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第 9 回講義 磁気光学効果の応用

第 9 回講義 磁気光学効果の応用 . 物性物理学特論. 佐藤勝昭. これまでの講義・これからの講義. 2002.9.30( 月 ): 第 1 回　序論 2002.10.7( 月 ): 第 2 回　磁気光学効果とは何か。 2002.10.21( 月 ): 第 3 回　光と磁気の現象論 (1) 2002.10.28( 月 ): 第 4 回　光と磁気の現象論 (2) 2002.11.11( 月 ): 第 5 回　光と磁気の現象論 (2) 2002.11.18( 月 ): 第 6 回　光と磁気の電子論 (1) 古典電子論

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第 9 回講義 磁気光学効果の応用

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Presentation Transcript

  1. 第9回講義磁気光学効果の応用 物性物理学特論 佐藤勝昭

  2. これまでの講義・これからの講義 2002.9.30(月): 第1回　序論 2002.10.7(月): 第2回　磁気光学効果とは何か。 2002.10.21(月): 第3回　光と磁気の現象論(1) 2002.10.28(月): 第4回　光と磁気の現象論(2) 2002.11.11(月): 第5回　光と磁気の現象論(2) 2002.11.18(月): 第6回　光と磁気の電子論(1)古典電子論 2002.12.2(月): 第7回　光と磁気の電子論(2)量子論 [2002.12.9: 休講：応用物理学会「スピントロニクスセミナー」のため] 2002.12.16(月):第8回　磁気光学スペクトルと電子構造 2003.1.9(木): 第9回　磁気光学効果の応用 2003.1.20(月):第10回　磁気光学効果研究の最近の展開

  3. 磁気光学効果の応用 • 光磁気記録(Magneto-optical recording) • 光通信用磁気光学デバイス(Magneto-optical devices for optical communication) • 電流・磁界センサー(Current and magnetic field sensors) • 磁区観察(Magnetic domain observation)

  4. 光磁気記録

  5. 光記録の分類 • 光ディスク • 再生専用のもの • CD, CD-ROM, DVD-ROM • 記録可能なもの • 追記型(１回だけ記録できるもの) • CD-R, DVD-R • 書換型(繰り返し記録できるもの) • 光相変化 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW, DVR, Blue-ray disk • 光磁気: MO, GIGAMO, MD, MD-Data, 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

  6. 光記録の特徴 • リムーバブル • 大容量・高密度 • 現行のもの：ハードディスク(20Gbit/in2)に及ばない • 超解像、短波長、近接場を利用して100Gbit/in2をめざす • ランダムアクセス • 磁気テープに比し圧倒的に有利；カセットテープ→MD, VTR→DVD • ハードディスクに比べるとシーク時間がかかる • 高信頼性 • ハードディスクに比し、ヘッドの浮上量が大きい

  7. 光相変化記録 • アモルファス/結晶の相変化を利用 • 書換可能型成膜初期状態のアモルファスを熱処理により結晶状態に初期化しておきレーザ光照射により融点Tm (600℃)以上に加熱後急冷させアモルファスとして記録。消去は結晶化温度Tcr(400℃)以下の加熱緩冷して結晶化。 • Highレベル：Tm以上に加熱→急冷→アモルファス • Lowレベル：Tcr以上に加熱→緩冷→結晶化 DVD-RAM:GeSbTe系 DVD±RW: Ag-InSbTe系

  8. 記録状態：アモルファス状態 初期状態：結晶状態 R:大 R:小 記録 消去 レーザスポット 記録マーク 相変化と反射率

  9. 光磁気記録 • 記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 • 光を用いてアクセスする磁気記録 • 再生：　磁気光学効果 • 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換 • MO, MDに利用 • 互換性が高い • 書き替え耐性高い：1000万回以上 • ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要） • MSR, MAMMOSなど新現象の有効利用可能

  10. 光磁気ディスク • 記録：　熱磁気(キュリー温度）記録 • 再生：　磁気光学効果 • MO: 3.5” 128→230→650→1.3G→2.3G • MD(6cm) • iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)

  11. 光磁気記録の歴史 • 1962 Conger,Tomlinson 光磁気メモリを提案 • 1967 Mee Fan ビームアドレス方式の光磁気記録の提案 • 1971 Argard (Honeywel) MnBi薄膜を媒体としたMOディスクを発表 • 1972 Suits(IBM) EuO薄膜を利用したMOディスクを試作 • 1973 Chaudhari(IBM) アモルファスGdCo薄膜に熱磁気記録（補償温度記録） • 1976 Sakurai(阪大) アモルファスTbFe薄膜にキュリー温度記録 • 1980 Imamura(KDD) TbFe系薄膜を利用したMOディスクを発表 • 1981 Togami(NHK) GdCo系薄膜MOディスクにTV動画像を記録 • 1988 各社 5”MOディスク(両面650MB)発売開始 • 1889 各社 3.3 ”MOディスク(片面128MB)発売開始 • 1991 Aratani(Sony) MSR(磁気誘起超解像）を発表 • 1992 Sony MD(ミニディスク）を商品化 • 1997 Sanyo他 ASMO(5”片面6GB：L/G, MFM/MSR)規格発表 • 1998 Fujitsu他 GIGAMO(3.5”片面1.3GB)発売開始 • 2001 Sanyo ディジカメ用iD-Photo(2”, 780MB)発売 • 2002 Canon-松下 ハンディカメラ用2“3GBディスク発表

  12. 光磁気媒体 • MO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） Al反射層 MO記録膜 (アモルファスTbFeCo) groove land 樹脂

  13. 光磁気記録 情報の記録(1) • レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 • キュリー温度以上になると磁化を消失 • 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録 M Tc 温度 Tc 光スポット 光磁気記録媒体 外部磁界 コイル

  14. 光磁気記録 情報の記録(2) • 補償温度(Tcomp)の利用 • アモルファスTbFeCoは 　一種のフェリ磁性体なので 　補償温度Tcompが存在 • TcompでHc最大: • 記録磁区安定 Hc M Tb FeCo Mtotal 室温 Fe,Co T Tb Tcomp Tc

  15. アモルファスR-TM合金

  16. S N N N S S 光磁気記録 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 D1 + - LD D2 偏光ビーム スプリッタ

  17. MOドライブ

  18. Bias field coil Recorded marks Track pitch Focusing lens MO film Rotation of polarization Beam splitter lens mirror PBS (polarizingbeamsplitter) Half wave-plate Laser diode Photo-detector MOドライブの光ヘッド

  19. ２種類の記録方式 • 光強度変調(LIM)：現行のMOディスク • 電気信号で光を変調 • 磁界は一定 • ビット形状は長円形 • 磁界変調(MFM)：現行MD, iD-Photo • 電気信号で磁界を変調 • 光強度は一定 • ビット形状は矢羽形

  20. (a) (b) 記録ビットの形状

  21. Hext 1st layer 1st layer Wall AF 2nd layer 2nd layer (a)A-type (b)A-type Hext 1st layer 1st layer F Domain wall Wall 2nd layer 2nd layer (a)P-type P-type 交換結合膜

  22. LIMDOW　（オーバライト） Laser beam PL Laser beam PH PL Bias field (↓) PH Cooling process

  23. 超高密度光ディスクへの展開 • 超解像 • MSR/MAMMOS • Super-RENS (Sb) • 短波長化 • 近接場 • SIL • Super-RENS (AgOx)

  24. α MSR(磁気誘起超解像) • 解像度は光の回折限界から決まる • d=0.6λ/NA (ここにNA=n sinα) • 波長以下のビットは分解しない • 記録層と再生層を分離 • 読み出し時のレーザの強度分布を利用 • ある温度を超えた部分のみを再生層に転写する d

  25. MSR方式の図解

  26. MSRの分類 • 高温部が光スポットのやや後方に偏ることを利用 • FAD (front aperture detection) 読み出し層の記録マークの後ろの部分をマスクして、開口を小さくする。 • RAD (rear aperture detection) 読み出し層を磁界によって消去しておき、高温部で記録層から転写する。 • CAD(center aperture detection) 記録層の上に面内磁気異方性をもつ読み出し膜を重ねておき、レーザ光で加熱すると中心部のみの異方性が変化し、交換結合により記録層から読み出し層に転写

  27. ASMO Technologies

  28. MAMMOS(magnetic amplification MO system)

  29. DWDD(磁壁移動検出) • 読み込みの時だけ、磁壁が移動して記録マークを拡大 • 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ます。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移動し、小さな記録マークが拡大される・・・それが、DWDDの大まかな原理です。 • 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。 キャノンのＨＰより

  30. 移動層 スイッチング層 記録層 DWDD概念図 原理的には再生上の分解能の限界がない。

  31. 光磁気記録をもたらしたもの • 長期にわたる研究の積み重ね • アモルファス希土類遷移金属膜の発見 • 半導体レーザの進歩・短波長化・低価格化 • 光エレクトロニクス技術（例えばサーボ技術） • 信号処理技術の進歩(例えばMDの圧縮技術) • パソコンの大容量化による市場のニーズ • 厳しい競争(HDD, ZIP, CD-R, CDRW, DVD-RW)

  32. Sb膜：光吸収飽和 波長より小さな窓を開ける AgOx膜：分解・Ag析出 散乱体→近接場 Agプラズモン→光増強 可逆性あり。 相変化媒体だけでなく光磁気にも適用可能 Super-RENSsuper-resolution near-fieldsystem 高温スポット 近接場散乱

  33. 短波長化 • DVD-ROM:405nmのレーザを用い、track pitch =0.26m、mark length=0.213mのdisk(容量25GB)をNA=0.85のレンズを用いて再生することに成功[i]。 [i]M. Katsumura, et al.: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. 18. • DVD-RW:405nmのレーザを用い、track pitch=0.34m、mark length=0.29m、層間間隔35mの２層ディスク(容量27GB)のNA=0.65のレンズで記録再生を行い、33Mbpsの転送レートを達成[ii]。[ii]T. Akiyama, M. Uno, H. Kitaura, K. Narumi, K. Nishiuchi and N. Yamada: Digest ISOM2000, Sept. 5-9, 2000, Chitose, p. 116.

  34. 青紫レーザとSILによる記録再生 NA=1.5 405nm 80nm mark 40GB ＳＩＬヘッド 青紫色レーザ I. Ichimura et. al. (Sony), ISOM2000 FrM01

  35. SIL (solid immersion lens)

  36. SILを用いた光記録

  37. 熱磁気記録/磁束検出法 Magnetic coil for recording GMR element for reading LD, PD Slider MO recording film Arm 助田による

  38. 光アシストハードディスク 青紫色 レーザ 記録用 光ヘッド (SIL) 再生用 磁気ヘッド 60Gbit/in2を達成 H. Saga et al. Digest MORIS/APDSC2000, TuE-05, p.92. TbFeCo disk

  39. - - + + - - + + ハイブリッドヘッド　（記録・再生の最適な組合せ） アクチュエータ LD 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 媒体 サスペンション ヘッド 近接場光記録ヘッド　　＋　　近接場光再生ヘッド 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） 導波路 微小開口 （～20nm径） 近接場光 スポット径 ＜20nm 効率 ＞10% 小型薄型化 高C/N比 高効率 高分解能 高生産性

  40. 革新的技術をめざして(1) • 体積ホログラフィ • 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 • 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(SLM)の進歩： • ディジタルマイクロミラー(DMD)など • 高感度光検出器アレーの出現： • CMOS型アクティブピクセルデテクタ(APD)

  41. 革新的技術をめざして(2) • ホールバーニングメモリ • 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 • 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 • 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 • Eu+3: Y2SiO5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[i]。[i]光永正治，上杉　直，佐々木浩子，唐木幸一:応用物理, 64 (1995) 250. • 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 • 低温が必要 • 常温で動作する材料開発が課題

  42. 光通信と磁気光学

  43. 光通信における磁気光学デバイスの位置づけ • 戻り光は、LD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。 • WDMの光アドドロップ多重(OADM)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波長を選択 • EDFA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 • 光アッテネータ、光スイッチ

  44. Optical isolator for LD module Optical fiber Signal source Laser diode module 半導体レーザモジュール用アイソレータ

  45. 光アドドロップとサーキュレータ

  46. 光ファイバ増幅器とアイソレータ

  47. 偏光依存アイソレータ

  48. Faraday rotator F ½ waveplate C Birefringent plate B1 Birefringent plate B2 Fiber 1 Fiber 2 Forward direction B2 B1 C F Fiber 1 Fiber 2 Reverse direction 偏光無依存アイソレータ

  49. 磁気光学サーキュレータ Faraday rotator Prism polarizer A Reflection prism Half wave plate Port 2 Port 1 Port 4 Port 3 Prism polarizer B

  50. アイソレータの今後の展開導波路形アイソレータアイソレータの今後の展開導波路形アイソレータ • 小型・軽量・低コスト化 • 半導体レーザとの一体化 • サイズ：波長と同程度→薄膜/空気界面、あるいは、薄膜/基板界面の境界条件重要 • タイプ： • 磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要 • リブ形 • 分岐導波路形

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