Near‐field Intensity Distribution

The near‐field intensity distribution was picked up by means of a near‐field  scanning  optical  microscope.  The  convolution  of  the  near‐field  intensity  with  the  aperture  of  the  fiber  tip  is  converted  to  an  optical  signal  detected  by  a  photo‐multiplier  tube  (PMT)  and  amplified  by  a  lock‐in  amplifier.  Therefore,  the  magnitude  of  measured  signal  represents  the  relative  intensity  in  the  near  field. In addition, because the transmitted energy through the circular aperture  is  too  weak  to  be  recognized  from  the  background  noise,  the  optical  image  of  the circular aperture is null. 

The  optical  signal  of  the  single  C‐aperture,  shown  in  Fig.  4‐7  (a),  reaches  2.5V, indicating a signal‐noise‐ratio of 40 dB compared to background noise of  0.02V.  Moreover,  the  peak  intensity  of  the  C‐aperture  surrounded  with  a  corrugation  is  up  to  7V,  which  is  2.8  times  higher  than  that  of  the  single  C‐aperture.  The  experimental  result  under  oblique  illumination  also  confirms  the  enhancement.  Figs.  4‐8(a)  and  (b)  show  the  near‐field  distribution  with  normal and 44‐degree incidence. By comparing the signal voltage of 1.1V in the  normal‐incidence  model  to  that  of  1.8V  model  under  40‐degree  incidence,  the  near‐field enhancement factor can be as high as 1.6.   

Due  to  finite  spatial  resolution  of  NSOM,  the  measured  spot  size  is  unavoidably  larger  than  the  actual  size.  In  the  case  of  the  aperture  size  of  the  fiber probe used in this experiment ranging from 50 to 100 nm and the theoretic  spot size of this fabricated C‐aperture of 150 nm x 150 nm, the measured spot as  a result of convolution is estimated around 300~400 nm, which is in agreement  with the measured result. 

Fig.  4‐7  Intensity  distributions  measured  by  NSOM  (a)  background noise and (b) the C‐shaped aperture 

Fig.  4‐8  Near‐field  distribution  observed  by  NSOM  with  (a)  normal and (b) 44‐degree incidence 

To  further  examine  the  consistence  of  the  experimental  results  with  simulation, the power throughput and intensity distribution at 50 nm from the  C‐aperture, of which the dimensions are the same as that of the fabricated one,  are  calculated  with  normal  and  44‐degree  incident  illumination,  respectively. 

The  simulation  results  are  shown  in  Fig.  4‐9.  The  output  spot  with  44‐degree  incidence  has  a  smaller  size  with  higher  peak  intensity  than  that  with  normal  incidence.  The  calculated  power  throughput  enhancement  as  a  result  of  the  hybrid  effect  is  2.2.  Moreover,  the  calculated  Ex  and  Ez  field  profile  under  44‐degree illumination also shows the hybrid effect in Fig. 4‐10, even though the 

(a)  (b) 

(a)  X (μm) 

Y (μm) 

X (μm) 

Y (μm) 

(b) 

dimensions of the fabricated waveguide were larger than the designed one. The  incident  light  propagates  through  the  waveguide  with  the  aid  of  the  surface  plasmon  wave  propagating  along  the  dielectric‐metal  surface.  Therefore,  although the measured enhancement is not as high as the simulated one of 2.2,  the results demonstrates that the hybrid effect contributes to the enhancement  of  the  transmitted  power  propagated  along  the  C‐shaped  aperture  which  functions as a ridge waveguide. 

Fig. 4‐9 Calculated electric intensity distribution at 50nm from the  nano‐waveguide  with  the  experimental  dimensions  at  (a)  normal  incidence and (b) 44‐degree incidence 

Fig.  4‐10  Calculated  (a)  Ex  and  (b)  Ez  field  profile  with  the  experimental dimensions 

(a)  (b) 

(a)  (b) 

Enhancement (to C-aperture)

C-aperture with Corrugation

C-aperture with 44°

Illumination

Far-field PT 1.9 1.3

Near-field intensity 2.8 1.6

4.4 Summary

The  experimental  results  successfully  confirm  the  existence  of  the  hybrid  effect.  The  far‐field  transmission  of  a  waveguide  with  corrugation  in  incident  interface  is  1.9  times  higher  than  a  single  C‐shaped  aperture  and  33  times  higher  than  a  circular  aperture  with  a  similar  spot  size.  In  the  case  of  the  aperture  with  oblique  illumination,  the  far‐field  transmission  measurement  demonstrates  an  enhancement  factor  of  1.3,  while  the  near‐field  intensity  distribution  measurement  shows  that  the  enhancement  can  be  as  high  as  1.6. 

The  measurement  results  are  summarized  in  Table  4‐3.  These  results  give  the  birth  of  our  proposed  straw‐shaped  fiber  probe  employing  the  hybrid  effect  induced by illuminating the waveguide with obliquely incident light. 

Table  4‐3  Comparison  between  the  measured  power  throughput  enhancement  of  a  C‐shaped  aperture  with  corrugations  and  a  C‐shaped aperture with 44‐degree illumination 

Chapter 5 Near-field Servo Control System Employing Self-mixing Sensor

For a near‐field storage system, the optical head has to be put in proximity  to  the  surface  of  the  recording  medium  because  the  optical  energy  decays  exponentially  with  an  increase  of  the  distance  from  the  head.  Conventional  near‐field  servo  control  requires  a  complicated  system  to  process  signals. 

Therefore,  we  proposed  a  novel  servo  control  system  by  employing  a  self‐mixing  laser  sensor.  The  dependence  of  the  laser  output  on  the  spacing  between the laser and the target makes the laser itself function as a sensor and  thus  self‐mixing  interferometers  can  reduce  the  system  complexity  [40‐42]. 

Furthermore,  the  use  of  a  laser  diode  has  an  advantage  of  compact  package  because  the  modulation  in  the  emitted  power  can  be  detected  directly  by  the  photodiode inside the laser diode package. Therefore, laser diodes can be used  as a compact optical sensor and easily integrated into other systems. 

In  this  chapter,  the  proposed  near‐field  servo  control  system  employing  a  self‐mixing  laser  sensor  is  developed.  To  characterize  the  self‐mixing  signal,  a  simplified coupling formula is derived and compared to the measured signal of  a  laser  sensor  which  is  obtained  by  modifying  a  conventional  laser  diode.  A  biaxial  actuator  is  used  to  drive  the  laser  sensor.  The  approach  limit  of  this  system,  the  theoretic  minimum spacing  that  a  laser  sensor  can  achieve,  is  also  estimated base on the alignment precision and measured angular variation of a  spinning disk. According to the measured dynamic response of the actuator, a  PI  controller  is  designed  and  implemented  into  the  servo  system.  Finally,  the  system is tested under a spinning disk to evaluate its performance. 

5.1 System Configuration

In the system configuration shown in Fig. 5‐1, the disk surface and the laser  diode  output  facet  function  as  an  external  cavity  Fabry‐Perot  interferometer. 

The  laser  diode  is  used  as  a  position  sensor  by  employing  and  sensing  self‐mixing  interferometry.  A  part  of  the  light  emission  from  the  laser  is  reflected  by  the  disk  surface  and  then  injected  back  into  the  laser  cavity.  The  reflected beam is mixed with the optical field inside the cavity. This self‐mixing  effect causes strong modulation of the optical output power, and is dependant  on the distance between the reflecting surface and the laser and is detectable by  the  photodiode  in  the  laser  package.  Therefore,  the  laser  diode  itself  can  function as a direct high‐accuracy position sensor and thus no external optical  interferometer is required. Given the highly sensitive correspondence between  the  gap  width  and  the  optical  power  output,  this  laser  position  sensor  can  be  used to determine the gap width with nanometer scale precision. The monitor  current from the photodiode is used as the feedback signal to control the pickup  and hence gap distance. 

Fig. 5‐1 Schematic illustration of system configuration