中所示。图3的平面波导50包括芯电介质的第一部分52，其有效折射率为n1(它是波导中所有芯及包层的折射率及厚度的函数)，以及芯电介质的第二种部分54，其有效折射率为n2。54那部分在轴向上的长度用d1表示。进入波导的光如图所示用箭号56和58表示。入射光是在波导的平面内线偏振的。箭号60、62、64、66、68和70表示出了入射光的电场。箭头60和62表明入射光的电场分量原来就在供横电偏振的波导的波导平面内。波导54那部分引起波导两半的波导模式形成差分相移从而使光出射部分54的电磁场，如箭头66所示。相对于光通过部分52的电磁场，如箭号64所示，相位相差180°。由于光在波导的边面上被反射，那两个用箭号72和74示出的被反射波具有的电场由箭号68和70所示，在TE偏振情况下同时都包括纵向和横向成分。在两个反射波相遇处，横向成分相互抵消，剩下的纵向成分加起来产生一个与波导的轴方向一致的电场并用来在金属针尖76处激发表面电磁激元。这个轴向场正是希望用来改进离开波导的那一部分能的。
电磁波传播通过波导的一部分所需时间是由该部分的有效折射率与长度决定的。可以选择折射率和长度，使传播通过第一部分的波与传播通过第二部分的波有一个180°的净相移。这可以表为
|(n1-n2)d|=λ2---(1)]]>其中n1和n2是TE波导模态在第一部分中和第二部分中的有效折射率，d是第二部分的长度，λ是入射电磁辐射的波长。有效折射率是芯和包层的折射率和厚度还有偏振状态的函数。参照图3，有许多办法得到折射率变化n2。例如改变波导的厚度，使用离子注入或给波导装上金属带等都可以改变折射率。
参考图3的结构，如果我们假定平面波导由Ta2O5组成，厚度为200nm，那末修改部分所需要长度由图6的曲线图的线122示出，该线是Ta2O5薄膜厚度的一个函数。例如，一个厚度为100nm的Ta2O5膜如果有一个1.76的有效折射率，为了生成180°的净相移，这部分的长度54应是1.2μm左右。另一种办法是，整个波导可以从100nm的Ta2O5厚度开始，然后用一个200nm厚的Ta2O51.2μm长的改变部分54来代替。这也会产生180°相移。
用来生成一个分裂线偏振平面波导模态的另一种技术是利用一个衍射光栅去发射那个平面模态，如图4中所示。图4示出了一个固体浸没镜形式的二维波导80，它包括第一衍射光栅82和第二衍射光栅84。衍射光栅通常用来把光入射到平面波导中。为了生成分裂线偏振，82和84这两个衍射光栅使用时它们之间有一个纵向偏移，如图4所示。这两个光栅的偏移距离为d2。
双光栅的目的是在光束的两半之间引入一个180°的相对相移。箭号86和88示出λ射电磁波其电场由箭号90和92表示，以及一个横向电波导模态，其电场用箭号94、96、98和100表示。如箭号90和92所示，入射波的电场原先在TE模态的波导平面内线偏振。光栅82是用来把波发射入波导的一半。光栅84是用来把波发射入波导的另一半。两个光栅位置的纵向偏移造成由箭号94和96所表示的两个波导模态之间出现一个180°的相移。经过波导的边102及104反射之后，两个反射光，用箭号106和108表示出，都具有电场，在TE偏振情况下同时包含纵向和横向成分。当这两个反射波在焦点处相遇，电场的横向成分相互抵消，而电场的纵向成分相加。这激发金属针110上的表面电磁激元。两个光栅之间的偏移由下式给出 其中θ是入射角，neff是波导模态的有效折射率，nine则是入射媒体的折射率。如图5中所示，入射准直激光束先到达波导的第一部分的端点然后才到达波导的第二部分的端点。时间差是
t1=nincdsinθC---(3)]]>在第一光栅的末端，波导模态开始新的传播，其相速为Vp=Cneff---(4)]]>它在下列时间间隔之后到达第二光栅的末端t2=neffdd---(5)]]>t1和t2之间的时间间隔足以在传播中的波导模态中产生一个180°的相移，t2-t1=dc(neff-nincSinθ)=12f=λ2c---(6)]]>这个方程能简化为方程(2)波导可以置于一个基片，例如SiO2，的表面上。对于一个如图4所示那样构成的波导，为了在400nm波长上的TE偏振，在SiO2基片上的一个40nm的Ta2O5波导的有效折射率是1.553。对于空气中以45°入射角入射到波导上的一个准直激光束，偏移应该是236nm。作为第二个例子，对于633nm波长的TE偏振及在SiO2基片上的一个50nmTa2O5波导，有效折射率是1.469，如此，对于一个在空气中以45°角入射的激光光束的偏移应该是415nm。作为第三个例子，对于在1550nm波长的TE偏振以及在SiO2基片上的一个100nmSi波导，有效折射率是2.129，如此，对于一个在空气中以45°角入射的激光束，偏移应该是545nm。
图5是图4的82和84两个衍射光栅的示意表示。图5表示了光栅的偏移及由箭号86和88表示的入射光。
图6是关于一个由夹在SiO2(n＝1.5)及空气包层之间的Ta2O5芯(n＝2.2)组成的波导在633nm波长情况下的TE偏振的有效折射率对于波导厚度的曲线图120。随着膜变得非常厚，它的有效折射率趋近大体积Ta2O5的折射率，那就是2.2。随着膜变得非常薄，它的有效折射率下降至基片SiO2的折射率，即1.5。对于膜厚度在40nm左右以下的，就没有传播的TE模态。
激发金属针的另一种方法是用一个强Z偏振在波导的截止尺寸附近的波导中激发一个TM模态而不是上面讨论的TE模态。使用TM模态的波导已在图7中作了图示。图7的平面波导130包括一个透明物质如Ta2O5的层132，在一个基片例如SiO2的表面上。提供了一个单个的光栅134把光耦合进波导。光进入波导如箭号136及138所示。入射光在入射平面内并垂直于波导平面偏振，因而波导内的电场有一个成分处于波导平面内并沿着传播方向，如箭号133和135所示，还有另一个成分在同时垂直于传播方向和波导平面的方向上。这已在图9的一个侧视图表示出。沿着传播方向的电场成分是Ez，垂直于传播方向和波导平面的电场成分是Ey。经波导的边反射之后，电场成分Ey不变，但是电场成分Ez被分为一个平行针的纵向成分EL及一个垂直于针的横向成分ET。其中图7中的反射波137和139相遇，这些电场加起来产生一个总电场，它有一个成分EL平行于针，和另一个成分同时垂直于波导和针(在图9中用Ey表示)。那两个横向成分ET相互抵消。随着芯的厚度趋向截止厚度逐渐减小，平行于针的电场成分EL相对于与波导平面及针都垂直的成分Ey逐渐增大。因为垂直于针的成分并不有效地耦合入针中，所以波导应设计成在靠近它的截止情况下工作，为的是使在波导平面内的电场成分的幅度成为最大，从而把电磁能最有效地传输入针中。
图8是一个波导中的一个TE模态波的示意表示。图8中示出了在波导152中的一个电磁波150。该电磁波以TE模态偏振，如此，电场垂直于图的平面并且磁场H具有分量Hy和Hz，其中成分Hz的方向平行于波导的轴。可以看出，该电磁波在沿着波导传播过程中反射出边154和156。
图9是一个波导中的一个TM模态波的示意表示。图9中示出了波导162中的一个电磁波160。该电磁波以TM模态偏振，如此，磁场垂直于图的平面并且电场E具有分量Ey和Ez其中成分Ez的方向平行于波导的轴。可以看出，该电磁波在沿着波导传播过程中反射出边面164和166。
根据图9，很明显，对TM模态来说，在Z方向上有电场的分量。模态越接近截止。Z分量越强。TM模态可以用一个单个的光栅来激发，不需要用图4中所示的偏置的光栅。使用TM模态，可以省去图4那样的相移装置。
对于某些换能器来说，比较理想的是使用径向偏振电磁波，参考图10就可以理解径向偏振。一个径向偏振电磁波包含一个在平面170上的电场成分，平面170垂直于以K矢量172表示的传播方向，电场分量用箭号174、176、178和180表示。
径向偏振波的磁场H是关于K矢量环绕的。生成径向偏振波的技术是众所周知的。例如可以把两个半个波片切为182、184、186和188四个四分之一并重新排列成一个单一的波片，令它们的快轴如图11中那样排列。
半波片具有这样的性质，它把偏振平面旋转一个两倍于波片角度的角度。因此，如果一个均匀地在竖直方向上偏振的平面波入射到这个经过改造的波片上，透过的偏振将是图12中用箭号190、192、194和196示出的那样。
透射的偏振，具有一个强的径向分量和一个较小的环绕分量。环绕分量可以利用把波束会聚通过一个空间针孔滤波器来消除，因为该滤波器把环绕分量相对于径向分量大大地衰减。结果将是一个径向偏振波束，如图10中所示，当然也还有其它方法可以生成径向偏振波束。
如果这个径向偏振波束入射到一个固体浸没透镜(SIL)或一个固体浸没镜(SIM)上，它会被会聚到一个焦点上。图13是一个SIL200的示意表示，它可以用来会聚径向偏振波。在焦点202处，由箭号204、206表示的电场成分趋于抵消，只剩下沿传播轴208方向上的电场分量。
这个轴向电场偏振化，无论是由SIL还是由SIM实现的，都可以结合一个位于焦点的金属针210用来提供一个尺寸缩小了的光点同时改进吞吐效率。针不需要很长，只需要在焦点深度或一个波长的数量级。可以把针的长度优化以便支持一个谐振模态并从它的下端有效地辐射光。这个金属针可以支持一个沿它的轴向传播的表面电磁激元谐振。可以把针的直径造成很小来把这个场紧密地约束。然而，随着针的直径减小，SP模态的传播距离也减小。图14表示的是对于铝针点的直径作为针直径的函数。对于一个50nm大小的点，金属针的直径应该是20nm左右。图14中的数据是从一个无限长的圆柱针得出的。对于限定的圆柱针或一个有尖端的针，点的大小会差不多或甚至更小。
图15示出的是传播长度作为针直径的函数。传播长度被定义为波的幅度降至它原来值的1/e的距离。20nm的针直径在1550nm波长的情况下只是与300nm左右的传播距离相对应。为了这些计算，金属针是用折射率为2.2的电介质包围着的。
为了让SP模态传播一个较长的距离，针可以是圆锥状的并使其顶点接近SIL或SIM的底部。随着针的直径增大，SP模态的传播距离也加大。这样，入射到与点相对的圆锥针的端点上的能将会更容易传播到那个顶点上。
也可以用不同种类的孔径探头同径向偏振光和一个金属针换能器结合起来约束光能。图16示出了一个三维的设计方案。图16的结构包括一个锥形的圆柱对称的光纤220，它包含一个高电介质物质的总的来说是圆锥形的部分222，以及一层低电介质物质224在高电介质率物质的外表面上。有一个金属薄膜覆盖层226沉积在低电介质物质的表面上。当光进入这个结构如箭号228和230所示，表面电磁激元232和234就沿着低电介质物质与金属层之间的界面生成。这个表面电磁激元是用来激发金属针236的，它辐射电磁波如箭号238所示。锥角要结合薄膜来选择从而利用准直和径向偏振光最佳地激发SP模态。
图17中所示的另一种设计是基于可以从市面购得的角锥状中空金属孔径探头。为了构成本发明的波导，必须修改制造过程以制造金属针。图17的结构包括一个四个面的透明电介质的角锥体250，其尖处有一个金属针252。这个电介质角锥体可以由一种高折射率电介质如Ta2Os或TiO2组成或由一种低折射率电介质如SiO2或Al2O3组成。在角锥及金属针上覆盖着一种由254及256表示的第二种透明的低折射率的电介质物质。这种电介质物质可以是SiO2。合成的结构嵌在一个基片258中。针和电介质层的几个端点从基片的一个面上凸出。一层金属260，例如银或铝，置于基片的表面上并毗邻电介质层254和256的凸出部分。在金属针尖端附近提供了一个开口262。还可以包括一个相移元件264，如图17中所示，功能与图3和4中所描述的相移元件是一样的，那就是把一个线偏振波导模态转变为一个分裂线偏振。如图17那样的二维结构也很易制造，使用的是传统的微机电系统技术，这种技术依靠锥形结构而不是利用抛物面或椭圆面结构来聚焦。在每种情况下，分裂线偏振光或径向偏振光都可以用来有效地向金属针发射SP，那是用来转变/约束光能的。
图18是一个热助磁记录头280和一磁记录媒体282的部分示意侧视图。虽然本发明的一个实施方式在这里参照说明的记录头280是一个垂直磁记录头，媒体282是一种垂直磁记录媒体，但是大家都会明白，本发明的各个方面，在希望采用热助记录的地方，本发明都可以结合其它类型的记录头和/或记录媒体来使用。具体地说，记录头280可以包括一个书写部分，其中包含一个主书写极284和一个回路或相对的极286，它们是利用一个轭铁或架子288实现磁耦合的。大家都会领会，这个记录头280也可以制成仅有一个书写极284并没有回路极286或轭铁288。有一个磁化线圈290围绕着轭铁或基架288用来激发记录头280的。记录头280还可以包括一个读出头，图中没有示出，那可以是任何一种本技术领域普遍知道的传统类型的读出头。波导也可以按另一种方式安置在极的另一边。在另一个例子里，针和极可以用同一种材料制成，这种情况下，针的功能既是电磁换能器也是场的源。
再参照图18，记录媒体282置于记录头280的邻近处或在它之下。记录媒体282包括一个基片292，它可以由任何一种合适的物质例如陶瓷玻璃或非晶玻璃制成。在基片292上可以沉积一层软磁性垫层294。这个软磁性垫层294可以由任何一种合适的材料，例如合金或具有Co、Fe、Ni、Pd、Pt或Ru的多层制成。一个硬磁记录层296沉积在软垫层294之上，硬层296中包含垂直取向的磁畴。适合于制造硬磁记录层296的硬磁性材料可以包括在环境温度下具有相对较高各向异性的材料中，例如FePt或CoCrPt合金中选出的至少一种。
记录头280还包括一个平面波导298，它把接收到的来自光源的光引导到记录媒体的表面上去加热磁记录媒体282上最接近书写极284施加磁书写场H的地方。这个平面波导包括一个透光层300。光波导298配合发射光的光源302工作，例如用一根光纤304，通过一种耦合装置，例如通过光栅306把光耦合到光波导298。光源302可以是，例如激光二极管或其它合适的激光光源。这有效地生成了导引模态，它可以穿过光波导298传播到记录媒体。一般用参考数字310标出的EM辐射，从波导298传输去加热记录媒体282，尤其是加热记录层296的局部区域312。
光波导298可以依照图2、3、4、7、16或17提出的任何一种波导构成。
本发明的波导还可以用于光记录的应用中，其中或者不需要磁场，例如一次书写及相位改变记录，或者把一个外加磁铁置于基片之下，例如在磁—光记录中。另外，这些结构也有可能用于探头存储器的应用中。
这个发明还包含三维波导，如图19和20中所示。图19是依照本发明构成的一截头固体浸没镜320的示意表示。电磁波如箭号322和324所示进入SIM，并反射离开边如箭号326及328所示。这把光聚焦到焦点330。焦点位于SIM的被截断的边332的附近。
图20是依照本发明构成的另一种截头固体浸没镜334的示意表示。电磁波按箭号336及338所示进入SIM并按箭号340及342所示那样反射离开边。这把光聚焦到焦点344。焦点位于SIM的被截断的边344的附近。放置一个聚焦装置348，把进入SIM输入边中心附近的电磁波，如图中箭号350、352和354所示，聚焦。
图19和20的SIM利用内全反射把来自入射准直光束的光线引导到SIM底面处的焦点上。因为SIM的高折射率媒体中所有的光线都会聚，所以最小光点的大小相当于固体浸没透镜光点的大小。无论如何，SIM的馈送或安装不再有实际困难，因此实际上所实现的最小光点的大小更接近理论极限。
图19和20的结构是截头的固体浸没镜，其中除了图20的顶部透镜表面之外，都没有折射，代替它的是，光线由内全反射重新引导到镜的焦点上。进入抛物线镜、平行抛物线光轴的光线被引导到抛物线的焦点上如图19和20所示。截头抛物线透镜是用折射率比周围媒体的折射率高的材料制成的。透镜是在切过透镜焦点的平面处被截断的。抛物线表面上边缘部分光线的最大入射角是变化的。在图19的实施方式中，它是45°。为了保证入射光束中所有光线都能内全反射，临界角方程必须满足如下nmed=nSILsinθmax=2·nSIL---(7)]]>如果这个SIM是由折射率为1.5的玻璃制成的，则周围的媒体可以是N＝1的空气，所有射到SIM的抛物形曲线上的光线都将全反射。为了使低于临界角入射的光线有效地反射，SIM中低于临界角那部分表面需要覆盖一层金属反射体如银或铝。
图19的实施方式的中心有一个区域，那里的入射光对聚焦光点没有贡献。有可能把SIM的这个顶表面造成一定的形状，或给这个表面安装上一个第二平凸透镜，从而把这些光线也聚焦如图20所示。不过这些低角度的光线对于生成一个小聚焦光点并不重要。SIM也可用在径向具有渐变折射率的材料制成，这既可以会聚SIM中心区域的光，也可以减小内全反射所需要的临界角。然而这样做会使SIM具有色散，因而需要用单色光。
这种截头抛物线SIM设计很容易在它的顶边安装而不影响高入射角的光线。那个透镜应该实质上是消色差的，因为光线是被反射而不是被折射的(如果有的话，只有顶表面上的平凸透镜)，而反射角与波长和折射率都没有关系。最后，本设计的另一个优点在于入射的准直光束常具有高斯强度分布。在传统的SIL设计中，生成最小光点大小最为重要的那些靠外的角度最高光线是由光强最小的高斯光束的边缘部分产生的。可是在这个抛物线SIM设计中，反射到焦点的最高角度光线来自入射光束的靠近中心部分，因而会有较高的强度。
波导也有可能只包括一个抛物线边，另外一个边则可以是不同形状的，例如直的。这种结构可能使某些头的几何结构在制造上较易处理。
图21是依据本发明构成的另一种波导360的等角视图。波导360包括一个芯层362，它具有厚度为第一厚度的第一部分364及具有厚度为第二厚度的第二部分366，它们被造成一定形状形成一个模态折射率透镜368。一个包层370被置于毗邻波导的一边处。一个针372被置于模态折射率透镜的焦点处。
图22是依据本发明构成的另一个波导374的侧正视图。波导374包括一个芯层376和被置于毗邻波导一边的包层378。包层的厚度可以改变以提供给波导中的电磁波造成相移的装置。针380被置于波导的焦点处。应该看出，包层可以置于芯层的一边，也可以置于两边。
现在已经用几个例子描述了本发明，本技术领域内的技术人员都明白，对所公布的例子所作的各种改动并没有离开由下列权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种装置包括一个平面波导(30)，被造成一定形状能把线偏振电磁波引导至波导内的一个焦点上；以及一个金属针(32)，被置于焦点处。
2.权利要求1所述的装置，其特征在于该波导包括边，作用是把电磁波反射至焦点。
3.权利要求2所述的装置，其特征在于边实质上具有抛物线的形状。
4.权利要求3所述的装置，其特征在于波导的毗邻于针的一端(46)是被截去头的。
5.权利要求1所述的装置，其特征在于所述平面波导构成一个模态折射率透镜(368)。
6.权利要求1所述的装置，其特征在于所述针延伸穿过平面波导的一端。
7.权利要求1所述的装置还包括使线偏振电磁波的一部分发生相移的装置(54)。
8.权利要求7所述的装置，其特征在于产生相移的装置包括一层物质包含具有第一折射率的第一部分和具有第二折射率的第二部分。
9.权利要求7所述的装置，其特征在于所述平面波导包括一个芯层与产生相移的装置包含芯层的第一部分的厚度与芯层的第二部分的厚度不同。
10.权利要求7所述的装置，还包含一个包层(378)置于毗邻平面波导处；以及其特征在于产生相移的装置包括包层的第一部分其厚度与包层的第二部分的厚度不同。
11.权利要求7所述的装置，其特征在于，产生相移的装置包含一个第一衍射光栅(82)与一个第二衍射光栅(84)，其中第一衍射光栅与第二衍射光栅在纵向上有偏移。
12.权利要求1所述的装置，还包括将横磁偏振电磁波耦合进平面波导的装置(134)。
13.权利要求12所述的装置，其特征在于将横磁偏振电磁波耦合进平面波导的装置包含一个衍射光栅。
14.一个装置，其特征在于，包括一个角锥状结构(250)，它有四个实质上是平的边，它们向一顶点聚合；在毗邻每一个边的外侧置有具有第一折射率的第一物质(258)；在毗邻每一个边的内侧置有具有第二折射率的第二物质(256)；以及一个金属针(252)置于邻近所述那顶点处。
15.权利要求14所述的装置，其特征在于，还包括将结构中的电磁波的一部分进行相移的装置(264)。
16.一个装置，其特征在于，包含一个具有第一折射率的圆锥状结构(220)；一层物质(224)在圆锥状结构的表面上，所述物质具有第二折射率，它比第一折射率要低；一金属层(226)置于物质层之上；以及一金属针(236)置于圆锥状结构的顶点附近。
17.一个记录头，其特征在于，包含一个磁书写极(284)；一个平面波导(298)置于毗邻磁书写极处，所述平面波导被造成一定形状使它能够把一个线偏振电磁波引导至波导内的一个焦点上；一个金属针(32)置于焦点处。
18.权利要求17所述的记录头，其特征在于，所述波导包括边，作用是把电磁波反射至焦点处。
19.权利要求18所述的装置，其特征在于，所述边具有实质上是抛物线的形状。
20.权利要求19所述的装置，其特征在于，所述波导毗邻针的一端(49)是被截头的。
21.权利要求17所述的装置，其特征在于，所述平面波导组成一个模态折射率透镜(368)。
22.权利要求17所述的装置，其特征在于，所述针延伸出平面波导的一端。
23.权利要求17所述的记录头，其特征在于，还包含使线偏振电磁波的一部分发生相移的装置(54)。
24.权利要求23所述的记录头，其特征在于造成相移的装置包含一层物质，其第一部分具有第一折射率，第二部分具有第二折射率。
25.权利要求23所述的记录头，其特征在于那个平面波导包括一个芯层以及造成相移的装置包含芯层的第一部分的厚度与芯层的第二部分的厚度不同。
26.权利要求23所述的记录头，其特征在于，还包含一个包层(378)，置于毗邻平面波导的地方；以及其特征在于造成相移的装置包括包层的第一部分的厚度与包层的第二部分的厚度不同。
27.权利要求23所述的记录头，其特征在于，造成相移的装置包含一个第一衍射光栅(82)和一个第二衍射光栅(84)，其中第一衍射光栅与第二衍射光栅在径向上有偏移。
28.权利要求17所述的记录头，其特征在于，还包含把横磁偏振电磁波耦合进平面波导的装置(134)。
29.权利要求28所述的记录头，其特征在于把横磁偏振电磁波耦合进平面波导的装置包含一个衍射光栅。
30.一个记录头，其特征在于，包含一个磁书写极(284)；及一个波导(298)置于毗邻磁书写极的地方，所述波导包括一个角锥状的结构(250)，它有四个实质上平的边，它们会聚到一顶点，在毗邻每个边外侧的地方都有一个第一物质(258)，它们具有第一折射率，在毗邻每个边内侧的地方都有一个第二物质(256)，它们具有第二折射率，及一个金属针(252)，位于所述顶点附近。
31.权利要求30所述的记录头，其特征在于，还包含装置(264)，作用是使电磁波的一部分在受到边反射之前发生相移。
32.一种记录头，其特征在于，包含一个磁书写极(284)；及一个波导，安置在毗邻磁书写极的地方，所述波导包括一个圆锥状结构(220)，它具有第一折射率，在圆锥状结构的表面上有一层物质(224)，该物质具有第二折射率，它比第一折射率低，一金属层(226)安置在物质层之上，还有一个金属针(236)安置在毗邻圆锥状结构的顶点处。
33.一种盘驱动器，其特征在于，包含转动存储媒体的装置(14)；及把记录头(22)安置在邻近存储媒体表面的地方的装置(18)；其特征在于所述记录头包含一个磁书写极(284)，一个平面波导(298)安置在毗邻磁书写极的地方，所述平面波导被制成一定的形状使之能引导一个线偏振电磁波到波导内的一个焦点上，及一个安置在焦点上的金属针(32)。
全文摘要
一种用来形成一个光能小点的装置，它包含一个被造成一定形状的平面波导，波导把一个线偏振电磁波引导到内部的一个焦点上，以及安置在焦点上的金属针由此线偏振电磁波在针的表面上生成表面电磁激元。该装置还可以包含使那个线偏振电磁波的一部分发生相移的装置。同时还公开了包含一个磁书写极、一个安置在该磁书写极相邻处的平面波导的记录头，该平面波导被造成一定形状能把一个线偏振电磁波引导至波导内的一个焦点上，以及安置在焦点上的金属针，由此线偏振电磁波在针的表面上生成表面电磁激元，以及使用这种记录头的盘驱动器。
文档编号G11B5/127GK1666298SQ03815056
公开日2005年9月7日 申请日期2003年3月19日 优先权日2002年6月28日
发明者W·A·查雷纳, C·D·米哈尔西, T·劳齐 申请人:西加特技术有限责任公司