(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の出力端面に設けられる開口先端部とにより構成され、前記開口先端部を、入射させる光波が前記開口先端部の内部を伝搬する波長の略２分の１のサイズとなるように形成し、前記開口先端部と光記録媒体との間を入射される前記光波が前記開口先端部の内部を伝搬する波長の略４分の１以下のギャップとし、前記開口先端部の内部では通常の光波を殆ど減衰することなく伝搬させる、近接場光により光記録媒体に対して記録を行う光学ヘッド。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は面発光レーザ素子である請求項１記載の光学ヘッド。
【請求項３】
前記半導体レーザに一体的に取り付けられるヒートシンクを有する請求項1又は２記載の光学ヘッド。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は略６３５ｎｍで発振する端面発光ＩｎＧａＡＩＰ系のIII−V族化合物半導体レーザにより構成される請求項１乃至３のいずれか１記載の光学ヘッド。
【請求項５】
半導体レーザと、この半導体レーザの出力端面に設けられる開口先端部とで構成され、前記開口先端部のサイズが、入射させる光波が前記開口先端部の内部を伝搬する波長の略２分の１となるように超微細加工され、前記開口先端部を除いて光が漏れないように漏洩防止膜兼反射膜が成膜されている光学ヘッド。
【請求項６】
記録用のプリズム台形状の高屈折率物質をレーザ射出面に併設した半導体レーザに光記録媒体の記録済みビットからの反射光強度が半導体レーザへ戻ることによって得られるレーザの戻り光誘起雑音を検出する手段を含む光学ヘッド。
【請求項７】
相変化媒体に保護膜をコートし、その上に潤滑剤を塗布した光ディスク上に設置される光学ヘッドであって、前記光ディスクに対してレーザ波長の１／４以下の距離に保持され、半導体レーザチップとプリズム台形状の高屈折率物質とで構成され、前記プリズム台形状の高屈折率物質の上底面と下底面にはレーザ波長の反射防止膜が形成され、両底面以外は光反射率膜が形成される光学ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザを搭載し、近接場光を用いて光ディスクに情報の記録を行う光学ヘッドに関する。
【０００２】
また、本発明は、半導体レーザおよび磁気抵抗素子を搭載し、近接場光を用いて情報の記録再生を行う光学ヘッドに関する。
【０００３】
【従来の技術】
パソコンの外部記憶装置としてＨＤＤ、ＦＤＤなどの磁気記録、およびＭＯ，ＣＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＡＭなどの光記録があるが、何れも大容量化が望まれている。その理由として、（１）アプリケーションやＯＳの高機能化によりプログラムサイズが肥大化していること、（２）主記憶容量の増大につれて通常主記憶容量の１．５〜２倍確保する仮想記憶領域の増大及びＣＤ−ＲＡＭなどのキャッシングにも数百ＭＢ必要になっていること、（３）インターネットの普及によりユーザが気付かない内に蓄積データが増加していること、（４）ディジタルビデオの普及により画像をディスクに記録する要求が増加していること、そして（５）各家庭用にサーバを設置する要求が有ることが上げられる。
【０００４】
このような大容量化の要求に対して、ＭＩＧ（Metal in Gap）ヘッド、薄膜ヘッドからＭＲ（Magneto Resister）ヘッドの採用、さらには巨大磁気抵抗素子、即ちＧＭＲ（Giant Magneto Resister）ヘッドの採用によって磁気記録であるＨＤＤの面記録密度は増加している。
【０００５】
この大容量化の要求に対して、最近、米国のSeagate社が２３．８Ｇｂ／ｉｎ２の記録密度を達成している。
【０００６】
一方、光ディスク記録は１９７２年にヒリップス社から民生用のＨｅ−Ｎｅレーザ搭載のビデオディスクが発表されてから発展をとげ、現在では両面４層のＤＶＤで１８Ｇｂｙｔｅの記録容量を達成している。
【０００７】
また、最近では、高密度記録として、近接場光学応用によるナノプローブ技術が注目されている。ところが、ナノプローブの先端を尖鋭にすればするほど入射光に対する射出エバネセント波の光量比が７桁ないし９桁も減衰するのが実状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁気記録では、磁気記録は極端に面記録密度を高めていくと、磁気記録層に書き込まれたスピンが熱磁気緩和現象によって経時変化と共にデータが消失すると言う問題があり、２１世紀初頭には５０Ｇｂ／ｉｎ２〜１００Ｇｂ／ｉｎ２の記録密度が限界であると言われている。
【０００９】
また、従来の光ディスク記録では、レーザ光をレンズなどを用いて絞り込んだときに、光波の回折現象によって光源であるレーザの波長程度にしかビーム径を絞り込めないので、４１０ｎｍの紫外線レーザを使用しても面記録密度は２０〜３０Ｇｂ／ｉｎ２程度が光記録の限界と言われている。更に、使用する高精度の光学部品は高価であり、コストアップになっている。即ち、磁気記録、光記録ともにまもなく記録密度の限界を迎えることになる。
【００１０】
また、近接場光学応用によるナノプローブ技術も現在の光ディスクの記録密度以上の高面記録密度の近接場光学の応用の成果が得られていない。
【００１１】
本発明の目的は、この問題を解決するため、レーザ光の光量が減衰することなく、近接場光学を用いて光ディスクに高密度記録できる光学ヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
現在得られる短波長半導体レーザ光として６３５ｎｍの波長を使用し，この波長で透明でかつ，屈折率の高い半導体材料例えば，ＧａＰ結晶を用いて先端が９０ｎｍに尖鋭化させたピラミッド状の特殊光学プリズムを用い，６３５ｎｍレーザ光を底面から入射させるとプリズム内での半波長が８８ｎｍとなる。したがってプリズム先端を９０ｎｍ径の平坦面にしておけばまったく減衰なくレーザ光が射出する。この先端を光磁気ディスク媒体にコンタクトヘッドあるいはフライングヘッドの原理を用いて約５０ｎｍ以下の間隔で保つことによりレンズを使わないでレンズを使用したよりも極めて小さなビームスポットを形成することができる。
【００１３】
本発明は、半導体レーザの出力端面に高屈折率プリズム物質を設け、この先端部を直径９０ｎｍあるいは９０ｎｍ角の平面に形成し、この先端と光記録媒体間を近接場光学が作用する距離に保ち光磁気記録媒体に対して記録を行う光学ヘッドを提供する。
【００１４】
また、本発明は、半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子の出力端面に設けられる高屈折率台形形状プリズム物質とにより構成され、前記高屈折率台形形状プリズム物質の先端部を、入射させる光波の波長をλとし前記台形形状プリズム物質の屈折率をｎとすると先端開口サイズがほぼλ／２ｎとなるように形成し、前記先端部と光記録媒体との間をλ／４波長以下のギャップとし、前記プリズム物質内部では通常の光波を殆ど減衰することなく伝搬させる、近接場光学により光磁気記録媒体に対して記録を行う光学ヘッドを提供する。
【００１５】
また、本発明は、直径９０ｎｍあるいは９０ｎｍ角の平面に形成された先端部を有する高屈折率プリズム（トンガリピラミッド）を出力端面に設け、高屈折率プリズムの物質内でレーザを発生する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子と一体化される磁気抵抗素子とで構成され、プリズム状物質から光記録媒体間の僅かな距離のみは近接場光学により光記録媒体に対して高密度記録再生を行う光学ヘッドを提供する。
【００１６】
また、本発明は、λ＝６５０ｎｍ，ｎ＝３．３の場合には、直径９０ｎｍあるいは９０ｎｍ角の平面に形成された先端部を有するトンガリピラミッドを出力端面に設けた半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子と一体化される磁気抵抗素子とで構成され、近接場光学により光記録媒体に対して高密度記録再生を行う光学ヘッドを提供する。
【００１７】
また、本発明は、記録用の高屈折率台形形状プリズム形状物質をレーザ射出面に併設した半導体レーザに光記録媒体の記録済みビットからの反射光強度が半導体レーザへ戻ることによって得られるレーザの戻り光誘起雑音を検出する手段を含む光学ヘッドを提供する。
【００１８】
本発明によると、波長の約１／１０のサイズで光記録ができる。しかも、レーザー出力の殆ど１００％を記録に使用できる。光記録媒体は，ＴｂＦｅＣｏの垂直磁性媒体あるいはＧｅＳｂＴｅなどによる相変化記録媒体を用いる。このときの記録ビットの検出、即ち記録情報再生には２つの方法がある。第１の方法は、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を用いて磁化の変化を検出する方法である。第２の方法は、半導体レーザの出力部に薄い１／４波長板を設置し、半導体レーザーからの直線偏波を右回りの円偏波に変換させる。光磁気ディスクによって，反射位相がπｒａｄ変移して再び１／４波長板に戻る。この波長板を通過して、左回りの円偏波は、レーザーの中で直線偏波とはπ／２ｒａｄ異なった（即ち，両者が直交した）直線偏波となる。光磁気信号によって，カー回転角が，両者に重畳される。言い換えれば、両者間に、カー回転による位相差を生ずる。この位相差は，光の周波数差となって現れる。高速フォトダイオードで，このビート信号を検出することによって，信号が再生できる。
【００１９】
本発明において、記録再生ヘッドは、第１の方法では，半導体レーザチップ＋ＧＭＲチップで構成される。第２の方法では，半導体レーザーチップ＋特殊半導体レーザーチップで構成される。サイズはいずれも約１ｍｍ３程度である。これをハードディスクのフライングヘッドスライダーに取り付ける。磁気ディスクドライブとほぼ同じ大きさで，磁気ディスクドライブの３倍の面記録密度が実現する。３．５インチディスクで、３０ＧＢの大容量が実現できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態の光学ヘッドを示している。これによると、光学ヘッド１１はディスクドライブモータ（図示せず）により回転される光磁気ディスク１２に対向配置され、ヘッド位置移動用モータにより駆動されるサスペンション１３の先端に取り付けられる。この光学ヘッド１１と光磁気ディスク１２との間隔は５０nm以下に設定されることにより近接場光学により記録が行える。
【００２１】
光学ヘッド１１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように端面発光半導体レーザあるいはビクセルレーザ２０により構成される。この半導体レーザ２０は約６３５ｎｍで発振する端面発光ＩｎＧａＡＩＰ系のIII−Ｖ族化合物半導体レーザ素子２１により構成される。この半導体レーザ素子２１の出力端面に例えばＧａＰ結晶で作成したトンガリプリズム（高屈折率台形状プリズム）でなるプローブ２２が設けられる。この高屈折率台形状プリズム２２はその先端部分のサイズが半導体レーザ素子のプリズム状物質内における管内波長（即ち、プリズム状物質内を伝搬する光波の波長）の（λ／２ｎ）になるよう超微細加工されている。また、半導体レーザ素子２１の端面やトンガリプリズム２２の底面には高性能反射防止膜２３、２４がそれぞれ成膜される。また、両底面を除いてトンガリプリズム２２の側面には光が漏れないように漏洩防止膜兼反射膜２５が成膜される。更に、半導体レーザ２１の他方端面にはフォトダイオード２６が設けられる。
【００２２】
上記構成のビクセルレーザ２０は、図２（ｂ）に示されるように３脚を有するヒートシンク２７に取り付けられる。このヒートシンク２７はジンバル２８を介してサスペンション１３に取り付けられ、保持される。このとき、トンガリプリズム２２の先端部と光学ディスク１２とのギャップは≦λ／４となる。
【００２３】
プローブ２２のトンガリピラミッドの先端は直径約９０ｎｍあるいは９０ｎｍ角の平面に研磨される。６３５ｎｍのレーザ光のＧａＰ結晶等トンガリピラミッドの中での半波長（λ／２ｎ）サイズは、屈折率ｎが非常に大きい（約３．５）ので、約８０ｎｍとなる。前述の直径約９０ｎｍあるいは９０ｎｍ角の平面も高性能反射防止膜により成膜される。
【００２４】
上記のように本実施形態によると、高屈折率台形状プリズム物質を半導体レーザ出力端面に設置し、この台形状プリズム先端開口部のサイズが、大略、半導体レーザのプリズム状物質内における管内波長（λ／２ｎ）となるように超微細加工を施し、先端開口部を除いて光が漏れないように漏洩防止膜兼反射膜が成膜されている。
【００２５】
上記の構成によりトンガリピラミッド２２に入射した半導体レーザ光の１００％は、９０ｎｍの先端部に到達できる。この点が、効率の非常に悪いエバネッセント波発生用のナノプロープ技術と全く異なる。
【００２６】
従来の研究成果のひとつにトライパットと薄い潤滑剤とを用いたコンタクトヘッド技術がある。このコンタクトヘッド技術を応用して上述のトンガリコーンあるいはトンガリピラミッドをギャップが１０ｎｍ〜３０ｎｍの一定精度で光ディスク媒体に対応させることができる。
【００２７】
トンガリピラミッド２２の先端に達した６３５ｎｍのレーザ光は、前述したように少しも減衰せずに同じサイズ、即ち、８０ｎｍ〜９０ｎｍ径で光ディスク媒体面に到達する。ピットサイズが８０ｎｍ〜９０ｎｍ径の光記録に要するレザーパワーは、わずか１００μＷ以下である。したがって本発明の光学ヘッドに必要なレーザ発振出力は、わずか１ｍＷ以下で充分である。
【００２８】
一方、ＤＶＤ−ＲＡＭに使用する６３５ｎｍの半導体レーザの出力は、３０〜５０ｍＷである。この発明の光学ヘッドにおいて必要とするパワーがわずかなパワーでよいということは、超高速ビットレートが可能であることを意味する。半導体レーザに戻る光によって半導体レーザの端子電圧が約０．５％前後変化する現象は、これまでのレンズレスフロッピディスクの研究で既に明らかなっている。
【００２９】
光記録媒体としてＧｅＳｂＴｅ等相変化媒体（ＰＣＲ）を用いると光照射時間やパワーによってアモルファス（ａ）あるいは、クリスタル（ｃ）状態を呈する。アモルファス状態（ａ）とクリスタル状態（ｃ）とでは反射率がそれぞれ例えば１０％、３０％と異なるので、光ディスク媒体を外部ミラーとして用いれば高いＳＮで半導体レーザの端子電圧が変化することを検出できる。
【００３０】
光記録媒体としてＴｂＦｅＣｏを代表とする光磁気媒体を用いる場合には、次の２つの方法で信号を検出、即ち再生できる。（１）高感度巨大磁気抵抗素子にて磁化の変化を検出する方法および（２）ＳＰＩＥ文献“Orthogonal Linear Polarized Laser Waves Oscillation in a thin Fi1m Integrated Laser Chip for MO Disk Signal Detection”の手法により半導体レーザチップに薄膜をコートするだけでＭＯ信号を検出できる。
【００３１】
以上の２方法とも極めて小さく軽いヘッド（１ｍｍ３以下）構成が可能である。
【００３２】
次に、記録再生光学ヘッドについて説明する。この記録再生光学ヘッドは、図３に示すように構成される。即ち、光学ヘッド３１は、ビクセルレーザ２０と磁気抵抗素子、例えばＧＭＲ（Giant Magnet resistance）素子３２とを一体的に組み合わされる。この場合、ビクセルレーザ２０およびＧＭＲ素子３２は回転方向に並んで配列される。また、ビクセルレーザ２０およびＧＭＲ素子３２はヒートシンク３３に取り付けられ、このヒートシンク３３は（図１のサスペンション１３に対応する）サスペンション３４の先端にジンバル３５を介して取り付けられる。また、ヒートシンク３３の３本の脚部の先端はダイヤモンドライクコーティング（ＤＬＣ）３３ａが施されている。従って、光学ヘッド３１はコーティング３３ａおよび光ディスク１２に塗布された潤滑剤（例えばＰＦＰＥ）３６を介して光ディスク１２上を滑動する。
【００３３】
なお、光ディスク１２はガラス基板１２ａ、光記録媒体（例えばＴｂＦｅＣｏ垂直磁化光磁気媒体）１２ｂ、ディスク保護膜（例えばα-カーボン）１２ｃの積層構造により構成される。
【００３４】
尚、図３（ａ）に示す光学ヘッド３１のビクセルレーザ２０は図２と同様な構造を有する。即ち、半導体レーザの出力端面に密着させ、あるいは若干のギャップを設けてレーザ出力端面とプリズム台形状の高屈折率物質の上底面と下底面とには半導体レーザ波長において反射防止膜が成膜され、両底面以外は金膜などの光反射率材料で覆われる。このような記録用光学ヘッドは光磁気あるいは熱磁気記録媒体面に対してλ／４離間して対向される。
【００３５】
一方、記録された微細ビットの磁化の変化に応じて磁束密度や磁化の方向が変わるのを検出する磁気抵抗素子（ＧＭＲ、ＴＭＲなどの素子で抵抗の変化を読み取る）３２が設けられる。
【００３６】
図３（ｂ）に示される光学ヘッドによると、相変化媒体（例えばＧｅＳｂＴｅ）に保護膜（例えばアモルファスカーボン２ｎｍ〜５ｎｍ成膜）をコートし、その上に潤滑剤３６を塗布した光ディスク１２上にコンタクトヘッドあるいはスライダーヘッド（フライングヘッド）を設置し、フライングヘッドあるいはコンタクトヘッド３１はジンバル３４により光ディスク面とほぼ並行に保たれる。光学ヘッド３１は、サスペンション３４により光ディスク１２とヘッド３１との間隔がレーザ波長の１／４以下に保たれるように保持される。
【００３７】
光学ヘッド３１は、半導体レーザチップと高屈折率プリズム形状の物質で構成される。この物質の上底面と下底面にはレーザ波長の反射防止膜がコートされる。両底面以外は光反射率膜がコートされている。
【００３８】
記録されたビットはアモルファスかクリスタルかによって反射率が異なる。半導体レーザに反射光が戻って半導体レーザの発振が変化する。その変化を半導体レーザの端子電圧の変化或いはレーザ出力の変化を直接観察して信号を読み取る。
【００３９】
ＧＭＲ素子３２は図４に示すように永久磁石４１と電極版４２が張り合わされて形成された一対の素子４３の間に取り付けられている。
【００４０】
上記のように構成された、ビクセルレーザ２０およびＧＭＲ素子３２を一体的に組み合わせた光学ヘッド３１によって光磁気ディスク１２にデータを記録する動作を説明する。
【００４１】
図１に示すように光磁気ディスク１２は光磁気ディスクドライブ（図示せず）により回転されると、光学ヘッド１１は潤滑剤３６（図３）を介在して光磁気ディスク１２から１０ｎｍ〜３０ｎｍ程離間される。このとき、光学ヘッド１１のビクセルレーザ２０が記録データに従って駆動されると、ビクセルレーザ２０のプローブ（トンガリピラミッドあるいはトンガリコーン）２２の先端部から微小ビームレーザが放射される。このレーザの熱と外部磁界により光磁気ディスクの磁化の向きが約５０ｎｍ〜８０ｎｍの径で反転される。即ち、レーザが照射された箇所と照射されない箇所では磁化の向きが異なる。これにより、“０”、“１”信号が記録される。即ち、近接場光学によりデータが光磁気ディスク１２に記録される。
【００４２】
尚、図示はしていないが、磁界の向きを与える磁石も併設されている。これは通常のＭＤディスクヘッドと同じ構造である。
【００４３】
上記のように本発明では、現状の光磁気記録（ＭＯ）のように半導体レーザ光をレンズにより絞らずに近接場光学により記録を行っているので、レンズの回折を受けることがないのでレーザ波長以下にスポット径を小さくすることができる。
【００４４】
光磁気ディスク１２に記録されたデータを再生する場合には、光学ヘッド３１が光磁気ディスク１２から１０ｎｍ〜３０ｎｍ離間した状態でＧＭＲ素子２２に一定の電流を流す。ＧＭＲ素子３２は光磁気ディスク１２の磁化方向に応じて抵抗が変化し、これに伴ってＧＭＲ素子３２に流れる電流が変化する。この電流の変化を再生信号として取り出される。これにより、光磁気ディスク１２に記録されたデータが再生されることになる。
【００４５】
上記実施形態では、１ビクセル素子・１ＧＭＲ素子の光学ヘッドが提供されるが、本発明は、図５（ａ）（ｂ）に示されるように１００×１００のビクセルアレイおよび２００×２００の信号検出用高感度ＧＭＲアレイを用いた光学ヘッドにも適用できる。この場合、高屈折率物質でなるシリコンピラミッドアレイをマイクロエレクトロメカニカルエッチング技術により形成される。これにより図５に示されるようにピラミッドの先端が一定に揃えることができる。従って、ピラミッドアレイの先端が揃って光ディスクに対して近接する。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体レーザの高屈折率物質で成るプローブのプリズム先端を９０ｎｍ径の平坦面にすることによって減衰なくレーザ光が射出することができ、この先端を光磁気ディスク媒体にコンタクトヘッドあるいはフライングヘッドの原理を用いて約５０ｎｍ以下の間隔で保つことにより対物レンズを使わないでレンズを使用したよりも極めて小さなビームスポットを形成することができる。これにより、高密度記録が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に従った光学ヘッドと光磁気ディスクを示す図
【図２】本発明の一実施形態の光学ヘッドに用いられるビクセル素子の構造を示す図
【図３】本発明の他の実施形態であり、ビクセルレーザと磁気抵抗素子とで構成される光学ヘッドの構成を示す図
【図４】図３の光学ヘッドに磁気抵抗素子として用いられるＧＭＲ素子の構造を示す図
【図５】ビクセルアレイを用いた光学ヘッドの構成を示す図
【符号の説明】
１１…光学ヘッド  １２…光磁気ディスク  １３…サスペンション  ２０…ビクセルレーザ  ２１…ビクセルレーザ素子  ２２…高屈折率台形状プリズム２２  ２３、２４…反射防止膜  ２５…漏洩防止膜兼反射膜  ２６…フォトダイオード  ２７…ヒートシンク  ２８…ジンバル  ３１…記録再生光学ヘッド  ３２…ＧＭＲ素子  ３３…ヒートシンク  ３４…サスペンション
【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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