Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Datenspeichervorrichtungen und insbesondere eine Lese-/Schreibvorrichtung für optische Datenspeichervorrichtungen, die oberflächenplasmonenverstärkte Lichtdurchlassung durch Subwellenlängenöffnungen in Metallfilmen verwenden, was sehr hohe Durchsatzleistung und Auflösung bietet.

Wie im Detail im US-Patent Nr. 5,973,316 für Ebbesen et al., US-Patent Nr. 6,040,936 für Kim et al., US-Patent Nr. 6,052,238 für Ebbesen et al., in der US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/208,116 für Ebbesen et al., eingereicht am 9. Dezember 1998, und der US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/435,132 für Kim et al., eingereicht am 5. November 1999, erläutert, kann Lichtdurchlassung durch eine oder mehrere Öffnungen mit Subwellenlängendurchmesser, die in einem dünnen Metallfilm (d.h. leitend und bei der betreffenden Wellenlänge opak) vorgesehen sind, beträchtlich verstärkt werden, indem die Öffnungen in einer periodischen Anordnung angeordnet werden und/oder indem eine periodische Oberflächentopografie auf dem Metallfilm (Oberflächenmerkmale wie z.B. Vertiefungen oder Vorsprünge) in Verbindung mit der oder den Öffnung(en) vorgesehen wird. Diese Verstärkung, welche so groß wie ein Faktor 1.000 sein kann, findet statt, wenn auf den leitenden Film auftreffendes Licht resonant mit einer Oberflächenplasmonenmode wechselwirkt.

Optische Speicherplatten wie z.B. CD-ROM und DVD werden immer attraktivere Datenspeichermedien, wegen ihrer hohen Datendichten, kompakten Gestaltung, Transportierbarkeit und Robustheit und insbesondere weil sowohl die Medien als auch die Schreibvorrichtungen kostengünstiger werden. Trotz der relativ hohen Datendichten, die optische Platten bieten, verspürt man noch höhere Dichten als wünschenswert. Doch um die Dichten über die gegenwärtigen Werte zu erhöhen, muss man die Größe des Lichtstrahls reduzieren, der die Daten schreibt und liest. Dies hat sich als undurchführbar erwiesen, ohne auch die Schreib- und Lesestrahlstärke drastisch zu reduzieren und somit Datenspeicherung unmöglich zu machen. Außerdem zeigen solche optischen Platten typischerweise einen wesentlichen Nachteil in dem Sinne, dass die Leseraten (das heißt die Rate, mit der Daten von der optischen Platte gelesen werden können), relativ niedrig sind.

Die vorliegende Erfindung beseitigt beide Probleme durch Bereitstellung eines optischen Lese-/Schreibkopfes, welcher trotz der hohen Auflösung das Lesen und/oder Schreiben von Merkmalen im Subwellenlängenmaßstab auf optischen Platten mit äußerst hohen Durchsatzleistungen ermöglicht, was viel höhere lineare Datendichten (und daher Lese- und Schreibraten) erlaubt als jene, die durch die Beugungsgrenze erlaubt sind (wenn man Linsen oder andere fernfeldfokussierende Vorrichtungen zum Fokussieren eines Lichtstrahls verwendet, wird die Größe des konvergenten "Lichtflecks" im Brennpunkt durch Beugung auf einen Durchmesser &lgr;/2 begrenzt (worin &lgr; die Lichtwellenlänge ist), ein Phänomen, das als Beugungsgrenze bekannt ist). Kleinere Flecken resultieren in höherer Datenspeicherdichte auf dem optischen Speichermedium, was wiederum in höheren Datenleseraten für eine gegebene Drehgeschwindigkeit des Mediums resultiert. Mehrkanallesen und/oder -schreiben durch eine lineare Anordnung von solchen Lese-/Schreibköpfen erhöht die Datenübertragungsraten noch mehr. Außerdem werden diese Vorteile erzielt, ohne auf Laser mit kleineren Wellenlängen zurückzugreifen als gegenwärtig kommerziell erhältlich sind, so dass die Erfindung praktische Anwendung mit Laserausrüstung ab Lager bietet.

Wiederbeschreibbare optische CD-ROM-Platten, die im gegenwärtigen Zeitpunkt kommerziell in Gebrauch sind, speichern ihre Daten als "Grübchen" auf Spuren auf einem Phasenänderungsmedium. Die Spuren haben einen Abstand von 1,6 &mgr;m; die Grübchenlänge variiert zwischen 0,4 &mgr;m und 1,2 &mgr;m; die untere Grenze ist durch die Beugungsgrenze der gegenwärtig in Gebrauch befindlichen Laser gegeben (&lgr; = 780 nm für CD-ROM), da sowohl Schreiben als auch Auslesen im Fernfeld geschieht, wobei ziemlich große Linsen für die Fokussier- und Sammeloptiken verwendet werden. Höhere Datendichten erzielt man durch Stapelung von mehren Schichten Speichermedien. Gegenwärtig erhältliche DVD-Platten enthalten bis zum achtfachen der Daten einer Standard-CD-ROM (welche 0,65 GB enthält). Obwohl es wünschenswert ist, noch höhere Datendichten zu erzielen, ist ein akuteres Problem die Raten, mit denen die Daten gelesen werden, welche gegenwärtig durch die mechanische Stabilität der Plattendrehung und somit durch die Drehzahl der Platte begrenzt werden.

Um diese Probleme zu mindern, ist es wünschenswert, die Grübchenlänge von solchen optischen Datenspeichermedien wesentlich zu reduzieren. Werden Fernfeldoptiken verwendet (wobei der Abstand zwischen dem Lese-/Schreibkopf und dem optischen Speichermedium viel größer als die Lichtwellenlänge ist), so ist die minimale Grübchenlänge durch die Beugungsgrenze gegeben. Zum Beispiel würde Umsteigen auf einen blaugrünen Laser Grübchenlängen von ungefähr 300 nm erlauben.

Können jedoch Nahfeldoptiken verwendet werden (wobei ein Lese-/Schreibkopf mit einer Öffnung in Subwellenlängengröße in einer Höhe von ungefähr einigen zehn Nanometern über dem optischen Speichermedium abtasten gelassen wird), um die Daten auf das optische Datenspeichermedium zu schreiben und/oder davon zu lesen, so kann die Grübchenlänge (welche dann nur durch die Größe der Lese-/Schreiböffnung begrenzt ist) 50 nm oder kleiner sein, was in höheren Datendichten und außerdem wesentlich höheren Schreib- und/oder Leseraten resultiert. Diese Fortschritte werden auch dann erzielt, wenn konventionelle rote oder sogar infrarote Diodenlaser verwendet werden, welche preisgünstig, zuverlässig und in Massen hergestellt werden können. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die direkte Einkopplung in optische Fasern oder Halbleiterwellenleiter für einen Nahfeld-Lese-/Schreibkopf die Verwendung von platzraubenden und schweren Sammellinsen ausschließt, was die mechanische Gestaltung des Schwebe- oder Kontaktkopfes vereinfachen kann. Bei so kleinen Öffnungen leidet jedoch die Durchlassung durch eine konventionelle Nahfeldvorrichtung wie z. B. die Spitze einer spitz zulaufenden optischen Faser an massiver Abschwächung, deren Folge ein Rauschabstand, welcher zum Lesen zu niedrig ist, und ein Fehlen der hohen Intensitäten ist, die zum Schreiben notwendig sind. Siehe E. Betzig et al., "Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit", Science, Band 257, Seiten 189–194 (1992); G.A. Valaskovic et al., "Parameter Control, Characterization, and Optimization in the Fabrication of Optical Fiber Near-Field Probes", Applied Optics, Band 34, Nr. 7, Seiten 1215–1227 (1995). Als Folge waren bis jetzt keine praktischen Lese-/Schreibköpfe für optische Datenspeicher erhältlich, die Nahfeldoptik verwenden.

Dementsprechend gibt es Bedarf nach einem Lese-/Schreibkopf für optische Datenspeichermedien, der Nahfeldoptik verwendet, welcher ein reduziertes Grübchenlängenmaß und daher hohe Datendichte und hohe Lese-/Schreibraten ermöglicht und welcher nicht an massiver Abschwächung leidet und daher sowohl Schreiben als auch Lesen von Daten auf dem optischen Speichermedium wie z.B. einem Phasenänderungsmedium erlaubt.

Allgemein gesprochen wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Lese-/Schreibkopf für ein optisches Speichermedium bereitgestellt. Der Lese-/Schreibkopf umfasst einen Wellenleiter mit einer Stirnfläche und eine plasmonenverstärkte Vorrichtung, die auf der Stirnfläche des Wellenleiters vorgesehen ist. Die plasmonenverstärkte Vorrichtung weist einen Metallfilm mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche an der Wellenleiter-Stirnfläche befestigt ist und der Metallfilm eine dahindurch vorgesehene Öffnung hat. Der Metallfilm hat eine periodische Oberflächentopografie, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Oberflächen des Metallfilms vorgesehen ist. Auf eine der Oberflächen des Metallfilms auftreffendes Licht wechselwirkt mit einer Oberflächenplasmonenmode auf mindestens einer der Oberflächen des Metallfilms, wodurch die Durchlassung von Licht durch die Öffnung im Metallfilm verstärkt wird, welches auf das optische Speichermedium geleitet und/oder davon gesammelt wird. Auch wird ein Lese-/Schreibkopf mit einer integrierten Lichtquelle bereitgestellt.

Außerdem wird auch eine Anordnung von präzise ausgerichteten Lese-/Schreibköpfen für ein optisches Speichermedium bereitgestellt. Die Anordnung umfasst eine Vielzahl von Wellenleitern, wobei jeder Wellenleiter eine Stirnfläche hat und alle Stirnflächen im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, und eine auf der Stirnfläche eines jeden Wellenleiters vorgesehene plasmonenverstärkte Vorrichtung. Jede plasmonenverstärkte Vorrichtung weist einen Metallfilm mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche an der entsprechenden Wellenleiter-Stirnfläche befestigt ist und der Metallfilm eine dahindurch vorgesehene Öffnung hat. Der Metallfilm hat eine periodische Oberflächentopografie, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Oberflächen des Metallfilms vorgesehen ist. Auf eine der Oberflächen des Metallfilms auftreffendes Licht wechselwirkt mit einer Oberflächenplasmonenmode auf mindestens einer der Oberflächen des Metallfilms, wodurch die Durchlassung von Licht durch die Öffnung im Metallfilm verstärkt wird, welches auf das optische Speichermedium geleitet und/oder davon gesammelt wird. Auch wird eine Anordnung von präzise ausgerichteten Lese-/Schreibköpfen mit integrierten Lichtquellen bereitgestellt.

Weiterhin werden auch erfinderische Seitenemissionslaser und Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslaser (VCSELs) mit verstärkter Durchlassung vorgesehen.

Somit werden Lese-/Schreibköpfe mit hoher Auflösung für optische Speichermedien bereitgestellt. Die Lese-/Schreibköpfe verwenden typischerweise Nahfeldoptik. Insbesondere sind die Lese-/Schreibköpfe mit einer Subwellenlängenöffnung versehen, welche es erlaubt, die Grübchenlänge auf dem optischen Speichermedium zu reduzieren, wodurch hohe Datendichte und höherer Datendurchsatz bei einer ausgewählten Abtastgeschwindigkeit als bei optischen Lese-/Schreibköpfen nach dem Stand der Technik ermöglicht werden. Wichtig, die Lichtdurchlassung durch die Subwellenlängenöffnung im erfinderischen Lese-/Schreibkopf wird durch eine Wechselwirkung mit Oberflächenplasmonen unter Verwendung einer plasmonenverstärkten Vorrichtung (nachfolgend "PED") verstärkt. Die Stirnfläche des Wellenleiters des Lese-/Schreibkopfes wird mit einem Metallfilm bedeckt, durch den eine Subwellenlängenöffnung Licht durchlässt, entweder im Emissionsmodus oder im Sammelmodus (oder beiden). Die verstärkte Durchlassung ist das Resultat einer resonanten Wechselwirkung des zum Lesen oder Schreiben auf dem optischen Speichermedium verwendeten Lichts und Oberflächenplasmonen auf der Oberfläche des Metallfilms des Lese-/Schreibkopfes. Die Resonanz kann durch die Gestaltung der Oberflächentopologie des Metallfilms auf die gewünschte Wellenlänge abgestimmt werden. Die Auflösung der Vorrichtung wird durch den Durchmesser der Öffnung bestimmt. Die Durchlassung durch den Lese-/Schreibkopf der vorliegenden Erfindung kann Eins übersteigen (wenn auf die Leistung normiert, die auf die Fläche der Lese-/Schreiböffnung auftrifft), selbst wenn der Durchmesser der Lese-/Schreiböffnung wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge ist. Siehe Ebbesen et al., ebenda; T. Thio et al., "Surface-Plasmon Enhanced Transmission Through Hole Arrays in Cr Films", Journal of the Optical Society of America B, Band 16, Nr. 10, Seiten 1743–1748 (1999).

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lese-/Schreibkopf für optische Speichermedien bereitzustellen, welcher verstärkte Lichtdurchlassung ermöglicht.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lese-/Schreibkopf für optische Speichermedien bereitzustellen, welcher Nahfeldoptik verwendet.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lese-/Schreibkopf für optische Speichermedien bereitzustellen, welcher das Grübchenlängenmaß auf den optischen Speichermedien reduziert und daher hohe Datendichte und hohe Lese-/Schreibraten ermöglicht.

Und noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lese-/Schreibkopf für optische Speichermedien bereitzustellen, welcher nicht an massiver Abschwächung leidet und daher sowohl Schreiben als auch Lesen von Daten auf dem optischen Speichermedium erlaubt.

Und noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung von Lese-/Schreibköpfen für optische Speichermedien bereitzustellen, welche präzise ausgerichtet sind und verstärkte Lichtdurchlassung ermöglichen.

Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher angesichts der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.

1A ist eine Querschnittsansicht (nicht notwendigerweise maßstäblich) eines Lese-/Schreibkopfes der vorliegenden Erfindung, der eine spitz zulaufende optische Faser mit einer an ihrer Stirnfläche hergestellten PED enthält;

1B ist eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer PED, die für den Lese-/Schreibkopf der vorliegenden Erfindung nützlich ist, wobei die PED eine Oberflächentopografie enthält, die eine quadratische Anordnung von Vertiefungen aufweist, die eine einzelne kreisförmige Subwellenlängenöffnung umgeben;

1C ist eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer PED, die für den Lese-/Schreibkopf der vorliegenden Erfindung nützlich ist, wobei die PED eine Oberflächentopografie enthält, die konzentrische Ringe von Vertiefungen (Rillen) aufweist, die eine einzelne kreisförmige Subwellenlängenöffnung umgeben;

1D ist eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer PED, die für den Lese-/Schreibkopf der vorliegenden Erfindung nützlich ist, wobei die PED eine Oberflächentopografie enthält, die ein einen Subwellenlängenschlitz umgebendes Rillenmuster aufweist;

2 ist eine Prinzipskizze eines Beispiel-Lichtweges für den Lese-/Schreibkopf der vorliegenden Erfindung;

3A ist eine Perspektivansicht, teilweise geschnitten gezeigt, einer Anordnung von monolithisch auf einem einzelnen Wafer hergestellten Lese-/Schreibköpfen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;

3B ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 3A durch die Längsachse eines der Wellenleiter;

4 ist eine Querschnittsansicht einer Anordnung von aus einer Vielzahl von Kegelstumpfstrukturen aufgebauten, aus einem Halbleiterwafer hergestellten Lese-/Schreibköpfen, von denen ein jeder mit einer PED versehen ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;

5 ist eine Querschnittsansicht eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten Lasers, der einen Hohlraumspiegel enthält, der eine kleine Öffnung hat, welche oberflächenplasmonenverstärkte Durchlassung zeigt;

6A ist eine Querschnittsansicht eines Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslasers (VCSEL) nach dem Stand der Technik, der einen durch verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs) abgegrenzten Hohlraum enthält;

6B ist eine Querschnittsansicht eines verbesserten, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten VCSEL, wobei der VCSEL einen Ausgangskoppler mit einer Subwellenlängenöffnung mit verstärkter Durchlassung enthält;

6C ist eine Draufsicht auf den verbesserten VCSEL von 5B, die die Subwellenlängenöffnung und die Oberflächenmerkmale im oberen Metallspiegel zeigt; und

6D ist eine Draufsicht auf eine Anordnung von verbesserten, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten VCSELs.

In den Zeichnungen, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt 1A einen Lese-/Schreibkopf 100 der vorliegenden Erfindung zum Schreiben auf und/oder Lesen von optischen Speichermedien. Wie hierin verwendet, bedeutet "optische Speichermedien" irgendwelche Medien, worauf bzw. wovon Daten mittels Licht geschrieben und/oder gelesen werden, und umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein, Phasenänderungsmedien, wie sie in optischen Platten wie z.B. DVD und CD-ROM verwendet werden, und auch andere Formen von optischen Medien wie z. B. optisches Band oder magnetooptische Materialien (im Falle von magnetooptischen Materialien wird nur das Lesen optisch durchgeführt, während das Schreiben magnetisch durchgeführt wird). Wie hierin verwendet, bedeutet weiterhin "Lese-/Schreibkopf" eine Vorrichtung, welche Daten auf optischen Speichermedien speichert ("schreibt") oder auf optischen Speichermedien gespeicherte Daten wiedergewinnt ("liest"). Lese-/Schreibköpfe der vorliegenden Erfindung können Nur-Lesen, Nur-Schreiben oder sowohl Lesen als auch Schreiben erlauben.

Der in 1A gezeigte Lese-/Schreibkopf 100 enthält einen Wellenleiter 10 und eine plasmonenverstärkte Vorrichtung ("PED") 20. Der Wellenleiter 10 umfasst vorzugsweise eine optische Faser, obwohl der Wellenleiter 10 auch irgendeinen anderen geeigneten Wellenleiter zum Leiten von Licht wie in der Technik bekannt umfassen kann, wie z.B. Wellenleiter, die auf einem Halbleitersubstrat aufgebaut sind. Der Wellenleiter 10 ist mit einer Stirnfläche 12 versehen, welche während Lesen und/oder Schreiben in nächster Nähe zu dem optischen Speichermedium 50 angeordnet ist, wovon Daten zu lesen sind und/oder worauf Daten zu schreiben sind. Der Wellenleiter 10 kann spitz zulaufend sein, um die Fläche an der Stirnfläche 12 des Lese-/Schreibkopfes 100 zu minimieren, was wünschenswert sein kann, um den Lese-/Schreibkopf innerhalb eines geforderten Subwellenlängenabstands z von der Oberfläche des optischen Speichermediums 50 zu halten. Der Abstand z sollte in der Größenordnung des Öffnungsdurchmessers sein; vorzugsweise ist z kleiner als oder gleich ungefähr 1,5 mal der Öffnungsdurchmesser. Werte von z größer als ungefähr 1,5 mal der Öffnungsdurchmesser resultieren in Beugung des Strahls, und die Auflösung geht verloren. Außerdem minimiert Minimierung der Fläche der Wellenleiter-Stirnfläche die Gesamtrauigkeit auf dieser Fläche, einschließlich Effekten wie Schiefe. Zum Beispiel ist es mechanisch leichter, eine Wellenleiter-Stirnfläche innerhalb 50 nm von einer Oberfläche zu halten, wenn sie 500 nm quer über ist, als wenn sie 5 mm quer über ist.

Wie oben angegeben, enthält der Lese-/Schreibkopf 100 auch eine PED 20. Die PED 20 ist auf der Stirnfläche 12 des Wellenleiters 10 vorgesehen und verstärkt die durchgelassene Intensität von Licht, welches dahindurchgeht, gleich ob das Licht vom Wellenleiter 10 in Richtung auf das optische Speichermedium 50 läuft oder in der umgekehrten Richtung vom optischen Speichermedium 50 in den Wellenleiter 10 läuft. Die PED 20 umfasst einen Metallfilm 22, vorzugsweise Silber, mit einer Durchgangsöffnung 30, deren Abmessungen die Auflösung der Vorrichtung bestimmen. Die Öffnung 30 hat einen Durchmesser d, welcher vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge des auf die Öffnung auftreffenden Lichts ist (das heißt, die Öffnung hat vorzugsweise Subwellenlängendurchmesser). Die Auflösung des Lese-/Schreibkopfes sollte vorzugsweise zu der Größe der Grübchen auf den optischen Speichermedien passen (das heißt, ungefähr gleich groß sein). Feinere Auflösung sowohl der Grübchengröße als auch des Lesekopfes ist günstig, es gibt aber Grenzen für so eine Auflösung, wie z.B. die Auflösung der optischen Speichermedien selbst und die Gesamtintensität des den Lese-/Schreibkopf durchlaufenden Lichts. Praktisch gesprochen, zum Lesen muss der Rauschabstand so hoch sein, dass man eine vernünftige Fehlerrate erhält (daran denkend, dass gewöhnlich erhebliche Fehlerkorrektur unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors durchgeführt wird, der häufig im Lese-/Schreibkopf integriert ist). Eine strengere praktische Anforderung gilt für die Lichtintensität zum Schreiben. Im Falle eines optischen Phasenänderungs-Speichermediums muss die Intensität zum Schreiben so hoch sein, dass das Medium lokal geschmolzen (z.B. von kristallin in amorph umgewandelt) wird.

Der Metallfilm 22 ist außerdem mit einer periodischen Oberflächentopografie 40 auf mindestens einer der zwei Oberflächen des Metallfilms 22 versehen (die zwei Oberflächen sind eine erste, an die Stirnfläche 12 des Wellenleiters 10 angrenzende Oberfläche, und eine zweite, der ersten Oberfläche entgegengesetzte Oberfläche, welche dem optischen Speichermedium 50 gegenüber liegt). Die periodische Oberflächentopografie 40 kann auf einer oder beiden der zwei Oberflächen des Metallfilms 22 vorgesehen sein, obwohl man glaubt, dass man die Oberflächenmerkmale 40 besser nur auf der ersten, an die Stirnfläche 12 des Wellenleiters 10 angrenzenden Oberfläche des Metallfilms 22 vorsieht. Die periodische Oberflächentopografie 40 enthält erhabene und/oder eingesenkte Bereiche (im Gegensatz zu einer im Wesentlichen glatten Oberfläche), die als Oberflächenmerkmale bekannt sind, wobei solche Oberflächenmerkmale mit einer Periodizität oder in einem regelmäßig wiederholten Muster angeordnet sind. Die Periodizität der Oberflächenmerkmale ist wichtig zur Bestimmung der Wellenlänge der verstärkten Lichtsammlung und ist detaillierter beschrieben in der US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/208,116 für Ebbesen et al., eingereicht am 9. Dezember 1998. Siehe auch Grupp et al., ebenda. Beispiele für eine periodische Oberflächentopografie 40 sind eine quadratische Anordnung von Vertiefungen oder halbkreisförmigen Vorsprüngen, wie in 1B gezeigt, oder ein Satz von konzentrischen erhabenen oder eingesenkten Ringen, wie in 1C gezeigt, wovon die Gitterkonstante (1B) oder die Radien (1C) auf die Wellenlänge des in Verbindung mit dem Lese-/Schreibkopf 100 verwendeten Lese-/Schreiblasers abgestimmt sind. Siehe US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/208,116 für Ebbesen et al., eingereicht am 9. Dezember 1998; Grupp et al., ebenda; H.F. Ghaemi et al., "Surface Plasmons Enhance Optical Transmission Through Subwavelength Holes", Physical Review B, Band 58, Nr. 11, Seiten 6779–6782 (1998). Die obigen beispielhaften periodischen Oberflächentopografien sind bloß Beispiele und beschränken die Erfindung nicht. Vielmehr sind auch andere Anordnungen der periodischen Oberflächentopografie 40 möglich und sind von der Erfindung umfasst. Bei dieser Anordnung wechselwirkt Licht, das auf eine der Oberflächen des Metallfilms auftrifft, mit einer Oberflächenplasmonenmode auf mindestens einer der Oberflächen des Metallfilms, wodurch die Durchlassung von Licht durch die Öffnung im Metallfilm verstärkt wird.

Die Öffnung 30 in der PED 20 kann kreisförmig sein, kann aber auch rechtwinklig oder oval sein oder kann eine andere Form haben, die zu dem Spurabstand und der minimalen Grübchenlänge des optischen Speichermediums 50 passt. Zum Beispiel zeigt 1D eine PED mit einer Öffnung 30, die eine allgemein ovale Schlitzform hat, zusammen mit einer periodischen Oberflächentopografie 40, die konzentrische gerundete rechtwinklige erhabene oder eingesenkte Ringe aufweist. Wird ein Schlitz verwendet, und ist die Schlitzlänge (die Länge, welche die längste Abmessung des Schlitzes ist), größer als die halbe Lichtwellenlänge des durch die PED 20 gelassenen Lichts, so können Resonanzen und Wellenleitermoden innerhalb des Schlitzes selbst ebenfalls verstärkte Lichtdurchlassung verursachen. Siehe J.A. Porto et al., "Transmission Resonances on Metallic Gratings with Very Narrow Slits", Physical Review Letters, Band 83, Nr. 14, Seiten 2845–2848 (1999). Bei einer schlitzförmigen Öffnung ist die Schlitzbreite (die Breite, welche die kürzeste Abmessung des Schlitzes ist) vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge des auf die Öffnung auftreffenden Lichts (das heißt, die Schlitzbreite, welche in diesem Fall den Öffnungsdurchmesser umfasst, ist eine Subwellenlänge). Außerdem ist die bevorzugte Orientierung für den Schlitz derart, dass er seine längste Abmessung senkrecht zu den Datenspuren hat, um die Leseraten zu maximieren.

Wie in 1A gezeigt, ist außerdem eine Deckschicht 24 vorzugsweise auf der zweiten Oberfläche des Metallfilms 22 der PED 20 vorgesehen (das heißt, der dem optischen Speichermedium 50 gegenüberliegenden Oberfläche des Metallfilms 22), obwohl so eine Deckschicht 24 nicht notwendig ist. Die Deckschicht 24 weist ein optisch transparentes dielektrisches Material auf. Die Deckschicht 24 kann den Lese-/Schreibkopf 100 und insbesondere die PED 20 vor Beschädigung schützen, die durch Treffen der Oberfläche des optischen Speichermediums 50 oder anders verursacht wird. Außerdem kann die Deckschicht 24 zusätzlich verstärkte Lichtdurchlassung durch die PED 20 ermöglichen. Speziell, indem ein Material für die Deckschicht 24 gewählt wird, das einen Brechungsindex hat, der im Wesentlichen gleich dem des Wellenleiters 10 ist, wird die Gesamtdurchlassung durch die PED zusätzlich verstärkt. Zum Beispiel, wenn der Wellenleiter 10 eine amorphe optische Siliziumoxid-Faser ist, könnte die Deckschicht 24 ebenfalls aus amorphem Siliziumoxid bestehen, um einen Brechungsindex zu haben, der im Wesentlichen gleich dem des Wellenleiters ist. Experimentell wurde gezeigt, dass diese zusätzliche Verstärkung mit einer brechungsindexangepassten Deckschicht 24 die Lichtdurchlassung durch die PED um einen zusätzlichen Faktor 10 steigert. Dieser Effekt ist detaillierter beschrieben in der US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/435,132 für Kim et al., eingereicht am 5. November 1999. Siehe auch Krishnan et al., "Enhanced Light Transmission by Resonance Tunneling Through Subwavelength Holes", NEC Research Institute, Inc. Technical Report Nr. 99–152 (1999). Weiterhin ist das Material, das die Deckschicht 24 aufweist, vorzugsweise mechanisch hart und ist vorzugsweise geeignet, ohne Defekt den Temperaturanstieg zu schlucken, welcher einen unbeabsichtigten "Crash" (d.h. mechanischen Kontakt) des Lese-/Schreibkopfes mit dem optischen Speichermedium gewöhnlich begleitet.

Der Lese-/Schreibkopf 100 der vorliegenden Erfindung arbeitet als Lichtemitter und -sammler und arbeitet daher sowohl in Emissions- als auch in Sammelmoden, wie es sich in der Technik versteht. Das heißt, der Lese-/Schreibkopf arbeitet im Emissionsmodus als Lichtquelle (wodurch das optische Speichermedium 50 beleuchtet wird) und im Sammelmodus als Lichtsammler (wodurch Licht gesammelt wird, das vom optischen Speichermedium 50 emittiert, davon reflektiert, dadurch gebrochen oder dahindurch gelassen wird). Die Lichtdurchlassung durch den Lese-/Schreibkopf 100 der vorliegenden Erfindung ist sowohl in Emissions- als auch in Sammelmoden hoch, und der Lese-/Schreibkopf 100 der vorliegenden Erfindung kann in beiden Moden simultan verwendet werden.

2 zeigt schematisch ein Beispiel für den Lichtweg des Lichts, das zum Lesen des optischen Speichermediums 50 verwendet wird, auf dem Daten als Modulation des Reflexionsvermögens des Mediums aufgezeichnet sind. In dieser Darstellung wird der Lese-/Schreibkopf 100 der vorliegenden Erfindung simultan sowohl in Emissions- als auch in Sammelmoden verwendet. Licht von einer Lichtquelle 200 (typischerweise ein Halbleiterlaser, doch wird eine beliebige Lichtquelle von der Erfindung umfasst) wird typischerweise mittels einer Linse 210 über einen Strahlteiler 220 und einen Faserkoppler 230 in den Wellenleiter 10 des Lese-/Schreibkopfes 100 geleitet. Die PED 20 des Lese-/Schreibkopfes 100 wird in nächster Nähe zum optischen Datenspeichermedium 50 abtasten gelassen. Das optische Datenspeichermedium 50 reflektiert das durch die PED 20 durchgelassene Licht, und das reflektierte Licht wird dann von derselben Vorrichtung gesammelt, wobei es zuerst durch die PED 20 gesammelt, dann durch den Wellenleiter 10 durchgelassen wird und dann, nachdem es den Strahlteiler 220 und typischerweise eine Fokussierlinse 240 durchlaufen hat, das Licht vom Detektor 250 gesammelt wird (die Linsen 210, 230 und 240 können weggelassen werden, wenn man Faseroptik-Wellenleiter zum Leiten des Lichts verwendet, wie in der Technik bekannt). Das Ausgangssignal des Detektors wird typischerweise einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (nicht gezeigt) zugeführt, wie in der Technik bekannt.

Um die Datenübertragungsrate zusätzlich zu steigern, kann eine Anordnung von Lese-/Schreibköpfen 100 verwendet werden. Die Datenübertragungsrate wird dadurch um einen Faktor N erhöht, wobei N die Zahl der Lese-/Schreibköpfe in der Anordnung ist. Eine Anordnung von Lese-/Schreibköpfen ist auch äußerst nützlich in Verbindung mit optischem Band, einer alternativen optischen Speichertechnik, bei der die Daten in Spuren geschrieben werden, welche im Allgemeinen senkrecht zur Länge des Bandes sind, und durch Abtastenlassen des Lese-/Schreibkopfes quer über das (und in nächster Nähe zum) Band gelesen oder geschrieben werden. Siehe W.S. Oakley, "A Novel Digital Optical Tape Recorder", Proceedings of the SPIE, Band 2604, Seiten 256–262 (1996). Eine lineare Anordnung von Lese-/Schreibköpfen verbessert die Lese- und Schreibraten und vereinfacht auch die mechanische Gestaltung der Steuermechanismen zum Positionieren der Köpfe beträchtlich, das die Notwendigkeit für seitliche Bewegung beseitigt wird (zum Beispiel im Falle von optischem Band). In der Praxis wird N durch die mechanischen Anforderungen der Lese-/Schreibkopfanordnung begrenzt. Bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ist es die größte Herausforderung, alle N Lese-/Schreibköpfe innerhalb eines Abstands z z_max (siehe 2) von der Oberfläche des optischen Speichermediums zu halten, wobei z_max in der Größenordnung der Grübchenlänge (typischerweise ungefähr 50 nm) liegt. Zur Bezugnahme werden Schwebeköpfe, die zum Lesen von magnetischen Medien verwendet werden, in einem Abstand von ungefähr 30 nm über den magnetischen Medien angeordnet (mit neueren Techniken wird dieser Abstand möglicherweise bald auf ungefähr 10 nm reduziert, und man hat Vorschläge für Systeme gemacht, die mit Kontaktgleiter-Magnetköpfen einen Abstand von ungefähr 5 nm verwenden). Vorrichtungen nach dem Stand der Technik versuchen eine Anordnung von spitz zulaufenden optischen Fasern zu verwenden, welche an ihren spitz zulaufenden Enden genau ausgerichtet werden müssen. Die Schwierigkeiten, so eine präzise Ausrichtung der Enden von verschiedenen optischen Fasern zu erzielen, sind beträchtlich.

Wird eine Anordnung von Lese-/Schreibköpfen verwendet, so ist es auch wichtig, die mehreren Lese-/Schreibköpfe in Bezug aufeinander auszurichten. Dieser Punkt kann angegangen werden, indem die Anordnung von Lese-/Schreibköpfen auf einem Halbleiterwafer hergestellt wird (siehe US-Patent No. 5,646,051 für Solin et al.). 3A zeigt so eine lineare Anordnung 300 von Lese-/Schreibköpfen 100, ausgebildet auf einem einzelnen Halbleiterwafer. Wellenleiter 10 werden durch optische Lithografie aus dem Halbleiterwafer hergestellt, wie in der Technik bekannt. Die Wellenleiter haben eine Höhe h, welche vorzugsweise mindestens ungefähr die halbe Wellenlänge des den Wellenleiter durchlaufenden Lichts ist (d.h. /2), jedoch auch von der Differenz der Brechungsindizes zwischen dem Wellenleiter und dem umgebenden Medium (z.B. Luft) abhängt, wie in der Technik bekannt. Laserdioden (nicht gezeigt) zum Beleuchten der Datenspuren auf dem optischen Speichermedium und auch die Lese-/Schreibköpfe selbst können ebenfalls auf demselben Halbleiterwafer hergestellt werden, wie in der Technik für eine vollständig monolithische Gestaltung bekannt, was die Notwendigkeit für die sonst schwierige Ausrichtung der Laser auf die Wellenleiter beseitigt. Spaltung der Wellenleiter-Stirnflächen 12 resultiert in Glätte in atomarem Maßstab. Auf jede gespaltene Wellenleiter-Stirnfläche 12 wird ein Metallfilm 22, vorzugsweise Silber, aufgedampft oder gesputtert und nachfolgend gemustert, um eine periodische Oberflächentopografie 40 zu ergeben, wie oben beschrieben, und eine einzelne Öffnung 30 durch den Metallfilm 22 wird im axialen Zentrum jedes Wellenleiters 10 angebracht, um eine Vielzahl von PEDs 20 auszubilden, wobei jede PED 20 mit einem einzelnen Wellenleiter 10 registerhaltig ist. Obwohl in 3A die Öffnungen 30 als kreisförmig gezeigt sind, können auch andere Geometrien günstig sein, wie oben beschrieben. Die Lese-/Schreibkopfanordnung 300 enthält eine Anordnungsfläche 310, die die Außenfläche des Metallfilms 22 und die darauf ausgebildeten PEDs 20 umfasst. Auf der Anordnungsfläche 310 sind die PEDs 20 parallel und von unmittelbar benachbarten PEDs um einen Abstand gleich dem Abstand R der Spuren auf der Platte beabstandet. Verwendet man so eine Lese-/Schreibkopfanordnung 300, so können eine Vielzahl von Lichtstrahlen I₁, I₂, ..., I_N durch die Anordnung 300 durchgelassen werden, ein Lichtstrahl pro Lese-/Schreibkopf 100 in der Anordnung.

3B ist eine Querschnittsansicht der Lese-/Schreibkopfanordnung 300 von 3A durch die Längsachse eines der Wellenleiter 10. Die Vorrichtung ist mit einer Deckschicht 24 wie oben beschrieben beschichtet, um die Lese-/Schreibköpfe zu schützen und um die Durchlassung durch die PED 20 zusätzlich zu verstärken. Dementsprechend zeigt die Deckschicht 24 vorzugsweise hohe Härte und hat vorzugsweise einen Brechungsindex, welcher im Wesentlichen gleich jenem des Materials ist, auf dem der Metallfilm abgeschieden ist (in diesem Fall der Wellenleiter 10 selbst, obwohl ein Zwischenmaterial zwischen dem Wellenleiter 10 und dem Metallfilm 22 verwendet werden kann, wenn gewünscht). Wenn die Lese-/Schreibkopfanordnung 300 als ein Kontaktgleiterkopf zu verwenden ist, sollte ein für die Gleitwirkung notwendiges Schmiermittel mit einem geeigneten Brechungsindex gewählt werden, der zu jenem entweder der Deckschicht 24, wenn vorhanden (um Reflexion an der Grenzfläche zu minimieren), oder (wenn die Deckschicht 24 fehlt) des Wellenleiters 10 passt (um die Lichtdurchlassung zusätzlich zu verstärken, wie oben beschrieben). Ätzen des darunter liegenden Substrats 25 in der Nähe der Anordnungsfläche 310 kann wünschenswert sein, um die Gesamtfläche zu minimieren, um das Halten des Lesekopfes innerhalb von Nahfeldabständen der Medien zu erleichtern.

Ist bei einer Lese-/Schreibkopfanordnung mit linearer Gestaltung wie in 3A und 3B gezeigt der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen PEDs R = 1,6 &mgr;m (was den Spurabstand für gegenwärtige optische Speichermedien wie z.B. CD-ROM oder DVD widerspiegelt), so gibt es kein Übersprechen zwischen benachbarten Lese-/Schreibköpfen. Bei einer Probe, bei der die Position der PED-Öffnungen in Bezug auf die Oberflächenmerkmale quer über die Probe variiert wird, wird das durch die Probe durchgelassene Licht dementsprechend auf einem Längenmaßstab von 2 &mgr;m variiert, was die stark lokale Natur der Durchlassungsverstärkung bekundet. Siehe US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/208,116 für Ebbesen et al., eingereicht am 9. Dezember 1998. Außerdem ist gezeigt worden, dass nur eine oder zwei "Schalen" von nächstgelegenen Oberflächenmerkmalen (z.B. Vertiefungen) genügen, um die volle Durchlassungsverstärkung zu erhalten. Siehe T. Thio et al., ebenda. Der Begriff "Schale" ist in der Festkörperphysik bekannt. Jede Schale umfasst eine Gruppe von Oberflächenmerkmalen, die im selben Abstand von der Öffnung angeordnet sind. Zum Beispiel für eine quadratische Anordnung umfasst die erste Schale die nächsten Oberflächenmerkmalsnachbarn (in diesem Fall vier Oberflächenmerkmale, die die Ecken eines Quadrats bilden). Die zweite Schale umfasst die zweitnächsten Oberflächenmerkmalsnachbarn (in diesem Fall die vier Oberflächenmerkmale auf der Diagonalen), und so weiter. Zum Beispiel, wird ein roter Laser (&lgr; = 635 nm) mit kreisförmigen Öffnungen und Vertiefungen als Oberflächemerkmale verwendet, die auf der Oberfläche des an den Wellenleiter angrenzenden Metallfilms vorgesehen sind, so sollte der Abstand zwischen einer Öffnung und dem benachbarten Oberflächenmerkmal (in diesem Fall einer Vertiefung) in jeder PED ungefähr (600/n) nm sein, wobei n der Brechungsindex des an die Oberflächenmerkmale auf dem Metallfilm 22 angrenzenden dielektrischen Materials ist (zum Beispiel der Deckschicht 24, wenn die Oberflächenmerkmale auf dieser Seite des Metallfilms 22 liegen). Dies kann in dem 0,8-&mgr;m-Abstand zum Mittelpunkt zwischen zwei unmittelbar benachbarten kreisförmigen Öffnungen untergebracht werden. Berücksichtigt man den Brechungsindex des Wellenleiters, so sollte die Vertiefungsperiode 0,2 &mgr;m sein, so dass mehrere Schalen von Oberflächenmerkmalsnachbarn rund um jede Öffnung untergebracht werden können. Um Übersprechen zusätzlich zu vermindern, können Öffnungen wechselweise für unterschiedliche Wellenlängen optimiert werden, zum Beispiel 635 nm und 830 nm, wie beschrieben in der US-Patentanmeldung Seriennummer Nr. 09/208,116 für Ebbesen et al., eingereicht am 9. Dezember 1998.

Eine alternative Geometrie zur Herstellung von Anordnungen von Subwellenlängenöffnungen und daher Anordnungen von Lese-/Schreibköpfen ist eine Anordnung von Kegelstumpfstrukturen, die auf einem Halbleiterwafer hergestellt sind. Wie in 4 gezeigt, wird ein optisch transparenter Halbleiterwafer 80 wie z.B. ein Silizium- oder GaAs-Wafer geätzt (vorzugsweise mit anisotropischem Ätzen, wie in der Technik bekannt), um eine oder mehrere Kegelstumpfstrukturen 90 zu erzeugen, von denen jede als ein Wellenleiter für einen Lese-/Schreibkopf dient. Diese Kegelstumpfstrukturen kann man sich allgemein als Pyramidenstrukturen denken, welche keine Spitze enthalten. Jede Kegelstumpfstruktur 90 enthält eine im Wesentlichen flache Oberseite 92 mit einer darauf vorgesehenen PED, wie gezeigt, und außerdem eine Basis 94 und eine Vielzahl von Facetten 96. Die Kegelstumpfstruktur hat vorzugsweise eine quadratische Basis (und daher vier Facetten), obwohl auch andere Kegelstumpfbasisformen (wie zum Beispiel dreieckig, in weichem Fall der Kegelstumpf drei Facetten haben würde) verwendet werden können. Es wurde gezeigt, dass diese Kegelstumpfstrukturen Licht, das in ebenen Wellen auf die Basis der Kegelstumpfstruktur auftreffend durchgelassen wird (wie durch die Lichtstrahlen I₁ und I₂ in dem Beispiel von 4 gezeigt), auf einer Höhe gerade unterhalb der Stelle fokussieren, wo die Spitze der Pyramide angeordnet wäre, wenn der Kegelstumpf eine Pyramide wäre und die Spitze der Pyramide vorhanden wäre. Der Kegelstumpf wird in dieser Höhe aufhören gelassen, und für auf die Basis des Kegelstumpfs auftreffendes Licht (zum Beispiel von einem VCSEL, der unterhalb des Kegelstumpfs aufgebaut ist), wird hoher Durchsatz ermöglicht. Durch Bereitstellung einer PED 20 auf der Oberseite jeder Kegelstumpfstruktur wie gezeigt wird der hohe Durchsatz auf dieselbe Weise wie oben beschrieben noch zusätzlich verstärkt. Die Auflösung so einer Vorrichtung wird durch die Größe der Öffnung 30 in der Metallschicht der PED bestimmt. Anordnungen von solchen Kegelstumpfstrukturen können auf eine unkomplizierte Weise hergestellt werden. Dies ist besonders nützlich im Falle, dass die Lichtquelle eine Anordnung von Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslasern ("VCSELs", siehe unten) ist, welche unterhalb der Kegelstümpfe hergestellt werden können, wie unlängst von Heisig et al. gezeigt worden ist. Siehe S. Heisig et al., "Optical Active Gallium Arsenide Cantilever Probes for Combined Scanning Near-Field Optical Microscopy and Scanning Force Microscopy", Journal Vac. Sci. Technology B, Band 18, Nr. 3, Seiten 1134–1137 (2000); S. Heisig et al., "Gallium Arsenide Probes for Scanning Near-Field Probe Microscopy", Applied Physics A, Band 66, Seiten S385–S390 (1998).

Bekanntermaßen konzentrieren Halbleiter-Pyramidenstrukturen mit hohem Index das auf ihre Basen auftreffende Licht im Allgemeinen in einer Position wenig unterhalb der äußersten Spitze. Siehe K. Iga, "Surface Emitting Lasers", Electronics and Communications in Japan, Part 2, Band 82, Nr. 10, Seiten 70–82 (1999); K. Goto, "Proposal of Ultrahigh Density Optical Disk System Using a Vertical Cavity Surface Emitting Laser Array", Japanese Journal of Applied Physics, Band 37, Teil 1, Nr. 4B, Seiten 2274–2278 (1998); Y.-J. Kim et al., "Fabrication of Micro-Pyramidal Probe Array with Aperture for Near-Field Optical memory Applications", Japanese Journal of Applied Physics, Band 39, Teil 1, Nr. 3B, Seiten 1538–1541 (2000). Um bei der vorliegenden Erfindung den höchstmöglichen Durchsatz zu erzielen, während hohe Auflösung beibehalten wird, wird jede Kegelstumpfstruktur 90 vorzugsweise so aufgebaut, dass die Oberseite 92 in der Position der höchsten Lichtintensität angeordnet ist, und eine PED 20 wird auf dieser Oberseite mit einer Subwellenlängenöffnung 30 versehen, welche zu der gewünschten Auflösung des Lese-/Schreibkopfes passt, wie oben beschrieben. Diese Mehrkanalvorrichtung hat den Vorteil, dass Kegelstumpfstrukturen mit äußerst hoher Gleichförmigkeit (das heißt, der Höhe, in der die flache Oberseite 92 angeordnet ist) hergestellt werden können und daher zur Verwendung auch in Kontaktgleiterköpfen geeignet sind, welche die strengsten Anforderungen an so eine Gleichförmigkeit haben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaute Anordnungen von Lese-/Schreibköpfen erlauben somit sowohl Lesen als auch Schreiben durch jeden Kopf, was ein wesentlicher Vorteil ist. Getrennte Lese- und Schreibköpfe sind typischerweise nicht erforderlich, wodurch die Schwierigkeiten in Verbindung mit Ausrichtung von getrennten Lese- und Schreibköpfen beseitigt werden. Für mit optischen Faserwellenleitern hergestellte Lese-/Schreibköpfe der vorliegenden Erfindung mit einer Eingangsleistung von 100 mW und einem Faserkerndurchmesser von 3 bis 4 &mgr;m kann man, insbesondere wenn eine dielektrische Deckschicht 24 mit einem passenden Brechungsindex wie oben beschrieben verwendet wird, um die Lichtdurchlassung zusätzlich zu verstärken, Ausgangsleistungsdichten von ungefähr 10¹⁰ W/m² erhalten, was mit den bei gegenwärtigen Lese-/Schreibköpfen für optische Medien verwendeten Leistungsdichten vergleichbar ist. Man kann die Ausgangsleistungsdichte unter Verwendung von optischen Fasern für Wellenleiter mit einem kleineren Kern zusätzlich steigern, oder indem das Ende der optischen Faser oder eines anderen Wellenleiters ein wenig spitz zulaufen gelassen wird, so dass das Licht innerhalb einer kleineren Fläche eingesperrt wird, wodurch die Leistungsdichte erhöht wird. Wie oben erwähnt, kann man auch Kegelstumpfstrukturen in Halbleitern verwenden, um die Lichtintensität an der Ausgangsfläche zu konzentrieren.

Für manche Anwendungen ist es zwar zweckmäßig, einen Lese-/Schreibkopf zu verwenden, welcher von der Lichtquelle oder dem Detektor getrennt ist, wie in 1 bis 3 gezeigt, für manche andere Anwendungen kann es aber vorteilhaft sein, die Lichtquelle als einen integrierten Teil des Lese-/Schreibkopfes zu haben. Ein Weg, diese sehr dichte Gestaltung zu erzielen, ist es, eine Gestaltung zu verwenden, die von Partovi et al. demonstriert wurde, der eine Nadellochöffnung im Ausgangsspiegel eines Halbleiterlasers hergestellt hat. A. Partovi et al., "High-Power Laser Light Source for Near-Field Optics and its Application to High-Density Optical Data Storage", Applied Physics Letters, Band 75, Nr. 11, Seiten 1515–1517 (1999). Der Durchmesser der Öffnung kann so gewählt werden, dass er gut unter der Lichtwellenlänge liegt. Ist das Material des Ausgangsspiegels ein Metall, so ist die Durchlassung durch die Subwellenlängen-Ausgangsöffnung erwartungsgemäß sehr klein und wird mit kleiner werdendem Ausgangsdurchmesser d wie ~(d/&lgr;)⁴ kleiner, worin &lgr; die Lichtwellenlänge ist. Siehe H.A. Bethe, Physical Review, Band Nrn. 7 and 8, Seiten 163–182 (1944). In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann die Ausgangskopplung so eines Lasers durch die Verwendung von oberflächenplasmonenverstärkter Durchlassung durch die Ausgangsöffnung wesentlich verstärkt werden.

5 zeigt schematisch einen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebauten Laser 60, der einen Hohlraum enthält, der durch einen hinteren Spiegel 62 und einen vorderen, Ausgangsspiegel 64, in dem eine Öffnung 30 es erlaubt, das Laserlicht mit äußerst hoher Präzision auszukoppeln, abgegrenzt wird. Der allgemeine Aufbau und Betrieb von Lasern ist in der Technik bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch eine periodische Oberflächentopografie 40 an der Grenzfläche des Ausgangsspiegels mit dem Laser vorgesehen, um eine PED 20 zu erzeugen, welche die Durchlassungseffizienz des aus der Ausgangsöffnung herauskommenden Lichts verstärkt. Die Periodizität der Oberflächenmerkmale der periodischen Oberflächentopografie sollte in Übereinstimmung mit der Dispersion der Oberflächenplasmonen und der Gitterkopplung mit der periodischen Oberflächentopografie passend zur Laserwellenlänge gewählt werden. Siehe Ghaemi et al., ebenda. Der Laser selbst kann irgendein Laser einschließlich irgendeines konventionellen Lasers sein. Zum Beispiel könnte der Laser ein Gaslaser (wie z.B. Ar, N₂, CO₂, HeNe) sein, bei dem einer der Hohlraumspiegel die Subwellenlängen-Ausgangsöffnung mit der umgebenden periodischen Oberflächentopografie aufweist. Eine andere Möglichkeit ist ein Festkörperlaser (wie z. B. Rubin, YAG, Ti:Saphir) mit einem ähnlich modifizierten Ausgangskoppler; der Ausgangskoppler könnte hier direkt auf der Fläche des Verstärkungsmediums hergestellt werden. Der Laser könnte auch ein Faserlaser sein, bei dem der hintere Spiegel aus einem Fasergitter bestehen kann. Von der Erfindung wird ein beliebiger Laser umfasst. Man beachte, dass in diesen Ausführungsformen, in denen die Lichtquelle ein integrierter Teil des Lese-/Schreibkopfes ist, die Lichtquelle entweder zum Schreiben auf das optische Speichermedium oder zum Beleuchten des optischen Speichermediums, so dass das reflektierte oder gebrochene Licht von so einer Beleuchtung von einem Lichtsammler gesammelt werden kann, welcher auf einer Seite des optischen Speichermediums angeordnet sein kann, oder als eine Kombination aus Lichtquelle und Detektor verwendet werden kann. Der Detektor oder Lichtsammler kann entweder im Nahfeld- oder im Fernfeldmodus arbeiten.

Die am meisten bevorzugten Laser für die Lese-/Schreibköpfe der vorliegenden Erfindung sind Halbleiterlaser. Diese können Seitenemissionslaser sein (wie zum Beispiel in 5 gezeigt), in welchem Fall das Licht in der z-Richtung auf einen Heteroübergang oder Quantentopf 66 beschränkt wird. Noch attraktivere Alternativen sind Vertikalhohlraum-Oberflächenemissionslaser ("VCSELs") wie in 6A gezeigt. Im Allgemeinen wird der VCSEL-Hohlraum durch zwei verteilte Bragg-Reflektoren ("DBRs") 70 abgegrenzt, die aus GaAs/AlGaAs-Mehrfachschichten besteht, deren Struktur an die Laserwellenlänge angepasst ist, wie in der Technik bekannt. Um Subwellenlängenauflösung mit hohem Durchsatz zu erzielen (siehe 6B), kann der vordere DBR 70 durch eine PED 20 ersetzt werden, die einen Metallfilmreflektor 22 enthält, in dem (siehe 6B, 6C) eine Öffnung 30 mit Subwellenlängendurchmesser hergestellt ist, die von einer periodischen Oberflächentopografie 40 umgeben ist. Ein sehr attraktives Merkmal von VCSELs ist, dass die Herstellung von sehr großen Anordnungen unkompliziert ist. 6D zeigt eine Ansicht von oben oder Draufsicht auf eine VCSEL-Anordnung, bei der jeder Ausgang mit einer PED versehen ist, die eine Subwellenlängenöffnung mit verstärkter Durchlassung enthält. Die Erwägungen zum Abstand zwischen VCSELs sind dieselben wie jene, die oben für die Lese-/Schreibkopfanordnung beschrieben wurden (siehe 3), außer dass in der Praxis alle Elemente der VCSEL-Anordnung mit derselben Wellenlänge arbeiten werden, und der Abstand kann durch die Anforderungen an die seitlichen Abmessungen jedes VCSEL begrenzt sein.

Obwohl verschiedene Lese-/Schreibköpfe für optische Speicherung mit verstärkter Durchlassung zur Verwendung in einigen Anwendungen beschrieben und gezeigt worden sind, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass Abwandlungen und Modifizierungen möglich sind, ohne den Geist und die breiten Lehren der Erfindung zu verlassen, welche allein durch den Schutzbereich der hier beigefügten Patentansprüche begrenzt sein sollen.