(57)【要約】【課題】  波長以下の径を有する開口と表面形状とが形成された導電性フィルムを用い、表面プラズモン・エンハンス効果を利用して光パワーの増大および温度上昇の抑制を達成する光学素子を提供する。【解決手段】 導電性フィルム３０に波長以下の開口４０を形成し、更に周期的表面形状３１を形成する。レンズ１０によって入射光を所定直径ｒで周期的表面形状３１に集光させる。入射光が励起する表面プラズモンモードによってフィルム中心の開口４０から出射する光が増強される。入射光の所定直径ｒと周期的表面形状の周期ａは、光パワーと開口を出射する光のパワーの比が、表面形状を有しない光学素子における同様の光パワーの比より高くなるように決定される。【選択図】      図６
2004213000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子本体と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記光学素子本体に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有する導電性フィルムと、
入射ビームを集光して前記第１の表面上に所定径の集光ビームを生成する集光レンズと、
を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の表面上の前記集光ビームの前記所定径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
光源からの入射光を集光して集光ビームを生成する光学部材と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記光学部材と接触し、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記第１の表面上の前記集光ビームが前記第１及び第２の表面の一方で表面プラズモンモードを励起し、それによって前記開口の透過光を強化する導電性フィルムと、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームに対する前記開口を透過した透過光の光パワー比が、前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合に得られるであろう光パワー比より大きくなるように、決定されることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
前記開口は、前記光ビームの波長より短い径を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記周期的表面形状は、前記開口の周りに周期的に配置された複数の表面構造を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記複数の表面構造は前記開口の周りに同心円状に配置されたことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記複数の表面構造は、窪み、断面が矩形波あるいは正弦波状のもの、半球状の突出部、溝、突起、リング形状の窪み、リング形状かつ半球状の突出部、リング状の溝、および、リング状の突出部から選択された１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項８】
前記複数の表面構造は、窪み、断面が矩形波あるいは正弦波状のもの、半球状の突出部、溝、突起、リング形状の窪み、リング形状かつ半球状の突出部、リング状の溝、および、リング状の突出部から選択された複数を含むことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項９】
入射光を集光して集光ビームを生成する光学部材と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記光学部材に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有する導電性フィルムと、
前記光学部材より高い屈折率を有する光学材料からなり、前記導電性フィルムの前記第１の表面および前記第２の表面の一方の上に積層された光学材料層と、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
前記光学材料は、チタン酸化物、ジルコン酸化物、タンタル酸化物、アルミナ、窒化シリコンおよびシリコンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
多層構造を有する光学素子において、
入射光を集光して集光ビームを生成する光学部材と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記光学部材に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有する導電性フィルムと、
前記光学部材よりも高い熱伝導率を有する材料からなり、前記導電性フィルムと前記光学部材との間に積層された高熱伝導率材料層と、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
前記高熱伝導率材料は、ダイヤモンド、ベリリウム酸化物、ニッケル酸化物、アルミナ、窒化シリコン、アモルファスカーボン、シリコン、および、ゲルマニウムのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記光学部材より高い屈折率を有する光学材料からなり、前記導電性フィルムの前記第１の表面および前記第２の表面の一方の上に積層された光学材料層を更に有することを特徴とする請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記集光ビームの径は、前記周期的表面形状の２周期から６周期の範囲内で決定されることを特徴とする請求項１ないし３、９および１１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１５】
前記集光ビームの波長λに対する前記開口の径ｄの比（ｄ／λ）は０．３以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記開口は透明誘電体で満たされていることを特徴とする請求項１ないし３、９および１１のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１７】
光記録媒体の近くに配置された光ヘッドにおいて、
光源から放出された光を導く導波手段と、
前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光ヘッド。
【請求項１８】
前記光記録媒体が回転しているときに、前記光記録媒体の前記表面上の所定の高さに前記光ヘッドを浮上させるスライダ形状を更に有することを特徴とする請求項１７に記載の光ヘッド。
【請求項１９】
前記導波手段は光ファイバであり、
前記集光手段は、
前記光ファイバから放出された光をコリメート（平行化）して平行光ビームを生成するコリメートレンズと、
前記平行光ビームの方向を所定角度変化させるための偏向手段と、
前記偏向手段から入射する前記平行光ビームを集光して前記集光ビームを生成する集光レンズと、
を有し、前記導電性フィルムの前記第２の表面は前記スライダ形状の浮上面とほぼ同一面をなすことを特徴とする請求項１８に記載の光ヘッド。
【請求項２０】
前記開口を透過する透過光を用いて前記光記録媒体に情報を書き込むことを特徴とする請求項１７に記載の光ヘッド。
【請求項２１】
前記開口の近くに配置され、前記光記録媒体から情報を読み取るために前記光記録媒体の前記表面から反射した光を検出する光検出手段を更に有することを特徴とする請求項１７に記載の光ヘッド。
【請求項２２】
前記光検出手段は、前記導電性フィルムの前記第２の表面の前記開口の近くに設けられたことを特徴とする請求項２１に記載の光ヘッド。
【請求項２３】
前記光記録媒体が回転しているときに、前記光記録媒体の前記表面上の所定の高さに前記光ヘッドを浮上させるスライダ形状を更に有することを特徴とする請求項２１に記載の光ヘッド。
【請求項２４】
前記導波手段は光ファイバであり、
前記集光手段は、
前記光ファイバから放出された光をコリメート（平行化）して平行光ビームを生成するコリメートレンズと、
前記平行光ビームの方向を所定角度変化させるための偏向手段と、
前記偏向手段から入射する前記平行光ビームを集光して前記集光ビームを生成する集光レンズと、
を有し、前記導電性フィルムの前記第２の表面は前記スライダ形状の浮上面とほぼ同一面をなすことを特徴とする請求項２３に記載の光ヘッド。
【請求項２５】
光記録媒体に情報を記録し、前記光記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、
光ヘッドと、前記光記録媒体上の所望の位置に前記光ヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、を有し、
前記ヘッドは、
光源から放出された光を導く導波手段と、
前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、
前記開口の近くに配置され、前記光記録媒体から情報を読み取るために前記光記録媒体の前記表面から反射した光を検出する光検出手段と、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光記録再生装置。
【請求項２６】
前記光記録媒体が回転しているときに、前記光記録媒体の前記表面上の所定の高さに前記光ヘッドを浮上させるスライダ形状を更に有することを特徴とする請求項２５に記載の光記録再生装置。
【請求項２７】
前記導波手段は光ファイバであり、
前記集光手段は、
前記光ファイバから放出された光をコリメート（平行化）して平行光ビームを生成するコリメートレンズと、
前記平行光ビームの方向を所定角度変化させるための偏向手段と、
前記偏向手段から入射する前記平行光ビームを集光して前記集光ビームを生成する集光レンズと、
を有し、前記導電性フィルムの前記第２の表面は前記スライダ形状の浮上面とほぼ同一面をなすことを特徴とする請求項２６に記載の光記録再生装置。
【請求項２８】
前記光検出手段は、前記導電性フィルムの前記第２の表面の前記開口の近くに設けられたことを特徴とする請求項２５に記載の光記録再生装置。
【請求項２９】
光記録媒体に情報を記録し、前記光記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、
前記光記録媒体に書き込み光ビームを照射することにより前記光記録媒体に情報を書き込むための光書き込みヘッドと、
前記光記録媒体を透過した光ビームを検出することにより前記光記録媒体から情報を読み取るための光読み取りヘッドと、
前記光記録媒体上の所望の位置に前記光書き込みヘッドおよび前記光読み取りヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、
を有し、
前記光書き込みヘッドは、
光源から放出された光を導く導波手段と、
前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光記録再生装置。
【請求項３０】
光磁気記録媒体に情報を記録し、前記光磁気記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、
前記光磁気記録媒体に書き込み光ビームを照射することにより前記光磁気記録媒体に情報を光学的に書き込むための書き込みヘッドと、
磁気抵抗効果を利用し、前記光磁気記録媒体からの漏れ磁束を検出することにより前記光磁気記録媒体から情報を読み取るための読み取りヘッドと、
前記光記録媒体上の所望の位置に前記書き込みヘッドおよび前記読み取りヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、
を有し、
前記書き込みヘッドは、
光源から放出された光を導く導波手段と、
前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、
第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光磁気記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、
を有し、
前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする光記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性フィルムに波長以下の開口(subwavelength aperture)および表面形状(surface topography)を設けた光学素子、および、それを用いて非常に高い記録密度の情報蓄積方式を可能とする光ヘッドおよび光記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク−読み出し専用メモリ）やＤＶＤ（デジタルビデオディスク）のような光記録媒体は、高い記録密度、コンパクトな設計、ポータビリティ、頑強性等の特長を有している。特に、最近では記録媒体自体の価格だけでなく、記録再生装置の価格も低下しつつあり、ますます魅力的なデータ記憶媒体として注目されている。また、光記録媒体には、長時間の映像データの記録再生のために、さらに高い記録密度が望まれている。
【０００３】
現在の値を超えて記録密度を増加させるためには、データを書き込みあるいは読み取るための光ビームのサイズを小さくすることが必要である。現行の光記録装置で用いられている光記録用ヘッドと光記録媒体との間の距離が光の波長よりはるかに大きい光学系では、最小ビット長は回折限界により与えられる。光ビームの焦点を合わせるためにレンズあるいは他の集束デバイスを使用するとき、焦点における収束光のスポットの寸法は、回折により直径λ／２（λはレーザ光の波長である）に制限される。これは回折限界と呼ばれる公知の現象である。例えば、最も波長の短い可視光レーザである青色レーザを用いる場合でも、約２００ｎｍのピット長が最小になる。
【０００４】
しかしながら、波長以下のサイズの開口を有する光記録用ヘッドが光記録媒体の上を開口サイズ以下の高さで走査する近接場光学系を用いて光ヘッドを実現できれば、ピット長は開口の寸法によってのみ制限され、５０ｎｍ以下とすることが可能である。この近接場光学系によって、高い記録密度および高い書き込み／読み出し速度を達成することができる。
【０００５】
これらの利点は、従来の赤色ダイオード・レーザあるいは安くて信頼性が高く大量に生産することができる赤外ダイオード・レーザを使用しても実現することができる。さらに付加的な利点は、近接場の読み出し／書き込みヘッドを光ファイバあるいは半導体導波路に直接結合することによって、大きくて重い対物レンズを使用しないで済ますことができるようになり、浮上ヘッドあるいは接触ヘッドの機械的設計を単純化することが可能となることである。
【０００６】
従来の近接場光記録用ヘッドでは、このような微小開口を実現する手段として、先を微細に尖らせた光ファイバ先端部を用いている。しかしながら、このような構造では微小開口部までの伝送に大きな光の減衰を受け、書き込みに必要な高い光強度を得ることが難しい。以下の先行文献を参照されたい。
【０００７】
E. Betzig et al "Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit" (Science, Vol. 257, pp. 189-194, July 1992)（非特許文献１）、および
G.A. Valaskovic et al. "Parameter Control, Characterization, and Optimization in the Fabrication of Optical Fiber Near-Field Probes" (Applied Optics, Vol. 34, No. 7, pp. 1215-1227, 1995) （非特許文献２）。
【０００８】
また、従来の近接場光記録用ヘッドの開口を形成する材料は、通常、金属である。しかしながら、波長以下の径を有する金属の開口を透過する光量は非常に小さい。開口直径ｄが小さくなると、透過光量は、ほぼ（ｄ／λ）の４乗で減少すると予想される：ＩT／Ｉinc〜（ｄ／λ）4。ここで、ＩTは開口の出口における全透過パワー密度あるいは強度、Ｉincは全入射パワー強度、λは光の波長である。この知見は、H. A. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes," Physical Review, Vol. 66, Nos. 7 and 8, pp. 163-182, October 1994（非特許文献３）に記されている。
【０００９】
一方、導電性フィルムに照射された光が導電性フィルムに設けた波長以下の直径を有する１つ以上の開口を透過する強度は、開口を周期的な配列で配置することにより、または少なくとも１つの開口と連係して導電性フィルム上に周期的な表面形状を設けることにより、周期的な開口や表面形状がない場合に比べて、大幅に増加させることができるという事実が知られている。たとえば、特開平１１−７２６０７号公報（特許文献１）、特開２０００−１１１８５１号公報（特許文献２）、特開２０００−１７１７６３号公報（特許文献３）および米国特許第６２８５０２０号明細書（特許文献４）を参照のこと。
【００１０】
実験的な検証によれば、光強度の増加率はＩT／Ｉinc〜２にも達することがある。この増加は、導電性フィルムに入射する光が導電性フィルムに励起される表面プラズモン・モードと共鳴的に相互作用するときに起こり、導電性フィルムの少なくとも１つの開口を通して増大した透過光が得られると考えられている。
【００１１】
特開２００１−２９１２６５号公報（特許文献５）に開示された近接場光記録用ヘッドでは、微弱な透過光量を改善するために、金属膜を通して設けられた波長以下の大きさの開口と周期的な表面形状とによって起こる表面プラズモン・エンハンス効果（surface plasmon-enhancement）を利用し、非常に高い透過光パワー密度および分解能を達成している。すなわち、この近接場光記録ヘッドでは、開口と金属膜の表面の少なくとも一方の上に設けられた周期的な表面形状とにより、金属膜の表面の一方に入射する光が金属膜の表面の少なくとも一方での表面プラズモン・モードと相互作用し、それにより、金属膜を貫通する開口を通る透過光が増大することが示されている。この従来の近接場光記録用ヘッドの概略的な構成について図１を用いてより具体的に説明する。
【００１２】
図１は、特許文献５に開示された表面プラズモン・エンハンス効果による読み出し／書き込みヘッドの構造を示す概略的構成図である。読み出し／書き込みヘッド５００は、導波路５１０およびプラズモン増幅デバイス（ＰＥＤ）５２０を備えている。導波路５１０は、光記憶媒体５０に近接して位置する端面５１２を備え、導波路５１０は読み出し／書き込みヘッド５００の端面５１２の面積が小さくなるように先細となっている。端面５１２と光記録媒体５０との距離ｚは開口５３０の直径と同程度である。
【００１３】
プラズモン増幅デバイス５２０は、導波路５１０の端面５１２の上に設けられており、導波路５１０からプラズモン増幅デバイス５２０を通過する光の透過強度を大きくする。プラズモン増幅デバイス５２０には金属膜５２２が設けられ、さらに開口５３０が貫通形成されている。金属膜５２２は、好ましくは銀である。開口５３０の寸法が光読み出し／書き込みヘッド５００の分解能を決定する。開口５３０の直径ｄは開口に入射する光の波長以下であり、光記録媒体５０上の記録ピットの寸法に対応する。透過光は、記録ピットを書き込むために必要なパワー強度を有する。光記録媒体５０が相変化型の場合には、書き込み光強度は媒体を局部的に融解するために十分なだけ高い必要がある。
【００１４】
金属膜５２２には、周期的な表面形状５４０がさらに設けられている。周期的な表面形状を設けることにより、非常に高い透過光量で光記録媒体上に波長以下のスケールのスポットを形成でき、その結果、回折限界の記録密度よりはるかに高い記録密度が可能となる。スポット径の微小化は、より高い記録密度とより高い読み出し速度をもたらす。さらに、これらの利点は現在市販されているものよりも短い波長を有するレーザに頼ることなく実現される。
【００１５】
【非特許文献１】E. Betzig et al "Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit" (Science, Vol. 257, pp. 189-194, July 1992)
【非特許文献２】G.A. Valaskovic et al. "Parameter Control, Characterization, and Optimization in the Fabrication of Optical Fiber Near-Field Probes" (Applied Optics, Vol. 34, No. 7, pp. 1215-1227, 1995)
【非特許文献３】H. A. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes," Physical Review, Vol. 66, Nos. 7 and 8, pp. 163-182, October 1994
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１１１８５１号公報
【特許文献３】特開２０００−１７１７６３号公報
【特許文献４】米国特許第６２８５０２０号明細書
【特許文献５】特開２００１−２９１２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
表面プラズモン・エンハンス効果により微小開口からの透過光量の増大を図るためには、微小開口の周囲に形成された表面形状に入射光を照射する必要がある。従来の表面形状がない単一開口の場合は開口部に光を照射すれば十分であるのに対して、表面プラズモン・エンハンス効果を利用するためには表面形状を持たない従来の構成より広い面積に入射光を照射することが必要になる。光記録媒体に情報を記録するためには記録媒体の持つある闘値以上のパワー密度が必要であるから、入射光の照射面積を広げるということは必要とされる光パワーが増大するということを意味する。また、大きな入射光パワーを導電性フィルムに照射するために、導電性フィルムおよびそれに隣接する光記録媒体の温度が上昇し、信頼性が悪化するという問題点もある。
【００１７】
したがって、表面プラズモン・エンハンス効果を光記録に用いるためには、微小開口からの出射光のパワー密度を光記録媒体に記録可能な値以上に高め、且つ、入射光パワーの増大とそれによる温度上昇を抑制した光学素子およびこれを用いた光ヘッドが必要である。
【００１８】
本発明の目的は、開口および表面形状を有する導電性フィルムを用いて表面プラズモン・エンハンス効果により光パワーを増大するとともに、それによる温度上昇を抑制した光学素子、それを用いた光ヘッドおよび光記録再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、導電性フィルム上の周期的表面形状に照射される光ビームのサイズと、当該周期的表面形状の周期とは、基準となる入力光に対して開口を透過した出射光の光パワー利用効率が最大となるように決定される。
【００２０】
本発明の第１の側面による光学素子は、光学素子本体と、第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記光学素子本体に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有する導電性フィルムと、入射ビームを集光して前記第１の表面上に所定径の集光ビームを生成する集光レンズと、を有することを特徴とする。導電性フィルムは、集光レンズの焦点面に位置する。周期的表面形状の前記第１の表面上の前記集光ビームの前記所定径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定される。
【００２１】
前記周期的表面形状は、前記開口の周りに周期的に配置された複数の表面構造を含んでも良い。これら複数の表面構造はさらに前記開口の周りに同心円状に配置されてもよい。
【００２２】
前記複数の表面構造は、窪み、断面が矩形波あるいは正弦波状のもの、半球状の突出部、溝、突起、リング形状の窪み、リング形状かつ半球状の突出部、リング状の溝、および、リング状の突出部から選択された１つを含むことができる。
【００２３】
前記集光ビームの径は、前記周期的表面形状の２周期から６周期の範囲内で決定されることが望ましい。
【００２４】
前記開口は光ビームの波長より小さい径を有する。望ましくは、前記集光ビームの波長λに対する前記開口の径ｄの比（ｄ／λ）は０．３以下である。前記開口は透明誘電体で満たされていることが更に望ましい。
【００２５】
本発明の第２の側面による光学素子は、前記光学素子本体より高い屈折率を有する光学材料からなり、前記導電性フィルムの前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方の上に積層された光学材料層が設けられている。この光学材料層を追加することで、ある波長での動作に必要な格子定数を小さくすることができ、それによって所定の透過光エンハンス効果を得るために必要な全照射面積を縮小することが可能となる。この光学材料は、チタン酸化物、ジルコン酸化物、タンタル酸化物、アルミナ、窒化シリコンおよびシリコンのうち少なくとも１つを含むことができる。
【００２６】
本発明の第３の側面による光学素子は、前記光学素子本体よりも高い熱伝導率を有する材料からなり、前記導電性フィルムと前記光学部材との間に積層された高熱伝導率材料層が設けられている。この高熱伝導率材料は、ダイヤモンド、ベリリウム酸化物、ニッケル酸化物、アルミナ、窒化シリコン、アモルファスカーボン、シリコン、および、ゲルマニウムのうち少なくとも１つを含むことができる。
【００２７】
本発明は光ヘッドに適用することができる。光記録媒体の近くに配置された光ヘッドは、光源から放出された光を導く導波手段と、前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、を有する。前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定される。
【００２８】
光ヘッドは、さらに、前記光記録媒体が回転しているときに前記光記録媒体の前記表面上の所定の高さに前記光ヘッドを浮上させるスライダ形状を有することもできる。
【００２９】
本発明による光ヘッドの一実施例として、前記導波手段は光ファイバを含み、前記集光手段は、前記光ファイバから放出された光をコリメート（平行化）して平行光ビームを生成するコリメートレンズと、前記平行光ビームの方向を所定角度変化させるための偏向手段と、前記偏向手段から入射する前記平行光ビームを集光して前記集光ビームを生成する集光レンズと、を有し、前記導電性フィルムの前記第２の表面は前記スライダ形状の浮上面とほぼ同一面をなす。
【００３０】
光ヘッドは書き込み／読み出しヘッドに適用可能である。すなわち、前記開口の近くに配置され、前記光記録媒体から情報を読み取るために前記光記録媒体の前記表面から反射した光を検出する光検出手段を更に有する。
【００３１】
前記光検出手段は、前記導電性フィルムの前記第２の表面の前記開口の近くに設けられたことが望ましい。
【００３２】
本発明は光記録再生装置に提供することができる。第１の側面によれば、光記録媒体に情報を記録し、前記光記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、光ヘッドと、前記光記録媒体上の所望の位置に前記光ヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、を有し、前記ヘッドは、光源から放出された光を導く導波手段と、前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、前記開口の近くに配置され、前記光記録媒体から情報を読み取るために前記光記録媒体の前記表面から反射した光を検出する光検出手段と、を有し、前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする。
【００３３】
第２の側面によれば、光記録媒体に情報を記録し、前記光記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、前記光記録媒体に書き込み光ビームを照射することにより前記光記録媒体に情報を書き込ための光書き込みヘッドと、前記光記録媒体を透過した光ビームを検出することにより前記光記録媒体から情報を読み取るための光読み取りヘッドと、前記光記録媒体上の所望の位置に前記光書き込みヘッドおよび前記光読み取りヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、を有し、前記光書き込みヘッドは、光源から放出された光を導く導波手段と、前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、を有し、前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする。
【００３４】
第３の側面によれば、光磁気記録媒体に情報を記録し、前記光磁気記録媒体から情報を読み出すための光記録再生装置において、前記光磁気記録媒体に書き込み光ビームを照射することにより前記光磁気記録媒体に情報を光学的に書き込むための書き込みヘッドと、磁気抵抗効果を利用し、前記光磁気記録媒体からの漏れ磁束を検出することにより前記光磁気記録媒体から情報を読み取るための読み取りヘッドと、前記光記録媒体上の所望の位置に前記書き込みヘッドおよび前記読み取りヘッドを移動させるためのヘッド移動手段と、を有し、前記書き込みヘッドは、光源から放出された光を導く導波手段と、前記導波路に光学的に接続され、前記光を集光して集光ビームを生成する集光手段と、第１の表面と第２の表面とを有し、前記第１の表面が前記集光手段に向かい、さらに前記第１の表面から前記第２の表面へ貫通した開口と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に設けられた周期的表面形状とを有し、前記開口が前記光磁気記録媒体の表面近くに位置する導電性フィルムと、を有し、前記第１の表面上の前記集光ビームの径および前記周期的表面形状の周期は、前記第１の表面上の集光ビームのパワーを基準として前記開口を透過した透過光のパワーが前記導電性フィルムに前記周期的表面形状が形成されていない場合の前記開口を透過した透過光のパワーより大きくなるように、決定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
上述したように、本発明によれば、入力光に対して開口を透過した出射光の光パワー利用効率が最大となる光学素子及びそれを用いた光ヘッドを得ることができる。具体的には、導電性フィルム上の周期的表面形状に照射される光ビームの径と当該周期的表面形状の周期とは、入力光ビームに対する開口通過光のパワー比が導電性フィルムに周期的表面形状が形成されていない場合の開口透過光のパワー比より大きくなるように決定される。このように構成することにより、波長以下の微小開口を透過する光のパワー密度を増大させることができ、かつ、それによる温度上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（本発明の原理）
１）試料
図２（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の原理を説明するために光学素子の一試料に採用された導電性フィルムの側面断面図および平面図であり、（Ａ）は、（Ｂ）の２Ａ−２Ａ断面図である。
【００３７】
導電性フィルム３０の光学素子本体２０に接する側とその光学素子本体２０の対抗面とは、周期的な同心円状の窪みからなる表面形状３１を有している。さらに、周期的な表面形状３１の中心部に微小開口４０が形成されている。この試料では、光学素子本体２０をガラス基板とし、集束ビーム加工装置（ＦＩＢ）によってガラス基板表面をエッチングすることで、７５０ｎｍ周期の同心円状の窪みを形成した。窪みの深さは、約１００ｎｍである。このガラス基板の表面形状の上に、膜厚３００ｎｍのＡｇ膜をＤＣスパッタ法で成膜した。その同心円状の窪みの中心に、直径２００ｎｍの開口４０をＦＩＢにより開けた。
【００３８】
なお、１〜５ｎｍ厚のＣｒあるいはＴｉからなる薄い接着層（図示せず）がＡｇ膜と光学素子本体との間に設けられても良い。このような接着層は透過エンハンス効果には影響しないが、Ａｇ膜の安定性を向上させる。Ａｇ膜は、表層がＡｇでありさえすれば、たとえばＳｉあるいはＮｉとのサンドイッチ構成であっても良い。
【００３９】
表面プラズモン・エンハンス効果を発現させるためには、断面が正方形状の溝である周期的表面形状３１の周期ａは、次式（１）を満たす必要がある。
【００４０】
【数１】
2004213000.tif 000003
【００４１】
ここで、λは使用する光の波長、εmは導電性フィルムの誘電率、εdは周期的表面形状３１上の誘電体の誘電率、ｉ、ｊは整数である。ｉ＋ｊ＝１の時に、最も高い透過エンハンス効果が生じる。
【００４２】
周期的表面形状３１の溝の断面は丸形が望ましい。断面が丸形状の溝である周期的表面形状３１の周期ａは、次式（２）から求めることができる。
【００４３】
【数２】
2004213000.tif 000004
【００４４】
２）問題
上述したように、表面形状３１に照射する光の半径を大きくして表面形状全体に照射する場合には、開口４０を通過する光のパワー密度を十分大きく維持するために、入射させる光のパワーを増大させる必要がある。他方、半径を小さくすると、表面プラズモン・エンハンス効果は減少し、光記録媒体に記録するのに必要なパワー密度が達成できなくなる。
【００４５】
したがって、この照射光半径を規定することは、光学素子の設計条件として非常に重要となる。表面形状の周期数の観点から、入射光の最適照射半径を以下のように実験的に決定することができる。ここで、同心円状に配置された周期リングの周期数とはリングの数をいう。
【００４６】
３）照射条件
フリースタンディングAg-Ni-Aｇ薄膜に、表面形状の周期数がそれぞれ０、２、３、６および１０の５つの試料を上述したように作製した。作製方法の詳細は、Grupp et al., Apply. Phys. Lett. 77, 1569 (2000)を参照のこと。波長λ＝８００ｎｍで、格子定数Ｐ＝７５０ｎｍのときに最大プラズモン・エンハンス効果が与えられる。その際の開口径ｄ＝３００ｎｍであった。
【００４７】
周期数０の試料は、特徴がない表面、すなわち開口の周りは実質的になめらかな表面である。各試料の表面には、Ａｇ膜側から白色光の平行ビームを表面波形領域より遙かに大きい領域全体に照射した。測定には顕微分光装置を用い、資料毎に透過光の光強度を測定した。
【００４８】
図３は、同心円状の窪みの周期数を変化させた場合、開口部を透過した透過光の規格化透過光量の変化を示すグラフである。縦軸は透過光量を開口部への入射パワーで規格化して得られる規格化透過率である。すなわち、規格化透過率Ｔｎ＝Ｉt／Ｉincで求められる。規格化透過率Ｔｎ＝１は、物理的に、開口へのすべての入射光パワーがそのまま開口を通過することを意味し、Ｔｎ＜１はマクロ限界に対する減衰を意味する。「エンハンス効果」は、通常、表面に波形が形成されていない素の開口に対して規格化される（Thio et al., Optics Letters, 26, 1972-4 (2001)を参照）。リングのない試料、すなわち、周期数Ｎ＝０の場合、規格化透過率Ｔｎは０．１以下であり、透過光パワーは非常に小さい。表面形状３１として開口の周囲に同心円状の窪みを形成することで、規格化透過率Ｔｎは増大する。周期数が２より大きくなると、規格化透過率Ｔｎは１より大きくなる。規格化透過率Ｔｎは、周期数の増加とともに大きくなる。
【００４９】
図４は、同心円状の窪みの周期数を変化させた場合、規格化入射光パワー密度と光パワー利用効率との変化を示すグラフである。ここでは、各試料の周期表面形状３１の全体が一定の入射光パワーにより一様に照射され、入射光の規格化パワー密度および光パワー利用効率が図４のようにサンプル毎にプロットされた。規格化入射光パワー密度は、周期数１の表面形状３１に入射光を入射したときに得られるパワー密度で入射光パワー密度を規格化することにより得られる。周期数１の場合の照射半径は１μｍ程度であり、レンズを固定した光学系で十分実現できる半径である。集光半径を広げ、照射エリア内の周期数を増加させると、集光面積は集光半径の二乗で増加することから、規格化入射光パワー密度は、周期数とともに急激に減少する。
【００５０】
ここで、入射パワー効率（ＬＰＥ）を次のように定義する：
ＬＰＥ＝Ｉt／Ｐinc
ここで、Ｐincは入射パワー（Ｗ）、Ｉtは透過光パワー密度であり、
Ｉt＝Ｐt/(πd2/4) (W/cm2)
である。Ｐtは透過光パワー（W）であり、πd2/4は開口の出口面積である。同様に、入射光パワー密度Ｉincは、
Ｉinc = Pinc/πN2λ2 (W/cm2)
と定義される。
【００５１】
最適な波形状表面を有する表面プラズモン（ＳＰ）エンハンスデバイスでは、Ｉt／Ｉinc＝３（ピークλで、大きなＮに対して）であり、開口径ｄに依存しない。しかしながら、実際の銀の薄膜を用いた素の（表面構造のない）開口では、透過率はＩt／Ｉinc〜ｄ2に従う（ただし、我々の実験によるこの結論は、Ｂｅｔｈｅにより予測されたＩt／Ｉinc〜ｄ4よりも急激ではない。このことは、ｄ≧２００ｎｍ、λ＝８００ｎｍにおいては、試料が波長以下の非常に深い領域にないからであろう。）。これらの値は、図５（Ａ）にＮ＝１／２（回折限界）の点で表されている。
【００５２】
図５（Ａ）は、開口径ｄの種々の値に対する表面波形構造Ｉt−Ｉincを示すグラフである。図５（Ａ）によって示唆されているように、素の開口（Ｎ＝１／２）でのビヘイビアがリング数が多い場合のビヘイビアへどのように漸近していくかは開口の径に強く依存している。これは、素の開口透過性が径ｄに強く依存し、表面プラズモン・エンハンスＩt／Ｉincが径ｄに依存しないからである。
【００５３】
図５（Ｂ）は、開口径ｄの種々の値に対する、対応する入射パワー効率（ＬＰＥ）の増減形の照射径依存性を示すグラフである。図５（Ｂ）が示すように、ＬＰＥが小さなＮに対して一定となる臨界値ｄｃより開口径ｄが小さいときに、ＬＰＥにピークが生じることがわかる。
【００５４】
非常に小さい開口径では、Ｎの小さい領域でＬＰＥはＮとともに急激に増加する。これは、周期数が増加するに従い、共鳴がはっきり形成され、透過率のピークがより狭くかつより高くなるためである。しかし、いったん周期数が最適値に達すると、それ以上の照射領域を広げることはＩincを低下させ、ＬＰＥは１／Ｎ2に従い低下する。単一の開口で得られるデータは、クロスオーバが生じる最適リング数Ｎ 〜６であることを示唆している。
【００５５】
以上の実験結果に基づいて本発明による最適構造の素子が作製された。次に、本発明の実施例について、図６〜１１を参照しながら詳細に説明する。
【００５６】
ただし、ここで使用される「光記録媒体」とは、光ビームを用いて少なくともデータの書き込みが可能な任意の媒体をいう。従って、それは相変化型の媒体に限定されない。また、光磁気材料の場合には、データ書き込みが光学的に、データ読み出しが磁気的に実行されるメディアが存在する。このような光磁気媒体も、ここでいう「光記録媒体」に含まれる。
【００５７】
（第１実施形態）
図６は本発明の第１実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。光学素子１００は、集光レンズ１０、光学素子本体２０および導電性フィルム３０を備え、光記録媒体５０に近接して位置している。集光レンズ１０は、光学素子本体２０に接しているが、分離していても良い。光学素子本体２０は、光学ガラスもしくは石英等の透明材料で構成される。
【００５８】
光記録媒体５０に、近接して位置する光学素子本体２０の端面には導電性フィルム３０が積層されている。導電性フィルム３０は、銀等の金属膜もしくはドープ処理した半導体からなり、貫通した開口４０が形成されている。貫通した開口４０の形状は、米国特許出願公開第２００３／０１７３５０１号明細書に記載されている。上述したように、開口４０の出口寸法が光学デバイスの分解能を決定する。開口４０の直径ｄは、開口４０に入射する光の波長以下であることが好ましい。
【００５９】
導電性フィルム３０には、周期的な表面形状３１が設けられている。表面形状３１は、同心円状の窪みからなるが、その断面は半球状の突起でもよく、また例えば矩形波や正弦波状の形状でもよい。
【００６０】
入射光は集光レンズ１０により集光され、開口４０を中心とした同心円状の窪みからなる表面形状３１に半径ｒの照射エリアを形成する。導電性フィルム３０は集光レンズ１０の焦点面に位置する。
【００６１】
次に、光学素子１００の作製方法について説明する。厚さ１．０ｍｍの光学ガラス基板の一方の表面にレンズ径０．１ｍｍでＮＡ＝０．１のマイクロレンズを接着する。これにより、レンズヘの入射光は光学ガラス基板の対抗面に４μｍ程度の直径で集光できる。この集光部に微小開口からの透過光を増強するための表面構造を形成する。
【００６２】
ガラス基板の表面に、ＦＩＢ装置によってガラス基板表面をエッチングすることで、波長λ＝６３０−６７０ｎｍで動作する、深さ約１００ｎｍ、周期４００ｎｍの同心円状の窪みを形成した。このガラス基板の表面形状の上に、厚さ３００ｎｍのＡｇ膜３０をＤＣスパッタ法で成膜した。その中心に直径２００ｎｍの開口をＦＩＢにより開け、光学素子とした。
【００６３】
以上の説明では、導電性フィルム３０上に同心環状の窪みを表面形状として形成したが、このような窪みだけでなく、突起部でもよいし、また導電性フィルム３０を貫通しない溝であってもよい。たとえば、ディンプル、半球状の突出部、溝、環状の半球状の突出部、同心環状の溝、同心環状の突起、あるいはそれら表面形状の組み合わせであっても、同様の効果がある。
【００６４】
また、表面形状３１は、導電性フィルム３０と光学素子本体２０との界面、あるいは、導電性フィルム３０の記録媒体５０に対面する面のいずれかに形成されてもよい。表面形状が記録媒体５０に対面する面に設けられる場合、その表面形状を覆う誘電体の誘電率εdは、空気、あるいは、空気および記録媒体（実効εd）、または、すべり液および記録媒体の誘電率に設定されるべきである。空気の誘電率をεdとして数式（１）に代入することで得られる周期的表面形状の周期ａは、光学素子本体２０の誘電率をεdとして数式（１）に代入することで得られる周期とは異なっている。
【００６５】
ガラス基板表面に同心円パターンの窪みを形成した後、金属膜を成膜し、金属膜表面を研磨する。
【００６６】
さらに、微小開口にゴミ等が詰まると、透過光量は著しく減少する。これを防ぐためには、透明誘電体を微小開口に充填することが望ましい。これによって、開口内の実効波長が空気の場合よりも短くなり、すなわちλvac／ｎになり、透過性を更に押し上げるという更なる利点が生じる。
【００６７】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。光学素子１００は、集光レンズ１０、光学素子本体２０、高屈折率材料フィルム６０、および導電性フィルム３０を備え、光記録媒体５０に近接して位置している。集光レンズ１０は、光学素子本体２０に接しているが、分離していても良い。光学素子本体２０は、光学ガラスもしくは石英等の透明材料で構成される。
【００６８】
高屈折率材料フィルム６０は、光記録媒体５０に近接した光学素子本体２０の端面に積層されている。高屈折率材料フィルム６０は、光学素子本体２０よりも大きな屈折率を有する材料よりなり、たとえばチタン酸化物等の金属酸化物もしくはシリコン等の半導体よりなる。さらに、高屈折率材料フィルム６０の光記録媒体５０側には導電性フィルム３０が積層されている。高屈折率材料フィルムが有効であるためには、その厚さは、表面プラズモンからの電磁場が誘電体に浸透する深さの少なくとも２〜３倍は必要である。
【００６９】
導電性フィルム３０には、貫通した開口４０が形成され、導電性フィルム３０の材料は銀等の金属もしくはドーブ処理した半導体である。上述したように、貫通した開口４０の寸法がデバイスの分解能を決定する。開口４０は直径ｄは開口４０に入射する光の波長以下であることが好ましい。
【００７０】
周期的表面形状３１は、導電性フィルム３０と高屈折率材料フィルム６０との界面に設けられている。
【００７１】
図７に示す光学素子１００の作製方法について説明する。厚さ１．０ｍｍの光学ガラス基板の一方の表面にレンズ径０．１ｍｍでＮＡ＝０．１のマイクロレンズを接着する。光学ガラス基板の他方の面に、ＴｉＯ2ターゲットを用いたＲＦスパッタリングにより厚さ２００ｎｍのＴｉＯ2フィルムを成膜する。ＴｉＯ2フィルムの露出した表面に、ＦＩＢ装置によるエッチングにより、深さ約５０ｎｍ、周期２２０ｎｍの同心円パターンの窪みを形成する。続いて、ＴｉＯ2フィルムの同心円パターンの溝（表面形状）の上に、厚さ３００ｎｍのＡｇ膜３０をＤＣスパッタ法で成膜する。その中心に直径２００ｎｍの開口をＦＩＢにより開け、Ａｇ膜３０の露出した表面を研磨することで平坦化する。
【００７２】
既に述べたように、表面形状の周期数が大きくなるほど、規格化透過光パワーも増加する。従って、光学素子１００の集光半径ｒが一定の場合、数式（１）から得られた周期を短くすることによって、光パワー利用効率を上げることができる。周期を短くするためには、導電性フィルムの表面の少なくとも一方に光学素子本体２０よりも屈折率の高い材料層６０を積層することが有効である。
【００７３】
種々の光学材料に対する、誘電率εd、計算された周期ａおよび集光半径ｒ＝１μｍのときの集光半径内の周期数を表１に示す。ここで、周期ａは波長６５０ｎｍとして数式（１）から計算した。また、屈折率ｎと誘電率εdの間にはεd＝ｎ2の関係があるが、シリコンに対しては波長λは１．１μmより長いことが必要である。
【００７４】
【表１】
2004213000.tif 000005
表１からわかるように、光学素子本体２０であるＳｉＯ2より屈折率の高い光学材料を用いることで、数式（１）から計算された周期ａは短くなり、一定集光半径r=1μm内の周期数は増加する。従って、導電性フィルム３０の表面の少なくとも一方に光学素子本体２０よりも屈折率の高い材料層を積層することで光パワー利用効率を上げることができる。
【００７５】
（第３実施形態）
図８は本発明の第３実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。第３実施形態による光学素子１００は、図７に示す第２実施形態によるものと次の点で異なっている。すなわち、高屈折率材料フィルム６０が導電性フィルム３０の光記録媒体５０に対面する側に設けられている。第３実施形態のその他の構成および材料は第２実施形態と同じであるから、同じ部材には同じ参照番号を付して詳細は省略する。
【００７６】
なお、高屈折率材料フィルム６０は、異なる材料の２層以上からなる多層構造を採用することもできる。
【００７７】
また、高屈折率材料フィルム６０と導電性フィルム３０の間に、付着力強化、信頼性向上等のために界面層を積層することも可能である。界面層の厚さは、表面プラズモン電磁場が浸透する深さより十分薄いことが望ましい。界面層には、低い誘電率εiを有する材料、たとえばＴｉやＣｒを用いることができる。
【００７８】
（第４実施形態）
図９は本発明の第４実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。第４実施形態による光学素子１００は、図７に示す第２実施形態によるものと次の点で異なっている。すなわち、高屈折率材料フィルム６０の他に、高屈折率材料フィルム６１が導電性フィルム３０の光記録媒体５０に対面する側にも設けられている。言い換えれば、高屈折率材料フィルム６０および６１が導電性フィルム３０の両面にそれぞれ設けられている。高屈折率材料フィルム６１は高屈折率材料フィルム６０と同じ材料からなる。
【００７９】
第４実施形態のその他の構成および材料は第２実施形態と同じであるから、同じ部材には同じ参照番号を付して詳細は省略する。
【００８０】
高屈折率材料フィルム６０および高屈折率材料フィルム６１の各々は、異なる材料の２層以上からなる多層構造を採用することもできる。また、高屈折率材料フィルム６０および高屈折率材料フィルム６１は異なる材料から構成されていても良い。
【００８１】
また、高屈折率材料フィルム６０および高屈折率材料フィルム６１と導電性フィルム３０との間に、付着力強化、信頼性向上等のために界面層を積層することも可能である。界面層の厚さは、表面プラズモン電磁場が浸透する深さより十分薄いことが望ましい。
【００８２】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による光学素子は、導電性フィルム３０と光学素子本体２０との間に高熱伝導率材料層が積層されている。高熱伝導率材料層は、光学素子本体２０よりも熱伝導率の高い材料で構成されている。このような高熱伝導率材料層を設けることで、導電性フィルム３０の温度上昇を抑えることができる。種々の光学材料に対する熱伝導率を表２に示す。
【００８３】
【表２】
2004213000.tif 000006
光学素子本体であるＳｉＯ2より熱伝導率の高い光学材料を用いることで、同じ入射光パワーの条件下でも導電性フィルム３０の温度上昇が抑えられる。
【００８４】
（光ヘッド）
図１０は本発明による光学素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略的断面構成図である。光ヘッド２００は、本発明の上述した各実施形態による光学素子を用いている。光学素子１００の開口からの透過光を用いて光記録媒体に対する情報の書き込み動作を行なう。
【００８５】
光源の半導体レーザ（図示せず）から出た光ビームは光ファイバ９０により光ヘッド２００に導入される。光ファイバ９０はガイドにより光ヘッド２００に機械的に固定されており、光ファイバ９０からの出射光はマイクロレンズ（コリメートレンズ）９１により平行光にされる。この平行光は全反射ミラー９２で９０度光路を変え、本発明の光学素子１００に入射する。
【００８６】
光学素子１００にはマイクロレンズ９３が設けられており、入射光はマイクロレンズ９３で光ヘッド２００の浮上面９４に集光される。浮上面９４上の集光径は約５μｍである。集光部に、表面構造を有する導電性フィルム３０が既に述べたのと同じ方法で形成されている。この例において、浮上面９４はスライダー形状に形成されており、光記録媒体の回転により光ヘッド２００を所定の高さに浮上させる。
【００８７】
光ヘッド２００の導電性フィルム３０には、その光記録媒体側の面に、光記録媒体からデータ読み取るための光検出器を設けることができる。光検出器は光記録媒体で反射した光を検出し、それを電気信号に変換する。
【００８８】
（光記録再生装置）
図１１は本発明による光学素子を用いた光記録再生装置の一例を示す概略的斜視図である。光記録再生装置３００は、回転軸３１０のまわりを回転する光記録媒体５０と、先端部に固定された光ヘッド２００を有するサスペンション３２０と、光ヘッド２００が図中の矢印方向に移動するようにサスペンション３２０を回転させるヘッドアクチュエータ（回転型リニアモータ）３３０とを有する。光記録媒体５０を高速回転させることでサスペンション３２０の先端に位置する光ヘッド２００が浮上し、導電性フィルム３０の表面と光記録媒体５０との間の距離が１００ｎｍ以下に維持される。このようにして光記録媒体に従来になく高密度に情報を記録することが可能となる。
【００８９】
既に述べたように、光ヘッド２００の導電性フィルム３０には、その光記録媒体側の面に、光記録媒体からデータ読み取るための光検出器を設けることができる。あるいは、光ヘッド２００を書き込みヘッドとして用い、別の読み出しヘッドを光記録媒体の反対側に設けることもできる。この読み出しヘッドは光記録媒体を通過した光を検出してデータを読み取る。さらに、光磁気記録媒体の場合には、媒体からの漏れ磁束を磁気抵抗効果を用いたヘッドで再生することも可能である。
【００９０】
なお、図６〜図９に示した実施形態では、導電性フィルム３０の一方の面に周期的表面形状の凹凸が形成されている場合が図示されているが、両方の面に周期的表面形状が形成されていてもよい。
【００９１】
図１２は本発明の第６実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。導電性フィルム３０の光学素子本体２０との界面と光記録媒体５０に対向する側の面との両方に周期的表面形状３１の凹凸が形成されている。導電性フィルム３０の両方の面に周期的表面形状３１をそれぞれの工程で形成する必要は必ずしもない。実際には、一方の面に周期的表面形状３１を形成すれば、他方の面にも同様の凹凸が形成されるであろう。光記録媒体５０に対向する面を図８で示したフィルム６０などの手段を用いて平坦化することは望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】従来の光学素子の構成を示す側面断面図である。
【図２】（Ａ）は本発明の原理を説明するために光学素子の一例に採用された導電性フィルムの側面断面図であり、（Ｂ）はその導電性フィルムの平面図である。
【図３】同心円状の窪みの周期数を変化させた場合、開口部を透過した透過光の規格化透過光量の変化を示すグラフである。
【図４】同心円状の窪みの周期数を変化させた場合、規格化入射光パワー密度と光パワー利用効率との変化を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は開口径ｄの種々の値に対する表面波形構造Ｉt−Ｉincを示すグラフであり、（Ｂ）は開口径ｄの種々の値に対する、対応する入射パワー効率（ＬＰＥ）の増減形の照射径依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。
【図８】本発明の第３実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。
【図１０】本発明による光学素子を用いた光ヘッドの一例を示す概略的断面構成図である。
【図１１】本発明による光学素子を用いた光記録再生装置の一例を示す概略的斜視図である。
【図１２】本発明の第６実施形態による光学素子を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０  集光レンズ
２０  光学素子本体
３０  導電性フィルム
３１  周期的表面形状
４０  開口
５０  光記録媒体
６０、６１  高屈折率材料
９０  光ファイバ
９１  マイクロレンズ（コリメートレンズ）
９２  全反射ミラー
９３  マイクロレンズ
９４  浮上面
１００  光学素子
２００  光ヘッド
３００  光記録再生装置
３１０  回転軸
３２０  サスペンション
３３０  アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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