光驱动器(optical drive)通常包括一个或更多个其上形成有数据存储介质 层的可旋转数据存储盘，并且小区域形式的数据-称为数据位-由记录头写 在所述盘的介质层上。光学记录基本上是热过程，其中热能借助于小的聚焦 光点光学地传递给介质。点(spot)的大小通常决定位的大小，并且实现更高 数据面记录密度之路是产生更小的点尺寸。光记录技术在下面进行了概述， 并且在许多参考资料，如1985年Adam Hi1ger Ltd.出版的“Principles of Optical Disc Systems”(作者为G.Bouwhuis，J.Braat，A.Juijser，J.Pasman，G.Van Rosmalen和K.Schouhamer Immink)中进行了描述。
为了便于理解，在图1中示出了常用的现有技术的光驱动器的示意图。 如其中所示的，光驱动器10包括通过光头在其上写入数据的旋转介质盘14。 该光头包括两个部分，一个是包括激光器和其它组件的固定头部分18，而另 一个是一般包括激光束导向反射镜26和光束聚焦透镜30的可移动头部分 22。在一般的光驱动器10中，可移动头22设置在线性致动器上并且相对于 旋转盘径向移动。激光束被从固定头18导引向移动头22的反射镜26，通过 聚焦透镜30到达介质上而形成点。对于传统的光学系统，点大小直接与激 光波长成正比而与聚焦透镜30的数值孔径(NA)成反比。这是两个主要的 变量，对这两个变量进行改变以减少点大小从而实现较高数据面记录密度。
存在两种主要的可重写光记录技术：相变技术和磁光技术。在相变技术 中，局部熔化一般由硫族化物材料构成的盘介质，其后跟有快速冷却，使记 录材料上的被加热的点改变为非晶态。其后跟有慢速冷却过程的熔化使加热 点改变为晶态。设计这两个状态具有不同的反射率从而当读取激光束随后扫 描数据时能够读出记录的信号为反射率的改变。在读取期间，减弱激光功率 从而介质的状态不受影响，即不再被熔化。对于磁光系统，当施加大面积磁 场时使用光束以将介质加热高于它的居里点。仅介质的被加热区域响应外加 磁场并且相应地改变它的磁化状态。使用其偏振被介质的磁化状态稍微改变 的偏振激光进行读出。检测反射光的偏振以产生读回信号。
对于不可重写介质，可以使用不同的技术。例如在一次写入介质中，可 以使用激光点以局部烧蚀介质，因此引起反射率的改变。预先记录的介质(例 如CD和DVD)使用压印在盘表面上的物理凹点来编码数据。本发明原则 上能够用于相变或烧蚀一次写入或磁光介质的写入。
目前现有技术光记录装置的一个主要特征是它能够在距离可移动头22 几毫米处的介质14上聚焦一个小点(大约0.5μm的直径)。这提供了高数 据存储密度而不存在磁记录的头盘界面的问题。然而，对于当前可得到的二 极管激光器该点大小达到了大约0.2μm的衍射极限。为了光学地实现较小 的点，必须采取“超分辨率”技术。本发明基本上是实现了超出衍射极限大 约10倍的超分辨率技术，而大多数超分辨率技术概念提供的比这一技术要 少得多。这一增加分辨率的折衷是装置必须在光学近场中运行，也就是距离 介质大约1到100纳米处运行，从而头-盘间隔是光波长的一小部分而不是 毫米。那么这就要求如正常磁记录中所使用的浮动头。
实现超分辨率的一个方法是迫使光通过小孔(aperture)。这里小孔近场中 的点大小可以由孔大小设定而不是如衍射限制系统(diffraction limited system) 中由光波长限定。然而，亚波长(sub-wavelength)孔的透射随着r4减少，这里 r是孔的半径。因此亚波长孔的透射效率非常差而需要高功率激光器加热介 质。最近的工作已经研究了C孔和其它特别的孔，这些孔比通常的亚波长孔 具有较高的效率。本发明把潜在地包括C孔或者类似装置的亚波长孔与光学 谐振腔相结合，以放大入射在孔上的强度并因此增加从激光源到介质传输光 的总效率。
为了理解光学谐振腔的工作，首先考虑微波频率下的简单圆柱形腔的谐 振是有用的，即腔是中空圆柱。在微波电子学中，密闭式圆柱具有良好定义 的由横磁TMmnp模式和横电TEmnp模式表示的谐振。脚标m、n和p分别指 的是方位角方向、径向方向和纵向方向上的模式数量。对于本发明例子，我 们限定讨论于基模TM010，即在方位角方向上和纵向方向上没有变化。在这 个简单的模式中，TM010的磁场与圆柱同心。另一方面，电场在轴向方向上 并且在圆柱的中心具有最大值。所有它的电场线在两个侧壁之间跨越(span)。
在增加圆柱腔中的电场的努力中，如图2A和图2B所示的凹进(reentrant) 圆柱形谐振腔112被发展用于利用速调管和磁电管的微波功率的产生。这个 腔112简单地是带有同轴柱116的圆柱腔，该同轴柱116比腔的厚度要短。 柱从一个侧壁120延伸并且终止于距相对侧壁124的距离为亚波长d的位置 处。通常是亚波长直径的孔128设置在与柱116的末端相对的侧壁124中。 柱116的存在混合了谐振模式的标号。然而，腔112正常地运行以在基模下 谐振从而电场和磁场是轴对称的。此外，柱末端的电场保持平行于轴并且在 轴处的或者在轴的附近达到峰值。同样，磁场垂直于电场从而它的场线是围 绕轴的同心圆。柱116的存在加强了轴处的电场，因为柱到侧壁间隔d现在 小于圆柱的厚度。通常，d的尺寸越小，沿着轴的轴向电场强度越大。微波 领域的这些实验已经表明的是亚波长尺寸的凹进圆柱腔在垂直于腔的表面 124的方向上能够产生很高强度的电场，在本发明中这一事实被扩展在光学 波长用于近场热学加热。
因为对于谐振腔的任何调整诸如调整柱或者孔，将扰动腔中的简单TE 和TM模式，下面我们把原始的未改变的谐振腔中应该具有TM的模式称为 轴向模式(axial mode)，并且使用平面模式(in-plane mode)来指代未改变的谐 振腔中应该是TE的场。因此对于圆柱形腔，轴向场将意味着电场主要平行 于圆柱的轴定向，而平面场将意味着电场主要垂直于圆柱的轴定向并因此在 空气支撑表面(air bearing surface)的平面内。
使用光学谐振腔用于近场加热的一个重要考虑是将光功率耦合到谐振 腔112中。将光功率耦合到圆柱光学腔的光通信中的公知技术是利用从集成 波导(waveguide)的衰减波(evanescent wave)耦合。作为这样的一个例子， R.W.Boyd等人在Journal of Modem Optics(2003年Vol 50，No.15-17， 2543-2550)的“Nanofabrication of optical structures and devices for photonics and biophotonics”中教导了一个包括耦合到谐振回音廊模式(WGM)腔的 波导的系统。该技术示意性地表示在图2C和图2D中，其中有锥度的平面 波导140设置在圆盘微腔144附近。如果波导140距腔以间隙148设置将能 实现耦合，间隙148是波长的一小部分。在这个装置中腔和波导由相对较高 折射率的材料150如砷化镓构成，材料150被相对较低折射率的材料-在本 例中是空气包围。波导和腔的上表面和下表面同样地与相对较低折射率的材 料诸如AlxGa1-xAs构成的层152相邻，这里x等于0.4。
最近，已经公布了用于热辅助磁记录环境中的介质近场加热的几个热记 录方法的描述。这些方法是在传统的磁记录头中结合了光学加热装置。在已 公布的美国专利申请US2003/0184903 A1和US2004/0008591 A1中，教导了 设置在磁头中的透射特别高的近场孔以应用在垂直记录中。在一个实例中， 将近场孔直接设置在磁头的写入磁极的下行道处，使得近场孔的输入平面平 行于空气支撑表面(ABS)。在已公布的美国专利申请US2004/0001420A1 和US2004/0062503A1中，一个平面波导构建在磁头的写入磁极的下行道侧。 通常，被加热点的大小取决于光波长、孔的尺寸和用于波导/近场孔的材料的 成分。
如同从下面的描述中将要理解的，本发明采用了利用谐振腔对光记录介 质的近场热学加热。所述应用类似于传统的光记录系统。然而，存在关键的 不同，特别是(1)受热的点可以是20nm那样小(与当前利用红色或者近 IR激光的衍射限制的光存储装置中的大约700纳米相比)；(2)因为它限于 近场加热，因此在光头和盘之间不存在聚焦机构；(3)从腔的观点来看，这 个光头的读/写带宽是大约1GHz或者更大，因为用于脉冲输入的在谐振腔中 达到谐振的估计时间范围是几百飞秒。

本发明的记录头实施例包括介质加热装置，该介质加热装置被构建在记 录头结构中以对于热敏光介质盘写入和读取数据。介质加热装置包括产生亚 波长尺寸的高强度近场光束的光能谐振腔，亚波长尺寸的高强度近场光束适 于记录每平方英寸1T比特(1T bits/in2)和更多。光能通过靠近腔设置的波导 耦合进入谐振腔，并且光能通过靠近腔中的波腹设置的孔耦合出腔之外。在 从相变介质读取数据过程中，将光探测器设置在波导的末端处。从波导的末 端发射的光能(optical energy)受到介质数据位的反射率的影响，并且被解释 为二进制数据位信号。
本发明的记录头的一个优势是它包括改进的介质加热元件以利于对光 介质盘的写入和读取数据。
本发明的记录头的另一个优势是它借助于谐振腔和特别设计的耦合机 构提供了光从光源进入介质的高效耦合。
本发明的记录头的另一个优势是它提供了可随着位密度增加超过每平 方英寸1T比特而可缩放比例的受热位点。
本发明的记录头还有另一个优势是它包括利用谐振腔和波导的读取头， 其中探测器提供受从波导输出的光的变化控制的输出信号。
本发明的记录头进一步的优势是它在记录头和盘之间不需要光学聚焦， 而在普通的光记录头中需要光学聚焦。
本发明的记录头更进一步的优势是在介质上写入数据和从介质上读取 数据期间不需要光学折射组件。
本发明的光驱动器的优势是它包括具有改进的介质加热元件的记录头， 由此可以得到光驱动器的较高数据面存储密度。
本发明的光驱动器的另一个优势是它包括具有改进的介质加热元件的 记录头，由此可在具有热敏介质层的数据存储盘上写入。
本发明的光驱动器的另一个优势是它包括记录头，该记录头包括利用谐 振腔和波导的读取头，其中探测器提供受从波导输出的光的变化控制的输出 信号。
本发明的光驱动器还有的另一个优势是它包括具有加热元件的记录头， 借助于谐振腔和特别设计的耦合机构该记录头提供了光从光源进入介质的 高效耦合。
本发明的光驱动器更进一步的优势是它包括具有介质加热元件的记录 头，提供了随着位密度增加超过每平方英寸1T比特而可缩放比例的受热点。
本发明的光驱动器还有的另一个优势是它包括在记录头和盘之间不需 要光学聚焦的记录头，而普通的光记录头需要光学聚焦。
本发明的光驱动器更进一步的优势是它包括在介质上写入数据和从介 质上读取数据期间不需要光学折射组件的记录头。
对于本领域的技术员来说基于阅读下面的参照几个附图所作的详细描 述，本发明的这些和其它特征与优势将无疑是明显的。

下面的附图不是按实际装置的比例作出的，而是提供用来说明在这里描 述的本发明。
图1是现有技术的具有线性致动器的光驱动器的示意图；
图2A和2B描述了现有技术的圆柱形微波凹进谐振腔，其中图2A是俯 视图而图2B是沿着图2A的线2B-2B取的侧横截面图；
图2C和2D描述了现有技术的用于从光源通过波导到谐振腔耦合光的 系统，其中图2C是俯视图而图2D是沿着图2C的线2D-2D取的侧横截面 图；
图3A是带有本发明的线性致动器的光驱动器的示意图，所述光驱动器 包括本发明的记录头。
图3B是本发明的包括本发明的记录头的旋转光驱动器的俯视图；
图4A、4B和4C描述了本发明的包括光能谐振腔介质加热装置的记录 头的第一实施例，其中图4A是从ABS取的平面图，图4B是沿着图4A的 线4B-4B取的横截面图，图4C是侧视图；
图5A、5B和5C描述了包括光能谐振腔介质加热装置的本发明的记录 头的另一实施例，其中图5A是从ABS取的平面图，图5B是沿着图5A的 线5B-5B取的横截面图，而图5C是侧视图；
图6A、6B和6C描述了本发明的包括光能谐振腔介质加热装置的记录 头的另一实施例，其中图6A是从ABS取的平面图，图6B是沿着图6A的 线6B-6B取的横截面图，而图6C是侧视图；
图7A、7B和7C描述了本发明的包括光能谐振腔介质加热装置的记录 头的另一实施例，其中图7A是从ABS取的平面图，图7B是沿着图7A的 线7B-7B取的横截面图，而图7C是侧视图；
图8A、8B和8C描述了本发明的包括光能谐振腔介质加热装置的记录 头的另一实施例，其中图8A是从ABS取的平面图，图8B是沿着图8A的 线8B-8B取的横截面图，而图8C是侧视图；
图9A、9B和9C描述了本发明的既包括写数据光谐振腔装置又包括读 数据光谐振腔装置的记录头，其中图9A是从空气支撑表面取的平面图，图 9B是沿着图9A的线9B-9B取的横截面图，而图9C是侧视图；
图10A、10B和10C描述了本发明的可选记录头实施例，其中写数据光 谐振腔装置和读数据光谐振腔装置合并成带有单个波导的单个腔，其中图 10A是从空气支撑表面取的平面图，图10B是沿着图10A的线10B-10B取 的横截面图，而图10C是侧视图。
图11A、11B和11C描述了本发明的可选记录头实施例，其中写数据光 谐振腔装置的波导和读数据光谐振腔装置的波导合并成单个波导，其中图 11A是从空气支撑表面取的平面图，图11B是沿着图11A的线11B-11B取 的横截面图，而图11C是侧视图。

利用本发明的记录头以对于诸如在光驱动器中的光盘的热敏介质读取 和写入数据。可以理解，本发明的光驱动器可以包括光介质，该光介质是相 变介质、磁光介质或者烧蚀介质；然而，为了简洁，本发明将参考相变介质 进行描述，可以理解为本发明能够适用于所有类型的光介质。
在图3A中示出了本发明的具有线性致动器的光驱动器310的简图，该 线性致动器用于支撑本发明的光读取头。这个光驱动器310可以包括类似于 图1所示的现有技术的线性光驱动器10的组件。如图3A所示，线性光驱动 器310包含至少一个光盘312，光盘312在轴314上可旋转地安装。光头由 两部分组成，包括激光器和其它组件的固定头部分320，安装在线性致动器 上并且相对旋转盘径向移动的可移动头部分324。可移动头324包括激光束 反射镜328，聚焦透镜330和本发明的光记录头332。记录头332安装在记 录头支撑机构338中，记录头支撑机构338类似于用来支撑现有技术的硬盘 驱动器的磁头飞行在旋转硬盘的表面之上的空气轴承上的头支撑机构。因 此，如同从下面的描述中将要了解的，在类似于用来制造磁头的制造工艺中， 本发明的记录头332在滑块体表面上形成，其随后安装在可移动头324的支 撑机构338上以飞行在每一个旋转盘312的表面上面。当运行光驱动器310 时，光盘312在轴314上旋转并且光头332飞行在旋转盘的表面上充当空气 轴承。在线性光驱动器的另外的可选实施例中(未示出)，激光器可以构造 在飞行光记录头332之内作为激光器二极管(下面对其进行描述)。在这种 实施例中，在固定头320上不需要激光器，且不需要反光镜328和透镜330。
图3B示出了本发明的具有用于支撑光头的旋转致动器的另一个光驱动 器实施例350的简化俯视图，其中至少一个光盘352旋转性地安装在轴354 上。本发明的光记录头356在滑块357上形成，滑块357安装在旋转致动器 臂358上以飞行在每一个旋转盘352的表面359的上面。当光驱动器350运 行时，光盘352在轴354上旋转且滑块充当了空气轴承飞行在旋转盘的表面 之上。在本光驱动器350中，如同下面的详细描述，激光器可以包括构造在 光记录头356中的激光器二极管。
如下面所描述的，本发明包括具有改进的介质加热装置的光记录头，所 述介质加热装置包括用于使热记录能够达到每平方英寸1T比特和更多的光 能谐振腔系统。这样的谐振腔光学系统的一般性讨论下面将要表述，紧接着 是这样的谐振腔光学系统在本发明的记录头实施例中实现的具体讨论。
用于记录头的谐振腔光学系统由三个分离的元件组成，它们必须设计为 工作在一起。主要的组件是谐振腔，其提供了高光场以改进从记录头到记录 介质耦合光的效率。也需要一种用于从激光源导引光进入谐振腔的装置；这 个装置优选地是有锥度的并以最大化从波导到腔的耦合的方式靠近腔定位 的波导。最后，需要一种从腔到介质以直径大约为25纳米量级的小局部区 域耦合光的装置。
为了实现谐振条件，腔尺寸和材料特性密切地与波长相匹配是基本的。 给定的腔将仅仅在由腔尺寸和光特性确定的特定波长区域处谐振。在其上腔 谐振的区域宽度由Q因数确定。Q因数越高，将要谐振的波长区域越窄。Q 因数又主要由在腔中的损耗决定。腔尺寸和特性将设计成在特定的目标波长 谐振。然而，因为确切的尺寸和光特性将在制造处理过程中变化并且也将根 据环境因素像温度和湿度而变化，因此必须调整腔和/或波长以得到所期望的 谐振条件。优选实施例使用了可调激光器从而能够改变波长从而与腔的谐振 条件相匹配。也可以例如热学地或者电光地调整腔从而与给定的波长相匹 配。腔相对于波长的大小也决定允许何种类型的模式。对于圆柱形腔，我们 通常使用最低阶模式。在该例子中，我们设计腔足够小从而不允许较高阶模 式。因为WGM模式是本征高阶模式，WGM腔必须一般地较大使得它们支 持WGM模式。
本发明的目的是使用谐振光学腔在记录介质上产生非常强的光场。这些 腔通常是圆柱形或者环形结构，尽管它们也可以是矩形或者光子晶体结构。 特别是环形结构能够成为伸长的形状以形成跑道形环形结构。这些腔内部的 场通过等于Q，或腔的品质因数的大因数能够被增加从而超过用来供给腔的 场。通常引证大于1的Q值并且值105-109已经在模拟中证实。腔装置中的 大的场增强意味着即使通过腔的孔的传输效率是低的，也可以传递给介质更 大的场。用电介质材料制造腔，其定型为所期望的腔尺寸并且设置在记录头 中，这里电介质材料在用来激励腔的光波长处是不吸收的。对于在1-2μm 范围内的波长，可使用硅(Si)作为腔材料。腔和波导可以集成在绝缘体上 硅(SOI)晶片上，而其它通常使用的材料是硅上二氧化硅和氮氧化硅 (SiON)。当源(例如半导体激光器)或者其它有源光学装置集成在同一结 构中时，也经常使用砷化镓和其它III-V族材料，并且它们也可以结合在本 发明中。
通过许多熟知的方法可以将光限定在腔中，所述方法都产生反射光的界 面。这些方法最简单的是具有较低折射率的电介质材料的界面，如用在阶梯 折射率光纤中。其它的方法包括反射金属涂层、反射电介质薄膜叠层、梯度 折射率界面、高折射率材料覆层、反射光栅覆层、抗谐振反射结构或者光子 晶体结构。对于本发明的目的，电介质界面一般地将是优选的方法，尽管金 属界面可以使用在顶面和/或底面上以帮助限定被耦合出腔进入记录介质的 场。
腔的尺寸由材料中的光的波长、限定方法和所使用的腔模式确定。在波 长为1.55μm(在空气中)处对于由空气包围的硅圆柱形腔中的TM010模式， 腔直径将大约是340纳米。为了确保在轴方向上仅仅允许最低的阶模式，腔 厚度应该少于λeff/2，这里λeff是腔中的波长。在1.55μm对于硅腔，这就 意味着腔厚度应该小于220纳米。对于本发明，也能够使用较高阶模式。可 以使用回音廊模式(WGM)，这里环绕着圆柱的周边存在一串最大值。在这 种情况中腔的直径可以是几μm。
给定谐振腔，需要机构来导引光进入腔，而后再耦合光到腔之外并进入 记录介质。在实践中，需要对所有这些元件结合腔和记录介质进行设计以使 整体性能最优化，但是为了简洁，它们将在下面单独讨论。通常，将使用半 导体激光器作为光源，并且本发明使用了波导以导引光从光源到谐振腔。尽 管不必要，为了简单波导一般地就用来构造它的材料和薄膜厚度而论将类似 于腔。用多种通常熟知的方法能够将光从激光器耦合到波导。如果激光器和 波导在同一衬底上，那么激光器能够高效地直接对接耦合(butt-couple)进波 导。如果不在同一衬底上，那么将点大小减小器设置在波导的末端且激光能 够聚焦在它的上面，或者可以将光栅或者棱镜耦合器设置在波导上用于耦 合。当适当地设计时，所有这些方法能够具有良好的耦合效率。用于设计波 导、波导耦合器和相关波导组件的技术是公知的并且在诸如文献“Integrated Optics：Theory and Technology”(R.G.Hunsperger，第三版，Springer-Verlag， 1991)中进行了描述。
为了将光从波导耦合到腔，波导通常是有锥度的并且紧密靠近腔。波导 耦合到谐振腔并且两个元件在同一衬底上的例子在“Nanofabrication of optical structures and devices for photonics and biophotonics”(R.W.Boyd等 人，Journal of Modern Optics，2003年，Vol.50，No.15-17，2543-2550)中进 行了描述。当适当地设计时，这个耦合能够接近100％的效率并且在腔中的 场强将大到波导中的场Q因数倍。
最后要求将光耦合到腔的外面并且进入记录介质。这可以谐振性地实现 或者非谐振性地实现。因为腔内具有非常高的场，任何设置在腔上的非谐振 孔或者扰动将导致腔外的良好场强。作为这样的例子，Boyd等人教导在腔 顶部上的场最大的位置处设置小吸收粒子，由此几乎100％的来自波导的光 通过腔耦合并且在粒子位置处出来，导致在粒子处有非常强的场。在本发明 中，在小局部区域处的输出耦合可以通过在腔面中的场最大的位置处制作小 直径孔并且使它开口或者用折射率不同于腔材料的折射率的材料填充它来 实现。重要的是要认识到这是输出耦合机构的设计与腔的设计以及记录介质 密切相关的区域。引入扰动将稍微改变腔谐振，如记录介质在腔的近场中的 出现。这些影响必须在设计中进行考虑。采用合适的设计，输出耦合也能够 谐振性地实现以使到记录介质的总耦合最大。这种情况的例子是上面描述的 在腔中设置金属柱的微波凹进腔，选定其尺寸以实现谐振。这极大地增强了 腔输出处的场，其在微波例子中是位于柱下面的腔中的洞。第二种方法是使 用所谓的近场孔，其将在下面进行描述。
通过在谐振腔中的场最大的位置处构建金属柱可以将类似于微波谐振 腔的技术用于本发明的光学腔。柱的尺寸和形状设计为与腔中的场实现谐 振，在柱下面产生强电场。强场的横向范围由柱的直径决定。这个柱和孔的 直径可以比使用的波长小许多。在微波凹进腔例子中(参考：A.J.Sangster 等人在Journal of Electromagnetic Waves and Applications，2001，Vol 15， 815-821，“Coupled re-entrant cavitysystem for electromagnetic levitation”)，柱 和孔的直径在0.052λ和0.17λ之间。对于使用λ＝1.55μm和硅腔的光学例 子，这就意味着大约23纳米的孔直径，其记录范围为每平方英寸1T比特。 这再一次采用了具有轴向电场的谐振条件。
谐振腔方法也可以用于平面场(in-plane field)。对于轴向场，优选的腔是 带有柱的腔，如凹进腔中那样。对于平面场和轴向场，可以在低阶模式或 WGM模式中使用圆柱盘或者跑道形腔。可以使用这些具有简单孔或者近场 孔的腔，这里我们定义近场孔为在近场中具有增强强度透射的孔。这种例子 是所谓的C孔，其已经在“Design of a C aperture to achieve λ/10 resolution and resonant transmission”(X.Shi和L.Hesselink在Journal of the Optical Society of America B，2004，Vol.21，No.7，1305-1317)中做了描述。虽然设 计细节是不同的，但是可以设计近场孔用于轴向或者平面场。通过在近场孔 后面提供非常高的场，近场孔与谐振孔结合再一次增加了它的效率。尽管金 属柱对于本发明是优选实施例，但也可以使用产生小局部场的任何其它谐振 结构。下面讨论五个实施例来说明用于光记录的谐振腔的应用。
图4A，4B和4C描述了本发明的记录头的第一实施例400，其包括光 能谐振腔介质加热装置404，其中图4A是从ABS取的平面图，图4B是沿 着图4A的线4B-4B取的横截面图，而图4C是4A的侧视图。如图4A、4B 和4C所示，头实施例400包括衬底基体(substrate base)408，其可以由AlTiC、 二氧化硅或者本领域的技术员所熟知的其它材料构成。相对较低折射率的材 料层412被沉积为横跨衬底404的表面，然后符合光学谐振腔的大小和形状 的腔416形成在该低折射率材料中，诸如通过使用本领域的技术人员所熟知 的光刻技术来实现。也可以同时形成波导形腔420。其后，谐振腔416和波 导腔420分别由相对较高折射率的材料424和426填充，折射材料424和426 通常将是相同材料。其后，横跨装置的上表面沉积相对较低折射率的材料的 外表面层428，以封住谐振腔和波导材料。供选地，可以省略层428留下一 个空气界面，或者层428可以由金属薄膜构成。随后，通过谐振腔404的外 表面层428将孔436构建在腔中心轴位置。因此，由高折射率电介质材料424 (例如，用于波长1-2μm的硅)构成的腔404形成在另一种具有较低折射 率的电介质材料(例如二氧化硅)的母体412中，从而将场限定在该腔中。 形成小孔436并且用材料440填充，材料440与腔电介质材料424具有不同 的折射率，如不同的电介质材料或者空气。外表面层428可以用作记录头400 的空气轴承表面(ABS)的一部分。如果省略层428，那么孔436在腔材料 424中形成。
在输入波长下的基模的谐振中，腔404产生非常高的电场和衰减波 (evanescent wave)，在孔436处发出并且平行于腔中心轴。在优选实施例中 电场主要垂直于腔的外层428的输出能量延伸通过孔436且下行到相变介质 中以产生热学加热(thermal heating)。虽然孔436的大小能够影响选定波长下 的腔的谐振行为，但腔设计可以是数据位几何形状特定的。这就意味着可以 针对所期望的受热数据位点大小选取孔尺寸。重要的是应注意光驱动器位密 度的增加需要减少孔436的尺寸以产生更小尺寸的数据位。在这个方面，可 以重新调节孔的尺寸，因为孔限定被加热点的位置和尺寸。
对于具有轴向场的基模，腔404的直径一般是辐射的有效波长的大约70 ％，这里将有效波长定义为自由空间波长除以腔材料的折射率的商。对于硅 腔中1.55μm的波，腔直径大约是0.32μm。
经过类推，用于每平方英寸1T比特的数据位的尺寸将是大约25纳米。 在此方面，合适的孔436应该是直径大约25纳米。可以理解为如本领域技 术员所熟知的，能够设计这些腔用于其它波长。对于不同波长需要使用兼容 的材料。随着波长和材料的改变，腔尺寸将与材料的折射率成比例。
为了产生光进入腔404的高效耦合，将接近腔沿450有锥度的光学波导 420设置在腔的附近以提供耦合。上面已经描述了来自波导的光的耦合并且 这对于本领域的技术员是很好理解的。
将光源例如固态二极管激光器456耦合到波导420可以通过几种方法中 的一个实现，这里光源456可以是滑块117的集成组件(例如参见下面的图 9B所述)，但也可以是如图3A所示的和以上所述的单独的组件。一个耦合 方法很容易地从图4C看出，其中光栅耦合器由在远离面对ABS一侧的波导 表面上形成的光栅线464构成。将光源456适当地聚焦并且设定入射角用于 最好的耦合。可选地，可以将光直接耦合进远离腔的波导的末端。这些耦合 方法是公知的并且在参考文献，如“Integrated Optics：Theory and Technology” (R.G.Hunsperger，第三版，Springer-Verlag，1991)中进行了描述。
在执行“写”操作过程中，将从脉冲源456发出的光经由波导420耦合 到腔404。每个脉冲在腔中建立谐振从而光场延伸通过孔436抵达介质。对 于相变介质所吸收的光熔化介质并且使它改变为非晶相。对于每个脉冲重复 这个过程。甚至对于大的高Q腔，腔建立它的整个谐振能(full resonant energy) 的时间也少于1ns。对于这种腔的模拟结果示于“FDTD Micocavity Simulations：Design and Experimental Realization of Waveguide-Coupled Single-Mode Ring and Whispering-Gallery-Mode Disk Resonators” (S.C.Hagness，D.Refizadeh，S.T.Ho和A.Taflove，Journal of Lightwave Technology，Vol 15，No.11，1997年11月，第2154-2165页)。其建议利用合适 的腔大小、脉冲宽度、介质厚度、衬底热学特性和其它材料要求，位写入速 率可以是1GHz或者更高。
图5A，5B和5C示出了本发明的记录头的第二实施例500，其包括凹 进腔介质加热装置504，其中图5A是从ABS取的平面图，图5B是沿着图 5A的线5B-5B取的横截面图，而图5C是图5A的侧视图。如其中所示，该 记录头实施例500包括衬底基体508，可以由AlTiC、SiO2或者本领域的技 术员所熟知的其它材料构成。相对较低折射率的材料512的层被沉积为横跨 衬底508的表面，然后符合光学谐振腔504的大小和形状的腔516形成在低 折射率材料512中。也可以同时形成波导形腔520。接着窄柱522构建在腔 内。除了别的以外，该柱优选地由诸如银、金、铝、铑、铂、铬的材料构成， 并且利用本领域技术员所熟知的光刻技术和/或电镀技术制成。可选地，该柱 可以由电介质材料形成并且表面涂覆诸如上面列出的这样的金属。然后，谐 振腔516和波导腔520分别由相对较高折射率的材料524和526填充。然后， 横跨装置的上表面沉积相对较低折射率的材料的外表面层528以封住谐振腔 和波导材料。可选地，可以省略层528留下空气界面，或者它可以由金属膜 构成。随后，在腔中心轴位置处构建孔536通过谐振腔的外表面层528，并 且该孔536在柱522的正上方。因此，由高折射率的电介质材料524(例如 对于1-2μm波长的硅)构成的腔504形成在另一种具有较低折射率的电介 质材料512(例如二氧化硅)的母体中，从而把场限定在腔中。形成小孔536 并且用与腔电介质材料524具有不同折射率的材料诸如不同的电介质材料或 者空气填充。如果省略层528，那么孔536在腔材料524中形成。该记录头 500因此包括凹进光学谐振腔，该凹进光学谐振腔在类似于图4A和4B所示 以及上面所述的谐振腔400的模式下运行。
尽管在选定波长柱522的大小能够影响腔504的谐振行为，但腔设计可 以是柱几何形状(post geometry)和柱尺寸特定的。这意味着可以设计孔536 和柱522的尺寸以对于相关的腔尺寸和所需的受热点大小产生谐振。重要的 是应注意，增加位密度必须减少柱和孔的尺寸。在这一方面，可以重新调节 柱和孔的尺寸，因为柱限定最大电场和受热点的位置，而孔限定受热点的大 小。
为了提供光进入腔504的高效耦合，将光学波导520设置在腔504的附 近以提供耦合。波导520的结构和它到二极管激光源556的耦合类似于图 4A、4B和4C所示以及上面所述。
本发明第三实施例600涉及使用回音廊模式(WGM)的谐振腔604， 其示于图6A、6B和6C，其中图6A是从ABS取的平面图，图6B是沿着图 6A的线6B-6B取的横截面图，而图6C是图6A的侧视图。WGM腔和谐振 腔的其它类型在“Optical Microcavities”(K.J.Vahala在Nature，Vol 424 2003 年8月14日第839-846页)中进行了回顾。如图6A，6B和6C所示，头实 施例600包括衬底基体608，其可以由AlTiC、二氧化硅或者本领域的技术 员所熟知的其它材料构成。相对较低折射率的材料层612被沉积为横跨衬底 表面，然后符合光学WGM谐振腔的大小和形状的腔616形成在低折射率材 料612中。波导形腔620也可以同时形成。然后，谐振腔616和波导腔620 分别由相对较高折射率的材料624和626填充。接下来横跨所述装置的上表 面沉积相对较低折射率材料的外表面层628以封住谐振腔和波导材料。可选 地，可以省略层628留下空气界面，或者它可以由金属膜构成。随后，在合 适的位置构建孔636(如下所述)通过谐振腔的外表面层628。因此，由高 折射率的电介质材料624(例如对于1-2μm波长的硅)构成的腔604形成 在另一种具有较低折射率的电介质材料612(例如二氧化硅)的母体中，从 而将场限定在腔内。形成小孔636并且用材料640填充，该材料640具有不 同于电介质材料624的折射率，诸如不同的电介质材料或者空气。如果省略 了层628，那么孔636在腔材料624中形成。
小心地选取孔636在WGM腔空间中的的精确位置，使得它与输入波长 下的谐振模式的波腹处于相同的径向位置和方位角位置。电场主要垂直于腔 面的输出能量可以延伸到并且渗透进磁介质以产生热学加热。尽管孔636的 大小在选定波长下能够影响腔的谐振行为，但腔设计可以是孔几何形状和孔 尺寸特定的。这意味着可以设计孔尺寸以对于给定的腔尺寸和所需的受热点 大小产生谐振。重要的是应注意增加位密度需要减少孔尺寸。
为了提供光进入腔604的高效耦合，将光学波导620设置在腔604的附 近以提供耦合。波导620的结构和它到二极管激光源656的耦合类似于图 4A，4B和4C所示以及上面所述。
图7A，7B和7C示出了本发明的记录头的第四实施例700，其中图7A 是从ABS取的平面图，图7B是沿着图7A的线7B-7B取的横截面图，而图 7C是图7A的侧视图。如下所述，第四实施例700包括凹进WGM谐振腔 704，凹进WGM谐振腔704包括形成在该腔中的柱722。该记录头实施例 700包括衬底基体708，其可以包括AlTiC、二氧化硅或者本领域的技术员所 熟知的其它材料。相对较低折射率的材料层712被沉积为横跨衬底表面，然 后符合光学WGM谐振腔的大小和形状的腔716形成在低折射率材料712 中。波导形腔720也可以同时形成。除了别的以外，该柱优选地由诸如银、 金、铝、铑、铂、铬的材料构成，并且利用本领域技术员所熟知的光刻技术 和/或电镀技术形成。供选地，该柱可以由电介质材料形成，并且表面涂覆诸 如那些上面列出的金属。然后，谐振腔716和波导腔720分别由相对较高折 射率的材料724和726填充。然后，横跨装置的上表面沉积相对较低折射率 的材料的外表面层728以封住谐振腔和波导材料。可选地，可以省略层728 留下空气界面，或者它可以由金属膜构成。随后，在合适位置(如下所述) 构建孔736通过谐振腔的外表面层728。因此，由高折射率电介质材料724 (例如对于1-2μm波长的硅)构成的腔704形成在另一种具有较低折射率 的电介质材料712(例如二氧化硅)的母体中，从而把场限定在腔内。形成 小孔736并且用材料填充，该材料具有不同于腔电介质材料724的折射率， 诸如不同的电介质材料或者空气。如果省略层728，那么孔736形成在腔材 料724中。
小心地选取腔中的柱722的精确位置，从而它与输入波长下的谐振模式 的波腹处于相同的径向位置和方位角位置。该柱的末端从腔面728稍微缩回。 输入波长下的WGM模式谐振能够提供非常高的电场，该电场垂直于与柱 722相对的孔736的平面。电场主要垂直于腔面728的输出能量可以延伸到 并且渗透进磁介质中以产生热学加热。尽管孔736和柱722的大小能够影响 腔的谐振行为，但腔设计可以是柱几何形状和柱尺寸特定的。这意味着可以 设计孔尺寸以对于给定的柱尺寸和所需的受热点大小产生谐振。重要的是应 注意，位密度的增加必须减少柱和孔尺寸。在这一方面，可以重新调节柱和 孔尺寸，因为该柱限定最大电场和受热点的位置，而孔尺寸决定受热点的大 小。
为了提供光进入腔704的高效耦合，将光学波导720设置在腔704的附 近以提供耦合。波导720的结构和它耦合到二极管激光源756类似于图4A， 4B和4C所示以及上面所述。
图8A，8B和8C示出本发明的第五实施例800，其包括光能谐振腔介 质加热装置804和近场孔860，其中图8A是从ABS取的平面图，图8B是 沿着图8A的线8B-8B取的横截面图，而图8C是图8A的侧视图。如其中所 示，头实施例800包括衬底基体808，其可以包括AlTiC、二氧化硅或者本 领域的技术员所熟知的其它材料。相对较低折射率的材料层812被沉积为横 跨衬底808的表面，然后符合光学谐振腔的大小和形状的腔816形成在低折 射率材料内，诸如通过利用本领域技术员所熟知的光刻技术。波导形腔820 也可以同时形成。然后，谐振腔816和波导腔820分别由相对较高折射率的 材料824和826填充，它们一般是相同的材料。然后，横跨所述装置的上表 面沉积相对较低折射率的材料的外表面层828以封住谐振腔和波导材料。可 选地，可以省略层828留下空气界面，或者它可以由金属膜构成。随后，在 腔中心轴位置构建孔836通过谐振腔804的外表面层828。因此，由高折射 率电介质材料824(例如用于1-2μm波长的硅)构成的腔804形成在另一 种具有较低折射率的电介质材料812(例如二氧化硅)的母体中，从而把场 限定在腔内。形成小孔836并且用材料840填充，该材料840具有不同于腔 电介质材料824的折射率，诸如不同的电介质材料或者空气。如果省略层 828，那么孔836形成在腔材料824中。腔804类似于上面所述的这些(404， 504，604和704)并且可以被构造为具有柱或者可以不具有柱；波导820的 结构和它到二极管激光源856的耦合类似于以上所述。
接下来将近场孔860构建在孔836的上面。为了实现这个，将具有大约 10纳米厚的薄膜858沉积在层828上，这里薄膜858由对于光能透明的材料 构成。其后，将具有形成在其中的开口864的金属薄膜片868构建在层858 上的另一薄膜层878中。薄膜858可以由在近场孔860制造过程中用作蚀刻 停止物的材料构成。金属薄膜868可以由诸如银、金、铝、铑、铂、铬及其 它的材料构成，金属薄膜868厚度是波长的一部分。在近场孔860的情况下， 近场孔的开口864的形状可以类似字符C(由X.Shi和L.Hesselink在Joumal of the Optical Society of America B，Vol 21，No.7，1305-1317，“Design of a C aperture to achieve λ/10 resolution and resonant transmission”中进行了描述) 或者字符H。也可以使用能够提供增加了强度的近场光能点的其它开口几何 形状和亚波长尺寸。近场孔的开口864的轴优选地与腔的孔836同轴。图8A 示出在腔804的内部没有柱的情况；腔804内部存在柱的情况未示出，但是 基于回顾本公开对于本领域的技术员来说该情况将很好理解。近场孔860可 以设计为与平面场一起使用或者与轴向场一起使用。然而，可以理解柱存在 的情形中轴向场是优选的。
电场主要垂直于腔面828的输出能量能够延伸到并且渗透进近场孔860 以产生增强的传输并且因此在磁介质处热学加热。选取孔836的大小以优化 该光束到近场孔864的大小的耦合。因为孔836的大小能够影响腔804的谐 振行为，因此可以调整腔设计以得到耦合的腔近场孔运行的最优性能。这意 味着可以设计腔804的孔尺寸以对于近场孔860针对给定柱(如果存在)和 所需的受热点大小产生谐振。
上面所述的光学谐振腔装置可用于相变、烧蚀或者磁光介质盘写入数据 或者从相变或者烧蚀介质盘读取数据。下面将借助于图9A，9B和9C描述 适合于写入和读取操作的记录头900，其中图9A是记录头900的ABS表面 的平面图，图9B是沿着图9A的线9B-9B取的横截面图，而图9C是图9A 的侧视图。如图9A，9B和9C所示，记录头900包括用于将数据写入到相 变介质盘上的第一谐振腔装置902。第一谐振腔装置902包括光能谐振腔 904、波导920和光能源956。谐振光学腔904可以由上面所述的任何谐振腔 404，504，604，704或者804构成，光能从激光源956到波导920的耦合以 及到谐振腔904的耦合已经在上面进行了具体描述。如上所述，利用来自谐 振腔904的能量将数据写到介质上。
记录头900还包括从相变或者烧蚀介质盘读取数据的第二谐振腔装置 982。该读取光学装置包括谐振腔984、波导988、激光光能源992和耦合到 波导988的远端(distal end)996的光能探测器994。合适的探测器994可以包 括InGaAs或者Si光探测器或者本领域技术员所熟知的其它光敏器件。
耦合波导988到探测器994可以由几种方法中的一个实现，这里探测器 通常是头900的集成组件。在图9B和9C中描述了一种耦合方法，其中包 括光栅线995的光栅耦合器形成在波导988的远端996的表面上。供选地， 光可以直接从波导的端996耦合到探测器994。
在执行“读”操作时，光源992能够在脉冲或者连续波模式下以减小的 功率运行，从而抵达介质的光不改变它的表面状态。因为光横穿介质中的高 反射率和低反射率材料的区域，从波导988耦合到腔984的光的强度根据被 介质吸收的光的量变化。没有耦合到腔的光传输到波导988的远端996。这 个信号与写入“位”的吸收率成反比。因此远端996的波导输出随着光横穿 低或者高反射率区域而分别为或者高或者低。这由用于数据检出目的的探测 器994解释为二进制信号。
对于相变材料，复原介质的表面状态的擦除操作是必要的。通常，这需 要对材料进行低功率退火从而它一直低于熔化温度。为了执行这种操作，光 源在功率降低模式但是高于读取操作的功率操作。特定的相变材料会需要不 同的光源条件用于重写、写入和读取操作。所述不同方面可以是功率密度、 加热的持续时间和加热点的尺寸。另外，可能需要写前复原/擦除或者读取前 写入。在这一方面，类似结构的第二或者甚至第三谐振腔装置可以集成在相 同记录头中以提供不同的近场加热条件。在图9A、9B和9C中示出了写后 读设置的例子，其中每个腔耦合到它自己的波导，并且写入腔是读取腔的上 行道(uptrack)。
用于相变介质盘读取和写入数据的方法可以通过仅使用一个谐振腔装 置简化，并且借助于图10A、10B和10C描述适合于在单个谐振腔中执行写 入和读取操作的记录头1000，其中图10A是记录头1000的ABS表面的平 面图，图10B是沿着图10A的线10B-10B取的横截面图，而图10C是图10A 的侧视图。如图10A、10B和10C所示，记录头1000包括用于将数据写入 到诸如相变介质盘的光盘的谐振腔装置1002。谐振腔装置1002包括光能谐 振腔1004、波导1020和光能源1056。谐振光学腔1004可以由上面已经描 述的任何谐振腔404、504、604、704或者804构成，并且光能从激光源1056 到波导1020的第一端1096以及到谐振腔1004的耦合已经在上面进行了具 体描述。如上所述利用来自谐振腔1004的能量将数据写到光介质。
为了执行读取操作，记录头1000也包括耦合到波导1020的第二端1098 的光能探测器1094。合适的探测器可以是上面已经描述的探测器994中的一 个。耦合波导1020到探测器1094也可以如上对于探测器994所描述的那样 实现。类似地，“读取”和“擦除”操作可以分别遵循上面对于装置982和 902所描述的方式。与用于“写入”和“擦除”操作中的激光能量相比较， 读取操作中激光1056的能量减少了。
在图11A、11B和11C中描述了另一个供选记录头1100，其中图11A 是记录头1100的ABS表面的平面图，图11B是沿着图11A的线11B-11B 取的横截面图，而图11C是图11A的侧视图。如图11A、11B和11C所示， 记录头1100包括两个都耦合到了单个波导1120的谐振腔1104和1108。每 一个腔1104和1108以在不同波长下谐振的不同尺寸形成。能够调谐到两个 不同波长的激光光源1156耦合到波导1120。如上所述，当激光源1156调谐 到写波长时，以合适的功率将光能耦合到谐振腔1104从而在光介质上执行 写操作。当来自激光源1156的光能的波长调谐到谐振腔1108的波长时，较 低功率下的光能耦合进腔1108用于读取操作，并且探测器1180耦合到波导 1120的远端1184以提供二进位数据信号。探测器1180可以类似于上述探测 器994。
总之，本发明描述了在光盘诸如相变记录介质上的小局部区域(横断25 纳米量级)中产生大的光能场的机构。本发明也描述了用于在近场中从小局 部区域(25纳米的量级)读取数据的机构、及其在用于具有每平方英寸1T 比特存储密度的光存储的记录中的应用。本发明也包括取代传统的圆形腔使 用正方形、矩形或者多边形腔。具有直线边界的腔比具有曲线边界的腔可以 提供更好的耦合路径，并且使用这种腔将获得相当的结果。
虽然参照特定的优选实施例已经示出本发明并对其进行了描述，但是可 以理解本领域的技术人员基于本公开可以做出形式和细节上的修改。因此权 利要求意图覆盖所有这样的修改和变化，所述修改和调整仍然包括本发明的 发明特征的真实精神和范围。