(57)【要約】【課題】  光利用効率が高く、高速操作が可能な近接場光を用いた光学ヘッドを提供することである。【解決手段】  光学ヘッドであって、光透過部となる第１の屈折率を有する第１誘電体と、前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、を特徴とする。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過部となる第１の屈折率を有する第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、
前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、
前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする光学ヘッド。
【請求項２】
光透過部となる第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接材と、
前記各第１隣接材に隣接して配置された一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接材とを具備し、
前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅及び前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅は前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする光学ヘッド。
【請求項３】
請求項１記載の光学ヘッドにおいて、
入射光は、前記各誘電体の積層方向と直交する方向から入射されると共に、前記各誘電体の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光であることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項４】
請求項２記載の光学ヘッドにおいて、
入射光は、前記各誘電体及び各隣接材の積層方向と直交する方向から入射されると共に、前記各誘電体及び隣接材の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光であることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項５】
請求項１記載の光学ヘッドは円筒状光学ヘッドであり、前記第２、第３、第４誘電体はリング状であることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項６】
請求項２記載の光学ヘッドは円筒状光学ヘッドであり、前記第１、第２隣接材及び前記第２誘電体はリング状であることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項７】
互いに平行な一対の台形状主面と、矩形状底面と、該矩形状底面と平行な矩形状頂面と、前記頂面と前記底面及び前記一対の台形状主面同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面とを有する光学ヘッドであって、
光透過部となり、第１の屈折率を有し、前記台形状主面に平行な第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、
前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、
前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする光学ヘッド。
【請求項８】
互いに平行な一対の台形状主面と、矩形状底面と、該矩形状底面と平行な矩形状頂面と、前記頂面と前記底面及び前記一対の台形状主面同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面とを有する光学ヘッドであって、
光透過部となり、前記台形状主面と平行な第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接材と、
前記各第１隣接材に隣接して配置された一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接材とを具備し、
前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅及び前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅は前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする光学ヘッド。
【請求項９】
請求項５記載の光学ヘッドにおいて、
前記各誘電体は、半球状ソリッドイマージョンレンズの平面上に形成されてなることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項１０】
請求項６記載の光学ヘッドにおいて、
前記各誘電体及び前記各隣接材は、半球状ソリッドイマージョンレンズの平面上に形成されてなることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項１１】
請求項１記載の光学ヘッドにおいて、
前記第２及び第４誘電体は一体となった円筒状誘電体で構成され、中心部分に直方体形状の前記第１誘電体が埋め込まれ、
前記第３誘電体は、前記第１誘電体の周囲を囲むように、前記円筒状誘電体中に格子状に埋め込まれてなることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項１２】
請求項２記載の光学ヘッドにおいて、
前記第１及び第２隣接材は一体となった円筒状金属で構成され、中心部分に直方体形状の前記第１誘電体が埋め込まれ、
前記第２誘電体は、前記第１誘電体の周囲を囲むように、前記円筒状金属中に格子状に埋め込まれてなることを特徴とする光学ヘッド。
【請求項１３】
記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、
光ビームを出射する光源と、
該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、
前記光学ヘッドは、
光透過部となり、第１の屈折率を有する第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、
前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、
前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする情報記憶装置。
【請求項１４】
記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、
光ビームを出射する光源と、
該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、
前記光学ヘッドは、
光透過部となる第１誘電体と、
前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接材と、
前記各第１隣接材に隣接して配置された一対の第２誘電体と、
前記各第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接材とを具備し、
前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅及び前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅は前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅より小さいこと、
を特徴とする情報記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学ヘッド及び該光学ヘッドを用いた情報記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報化社会の進展に伴い、情報量は増大の一途を辿っている。この情報量の増大に対応して、飛躍的に高い記録密度の情報記録方式及びそれに基づく記録再生装置が待望されている。情報記録再生装置の一種である光ディスク装置では、記録容量に関係する集光ビーム径は光波長により制限される。光ディスク装置の高記録密度化の対策として、使用するレーザの短波長化及び光学レンズの高開口数（ＮＡ）化があるが、回折限界のために高記録密度化に限界がある。
【０００３】
光学レンズの高ＮＡ化の対策として、ソリッドイマージョンレンズを用いて、開口数（ＮＡ）を１以上にして、ソリッドイマージョンレンズの底面から染み出たエヴァネッセント光を利用して、光ディスク媒体に情報を記録する方法が提案されている。しかし、この方法は、ソリッドイマージョンレンズの屈折率によりＮＡを向上させているため、高記録密度化に自ずと限界がある。
【０００４】
高記録密度実現のための記録方式として、入射光の波長よりも小さい微小開口を作成し、その開口部から発生する近接場光を利用して、光の波長より小さいビームスポットを形成する近接場光記録方式が注目されている。
【０００５】
近接場光を発生させる構造（近接場光プローブ）としては、光波長以下の微小開口を持つ先鋭化された光ファイバ（光ファイバプローブ）が広く用いられる。この光ファイバプローブは、光ファイバの一端を加熱しながら引き伸ばしたり、または化学エッチング法を用いることにより先鋭化した後、先端以外を金属でコーティングすることにより作製される。
【０００６】
光ファイバ内に光を導入すると、光ファイバ先端に形成された微小開口近傍に近接場光を発生させることができる。しかし、この光ファイバプローブは、光利用効率が低いという欠点を有する。例えば、開口径が１００ｎｍのとき、光ファイバに入射する光の強度と光ファイバ先端から出射する光の強度の比は０．００１％以下である。
【０００７】
光利用効率を向上する方法として、以下のようなプローブが提案されている。
【０００８】
（１）  多段階先鋭化ファイバプローブ
光ファイバ先端の尖り角を根元から先端に行くに従い２段階または３段階に変化させた光ファイバプローブ（Applied Physics Letters, Vol. 68, No. 19, p2612-2614, 1996; Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 15, p2090-2092, 1998）。
【０００９】
（２）  金属針プローブ
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の針をプローブとして使うものであり、針先端に光を照射することにより、先端近傍に強い近接場光を発生させる（特開平６−１３７８４７号公報）。
【００１０】
（３）  金属微小球つき微小開口ファイバプローブ
光ファイバ先端の微小開口の中心に金属の微小球が形成されたファイバプローブであり、微小開口から出射した光により、金属微小球中にプラズモンが励起され、金属球近傍に強い近接場光が発生する（特開平１１−１０１８０９号公報）。
【００１１】
（４）  金属コートされたガラス片プローブ
三角柱状に切り出したガラス片上に厚さ５０ｎｍ程度の金属膜を形成し、金属膜上に表面プラズモンを励起させる。表面プラズモンは頂点に向かって伝播し、頂点近傍には強い近接場光が発生する（Physical Review B, Vol. 55, No. 12, p7977-7984, 1997）。
【００１２】
（５）  金属の散乱体つきガラス基板プローブ
ガラス基板底面に金属の散乱体をつけたプローブであり、金属の散乱体近傍に強い近接場光が発生する（特開平１１−２５０４６０号公報）。
【００１３】
ところで、近接場光学系では、近接場光を発生させる微小構造と試料表面の間隔を数ｎｍから数１０ｎｍにする必要がある。そこで、上記の光ファイバやガラス片で構成されたプローブを用いる場合、プローブ先端と試料表面の間隔を制御するための特別な制御系が必要となる。
【００１４】
一般には、プローブ先端と試料の間に働く原子間力を用いて間隔を測定し、その測定値を使ってサーボ制御を施す。しかし、このサーボ制御を利用する場合、サーボ帯域に限界があるので、プローブの走査速度には制限がある。
【００１５】
特に、高いデータ転送速度が要求される光記録再生装置においては、プローブを光ディスク上で高速に走査させる必要があり、光ディスクの歪みや傾きから生じる高い周波数の間隔変動を上記のサーボ制御方法では制御しきれないという問題がある。
【００１６】
この問題を解決するために、以下のようなプローブが提案されている。
【００１７】
（１）  平面開口プローブ
シリコン基板中に異方性エッチングを用いて開口を形成したプローブであり、微小開口周辺部が平坦になっているので、プローブを試料に押し付けることにより間隔を一定に保つことができる（The Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics, WL2,199）。
【００１８】
（２）  パッドつき開口プローブ
ガラス基板底面に先端に微小開口を有する四角錐の突起を形成し、その突起周辺にパッドを形成したプローブであり、パッドによってプローブ先端と試料の間隔が一定に保たれる（特開平１１−２６５５２０号公報）。
【００１９】
（３）  金属微小チップつき面発光レーザプローブ
面発光レーザ出射口端面に金属の微小開口及び金属の微小突起を形成したプローブであり、構造が平坦になっているので、プローブを試料に押し付けることにより間隔を一定に保つことができる（応用物理Vol. 68, No. 12, p1380-1383, 1999）。金属の微小突起及び共振構造を持つので光利用効率の向上も見込まれる。
【００２０】
（４）  パッチアンテナと同軸ケーブルを光に応用し、近接場光を高効率に発生させる（Optics Communications Vol. 69, No. 3, 4, p219-224, 1989）。
【００２１】
（５）  ボウタイ型の金属片を微小ダイポールアンテナとすることで、微小な近接場光を高効率に発生させる（米国特許第５，６９６，３７２号）。
【００２２】
ところで、近接場光を用いた光メモリの性能としては次の３点が要求される。
【００２３】
（ａ）  近接場光と記録媒体の間隔を波長より遥かに小さいオーダで且つ厳密に制御すること。
【００２４】
（ｂ）  微小なビームスポットであること。
【００２５】
（ｃ）  光利用効率が高いこと、即ち、高速データ転送が可能なこと。
【００２６】
先端の先鋭角を多段階に変えたファイバプローブは一般に使用されているファイバプローブに比べ１０〜１００倍高い効率を有するが、０．５％以上の光利用効率が要求される光記録再生装置に応用するにはまだ不十分である。また、光ファイバを用いているため機械的に脆く、高速走査は不可能である。
【００２７】
金属針プローブ、金属微小球つき微小開口ファイバプローブ、金属コートされたガラス片プローブ、金属の散乱体つきガラス基板プローブは何れも金属の特性を利用して効率の向上を図っており、高い光利用効率が期待できる。
【００２８】
しかし、何れもプローブ先端は機械的に脆い形状をしていて高速走査には向かない。特に、金属針プローブ、金属の散乱体つきガラス基板プローブは、針先端または散乱体に当たらない光も試料に入射してしまうため、バックグランド光が多く検出されてしまうという欠点を有する。
【００２９】
高速走査が可能なプローブも上述したようにいくつか提案されているが、平面開口プローブ及びパッドつき開口プローブの場合、高速走査は可能であるが光利用効率は小さい。微小開口に対しては、アルミニウムで出来た厚み５６０ｎｍの基板に３０°のテーパ角をつけ、微小開口を１００ｎｍ径として、波長４００ｎｍの光を入射するモデルでＦＤＴＤ法（フィニット・ディファレンス・タイム・ドメイン・メソッド）により、厳密な電磁界計算を行った。
【００３０】
その結果、図１に示すように、直径１００ｎｍの金属微小開口にビームを入射させると、出射直後の近接場領域でもビームは開口サイズを超える１６０ｎｍ（半値全幅）となり、入射偏光方向に特に角形状を有したプロファイルとなり、高密度記録が難しい。
【００３１】
金属微小突起付面発光レーザプローブは、高速走査で光利用効率も高く、バックグランド光も少ないと見込まれる。但し、金属の微小突起を使って強い近接場光を発生させるには、金属の形状を最適化する必要があるが、形状に関しては特開平１１−１０１８０９号には何ら開示されていない。また、その製造方法に関しても何ら開示されていない。
【００３２】
パッチアンテナと同軸ケーブルを光に応用し、近接場光を高効率に発生させる方法や、ボウタイ型の金属片を微小ダイポールアンテナにすることで微小な近接場光を発生させる方法では、金属の自由電子によるプラズモン共鳴条件を用いて光強度を増幅させるが、上記と同様にＦＤＴＤ法により厳密な電磁計算を行った結果、図２に示すように、ボウタイアンテナ面から２〜３ｎｍの距離以内に記録面を置かない限り、プラズモン増強を用いない完全導体と同じ効果となる。
【００３３】
すなわち、強度の増強はなく、必要な光量０．５％以上が得られないという問題がある。また、プラズモン条件を満足させるボウタイ型の形などの許容値が小さいという問題もある。
【００３４】
一方、光ディスク媒体の中にレンズ形状の基板を付けて、記録密度を上げる方法が発表されている（Optical Data Storage 2001 Technical Digest pp277-279, Guerra, et. al, April 22-25, 2001）。
【００３５】
この方法では、塵埃、ヘッドディスクインターフェースなどの問題の解決が目的であるが、近接場光を利用するのではなく、マイクロレンズを内蔵しマイクロレンズで集光した光を利用して記録膜に情報を記録再生するというものである。レンズ用の材料の屈折率を上げることで記録密度を上げるが、屈折率を大きくするのに限界があること及び円周方向の記録密度の向上ができないという問題がある。
【発明の開示】
【００３６】
よって、本発明の目的は、光利用効率が高く、高速走査が可能な近接場光を用いた光学ヘッドを提供することである。
【００３７】
本発明の他の目的は、上述した光学ヘッドを用いて高密度記録が可能な情報記録再生装置を提供することである。
【００３８】
本発明の一側面によると、光透過部となる第１の屈折率を有する第１誘電体と、前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、を特徴とする光学ヘッドが提供される。
【００３９】
好ましくは、第１及び第３誘電体は互いに異なる屈折率を有している。更に好ましくは、第３誘電体は第１の屈折率より小さな第４の屈折率を有している。代替案として、第１及び第３誘電体は互いに異なる厚さを有している。
【００４０】
好ましくは、第３誘電体は第１誘電体より厚い厚さを有している。好ましくは、光学ヘッドに入射される光は各誘電体の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光である。
【００４１】
本発明の他の側面によると、光透過部となる第１誘電体と、前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接材と、前記各第１隣接材に隣接して配置された一対の第２誘電体と、前記各第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接材とを具備し、前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅及び前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅は前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅より小さいこと、を特徴とする光学ヘッドが提供される。
【００４２】
好ましくは、第１誘電体は第１の屈折率を有しており、各第２誘電体は第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有している。代替案として、第１誘電体は第１の厚さを有しており、各第２誘電体は第１の厚さより厚い第２の厚さを有している。好ましくは、光学ヘッドに入射される光は各誘電体及び隣接材の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光である。
【００４３】
本発明の更に他の側面によると、入射光は、各誘電体又は誘電体／隣接材の積層方向と直交する方向から入射されると共に、積層方向に直交する方向に偏光面を有する直線偏光から構成される。
【００４４】
好ましくは、光学ヘッドは円筒状光学ヘッドであり、前記第２乃至第４誘電体又は前記第１、第２隣接材及び第２誘電体はリング形状をしている。
【００４５】
本発明の更に他の側面によると、記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、光ビームを出射する光源と、該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、前記光学ヘッドは、光透過部となり、第１の屈折率を有する第１誘電体と、前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体と、前記各第２誘電体に隣接して配置された一対の第３誘電体と、前記各第３誘電体に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体とを具備し、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅及び前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第２誘電体の２層を組み合わせた幅は前記第３誘電体と前記第４誘電体の２層を組み合わせた幅より小さいこと、を特徴とする情報記憶装置。
【００４６】
本発明の更に他の側面によると、記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、光ビームを出射する光源と、該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、前記光学ヘッドは、光透過部となる第１誘電体と、前記第１誘電体の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接と、前記各第１隣接材に隣接して配置された一対の第２誘電体と、前記各第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接材とを具備し、前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅及び前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅は入射光の波長以下であり、且つ、前記第１誘電体と前記第１隣接材の２層を組み合わせた幅は前記第２誘電体と前記第２隣接材の２層を組み合わせた幅より小さいこと、を特徴とする情報記憶装置。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
微小な光を発生させるためには、二次元では微小な開口を用い、一次元では単一スリットを用いることが考えられるが、光の波長以下の大きさの開口やスリット（例えば長さ１００ｎｍ程度）では、透過する光は極めて微弱である。本発明者たちは、このような事情に鑑み、周期的に形成した回折格子に注目した。
【００４８】
高い屈折率と低い屈折率の屈折率差が非常に大きいときには、光の透過などに対して特異な振る舞いを示すことがあるが、このような状況での光の振る舞いは今まで詳しく検討されてこなかった。このような高い屈折率材料として、ＩＩＩ―Ｖ属などのワイドギャップの半導体などを使用することが注目されている。
【００４９】
通常は、透過型の回折格子であれば、回折格子の周期の長さ（ピッチ）が入射する光の波長より大きいときには、複数の回折格子に入射する光ビームは全て透過するか又は回折する。このため、光ビームである透過光は必然的に近接場では多くの山、谷を持つビームになり、遠視野ではビームは大きくぼけたものになってしまう。
【００５０】
このため、回折限界以下の微細な光ビームを得るためには、回折格子の全面を金属などで覆い、その一箇所に使用する光波長以下で且つ回折限界以下の、例えば２００ｎｍ程度の微細な開口をフォーカス・イオン・ビームなどで空ける方法が提案されている。こうして、金属回折格子によるプラズモン励起光を微小な開口から出射させる。
【００５１】
しかし、この方法では、開口から出る光の利用効率が低いこと、フォーカス・イオン・ビームの加工は量産製造には向いていないこと、フォーカス・イオン・ビームによる開口の加工はその大きさ、形が不安定であるという問題がある。さらに、安価に量産するために、ウエハで製造することを目的とする光デバイスの製造には、この方法は向いていないなどの問題がある。
【００５２】
本発明は、フォーカス・イオン・ビーム加工などにより開口を作らずに、回折限界より遥かに小さいビームを高効率に発生できる利点を有する。我々は、非常に周期数が少なく、且つその周期を形成する構成要素が同一ではないという特殊な周期構造を有する光学素子が、光の波長より小さい領域の中を光が減衰することなく増大して透過できることを、計算により初めて見出した。
【００５３】
先ず、光を閉じ込めるために、高い屈折率の媒質と低い屈折率の媒質の屈折率差を利用する方法について述べる。以下の説明では、光記録や再生に用いるレーザは、青紫色レーザダイオード（波長４００ｎｍ）を使用することとする。
【００５４】
ここで、高い屈折率の材料をシリコン（Ｓｉ）とし、波長４００ｎｍでのＳｉの屈折率は５．５６である。一方、低い屈折率の材料をダイヤモンドとし、波長４００ｎｍでのダイヤモンドの屈折率は２．４７である。屈折率差は３．１と非常に大きくなり、このときの光の振る舞いは後に述べるように異常回折（ａｎｏｍａｌｙ）と呼ばれる特異な現象が生じるのである。
【００５５】
回折格子の周期長さ（ピッチ）ｄが波長λ以下（０は含まず）になると、回折光は生じなくなる。それより更に短い周期では回折格子の作製も困難になることもあり、これまで詳しく検討されてこなかった。
【００５６】
しかし、この周期長さｄを更に細かく、例えばλ／５以下（０は含まず）にすると、透過光が減衰することなく出てくることを本発明者等は計算により見出した。すなわち、ある屈折率とそれより高い屈折率の回折格子を形成し、回折格子の周期長さが使用する波長以下である一定の周期長さ以下になると、透過光が強く出る異常回折現象を計算により見出した。
【００５７】
一方、回折格子の周期長さが使用する波長程度以下である一定の周期長さ以上になると、透過光は殆ど出てこないことを計算により見出した。
【００５８】
これらの現象から、中央の組み合わせを、中央に配置された第１の屈折率を有する第１誘電体と、該第１誘電体の両側に隣接して配置された第１屈折率より高い屈折率を有する第２誘電体の組み合わせで、一定の周期長さ以下（０は含まず）の幅で形成する。
【００５９】
中央の組み合わせの両隣りを、第２の屈折率を有する第３誘電体と、第２の屈折率より高い屈折率を有する第４誘電体の組み合わせで、一定の周期長さ以上の幅で形成する。
【００６０】
このように形成することにより、中央の組み合わせの隣接部からの透過光は発生せず、光が中央の誘電体の組み合わせ内に閉じ込められ、且つ０次回折光である透過光として強く出て減衰することなく回折格子内を伝播する。本発明は、多くの周期数を持たなくても、僅か３個程度の周期数でもこのような光の閉じ込めができることに特徴がある。
【００６１】
以下の光の計算では、ＦＤＴＤ法により厳密な電磁界計算を行った。また、Ｘ，Ｚ方向のセルは１２０個で各１０ｎｍ、Ｙ方向のセルは２４０個で各５ｎｍの大きさとし、計算も十分定常状態に達した周期数３０の結果を利用した。
【００６２】
また、負誘電体である金属でも計算の解が安定するように、金属の自由電子モデルであるローレンツによる自由電子の運動方程式を、ＦＤＴＤ法と同時に連立して計算することにより、正確な解が得られるようになっている。
【００６３】
図３を参照すると、本発明第１実施形態の光学ヘッド２の概略透視図が示されている。この実施形態では、台形柱４は互いに平行な一対の台形状主面４ａと、矩形状底面４ｂと、この矩形状底面４ｂと平行な矩形状頂面４ｃと、頂面４ｃと底面４ｂ及び一対の台形状主面４ａ同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面４ｄを有している。台形柱４は屈折率２．４７の使用する光に対しての透明なダイヤモンドから形成されている。
【００６４】
台形柱光学ヘッドでは、Ｘ方向の直線偏光を有する青紫光を矩形状底面４ｂに入射させ、台形柱４の側面４ｄで光が多重反射して干渉することにより、Ｘ方向及びＹ方向ともにビームは微小化できるが、特にＸ方向で縮小されたビームを発生できるものである（特願２００２−１８８５７９参照）。
【００６５】
台形柱４のＹ方向の厚みは６００ｎｍ、先端の頂角は３０°であり、台形柱４の光進行方向Ｚの長さは１．４μｍである。台形柱４の先端部分近傍に光閉じ込め部６が形成されている。
【００６６】
この光閉じ込め部６は、後で詳細に説明されるように、中央に配置されたダイヤモンド層８と、このダイヤモンド層８の両側に隣接して配置された一対のＳｉ層１０から形成される。
【００６７】
ビーム径の一層の縮小のために、使用波長で負誘電率となる材料（例えば金属等）で誘電体を囲うと、擬似的に中の誘電体の屈折率が上がることと同等の効果があるので、台形柱４の周囲をアルミニウム（Ａｌ）１２で囲っている。
【００６８】
尚、アルミニウムの使用波長での誘電率の実部は−２３．３８であり、ダイヤモンドの誘電率は６．１であるため、プラズモン励起の条件、即ち、使用波長で負誘電率となる材料の誘電率の実部絶対値が隣の誘電体の誘電率より大きいことを満足している。
【００６９】
先端部近傍に光閉じ込め部６を有しないダイヤモンド台形柱に光を入射したときの、光の伝播の様子のコンピュータシミュレーション画像を図４及び図５に示す。図４はＸ方向の光の伝播の様子を、図５はＹ方向の光の伝播の様子を示しており、Ｘ方向及びＹ方向共に光が干渉していく様子が示されている。
【００７０】
出射面１４で光が最も干渉し、ビームが微細化されるように出射面１４を選んでいる。このときの出射面１４から１０ｎｍ出たところでの１／ｅ２のビームサイズは、Ｘ方向で１００ｎｍ、Ｙ方向で６００ｎｍであり、Ｘ方向は干渉効果によりビームは微細化されているが、Ｙ方向のビームの一層の微細化が必要であることがわかる。
【００７１】
このような一方向のビーム縮小に対しては、本発明の少ない周期構造でのビームの閉じ込めを利用することにより、Ｘ方向の集光性は乱さずにＹ方向のビームを縮小することができる。
【００７２】
図６に光透過部（スリット又は開口）１８を中央に１個のみ有する台形柱光学ヘッド１６の比較例の断面例を示す。図３と同様に台形柱４はダイヤモンドから形成されており、光出射部の中央に設けられた光透過部１８は台形柱４と同様なダイヤモンドから形成され、その厚さは２５ｎｍである。
【００７３】
光透過部１８の両側に隣接して一対のＳｉ層２０が形成されている。２２は台形柱４及びＳｉ層２０の周囲を囲った厚さ２００ｎｍのＡｌ層である。この構成のときには、図７のコンピュータシミュレーション画像に示すように、光は使用する光の波長以下のスリット１８を透過できず、光は出射面１４から出射されない。
【００７４】
図８を参照すると、他の比較例の台形柱光学ヘッド２４の断面図が示されている。この比較例では、台形柱４を同じくダイヤモンドから形成し、複数のスリット２６と、各スリット２６の両側に隣接した複数のＳｉ層２８を形成した。
【００７５】
スリット２６及びＳｉ層２８は共にその厚さが２５ｎｍである。スリット２６はダイヤモンドから形成されている。台形柱４及びＳｉ層２８の周囲は厚さ２００ｎｍのＡｌ層２２で囲まれている。
【００７６】
この比較例の光学ヘッド２４に光を入射すると、図９のコンピュータシミュレーション画像に示すように、光が厚さ２５ｎｍのスリット２６の中を減衰することなく透過できることを見出した。しかし、このままでは多数の微細ビームが出射面１４から出射することになる。
【００７７】
一方、図８に示したような多層の周期構造で周期間隔を広げると、光が光透過部（開口）を透過できなくなる現象も同様の電磁界の計算により見出した。この計算結果から、中央のみを、低い屈折率の誘電体から形成した透過部（開口）とし、開口の両側に高い屈折率の誘電体層を配置した組み合わせとし、これ以外の回折格子のピッチを広げるか、或いは屈折率を異ならせることで、使用する波長以下の微細な光ビームが中央の光閉じ込め部に閉じ込められ、出射面からこの微小な１個の光ビームが出射することが判明した。
【００７８】
図１０に図３に示した第１実施形態の光学ヘッド２のＹ方向に沿った断面図を示す。光透過部（開口）となる中心の第１誘電体層８は台形柱４と同じダイヤモンドから形成し、その厚さを２０ｎｍとする。
【００７９】
第１誘電体層８の両側に隣接してＳｉから形成された厚さ２５ｎｍの一対の第２誘電体層１０が配置されている。各第２誘電体層１０に隣接してＳｉＯ２から形成された厚さ４０ｎｍの一対の第３誘電体層３０が配置されている。
【００８０】
更に、各第３誘電体層３０に隣接してＳｉから形成された厚さ１２０ｎｍの一対の第４誘電体層３２が配置されている。台形柱４及び第４誘電体層３２は厚さ２００ｎｍのＡｌ層１２で囲まれている。多層構造のＺ方向の長さは１００ｎｍである。第１誘電体層８及び第３誘電体層３０は使用する光に対して透明である。
【００８１】
この第１実施形態の光の伝播の様子のコンピュータシミュレーション画像を図１１及び図１２に示す。図１１はＹ方向のシミュレーション画像であり、図１２はＸ方向のシミュレーション画像である。
【００８２】
図１１及び図１２から明らかなように、光は厚さ２０ｎｍの中央の開口８を減衰することなく強度を増大させて伝播していく。このときの、出射面１４から１０ｎｍ離れた位置でのビームプロファイルを図１３に示す。
【００８３】
出射面から１０ｎｍ出射した位置での１／ｅ２のビーム径はＸ方向で１００ｎｍ、Ｙ方向で８６ｎｍ、半値全幅では６６×４０ｎｍと極めて微細化されている。このときの光学ヘッドに入射する光量に対する出射光量の比、即ち光利用効率は２．４％と高効率となり、大容量光ストレージの光学ヘッドとして十分な特性が得られた。
【００８４】
本実施形態では、隣接する誘電体層の間の屈折率差Δｎが大きいため、積層構造の総数が少なくても十分な光利用効率を達成できる。但し、中心に配置した低屈折率の誘電体層を一対の高屈折率の誘電体層で挟むだけでは、図７に示すように光は光学ヘッドを透過できない。
【００８５】
これに対し、本実施形態のように３個の周期を有する多層構造であると、光は中央の開口を減衰することなく強度を増大させて伝播し、出射端面から出射する。但し、３個の周期構造とは云っても、中央の組み合わせとその両側の組み合わせでは周期の長さ（ピッチ）或いは屈折率が異なるという特殊な周期性であることに注意されたい。尚本実施形態では、Ａｌ層１２で周囲を囲っているが、Ａｌ層１２を使用しなくても強度の強い透過光を得ることができる。
【００８６】
上述した第１実施形態では、第１誘電体層８をダイヤモンドから形成し、第２誘電体層１０及び第４誘電体層３２をＳｉから形成し、第３誘電体層３０をＳｉＯ２から形成しているが、各誘電体層の材料はこれに限定されるものではない。
【００８７】
即ち、第２誘電体層１０及び第４誘電体層３２は第１誘電体層８より大きな屈折率を有し、第３誘電体層３０は第１誘電体層８と屈折率が異なるか或いは厚さが互いに異なればよい。
【００８８】
好ましくは、第３誘電体層３０は第１誘電体層８より小さな屈折率を有している。代替案として、第３誘電体層３０は第１誘電体層８より厚さが厚いのが好ましい。また、第１誘電体層８と第２誘電体層１０の屈折率差は２以上であるのが好ましい。
【００８９】
ここで、誘電体層の材質を異ならせることで屈折率を異ならせることが可能である。低い屈折率の誘電体層と高い屈折率の誘電体層の屈折率差は、０．１以上あればよいが、屈折率差が大きい方が効果的である。誘電体層の厚さの差は少しでもあればよく、具体的には数ｎｍ以上数百ｎｍ以下の範囲で選択するのが効果的である。
【００９０】
本実施形態のような積層構造を有する回折格子は広義の一次元フォトニック結晶と見なせるが、入射される光の偏光方向が層の積層方向に直交している場合に光の透過が大きくなり、光の透過率は入射する光の偏光方向に依存する。
【００９１】
このような透過現象では、一般的に透過光には強度の腹及び節が進行方向にほぼ周期的に現れ、その周期は光が透過する媒質の屈折率をｎとすると、凡そλ／２ｎであり、所謂ファブリペロー型の共振モードになっていることが多い。高屈折率で低損失の材料としては、ＫＮｂＯ３，ＬｉＮｂＯ３，ＡｇＢｒ，ＴｌＣｌ，ＺｎＳ，ＫＰＳ−６，ＥＳＯ，ＴｉＯ２等が挙げられる。
【００９２】
尚、上述した説明では台形柱４の中に特殊な周期構造を持つ素子（光学ヘッド）を説明したが、本発明は台形柱形状に限定されるものではなく、通常のレンズなどにより作り出せる平行光や収束球面波などを、上述したような特殊な周期構造を持つ素子に入射させても、同様に一方向にビームを大幅に縮小化することができる。
【００９３】
図１４を参照すると、本発明第２実施形態の光学ヘッド２Ａの断面図が示されている。この実施形態では、第３誘電体層３０を出射端面から所定距離削除する。第３誘電体層３０がＳｉＯ２から形成され、その厚さをＷとすれば、ＳｉＯ２をエッチングすることにより、奥行き方向で第３誘電体層３０をＷ程度まで削除する。Ｗは５０〜１００ｎｍ程度である。これにより、第３誘電体層３０からの微弱な光の漏れを防止できる。
【００９４】
図１５を参照すると、本発明第３実施形態の光学ヘッド３４の透視図が示されている。図１６は図１５のＹ方向に沿った断面図である。台形柱３６は互いに平行な一対の台形状主面３６ａと、矩形状底面３６ｂと、この矩形状底面３６ｂと平行な矩形状頂面３６ｃと、頂面３６ｃと底面３６ｂ及び一対の台形状主面３６ａ同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面３６ｄを有している。台形柱３６の頂角は３０°である。本実施形態は、多層膜が光学ヘッド（光学素子）３４の全長に存在する場合である。
【００９５】
図１６の断面図において、４０は光学ヘッド３４の中心に配置された厚さ２０ｎｍのＳｉＯ２から形成された第１誘電体層であり、この第１誘電体層４０の両側に隣接してそれぞれ厚さ３０ｎｍのＡｌから形成された一対の第１金属層４２が配置されている。
【００９６】
各第１金属層４２に隣接してそれぞれ厚さ１６０ｎｍのダイヤモンドから形成された一対の第２誘電体層４４が配置されている。さらに、各第２誘電体層４４に隣接してそれぞれ厚さ２００ｎｍのＡｌから形成された一対の第２金属層３８が配置されている。
【００９７】
このように本実施形態では、光を遮光する部材として金属を用いている。このとき、使用波長で金属の自由電子の共鳴により光強度を増大させるために、プラズモンが存在する条件を第１金属層４２及び第２金属層３８が満たす必要がある。
【００９８】
即ち、金属の誘電率の実部絶対値は隣の誘電体の誘電率より大きいことが必要である。本実施形態では、この条件を満足するアルミニウム（Ａｌ）を第１及び第２金属層として使用した。第１誘電体層４０及び第２誘電体層４４は使用する光に対して透明である。
【００９９】
第３実施形態の光学ヘッド３４に光を入射したときの光伝播の様子のコンピュータシミュレーション画像を図１７及び図１８に示す。図１７はＹ方向のシミュレーション画像であり、図１８はＸ方向のシミュレーション画像である。
【０１００】
図１７及び図１８から明らかなように、厚さ２０ｎｍという極めて微細な第１誘電体層４０の中を光が減衰することなく透過している。このときの、出射面から１０ｎｍ出射した位置のビームプロファイルを図１９に示す。
【０１０１】
出射面から１０ｎｍ出射した位置での１／ｅ２のビーム径はＸ方向で１００ｎｍ、Ｙ方向で７１ｎｍであり、半値全幅では６５×３７ｎｍと極めて微細化されている。本実施形態の光利用効率は０．９４％と高効率であり、大容量ストレージの光学ヘッドとして十分な特性が得られた。
【０１０２】
上述した第３実施形態では、各金属層をアルミニウムから形成しているが、負の誘電率を有する他の金属も使用可能である。金属の誘電率の実部絶対値は、隣接する誘電体層の誘電率より大きいことが必要である。好ましくは、第２誘電体層４４は第１誘電体層４０より大きな屈折率を有している。或いは、第２誘電体層４４は第１誘電体層４０より厚い厚さを有している。
【０１０３】
本実施形態の変形例として、第１及び第２実施形態のような誘電体の積層構造としてもよい。更に、第１及び第２実施形態の変形例として、光を遮光する部材としてアルミニウム（Ａｌ）等の金属層を用いるようにしてもよい。
【０１０４】
図２０は本発明第４実施形態の光学ヘッド４６の概略断面図を示している。この実施形態は積層構造の周期数を増やした実施形態である。中心に配置した第１誘電体層４８はダイヤモンドから形成され、第２誘電体層５０はＳｉから形成され、第３誘電体層５２はＳｉＯ２から形成され、第４誘電体層５４はＳｉから形成される。
【０１０５】
即ち、第１乃至第４誘電体層の積層構造は、図１０に示した第１実施形態と同様である。本実施形態では更に、第５誘電体層５６をＳｉから形成し、第６誘電体層５８をＳｉから形成する。第７誘電体層６０はＳｉＯ２から形成され、第８誘電体層６２はＳｉから形成される。
【０１０６】
本実施形態の光学ヘッド４６の特徴の一つは、第５誘電体層５６を高屈折材料から形成し、この部分での光の透過を阻止しようとするものである。作製の際には、第４乃至第６誘電体層５４−５８は勿論１回の成膜ステップで形成する。
【０１０７】
本実施形態は、図９で複数のスリットを透過する場合、中央から３つ目には光が強く透過する現象があるので、これを阻止するものである。この場合、回折格子の周期数を増やすことで、透過強度を強くできる利点がある。第５誘電体層５６に代わって、負の誘電率を有する金属材料を用いるようにしてもよい。
【０１０８】
図２１を参照すると、本発明の光学ヘッドを利用した情報記録再生装置６４の概略構成図が示されている。この情報記録再生装置６４は光アシスト磁気記録再生装置である。磁気記録媒体６６は矢印Ｒ方向に回転する。
【０１０９】
下部磁気シールド６８と上部磁気シールド兼下部コア７０の間に再生用磁気センサヘッド７２、光学ヘッド２が形成されている。光学ヘッド２には光導波路７４を介して光が入射される。下部コア７０上には情報書き込み用のコイル７６が形成されている。７８は上部コアである。
【０１１０】
この情報記録再生装置６４では、磁気記録媒体６６の回転により、再生用磁気センサヘッド７２、光学ヘッド２及び磁場発生用のコイル７６の順にマークを通過する。情報の書き込み時には、光学ヘッド２から出射された光３が磁気記録媒体６６に照射されて磁気記録媒体６６の温度を上げ、その直後にコイル７６で発生された磁界８０により情報を書き込むため、比較的小さな磁界強度で磁気記録媒体６６に情報を書き込むことができる。この情報記録再生装置６４は、ウエハ処理プロセスで完全な一体型ヘッドとして製造することができる。
【０１１１】
尚、情報記録再生装置として光アシスト磁気記録再生装置について説明したが、本発明の光学ヘッドの適用はこれに限定されるものではなく、微小なビームスポットを形成できるので、相変化型の光ディスク装置や光磁気ディスク装置の光学ヘッドとしても同様に適用可能である。
【０１１２】
特に、光磁気ディスク装置の場合には、磁界レーザパルス変調により、円周方向に所謂三日月記録が行え、記録長の短縮化が行えるので、高記録密度化を図ることができる。また、磁界レーザパルス変調によりオーバライト記録が行え、高速な記録再生が可能となる。
【０１１３】
図２２は本発明の更に他の実施形態を示している。光ビームは対物レンズ８２で集光されてソリッドイマージョンレンズ８４に入り、このソリッドイマージョンレンズ８４により更に集光される。ソリッドイマージョンレンズ８４は半球レンズであり、その平面部に第５実施形態の円筒状光学ヘッド８６が形成されている。
【０１１４】
円筒状光学ヘッド８６は、図２３に示すように中心に配置された例えばダイヤモンドから形成された第１誘電体８８と、第１誘電体８８に隣接してその外周に配置された例えばＳｉから形成されたリング状第２誘電体９０と、第２誘電体９０に隣接してその外周に配置された例えばＳｉＯ２から形成されたリング状第３誘電体９２と、第３誘電体９２に隣接してその外周に配置された例えばＳｉから形成されたリング状第４誘電体９４を含んでいる。
【０１１５】
円筒状光学ヘッド８６は更に、第４誘電体９４に隣接してその外周に配置されたＳｉＯ２から形成されたリング状第５誘電体９５と、第５誘電体９５に隣接してその外周に配置されたＳｉから形成されたリング状第６誘電体９６を含んでいる。
【０１１６】
図２３の円筒状光学ヘッド８６の変形例として、中心部分８８をＳｉＯ２から形成し、リング状部分９０，９４，９６をアルミニウム等の金属から形成し、リング状部分９２，９５をダイヤモンドから形成するようにしてもよい。図２３に示した第５実施形態においては、全ての方向についてビームの縮小化を図ることができる。
【０１１７】
図２４は本発明第６実施形態の光学ヘッド９８を示しており、Ｓｉから形成された円筒体１０２の中心にダイヤモンドから形成された直方体１００を配置し、その周辺に格子状にＳｉＯ２から形成された直方体１０４を配置して構成される。
【０１１８】
円筒体１０２をアルミニウム等の金属から形成するようにしてもよい。この場合には、中心の直方体１００はＳｉＯ２から形成し、格子状に配置された直方体１０４はダイヤモンドから形成するのが好ましい。
【０１１９】
図２５は図２４に示した第６実施形態の変形例の光学ヘッド９８Ａを示している。この変形例においては、図２４の直方体１０４に加えて、直方体１０４と同じＳｉＯ２から形成された４個の直方体１０６が形成されている。図２４及び図２５に示す実施形態においては、Ｘ方向及びＹ方向共ビームの縮小化を図ることができる。
【０１２０】
図２６は本発明第７実施形態の光学ヘッド１０８を示しており、２つの直交した回折格子１１０，１１２を積層して構成されている。この実施形態においても、Ｘ方向及びＹ方向共ビームの縮小化を図ることができる。
【０１２１】
図２７は図２２に示した実施形態を例えば光磁気ディスク装置に応用した構成図を示している。サスペンション１１６に支持されたスライダ１１４には磁界変調用コイル１１８と、ソリッドイマージョンレンズ８４及び円筒状光学ヘッド８６が形成されている。
【０１２２】
１２０は光磁気ディスク媒体である。レーザダイオード（ＬＤ）１２２から出射されたレーザビームはコリメートレンズ１２４でコリメートビームにされた後、偏光ビームスプリッタ１２６を透過し、対物レンズ１２８、ソリッドイマージョンレンズ８４及び円筒状光学ヘッド８６により光磁気ディスク媒体１２０上に集光される。
【０１２３】
情報の書き込み時には、磁界変調用コイル１１８が書き込むべきデータに応じて変調され、データが光磁気ディスク媒体１２０に書き込まれる。情報の読み出し時には、光磁気ディスク媒体１２０からの反射光が偏光ビームスプリッタ１２６で反射されて、レンズ１３０で光検知素子１３２上に集光され、光磁気信号が検知される。
【０１２４】
本発明の光素子（光学ヘッド）をＬＤやＬＥＤなどの出射面に作製することで光の集光性を高めることができ、効率のよい光デバイスを製造することができる。また、本発明の光素子を光導波路端面に形成することにより、通信用光ファイバとの結合や、光配線などの結合素子として使用することができる。
【０１２５】
図２８Ａ〜２８Ｃは図３に示した第１実施形態の光学ヘッド２の製造方法の一例を示している。先ず、図２８Ａに示すように、スパッタリング、真空蒸着或いはＣＶＤ法により、Ａｌ層１３６及び多層膜構造１３８を成膜する。
【０１２６】
次いで、図２８Ｂに示すように、ダイヤモンドからなる台形柱の光透過部分１４０を成膜する。最後に、図２８Ｃに示すように、多層膜構造１３８及び台形柱１４０上にＡｌ１４２を成膜する。
【０１２７】
図２９Ａ〜図２９Ｄは図１５に示した第３実施形態の光学ヘッド３４の製造方法の一例を示している。先ず、図２９Ａに示すようにＲＦスパッタリング、真空蒸着或いはＣＶＤ法により、多層膜を成膜する。次いで、図２９Ｂに示すように、フォトレジストを塗布後、ステッパ又は電子ビーム直接描画装置等を使用して、台形１４４のパターニングを行う。
【０１２８】
次いで、図２９Ｃに示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で形状を仕上げ、最後に図２９Ｄに示すように、最外周のＡｌ層１４６の成膜を行う。これらの製造プロセスはウエハプロセスで行い、最後に各チップに切り出し、所定の面が出るように研磨を行う。
【０１２９】
上述した各実施形態における台形柱の頂角は、１０°〜１２０°の範囲で製造面、ビーム設計に応じて適宜選択可能である。また、各実施形態の各層の材料は、製造面、材料費、ビーム設計に応じて適宜選択可能であり、各実施形態の材料に限定されるものではない。例えば、ＳｉＯ２でなくてもＳｉＯ２を含むＳｉＯ２系材料、Ａｌを含むＡｌ系材料であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明の光学ヘッドは、以上詳述したように微小な光ビームを出射可能であるので、情報記録再生装置に適用すると超高密度記録を実現できる。また、基板上に形成する二次元パターンで容易に縮小化された光ビームを出射可能な光学ヘッドを製造することができ、光学ヘッドの量産化が可能である。
【０１３１】
更に、再生用ヘッドと併せてリソグラフィ技術で作製できるため、１インチ平方当たりサブテラビット以上の高密度記録に対応できる光学ヘッド及びこれを用いた情報記録再生装置を提供することができる。
【０１３２】
さらに、本発明の光学ヘッドは、情報記憶装置だけでなく、光通信用部品、半導体加工装置等の光学装置に応用可能である。
【０１３３】
本発明は以下の付記を有する。
【０１３４】
（付記１）  第１の屈折率を有する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された一対の第３誘電体層と、
前記各第３誘電体層に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体層とを具備し、
前記第１乃至第４誘電体層の積層方向と直交する方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１３５】
（付記２）  前記第１及び第３誘電体層は互いに異なる屈折率を有している付記１記載の光学ヘッド。
【０１３６】
（付記３）  前記各第３誘電体層は前記第１の屈折率より小さな第４の屈折率を有している付記２記載の光学ヘッド。
【０１３７】
（付記４）  前記第２誘電体層及び前記第４誘電体層は同一誘電体から形成されている付記１記載の光学ヘッド。
【０１３８】
（付記５）  前記第１及び第３誘電体層は互いに異なる厚さを有している付記１記載の光学ヘッド。
【０１３９】
（付記６）  前記第１誘電体層は第１の厚さを有し、前記各第３誘電体層は前記第１の厚さより厚い第２の厚さを有している付記５記載の光学ヘッド。
【０１４０】
（付記７）  前記第１乃至第４誘電体層は互いに異なる厚さを有している付記１記載の光学ヘッド。
【０１４１】
（付記８）  前記第２及び第４誘電体層はシリコンから形成され、前記第３誘電体層はＳｉＯ２から形成される付記１記載の光学ヘッド。
【０１４２】
（付記９）  前記各第４誘電体層に隣接して配置された、前記第３誘電体層と同一の誘電体から形成された一対の第５誘電体層と、
前記各第５誘電体層に隣接して配置された、前記第２誘電体層と同一の誘電体から形成された一対の第６誘電体層とを更に具備した付記４記載の光学ヘッド。
【０１４３】
（付記１０）  前記各第４誘電体層は前記各第２誘電体層よりも厚い厚さを有している付記９記載の光学ヘッド。
【０１４４】
（付記１１）  前記光学ヘッドは光が入射する入射端面と出射する出射端面を有しており、
前記各第３誘電体層は前記出射端面側で所定距離削除されている付記１記載の光学ヘッド。
【０１４５】
（付記１２）  前記入射される光は前記第１乃至第４誘電体層の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光である付記１記載の光学ヘッド。
【０１４６】
（付記１３）  第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接層と、
前記各第１隣接層に隣接して配置された一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接層とを具備し、
前記第１及び第２誘電体層は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記各層の積層方向と直交する方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１４７】
（付記１４）  前記第１誘電体層は第１の屈折率を有しており、前記各第２誘電体層は前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有している付記１３記載の光学ヘッド。
【０１４８】
（付記１５）  前記第１誘電体層は第１の厚さを有しており、前記各第２誘電体層は前記第１の厚さより厚い第２の厚さを有している付記１３記載の光学ヘッド。
【０１４９】
（付記１６）  前記第１及び第２誘電体層並びに前記第１及び第２隣接層は互いに異なる厚さを有している付記１３記載の光学ヘッド。
【０１５０】
（付記１７）  前記第１及び第２隣接層は同一金属材料から形成されている付記１３記載の光学ヘッド。
【０１５１】
（付記１８）  前記第１誘電体層はＳｉＯ２から形成され、前記第１及び第２隣接層はアルミニウムから形成されている付記１７記載の光学ヘッド。
【０１５２】
（付記１９）  前記各第２隣接層に隣接して配置された一対の第３誘電体層と、
前記各第３誘電体層に隣接して配置された一対の第３隣接層とを更に具備した付記１３記載の光学ヘッド。
【０１５３】
（付記２０）  前記第１乃至第３隣接層は同一金属材料から形成されており、前記各第２隣接層は前記第１隣接層の厚さより厚い厚さを有している付記１９記載の光学ヘッド。
【０１５４】
（付記２１）  前記光学ヘッドは光が入射する入射端面と出射する出射端面を有しており、
前記各第２誘電体層は前記出射端面側が所定距離削除されている付記１３記載の光学ヘッド。
【０１５５】
（付記２２）  前記入射される光は前記各層の積層方向と直交する方向に偏光面を有する直線偏光である付記１３記載の光学ヘッド。
【０１５６】
（付記２３）  円筒形状光学ヘッドであって、
中心に配置された第１の屈折率を有する第１誘電体と、
前記第１誘電体に隣接してその外周に配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有するリング状第２誘電体と、
前記第２誘電体に隣接してその外周に配置されたリング状第３誘電体と、
前記第３誘電体に隣接してその外周に配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有するリング状第４誘電体とを具備し、
円筒形状光学ヘッドの軸方向に光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１５７】
（付記２４）  円筒形状光学ヘッドであって、
中心に配置された第１誘電体と、
前記第１誘電体に隣接してその外周に配置された負の誘電率を有するリング状第１隣接材と、
前記第１隣接材に隣接してその外周に配置されたリング状第２誘電体と、
前記第２誘電体に隣接してその外周に配置された、負の誘電率を有するリング状第２隣接材とを具備し、
前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
円筒形状光学ヘッドの軸方向に平行な光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１５８】
（付記２５）  互いに平行な一対の台形状主面と、矩形状底面と、該矩形状底面と平行な矩形状頂面と、前記頂面と前記底面及び前記一対の台形状主面同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面とを有する光学ヘッドであって、
第１の屈折率を有し、前記台形状主面に平行な第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された一対の第３誘電体層と、
前記各第３誘電体層に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体層とを具備し、
前記矩形状底面に該底面と直交する方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１５９】
（付記２６）  互いに平行な一対の台形状主面と、矩形状底面と、該矩形状底面と平行な矩形状頂面と、前記頂面と前記底面及び前記一対の台形状主面同士をそれぞれ接続する一対の傾斜側面とを有する光学ヘッドであって、
前記台形状主面と平行な第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接層と、
前記各第１隣接層に隣接して配置された一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接層とを具備し、
前記第１及び第２誘電体層は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記矩形状底面に該底面と直交する方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１６０】
（付記２７）  平面を有する半球状ソリッドイマージョンレンズと、
前記ソリッドイマージョンレンズの前記平面上に形成された円筒状光学素子とを具備し、
前記円筒状光学素子は、
第１の屈折率を有し、中心に配置された第１誘電体と、
前記第１誘電体に隣接してその外周に配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有するリング状第２誘電体と、
前記第２誘電体に隣接してその外周に配置されたリング状第３誘電体と、
前記第３誘電体に隣接してその外周に配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有するリング状第４誘電体とを具備し、
前記円筒状光学素子の軸方向と平行な光を前記ソリッドイマージョンレンズに入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１６１】
（付記２８）  平面を有する半球状ソリッドイマージョンレンズと、
前記ソリッドイマージョンレンズの前記平面上に形成された円筒状光学素子とを具備し、
前記円筒状光学素子は、
中心に配置された第１誘電体と、
前記第１誘電体に隣接してその外周に配置された、負の誘電率を有するリング状第１隣接材と、
前記リング状第１隣接材に隣接してその外周に配置されたリング状第２誘電体と、
前記リング状第２誘電体に隣接して配置された、負の誘電率を有するリング状第２隣接材とを具備し、
前記第１及び第２誘電体は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記円筒状光学素子の軸方向に平行な光を前記ソリッドイマージョンレンズに入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１６２】
（付記２９）  第１の屈折率を有する円筒状第１誘電体と、
前記円筒状第１誘電体の中心部分に埋め込められた、前記第１の屈折率より小さな第２の屈折率を有する直方体形状の第２誘電体と、
前記第２誘電体の周囲の前記円筒状第１誘電体中に格子状に埋め込まれた、前記第１の屈折率より小さな第３の屈折率を有する複数の直方体形状の第３誘電体とを具備し、
前記円筒状第１誘電体の軸方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１６３】
（付記３０）  負の誘電率を有する円筒状金属と、
前記円筒状金属の中心部分に埋め込まれた、第１の屈折率を有する直方体形状の第１誘電体と、
前記第１誘電体の周囲の前記円筒状金属中に格子状に埋め込められた、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する複数の直方体形状の第２誘電体とを具備し、
前記円筒状金属の軸方向から光を入射させることを特徴とする光学ヘッド。
【０１６４】
（付記３１）  記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、
光ビームを出射する光源と、
該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、
前記光学ヘッドは、
第１の屈折率を有する第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第２の屈折率を有する一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された一対の第３誘電体層と、
前記各第３誘電体層に隣接して配置された、前記第１の屈折率より大きな第３の屈折率を有する一対の第４誘電体層とを具備し、
前記第１乃至第４誘電体層の積層方向と直交する方向から前記光学ヘッドに光を入射させることを特徴とする情報記憶装置。
【０１６５】
（付記３２）  記録媒体に情報を記録又は再生する情報記憶装置であって、
光ビームを出射する光源と、
該光ビームに基づいた光を記録媒体に照射する光学ヘッドとを具備し、
前記光学ヘッドは、
第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の両側に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第１隣接層と、
前記各第１隣接層に隣接して配置された一対の第２誘電体層と、
前記各第２誘電体層に隣接して配置された、負の誘電率を有する一対の第２隣接層とを具備し、
前記第１及び第２誘電体層は屈折率が互いに異なるか或いは厚さが互いに異なっており、
前記各層の積層方向と直交する方向から前記光学ヘッドに光を入射させることを特徴とする情報記憶装置。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】図１は従来の微小開口方式の問題点説明図である。
【図２】図２は従来のボウタイ型アンテナ方式の問題点説明である。
【図３】図３は本発明第１実施形態に係る光学ヘッドの透視図である。
【図４】図４は先端部近傍に光閉じ込め部を有しないダイヤモンド台形柱に光を入射したときのＸ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図５】図５は先端部近傍に光閉じ込め部を有しないダイヤモンド台形柱に光を入射したときのＹ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図６】図６は透過部を中央に１個のみ有する台形柱光学ヘッドの比較例の断面図である。
【図７】図７は図６の比較例に光を入射したときのＹ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図８】図８は複数の光透過部を有する台形柱光学ヘッドの比較例の断面図である。
【図９】図９は図８の比較例に光を入射したときのＹ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図１０】図１０は本発明第１実施形態の光学ヘッドのＹ方向に沿った断面図である。
【図１１】図１１は本発明第１実施形態の光学ヘッドに光を入射したときのＹ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図１２】図１２は本発明第１実施形態の光学ヘッドに光を入射したときのＸ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図１３】図１３は第１実施形態の光学ヘッドに光を入射したときの出射面より１０ｎｍの位置でのビームプロファイルである。
【図１４】図１４は本発明第２実施形態の光学ヘッドのＹ方向に沿った断面図である。
【図１５】図１５は本発明第３実施形態に係る光学ヘッドの透視図である。
【図１６】図１６は第３実施形態の光学ヘッドのＹ方向に沿った断面図である。
【図１７】図１７は第３実施形態の光学ヘッドに光を入射したときのＹ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図１８】図１８は第３実施形態の光学ヘッドに光を入射したときのＸ方向のコンピュータシミュレーション画像である。
【図１９】図１９は第３実施形態の光学ヘッドに光を入射したときの出射面より１０ｎｍの位置でのビームプロファイルである。
【図２０】図２０は本発明第４実施形態の光学ヘッドのＹ方向に沿った断面図である。
【図２１】図２１は本発明の光学ヘッドを利用した情報記録再生装置の概略構成図である。
【図２２】図２２は本発明の他の実施形態の光学ヘッドの斜視図である。
【図２３】図２３は図２２の他の実施形態の光学ヘッドに使用する第５実施形態の円筒状光学ヘッドの斜視図である。
【図２４】図２４は本発明第６実施形態の光学ヘッドの斜視図である。
【図２５】図２５は第６実施形態の光学ヘッドの変形例図である。
【図２６】図２６は本発明第７実施形態の光学ヘッドの斜視図である。
【図２７】図２７は図２２の光学ヘッドを利用した情報記録再生装置の概略構成図である。
【図２８】図２８(Ａ)〜図２８(Ｃ)は第１実施形態の光学ヘッドの製造プロセスを示す図である。
【図２９】図２９(Ａ)〜図２９(Ｄ)は第３実施形態の光学ヘッドの製造プロセスを示す図である。
【図１】
2008186585.tif 000003
【図２】
2008186585.tif 000004
【図３】
2008186585.tif 000005
【図４】
2008186585.tif 000006
【図５】
2008186585.tif 000007
【図６】
2008186585.tif 000008
【図７】
2008186585.tif 000009
【図８】
2008186585.tif 000010
【図９】
2008186585.tif 000011
【図１０】
2008186585.tif 000012
【図１１】
2008186585.tif 000013
【図１２】
2008186585.tif 000014
【図１３】
2008186585.tif 000015
【図１４】
2008186585.tif 000016
【図１５】
2008186585.tif 000017
【図１６】
2008186585.tif 000018
【図１７】
2008186585.tif 000019
【図１８】
2008186585.tif 000020
【図１９】
2008186585.tif 000021
【図２０】
2008186585.tif 000022
【図２１】
2008186585.tif 000023
【図２２】
2008186585.tif 000024
【図２３】
2008186585.tif 000025
【図２４】
2008186585.tif 000026
【図２５】
2008186585.tif 000027
【図２６】
2008186585.tif 000028
【図２７】
2008186585.tif 000029
【図２８】
2008186585.tif 000030
【図２９】
2008186585.tif 000031