• 沒有找到結果。

雙光纖探針近場光學頭於儲存系統的應用

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "雙光纖探針近場光學頭於儲存系統的應用"

Copied!
118
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

國 立 交 通 大 學

光電工程研究所

博士論文

雙光纖探針近場光學頭於儲存系統的應用

Dual‐probe near‐field fiber head 

for data storage applications 

研 究 生: 方仁宇

指導教授: 謝漢萍 教授

田仲豪 助理教授

中 華 民 國 九 十 六 年 十 一 月

(2)

雙光纖探針近場光學頭於儲存系統的應用

Dual‐probe near‐field fiber head 

for data storage applications

研  究  生:  方仁宇       

     

  Candidate: Jen‐Yu Fang 

指導教授:  謝漢萍      Advisors: Han‐Ping D. Shieh 

      :  田仲豪   

 

 

 

 

  : Chung‐Hao Tien 

國立交通大學 電機學院

光電工程研究所

博士論文

A DISSERTATION 

SUBMITTED TO THE GRADUATE SCHOOL 

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS 

FOR THE DEGREE OF 

DOCTOR OF PHILOSOPHY   

IN 

INSTITUTE OF ELECTRO‐OPTICAL ENGINEERING 

 

COLLEGE OF ELECTRICAL ENGINEERING 

NATIONAL CHIAO‐TUNG UNIVERSITY 

 

November 2007 

Hsinchu, Taiwan, R.O.C. 

 

(3)

雙光纖探針近場光學頭於儲存系統的應用

博士研究生: 方仁宇

指導教授: 謝漢萍, 田仲豪

國立交通大學 光電工程研究所

中文摘要

為了滿足儲存系統對於高效率高精度之近場光源的需求,本論文提出一新穎的 雙光纖探針近場光學頭,此近場光學頭包含一個斜切的寫入端以及一個間隙感測 端。 斜切的寫入端使用一個次波長 C 型微孔來產生一個次波長尺寸的近場光點以提 高空間解析度。為提高次波長微孔的穿透率,本論文提出了一個創新的複合效應。 藉由一特定偏振方向的入射光,照射於一被週期性溝槽所環繞的次波長光波導,或 斜向照射於該次波長光波導上,可同時激發表面電漿波與傳播模態。被金屬薄膜所 遮蔽之入射光可經由表面電漿波的傳遞,將能量傳遞至光波導的傳播模態,並促使 在出射面上表面電漿波的激發。此複合效應可大幅增加次波長微孔的穿透率,模擬 數據上顯示,其穿透率可較傳統圓孔高 103以上。經由實驗亦證明,此複合效應的 存在。遠場的穿透率量測顯示,此複合效應可比單一光波導,增加 1.3 到 1.9 倍; 近場光強度分佈量測也顯示,出射峰值強度較單一光波導,提高 1.6 到 2.8 倍。 由於近場光源包含消散波,所以光學系統與儲存媒體的間隙必須維持在次波長

(4)

範圍內,通常在 100 nm 以內。因此藉由引入自混干涉效應,本論文使用一雷射半 導體做為間隙感應器。首先我們模擬了雷射感應器的回饋訊號,並根據此訊號設計 了一控制器。從實驗結果中得知,當一驅動表面有 4.8μm 的位移時,此系統之殘留 位置誤差低於+/- 1.5 nm;當一旋轉碟片旋轉速度高達 1500rpm,並產生 16μm 的位 移時,此系統之殘留位置誤差可控制在+/- 9 nm 內。 由於寫入端的高穿透率與感測端的高精度,本論文所提出的雙光纖探針近場光 學頭具有高效率、精巧、簡單以及易於與其他系統整合的優勢,將可應用於資料儲 存系統。而本論文所提出的複合效應與自混干涉效應,亦開啟了近場光學與近場伺 服控制的新方向。

(5)

Dual‐probe near‐field fiber head       

for data storage applications 

 

Doctoral candidate: Jen‐Yu Fang      Advisor: Dr. Han‐Ping D. Shieh         and Dr. Chung‐Hao Tien 

 

Institute of Electro‐Optical Engineering 

National Chiao Tung University 

 

Abstract 

To meet demands of an efficient near‐field light source with precisely active  gap  control  in  either  magnetic  or  optical  storage  systems,  we  demonstrate  a  novel dual‐probe fiber head with gap servo control. The fiber head consists of a  straw‐shaped writing probe for delivering optical power to the disk surface and  a  gap  sensing  probe  for  detecting  the  spacing  between  the  probe  and  the  disk  surface. 

The  straw‐shaped  writing  probe  utilizes  a  C‐shaped  aperture  in  a  metallic  film on the end face to yield a near‐field subwavelength spot. To break through  the  theoretic  limit  on  the  transmission  through  subwavelength  apertures,  we  introduce  a  novel  hybrid  effect  by  illuminating  the  C‐shaped  aperture  surrounded  with  a  corrugated  structure  or  with  obliquely  incident  light.  The  light obstructed behind the film simultaneously excites surface plasmons waves  and couples into propagation modes inside the aperture. The transmission of the 

straw‐shaped writing probe employing the hybrid effect is 103 times higher than 

(6)

far‐field  transmission  measurement  indicates  that  the  hybrid  effect  results  in  further  enhancement  on  the  power  throughput  by  a  factor  of  1.3  to  1.9.  Near‐field  intensity  distribution  also  shows  that  the  signal  amplitude  is  increased 1.6 to 2.8 times higher than that of a single C‐shaped aperture.   

Near‐field  optical  systems  increase  spatial  resolution  by  employing  evanescent  waves,  so  the  spacing  between  the  optical  device  and  the  medium  surface must be maintained within a wavelength, typically less than 100 nm. By  employing  a  self‐mixing  interferometric  effect,  a  laser  diode  functions  as  a  position  sensor  with  nano‐meter  precision.  We  model  and  characterize  the  self‐mixing  interferometric  signal  and  design  a  proportional  integral  controller  accordingly.  The  residual  position  error  is  as  small  as  +/‐  1.5  nm  and  +/‐  9  nm  under an actuated surface with displacement of 4.8 μm and a spinning disk with  displacement of 16 μm, respectively. 

In  addition  to  high  transmission  through  the  straw‐shaped  writing  probe  and  high  precision  of  the  gap  sensing  probe,  the  dual‐probe  system  has  advantages of compactness, lightness, simplicity, and integration capability. The  results that this thesis achieves open a new avenue to near‐field transmission and  servo control and provide a practical solution for data storage applications. 

(7)

Acknowledgement 

It’s  a  long  journey  to  finish  the  PhD.  If  there  were  no  numerous  help  and  strong support from countless people along the way, I could not have made it. 

First of all, I would like to express my sincere gratitude to my advisor, Prof.  Han‐Ping D. Shieh, for his full support in my academic life. He not only shows  me a model of active attitude to work but also influences my perspective on the  world.  I  would  like  to  thank  my  co‐advisor,  also  my  senior  classmate,  Prof.  Chung‐Ho  Tien.  He  has  given  me  countless  help  in  my  research  since  I  joined  Prof. Shieh’s group. I am also grateful to my committee, Prof. Ken Y. Hsu, Prof.  Chuang‐Chuang  Tsai,  Dr.  Min‐Shyong  Lin,  Prof.  Jin‐Chern  Chiou,  Prof.  Cheng‐Chung  Lee,  and  Prof.  Yung  S.  Liu  for  their  constructive  advice  on  my  thesis. 

In May 2005, I got a chance to work as a visiting research scholar at Carnegie  Mellon  University  for  fifteen  months.  Thank  my  advisors  at  CMU,  Prof.  T.  E.  Schlesinger  and  Prof.  James  Bain,  who  guided  me  in  the  research  project  of  a  near‐field servo control system. That is an essential part of my thesis. Dr. Philipp  Herget whom I worked with helped me a lot in the experimental direction and  setup. Also thank Chris Bowman for his help in training me to make apertures  using focused ion beam milling and device fabrication in the clean room. 

I am very grateful to my team members, Wan‐Ting Lin, Chi‐Chin Lee, and  Yu‐Chieh  Chen.  They  contributed  a  lot  to  the  simulation  and  fabrication  of  nano‐apertures. Our collaboration and achievements showed the power of good  team  work.  Thank  Hong‐Long  Hsu  for  making  a  lot  samples  at  Precision  Instrument Development Center (PIDC) for my experiment. I would also like to  thank  Dr.  Pei‐Kuen  Wei  and  Hsieh‐Li  Chou  of  Research  Center  for  Applied  Science, Academia Sinica, for their technical support, discussion and help in the 

(8)

near‐field intensity measurement. 

Except for research life, Prof. Shieh’s lab is more like a big family. Working in  this  group  was  one  of  the  most  wonderful  experiences  that  I  have  ever  had.  Thank  Yi‐Pai  Huang,  Ko‐Wei  Chien,  An‐Chi  Wei,  Chi‐Hung  Lee,  Kevin  Ni,  Chun‐Ho  Chen,  Bo‐Ru  Yang,  and  Moca  Chen.  Their  friendship  made  my  life  here colorful. I also appreciated assistants’ patience and aid no matter what kind  of help I needed. They are Vivian Ni, Ms. Huang, Ms. Chang, and Ms. Chu. 

Fifteen‐month stay in Pittsburgh was a beautiful memory because I met so  many  good  friends  there.  I  enjoyed  every  seconds  being  with  my  cute  roommates,  Bamboo,  Steve,  Kursat  and  Tingfang.  I  never  forget  every  happy  moment  that  we  spent  together.  I  was  also  so  grateful  to  them  for  everything  they  did  for  me,  especially  their  accompanying  me  when  I  was  upset.  I  would  like  to  express  my  thanks  to  Yung‐Hui  and  Hwaning.  I  appreciated  their  care  about me and sincere friendship. I also want to thank my office mate, Jingwei Liu.  No matter how late I worked in office, he was always the only one to stay with  me. 

Many  friends  of  mine  gave  me  a  lot  of  support  on  my  road  to  the  PhD.  Jennifer  motivated  me  to  look  forwards  to  a  higher  degree  and  also  gave  me  courage  when  I  suffered  frustration.  Hsianghwa  never  hesitated  to  accompany  me  or  lost  her  patience  to  help  me  no  matter  what  and  when  my  request  was  even though she was thousands miles away from me. I appreciated Ricca’s help  to  push  me  to  progress  in  my  research  before  I  went  to  the  US.  I  also  want  to  thank Sophia for her time and encouragement in the last year. 

Finally,  I  present  my  deepest  gratitude  to  my  family.  My  parents  not  only  gave me my life but also provided me a good environment that I can concentrate  on  my  job.  My  brothers  and  sister  always  paid  their  full  attention  and  love  to  their youngest brother. They always tried their best to support me in any ways 

(9)

they can do for me. My cute nephews and nieces also gave me the power to keep  moving on. In addition, I will like to express my special acknowledgement to my  second elder brother and sister‐in‐law for their unconditionally taking care about  me during the past five years when I lived in their place. 

(10)

Table of Content 

Abstract... i  Acknowledgement ... v  Table of Content ... viii  List of Publications ... x  List of Tables ...xii  List of Figures...xii    Chapter 1 Introduction ...‐ 1 ‐  1.1 Introduction to Data Storage System ...‐ 1 ‐  1.2 Near‐field Optical System ...‐ 4 ‐  1.2.1 Subwavelengh Aperture... ‐ 4 ‐  1.2.2 Solid Immersion Lens ... ‐ 8 ‐  1.3 Dual‐probe Fiber Head...‐ 10 ‐  1.4 Objective ...‐ 12 ‐  1.5 Organization ...‐ 12 ‐    Chapter 2 Theories of Near‐field Transmission...‐ 15 ‐  2.1 Bethe’s Theory...‐ 15 ‐  2.2 Waveguide Theory ...‐ 21 ‐  2.3 Surface Plasmon Polaritons...‐ 26 ‐  2.4 Summary ...‐ 32 ‐    Chapter 3 Modeling of Hybrid Effect in Transmission Enhancement ...‐ 35 ‐  3.1 Methodology and Parameters ...‐ 35 ‐  3.1.1 Optical Model and Premises... ‐ 36 ‐  3.1.2 Parameters ... ‐ 39 ‐  3.2 Nano‐waveguide Design...‐ 41 ‐  3.2.1 Rectangular Aperture ... ‐ 41 ‐  3.2.2 Optimization of Ridge Part ... ‐ 42 ‐  3.2.3 Optimization of Aperture Part ... ‐ 44 ‐  3.3 Nano‐waveguide with Corrugation ...‐ 46 ‐  3.3.1 Corrugation in Entrance Interface ... ‐ 46 ‐  3.3.2 Corrugation in Exit Interface ... ‐ 48 ‐  3.4 Nano‐waveguide with Oblique Illumination...‐ 51 ‐  3.4.1 Effect of SPP Mode by Oblique Illumination ... ‐ 51 ‐ 

(11)

3.4.2 Effect of Propagation Mode of Aperture ... ‐ 55 ‐  3.5 Summary ... ‐ 58 ‐    Chapter 4 Experiment in Enhanced Transmission of Hybrid Effect... ‐ 59 ‐  4.1 Fabrication of Subwavelength Aperture... ‐ 59 ‐  4.1.1 Preparation of Metal Film... ‐ 59 ‐  4.1.2 Focused Ion Beam Milling ... ‐ 61 ‐  4.2 Measurement Instrument ... ‐ 64 ‐  4.2.1 Near‐field Scanning Optical Microscope... ‐ 64 ‐  4.2.2 Far‐field Transmission Measurement System... ‐ 68 ‐  4.3 Experimental Results... ‐ 69 ‐  4.3.1 Preparation of Aperture... ‐ 70 ‐  4.3.2 Far‐field Power Throughput ... ‐ 71 ‐  4.3.3 Near‐field Intensity Distribution ... ‐ 73 ‐  4.4 Summary ... ‐ 76 ‐    Chapter 5 Near‐field Servo Control System Employing Self‐mixing Sensor‐ 77 ‐  5.1 System Configuration... ‐ 78 ‐  5.2 Characterization of Self‐mixing Signal ... ‐ 78 ‐  5.2.1 Modeling of Self‐mixing Signal ... ‐ 79 ‐  5.2.2 Experiment of Characterizing Self‐mixing Signal... ‐ 82 ‐  5.3 Fabrication of Laser Diode Sensor... ‐ 84 ‐  5.4 Approach Limit ... ‐ 85 ‐  5.5 Controller Design... ‐ 86 ‐  5.5.1 Dynamic Response of Actuator ... ‐ 86 ‐  5.5.2 Controller Design... ‐ 87 ‐  5.6 Operation Test ... ‐ 89 ‐  5.6.1 Actuated Surface Test ... ‐ 89 ‐  5.6.2 Spinning Disk Test ... ‐ 90 ‐  5.7 Summary ... ‐ 91 ‐    Chapter 6 Conclusions and Future Works ... ‐ 93 ‐  6.1 Conclusions... ‐ 93 ‐  6.2 Future Works ... ‐ 95 ‐    Reference ... ‐ 97 ‐   

(12)

List of Publications 

Journal Papers  [1 ] Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, Han‐Ping D. Shieh, Philipp Herget, James A.  Bain, and T. E. Schlesinger, “Optical feedback height control system using  laser diode sensor for near‐field data storage applications,” IEEE/OSA Journal  of Lightwave Technology, Vol. 25, No. 12, pp. 3704‐3709 (2007).  [2 ] Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh, “Dual‐probe  near‐field fiber head with gap servo control for data storage applications,”  Optics Express, Vol. 15, No. 22, pp. 14619‐14628 (2007).  [3 ] Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh, “Hybrid‐effect  transmission enhancement induced by oblique illumination in nano‐ridge  waveguide,” Optics Express, Vol. 15, No. 18, pp. 11741‐11749 (2007).  [4 ] Jen‐Yu Fang, Philipp Herget, James a. Bain, and T. E. Schlesinger, “Laser  diode active height control system for data storage application,” Proceeding  of SPIE, v6282, p62820p (2006).  [5 ] Yu‐Chieh Chen, Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh,  “High‐transmission hybrid‐effect‐assisted nanoaperture,” Optics Letter, Vol.  31, No. 5, pp. 655‐657 (2006).  [6 ] Yu‐Chieh Chen, Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh,  “Double‐corrugated C‐shaped aperture for near‐field recording,” Japanese  Journal of Applied Physics, Vol. 45, No. 2B, pp. 1348‐1350 (2006).    International Conference Papers  [1 ] Jen‐Yu Fang, Philipp Herget, James a. Bain, and T. E. Schlesinger, “Laser  Diode Active Height Control System for Near‐field Recording,” APDSC 2006,  Taipei, Taiwan (2006).  [2 ] Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh, “Fiber‐based Light  Delivery System for Near‐field Recording,” APDSC 2006, Taipei, Taiwan  (2006).  [3 ] Jen‐Yu Fang, Philipp Herget, James a. Bain, and T. E. Schlesinger, “Laser  Diode Active Height Control System for Data Storage Application,” ODS  2006, Montreal, Canada (2006). 

(13)

[4 ] Jen‐Yu Fang, Yu‐Chieh Chen, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh,  “Microprobe with Wedge‐shaped Graded‐index Fiber Lens for Near‐field  Recording Applications,” ISOM/ODS 2005, Honolulu, USA (2005).  [5 ] Yu‐Chieh Chen, Jen‐Yu Fang, Chung‐Hao Tien, and Han‐Ping D. Shieh,  “Ultrahigh Optical Transmission through a C‐aperture with Surface  Corrugation,” ISOM/ODS 2005, Honolulu, USA (2005).  [6 ] Jen‐Yu Fang, Wan‐Ting Lin, Chung‐Hao Tien, Yi Chiu, and Han‐Ping D.  Shieh, “C‐shaped aperture for near‐field recording,” ISOM 2004, Jeju, Korea  (2004).  [7 ] Chung‐Hao Tien, Yin‐Ting Sun, Jen‐Yu Fang, Meng‐Yu Wu, Wensyang Hsu,  Yi Chiu, and Han‐Ping D. Shieh, “Integrated Planar Pickup with SIL/  Aperture for Near‐Field Recording,” ISOM 2003, Nara, Japan (2003). 

(14)

List of Tables 

Table 3‐1 Spot sizes at 50 nm away from square apertures... ‐ 42 ‐  Table 3‐2 Comparison of SPP wavelength by using SPP theory and FDTD method ... ‐ 54 ‐  Table 3‐3 The calculated power throughput and enhancement of a single  C‐shaped aperture, a C‐shaped aperture with corrugations, and a  C‐shaped aperture with oblique illumination ... ‐ 58 ‐  Table 4‐1 Far‐field transmission of a circular aperture, a C‐aperture, and a  C‐aperture with a corrugation and calculated power throughput  enhancement induced by the hybrid effect ... ‐ 72 ‐  Table 4‐2 Far‐field transmission of a circular aperture, a C‐aperture with two  different illuminating angles and calculated power throughput  enhancement induced by the hybrid effect ... ‐ 72 ‐  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... ‐ 76 ‐  Table 5‐1 Comparison of near‐field servo control methods ... ‐ 92 ‐

(15)

List of Figures 

Fig. 1‐1 Road map of optical storage systems... ‐ 2 ‐  Fig. 1‐2 Schematic illustration of a subwavelengh aperture... ‐ 5 ‐  Fig. 1‐3 (a) A bow‐tie antenna and (b) dipole antennas... ‐ 6 ‐  Fig. 1‐4 Configuration of a conventional NSOM fiber probe and a sample surface ... ‐ 8 ‐  Fig. 1‐5 Schematic illustration of a solid immersion lens... ‐ 8 ‐  Fig. 1‐6 The reflected power as a function of the air gap ... ‐ 9 ‐  Fig. 1‐7 Schematic illustration of the configuration of a dual‐probe fiber head  system ... ‐ 11 ‐  Fig. 2‐1 Model of Bethe’s theory... ‐ 16 ‐  Fig. 2‐2 Diagram of source point and field point ... ‐ 18 ‐  Fig. 2‐3 A typical planar waveguide consisting of three layers arranged that 

guiding index of refraction (nf) is larger than the substrate (ns) and cover 

(nc) indices... ‐ 21 ‐  Fig. 2‐4 Geometric relationship between longitudinal and transverse components  β, κ of the wavevector k... ‐ 22 ‐  Fig. 2‐5 (a) A buried waveguide and its equivalent structure: (b) a thin and (c) a  thick waveguide ... ‐ 24 ‐  Fig. 2‐6 |E|2 distribution at 48 nm from (a) C‐shaped, (b) square, and (c)  modified C‐shaped apertures and |E|2 cross section along (d) X and (e)  Y axis... ‐ 25 ‐  Fig. 2‐7 Schematic illustration of surface plasmons propagating along the  dielectric‐metal interface induced by a p‐polarized incident light .... ‐ 27 ‐  Fig. 2‐8 Dispersion curve of surface plasmons and incident light... ‐ 28 ‐  Fig. 2‐9 Excite surface plasmon polaritons by (a) a grating structure and (b)  attenuated total reflection... ‐ 29 ‐  Fig. 2‐10 Transmission spectrum of (a) a circular aperture surrounded with a  corrugation structure and (b) a hole array ... ‐ 30 ‐  Fig. 2‐11 Configuration of a hole array in a metal film sandwiched with two  dielectric materials... ‐ 31 ‐  Fig. 3‐1 Dimensional parameters of (a) a C‐shaped aperture and (b) a groove  surrounding a C‐shaped aperture and transmission model through (c) a  C‐shaped aperture, (d) a C‐shaped aperture surrounded with a  corrugation, and (e) a C‐shaped aperture with oblique illumination ‐ 39 ‐  Fig. 3‐2 The PT as a function of the side length of a square aperture ... ‐ 42 ‐  Fig. 3‐3 The PT as a function of gap g with various ridge lengths c ... ‐ 43 ‐ 

(16)

Fig. 3‐4 The PT as a function of aspect ratio AR with various aperture lengths a as  ridge width d is 46 nm ... ‐ 44 ‐  Fig. 3‐5 The PT as a function of aspect ratio AR with various aperture lengths a as  ridge width d is 34 nm ... ‐ 45 ‐  Fig. 3‐6 The PT as a function of the interval i with various widths w... ‐ 47 ‐  Fig. 3‐7 The PT as a function of pitch p with various interval i ... ‐ 48 ‐  Fig. 3‐8 The PT as a function of the interval i on the exit plane with various  widths w... ‐ 50 ‐  Fig. 3‐9 The power throughput (PT) at a distance of 50 nm from the aperture and  reflection coefficient rp as a function of the incident angle ... ‐ 52 ‐  Fig. 3‐10 (a) Ez, (b) Ex, and (c) Hy field profile, and (d) magnitude of Poynting  vector plot when the incident angle is 44 degree. The dashed line  showed the contour of the metal film and the C‐aperture... ‐ 54 ‐  Fig. 3‐11 The spectral response of the power throughput through the C‐shaped  aperture with a incident angle of 44 degree ... ‐ 55 ‐  Fig. 3‐12 Electric intensity distribution inside the waveguide at a position of (a)  1/4, (b) 1/2, (c) 3/4 of the length from the entrance plane when  propagating along the waveguide, and (d) the power throughput decay  as a function of the distance from the waveguide ... ‐ 56 ‐  Fig. 3‐13 Power throughput as the waveguide scales up or down by the scale  factor in the model of 44‐degree illumination... ‐ 57 ‐  Fig. 4‐1 Fabrication process of a free‐standing metal film (a) deposit silicon  nitride on silicon wafer, (b) pattern on photo resist, (c) remove silicon  nitride by RIE, (d) wet etch using KOH, (e) deposit silver film, and (f)  remove silicon nitride by ICP‐RIE ... ‐ 60 ‐  Fig. 4‐2 Parameters determining the quality of a special‐shaped aperture ... ‐ 62 ‐  Fig. 4‐3 Operation modes of an apertured NSOM (a) illumination, (b) collection,  (c) illumination collection, (d) reflection, and (e) reflection collection        ... ‐ 65 ‐  Fig. 4‐4 Configuration of far‐field measurement system... ‐ 68 ‐  Fig. 4‐5 SEM photos of (a) a circular aperture, (b) a C‐shaped aperture, and (c) a  C‐shaped aperture surrounded by a groove ... ‐ 70 ‐  Fig. 4‐6 SEM photo of a single C‐shaped aperture for oblique illumination.... ‐ 70 ‐  Fig. 4‐7 Intensity distributions measured by NSOM (a) background noise and (b)  the C‐shaped aperture ... ‐ 74 ‐  Fig. 4‐8 Near‐field distribution observed by NSOM with (a) normal and (b)  44‐degree incidence... ‐ 74 ‐  Fig. 4‐9 Calculated electric intensity distribution at 50nm from the 

(17)

nano‐waveguide with the experimental dimensions at (a) normal  incidence and (b) 44‐degree incidence... ‐ 75 ‐  Fig. 4‐10 Calculated (a) Ex and (b) Ez field profile with the experimental  dimensions ... ‐ 75 ‐  Fig. 5‐1 Schematic illustration of system configuration ... ‐ 78 ‐  Fig. 5‐2(a) Configuration of an external‐cavity laser diode with a length of fiber  and (b) an equivalent laser diode ... ‐ 80 ‐  Fig. 5‐3 Simulated self‐mixing interferometric fringe ... ‐ 81 ‐  Fig. 5‐4 (a) Experimental setup for feedback signal characterization and (b)  measured signal from the photodiode... ‐ 82 ‐  Fig. 5‐5 Comparison of a measured feedback signal and a calculated self‐mixing  interferometric signal ... ‐ 83 ‐  Fig. 5‐6 (a) photo of the pickup with laser diode mounted and (b) side view of  modified laser package ... ‐ 84 ‐  Fig. 5‐7 (a) Angular variation of the disk and the laser size determines the  approach limit and (b) the measured angular variation of the glass disk  at different radial position along tangential and radial direction ... ‐ 85 ‐  Fig. 5‐8 (a) Measured open‐loop frequency response of the actuator and (b)  calculated step response of the actuator according to the modeling  transfer function... ‐ 86 ‐  Fig. 5‐9 Block diagram of the gap sensing probe system ... ‐ 87 ‐  Fig. 5‐10 Open‐loop frequency response of the active height control system . ‐ 88 ‐  Fig. 5‐11 (a) Configuration of actuated surface test system and (b) experimental  results when the displacement of the actuated surface is 4.8 μm at 1500  rpm... ‐ 90 ‐  Fig. 5‐12 (a) Configuration of spinning disk test system and (b) experimental  results with a disk runout of 16 μm at 1500 rpm ... ‐ 91 ‐     

(18)
(19)

Chapter 1 Introduction

1.1 Introduction to Data Storage System

Based on the recording mechanism, data storage can be classified into three  groups:  electric,  magnetic,  and  optical  storage  systems.  In  electric  storage  systems,  information  is  stored  in  the  form  of  electric  charges,  either  in  transistors  or  capacitors.  Magnetic  storage  systems  store  information  in  the  magnetic state of atoms of recording medium, which is written by an external  magnetic field and read out by a magnetic transducer. Instead, optical storage  systems store information by the modulation in the reflectivity of disk surfaces,  for example, by either physical structures or crystalline states [1]. 

In  contrast  to  electric  storage,  magnetic  and  optical  storage  systems  have  features  in  common.  Both  of  them  require  a  pickup  head  to  fly  over  disk  surfaces for recording or picking up data on the disk so that a flying head and a  servo  control  system  are  essential  components  in  these  two  types  of  systems.  Furthermore,  the  capacity  of  these  two  systems  is  comparatively  higher  than  that  of  electric  storage  systems.  However,  data  access  rate  of  magnetic  and  optical  storage  systems  is  relatively  low  compared  to  that  of  electric  ones.  Therefore,  both  magnetic  and  optical  storage  systems  are  categorized  in  the  secondary  memory  for  storing  and  backing  up  data  while  electric  storage  systems are used as the primary memory for processing information. Because of  divergences in the nature between the primary and the secondary memory, our  study will focus only on the secondary memory. 

Due  to  the  explosively  increasing  demand  for  storing  information  as  multimedia  is  spread  out  over  the  world  and  widely  used  in  daily  life,  data  storage  systems  with  higher  recording  capacity  are  undoubtedly  desired. 

(20)

Moreover,  mobility,  miniaturization  and  power  consumption  are  also  considerable issues in data storage systems. Therefore, those requirements drive  the  development  of  storage  systems  toward  higher  recording  density  and  efficiency. A road map of optical storage systems shown in Fig. 1‐1 illustrates an  example of the development of the storage capacity. From the first CD launched  in the 80s to the latest near‐field disc, the capacity increases hundreds times or  even  higher.  However,  the  increase  of  the  recording  density  is  not  unlimited.  The  principles  of  recording  mechanisms  and  the  physical  characteristics  of  recording materials determine the theoretic ceiling of the recording density. 

Fig. 1‐1 Road map of optical storage systems 

In magnetic storage systems, the recording density depends on mark sizes,  i.e. a minimum magnetic domain. With the decrease of mark sizes, grain sizes in  the recording medium must be smaller than the mark sizes to obtain a sufficient  signal‐to‐noise  ratio.  However,  if  grain  sizes  are  too  small,  random  thermal  fluctuations  cause  magnetic  domain  switching  and  consequent  destruction  of  data in a conventional recording medium. The size at which the magnetic state  of a grain is no longer thermally stable is the so‐called super‐paramagnetic limit.  The criterion for thermal stability is shown in Eq. (1‐1) as below [2],  0.1 1 10 100 1000 1975 1985 1995 2005 2015 2025 Year of Introduction Ca pa ci ty ( G B) ~15% / year DVD 4.7 GB 650 nm 0.6 NA CD 0.7 GB 780 nm 0.45 NA Near Field ~150 GB 405 nm 1.5-2.0 NA BD/HDVD 25 GB 405 nm 0.85 NA

(21)

70 > T k V K B u ,      (1‐1) 

where  Ku  is  the  uniaxial  anisotropy  coefficient,  V  is  the  grain  volume,  kB  is 

Boltzmann’s constant, and T is temperature. Although some recording materials  have a sufficiently large Ku for thermal stability, the coercivity of these materials 

at  room  temperature  is  too  large  to  be  switched  by  an  external  magnetic  field  generated  by  conventional  heads.  One  solution  to  overcome  this  issue  is  to  introduce  a  heat‐assistance  method  by  employing  a  laser  beam  to  heat  a  local  area of the recording material. When the temperature of the medium is close to  its Curie point, the coercivity drops dramatically so that only a small magnetic  field is needed to record data in the medium. Therefore, an optical system that  can confine sufficient optical power into a spot with a diameter of less than 50  nm is necessary for heat‐assisted magnetic recording (HAMR) [3].  In optical storage systems, a laser stylus, a spot focused by an objective lens,  is used to illuminate  disk surfaces. The reflected light  from the disk surface is  collected by the objective lens and delivered to an optical detector. The storage  density  is  dependent  on  the  spatial  resolution  of  the  laser  stylus,  which  corresponds to the spot size of the optical system. According to the diffraction  theory,  the  theoretic  minimum  spot  size  of  a  far‐field  focusing  system,  also  called  the  diffraction  limit,  is  proportional  to  the  ratio  of  the  incident  wavelength to the numerical aperture (NA) of the optical system, 

NA

d∝ λ ,       (1‐2) 

where d is the diameter of the focused spot, λ is the incident wavelength, and 

NA is the numerical aperture. Thus, the only way to increase the storage density 

is  to  reduce  the  wavelength  or  increase  the  numerical  aperture.  However,  aberrations,  which  are  inversely  proportion  to  the  square  or  cubic  of  the  spot  size,  become  significantly  worse  with  the  decrease  of  the  wavelength  or  the  increase of NA. 

(22)

Therefore, in order to break through the theoretic limit, both magnetic and  optical storage systems need an optical system that can bring a subwavelength  spot to the recording medium. According to near‐field theories, in a distance of  less  than  a  wavelength  from  optical  devices,  evanescent  waves  are  taken  into  account  and  thus  the  field  behavior  is  distinctively  different  from  that  after  propagating  far  away  from  the  devices.  Because  the  evanescent  waves  have  higher  spatial  frequency  information  than  that  of  the  propagating  waves,  a  subwavelength spatial resolution beyond the diffraction limit can be obtained in  the near field. Since the evanescent waves decay exponentially with the distance  from the optical device, the spacing between the device and the medium surface  has  to  be  kept  within  a  wavelength,  typically  less  than  100  nm.  Therefore,  remaining  the  spacing  with  nanoscale  precision  is  a  challenging  issue  for  near‐field optical systems. 

1.2 Near-field Optical System

A  near‐field  optical  system  uses  near‐field  optical  techniques  to  achieve  subwavelength  resolution.  However,  challenging  issues  accompany  the  shrinkage of spot sizes and gaps between optical devices and media. Based on  mechanisms employed, near‐field optical systems are categorized in two groups,  subwavelength  apertures  and  solid  immersion  lenses,  and  explained  in  the  following. 

1.2.1 Subwavelengh Aperture

1. Principle 

A subwavelength aperture in a metal films blocks part of incident fields to  confine  optical  energy  into  a  tiny  area,  as  shown  in  Fig.  1‐2.  Subwavelength  resolution  of  λ/20  was  first  demonstrated  by  employing  a  nano‐aperture  in 

(23)

Incident Light Subwavelength spot Nano-aperture Metal Film near‐field microscopy [3]. This novel breakthrough gave the birth to near‐field  scanning optical microscopes (NSOM) and  opened a new avenue of near‐field  optics [4‐8]. In conventional NSOMs, a tapered fiber probe was used to generate  a tiny stylus for resolving the image. By depositing a metal film on the side wall  of the stylus, a nano‐aperture with a symmetric shape was consequently formed  at the tip.            Fig. 1‐2 Schematic illustration of a subwavelengh aperture 

Subwavelength  apertures  have  advantages  of  simple  configuration  and  easy fabrication. However, because the field inside the  fiber suffered a serious  energy loss in the tapered area and through the aperture, the transmission of a  tapered fiber probe typically ranged from 10‐3 to 10‐5 [9‐11]. Thus the picked‐up 

signal  was  relatively  noisy  and  complex  signal  processing  was  necessarily  required  in  the  system.  Therefore,  a  lot  of  effort  was  made  to  increase  the  transmission of subwavelength apertures. 

(1) Special‐shaped Apertures 

Special‐shaped  apertures  were  designed  to  enhance  the  transmission  by  exciting  either  radiation  from  the  aperture  which  functions  as  an  antenna  or  propagation  modes  inside  the  aperture.  A  bow‐tie  antenna  or  dipole  antenna  was  proposed  to  generate  radiation  from  resonance  of  electric  fields  on  the 

(24)

antenna  induced  by  incident  waves,  as  shown  in  Figs.  1‐3  (a)  and  (b)  [12‐14].  The resonance coupled from incident light, highly dependent on the geometry  and  dimensions  of  the  antenna,  radiated  electromagnetic  waves  and  thus  generated  a  spot  of  a  diameter  much  less  than  a  wavelength.  An  alternative  approach  was  to  employ  an  aperture  as  a  waveguide.  Either  a  C‐  or  I‐shaped  aperture  functioning  as  a  ridge  waveguide  supported  propagation  modes  and  thus reduced the energy dissipation through the aperture [15‐19]. According to  waveguide  theories,  the  propagation  modes  of  a  waveguide  are  particular  patterns  of  field  which  fulfill  the  boundary  condition  and  can  propagate  through  the  waveguide  without  significant  energy  loss.  The  refractive  indices  and the geometry of the waveguide determine the propagation modes that can  be  supported  inside  the  waveguide.  Therefore,  the  dimensions  of  the  aperture  dominate the transmission and the spot size through the aperture.            Fig. 1‐3 (a) A bow‐tie antenna and (b) dipole antennas  (2) Surface Plasmon Polaritons 

Another  solution  is  to  induce  the  surface  plasmon  excitation  in  dielectric‐metal  interfaces  of  a  metal  film  [20‐23].  The  resonance  of  surface  plasmon  polaritons  induced  by  the  incident  light  will  result  in  oscillation  of 

(25)

electrical  fields  and  re‐radiation  in  the  vicinity  of  the  film  surface.  The  metal  structure  itself  then  functions  like  an  active  light  source.  It  means  that  the  resonance of surface plasmons modes on both sides of a metallic film makes the  energy transfer between incident light and surface plasmons as well as between  surface  plasmons  and  emitted  light  possible.  Consequently,  under  a  proper  design, the energy carried by photons obstructed behind the film contributes to  the  transmission  through  the  film  and  thus  breaks  through  the  theoretic  limit.  Unfortunately, because the dispersion curve of surface plasmons lies right of the  light line of the same energy, surface plasmons have a longer wave vector than  that  of  light.  An  additional  wave  vector  has  to  be  added  to  excite  surface  plasmons  by  introducing  periodic  structures,  such  as  hole  arrays  and  corrugations, or attenuated total reflection. 

2. Gap Control 

For  a  conventional  NSOM  fiber  probe,  the  shear  force  method  is  used  to  detect the spacing between the probe tip and sample surfaces, as shown in Fig.  1‐4 [24]. The fiber probe is attached on a tuning fork which is driven by a piezo  actuator.  In  the  absence  of  the sample  surface,  the  fiber  probe  with  the  tuning  fork is driven to resonate at its nature resonant frequency. As the fiber probe is  approaching to the surface, the shear force between the fiber tip and the sample  surface  alters  the  resonant  amplitude  and  then  can  be  detected  by  the  piezo  actuator which can alternatively function as a sensor. 

Because the change in the resonant amplitude is a function of the gap and  then  can  be  used  as  a  feedback  servo  signal,  the  shear  force  method  has  an  advantage  of  extremely  high  sensitivity.  Typically,  a  residual  position  error  of  less than 0.1 nm can be achieved. However, since the amplitude of the feedback  signal is too low to be detected, the signal‐to‐noise ratio (SNR) is so low that a  complicated signal processing system is required to filter out the signal. 

(26)

Fig. 1‐4 Configuration of a conventional NSOM fiber probe and a  sample surface 

1.2.2 Solid Immersion Lens

1. Principle          Fig. 1‐5 Schematic illustration of a solid immersion lens 

Since  the  diffraction  limit  is  determined  by  the  ratio  of  the  incident  wavelength to the numerical aperture, the spot size of far‐field optical systems  can  be  further  reduced  by  increasing  the  effective  NA  if  the  incident  light  experiences  a  refractive  index  of  greater  than  air.  As  a  result,  a  semi‐spherical  solid  immersion  lens  (SIL)  was  proposed  to  insert  into  the  optical  path  of  a  focusing beam, as shown in Fig. 1‐5 [25‐27]. The incident light which arrived at  the  bottom  of  the  solid  immersion  lens  at  an  angle  of  greater  than  the  critical  angle  suffered  a  total  internal  reflection  at  the  dielectric‐air  interface  where  evanescent  waves  were  generated  and  penetrated  through.  Spatial  resolution 

Disk θc Propagating wave Ev anescent wav e Air gap Δz SIL Objective

(27)

can  be  improved  by  a  factor  of  refractive  index  of  the  material  of  SIL  because  evanescent waves carried information with higher spatial frequencies. However,  the amplitude of evanescent waves dropped exponentially with  an increase of  the distance from SIL. An extremely precise gap control system was necessary  for  remaining  the  spacing  between  the  SIL  and  the  medium  less  than  a  wavelength,  typically  less  than  100  nm  in  the  case  of  blue  lasers  [28‐29].  Moreover,  a  semi‐spherical  SIL  was  difficult  to  fabricate  and  also  too  bulky  to  be integrated into flying heads. 

2. Gap Control 

In  a  solid  immersion  lens  system,  when  a  surface  is  in  close  proximity  to  the  bottom  of  the  solid  immersion  lens,  the  coupling  between  the  evanescent  wave and the surface will generate an orthogonal polarization component to the  reflected  field.  And  the  polarization  component  decays  as  the  increase  of  the  spacing  between  the  surface  and  the  bottom  of  the  SIL.  Therefore,  a  polarized  beam  splitter  is  used  to  filter  out  the  orthogonal  component  and  then  the  filtered  reflected  power  is  a  function  of  the  spacing,  as  shown  in  Fig.  1‐6  [30].  The linear region of this signal can be used as a feedback signal to remain the  spacing with nanoscale precision. 

(28)

Similar to the shear force method, the reflected power method also has an  advantage  of  high  sensitivity.  A  residual  position  error  of  less  than  5  nm  was  successfully demonstrated. However, a complex optical system is necessary for  delivering and filtering optical signals. Due to numerous lenses, the alignment  among those lenses becomes a challenging issue. 

1.3 Dual-probe fiber head

Upon the  demand of recording  density, either magnetic or optical storage  systems require a near‐field light source with active gap control that can confine  optical  power  into  a  subwavelength  spot  with  sufficient  transmission.  A  conventional  fiber  probe  has  advantages  of  compactness,  ease  of  fabrication,  and  integration  capability;  however,  low  transmission  results  in  high  power  consumption and heat dispersal issues. The gap control employing shear force  between the fiber tip and the sample surface as the feedback signal encounters  an issue of low speed and low SNR. In contrast, solid immersion lens efficiently  brings  optical  power  to  the  medium  but  a  complex  and  costly  process  is  necessary for fabricating the SIL. In addition, the SIL is too bulky to be installed  on  a  flying  head  and  significantly  degrades  the  dynamic  characteristics  of  the  optical  head.  The  reflected  power  method  used  for  focusing  servo  control  requires  a  complicated  external  optical  system  to  filter  out  and  process  the  signal. 

Due to the issues that conventional systems encounter, by taking advantage  of  fiber  for  compactness,  lightness,  simplicity,  and  integration  capability,  we  propose a novel dual‐probe near‐field fiber head system. The system consists of  a straw‐shaped writing probe that delivers optical power to the medium and a  gap  sensing  probe  that  detects  the  spacing  and  sends  a  feedback  signal  to  the  controller.  The  writing  probe  with  a  straw  shape  yields  a  high  transmission 

(29)

resulting from the hybrid effect we discover and the gap sensing probe exhibits  nano‐scale precision as a result of the self‐mixing effect. 

The  system  configuration  is  schematically  illustrated  in  Fig.  1‐7.  In  the  writing probe, a 1X2 10/90 fiber coupler is inserted into the optical path to split  the light into two. 90% of the light goes to the straw‐shaped probe, where the  end face is coated with a metallic film and perforated by a C‐shaped aperture at  the center, while the remaining 10% light goes to the bare flat reference probe  where  the  emitted  power  is  measured  to  monitor  the  output  from  the  straw‐shaped  probe.  In  the  gap  sensing  probe,  the  spacing  between  the  probe  end  and  the  target  surface  functions  as  an  external  cavity  for  the  laser  diode.  The interference between the reflected light and the field inside the laser cavity  modulates the output power as a function of the spacing. The output power is  detected by the photodiode and sent to the controller as a feedback signal. The  dual‐probe fiber head is installed on a conventional biaxial actuator driven by  the controller to maintain the spacing with nanometer position precision.    Fig. 1‐7 Schematic illustration of the configuration of a dual‐probe  fiber head system 

(30)

1.4 Objective

The objective of this thesis is to present an efficient, miniaturized, compact,  highly  integrated  dual‐probe  fiber‐based  optical  head  with  simple  and  precise  gap servo control. The dual‐port fiber head consists of a straw‐shaped writing  probe  with  a  subwavelength  C‐shaped  aperture  and  a  gap  sensing  probe  employing  a  self‐mixing  laser  sensor.  To  resolve  the  issue  of  low  transmission  through  a  subwavelength  aperture  in  conventional  fiber  probes,  we  propose  a  novel  configuration,  a  C‐shaped  aperture  surrounded  by  corrugations  or  illuminated with obliquely incident light, to excite a hybrid effect. Propagation  modes  and  surface  plasmon  waves  exist  simultaneously  and  contribute  to  the 

further  enhancement  of  transmission  through  the  waveguide.  A 

high‐transmission  writing  probe  is  then  designed  and  realized  by  employing  the  hybrid  effect.  On  the  other  hand,  to  overcome  the  issue  of  a  complicated  optical  system  that  conventional  detecting  methods  need,  we  design  a  gap  sensing probe employing self‐mixing interferometric effect. We characterize the  modulation of output power as a function of the spacing between the probe and  the  disk  surface  and  use  it  as  a  feedback  signal.  According  to  the  feedback  signal, we also design a controller and circuits for driving a conventional biaxial  actuator to remain the spacing with nanometer position precision. 

1.5 Organization

In  Chapter  2,  we  review  theories  of  near‐field  transmission,  including  Bethe’s  theory,  waveguides,  and  surface  plasmons.  Based  on  those  theories,  in  Chapter  3,  we  propose  a  novel  optical  design,  a  C‐shaped  aperture  in  a  metal  film as a waveguide surrounded with a circular corrugation or illuminated with  obliquely  incident  light.  This  design  induces  a  hybrid  effect  consisting  of  propagation  modes  inside  the  waveguide  and  surface  plasmon  modes  in  the 

(31)

dielectric‐metal  interfaces  to  enhance  the  transmission  through  the  aperture.  Modeling and optimization of this design are presented. The simulation results,  including mechanisms of the hybrid effect and the transmission enhancement,  are also explained and discussed. In Chapter 4, the fabrication of hybrid‐effect  apertures  and  measurement  instruments  are  presented  and  followed  by  the  experimental results that demonstrated the proposed hybrid effect. 

Chapter 5 focuses on the development of a near‐field servo control system  employing  a  self‐mixing  interferometric  laser  sensor.  We  characterize  the  interferometric signal in a laser diode and realize a laser sensor by modifying a  commercial  laser  diode.  The  frequency  response  of  a  biaxial  actuator  with  a  laser  sensor  installed  is  measured  and  a  controller  is  designed  for  the  laser  sensor  system  accordingly.  Under  an  actuated  surface  test  system  and  a  spinning  disk  system,  we  demonstrate  the  operation  of  a  near‐field  control  system using a laser sensor on a biaxial actuator. 

The summary of the findings and throughputs of this thesis is presented in  Chapter  6.  We  also  suggest  prospective  works  for  near‐field  light  delivery  systems. 

(32)
(33)

Chapter 2 Theories of Near-field

Transmission

In  this  chapter,  we  briefly  review  the  relevant  literature  on  near‐field  transmission  through  subwavelength  apertures.  Based  on  the  assumption  of  a  perfect  conducting  film,  Bethe  revealed  that  the  transmission  through  a  subwavelength aperture is proportional to the fourth power of the aperture size.  Although  some  premises  of  Bathe’s  theory  do  not  work  out  well  in  the  real  world,  it  still  discloses  a  theoretic  fundament  of  the  transmission  through  a  subwavelength  aperture.  A  lot  of  effort  thus  has  been  made  to  break  through  the  theoretic  limit.  Special‐shaped  apertures  that  can  function  as  waveguides  are  one  of  promising  solutions.  If  an  incident  field  couples  into  propagation  modes  supported  by  a  waveguide,  the  field  can  propagate  through  the  waveguide  with  less  energy  dissipation.  On  the  other  hand,  the  oscillation  of  surface  plasmon  waves  on  both  sides  of  a  metallic  film  results  in  the  enhancement of the transmission if the satisfaction of the momentum matching  condition  induces  coupling  between  incident  photons  and  surface  plasmon  polaritons. Propagation modes of a waveguide and surface plasmon polaritons  stimulate the development of a hybrid effect, which is the fundamental theory  of a novel light source system we propose. 

2.1 Bethe’s Theory

Consider a normal incident light impinging on a perfect conducting film at  plane z=0, which divides the space into two parts: the left space of z<0 and the  right one of z>0, as shown in Fig. 2‐1 [31]. Assume E0 and H0 to be the field on 

the  left­hand  side  of  the  film  if  there  is  no  aperture.  The  field  fulfills  the  boundary conditions for z=0, 

(34)

0 0 r r r× E = n       (2‐1a)  0 0 = ⋅ H nr r       (2‐1b)         

Fig. 2‐1 Model of Bethe’s theory

The  field  on  the  right ­ hand  side  vanishes  identically  and  the  zero  approximation  field  satisfies  the  boundary  condition  everywhere  on  the  film  but  not  in  the  aperture  where  H  and  the  normal  component  of  E  are  discontinuous. The field is written as  1 0 H H Hr = r + r       for z<0      (2‐2a)  2 H Hr = r         for z>0      (2‐2b)  Then the boundary conditions are:  tan 2 tan 1 E Er = r       in the aperture      (2‐3a)  tan 0 tan 1 tan 2 H H Hr − r = r   in the aperture      (2‐3b)  0 tan 2 tan 1 = E = Er r     for z=0 outside the aperture      (2‐3c) 

If  we  assume  the  aperture  is  symmetric  with  respect  to  z=0,  x­  and  y­ components of E as well as z­component of H automatically fulfill the condition  of  symmetric  distribution.  Then  Eqs.  (2‐3a)  and  (2‐3b)  are  rewritten  in  the 

(35)

following form:  z z E E2 0, 2 1 r r =       (2‐4a)  tan 0 tan 2 2 1 H Hr = r       (2‐4b) 

Since  the  aperture  size  is  extremely  small  compared  to  the  wavelength  λ, 

H0x, H0y, and E0z are approximated as constants over the aperture. Moreover, the  aperture shape is assumed to be circular with radius a.  By introducing Stratton’s formula, E is represented by a full‐vector theory  [33].    ] ) ( )) ( ( ) ( [ 4 1 ) ( σ φ φ φ π × − × ×∇ − ⋅ ∇ =

d ikn H r n E r n E r r Er r r r r r r       (2‐5) 

In  the  absence  of  electric  charges  or  electric  currents,  the  first  item  in  the  integral equation can be omitted. Consequently, magnetic current density K and  surface charge density η are introduced as the sources of the electric field in the  aperture.  The  continuity  equation  corresponding  to  magnetic  current  density  and surface charge density is fulfilled. The time dependence of all quantities is  assumed to be harmonic oscillation.  eiωt and ω=cκ                           (2‐6)  The electric field E and magnetic field H can be expressed in terms of K and  η with the aid of scalar potential Ψ and vector potential F:  F Er=∇× r      (2‐7a)  Ψ ∇ − ∂ ∂ = t F c H r r 1       (2‐7b)  where F and Ψ are in exact analogy to the electric case, which is represented by  the integral of K and η over the plane of z=0,  ' ) ' ( ) ' ( ) (r K r r r dr Fr =−

φ −       (2‐8a) 

(36)

' ) ' ( ) ' ( ) (r = r rr dr Ψ

η φ       (2‐8b)  In Eqs. (2‐8a) and (2‐8b), φ is the retarded radiation between the source vector r’  to the field vector r, as shown in Fig. 2­2.        Fig. 2‐2 Diagram of source point and field point  By inserting these results into Eqs. (2‐7a) and (2‐7b), E and H can be obtained by  the integral of magnetic surface current K and charge η over the aperture area.  σ d r K r Er( )=

r( ')×∇Φ       (2‐9a) 

Φ− ∇Φ = iκK r η r dσ r Hr( ) [ r( ') ( ') ]        (2‐9b) 

Based  on  the  assumption  that  the  aperture  size  is  much  smaller  than  the  wavelength, H is considered as a static field corresponding to the surface charge  density  η.  Thus,  the  first  term  in  Eq.  (2‐9b)  is  neglected.  Then  we  assume  a  constant  magnetic  field  component  Htan  equal  to ½H0  over  the  aperture.  In 

addition,  the  retardation  term  in  Eq.  (2‐8b)  is  also  omitted  because  the  field  point  is  in  proximity  to  the  aperture.  Under  these  assumptions,  the  scalar  potential is written as  r H r r dr r r =− r ⋅r − = Ψ

0 2 1 ' ' ) ' ( ) ( η       (2‐10) 

This  constant  field  is  produced  by  a  uniform  distribution  of  dipoles  in  an  ellipsoid, of which the direction is identical to that of the field. If the axis of the  ellipsoid is assumed to be small, the cross section of the ellipsoid in XY plane 

(37)

should be equivalent to the aperture area. Thus, the surface density of dipoles μ  is proportional to the ordinate of the ellipsoid:  2 1 2 2 ) ' (ar = μ       (2‐11)  The surface charge density η is then in the form of  2 1 2 2 0 ) ' ( ' r a r H C − ⋅ − = r r η        (2‐12)  where C is a proportional constant. Then the magnetic surface charge density η  and current density K are  2 1 2 2 2 0 ) ' ( ' r a r H − ⋅ − = π η r r       (2‐13a)  2 0 2 1 2 2 ) ' ( π H r a ik K r r = −       (2‐13b) 

From  Eq.  (2‐9a),  it  is  clear  that  the  distribution  of  the  surface  magnetic  current density K obtained in Eq. (2‐13b) does not contribute appreciably to E.  In  Eq.  (2‐13b),  the  K  is  of  the  order  of  kaH0  and  grad  Φ  is  of  order  1/a2.  The 

integral in Eq. (2‐9a) over an area of order a2 makes the contribution of current 

density K to E of order kaH0. Therefore, the normal component of E0 shall be of 

the  same  order  as  H0.  An  additional  magnetic  current  distribution  KE  then  is 

necessary  for  matching  the  boundary  condition  for  En.  This  new  current 

distribution, however, does not give rise to any extra magnetic charge density η.  Thus, KE must be:  0 = ⋅ ∇ KrE       (2‐14)  According to Eq. (2‐7a) we can obtain  r E Fr = r0×r 4 1       (2‐15) 

(38)

and from Eqs. (2‐10) and (2‐13a), the current for the required E is  2 1 2 2 2 0 ) ' ( 2 ' r a E r KE − × = π r r r       (2‐16)  Then the total magnetic current density in the aperture is  ] ) ' ( 2 ' ) ' ( [ 1 2 1 2 2 0 0 2 1 2 2 2 r a E r H r a ik K K K H E − × + − = + = r r r r r π       (2‐17)  while the magnetic charge density is the same as Eq. (2‐13b). 

According  to  Eqs.  (2‐9a),  (2‐9b),  and  (2‐17),  E  and  H  can  be  obtained  by  imposing them into Maxwell equations:  ) ˆ 2 ( ˆ 3 1 0 0 0 3 2 r E H r a Er = κ φ × r + r × π       (2‐18a)  ) ˆ 2 ( ˆ 3 1 0 0 0 3 2 E r H r a Hr =− κ φ × r × − r π        (2‐18b) 

where Φ0 = eikr / r for r’=0 and  rˆ   is unit vector in the direction of  rr. Then, the 

Poynting vector S of the diffracted field is:  2 0 0 2 6 4 2 (2ˆ ˆ ˆ ) ˆ 36 1 4 r r H r r E r a H E c Sr= r× r = κ × r − × × r π π       (2‐19)  and the total transmitted radiation in all directions is:  ) 4 ( 27 sin 2 2 6 02 0 2 2 0 2 2 / 0 E H a c S r d d Stotal =

r = κ r + r π α θ θ π π       (2‐20) 

The  solution  indicates  that  the  total  transmitted  radiation  through  an  aperture is proportional to the sixth power of the aperture size a. If we define  the  power  throughput  (PT)  as  the  ratio  of  the  total  transmitted  power  to  the  incident  power  over  the  aperture.  According  to  Bethe’s  theory,  PT  of  a  subwavelength aperture is proportional to the fourth power of the aperture size.  Although this analytical solution provides a fundamental theory for calculating  the transmission through an aperture, there are some theoretic restrictions and 

(39)

premises.  First,  the  metallic  screen  is  assumed  as  a  perfect  conductor.  Second,  the  assumption  of  symmetry  of  the  aperture  simplifies  the  field  distribution.  Furthermore, this solution is valid only when the aperture size is much smaller  than  the  wavelength.  Even  through  some  literatures  tried  to  modify  Bethe’s  formula  for  greater  accuracy,  it  is  still  impossible  to  derive  analytical  solution  without  any  approximations  and  assumptions,  especially  for  complex‐shaped  apertures.  Therefore,  in  this  thesis,  we  employ  Finite‐Difference Time  Domain  method  (FDTD)  to  calculate  power  throughput  and  field  profiles  through  our  designed apertures. 

2.2 Waveguide Theory

A waveguide is a special‐designed structure that can guide waves through  a  long  distance  with  acceptable  energy  loss.  A  typical  waveguide  structure  consists  of  a  high‐index  dielectric  layer  with  a  height  h  sandwiched  with  two  lower‐index materials, as shown in Fig. 2‐3 [32]. The index of refraction of the  guiding slab nf must be larger than that of the cover material nc or the substrate 

material ns in order for total internal reflection to occur at the interfaces. If the 

slab is ideally infinite in extent in the yz plane, but finite in x direction, we can  develop  a  basic  form  of  guided  modes  using  boundary  conditions,  which  is  applicable to real problems. 

 

 

Fig.  2‐3  A  typical  planar  waveguide  consisting  of  three  layers  arranged  that  guiding  index  of  refraction  (nf)  is  larger  than  the 

(40)

For  a  sinusoidal  transverse  electric  (TE)  wave  with  a  wave  vector  k  and  frequency ω0, the wave equation in each region can be put in the scalar form:  0 2 2 0 2 + = ∇ Ey k niEy        (2‐21) 

where ni = nf, ns, or nc. Because the slab is infinite in y direction, Ey is a function 

of both x and z but independent of y. Due to the translational invariance of the  structure along z direction, we assume that the amplitude does not vary along z  axis but the phase does. If we choose a trial solution to Eq. (2‐21) in the form:  z j y y i e x E y x E ( , )= ( ) − β⋅       (2‐22)  where β is a propagation coefficient along z direction. Then by putting Eq. (2‐22)  into Eq. (2‐21), we can obtain  0 ) ( 2 2 2 0 2 2 = − + ∂ ∂ y i y E n k x E β       (2‐23)  In the case β > k0 ni, we have a general solution with a real exponential form:  x n k y i e E x E 2 02 2 0 ) ( = ± β −       (2‐24a)  where E0 is the field amplitude at x = 0. This solution is the evanescent field of a  total internal reflected wave at an interface.  In the case β < k0 ni, the solution has an oscillatory form:  x n k j y i e E x E 02 2 2 0 ) ( = ± −β       (2‐24b)     

Fig.  2‐4  Geometric  relationship  between  longitudinal  and  transverse components β, κ of the wavevector k 

x

z

k

κ

(41)

If  a  transverse  wavevector  κ  is  defined  as 2 2 2 0 β

κ = k ni,  β  and  κ  are 

geometrically  related  to  the  total  wavevector  k  =  k0  ni,  as  shown  in  Fig.  2‐4, 

inside the guiding layer. 

The  longitudinal  wavevector  β  is  used  to  identify  individual  modes  and  also  defined  as  the  eigenvalue  of  the  mode.  A  guided  wave  must  satisfy  the  condition,  k0 ns < β < k0 nf       (2‐25)  where it is assumed that nc ≤ ns. To find the values of β that lead to solutions to  the wave equation, the boundary condition is applied to Eqs. (2‐24a) and (2‐24b).  Then the transverse electric field amplitudes in the three regions are  x y c Ae x E ( )= −γ       0 < x      (2‐26a)  ) sin( ) cos( ) (x B x C x Ey = κf + κf       ‐h < x < 0       (2‐26b)  ) ( ) ( x h y c De x E = −γ +       x < ‐h      (2‐26c) 

where A, B, C, and D are amplitude coefficients to be determined, γc and γs are 

attenuation  coefficients  in  the  cover  and  substrate,  respectively,  and  κf  is  the 

transverse  component  of  k  in  the  guiding  layer.  According  to  the  boundary  condition that tangential component of field is continuous at the interfaces, the  characteristic equation to get the eigenvalue of propagation coefficient for a TE  wave is  ) 1 ( ) tan( 2 f s c f s c f h κ γ γ κ γ γ κ − + =       (2‐27)  The characteristic equation clearly shows that the propagation mode supported  by the waveguide is highly dependent on the refractive indices of materials and  the dimension of the guiding layer, height h. 

(42)

For a complex waveguide, a two‐dimensional structure can be decomposed  into  two  spatially  orthogonal  waveguides:  a  horizontal  and  a  vertical  slab  waveguide.  The  propagation  coefficient  β  of  the  waveguide  can  be  found  by  using the solutions to these two orthogonally oriented waveguides based on the  techniques  developed.  This  method  is  known  as  the  effective  index  method.  Consider a buried rectangular waveguide shown in Fig. 2‐5. The waveguide is  decomposed into a thin waveguide and a thick one. The thin part is analyzed in  terms  of  the  actual  indices  of  the  structure;  while  the  thick  part  is  analyzed  using the effective index from the first analysis.        Fig. 2‐5 (a) A buried waveguide and its equivalent structure: (b) a  thin and (c) a thick waveguide 

Once  the  propagation  coefficient  β  of  the  thin  slab  waveguide  is  obtained  for a specific wavelength and mode of interest, the effective index of the slab is  determined through the following expression  0 k neff β =        (2‐28) 

where  k0  is  the  vacuum  wavevector  of  the  light  being  guided.  The  effective 

index then is used to replace the original refraction index for the guiding layer  in  the  thick  waveguide  to  calculate  the  propagation  coefficient  of  this  waveguide. Then the value of propagation coefficient found from the last step is  the value for the mode we want. 

數據

Fig.  2‐3  A  typical  planar  waveguide  consisting  of  three  layers  arranged  that  guiding  index  of  refraction  (n f )  is  larger  than  the  substrate (n s ) and cover (n c ) indices 
Fig.  2‐4  Geometric  relationship  between  longitudinal  and  transverse components β, κ of the wavevector k 
Fig.  2‐9  Excite  surface  plasmon  polaritons  by  (a)  a  grating  structure and (b) attenuated total reflection 
Fig.  2‐10  Transmission  spectrum  of  (a)  a  circular  aperture  surrounded with a corrugation structure and (b) a hole array 
+7

參考文獻

相關文件

ix If more than one computer room is opened, please add up the opening hours for each room per week. duties may include planning of IT infrastructure, procurement of

The min-max and the max-min k-split problem are defined similarly except that the objectives are to minimize the maximum subgraph, and to maximize the minimum subgraph respectively..

In this paper, we propose a practical numerical method based on the LSM and the truncated SVD to reconstruct the support of the inhomogeneity in the acoustic equation with

Based on [BL], by checking the strong pseudoconvexity and the transmission conditions in a neighborhood of a fixed point at the interface, we can derive a Car- leman estimate for

Meanwhile, this study carefully proofread the literature, and indicated some negligence in the Zendeng documentations, which might be modifi ed afterward based on the

 The teacher explains to learners their duties: to present their ideas and findings on the questions on their role sheet, and lead the other group members to discuss the

Other than exploring the feasibility of introducing a salary scale for KG teachers, we also reviewed the implementation of the Scheme in different areas including funding

This research was based on a 12-year compulsory education syllabus in the field of mathematics, and it integrated mathematical culture to develop game-based lesson plans to