专利名称：波导近场光记录读写头的制作方法
技术领域：
本发明为一种波导近场光记录读写头，根据记录载体和传感器之间相对运动完成信息存储，用光学方法进行读写。
美国专利US5689480(公告日1997年11月18日)利用硅片上刻出的十字形槽构成波导，槽内表面为金属反射层，槽内为空气或高折射率物质。该技术方案可得到较高的记录密度，但存在的缺点一是光源与波导分离，采用机电系统跟踪聚焦实现波导的动态耦合，使得光学读写头质量大，寻道速度难以提高；二是采用十字形波导虽然可以得到较小记录光斑，但在信号探测过程中，十字形波导会引入道间串扰和码间干扰，这都会降低记录密度。实际上十字形波导提高记录密度的幅度十分有限。
美国专利US5199090(告出日1993年3月30日)提供了一种在磁光介质上记录和读取记录的磁光读写头。该装置由一个浮动块以及位于浮动块上的光波导结构、光源和探测器，再加一个电磁线圈组成。其波导结构包括一个平面波导、一个准直物镜和衍射物镜；半导体激光器与波导结构采用直接集成方式耦合。从光源发出的光束经准直物镜进入平面波导，再经衍射透镜聚焦后作用于记录介质上。该发明利用平面波导和衍射透镜聚焦来获得极小斑点，斑点一个方向的尺寸由平面波导厚度决定，可以较小；另一个方向的尺寸由衍射透镜的数值孔径(N.A.)决定，由于衍射透镜N.A.值较小，该方向上的光斑尺寸较大，光斑尺寸仅在平面波导方向较小。因此，该方案不能将光斑面积缩到足够小，光斑尺寸在100纳米以上，可以提高记录密度的潜力有限。
本发明的目的是提供一种能够进一步缩小光斑尺寸并且质量小的波导近场光记录读写装置，从而提高记录密度和寻道速度。为实现这一目的，本发明专门设计波导的形状和结构，并将半导体激光器与波导直接耦合或组装耦合。
实现本发明目的的波导近场光记录读写头，包括受光器件、浮动块、半导体激光器和无源波导；半导体激光器与无源波导相耦合，无源波导出光端位于浮动块的最低点，其特征是
(1)所述无源波导为锥形无源波导、其横截面斜边形状可以为直线段、折线段或曲线，它与半导体激光器耦合形成锥形无源波导集成器件，该锥形无源波导集成器件的出光端口截面面积小于锥形无源波导集成器件中半导体激光器后端面的截面面积；(2)锥形无源波导的芯层为高折射率材料，包层为低折射率材料，芯层材料和包层材料的折射率差≥0.5。
上述波导近场光记录读写头，所述的半导体激光器可以是一个T形F-P(法布里-珀罗)腔半导体激光器，其出光端部为T形，出光端部T形横面镀有反射膜、仅在中间部分出光，其余结构与普通短波长半导体激光器相同，所述锥形无源波导与T形F-P腔半导体激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微细制造技术组装耦合。
上述波导近场光记录读写头，所述半导体激光器也可以是一个分布反馈式半导体激光器，所述锥形无源波导与分布反馈式半导体激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微细制造技术组装耦合。
前述几种情况的波导近场光记录读写头，所述的受光器件可以包括衍射透镜、反射棱镜和光信号检测元件，衍射透镜位于浮动块上，反射棱镜位于取数臂上与衍射透镜对应端，光信号检测元件位于取数臂上与反射棱镜相对的一端，此时对应的记录介质为磁光或相变介质。
前述几种情况的波导近场光记录读写头，所述的受光器件也可以仅由位于浮动块上的光信号检测元件构成，此时对应的记录介质应为相变介质。
本发明提供的波导近场光记录读写头由于锥形无源波导集成器件的出光端口截面面积小于锥形无源波导集成器件中半导体激光器后端面的截面面积，锥形波导芯层材料与包层材料的折射率之差足够大，光斑尺寸得以进一步缩小，可达到几十纳米，大大提高了光记录读写头的记录密度；锥形无源波导集成器件中锥形无源波导与半导体激光器直接集成耦合或利用微细制造技术组装耦合，减小读写头的质量，可提高寻道速度。
图1为本发明波导近场光记录读写头的俯视图；图2为图1沿E-E剖面的剖视图；图3为利用T形F-P腔半导体激光器与锥形无源波导在同一基片上直接集成耦合形成的锥形无源波导集成器件；图4为图3沿A-A向的剖视图；图5为图4沿B-B向的剖视图；图6为利用分布反馈式半导体激光器与锥形无源波导在同一基片上直接集成耦合形成的锥形无源波导集成器件；图7为图6沿C-C向的剖视图；图8-1、图8-2、图8-3均为图7沿D-D向剖视图，它们分别表示锥形无源波导的三种不同形状。
图9为一种由图1和图2所示的波导近场光记录读写头构成的光记录系统。
图10为另一种由图1和图2所示的波导近场光记录读写头构成的光记录系统。
以下结合附图进一步描述本发明的实施状态。从图1和图2中可看出，受光器件1接受通过记录介质5传递的光信号，锥形无源波导3和半导体激光器4耦合，无源波导3的出光端位于浮动块2的最低点，可对记录介质5写入光信号。
在图3-图7以及图8-1、8-2、8-3中所示的锥形无源波导集成器件，可以采取以下方法制作而成。
1．采取过渡生长工艺或者选择性腐蚀工艺制作锥形波导。
(1)过渡生长工艺在n-GaAs或Si衬底7上先沉积并光刻出窄条形低折射率材料8，该材料可以是MgF2，折射率n=1.38；再在衬底上生长高折射率材料9，如GaP薄膜，n=3.4；或ZnS薄膜，n=2.35；或AlGaInP薄膜，n=3.3。由过渡生长过程可以在低折射率材料8的窄条上覆盖高折射率薄膜9，再利用光刻工艺，去掉窄条外的高折射率材料，然后再在衬底和高折射率材料窄条之上沉积低折射率材料8，得到大折射率差的波导。
(2)选择性腐蚀工艺先在高折射率材料层9和衬底7之间生长一层选择性腐蚀层，然后腐蚀掉中间层，最后再沉积低折射率材料8。
图8-1、图8-2、图8-3列举了锥形波导横裁面的几种形状，锥形波导出光端口3-1截面面积小于半导体激光器后端面4-1的裁面面积。如图8-1所示，当选用λ为680nm的半导体激光器时，锥形波导出光端宽度90nm，半导体激光器后端面宽度180nm，芯层材料为ALGaInP，包层材料MgF2，锥形波导长度3.4μm。
2．锥形波导3与半导体激光器耦合形成锥形波导集成器件。
(1)T形F-P腔半导体激光器与锥形波导3耦合。见图3-图5，当半导体激光器4选用T形F-P腔半导体激光器时，在衬底7上制备的锥形波导可以与该半导体激光器直接集成，除横截面形状外，该激光器的结构与普通F-P腔短波长半导体激光器基本相同，包括n-金属电极10,P金属电极11，脊形波导12可采用P-GaAs，电流阻挡层13为P-GaInP,P-限制层14材料为P-ALGaInP，有源层15GaInP,n-限制层16为n-ALGaInP。T形F-P腔激光器其出光端部为T形，出光端部T形横面4-2镀有反射膜。
(2)也可选用DFB(分布反馈式)半导体激光器与锥形波导3耦合。见图6、图7、图8-1、图8-2、图8-3。在这几张附图中，各部分标号及说明与前述说明相同，仅仅将半导体激光器4改为DFB半导体激光器，图7中，17为DFB半导体激光器的反馈光栅。
本发明中的波导近场光记录读写头能以多种方式构成光记录系统。下面是二种结构简单、实用化程度高的构成方式。
在图9所示的光记录系统中，波导近场光记录读写头中的受光器件1包括一个衍射透镜18、一个反射棱镜19和一个光信号检测元件20。将二个波导近场光记录读写头按图9所示对应安装在光记录系统中，锥形波导3的出光端口与记录介质5的表面之间的距离在近场光范围之内。锥形波导3或3′的出光端口对准另一方的衍射透镜18′或18。音圈电机22为光学头径向寻道驱动电机，半导体激光器4产生激光束进入锥形波导3，锥形波导3利用大折射率差将进入的激光束光斑减到足够小，光点作用到记录介质5上面，并通过对面浮动块2′的衍射透镜18′将光点变成平行光出射，再利用取数臂21上的反射棱镜19将光反射回光信号检测元件20，以实现光记录介质的读写功能。其对面的另一波导近场光记录读写头工作原理与此相同。这种光记录系统中的记录介质5可以是磁光介质或相变介质。
当记录介质为相变介质时，波导近场光记录读写头可以构成如图10所示的光记录系统。波导近场光记录读写头中的受光器件仅包括一个位于浮动块2上的光信号检测元件6。这种光记录系统的构成方式与工作原理与图9相同，只是将一方锥形波导3或3′出射到记录介质5上的光点，直接进入另一面的光信号检测元件20′或20，完成其读写功能。
权利要求
1．一种波导近场光记录读写头，包括受光器件、浮动块、半导体激光器和无源波导；半导体激光器与无源波导相耦合，无源波导出光端位于浮动块的最低点，其特征是(1)所述无源波导为锥形无源波导、其横截面斜边形状可以为直线段、折线段或曲线，它与半导体激光器耦合形成锥形无源波导集成器件，该锥形无源波导集成器件的出光端口截面面积小于锥形无源波导集成器件中半导体激光器后端面的截面面积；(2)锥形无源波导的芯层为高折射率材料，包层为低折射率材料，芯层材料和包层材料的折射率差≥0.5。
2．如权利要求1所述的波导近场光记录读写头，其特征在于所述半导体激光器是一个T形F-P腔半导体激光器，其出光端部为T形，出光端部T形横面镀有反射膜，仅在中间部分出光，其余结构与普通短波长半导体激光器相同，所述锥形无源波导与T形F-P腔半导体激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微细制造技术组装耦合。
3．如权利要求1所述的波导近场光记录读写头，其特征在于所述半导体激光器是一个分布反馈式半导体激光器，所述锥形无源波导与分布反馈式半导体激光器在同一基片上直接集成耦合或者利用微细制造技术组装耦合。
4．如权利要求1、2或3所述的波导近场光记录读写头，其特征在于所述受光器件包括衍射透镜、反射棱镜和光信号检测元件，衍射透镜位于浮动块上，反射棱镜位于取数臂上与衍射透镜对应端，光信号检测元件位于取数臂上与反射棱镜相对的一端。
5．如权利要求1、2或3所述的波导近场光记录读写头，其特征在于所述受光器件仅由位于浮动块上的光信号检测元件构成，此时对应的记录介质应为相变介质。
全文摘要
波导近场光记录读写头,包括受光器件、浮动块、半导体激光器及与之相耦合的锥形无源波导,锥形无源波导出光端位于浮动块最低点、出光端口截面积小于半导休激光器后端面的截面积;锥形无源波导芯层为高折射率材料,包层为低折叠率材料,折射率差≥0.5,半导体激光器可采用T形F－P腔半导体激光器,也可选用DFB半导体激光器。本发明可将光斑尺寸缩小至几十纳米,极大提高了光记录的密度并可提高寻道速度。
文档编号G11B7/22GK1225488SQ9911633
公开日1999年8月11日 申请日期1999年2月1日 优先权日1999年2月1日
发明者裴先登, 黄 俊, 谢长生, 黄浩 申请人:华中理工大学