大学院物理システム工学専攻大学院物理システム工学専攻 20042004 年度年度固体材料物性第固体材料物性第 1111 回回 －磁気光学効果の応用－磁気光学効果の応用 (2)(2) －－佐藤勝昭佐藤勝昭

ナノ未来科学研究拠点ナノ未来科学研究拠点

前回の皆さんからのレスポンス前回の皆さんからのレスポンス CD-RCD-R とと CD-RWCD-RW のちがいを知れてよかったのちがいを知れてよかった (( 湯舟湯舟 ))

FATFAT の話がよくわからなかったの話がよくわからなかった 超解像　光のスポット径以下の読み書きができないという認識を覆超解像　光のスポット径以下の読み書きができないという認識を覆す超解像技術に興味す超解像技術に興味 (( 木内、岩見、永吉木内、岩見、永吉 )) 波長以下の穴の製造法が波長以下の穴の製造法が気になる気になる (( 岩見）岩見） D=0.6λ/NAD=0.6λ/NA でスポットサイズが決まることでスポットサイズが決まること (( 杉沢杉沢 )) 半球形半球形 SILSIL をつけることと一連の光学系とのちがいがわからなかっをつけることと一連の光学系とのちがいがわからなかった。た。 (( 佐藤佐藤 )) 　　 SILSIL とと MAMMOSMAMMOS 信号増幅に興味信号増幅に興味 (( 大内大内 ) SIL) SIL に興に興味（山田）ＳＩＬからの近接場に興味味（山田）ＳＩＬからの近接場に興味 (( 市川市川 )) 熱変形でピットをつくる（石井）熱変形でピットをつくる（石井） アモルファスと結晶の相変化を利用して記録（その速度）（石井）アモルファスと結晶の相変化を利用して記録（その速度）（石井）

つづきつづき HiMDHiMD の将来やの将来や MAMMOSMAMMOS についての話。商品につながる技術。についての話。商品につながる技術。

(( 松山松山 )) Hi-MDHi-MD に使われている技術に使われている技術 [DWDD]([DWDD]( 浦川浦川 )) 熱で記録消去していること：方法としては単純熱で記録消去していること：方法としては単純 (( 石原石原 )) ホールバーニング：どうやって情報を読むの。波長分解能は？ホールバーニング：どうやって情報を読むの。波長分解能は？

(( 大野大野 )) 近接場光に興味近接場光に興味 (( 長谷川長谷川 )) 高密度化技術、熱アシストに興味高密度化技術、熱アシストに興味 (( 山本山本 )) Ｘ線を使ってＸ線を使って StorageStorage を作る（全）→間違い！観測にＸ線をを作る（全）→間違い！観測にＸ線を

使った。使った。 MSR,MAMMOS,DWDDMSR,MAMMOS,DWDD に興味（石田）に興味（石田） 光スポットより小さな熱分布が使えること（秋山）光スポットより小さな熱分布が使えること（秋山）

光ストレージについて光ストレージについて 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が短いほど高密度に記録される。 光ストレージには、読み出し ( 再生 ) 専用のもの、１度だけ書き込み ( 記録 ) できるもの、繰り返し記録・再生できるものの３種類がある。 記録には、さまざまな物理現象が使われている。

スポットサイズスポットサイズ レンズの開口数

NA=nsinα d=0.6λ/NA

現行 CD-ROM: NA=0.6CD-ROM: λ=780nm→d=780nmDVD: λ=650nm→d=650nmBluRay: NA=0.85　　　　 λ=405nm→d=285nmAOD: NA=0.6　　　　 λ=405nm→d=405nm

スポット径　 d

α

光ストレージの分類光ストレージの分類 光ディスク

再生 ( 読み出し ) 専用のもの CD, CD-ROM, DVD-ROM

記録 ( 書き込み ) 可能なもの 追記型 ( １回だけ記録できるもの )

CD-R, DVD-R 書換型 ( 繰り返し消去・記録できるもの )

光相変化 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DV-R, DV+R, Bluray, AOD

光磁気 : MO, GIGAMO, MD, AS-MO, iD-Photo ホログラフィックメモリ、ホールバーニングメモリ

光記録に利用する物理現象光記録に利用する物理現象 CD-ROM, DVD-ROMCD-ROM, DVD-ROM: : ピット形成ピット形成 CD-R, DVD-RCD-R, DVD-R: : 有機色素有機色素の化学変化と基板の熱変形の化学変化と基板の熱変形 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR: CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR:

アモルファスと結晶の相変化アモルファスと結晶の相変化 MO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-PhotoMO, MD, GIGAMO, AS-MO, iD-Photo: :

強磁性・常磁性相転移強磁性・常磁性相転移 ホログラフィックメモリホログラフィックメモリ：フォトリフラクティブ効果：フォトリフラクティブ効果 ホールバーニングメモリホールバーニングメモリ：不均一吸収帯：不均一吸収帯

光ディスクの特徴光ディスクの特徴 リムーバブルリムーバブル 大容量・高密度大容量・高密度

現行現行 10Gb/in10Gb/in22 ：：ハードディスクハードディスク (70Gbit/in(70Gbit/in22)) に及ばないに及ばない 超解像、短波長、近接場を利用して超解像、短波長、近接場を利用して 100Gbit/in100Gbit/in22 をめざすをめざす

ランダムアクセスランダムアクセス 磁気テープに比し圧倒的に有利；磁気テープに比し圧倒的に有利；カセットテープ→カセットテープ→ MD, VTR→DVDMD, VTR→DVD ハードディスクに比べるとハードディスクに比べるとシーク時間が長いシーク時間が長い

高信頼性高信頼性 ハードディスクに比し、ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きいヘッドの浮上量が大きい

CD-ROMCD-ROM ポリカーボネート基板： n=1.55 λ=780nm → 基板中の波長 λ’=503nm ピットの深さ :110nm ~ ¼ 波長 反射光の位相差 π ：打ち消し

http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html

CD-RWCD-RW 光相変化ディスク 結晶とアモルファスの間の相変化を利用

http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html

相変化と反射率相変化と反射率初期状態：結晶状態 記録状態：アモルファス状態R: 大

R:小記録消去

レーザスポット

記録マーク

CD-RCD-R

有機色素を用いた有機色素を用いた光記録光記録 光による熱で色素光による熱で色素が分解が分解 気体の圧力により気体の圧力により加熱された基板が加熱された基板が変形変形 ピットとして働くピットとして働く

光磁気ディスク光磁気ディスク 記録：　熱磁気記録：　熱磁気 (( キュリー温度）記録キュリー温度）記録 再生：　磁気光学効果再生：　磁気光学効果 MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3

G G MDMD ：： 6cm6cm 　　 iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)

光磁気媒体光磁気媒体 MOMO ディスクの構造ディスクの構造

ポリカーボネート基板窒化珪素保護膜・（ MOエンハンスメント膜を兼ねる）

MO 記録膜( アモルファス TbFeCo)

Al反射層landgroove 樹脂

レーザ光をレンズで集め磁性体をレーザ光をレンズで集め磁性体を加熱加熱 キュリー温度以上になると磁化を消失キュリー温度以上になると磁化を消失 冷却時冷却時にコイルからの磁界を受けて記録にコイルからの磁界を受けて記録

光磁気記録光磁気記録 情報の記録 情報の記録 (1)(1)

外部磁界 光磁気記録媒体

温度

光スポット

Tc

コイル

M

Tc

補償温度補償温度 ((TTcompcomp)) の利用の利用 アモルファスアモルファス TbFeCoTbFeCo はは　一種のフェリ磁性体なので　一種のフェリ磁性体なので

　補償温度　補償温度 TTcompcomp が存在が存在 TTcompcomp でで HHcc 最大最大 ::

記録磁区安定記録磁区安定

光磁気記録光磁気記録 情報の記録 情報の記録 (2)(2)

T

M TbFeCo

Tcomp

Hc

Mtotal室温TcTbFe,Co

アモルファスアモルファス R-TMR-TM 合金合金

光磁気記録光磁気記録 情報の読み出し 情報の読み出し 磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換

D1

D2

+-

LD

偏光ビームスプリッタS

N

N

S

N

S

差動検出系差動検出系 差動検出による高感度化差動検出による高感度化

偏光

偏光ビームスプリッター

Ｓ偏光

Ｐ偏光

+

－ 出力光センサー

光センサー

超高密度光ディスクへの展開超高密度光ディスクへの展開1.1. 超解像超解像

1.1. MSR/MAMMOSMSR/MAMMOS2.2. Super-RENS (Sb)Super-RENS (Sb)

2.2. 短波長化短波長化3.3. 近接場近接場

1.1. SILSIL2.2. Super-RENS (AgOSuper-RENS (AgOxx))

磁気誘起超解像技術磁気誘起超解像技術 (MSR)(MSR) 光磁気記録では、磁気誘起超解像光磁気記録では、磁気誘起超解像 (MSR)(MSR) 技術が実用化技術が実用化

されており、これを採用したされており、これを採用した GIGAMOGIGAMO では、では、 =650 n=650 nm(m( 赤色レーザ赤色レーザ )) を用いて回折限界を超える直径を用いて回折限界を超える直径 0.30.3mmのマークを読みとっているのマークを読みとっている [1][1]。直径。直径 3.5”3.5” のの GIGAMOGIGAMOの記録密度はの記録密度は 2.5 Gb/in2.5 Gb/in22 程度である。程度である。

次世代規格である次世代規格である ASMOASMO では磁界変調記録法を採用すでは磁界変調記録法を採用することによりることにより 0.235 0.235 mm の小さなマークを記録することの小さなマークを記録することが可能で、面記録密度としては約が可能で、面記録密度としては約 4.6 Gb/in4.6 Gb/in22 程度となる程度となる[2][2]。。[1][1] M. Moribe, M. Maeda, H. Nakayama, M. Yoshida, and K. Shono: M. Moribe, M. Maeda, H. Nakayama, M. Yoshida, and K. Shono: Digest ISOM’Digest ISOM’

01, Th-I-01, Taipei, 200101, Th-I-01, Taipei, 2001..[2] S. Sumi, A. Takahashi and T. Watanabe: J. Magn. Soc. Jpn. 23, Suppl. S1 (199[2] S. Sumi, A. Takahashi and T. Watanabe: J. Magn. Soc. Jpn. 23, Suppl. S1 (199

9) 1739) 173

MSRMSR 方式の図解方式の図解

磁気機能を利用した信号増大磁気機能を利用した信号増大 光磁気記録においてさらに小さなマーク光磁気記録においてさらに小さなマークを十分なを十分な SNSN 比を以て光学的に読みとる比を以て光学的に読みとる方法として、磁区拡大再生方法として、磁区拡大再生 (MAMMOS)(MAMMOS)および磁壁移動再生および磁壁移動再生 (DWDD)(DWDD) という技という技術が開発された。これらは、光磁気記録術が開発された。これらは、光磁気記録特有の再生技術である。特有の再生技術である。

MAMMOSMAMMOS MAMMOSMAMMOS では記録層から読み出し層に転写する際に磁界では記録層から読み出し層に転写する際に磁界

によって磁区を拡大して、レーザー光の有効利用を図りによって磁区を拡大して、レーザー光の有効利用を図り信号強度を稼いでいる信号強度を稼いでいる [1][1]。原理的にはこの技術を用いて。原理的にはこの技術を用いて100 Gb/in100 Gb/in22 の記録密度が達成できるはずで、実験室レベの記録密度が達成できるはずで、実験室レベルでルで 64 Gb/in64 Gb/in22 程度までは実証されているようである程度までは実証されているようである [2][2]。。無磁界無磁界 MAMMOSMAMMOS も開発されている。も開発されている。

[1][1] H. Awano, S. Ohnuki, H. Shirai, and N. Ohta: Appl. Phys. Lett. H. Awano, S. Ohnuki, H. Shirai, and N. Ohta: Appl. Phys. Lett. 6969 (1996) 425 (1996) 4257.7.

[2] A. Itoh, N.Ohta, T. Uchiyama, A. Takahashi, M. Mieda, N. Iketani, Y. Uchihara, [2] A. Itoh, N.Ohta, T. Uchiyama, A. Takahashi, M. Mieda, N. Iketani, Y. Uchihara, M. Nakata, K. Tezuka, H. Awano, S. Imai, and K. Nakagawa: M. Nakata, K. Tezuka, H. Awano, S. Imai, and K. Nakagawa: Digest MORIS/APDigest MORIS/APDSC2000, Oct. 30- Nov. 2, NagoyaDSC2000, Oct. 30- Nov. 2, Nagoya, p. 90., p. 90.

MAMMOSMAMMOS(( 磁区拡大 磁区拡大 MO MO システムシステム ))

DWDDDWDD DWDDDWDD も記録層から読み出し層に転写する点はも記録層から読み出し層に転写する点は MAMA

MMOSMMOS と同じであるが、転写された磁区を読み出しと同じであるが、転写された磁区を読み出し層の温度勾配を利用して磁壁を移動させて拡大する層の温度勾配を利用して磁壁を移動させて拡大するので、磁界を必要としないので、磁界を必要としない [1][1] 。。

ソニーはソニーは 2004.1.82004.1.8 にに DWDDDWDD を用いたを用いた Hi-MD(1GB)Hi-MD(1GB)を発売するとプレス発表を行った。 を発売するとプレス発表を行った。 [2][2]

また、松下が新規格のハンディビデオ用また、松下が新規格のハンディビデオ用 MO(2”, 3GMO(2”, 3GB)B) として商品化を検討した経過があるとして商品化を検討した経過がある [3][3] 。 。

[1][1] T. Shiratori, E. Fujii, Y. Miyaoka, and Y. Hozumi: T. Shiratori, E. Fujii, Y. Miyaoka, and Y. Hozumi: Proc. MORIS1997Proc. MORIS1997, J. Magn. Soc. J, J. Magn. Soc. Jpn. pn. 2222, Suppl.S2 (1997) 47., Suppl.S2 (1997) 47.

[2][2]伊藤大貴：日経エレクトロニクス伊藤大貴：日経エレクトロニクス 204.2.2, p.28204.2.2, p.28[3][3] M. Birukawa, Y. Hino, K. Nishikiori, K. Uchida, T. Shiratori, T. Hiroki, Y. Miyaoka and M. Birukawa, Y. Hino, K. Nishikiori, K. Uchida, T. Shiratori, T. Hiroki, Y. Miyaoka and Y. Hozumi: Y. Hozumi: Proc. MORIS2002Proc. MORIS2002, Trans. Magn. Soc. Jpn. , Trans. Magn. Soc. Jpn. 22 (2002) 273 (2002) 273

DWDD(DWDD( 磁壁移動検出磁壁移動検出 )) 室温状態では、「記録層」の記録マークは、中間の「スイッチ室温状態では、「記録層」の記録マークは、中間の「スイッチング層」を介し、「移動層」に交換結合力で転写されている。ング層」を介し、「移動層」に交換結合力で転写されている。 再生光スポットをディスクの記録トラックに照射することによ再生光スポットをディスクの記録トラックに照射することにより昇温し、中間の「スイッチング層」のキュリー温度以上の領り昇温し、中間の「スイッチング層」のキュリー温度以上の領域では磁化が消滅し、各層間に働いていた交換結合力が解消。域では磁化が消滅し、各層間に働いていた交換結合力が解消。 移動層に転写されていたマークを保持しておく力の一つである移動層に転写されていたマークを保持しておく力の一つである交換結合力が解消されることで、記録マークを形成する磁区の交換結合力が解消されることで、記録マークを形成する磁区の周りの磁壁が、磁壁のエネルギーが小さくなる高い温度領域に周りの磁壁が、磁壁のエネルギーが小さくなる高い温度領域に移動し、小さな記録マークが拡大される移動し、小さな記録マークが拡大される まるでゴムで引っぱられるように、移動層に転写されている磁まるでゴムで引っぱられるように、移動層に転写されている磁区の端（磁壁）が移動。磁壁移動検出方式という名称は、ここ区の端（磁壁）が移動。磁壁移動検出方式という名称は、ここから発想されました。読み出しの時だけ、記録メディアの方が、から発想されました。読み出しの時だけ、記録メディアの方が、記録層に記録された微小な記録マークを虫眼鏡で拡大するかの記録層に記録された微小な記録マークを虫眼鏡で拡大するかのようにふるまうので、レーザービームスポット径より高密度にようにふるまうので、レーザービームスポット径より高密度に記録されていても読み取ることが可能になるわけです。記録されていても読み取ることが可能になるわけです。

キャノンのＨＰより

Sony packs more into mini-discsSony packs more into mini-discsBy Alfred Hermida By Alfred Hermida BBC News Online technology editor in Las Vegas BBC News Online technology editor in Las Vegas Sony has learnt from others that use hard drives or memory cardsSony has learnt from others that use hard drives or memory cards

Sony has packed a lot more into its mini-disc digital music players. Sony has packed a lot more into its mini-disc digital music players. The Japanese electronics giant has developed a new format which can store The Japanese electronics giant has developed a new format which can store

up to 45 hours of music on a single disc, as well as pictures and text. up to 45 hours of music on a single disc, as well as pictures and text. The new Hi-MD players and discs will be available from April, Sony said at thThe new Hi-MD players and discs will be available from April, Sony said at th

e Consumer Electronics Show in Las Vegas. e Consumer Electronics Show in Las Vegas. The mini-disc walkman has been facing tough competition from portable MPThe mini-disc walkman has been facing tough competition from portable MP

3 players, like Apple's iPod, which holds up to 10,000 songs on a hard driv3 players, like Apple's iPod, which holds up to 10,000 songs on a hard drive. e.

"With Hi-MD players, we're giving music lovers more choices," said Todd Sc"With Hi-MD players, we're giving music lovers more choices," said Todd Schrader, Vice President of Marketing for Sony Electronics' portable music ranghrader, Vice President of Marketing for Sony Electronics' portable music range. "Nothing's been left out." e. "Nothing's been left out."

Thursday, 8 January, 2004

近接場記録近接場記録 回折限界を超えた高密度化に欠かせないのが、近接場光学技回折限界を超えた高密度化に欠かせないのが、近接場光学技

術である。術である。 19911991年、年、 BetzigBetzig らは光ファイバーをテーパー状らは光ファイバーをテーパー状に細めたプローブから出る近接場光を用いて回折限界を超えに細めたプローブから出る近接場光を用いて回折限界を超えた光磁気記録ができること、および、このプローブを用いてた光磁気記録ができること、および、このプローブを用いて磁気光学効果による読み出しができることを明らかにし、将磁気光学効果による読み出しができることを明らかにし、将来の高密度記録方式として近接場光がにわかに注目を浴びる来の高密度記録方式として近接場光がにわかに注目を浴びることになったことになった [1][1]。。

日立中研のグループはこの方法が光磁気記録だけでなく光相日立中研のグループはこの方法が光磁気記録だけでなく光相変化記録にも利用できることを明らかにした変化記録にも利用できることを明らかにした [2][2]。しかし、。しかし、このように光ファイバ・プローブを走査するやり方では、高このように光ファイバ・プローブを走査するやり方では、高速の転送レートを得ることができない。速の転送レートを得ることができない。[1][1] E. Betzig, J.K. Trautman, R. Wolfe, E.M. Gyorgy, P.L. Finn, M.H. Kryder a E. Betzig, J.K. Trautman, R. Wolfe, E.M. Gyorgy, P.L. Finn, M.H. Kryder a

nd C.-H. Chang: Appl. Phys. Lett. nd C.-H. Chang: Appl. Phys. Lett. 6161 (1992) 1432 (1992) 1432[2] S. Hosaka, T. Shintani, M. Miyamoto, A. Hirotsume, M. Terao, M. Yoshida, [2] S. Hosaka, T. Shintani, M. Miyamoto, A. Hirotsume, M. Terao, M. Yoshida,

K. Fujita and S. Kammer: Jpn. J. Appl. Phys. K. Fujita and S. Kammer: Jpn. J. Appl. Phys. 3535 (1996) 443. (1996) 443.

SIL (solid immersion lens)SIL (solid immersion lens) 高速の転送レートを得ることができない問題高速の転送レートを得ることができない問題を解決する方法とを解決する方法と

して提案されたのが、して提案されたのが、 SILSIL[1][1]というレンズを用いた光磁気記録というレンズを用いた光磁気記録である。である。

TerrisTerris らは波長らは波長 780 nm780 nm のレーザー光を光源としのレーザー光を光源とし SILSIL 光学系を光学系を使って使って TbFeCoTbFeCo膜に光磁気記録し、直径膜に光磁気記録し、直径 0.2 0.2 mm の磁区が形成さの磁区が形成されることをれることを MFMMFM により確認したにより確認した [2][2]。。

SILSIL を磁気ディスク装置のヘッド・アセンブリを磁気ディスク装置のヘッド・アセンブリ (( いわゆるジンバいわゆるジンバルル )) に搭載して光磁気記録を行うアイデアがに搭載して光磁気記録を行うアイデアが 19941994年年 TerrisTerris らにらにより出されたより出された [3][3]。この方法により、面記録密度。この方法により、面記録密度 2.45 Gb/in2.45 Gb/in22 、、データ転送速度データ転送速度 3.3 Mbps3.3 Mbps を達成している。を達成している。

鈴木らは鈴木らは MFM(MFM( 磁気力顕微鏡磁気力顕微鏡 )) を用いて、を用いて、 SILSIL 記録されたマーク記録されたマークを観測しを観測し 2 Gmarks/in2 Gmarks/in22 を達成していると発表したを達成していると発表した [4][4]。。

[1][1] S.M. Mansfield and G. Kino: Appl. Phys. Lett. S.M. Mansfield and G. Kino: Appl. Phys. Lett. 5757 (1990) 2615. (1990) 2615.[2] B. D. Terris, H.J. Maminn and D. Ruger: Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 141.[2] B. D. Terris, H.J. Maminn and D. Ruger: Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 141.[3] B.D.Terris, H.J. Mamin, D. Ruger, W.R. Studenmund and G.S.Kino: Appl. Phys, Lett. [3] B.D.Terris, H.J. Mamin, D. Ruger, W.R. Studenmund and G.S.Kino: Appl. Phys, Lett. 6565

(1994) 388.(1994) 388.[4] P. Glijer, T. Suzuki, and B. Terris: J. Magn. Soc. Jpn. [4] P. Glijer, T. Suzuki, and B. Terris: J. Magn. Soc. Jpn. 2020 Suppl.S1 (1996) 297. Suppl.S1 (1996) 297.

SIL (solid immersion lens)SIL (solid immersion lens)

R. Gambino and T.Suzuki: Magneto-Optical Recording Materilas (IEEE Press, 1999)

SILSIL を用いた光記録を用いた光記録

短波長化短波長化 DVD-ROMDVD-ROM:405nm:405nm のレーザを用い、のレーザを用い、 track pitch =0.26track pitch =0.26mm 、、

mark length=0.213mark length=0.213mm のの disk(disk( 容量容量 25GB)25GB) をを NA=0.85NA=0.85 ののレンズを用いて再生することに成功レンズを用いて再生することに成功 [i][i]。。 [i][i] M. Katsumura, et al.: M. Katsumura, et al.: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose,Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. p.

18.18. DVD-RWDVD-RW:405nm:405nm のレーザを用い、のレーザを用い、 track pitch=0.34track pitch=0.34mm 、、

mark length=0.29mark length=0.29mm 、層間間隔、層間間隔 3535mm の２層ディスクの２層ディスク (( 容容量量 27GB27GB)) のの NA=0.65NA=0.65 のレンズで記録再生を行い、のレンズで記録再生を行い、 33Mbps33Mbpsの転送レートを達成の転送レートを達成 [ii][ii] 。。[ii][ii] T. Akiyama, M. Uno, H. Kitaura, K. Narumi, K. Nishiuchi and N. YamadT. Akiyama, M. Uno, H. Kitaura, K. Narumi, K. Nishiuchi and N. Yamada: a: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, ChitoseDigest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. 116., p. 116.

青紫レーザ青紫レーザとと SILSIL による記録再生による記録再生

青紫色レーザ

ＳＩＬヘッドNA=1.5405nm80nm mark40GB

I. Ichimura et. al. (Sony), ISOM2000FrM01

熱磁気記録熱磁気記録 // 磁束検出法磁束検出法Slider

LD, PD

MO recording film

Arm

Magnetic coil for recording GMR element for reading

助田による

光アシストハードディスク光アシストハードディスク

H. Saga et al. DigestMORIS/APDSC2000, TuE-05, p.92.

青紫色レーザ

TbFeCodisk

再生用磁気ヘッド

記録用光ヘッド(SIL)

60Gbit/in2 を達成

プレーナ・プラズモンヘッド（記録） 偏光制御ヘッドシステム（再生）

高効率 高分解能 高生産性近接場光 スポット径 ＜ 20nm効率 ＞ 10%

++++--- -

高 C/N 比

導波路

小型薄型化微小開口（～ 20nm 径）

近接場光記録ヘッド　　＋　　近接場光再生ヘッド

LD

サスペンション

アクチュエータ

媒体ヘッド

高効率記録 / 高 S/N 再生の各ﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ技術の両立により、ﾃﾗﾋﾞｯﾄ記録を実用化

ハイブリッドヘッド　（記録・再生の最適なハイブリッドヘッド　（記録・再生の最適な組合せ）組合せ）

革新的技術をめざして革新的技術をめざして (1)(1) 体積ホログラフィ体積ホログラフィ

干渉を利用して光の位相情報を記録干渉を利用して光の位相情報を記録 位置のシフトにより、異なる情報を体積的に記録位置のシフトにより、異なる情報を体積的に記録 フォトリフラクティブ結晶、フォトポリマーの開発フォトリフラクティブ結晶、フォトポリマーの開発 空間光変調器空間光変調器 (SLM)(SLM) の進歩：の進歩：

ディジタルマイクロミラーディジタルマイクロミラー (DMD)(DMD) などなど 高感度光検出器アレーの出現：高感度光検出器アレーの出現：

CMOSCMOS型アクティブピクセルデテクタ型アクティブピクセルデテクタ (APD)(APD)

革新的技術をめざして革新的技術をめざして (2)(2) ホールバーニングメモリホールバーニングメモリ

波長多重記録波長多重記録 不均一吸収帯内の特定波長の吸収を消滅して記録不均一吸収帯内の特定波長の吸収を消滅して記録 無機物：無機物：

アルカリハライドの色中心の電子励起とトラッピングアルカリハライドの色中心の電子励起とトラッピング 絶縁物中の希土類イオンや遷移金属イオンの電子励起吸収帯絶縁物中の希土類イオンや遷移金属イオンの電子励起吸収帯 EuEu+3+3: Y: Y22SiOSiO55 を用いてホールバーニングによるホログラフィック動を用いてホールバーニングによるホログラフィック動画記録に成功している画記録に成功している [i][i]。。

[i][i]光永正治，上杉　直，佐々木光永正治，上杉　直，佐々木 浩子，唐木浩子，唐木 幸一幸一 :: 応用物理応用物理 , , 6464 (1995) (1995) 250.250.

有機物：有機物： 光互変異性、水素結合の光最配位、光イオン化などの光吸収帯光互変異性、水素結合の光最配位、光イオン化などの光吸収帯

低温が必要低温が必要 常温で動作する材料開発が課題常温で動作する材料開発が課題

光通信デバイスと磁気光学材料光通信デバイスと磁気光学材料

http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html

要素技術１要素技術１半導体レーザ半導体レーザ LEDLED 構造において、劈開面を用いたキ構造において、劈開面を用いたキャビティ構造を用いるとともに、ダブルャビティ構造を用いるとともに、ダブルヘテロ構造により、光とキャリアを活性ヘテロ構造により、光とキャリアを活性層に閉じ込め、反転分布を作る。層に閉じ込め、反転分布を作る。 DFBDFB 構造をとることで特定の波長のみ構造をとることで特定の波長のみを選択している。を選択している。

半導体レーザーの構造半導体レーザーの構造

http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html

半導体レーザーの動作特性半導体レーザーの動作特性

電流 vs発光強度 発光スペクトル

佐藤勝昭編著「応用物性」（オーム社）

LED動作

ダブルヘテロ構造ダブルヘテロ構造 活性層活性層

(GaAs)(GaAs) をバをバンドギャップンドギャップの広い材料での広い材料でサンドイッチ：サンドイッチ：ダブルヘテロダブルヘテロ(DH)(DH) 構造４構造４

http://www.ece.concordia.ca/~i_statei/vlsi-opt/

ＤＨレーザーＤＨレーザー 光とキャリアの閉じこめ光とキャリアの閉じこめ

バンドギャップの小さな半導体をバンドギャップバンドギャップの小さな半導体をバンドギャップの大きな半導体でサンドイッチ：高い濃度の電子の大きな半導体でサンドイッチ：高い濃度の電子・ホールの活性層に閉じこめ・ホールの活性層に閉じこめ 屈折率の高い半導体屈折率の高い半導体 (( バンドギャップ小バンドギャップ小 )) を屈折を屈折率の低い半導体率の低い半導体 (( バンドギャップ大バンドギャップ大 )) でサンドイでサンドイッチ：全反射による光の閉じこめッチ：全反射による光の閉じこめ

DFBDFB レーザー　　レーザー　　 11 波長の光しかでないレーザ。つまり、通信時に信号の波長の光しかでないレーザ。つまり、通信時に信号の

波がずれることがないので、高速・遠距離通信が可能。波がずれることがないので、高速・遠距離通信が可能。 （通信速度：（通信速度： Gb/s = 1Gb/s = 1秒間に秒間に 1010億回の光を点滅する。億回の光を点滅する。電話を電話を 11 度に約度に約 22万本通話させることができます万本通話させることができます ))

http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html

要素技術２要素技術２光ファイバー光ファイバー 材料：溶融石英材料：溶融石英 (fused (fused

silica SiOsilica SiO22)) 構造：同心円状にコア構造：同心円状にコア層、クラッド層、保護層、クラッド層、保護層を配置層を配置 光はコア層を全反射に光はコア層を全反射によって長距離にわたりよって長距離にわたり低損失で伝搬低損失で伝搬

東工大影山研 HP より

http://www.miragesofttech.com/ofc.htm

全反射全反射

臨界角c

媒質 2

媒質 1

ic

ic

エバネセント波

全反射とエバネセント波

光ファイバーの伝搬損失光ファイバーの伝搬損失 短波長側の伝送短波長側の伝送損失はレーリー損失はレーリー散乱散乱 長波長側の伝送長波長側の伝送損失は分子振動損失は分子振動による赤外吸収による赤外吸収 1.4μm1.4μm付近の損付近の損失は失は OHOH の分子の分子振動による振動による

佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）

Physics 　 Today 　 Online によるhttp://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html

光ファイバーの減衰と分散光ファイバーの減衰と分散 減衰：光強度の減衰減衰：光強度の減衰 分散：波形の乱れ分散：波形の乱れ

http://www.tpub.com/neets/tm/106-13.htm

ＱＵＩＺＱＵＩＺ 低損失ファイバーの減衰は低損失ファイバーの減衰は 0.2dB/km0.2dB/km であである。東京から富士山まで約る。東京から富士山まで約 100km100km として、として、光強度はもとのなん％に落ちるか。ここで光強度はもとのなん％に落ちるか。ここではは powerpower の損失に対するの損失に対する dBdB の定義の定義

dB=10log(IdB=10log(I00/I)/I) を使って下さい。を使って下さい。

要素技術３要素技術３光検出光検出 フォトダイオードを用いるフォトダイオードを用いる 高速応答の光検出が必要高速応答の光検出が必要 pinpin フォトダイオードまたはショットキー接フォトダイオードまたはショットキー接合フォトダイオードが使われる。合フォトダイオードが使われる。

通信用通信用 PDPD の材料としてはバンドギャップのの材料としてはバンドギャップの小さな小さな InGaAsInGaAs などが用いられる。などが用いられる。

光検出光検出 Pin-PDPin-PD Schottky PDSchottky PD 応答性は、空乏層を応答性は、空乏層を

キャリアが走行するキャリアが走行する時間と静電容量で決ま時間と静電容量で決まる。る。

このため、空乏層をこのため、空乏層を薄くするとともに、薄くするとともに、接合の面積を小さく接合の面積を小さくしなければならない。しなければならない。

Andrew Davidson, Focused Research Inc. and Kathy Li Dessau, New Focus Inc.

要素技術４要素技術４光中継：ファイバーアンプ光中継：ファイバーアンプ 光ファイバー中の光信号は１００光ファイバー中の光信号は１００kmkm 程度の距離程度の距離

を伝送されると、を伝送されると、 2020ｄＢ（百分の一に）減衰すｄＢ（百分の一に）減衰する。これをもとの強さに戻すために光ファイる。これをもとの強さに戻すために光ファイバーアンプと呼ばれる光増幅器が使われている。バーアンプと呼ばれる光増幅器が使われている。

光増幅器は、エルビウム（光増幅器は、エルビウム（ ErEr ）イオンをドープ）イオンをドープした光ファイバー（ＥＤＦした光ファイバー（ＥＤＦ :Erbium Doped Fiber:Erbium Doped Fiber ））と励起レーザーから構成されており、励起光といと励起レーザーから構成されており、励起光といわれる強いレーザーと減衰した信号光を同時にＥわれる強いレーザーと減衰した信号光を同時にＥＤＦ中に入れることによって、ＤＦ中に入れることによって、 ErErイオンの誘導イオンの誘導増幅作用により励起光のエネルギーを利用して信増幅作用により励起光のエネルギーを利用して信号光を増幅することができる。号光を増幅することができる。

旭硝子の HPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.html より

エルビウムの増幅作用エルビウムの増幅作用 エルビウム（エルビウム（ ErEr ）イオンをドープしたガラスは、）イオンをドープしたガラスは、 980nm980nm やや 14801480

nmnm の波長の光を吸収することによっての波長の光を吸収することによって 1530nm1530nm付近で発光する。付近で発光する。この発光による誘導放出現象を利用することによって光増幅が可能この発光による誘導放出現象を利用することによって光増幅が可能になる。になる。具体的には、ＥＤＦに増幅用のレーザー光を注入すると、具体的には、ＥＤＦに増幅用のレーザー光を注入すると、 ErErイオイオンがレーザー光のエネルギーを吸収し、エネルギーの高い状態にンがレーザー光のエネルギーを吸収し、エネルギーの高い状態に一旦励起され、励起された状態から元のエネルギーの低い状態に戻一旦励起され、励起された状態から元のエネルギーの低い状態に戻るときに、信号光とほぼ同じのるときに、信号光とほぼ同じの 1530nm1530nm前後の光を放出する（誘前後の光を放出する（誘導放出現象）。信号光は、この光のエネルギーをもらって増幅され導放出現象）。信号光は、この光のエネルギーをもらって増幅される。る。

ErEr をドープするホストガラスの組成によって、この発光の強度やをドープするホストガラスの組成によって、この発光の強度やスペクトル幅（帯域）が変化する。発光が広帯域であれば、光増幅スペクトル幅（帯域）が変化する。発光が広帯域であれば、光増幅できる波長域も広帯域になる。できる波長域も広帯域になる。

旭硝子の HPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.html より

要素技術５要素技術５光アイソレータ光アイソレータ 光アイソレータ：光を一方向にだ光アイソレータ：光を一方向にだけ通す光デバイス。け通す光デバイス。 光通信に用いられている半導体レ光通信に用いられている半導体レーザーザ (LD)(LD)や光アンプは、光学部や光アンプは、光学部品からの戻り光により不安定な動品からの戻り光により不安定な動作を起こす。作を起こす。 光アイソレータ：出力変動・周波光アイソレータ：出力変動・周波数変動・変調帯域抑制・数変動・変調帯域抑制・ LDLD破壊破壊などの戻り光による悪影響を取りなどの戻り光による悪影響を取り除き、除き、 LDLDや光アンプを安定化すや光アンプを安定化するために必要不可欠な光デバイス。るために必要不可欠な光デバイス。

信光社 http://www.shinkosha.com/products/optical/

要素技術６要素技術６波長多重波長多重 (WDM=wavelength (WDM=wavelength division multiplexing)division multiplexing)

この方式は、波長の異なる光信号を同時にファイバー中を伝この方式は、波長の異なる光信号を同時にファイバー中を伝送させる方式であり、多重化されたチャンネルの数だけ伝送送させる方式であり、多重化されたチャンネルの数だけ伝送容量を増加させることができる。容量を増加させることができる。 通信用光ファイバーは、通信用光ファイバーは、 14501450～～ 1650nm1650nm の波長域の伝送損の波長域の伝送損失が小さい失が小さい (0.3dB/km(0.3dB/km 以下以下 )) ため、原理的にはこの波長域全ため、原理的にはこの波長域全体を有効に使うことができる。 体を有効に使うことができる。

光通信における光通信における磁気光学デバイスの位置づけ磁気光学デバイスの位置づけ 戻り光は、戻り光は、 LDLD の発振を不安定にしノイズ発生の原の発振を不安定にしノイズ発生の原因になる→アイソレータで戻り光を阻止。因になる→アイソレータで戻り光を阻止。

WDMWDM の光アドドロップ多重の光アドドロップ多重 (OADM)(OADM) においてファイにおいてファイバグレーティングと光サーキュレータを用いて特定バグレーティングと光サーキュレータを用いて特定波長を選択 波長を選択

EDFAEDFA の前後にアイソレータを配置して動作を安定の前後にアイソレータを配置して動作を安定化。ポンプ用レーザについても戻り光を阻止化。ポンプ用レーザについても戻り光を阻止

光アッテネータ、光スイッチ光アッテネータ、光スイッチ

半導体レーザモジュール用アイソレ半導体レーザモジュール用アイソレータータOptical isolator for LD module

Optical fiberSignal source

Laser diode module

光アドドロップとサーキュレータ光アドドロップとサーキュレータ

光サーキュレータ光サーキュレータ

A

B

C

D

光ファイバ増幅器と光ファイバ増幅器とアイソレータアイソレータ

偏光依存アイソレータ偏光依存アイソレータ

偏光無依存アイソレータ偏光無依存アイソレータ

Fiber 2 Fiber 1

Forward direction

Reverse direction

½ waveplate C

Birefringent plate B2

B2B1 F C

Birefringent plate B1

Fiber 2 Fiber 1

Faraday rotator F

磁気光学サーキュレータ磁気光学サーキュレータPrism polarizer A Faraday rotator

Prism polarizer B

Half wave plate

Port 1

Port 3

Port 2

Port 4

Reflection prism

アイソレータの今後の展開アイソレータの今後の展開導波路形アイソレータ導波路形アイソレータ 小型・軽量・低コスト化小型・軽量・低コスト化 半導体レーザとの一体化半導体レーザとの一体化 サイズ：波長と同程度→薄膜サイズ：波長と同程度→薄膜 // 空気界面、あ空気界面、あるいは、薄膜るいは、薄膜 // 基板界面の境界条件重要基板界面の境界条件重要 タイプ：タイプ：

磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要 リブ形リブ形 分岐導波路形分岐導波路形

導波路形アイソレータ導波路形アイソレータ

腰塚による腰塚による

マッハツェンダー形アイソレータマッハツェンダー形アイソレーターー

リブ形アイソレータリブ形アイソレータ

磁性ガーネット磁性ガーネット 磁性ガーネット：磁性ガーネット：

YIG(YYIG(Y33FeFe55OO1212)) をベースをベースとすとする鉄酸化物；る鉄酸化物； Y→Y→希土類、希土類、 BiBiに置換して物性制御に置換して物性制御 33 つのカチオンサイト：つのカチオンサイト：

希土類希土類：： 1212面体位置面体位置を占有を占有 鉄鉄 FeFe3+3+ ：：４面体位置４面体位置とと８面８面体位置体位置、反強磁性結合、反強磁性結合 フェリ磁性体フェリ磁性体 ガーネットの結晶構造

電荷移動型電荷移動型 (CT)(CT)遷移　遷移　(( 強い光吸収強い光吸収 )2.5eV)2.5eV

配位子場遷移配位子場遷移((弱い光吸収弱い光吸収 )) ４面体配位４面体配位：： 2.03eV2.03eV ８面体配位８面体配位：：

1.77eV,1.37eV,1.26eV1.77eV,1.37eV,1.26eV

YIGYIG の光吸収スペクトルの光吸収スペクトル

磁性ガーネットの磁性ガーネットの 3d3d552p2p66 電子電子状態状態

6S (6A1, 6A1g)

6P (6T2, 6T1g)

without perturbation

spin-orbit interaction tetrahedral

crystal field (Td)

octahedral crystal field

(Oh)

J=7/2

J=5/2

J=3/2

5/2

-3/2

-

Jz=

3/27/2

3/2

3/2

5/2 -5/2

-3/2

-3/2

-3/2

-7/2

Jz=

P+ P- P+ P-

品川による

YIGYIG の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル 電荷移動型遷移を多電電荷移動型遷移を多電子系として扱い計算。子系として扱い計算。 experiment

calculation

300 400 500 600wavelength (nm)

Faraday rotation (arb. unit)

0

-2

0

+2

Fara

day

rota

tion

(deg

/cm

)

0.4

x104

0.8

-0.4

(a)

(b)

BiBi 置換磁性ガーネット置換磁性ガーネット BiBi ：１２面体位置を置換：１２面体位置を置換 ファラデー回転係数：ファラデー回転係数： BiBi置換量に比例して増加置換量に比例して増加。。 BiBi のもつのもつ大きなスピン軌大きなスピン軌道相互作用道相互作用が原因。が原因。 BiBi置換によって吸収は増置換によって吸収は増加しないので結果的に加しないので結果的に性性能指数が向上能指数が向上

BiBi 置換置換 YIGYIG の磁気光学スペクトの磁気光学スペクトルル実験結果と計算結果実験結果と計算結果

スペクトルの計算スペクトルの計算 3d3d=300cm=300cm-1-1,, 2p2p=50cm=50cm-1-1 for YIG for YIG 2p2p=2000cm=2000cm-1-1 for Bi for Bi0.30.3YY2.72.7IGIG

K.Shinagawa:Magneto-Optics, eds. Sugano, Kojima,Springer, 1999, Chap.5, 137

II-VIII-VI 系希薄磁性半導体の系希薄磁性半導体の結晶構造と組成存在領域結晶構造と組成存在領域 

Material Crystal structure

Range ofComposition

Zn1-xMnxS ZBWZ

0<x<0.100.10<x0.45

Zn1-xMnxSe ZBWZ

0<x0.300.30<x0.57

Zn1-xMnxTe ZB 0<x0.86

Cd1-xMnxS WZ 0<x0.45

Material Crystal structure

Range ofComposition

Cd1-xMnxSe WZ 0<x0.50

Cd1-xMnxTe ZB 0<x0.77

Hg1-xMnxS ZB 0<x0.37

Hg1-xMnxSe ZB 0<x0.38

Hg1-xMnxTe ZB 0<x0.75

II-VI DMS II-VI DMS の格子パラメータの格子パラメータ

J. K. Furdyna et al., J. Solid State Chem. 46, (1983) 349

XRD EXAFS

B. A. Bunker et al., Diluted Magnetic (Semimagnetic) Semiconductors, (MRS., Pittsburg, 1987) vol.89, p. 231

CdCd1-1-xxMnMnxxTeTe におけるにおけるバンドギャップ のバンドギャップ の MnMn 濃度依存性濃度依存性

CdCd1-x1-xMnMnxxTeTe のバルク成長のバルク成長 ブリッジマン法ブリッジマン法

出発原料出発原料 : Cd, Mn, Te: Cd, Mn, Te元素 元素 石英管に真空封入石英管に真空封入 4 mm/h4 mm/h の速度でるつぼを降下させる。 の速度でるつぼを降下させる。 融点融点 : 1100: 1100°C°C WZ (WZ ( 高温相高温相 ) ) →→ ZB ( ZB (低温相低温相 ) ) 相転位（温度低下）相転位（温度低下）

過剰融液組成→相晶を防ぐ効果過剰融液組成→相晶を防ぐ効果

CdMnTeCdMnTe の磁気光学スペクトルの磁気光学スペクトル II-VIII-VI族希薄磁性半導体：族希薄磁性半導体：

Eg(Eg( バンドギャップバンドギャップ )) ががMnMn濃度とともに高エネ濃度とともに高エネルギー側にシフトルギー側にシフト

磁気ポーラロン効果磁気ポーラロン効果 ((伝伝導電子スピンと局在磁導電子スピンと局在磁気モーメントが気モーメントが sdsd 相互相互作用→巨大ｇ値：バン作用→巨大ｇ値：バンドギャップにおける磁ドギャップにおける磁気光学効果気光学効果 小柳らによる

Furdyna による

半導体とアイソレータの一体化半導体とアイソレータの一体化 貼り合わせ法貼り合わせ法

半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→格子不整合の格子不整合のため困難ため困難

ガーネット膜を作っておき、半導体基板にガーネット膜を作っておき、半導体基板に貼り合わせ貼り合わせる方法る方法が提案されているが提案されている

希薄磁性半導体の利用希薄磁性半導体の利用 DMSDMS の結晶構造の結晶構造 :GaAs:GaAs と同じ閃亜鉛鉱型→と同じ閃亜鉛鉱型→ 半導体レーザとの一体化の可能性。 半導体レーザとの一体化の可能性。 導波路用途の導波路用途の面内光透過の良質の薄膜作製面内光透過の良質の薄膜作製困難。 困難。 安藤ら：安藤ら： GaAsGaAs 基板上に基板上に MBEMBE 法で法で CdMnTeCdMnTe の薄膜を作の薄膜を作製。製。バッファ層：バッファ層： ZnTe, CdTeZnTe, CdTe 層層

電流磁界センサ電流磁界センサ

電流センサ電流センサBefore installation After installation

Magnetic core

Hook

Magneto-optical sensor head

Fastening screw

Optical fiber

Fail-safe string

Aerial wire

光ファイバ磁界センサ光ファイバ磁界センサ