(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に直接または他の層を介して形成された非晶質合金からなる薄膜であって、前記非晶質合金は、（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなり、前記薄膜に入射される光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化することを特徴とする非線形光学薄膜。
【請求項２】
基板上に直接または他の層を介して形成された非晶質合金からなる薄膜であって、前記非晶質合金は、（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなることを特徴とする非線形光学薄膜。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非線形光学薄膜であって、該非線形光学薄膜は非磁性であることを特徴とする非線形光学薄膜。
【請求項４】
少なくとも情報を有するピットが形成された基板と、前記基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜を有する光情報記録媒体であって、該超解像膜は非晶質合金からなる膜であって、該非晶質合金が（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項５】
少なくとも基板と、該基板上に直接または他の層を介して形成され、光により情報が記録される記録膜と、該記録膜上に直接または他の層を介して形成された超解像膜を有する光情報記録媒体であって、前記超解像膜は非晶質合金からなる膜であって、該非晶質合金が（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項６】
少なくとも情報を有するピットが形成された基板と、前記基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜と、該超解像膜上に直接または他の層を介して形成された反射膜を有する光情報記録媒体であって、前記超解像膜は非晶質合金からなる薄膜であり、該非晶質合金が（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなり、光の入射により屈折率が可逆的に変化することを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項７】
基板と、該基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜と、該超解像膜上に直接または他の層を介して形成され、レーザー光により情報が記録される記録膜と、該記録膜上に形成された反射膜を有する光情報記録媒体であって、前記超解像膜は非晶質合金からなる薄膜であり、該非晶質合金が（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなり、光の入射により屈折率が可逆的に変化することを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれかに記載の光情報記録媒体において、前記超解像膜は５０〜１００ｎｍの厚さであることを特徴とする光情報記録媒体。
【請求項９】
少なくとも一つの光スイッチ素子部と、光スイッチの制御光を照射する制御光照射装置を有する光スイッチであって、前記光スイッチ素子部は少なくとも基板とその上に形成された非線形光学薄膜を有し、該非線形光学薄膜は非晶質合金からなり、該非晶質合金が（イ）ＣｏとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ロ）ＮｉとＣｒを含み、更にＺｒ，Ｈｆ，Ｔｉから選ばれた１つを含有する合金、（ハ）ＣｏとＶとＺｒを含有する合金、及び（ニ）ＣｏとＭｎとＺｒを含有する合金のいずれかからなることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折率変化の大きい非線形光学薄膜とそれを用いた光情報記録媒体及び光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光通信を用いた情報化社会の発展により、大容量の情報を高速で通信できる通信システムの構築が必要となっている。現在では、波長多重通信（ＷＤＭ）が展開され、ネットワークの高速化が急速に進んでいる。このような大容量高速光通信を展開するために必要不可欠な光デバイスとして、大容量の光情報を蓄積するための光情報記録媒体と、通信光を高速にスイッチする光スイッチが挙げられる。
【０００３】
まず光情報記録媒体として、片面４.７ＧＢの容量を有するＤＶＤが実用化され、コンピューター用途のほか、ビデオなどの大容量動画を扱うための媒体として広く普及している。このＤＶＤは、直接基板に情報の書き込まれた読み出し専用のＲＯＭ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）の他、書換可能な記録再生媒体としても実用化が進んでいる。
【０００４】
このような光情報記録媒体の高記録密度化を目的とした開発が行われている。情報記録の高密度化を達成する手段として、ＣＤなどに使われていたレーザー（７８０ｎｍ）よりも短波長（約６５０ｎｍ）のレーザー光を用いることが提案されている。
【０００５】
しかし、コンピューターグラフィックス等の大容量の情報を扱うためには、さらにその１.５〜２倍の高記録密度化を達成する必要がある。これを達成するため、さらに短波長の青色半導体レーザー（波長４０５ｎｍ）を用いるＤＶＤの開発が行われている。
【０００６】
もう一つの高記録密度化技術として、超解像膜が挙げられる。この超解像膜は、記録媒体の上面または下面に形成される膜で、この膜を透過または反射した入射光のビームスポットを縮小化することにより、高記録密度化を達成できる。
【０００７】
超解像効果のメカニズムの一つは、吸収飽和現象であり、超解像膜がその吸収飽和量以上の強度を持つ光は透過させ、それ以下の強度の光は吸収するという非線形な光学特性を利用した現象である。読み書きに利用されるレーザービームの空間的な強度はガウス分布となっているため、ビームが超解像膜を通過することにより強度の低い裾野の部分は超解像膜によって吸収され、中心部分の強度の高い部分では光が透過する。このため、透過後のビーム径を縮小することができる。
【０００８】
現在、このような超解像膜として、特開平８−９６４１２号公報等にみられるようなフタロシアニン系の有機膜や、カルコゲナイド系化合物等が挙げられる。この他に同じく有機材料で、特開平６−１６２５６４号公報記載のサーモクロミック材料や、特開平６−２６７０７８号公報記載のフォトクロミック材料を超解像膜として用いる試みも知られている。
【０００９】
特開平８−９６４１２号公報等に記載の超解像膜では、信頼性などの点で問題がある。有機膜では、記録あるいは読み出し時には、ビームのエネルギー密度が局所的に非常に高くなるため、繰り返しての記録や再生動作を行うと、徐々に膜が劣化して行くことが懸念される。このため、コンピューター用のＲＡＭ等、過酷な使用環境下では、十分な記録再生動作回数を保証しにくい。また、カルコゲナイドでは化学的に不安定であるため、長い保証期間を得ることが難しい。
【００１０】
一方、光スイッチの分野においては、高速化の検討が行われている。これまでの光情報のスイッチングは、中継点において一度光情報を電気情報に変換する光電変換が必要であった。しかし、中継点の増加による消費電力の増加、スイッチング速度の高速化と云った問題を解決するためには、光によるスイッチングを行うことが好ましい。このため、メカニカル型光スイッチ，平面光導波路型光スイッチ，ミラー型光スイッチ，バブル型スイッチ等が検討されている（日経エレクトロニクス、Ｎｏ.８、２０００年１月２９日号）。
【００１１】
しかし、上記のような光スイッチでは、スイッチング時間が数ミリ秒程度であるため、今後の光通信の大容量高速化に対応するのが難しい。また、上記のような方法によるスイッチングでは、スイッチングに要する電気的な駆動力が大きく、エネルギー消費量が依然として大きいと云う問題を有する。そこで、特開平１１−３３７９８８号公報記載のように、非線形光学材料を用いた光による高速応答性を有する全光スイッチが提案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
情報記録媒体の分野では、さらなる高記録密度の情報記録媒体を得ることが検討されている。しかしながら、上記の超解像膜では、今後のさらなる高記録密度化に対応するための解像効果が十分ではない。本発明は、さらに高密度の記録または再生が可能な超解像膜を有する情報記録媒体を得ることを目的とする。
【００１３】
また、光スイッチは、今後のマルチチャンネルの光通信信号の切替の必要に伴い、中継点やスイッチ数が増加し、スイッチングに必要なエネルギー消費量が大きくなることが予想される。本発明は、信号を少ないエネルギー消費量でスイッチング可能な光スイッチを得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の非線形光学薄膜は、基板上に直接または他の層を介して形成された非晶質合金あるいは非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜であって、この薄膜は外部から照射される光に対して露出しており、入射される光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化する。
【００１５】
また、本発明の非線形光学薄膜は、基板上に直接または他の層を介して形成された非晶質合金あるいは非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜であって、この薄膜に入射されるレーザー光の強度が０.１ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ0と５.０ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ1の変化（｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0）が０.２以上である。
【００１６】
また、本発明の非線形光学薄膜はＣｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａから選ばれる少なくとも２種の金属から構成される非晶質合金であって、ＳｉＯ2を主成分とする酸化物ガラスを含有することができる。また上記非線形光学薄膜は非磁性であり、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系またはＮｉ−Ｃｒ−Ｚｒ系非晶質合金である。
【００１７】
本発明の光情報記録媒体は、上記の非線形光学薄膜を超解像膜として用いた。また、本発明の再生専用の光情報記録媒体は、少なくとも情報を有するピットの形成された基板と、この基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜とを有する光情報記録媒体であって、超解像膜は非晶質合金あるいは非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜で、該薄膜に入射されるレーザー光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化する。
【００１８】
さらに本発明の書き換え可能な光情報記録媒体は、少なくとも基板と、該基板上に直接または他の層を介して形成された光により情報が記録される記録膜と、該記録膜上に直接または他の層を介して形成された超解像膜とを有する光情報記録媒体であって、上記の超解像膜は非晶質合金あるいは非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜で、該薄膜に入射されるレーザー光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化する。
【００１９】
また本発明の再生専用の光情報記録媒体は、少なくとも情報を有するピットの形成された基板と、該基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜と、該超解像膜上に直接または他の層を介して形成された反射膜とを有する光情報記録媒体であって、この超解像膜は非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜で、該薄膜に入射されるレーザー光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化する。
【００２０】
さらに本発明の書き換え可能な光情報記録媒体は、少なくとも基板と、この基板上に直接または他の層を介して形成された超解像膜と、その上に形成された光により情報が記録される記録膜と、さらにこの記録膜上に形成された反射膜とを有する光情報記録媒体であって、この超解像膜は非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる薄膜で、該薄膜に入射されるレーザー光の強度変化に応じて屈折率が可逆的に変化する。
【００２１】
上記超解像膜に入射されるレーザー光の強度が０.１ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ0と５.０ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ1の変化率（｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0）が０.２以上である。
【００２２】
さらに上記非晶質合金はＣｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａから選ばれる少なくとも２種以上の金属から構成され、かつ上記酸化物ガラスはＳｉＯ2を主成分とするガラスである。
【００２３】
本発明の光スイッチは、少なくとも基板と、その上に形成された非晶質合金あるいは非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合物からなる非線形光学薄膜によって構成される光スイッチ素子部を一箇所もしくは複数箇所有し、制御光を照射する制御光照射装置を有する光スイッチであって、上記非線形光学薄膜の屈折率は薄膜に入射される光の強度変化に応じて可逆的に変化する。
【００２４】
上記非線形光学薄膜に入射される光の強度が０.１ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ0と５.０ＧＷ／ｍ2の時に測定される屈折率ｎ1の変化率（｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0）が０.２以上であり、上記非晶質合金はＣｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａから選ばれる少なくとも２種の金属から構成され、かつ、上記酸化物ガラスはＳｉＯ2を主成分とするガラスである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
まず、本発明の非線形光学薄膜の光学特性を評価するため、図２に示すような薄膜試料を作製した。本実施例では非線形光学薄膜１の材料としてモル比でＣｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1の組成を有する非晶質合金薄膜を基板２上に５０ｎｍ形成した。成膜はＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて行い、ターゲットには薄膜と同組成の直径４インチの金属合金ターゲットを用い、６００Ｗの成膜パワーで成膜した。なお、スパッタガスはＡｒとし、ガス圧力を０.６５Ｐａとした。
【００２６】
こうして得られたＣｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1薄膜の広角Ｘ線回折を行ったところ、いずれも結晶性物質の存在を示すピークが見られず、非晶質であることが分かった。
【００２７】
図２に示す非線形光学薄膜材料の屈折率を、図３に示すエリプソメーターの光学系を用いて評価した。図３において、１は非線形光学薄膜，２は基板，３はパルス発生器，４は光源，５は偏光子，６は入射光，７は反射光，８は検光子，９はフィルター，１０は受光器，１１はデジタルオシロスコープ，１２は制御用コンピューター，１３は焦点レンズである。
【００２８】
光源４として波長６５０ｎｍ及び４０５ｎｍの半導体レーザーを用いた。このレーザーをパルス発生器３を用いて所望の強度，時間を有するパルス光とした。このパルス光を偏光子を用いて光の振動面が試料表面に平行な光（ｓ偏光）と垂直な光（ｐ偏光）になるように偏光させた。また焦点レンズ１３を用いてこのレーザー光を試料表面に集光させた。波長が６５０ｎｍの場合は周後部のレーザー径は０.６μｍであった。また波長が４０５ｎｍの場合は０.６ｎｍであった。
【００２９】
このような偏光を試料に照射すると、試料の膜厚，屈折率及び消衰係数によってｓ偏光とｐ偏光の反射率と位相が異なる。従って、膜厚を予め測定しておき、ｓ偏光とｐ偏光の反射率比，位相を求めることにより、屈折率と消衰係数を推定できる。ここで、消衰係数は屈折率の虚部で表され、材料の光の吸収に関するパラメータである。
【００３０】
反射光の受光側に検光子８を置き、検光子８の角度を回転させ、それぞれの検光子角度で得られる反射光量からｓ偏光とｐ偏光の反射率比，位相を求めた。検光子角度は１回転を１２分割した各角度で測定した。また受光器は許容量以上の光が入射されると適切な解析が不能になるため、各パルス光の強度に応じたフィルター９を設置して、受光器に入る反射光量を調節した。
【００３１】
反射光は受光器に導入される光をデジタルオシロスコープ１１で時間分割し、２ｎｓ毎に測定した。また、パルス光が入射される５０ｎｓ前から測定を開始し、パルスが発生してから１００ｎｓの間、測定した。また、１回の測定ではレーザーや受光器のばらつきや電気的なノイズにより、ＳＮ比（シグナルとノイズの比）が低く精密な測定ができないため、それぞれの測定を１２８回積算してその平均値として求めた。
【００３２】
図４に本実施例で作製した非線形光学薄膜に１００ｎｓのパルスレーザーを照射したときの屈折率変化を示す。パルス光の強度は５.０ＧＷ／ｍ2とした。横軸はパルスが立ち上がる時の時刻を０とした時の時間である。図４（ａ）はレーザーパルスの強度変化を示す。また（ｂ）は屈折率（ｎ）の時間変化を示す。
【００３３】
パルスの立ち上がり前では、受光器に入射される光の強度が弱いために測定値のばらつきが大きいが、屈折率ｎ0は２.３であった。この弱いレーザーで測定される屈折率ｎ0を線形屈折率と呼ぶ。このときのレーザー光の強度は約０.１ＧＷ／ｍ2である。時間０秒からパルスが立ち上がり、この立ち上がりに従って屈折率も徐々に上昇し、パルスの光量が飽和すると屈折率の変化も飽和していた。このときの屈折率ｎ1は３.２５であり、屈折率変化率｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0は０.４１と、大きな変化を示した。この５.０ＧＷ／ｍ2程度の強いレーザー光が照射された時の屈折率ｎ1を非線形屈折率と定義する。
【００３４】
図５，図６に、パルス光強度を変化させた時の屈折率（ｎ）と消衰係数（ｋ）との時間変化を示す。これらの図において、屈折率と消衰係数は図４に示す屈折率の時間変化を示す図のパルス光立ち上がり後５０ｎｓ〜１００ｎｓの間の屈折率を平均して求めた。
【００３５】
波長が６５０ｎｍ及び４０５ｎｍいずれの場合も、パルス光強度の上昇に従って屈折率は上昇し、波長６５０ｎｍでは２.３から３.３と上昇していた。また、４０５ｎｍの場合はいずれも若干低い値を有しているが、やはり大きな屈折率変化を示した。また、消衰係数は６５０ｎｍでは５.０５から４.５１に減少していた。消衰係数も屈折率同様４０５ｎｍでは６５０ｎｍより低い値を有していたが、６５０ｎｍの場合と同様の変化を示した。
【００３６】
以上のように、本発明のＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系非晶質合金薄膜では約５.０ＧＷ／ｍ2程度のレーザー照射により屈折率が非線形に大きく変化することが分かった。
【００３７】
屈折率変化量は、材料組成のみでなく照射されるレーザー光の強度と相関を有する。屈折率変化率の大きい薄膜では、屈折率変化率の小さい従来の材料と比較して、同じ屈折率を得るために必要とされるレーザー強度は小さい。また、レーザー照射と屈折率変化の応答時間が同等の材料と比較すると、同じ屈折率を得るための応答時間は短く、レーザー照射に対し高速に応答することができる。
【００３８】
次に、この薄膜の屈折率変化の応答速度について詳細に検討した。図４に示される測定結果を見ると、パルスレーザーの立ち上がりに屈折率の上昇が追随して変化していることが分かる。本測定のインターバルは２ｎｓであることから、２ｎｓ以下の応答速度で屈折率が変化していることが分かる。しかし、これ以下の短い時間における屈折率変化は本装置では測定できない。
【００３９】
そこで、さらに屈折率の応答速度を詳細に調べるため、パルス時間が３５ピコ秒のパルスレーザー照射による屈折率変化を求め、時間応答性を検討した。その結果、このような短い時間でも２ｎｓの場合と同様の屈折率変化が見られた。このことから、この材料の応答速度はピコ秒のオーダーであることが分かった。
【００４０】
次に、各種組成の薄膜材料について屈折率変化を測定し、同様の検討を行った。表１に各薄膜の組成，膜厚及びこれらの膜のレーザーパワー０.１ＧＷ／ｍ2で測定される線形屈折率ｎ0、５.０ＧＷ／ｍ2で測定される非線形屈折率ｎ1、屈折率変化率｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0、及び、消衰係数ｋ0、ｋ1、その変化率｜ｋ1−ｋ0｜／ｋ0を示す。表１に示す合金の広角Ｘ線回折分析を行ったところ、いずれも結晶質の存在を示すピークは観察されず、非晶質合金薄膜であった。
【００４１】
【表１】
0003836722.tif 000002
試料Ｎｏ.１〜３は、Ｃｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1薄膜であり、膜厚を２０ｎｍ、５０ｎｍ及び１００ｎｍとした試料である。いずれの試料においてもｎ1はｎ0よりも大きくなっており、その変化量は波長６５０ｎｍでは０.３９７以上と大きかった。また、逆に消衰係数はｋ1はｋ0に比べて減少し、その変化量は０.１０〜０.１５と屈折率の変化量に比べて小さかった。また測定波長が４０５ｎｍでは、６５０ｎｍに比べて屈折率、消衰係数ともに小さかったが、その変化量は６５０ｎｍの場合と同様に大きかった。
【００４２】
試料Ｎｏ.４〜６は、Ｎｉ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1薄膜である。膜厚はＣｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1薄膜と同様に２０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとした。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｚｒ系薄膜においてもいずれの波長の場合でも大きな屈折率変化が得られた。しかしながら、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系薄膜と比較すると、変化量は半分程度であった。
【００４３】
試料Ｎｏ.７〜１０は、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ及びＮｉ−Ｃｒ−Ｚｒ系薄膜のＺｒ成分を、Ｚｒの属する４ａ族金属であるＨｆ及びＴｉに置換した薄膜である。いずれの場合も上記実施例と同様に大きな屈折率変化が得られた。
【００４４】
さらに試料Ｎｏ.１１はＮｉ−Ｔａの２元系合金である。この２元系の合金もＸ線回折では非晶質であった。この場合でも、大きな屈折率変化が見られることが分かった。
【００４５】
以上のように、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｔａから選ばれる少なくとも２種類の元素から構成される非晶質合金薄膜では、測定波長６５０ｎｍ，４０５ｎｍのいずれの場合でもレーザー照射により大きな屈折率変化が得られた。
【００４６】
次に、ＣｏＣｒＺｒ系合金にＳｉＯ2などのガラス成分を添加した薄膜を作製し、表１と同様の検討を行った。屈折率変化の測定結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
0003836722.tif 000003
非晶質合金の組成は、表１で用いたＣｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1とした。この非晶質合金と酸化物ガラス成分をモル比で０.０５〜０.４０含有させた。ガラス成分としてＳｉＯ2を用いた場合、ＳｉＯ2の含有量が０.０５ではｎ1がｎ0よりも大きく、またその変化量も０.３４９〜０.３９６と大きく、ＳｉＯ2を含有させない試料と同等の変化を示した。ＳｉＯ2の含有量が増加するに従い、ｎ0、ｎ1及び屈折率変化率いずれも減少した。特にＳｉＯ2を０.２０〜０.４０含有させた薄膜ではｎ1がｎ0よりも小さかった。さらにｋ0、ｋ1もＳｉＯ2含有量の増加に伴って低下しており、ＳｉＯ2を０.２０〜０.４０含有させた薄膜では金属光沢が失われて透明性が生じていた。このことから、酸化物成分の増加に従って金属成分が酸化され、膜の構造が大きく変化し、屈折率変化の原理が変化したものと考えられる。
【００４８】
ＳｉＯ2の含有量に対する屈折率変化量の変化を図７に示す。波長が６５０ｎｍ，４０５ｎｍいずれの場合もＳｉＯ2含有量が０.１を超える場合には屈折率変化量が０.２０を下回り、大きな屈折率変化を得ることができなかった。
【００４９】
また、表２を見ると、ガラス成分としてＳｉＯ2−ＴｉＯ2,ＳｉＯ2−Ｎａ2Ｏ−ＣａＯ，ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｎａ2Ｏのいずれを用いた場合にも、ガラス成分の含有率が０.１の場合には屈折率変化量が０.２０以上であり、良好な結果となった。
【００５０】
以上より、非晶質合金薄膜及び非晶質合金と酸化物ガラス成分との混合薄膜は非線形な屈折率変化を生じ、その屈折率変化量は０.１ＧＷ／ｍ2度の弱いレーザー光で測定される線形屈折率ｎ0と５.０ＧＷ／ｍ2の強いレーザー光を照射した場合の非線形屈折率ｎ１との変化率が０.２以上と、大きい屈折率変化が得られた。
【００５１】
ガラスマトリックス成分の含有率が０.１以下であると、やはり大きな屈折率変化が得られるが、０.１を超えると急激に屈折率変化量が減少し、０.２を下回るので、好ましくなかった。以上よりガラス成分の含有率は０.１以下であることが好ましかった。
【００５２】
ガラス成分としてはＳｉＯ2の他、ＳｉＯ2−ＴｉＯ2,ＳｉＯ2−Ｎａ2Ｏ−ＣａＯ，ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｎａ2ＯなどのＳｉＯ2を主成分とするガラスを用いることが好ましかった。
【００５３】
次に非晶質合金薄膜の屈折率変化のメカニズムを解明するため、大きな屈折率変化が得られる試料Ｎｏ.５の薄膜と、試料Ｎｏ.１２の薄膜の透過型電子顕微鏡観察を行い、合金成分とガラス成分との存在状態を観察した。
【００５４】
図８に試料Ｎｏ.５のＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金薄膜の透過型電子顕微鏡像の模式図を示す。この試料では、粒径が０.５〜１.０ｎｍ程度の非常に微細な粒子が無数に形成されていた。これらの粒子はこのように非常に微細なため、先ほど示したような広角Ｘ線回折では非晶質の存在を示すハローのみ観察される。従って、Ｘ線回折上は非晶質と定義される。
【００５５】
この薄膜を成膜チャンバー内で３００℃で加熱しながら成膜した場合、Ｘ線回折で結晶相の存在を示すピークが明瞭に観察された。この薄膜について屈折率変化を測定したところ、ほとんど変化しないことが分かった。このことから、加熱による粒子の肥大化により非線形光学特性が低下したものと考えられる。従って、上記のような大きな屈折率変化を得るためには、図８に示すような微細な構造を有していることが好ましいと判断できる。
【００５６】
図９に試料Ｎｏ.１２の透過型電子顕微鏡像の模式図を示す。ガラスマトリックス１４中にＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系非晶質合金１５の微粒子からなるものである。この図のように、非晶質合金と酸化物薄膜は、お互い均一混合せず、非晶質合金１５がガラスマトリックス１４中で微粒子を構成し、該マトリックス中に分散している様子が観察された。
【００５７】
このことから、これらの薄膜は金属微粒子をガラスマトリックス中に分散したグラニュラー構造を有していることが分かった。また、分散された金属粒子内は図８に示したような１ｎｍ以下程度の非常に微細な粒子から構成されていた。
【００５８】
表２試料Ｎｏ.１９〜２３に、その他の薄膜について同様な検討を行った結果について示す。
【００５９】
本実施例では、Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒの結晶性金属薄膜及びＣｏＯ，Ｃｏ3Ｏ4のコバルト酸化物薄膜について検討を行った。Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒのような結晶性金属薄膜では、レーザーの波長や強度を変化させても屈折率は殆ど変化せず、その変化量は０.００１程度と非晶質金属系薄膜に対して１／１００程度の変化量であった。また、ＣｏＯ薄膜においてもその変化量は小さく、０.００１程度であった。Ｃｏ3Ｏ4薄膜では０.０９〜０.１程度の変化量が得られたが、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系薄膜と比較するとその変化量は小さかった。
【００６０】
〔実施例２〕
次に、本発明の非晶質合金薄膜の組成範囲を検討した。表３にその合金薄膜試料の実施例を示す。
【００６１】
【表３】
0003836722.tif 000004
表３において、合金組成はターゲット組成であり、ｍｏｌ比で示している。また、これらの薄膜の結晶状態をＸ線回折を用いて評価し、結晶の存在を示すピークが見られた場合は結晶、ブロードなピークのみが観察され結晶が存在していない場合には非晶質と示した。
【００６２】
また、得られた薄膜の磁気特性を振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定した。試料に印加する磁界に対して試料の磁化曲線がヒステリシスカーブを描く場合、強磁性体であることが分かる。このような試料には強磁性と記した。また、印加する磁界に対して試料の磁化が線形に変化する場合を常磁性と記した。
【００６３】
さらにこれらの試料に波長６５０ｎｍのレーザー光を照射し、その反射率を求めた。印加するレーザー強度は０.１ｍＷと弱い光を照射した。この時の反射光量を光検出器によって求め、入射光強度との比を反射率とした。
【００６４】
まず、試料Ｎｏ.２４〜２７のＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金、及び試料Ｎｏ.２８〜３２のＣｏ及びＮｉ濃度を変化させた。Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金について見ると、Ｃｏ含有量が０.３８のＮｏ.２３では、明瞭な結晶化のピークが認められ、結晶質であることが分かった。このとき磁性は常磁性であったが、反射率が８３％と低く、光ディスク，光スイッチなどのデバイスに適用する際に信号の損失が大きくなるため好ましくなかった。
【００６５】
一方、Ｃｏ含有量が０.７５である試料Ｎｏ.２７の試料では、非晶質ではあるが、Ｃｏ含有量が多いため磁化曲線がヒステリシスとなり、強磁性体であることが分かった。このとき、この磁化による光カー効果のため、反射光が偏光となり、これに伴って反射光量が低下し、その値は８２％となった。Ｃｏ含有量が０.４０〜０.７０の試料Ｎｏ.２４〜２６では反射率がいずれも９０％以上であり、良好な結果となった。
【００６６】
これと同様に、試料Ｎｏ.２８〜３２のＮｉ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金についても、Ｎｉ含有量が０.４〜０.７の場合では反射率が９０％以上で良好な結果が得られたが、Ｎｉ含有量が０.４未満並びに０.７を超える場合には結晶化及び強磁性化の影響により反射率が９０％未満であった。
【００６７】
以上より、Ｃｏ及びＮｉ含有量は０.４〜０.７であることが好ましい。Ｃｏ、Ｎｉ含有量が０.４未満であると膜が結晶化し、反射率が低下するため好ましくなかった。一方、０.７を超えると磁気特性が強磁性体となるため、同様に反射率が低下し、良好とは云えなかった。
【００６８】
次に、試料Ｎｏ.３３〜３６を作製してＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金におけるＣｒ濃度について検討した。Ｃｒ濃度が０.１５のＮｏ.３３の試料では、強磁性体であり、このとき反射率が８４％と低かった。また、Ｃｒ濃度が０.５５の試料Ｎｏ.３６では、Ｘ線回折において明瞭な結晶化のピークが観察された。このとき反射率が８１％と低く好ましくなかった。また、Ｃｒ濃度が０.２０，０.５０の試料では非晶質であり、常磁性体であった。このとき反射率は９０％以上となり、良好な結果が得られた。
【００６９】
次に、このＣｒをＶ，Ｍｎに置換して同様の検討を行った（試料Ｎｏ.３７〜４６）。このとき、Ｃｒの場合と同様にＶ，Ｍｎ含有量が０.２０〜０.５０では結晶化や強磁性体化が見られず、良好な反射率の合金薄膜が得られた。またこれらの含有量が０.２０未満では結晶が析出し、０.５０を超える場合には強磁性体となるために反射率が９０％未満となり、良好な結果が得られなかった。
【００７０】
以上より、Ｃｒ，Ｖ，Ｍｎにおいてはその含有量が０.２〜０.５０であることが好ましかった。これらの含有量が０.２０未満であると結晶化が生じ、反射率が低下するため好ましくなかった。また、０.５０を超えると強磁性体化によって反射率が低下するため好ましくなかった。
【００７１】
さらに、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金のＺｒ濃度を変化させて検討を行った。Ｚｒ濃度が０.０３のＮｏ.４７の試料及びＺｒ濃度が０.２２のＮｏ.５１の試料では、いずれも結晶の析出が認められ、同時に反射率が低く良好でなかった。Ｚｒ含有量が０.０４〜０.２０のＮｏ.４８〜５０の試料は非晶質であり、また常磁性体であった。またこのとき反射率も高く、良好であった。
【００７２】
同様にＺｒをＴｉ，Ｈｆに変えてその濃度を検討したところ、Ｚｒと同じ組成範囲で結晶化しない良好な組成範囲が存在していた。
【００７３】
以上よりＺｒ，Ｔｉ，Ｈｆの濃度は０.０４〜０.２０であることが好ましかった。これらの濃度が０.０４未満または０.２０を超えると、結晶が析出し、それに伴って反射率が低下するため好ましくなかった。
【００７４】
さらに、Ｎｉ−Ｔａ二元系非晶質合金についても同様な組成範囲の検討を行った。Ｔａの含有量が０.２８の試料Ｎｏ.６２では強磁性体化しており、さらにＴａ含有量が０.６２の試料Ｎｏ.６６では結晶化したため、反射率が低下していた。Ｔａ含有量が０.３０〜０.６０の試料Ｎｏ.６３〜６５では、このような結晶化、強磁性体化が見られず、高い反射率が得られた。以上よりＴａ含有量は０.３０〜０.６０であることが好ましかった。
【００７５】
〔実施例３〕
図１に、本発明のＲＯＭディスクの模式断面図を示す。図１において１は本発明の非線形光学薄膜からなる反射膜、２は基板、１６はＳｉＯ2保護膜、１７は情報をもって書き込まれたピットである。
【００７６】
基板２はポリカーボネート，ポリオレフィン，ガラスなどが、仕様に応じて用いられるが、本実施例ではポリカーボネート基板を用いた。また、図に示すようなランドグルーブ構造によりトラッキングがなされており、いずれのトラックにも情報が書き込まれている。以下、本発明の非線形光学薄膜１からなる反射膜を超解像反射膜と呼ぶ。
【００７７】
ＲＯＭディスクは以下の工程によって作製した。まず、フォトレジスト上にレーザーを用いて情報を持ったピットパターンを形成した。その後、Ｎｉ金型にピットパターンを複写し、この金型にポリカーボネートを射出成形することによって基板を形成した。この基板上にＳｉＯ2保護膜１６を膜厚１４０ｎｍに形成した後、超解像反射膜１を膜厚１００ｎｍ形成した。基板２の厚さは０.６ｍｍであり、本実施例では成膜した２枚の基板を、反射膜を背にして紫外線硬化樹脂を用いて貼り合わせ、１.２ｍｍ厚のＲＯＭディスクを得た。超解像反射膜１の膜厚は１００ｎｍとした。
【００７８】
本実施例では、超解像反射膜１の組成を変化させて、それぞれにおける超解像特性を評価した。また、反射膜１としてＡｌを形成したＲＯＭディスクを作製し、比較例とした。
【００７９】
図１０は、本実施例で使用した光情報記録再生装置の構成を示すブロック図である。光記憶媒体としての光ディスクの種類を判別する媒体判別手段を有している。光ディスクは、モータ回路制御手段により制御されるモータの回転軸に、直接または間接に接続された回転機構に一時的に固定される。ピックアップ内の光源であるレーザーと反射光を検知する検知部により、光ディスクの情報を光信号として読み取る。また、ピックアップ内の光源により、光ディスクに情報を記録する。
【００８０】
光信号はプリアンプ，読出し信号処理手段，アドレス読取手段，クロック同期信号読取り手段を経て、再生信号復調手段を介し、再生データ送出手段により、装置外へ出力される。再生データは、表示装置やスピーカ等の所定の出力手段により出力されるか、または、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置によりデータ処理が行われる。
【００８１】
本実施例では、通常の記録再生に用いられる回路系のほか、任意のレーザー波長を選択可能なレーザー選択手段を設けた。レーザー選択手段の出力に基づき、レーザーパワー制御情報解析手段の解析に基づいて、ピークパワー決定手段にて使用されるビークパワーが決定される。また、同様に読み出しパワー決定手段にて読み出しパワーが決定される。
【００８２】
ピークパワー決定手段の出力がパワー比決定手段を介し、記録パワーＤＣアンプと消去パワーＤＣアンプを経由してレーザドライバに入力され、ピックアップ内の光源を制御する。同様に読み出しパワーＤＣアンプを介して読み出しパワー決定手段の出力はレーザドライバに入力され、ピックアップ内の光源を制御する。また、実際のレーザーとしては６５０ｎｍ、４０５ｎｍの半導体レーザーを搭載した。
【００８３】
波長により焦点や焦点深度が異なるため、レーザー選択に伴いオートフォーカシング機構が可能な構造とした。さらに、ディスクに超解像膜が搭載され、トラッキング幅が細くなるのに対応して、トラッキング誤差検出手段に高密度記録用のものを別に設け、媒体に合せたトラッキングができるようにした。また、媒体の反射率差を利用して媒体の種別判別機構を設け、これにより媒体種の違いに合せてオートでトラッキングできるように設計した。
【００８４】
データ記録の際は、記録データ受入手段から記録データが入力され、記録データ変調手段でデータ変調され、記録タイミング補正手段を介してレーザドライバに入力され、ピックアップ内の光源を制御する。
【００８５】
図１０のような構成とすることにより、波長の異なる光記録媒体をコンパチブルに使用できるだけでなく、大容量化などにより記録容量の異なるディスクを一台の装置で取り扱うことが可能となる。なお、光情報再生記録装置は、その目的，用途により、適宜その構成に変更を加えて使用しても良い。
【００８６】
まず、作製したＲＯＭ型の光ディスクの超解像反射膜の反射率とＣ／Ｎ比の関係について検討した。
【００８７】
Ｃ／Ｎ比は、０.５０μｍのマーク長の記録ピットを形成し、その記録されている部分と記録されていない部分の反射率の差（キャリア：Ｃ）と電気的なノイズやレーザー，受光器などに起因するノイズ（Ｎ）との比をもってＣ／Ｎ比とした。
【００８８】
超解像反射膜として、表３に示した試料Ｎｏ.２４〜２８の反射膜を用い、その反射率に対するＣ／Ｎ比の変化を調べた。表４及び図１１に、反射膜に対する反射率とＣ／Ｎ比の関係について示す。膜厚はいずれも１００ｎｍとした。
【００８９】
【表４】
0003836722.tif 000005
反射率とＣ／Ｎ比を図１１のようにプロットすると、５０ｄＢ以上の優れたＣ／Ｎ比が得られるのは反射率が８７％以上の場合であることが分かった。超解像反射膜の反射率が８７％以上では高いＣ／Ｎ比が得られ、Ｃ／Ｎ比はほぼ一定であった。反射率が８７％を下回ると薄膜が信号光を吸収し、Ｃ／Ｎ比は５０ｄＢを下回る。このことから、超解像膜を反射膜として使用する超解像反射膜の反射率は８７％以上であることが好ましい。
【００９０】
さらに、この超解像反射膜の膜厚と反射率の関係について調べた。表５及び図１２に、超解像反射膜の膜厚と反射率及び透過率の関係について示す。本実施例では超解像反射膜として表３の試料Ｎｏ.２５のものを用いた。用いたレーザー光の波長は６５０ｎｍ，強度は０.１ｍＷであり、ディスク回転の線速度は７ｍ／秒とした。
【００９１】
【表５】
0003836722.tif 000006
膜厚が１００ｎｍ程度と厚い場合には、薄膜の透過率は検出限界以下であり０と判断できた。膜厚が５０ｎｍ程度になると透過率が上昇し、４０ｎｍで９％，２０ｎｍで１５％程度の透過率となった。これに応じて反射率も低下し、４０ｎｍで８１％，２０ｎｍで７５％となった。
【００９２】
図１２に示す曲線より、先の検討で良好なＣ／Ｎが得られる８７％の反射率が得られる膜厚は、５０ｎｍであることが分かった。また反射率と透過率の和はいずれも９０％程度となっていることから、残りの１０％は乱反射成分か、膜の吸収によるものと考えられる。従って、超解像反射膜の膜厚が５０ｎｍ以上であれば透過光成分がなく、光を高効率で反射できるため好ましかった。しかし、５０ｎｍを下回ると反射率が８７％を下回るため、Ｃ／Ｎの低下を引き起こすので好ましくない。
【００９３】
一方、図１２より、膜厚を１００ｎｍより厚くしても、得られる反射率はこれ以上向上しない。従って、これより膜厚を増加させることは、プロセス時間が長くなりコストの増加を招くため好ましくない。以上より、超解像反射膜の膜厚は５０〜１００ｎｍが好ましい。
【００９４】
次に、作製した超解像反射膜の組成及び読み出しパワーを１，２，３及び４ｍＷとしたときの低周波成分（２ＭＨｚ）と高周波成分（１０ＭＨｚ）の再生出力特性を表６に示す。また、この表より判断される超解像効果の有無を示す。
【００９５】
ここで、超解像効果とは、光の波長によって定まる回折限界以下の記録ビットを高出力で読み出すことができる現象を云う。読み出しに用いたレーザー光は、波長４０５ｎｍの半導体レーザーである。
【００９６】
【表６】
0003836722.tif 000007
再生出力特性の周波数依存性はスペクトラムアナライザーにより解析した。図１３に、スペクトラムアナライザーによる再生出力特性の測定例を示す。図１３では実施例１のディスクと比較例１４のディスクにおける再生出力特性であり、実施例１で形成した超解像反射膜は、表１中のＮｏ.３の膜である。比較例で形成した反射膜はＡｌである。再生レーザーパワーは共に１ｍＷである。
【００９７】
超解像反射膜として実施例Ｎｏ.１の膜を形成した場合、比較例の場合に比べてより高周波成分まで出力レベルが高いことが分かった。ＲＯＭディスク上では信号の高周波数成分は、より緻密なビットパターンで描かれることから、超解像膜を形成した場合には、より微細なピットパターンまで読み取って再生出力していることを示している。このことから、Ｎｏ.４の超解像膜を形成した場合には、超解像効果が得られている。この現象は、超解像反射膜がレーザー照射時のみ屈折率が変化することによって生じる。
【００９８】
この屈折率変化による超解像効果について、図１４，１５を用いて詳細に説明する。図１４，１５において１７は記録ビット、１８はレーザービームである。図１４は、超解像反射膜を有さない場合、図１５は超解像反射膜を有するときの再生時の記録ビットパターンとレーザー反射光の反射光量を示す図である。
【００９９】
トラックに対して、レーザーが図中の矢印方向に進行する。図１４のように、超解像反射膜を有さない場合、全てのレーザー照射領域で等しい反射率となるため、全ての領域から反射光が戻る。従って、このレーザーの全領域の情報が一度に受光されるため、ビット部分とビット以外の部分の全ての反射光の平均となり、ビットのみからの情報が少なくなる。このため、ビット部分とビット以外の部分の反射率差が小さくなり、ＳＮ比の悪い再生信号となる。
【０１００】
次に、図１５のような超解像再生について考える。レーザー照射により超解像反射膜の屈折率が変化するため、レーザー照射領域の前方（図中Ｂ）は、レーザー照射されてからの時間経過が短いため、屈折率が変化していない領域となる。
【０１０１】
一方、レーザー照射領域の後方（図中Ａ）では、レーザーが照射されてから時間経過が長いため、屈折率が変化している領域である。反射膜，保護膜などの屈折率，膜厚などの光学設計により、ある屈折率状態では光の反射率を極端に小さくし、従ってマスク領域を作ることが可能である。今、反射膜の屈折率が変化しない状態で反射率を小さくした場合を考え、領域Ｂからは光が反射されない状態を生じさせる。
【０１０２】
このような状態のとき、反射膜の屈折率が変化すると上記の光学設計から外れるため、反射率が上昇する。つまり、反射膜の屈折率が変化した部分（領域Ａ）のみから光が反射される状態となる。このような状態のとき、図１４の通常の再生に比べて反射光が戻ってくる領域が狭いため、ビットからの信号光とビット以外からの信号光をＳＮ良く、高コントラストで読み出すことができる。
【０１０３】
即ち、超解像反射膜のレーザー照射による屈折率変化により、超解像効果が生じる。この結果、図１３に示したような微細ピットの再生が可能になる。
【０１０４】
表６中の超解像効果の判断は、図１３のようなスペクトルから、各再生出力における２ＭＨｚと１０ＭＨｚにおける出力を読み取り、レーザー光強度２ｍＷで、高周波信号である１０ＭＨｚにおける出力が２０ｄＢ以上の場合を◎、１３ｄＢ以上２０ｄＢ未満の場合を○、８ｄＢ以上１３ｄＢ未満を△とし、超解像効果があったものと判定した。また８ｄＢ未満の場合を×とし、超解像効果が得られなかったと判断した。また表１、２で検討した各反射膜の４０５ｎｍにおける屈折率変化率｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0も併記した。
【０１０５】
実施例Ｎｏ.１，３のＣｏ0.6Ｃｒ0.3Ｚｒ0.1、Ｃｏ0.6Ｃｒ0.3Ｈｆ0.1反射膜では、２ｍＷ，１０ＭＨｚの出力が２０ｄＢ以上となり、超解像効果は◎であった。屈折率変化率を見るとこの両者は０.４以上であり、このとき良好な超解像効果が得られることが分かった。
【０１０６】
また実施例Ｎｏ.２及びＮｏ.４〜１１では、２ｍＷにおける１０ＭＨｚの出力が１３ｄＢ以上，２０ｄＢ未満であり、超解像効果は○であった。これらの屈折率変化率は０.２以上〜０.４未満であり、この範囲の場合超解像効果が○であることが分かった。
【０１０７】
一方、比較例Ｎｏ.１４では、２ＭＨｚでは高い出力が得られたが、１０ＭＨｚでは出力は弱く、超解像効果は認められなかった。また比較例１２，１３では、２ＭＨｚにおける信号も微弱であり、超解像効果が生じているかどうかの判断ができなかった。これは、これらの膜がガラス成分を多く含有しているため透過性が上昇し、逆に反射率が低くなり、反射膜として機能していないためであった。
【０１０８】
そこで、比較例１２，１３の膜のさらに裏面にＡｌ反射膜を形成し、図１６に示すような構成としてディスクを作製し、超解像効果を検討した。図１６において、１は非線形光学薄膜、２は基板、１６はＳｉＯ2保護膜、１７は記録ビット、１９はＡｌ反射膜である。この構成で作製したディスクを表６と同様にして検討した結果を表７に示す。
【０１０９】
【表７】
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これらの実施例では表６の場合と異なり、反射膜を設けたことによって２ＭＨｚの低周波成分の反射率は改善され、４０ｄＢ程度の出力が得られた。また、１０ＭＨｚの高周波成分の出力も８ｄＢ以上と大きく、超解像効果の判定は△となった。
【０１１０】
以上より、本発明の非線形光学非晶質合金薄膜を反射膜とし、もしくは非晶質合金と酸化物ガラスとの混合物の薄膜においてはこの膜の裏面にさらに反射膜を形成してＲＯＭディスクを作成した。その結果、この反射膜の屈折率変化率｜ｎ1−ｎ0｜／ｎ0が０.１以上であれば高周波成分の出力が高く、良好な超解像効果が得られた。さらに好ましくは、屈折率変化率が０.２以上であると、さらに高い出力が得られ、また、０.４以上であると非常に良好な超解像効果が得られた。
【０１１１】
上記の結果より、本発明の超解像膜を有するＲＯＭディスクのような光情報記録媒体は、微細な記録ビットを感度よく読みとることが可能となる。
【０１１２】
〔実施例４〕
次に、前記で検討した非線形光学薄膜を超解像反射膜として形成したＲＡＭディスクを作製し、その特性を評価した。図１７は、本実施例で作製したＲＡＭディスクの模式断面図である。図１７において、１は超解像反射膜，２はポリカーボネート基板，２０は記録膜，１６はＳｉＯ2保護膜，１７は記録膜上に形成された記録ビットである。
【０１１３】
本発明では、ポリカーボネート基板２としてランド−グルーブ構造を有する厚さ０.６ｍｍ×直径１２０ｍｍの円盤形状のものを用いた。その上面にＺｎＳ−ＳｉＯ2保護膜１６をスパッタリング法で８０ｎｍ成膜した。その後、記録膜２０としてＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系相変化膜（記録膜）を同じくスパッタリング法で２０ｎｍ成膜した。さらに保護膜１６を約９０ｎｍ形成後、本発明の超解像反射膜１を１００ｎｍ成膜した。
【０１１４】
保護膜の厚さを制御することにより、情報記録媒体全体の反射率を調整することができる。ＲＯＭディスクの場合と同様、この膜を形成した基板を２枚貼り合わせることによって所望のＲＡＭディスクを得た。
【０１１５】
本実施例では、超解像反射膜１として表１のＮｏ.３の薄膜を用いた。また、比較例として、Ａｌ反射膜を形成したＲＡＭディスクを作製した。
【０１１６】
図１８に、等間隔，等形状の記録ビットを作製したＲＡＭディスクの記録ビットの長さ（マーク長）に対する再生出力強度を示す。読み出しのレーザー波長は４０５ｎｍとし、レーザーパワーは２ｍＷとした。記録再生は１〜２ｍＷ，情報記録は約２０ｍＷで行った。
【０１１７】
再生出力は、Ｎｏ.３の超解像反射膜を形成した実施例の方が、Ａｌ反射膜を形成した比較例に比べて短いマーク長に対し高くなっていることが分かった。このことから、超解像膜を形成した場合、より短いマーク長に対して再生可能であることが分かった。このことから、ＲＡＭディスクに対しても超解像効果を確認することができた。
【０１１８】
なお、表１中の全ての超解像反射膜を検討したところ、上記と同様の超解像効果が確認できた。さらに、表２中のＮｏ.１１，１２，１５，１６，１７の各薄膜を超解像反射膜として用いた場合にも、同様に高い超解像効果を確認できた。また、表２中の１８，１９，２０に示した各金属薄膜では、超解像効果を確認できなかった。
【０１１９】
また、表２中のＮｏ.１３，１４，２０，２１のような消衰係数の小さい透明性の高い薄膜について、実施例２のＲＯＭディスクで行った検討と同様に、さらにＡｌ反射膜を設けてＲＡＭディスクを作製し、これらの膜の超解像効果について検討した。
【０１２０】
図１９は、作成したＲＡＭディスクの模式断面図で、１は非線形光学薄膜，２はポリカーボネート基板，２０は記録膜，１６はＳｉＯ2保護膜，１７は記録膜上に形成された記録ビット、そして、１９はＡｌ反射膜である。
【０１２１】
本実施例では、ポリカーボネート基板２として、ランド−グルーブ構造を有する厚さ０.６ｍｍ×直径１２０ｍｍの円盤形状のものを用いた。その上面に非線形光学薄膜１をスパッタリングで５０ｎｍ形成後、ＺｎＳ−ＳｉＯ2保護膜１６をスパッタリング法で８０ｎｍ成膜した。次いで、記録膜２０としてＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ系相変化膜（記録膜）を同じくスパッタリング法で２０ｎｍ成膜した。さらに保護膜１６を約９０ｎｍ形成後、Ａｌ反射膜１９を１００ｎｍ成膜した。これまでの検討と同様に、この膜を形成した基板を２枚貼り合わせることによって所望のＲＡＭディスクを得た。
【０１２２】
得られたＲＡＭディスクに１３ｍＷのレーザー光を全トラックに照射し、ディスク全面の相変化記録膜を結晶化させた。この状態が情報が書き込まれていない状態である。ここに情報を持った信号に合せたレーザーパルス光を照射することにより、情報を書き込む。情報の書き込みは情報に合せて時間変調された２０ｍＷのパルス光を照射することで行った。
【０１２３】
この２０ｍＷのパルス光が照射された部位では、相変化記録膜がレーザーによって急速に加熱され、レーザーが除かれることによって急冷されるため非晶質化する。もとの結晶化した部分と非晶質化した部分の反射率の違いを利用して情報を記録している。
【０１２４】
さらに非晶質化した部分にも、再度１３ｍＷ程度のレーザーを照射することで情報を消去することができる。さらに、この１３ｍＷの光を照射した直後に新たに２０ｍＷのパルスレーザーを照射することによって、新たな情報を書き込むことが可能である。書き込まれた情報は１〜２ｍＷ程度の弱いレーザー光によって、その反射率の違いを読み取る。
【０１２５】
これらの膜の超解像効果について、図１８に示したものと同様の方法で超解像効果を調べた。その結果を図２０に示す。なお、比較例として、非線形光学薄膜１を形成しない場合についても示す。超解像膜を形成しない比較例では、図１８に示す結果と同様、小さいマーク長のビットに対してＣ／Ｎが小さかった。また、非線形光学薄膜として、Ｎｏ.２１のＣｏＯ膜を用いた場合にも、その屈折率変化率が小さいため、ほとんど超解像効果は見られなかった。
【０１２６】
一方、Ｎｏ.１３，１４，２２の薄膜を用いた場合には、小さいマーク長に対しても高いＣ／Ｎが得られ、超解像効果が見られた。なお、屈折率変化率の大きい薄膜を用いた場合ほど、大きな超解像効果が得られる。
【０１２７】
しかし、図１８の場合と比較すると、これらの膜の屈折率変化率が小さいため、０.１μｍ程度の小さいマーク長に対するＣ／Ｎは、図１８の超解像反射膜を用いた場合に比べて小さかった。
【０１２８】
上記の検討により、本発明の超解像膜は微細な情報記録及び読み取りを可能とすることができた。また、屈折率変化率と超解像効果は相関を有するため、従来と同等の記録密度を読み取る超解像膜では、レーザー光強度を弱くし、省エネルギーにすることができる。
【０１２９】
〔実施例５〕
次に、繰り返し再生に対する膜の劣化を検討した。評価は、図１７に示すＲＡＭディスクに繰り返し再生信号光を照射し、再生出力を検出することによって行った。レーザー波長は４０５ｎｍ、レーザーパワーは２ｍＷとした。記録マークのマーク長は０.２μｍとした。超解像反射膜として、Ｎｏ.３の膜を用いた。さらに、比較例として、フタロシアニン系有機膜を選び、同様な検討を行った。
【０１３０】
図２１は、繰り返し回数に対する出力の関係を示すグラフである。有機材料系膜を形成したディスクでは、１０,０００回弱の繰り返し回数から徐々に出力が低下してくることが分かった。
【０１３１】
一方、本発明のガラス膜を形成したディスクでは、１００,０００回の繰り返しによってもほとんど出力の低下は見られなかった。
【０１３２】
以上のように、本発明の光ディスクは、繰り返しの再生によっても超解像効果が保持されることが分かった。
【０１３３】
また、ガラス膜として表１，表２中の他の非線形光学薄膜を用いた場合でも、繰り返し再生に対して高い安定性を得ることができた。上記の繰り返し再生に対する安定性は、超解像膜が合金で形成されていることに理由の一部が存在すると思われる。従って、ＲＡＭディスクに限らず、本発明の超解像膜を適用した情報記録媒体は、全て、繰り返し再生に対して耐性を有する。
【０１３４】
次に、本発明の超解像反射膜を用いた場合の応答速度を検討した。図１７に示すＲＡＭディスクを作成した。マーク長は０.２μｍで一定とした。読み出しのパワーは２ｍＷで一定とし、回転の線速度を変化させた。また、超解像反射膜としてＮｏ.３の膜を用いた。
【０１３５】
表８及び図２２に、回転の線速度に対するＣ／Ｎ比を示す。
【０１３６】
【表８】
0003836722.tif 000009
本実施例の超解像反射膜を用いた場合、２０ｍ／秒程度では超解像効果が得られ、高いＣ／Ｎが得られていることが分かる。しかし、２０ｍ／秒を超えるとＣ／Ｎが低下することが分かる。
【０１３７】
これは、ディスクスピードが上昇するため、超解像膜の屈折率変化が追随できず、記録部分と記録されていない部分の反射率差が、十分得られなかったためと考えられる。
【０１３８】
以上より、本発明の超解像反射膜を用いた場合、ディスク回転速度が２０ｍ／秒以下であれば十分に高いＣ／Ｎが得られ、従来よりも高速に情報を読み取ることが可能となった。但し、２０ｍ／秒を超えると屈折率変化が追随できなくなるため屈折率変化量が小さくなり、十分な超解像効果を得ることが難しかった。
【０１３９】
〔実施例６〕
次に、本発明の非線形光学薄膜を搭載した光スイッチ素子を作製した。図２３に作製した光スイッチ素子の概略図を示す。図２３において１０１は非線形光学薄膜，１０３は透過率調整膜，１０２はそれらを支持する基板である。
【０１４０】
本実施例では、非線形光学薄膜１０１として表１のＮｏ.３のＣｏ−Ｃｒ−Ｚｒ系薄膜を用いた。この薄膜は、０.１ＧＷ／ｍ2の屈折率は２.３であるが、５ＧＷ／ｍ2の強いレーザー光を照射した場合には３.６程度となる。透過率調整膜１０３として、屈折率が２.６のＴｉＯ2薄膜を用いた。このＴｉＯ2薄膜は非線形光学薄膜１０１と同様に、ｒｆスパッタリングを用いて行った。ターゲットサイズ，成膜条件なども非線形光学薄膜１０１と同様とした。
【０１４１】
この光スイッチ素子を駆動するため、膜面に垂直方向から励起光１１１を照射し、励起光をＯｎ，Ｏｆｆさせたときの測定光１１０の反射率を計測した。測定光１１０は、膜面から４５°の方向から照射した。測定光１１０は光源１０４から出射され、コリメーションレンズ１０５を通過して集光レンズ１０６に入り、絞られて膜面に照射される。また、反射光はコリメーションレンズ１０７，集光レンズ１０８を通過して受光器１０９に入る。
【０１４２】
励起光レーザーは６５０ｎｍの半導体レーザーを用いた。試料への照射領域は１.５μｍφとした。レーザー強度は５ＧＷ／ｍ2とした。また測定光波長は１５５０ｎｍとし、励起光が照射されている領域内に１.０μｍφの光を反射させた。
【０１４３】
励起光１１１を照射しない場合、透過率調整膜のＴｉＯ2の屈折率が２.６、非線形光学薄膜の屈折率が２.３であり、この条件で反射率が最大となるように透過率調整膜の膜厚を１００ｎｍと設定した。
【０１４４】
この条件で５ＧＷ／ｍ2の励起レーザー光を照射したところ、非線形光学薄膜の屈折率が３.６と大きくなり、光学的な反射条件が崩れ、測定光の反射光量がほぼ０となった。このレーザー照射を停止すると、また屈折率が２.３に戻り、反射光量が増加した。
【０１４５】
以上から、この光スイッチ素子を用いることによって、励起レーザー光のＯＮ，ＯＦＦによって、測定光をＯＮ，ＯＦＦできることが分かった。
【０１４６】
次に、Ｙ分岐光回路中にこの光スイッチ素子を挿入し、光スイッチを作製した。作製した光スイッチの構造を図２４に示す。図２４において１１１は励起光，１１２は光路，１１３は図２３に示す光スイッチ素子である。この図のように同一の光スイッチを複数個搭載し、光を出射しない位置に該当する光スイッチ素子部に励起光１１１を印加することにより、光を遮断する光スイッチが構成される。どの出射部位を特定するかの信号により励起レーザー１１１を発光させることで、任意の位置に任意の時間、光をＯＮ，ＯＦＦすることが可能であった。
【０１４７】
また、この光スイッチの応答速度について調べた。応答速度は１ｎｓのパルス光を所定の時間間隔で信号光として光スイッチに照射し、その時間間隔を短くして行き、スイッチング可能な時間を計測した。パルス間の時間間隔を５ｎｓとしてもスイッチングが可能であった。従って、本実施例の光スイッチは５ｎｓ以下の屈折率変化の応答速度を有し、屈折率変化と同程度の短時間で屈折率が回復することが分かった。
【０１４８】
さらに図２４に示した光スイッチをアレイ状に設置し、大規模なマトリクス状の光スイッチを作製することができた。マトリクス状の光スイッチは、屈折率変化率の大きい薄膜を用いる光スイッチ素子を適用することで、全体のエネルギー消費量を抑えることができる。また、光スイッチのスイッチング時間を短縮することができる。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明によれば、本発明の非線形光学薄膜を用いることにより記録密度の高い情報記録媒体を得ることができる。
【０１５０】
また、本発明の非線形光学薄膜を用いることによりエネルギー消費量の少ない光スイッチを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のＲＯＭディスクの模式断面図である。
【図２】本発明の非線形光学薄膜の光学評価用試料の断面図である。
【図３】本発明の非線形光学薄膜の評価光学系の模式図である。
【図４】図３の評価光学系から得られたパルス光照射による屈折率の時間変化を示すグラフである。
【図５】図４の屈折率のレーザーパルス強度に対する屈折率の関係を示すグラフである。
【図６】レーザーパルス強度に対する屈折率の関係を示すグラフである。
【図７】非晶質合金に含有されるＳｉＯ2の含有率と屈折率変化率との関係を示すグラフである。
【図８】非晶質合金の透過型顕微鏡像の模式図である。
【図９】非晶質合金と酸化物ガラス成分の混合薄膜の透過型顕微鏡像の模式図である。
【図１０】本発明の光ディスク再生装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の光ディスクの超解像反射膜の反射率に対するＣ／Ｎ比を示すグラフである。
【図１２】本発明の超解像反射膜の膜厚に対する透過率，反射率の変化を示すグラフである。
【図１３】本発明の超解像薄膜を形成したディスクと通常の反射膜を形成したディスクの再生周波数特性を示すグラフである。
【図１４】通常のレーザーによる再生原理を示す模式図である。
【図１５】超解像反射膜を形成した場合の再生原理を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施例のＲＯＭディスクの模式断面図である。
【図１７】本発明の実施例のＲＡＭディスクの模式断面図である。
【図１８】超解像反射膜形成の有無とマーク長に対するＣ／Ｎ比を示すグラフである。
【図１９】本発明の実施例のＲＡＭディスクの模式断面図である。
【図２０】超解像反射膜形成の有無とマーク長に対するＣ／Ｎ比を示すグラフである。
【図２１】本発明の光ディスクの繰返し再生動作回数に対するＣ／Ｎ比の劣化を示すグラフである。
【図２２】本発明の超解像反射膜を搭載した光ディスクの線速度に対するＣ／Ｎ比の変化を示すグラフである。
【図２３】本発明の光スイッチ素子の模式図である。
【図２４】本発明の光スイッチの模式図である。
【符号の説明】
１…非線形光学薄膜または超解像反射膜、２…基板、３…パルス発生器、４…光源、５…偏光子、６…入射光、７…反射光、８…検光子、９…フィルター、１０…受光器、１１…デジタルオシロスコープ、１２…制御用コンピューター、１３…焦点レンズ、１４…ガラスマトリックス、１５…非晶質合金微粒子、１６…保護膜、１７…記録ビット、１８…レーザー光、１９…反射膜、２０…記録膜、１０１…非線形光学薄膜、１０２…基板、１０３…透過率調整膜、１０４…光源、１０５，１０７…コリメーションレンズ、１０６，１０８…集光レンズ、１０９…受光器、１１０…測定光、１１１…励起光、１１２…光路、１１３…光スイッチ素子。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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