光存储技术

固体浸没透镜光存储的信号探测技术

在全球信息量与日俱增的今天,信息存储已成为信息技术中的关键环节。人们不断探索

高密度、高速率、高质量的存储技术,在光学存储领域开辟出近场光学存储的新途径。传统

的光存储,如CD和DVD都是基于远场光学原理的存储技术,记录光斑尺寸受到光学衍射

极限的限制,所能达到的存储密度有限。而近场光存储利用光的隐失场在记录介质中的耦合

作用进行记录和读取,突破了远场光学衍射极限的限制,大大减小了记录点的尺寸,在提高

存储密度上极具潜力。基于固体浸没透镜SIL(SolidImmersionLens)的光学存储是近场光存

储技术中的一种。固体浸没透镜采用高折射率材料制成,有半球形和超半球形两种基本形

式。当光束汇聚于固体浸没透镜底面中心时,可以分别将透镜的数值孔径提高nSIL和n2SIL

倍,从而减小聚焦光斑,实现高密度存储。使用折射率为1.83的超半球型固体浸没透镜,理

论上可达到的光斑直径为125nm,相应的存储密度为40GB/英寸2[1]。最初,固体浸没透

镜是作为一种提高显微镜分辨率的方法被提出的。1990年Stanford大学的Kino等人[2]

用固体浸没透镜代替油浸物镜,利用存在于固体浸没透镜底面附近的隐失场来获取近场图

像,获得了10nm左右的高分辨率。1994年Kino与IBM的Almaden研究中心的Terris等

人[1]合作,首次将固体浸没透镜应用于近场光存储。他们使用波长为780nm的激光,数值

孔径为0.6的聚焦物镜和折射率分别为1..83和1..9的固体浸没透镜对磁光介质进行刻写,

在固体浸没透镜与盘片保持接触的条件下得到最小记录点的半高宽(FullWidthatHalf

Maximum,FWHM)小于半波长,约为350nm。由于固体浸没透镜近场光存储技术记录的光

斑小、通光率高、光能量集中、读写速度相应提高,同时可与多种已有的存储相关技术结合,

因此能实现高密度、快速存储目标,是很有发展前景的近场光学存储技术。固体浸没透镜技

术发展了已经有近十年,但是其信号探测技术一直到最近的两三年里才受到普遍关注。在此

以前的研究中,人们对利用固体浸没透镜已经记录的标记通常使用电镜扫描、刀口扫描法

(theEdge..ScanTestMethod)或近场光学扫描等探测技术进行检测。由于这些扫描成像技术

探测速度慢、处理复杂,最重要的是不能很好地与固体浸没透镜光学头相结合,所以不能现

真正存储意义上的信号读取。与传统光存储信号读取相比,基于固体浸没透镜光存储信号探

测的主要特点是光的近场耦合,这使得后者的信号质量受到更为复杂的因素的影响,也给研

究中的理论分析方法的建立和技术实现带来了很大的挑战。目前,国外已有多篇文献报道了

固体浸没透镜光存储中信号探测技术的研究成果,包括有针对性的理论分析方法和模型,重

要影响因素的分析和新技术与实验结果等。本文将重点介绍固体浸没透镜近场光存储中的信

号探测方面的研究成果。

1仿真理论与模型

由于固体浸没透镜光学头的数值孔径大于1,会聚光束的孔径角非常大,而且与光盘表

面形成近场耦合,所以光在经过固体浸没透镜时产生很强的光极化作用。传统光探测的研究

方法——标量衍射理论和二维衍射理论都已经不能很好地反映固体浸没透镜光存储信号探

测中的这种特殊现象了。矢量衍射理论有模态扩展法、多重多极子方法(MultipleMultipole,

MMP)、微分方法、边界元素法、有限时域差、平面波分解模型示意图分法和有限频域差分

法等。目前在已发表的有关固体浸没透镜技术的文献中,主要是基于平面波分解方法来研究

固体浸没透镜光存储中的信号探测。图1所示为平面波分解方法的模型示意图其分析的步

骤为:(1)将会聚光束展开为一系列的平面波(每个平面波等效为物镜光瞳上一点出射的光

波);(2)计算每一个平面波经过盘面反射后(3)计算物镜光瞳各点上光波的总和,得到在光

瞳处的光场分布。这样就将光瞳上光场的分布计算转化为了平面波经过盘面反射后的光波的

计算。

针对不同的盘片结构,对光波的计算处理主要有两种方法:一种是利用薄膜矩阵理论计算:

(1)计算平面波的p、s偏振分量;(2)将盘面结构分解成几个均匀介质薄层;(3)利用薄膜

矩阵法得到整个膜系的反射系数;(4)分别计算p、s分量经过膜系反射后的光波。这种方

法主要适用于具有平面均匀膜层结构的记录介质。MMansuripur和TomDMilster都对薄矩

阵理论的建立作出了突出的贡献。MMansuripur在其较早的文章中对这种方法进行了介绍

和分析,并在此基础上设计了商业软件DIFFRACT,可用于对基于固体浸没透镜光存储的仿

真。1996年以来,TomDMilster等人也发表了多篇文章介绍这种方法及其在固体浸没透镜

信号探测中的应用。2000年,日本尼康公司的研究人员KatsuraOtaki等人撰文介绍了他们

在固体浸没透镜信号探测中对信号极化作用所进行的仿真分析。同时该文章提出了另一种光

栅衍射理论的计算方法:(1)将盘面结构分解成几个薄层,每一个薄层相当于一个光栅;(2)用

模态函数表示各个光栅的电磁场的频率响应特性;(3)利用各层之间的边界条件得到整个衍

射光栅的模态函数的参数。这种方法适用于具有槽形结构、切割后薄层不均匀的记录介质。

同期发表的IsaoIchimura等人[18]的文章主要讨论在凸台凹槽记录模式下固体浸

没透镜信号探测的道间串扰情况,记录介质模型如图2所示。在凸台凹槽形的记录上分布

着一定序列的记录点。计算中做了一个近似:当光斑正对记录点时,认为所有记录面上都是被

记录状态,否则认为记录面上都是初始状态。在这个近似条件下应用了上述平面波分解理论

和光栅理论相结合的计算方法。

总之,人们逐步建立了针对基于固体浸没透镜光存储信号探测的三维矢量仿真理论,能

够反映高数值孔径透镜中光的极化现象,克服了标量衍射理论和二维衍射理论的不足,为分

析各种复杂的影响因素和实验实现提供了良好的基础。

2信号探测中重要因素和现象的数值分析

在三维矢量理论的基础上人们做了很多关于固体浸没透镜信号探测的仿真工作,对偏振变

化、头盘间距和盘片结构等影响因素都进行了详细的分析。WeiHungYeh和MMansuripur

利用DIFFRACT软件对固体浸没透镜存储系统中的近场光耦合做了多方面细致的研究,

特别是头盘间距和盘量随间距变化的计算曲线片结构对信号探测的影响。他们计算了通过玻

璃半球的近场光耦合情况,其模型如图3所示。准直平面单色光波长0=650nm,x

方向偏振,入射到NA=08、f=37500的物镜上,并聚焦到玻璃半球(固体浸没透镜)的

底面,其中玻璃折射率n=2,球面镀增透膜,另一个完全相同的半球与固体浸没透镜保持一

定间距相对放置。在入射光路中用一个圆形挡光片遮去入射固体浸没透镜角度小于其全反射

角度的光线,只研究隐失波耦合的情况。改变间距的大小,计算得到归一化(假设入射光能

量为1)后的反射光能量的变化曲线如图4所示。曲线从零开始,随着间距的增大,反射光

能量迅速增大,并在间距达到一个波长之前就达到100%。由于反射光能量与通过近场耦

合透射出去的光的能量的总和是不变的,所以上述结果说明近场耦合作用受间距的影

响非常大,随着间距的增大,近场耦合作用急剧减弱。

用图5所示的磁光记录盘代替图3模型中的第二个半球,分别计算所有反射光和由磁

光作用产生的信号光强度,得到它们随间距变化的曲线图(图6)。随着间距逐渐增大,反射光

能量(实线所示)不随头盘间距的变化曲线断增大,近场耦合到记录盘面的光能量就越来越

小,由此使得磁光作用产生的光的能量(虚线所示)以越来越快的速度减小,在间距不

到200nm时就几乎减小到0。WeiHungYeh等人的进一步的计算结果显示,当间隙为

100nm时,磁光和相变记录盘的信号水平分别下降40%和30%。上述计算结果表明,在固体

浸没透镜光存储信号探测中,为了获得较高的信号水平,必须精确保持SIL与记录盘面之间

的纳米间距。

WeiHungYeh等人还研究了在不同盘片结构下,介质的吸收特性随间距的变化情况。

图5和图7所示的A、B、C三种磁光记录盘采用的材料相同,但是各个膜层厚度有所不

同。在使用平面波或高斯光束作为光源时,不同结构的盘片的吸收率随头盘间距变化的情况

如图8所示。曲线说明了在不同磁光记录盘片结构和光源条件下介质的吸收率随头盘间距

变化的敏感度不同。这个结果进一步证明了间距对信号探测的重要性,如果不能稳定地控制

头盘间距,介质吸收的能量有波动,就会在探测的信号中引入噪声,从而影响到信号水平和分

辨率。同时也说明了采用不同的盘片结构对信号探测也存在影响,优化信号探测系统也要注

意优化盘片结构。

光的偏振态对固体浸没透镜光存储中的信号探测也会产生影响。早在1996年,

西班牙的AMadrazo和MNietoVesperinas仿真计算了亚波长侧向尺寸的深沟

槽的近场衍射光场,结果显示s偏振的入射光的衍射场能够反映沟槽的形貌,而且随着沟槽

变深,衍射场的峰值也增大;相反p偏振的入射光则不能反映沟槽的形貌。这说明在近场中

不同偏振的光的行为是不一样的。在三维矢量衍射仿真理论的基础上,Katsura等人对低数值

孔径、高数值孔径和固体浸没透镜在信号探测中的极化扰动进行了仿真。极化扰动是指出

射光中出现偏振方向垂直于入射光偏振方向的现象。他们发现在图3所示模型中,随着数值

孔径增大极化扰动增强,而且当光斑与槽的相对位置变化时,TE波和TM波的入射光产生

的极化扰动的强度变化趋势恰好相反。ChungHaoTien等人提出利用光的偏振特性来提高

固体浸没透镜光存储信号探测的对比度。研究发现(图9),在偏振入射的情况下,采用偏振

光探测(排除极化扰动产生的另一个偏振光)相对于对非偏振光探测,信号强度减小了不到

25%,而信号对比度能够提高10~135倍。近场光学技术为提高光存储的存储密度和数据

速率提供了一种新的方法,同时也带来了一些它所特有的问题,尤其是头盘间距的控制,如果

不能稳定地控制纳米间距,记录过程中的总输出和信号读取的分辨率就会受到很严重的影

响。同时又可以利用优化盘片结构和探测光的偏振来改善探测信号的信号水平和对比度、分

辨率等。

3新技术的提出和实现

针对固体浸没透镜光存储中的信号探测,人们提出一些新的技术来改善探测信号的质

量,使信号探测更好地与固体浸没透镜光学头结合。这里主要介绍光瞳滤波器和双域固体浸

没透镜技术。

KeiShimura和TomDMilster等人[16,17]撰文介绍了应用于固体浸没透镜相变存储系

统中的光瞳平面滤波器的技术。他们对有效数值孔径分别为11和20,并且采用了一定

的相变材料的4f成像系统进行了仿真,得到反射光在物镜出瞳上的光场分布。如图10所

示,当有效数值孔径为20、头盘间距分别为20nm和50nm时,晶态和非晶态下光瞳

上光场的分布是IX、IA以及它们的差值(IXIA)如果信号探测时将整个光瞳上光场积分,

那么信号的对比度会很小。KeiShimura等人针对晶态和非晶态下光场的特点为两个系统设

计了滤波器,如图11所示(光只能从滤波器的白色的区域透过进入探测器),用来遮挡对

信号对比度产生负面影响的部分光,从而提高信号的对比度。仿真计算显示,在间距为

100nm左右时,使用和未使用滤波器时的信号水平非常接近;在NA=11的系统中,最小信

号对比度从0提高到16%,NA=20的系统中信号对比度也有明显提高。图12为系统中

使用滤波器前后信号水平和对比度的变化曲线。

KeiShimura等人还对光瞳滤波方法的效果进行了实验验证,在有效数值孔径为11

的实验系统中,不仅CCD拍摄的光场分布与仿真计算吻合得很好,而且在间距为25,50,

100nm时的信号水平也与计算所得非常相近。图12中空心圆和三角分别表示没有使用滤

波器时测得的晶态和非晶态的信号水平,实心圆和三角分别表示使用滤波时测得的晶态和非

晶态的信号水平。光瞳滤波技术显著地提高了固体浸没透镜光存储中的信号对比度,但是不

同的系统中使用的滤波器还需要进行优化。另外在很小的记录点的情况下,光瞳滤波是否适

用还有待于进一步研究和证实。双域固体浸没透镜是DerRayHuang等人[22]提出来并

希望应用于近场光学存储的。如图13(a)所示,普通固体浸没透镜只在底面形成一个聚焦光

斑A,这个光斑通过近场耦合作用于记录盘片下表面的B点。图13(b)所示的双域固体浸

没透镜的球面分为两个部分,中心球面具有较大的曲率,使得外围部分将光束聚焦于A点,

而中心部分在距离记录盘上表面很近处形成一个光斑,如果记录盘上表面有预刻槽,这个光

斑就可用于寻道。双域固体浸没透镜的优点是将记录、读取和寻道与固体浸没透镜紧密结

合,使存储光学头更加紧凑,而且它形成的用于记录和读取的光斑小于普通固体浸没透镜。缺

点是用于寻道的光斑比较大,所以需要增大道间距,光盘的容量会有所减小。