用于HAMR的VCSEL阵列的制作方法

用于hamr的vcsel阵列


背景技术：
技术领域
1.本公开的实施方案整体涉及用于磁介质驱动器的磁记录头。
2.相关领域的描述
3.计算机的功能和能力的核心是存储数据和将数据写入到数据存储设备诸如磁介质驱动器(例如硬盘驱动器(hdd))。计算机所处理的数据量在迅速增加。需要磁记录介质的更高记录密度来提高计算机的功能和能力。
4.为了实现磁记录介质的更高记录密度(诸如超过2太比特/英寸2的记录密度)，使写磁道的宽度和间距变窄，并因此使每个写磁道中编码的对应磁记录比特变窄。使写磁道的宽度和间距变窄的一个挑战是降低在记录介质的面向介质的表面处的磁记录写入头的主极的表面积。随着主极变得越来越小，记录场也变得越来越小，从而限制了磁记录写入头的有效性。
5.热辅助磁记录(hamr)和微波辅助磁记录(mamr)是两种改善磁记录介质的记录密度的能量辅助记录技术。在hamr中，激光源位于写入元件旁边或附近以产生热量，诸如激发近场换能器(nft)以在磁记录介质的写入位置处产生热量的激光源。
6.hamr通常利用边缘发射激光二极管(eeld)作为光源。eeld存在多个问题，诸如：需要将子安装架安装到滑块，这增加了成本；跳模，这会突然改变记录功率并减少hamr hdd容量；使得几乎不存在对准容差的小直径输出光束；刻面处的大强度光学模式，这会降低可靠性；在制造期间需要老化(burn-in)，这增加了成本；以及滑块上的高轮廓，这增加了盘与盘之间的间距。
7.因此，本领域需要改进的hamr磁介质驱动器。


技术实现要素：

8.本公开涉及对用于磁介质驱动器的磁记录头进行预处理。对于热辅助磁记录(hamr)头而言，光源提供驱动运行必要的热量。垂直腔表面发射激光器(vcsel)安装到滑块的顶表面。从vcsel的底表面发射出多个激光束，并且该多个激光束被引导至hamr头内对应数量的波导结构。该波导结构馈送到多模干涉(mmi)设备中，该多模干涉设备之后将该激光引导到单个波导中以聚焦在近场换能器(nft)上。该vcsel激光器是相位相干的并且不具有模式跳变。
9.在一个实施方案中，垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备包括：用于安装在滑块上的芯片，其中该芯片具有用于面向该滑块的第一表面；以及设置在该第一表面中的多个激光孔，其中该多个激光孔以介于2微米和10微米之间的间距间隔开，其中该vcsel设备能够发射对应于该多个激光孔的多道激光，并且其中该多道激光以相同频率工作，并且其中该多个激光孔被直线地布置。
10.在另一个实施方案中，磁记录头组件包括：前罩；主极；近场换能器(nft)，所述近
场换能器耦合在所述前罩与所述主极之间；波导结构，所述波导结构耦合到所述nft，其中所述波导结构包括：第一波导，所述第一波导耦合到所述nft；多模干涉(mmi)设备，所述多模干涉设备在第一端耦合到所述第一波导；以及多个第二波导，该多个第二波导耦合到与mmi设备的第一端相反的第二端，其中多个第二波导从mmi设备延伸至头组件的顶表面，其中头组件的顶表面与面向介质的表面相反；和垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备，所述垂直腔表面发射激光器设备耦合到所述顶表面。
11.在另一个实施方案中，磁介质驱动器包括：磁记录头，其中所述磁记录头包括：位于面向介质的表面(mfs)处的近场换能器(nft)；波导结构，所述波导结构在所述nft与和所述mfs相对的第一表面之间延伸；和垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备，所述垂直腔表面发射激光器设备耦合到所述第一表面，其中所述vcsel包括面向所述第一表面的第二表面，其中所述vcsel能够发射穿过所述第二表面的多道激光；以及面向所述mfs的磁介质。
附图说明
12.因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
13.图1是包括hamr磁写入头的磁介质驱动器的某些实施方案的示意图。
14.图2是面向磁盘的hamr写入头的横截面侧视图的某些实施方案的示意图。
15.图3a和图3b是根据一个实施方案的其上安装有vcsel的滑块的示意图。
16.图4a至图4c是根据一个实施方案的vcsel的示意图。
17.图5是根据一个实施方案的hamr头的波导结构的示意图。
18.为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
19.在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。
20.本公开涉及对用于磁介质驱动器的磁记录头进行预处理。光源为驱动热辅助磁记录(hamr)头的操作提供必要的热量。垂直腔表面发射激光器(vcsel)安装到滑块的顶表面。从vcsel的底表面发射出多个激光束，并且该多个激光束被引导至hamr头内对应数量的波导结构。该波导结构馈送到多模干涉(mmi)设备中，该多模干涉设备之后将该激光引导到单
个波导中以聚焦在近场换能器(nft)上。该vcsel激光器是相位相干的并且不具有模式跳变。
21.图1是包括hamr磁写入头的磁介质驱动器的某些实施方案的示意图。此类磁介质驱动器可为单个驱动器/设备或包括多个驱动器/设备。为了便于说明，根据一个实施方案示出了单个磁盘驱动器100。磁盘驱动器100包括至少一个能够旋转的磁记录介质112(通常称为磁盘112)，该磁记录介质支撑在主轴114上并且由驱动马达118旋转。每个磁盘112上的磁记录呈数据磁道的任何合适图案的形式，诸如磁盘112上同心数据磁道(未示出)的环形图案。
22.至少一个滑块113定位在磁盘112附近。每个滑块113支撑头组件121，该头组件包括一个或多个读取头以及一个或多个写入头(诸如hamr写入头)。当磁盘112旋转时，滑块113在磁盘表面122上方径向地移入和移出，使得头组件121可访问磁盘112的写入期望数据的不同磁道。每个滑块113通过悬架115附接到致动器臂119。悬架115提供轻微的弹簧力，该弹簧力朝向磁盘表面122偏置滑块113。每个致动器臂119附接到致动器127。如图1所示的致动器127可以是音圈马达(vcm)。vcm包括能够在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制单元129供应的马达电流信号来控制。
23.在磁盘驱动器100的操作期间，磁盘112的旋转在滑块113与磁盘表面122之间产生空气轴承，该空气轴承在滑块113上施加向上的力或升力。因此，在正常操作期间，空气轴承抗衡悬架115的轻微弹簧力，并以小的、基本上恒定的间距支撑滑块113离开并稍微高于磁盘表面122。
24.磁盘驱动器100的各种部件在操作中由控制单元129所产生的控制信号(诸如访问控制信号和内部时钟信号)来控制。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号以控制各种系统操作，诸如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头位置和寻道控制信号。线128上的控制信号提供期望的电流分布，以最佳地将滑块113移动和定位到磁盘112上的期望数据磁道。写入信号和读取信号通过记录通道125传送到头组件121并从该头组件传送。图1的磁介质驱动器的某些实施方案还可包括多个介质或盘、多个致动器和/或多个滑块。
25.图2是面向磁盘112的hamr写入头230的横截面侧视图的某些实施方案的示意图。hamr写入头230可对应于图1中所描述的读取头/记录头组件121的一部分或对应于用于其他磁介质驱动器的记录头。hamr写入头230包括面向介质的表面(mfs)，诸如空气轴承表面(abs)或气体轴承表面(gbs)，该表面面向磁盘112。如图2所示，磁盘112和hamr写入头230在箭头282所指示的方向上相对移动(需要改变方向)。
26.hamr写入头230包括设置在前返回极234与后返回极238之间的主极236。主极236可包括mfs处的主极尖端237。主极尖端237可包括或可不包括前斜面和/或后斜面。围绕主极236的线圈260激励主极尖端237以产生用于影响可旋转磁盘112的磁介质的写入磁场。线圈260可为螺旋结构或者一组或多组扁平结构。前罩234和/或后罩238可充当主极236的返回极。
27.磁盘112被定位成与hamr写入头230相邻或在其下方。线圈260中的电流所产生的磁场用于控制磁盘112中的位的磁化方向。
28.hamr写入头230包括用于在主极尖端237将磁写入场施加到存储介质的位置附近
加热磁盘112的结构。波导242定位在主极236与前罩234之间。波导242可包括芯层和围绕芯层的包覆层。波导242传导来自电磁辐射的光源278的光，该光可以是(例如)紫外光、红外光或可见光。光源278可以是(例如)激光二极管或用于将光束导向波导242的其他合适的激光光源。可使用已知的用于将光源278耦合到波导242中的各种技术。例如，光源278可与光纤和外部光学器件联合工作，以用于将光束引导至波导242。另选地，光源278可安装在波导242上，并且光束可直接耦合到波导242中而无需外部光学配置。当介质如箭头282所示相对于hamr写入头230移动时，一旦光束被耦合到波导242中，光就穿过波导传播并加热介质的一部分。
29.hamr写入头230可包括近场换能器(nft)284，以将热量集中在波导242的端部附近。nft 284定位在波导242中或与该波导相邻，该波导在mfs附近或位于mfs处。来自波导242的光被nft 284吸收并激发表面等离子体，该表面等离子体沿着nft 284的外侧朝向mfs行进，从而将电荷集中在nft 284的尖端处，该尖端继而电容耦合到磁盘并通过焦耳加热对磁盘112的精确区域进行加热。用于hamr写入头的一种可能的nft 284为棒棒糖设计，其具有盘部分以及在该盘与mfs之间延伸的栓。nft 284可紧邻主极236设置。nft 284是相对隔热的，并且在其谐振时吸收激光功率的大部分。
30.图3a和图3b是根据一个实施方案的其上安装有vcsel 304的滑块302的示意图。如图3b所示，vcsel 304在第一位置经由第一接触件308a和第二接触件308b安装到滑块302。在一个实施方案中，vcsel 304安装在滑块302的顶部；这与边缘发射激光二极管(eeld)不同，由于难以将激光器的边缘发射刻面平面直接接合到滑块的顶部，通常需要将边缘发射激光二极管首先安装到子安装架。vcsel 304可具有最小设计结构，使得vcsel 304的尺寸可减小hamr写入头的总体尺寸。vcsel 304包括位于vcsel 304的面向滑块302的底表面上的台面306，其中台面306位于vcsel 304与滑块302之间。在图3b中，vcsel 304以虚线显示，以向滑块302的顶表面上的电极321提供更好的可见性。电极321经由导电焊接材料提供到vcsel 304的电极的电连接。电极321、焊接材料和vcsel304的电极共同形成第一接触件308a和第二接触件308b。电极321以介于约1微米和约3微米之间的距离在滑块302上方延伸。
31.vcsel 304能够发射对应于台面306的多个激光孔的多道激光，其中该多道激光中的每道激光与该台面306的该多个激光孔(如图4c所示)对准。此外，滑块302包括多个模斑转换器314a-314n，这些模斑转换器与vcsel 304发射的输入激光的位置和数量相匹配。模斑转换器314a-314n从滑块302的面向vcsel 304的顶表面延伸。台面306以约1μm至约20μm的第一距离318与滑块302的顶表面间隔开。台面306包括多个激光孔，诸如约2个激光孔至约16个激光孔。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。台面是vcsel 304芯片的一部分，并且孔位于台面306的表面上。台面306是vcsel 304表面上的任选的凸纹结构。
32.vcsel 304能够发射的上述激光的数量与台面306的激光孔的数量以及模斑转换器314a-314n的数量匹配。每道激光并且因此每个模斑转换器314a-314n以第二距离间隔开。模斑转换器314a-314n中的每一个模斑转换器之间的第二距离为约2μm至约10μm。此外，由vcsel 304发射的该多道激光中的每一道激光以相同的频率工作并且是相位相干的。例如，相邻的孔可彼此同相或异相。vcsel 304发射的该多道激光中的每道激光具有介于约
1mw至约10mw之间的功率水平。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。该多道激光各自具有有效区域(例如，激光激发电子的区域)。这些有效活区域间隔足够近，以使得能够发生耦合和相位相干。
33.滑块302包括多个接合垫螺柱312a-312n(诸如约2个接合垫螺柱至约32个接合垫螺柱)。接合垫螺柱312a-312n具有约25μm的第一宽度320，其中相邻的接合垫螺柱312a-312n之间的间距为约32μm。先前列出的数值并非旨在限制，而是提供实施方案的示例。该多个模斑转换器314a-314n设置在位于相邻接合垫螺柱312a-312n之间的位置处。在图3a所示的实施方案中，模斑转换器314a-314n设置在接合垫螺柱312c与312d之间。因此，在一个示例性实施方案中，所有模斑转换器314a-314n均需要装配在约32μm的直线距离内。此外，该多道激光并且因此该多个模斑转换器314a-314n是直线布置的。每个模斑转换器314a-314n与相邻的模斑转换器314a-314n间隔约2μm至约10μm。
34.该多个模斑转换器314a-314n馈送到设置在滑块302内的多模干涉(mmi)设备310中。mmi设备310将从该多个模斑转换器314a-314n的输出中馈送的激光在第一端合并，并且通过单个输出波导316发射单道激光。单个波导316从mmi设备310发射激光，该激光包括来自由mmi设备310接收的该多个模斑转换器314a-314n的该多道输入激光的组合功率。需要单输出模式来适当地集中光功率并耦合到nft。mmi的正确操作通常需要输入之间的稳定的相位相干。
35.图4a是vcsel 400的侧视图的示意图，图4b是vcsel 400的顶视图的示意图，并且图4c是根据各种实施方案的vcsel 400的底视图的示意图。vcsel 400的侧表面402的高度为约75μm至约150μm并且长度为约100μm至约250μm。vcsel 400的顶表面404和底表面406包括相同的尺寸。顶表面404和底表面406的尺寸包括约150μm的宽度和约150μm的长度，其中顶表面404、底表面406和侧表面402的长度相等。如图4b所示，vcsel 400可在顶表面404上具有多个电极411，并且它们可用于在接合之前在主动对准期间将vcsel通电。
36.在图4c中，多个激光孔408a-408n设置在vcsel 400的底表面406上。激光孔408a-408n的数量与滑块的模斑转换器(诸如图3a的模斑转换器314a-314n)的数量匹配。每个激光孔408a-408n以约2μm至约10μm的距离412与相邻激光孔408a-408n间隔开。此外，激光孔408a-408n关于中心线对准，并且该多个激光孔408a-408n中的每个激光孔与对应的输入激光对准。除了与每道输入激光对准之外，激光孔408a-408n还与台面的对应激光孔(诸如图3的台面306的激光孔)对准。
37.如图4c所示，vcsel 400的底表面406在其上具有多个电极410以用作阳极和阴极并且经由焊接材料与滑块302的电极321配合。电极410以介于约1微米和约3微米之间的距离从vcsel 400的底表面406朝向滑块延伸。因此，在一个实施方案中，vcsel 400与滑块302之间的间隙介于约2微米和约6微米之间。另外，vcsel 400具有介于约100微米和约200微米之间的长度428。vcsel 400还具有介于约100微米和约200微米之间的长度426。孔408a-408n各自具有介于约1.5微米和约8微米之间的直径并且处于2微米至10微米的间距上。孔408a-408n的中心以介于约35微米和约50微米之间的距离422与侧表面402间隔开。孔408a-408n的中心以介于约75微米和约90微米之间的距离424与电极410间隔开。
38.图5是根据一个实施方案的hamr头的波导结构500的示意图。滑块(诸如图3的滑块302)包括波导结构500，该波导结构包括从nft延伸到mmi设备502的第一模斑转换器506。波
导结构500还包括多个第二模斑转换器504a-504n，诸如约2秒模斑转换器至约8秒模斑转换器。第二模斑转换器504a-504n的数量与图4c中所描述的vcsel 400的激光孔408a-408n的数量、图3a中所描述的台面306的激光孔的数量以及图3a中所描述的模斑转换器314a-314n的数量匹配。
39.该多个第二模斑转换器504a-504n装配在接合垫螺柱(诸如接合垫螺柱312a-312n)之间的间距内，使得最左边第二模斑转换器504a与最右边第二模斑转换器504n之间的距离小于接合垫螺柱之间的约32μm的间距。此外，图4c中所描述的vcsel的该多个激光孔408a-408n、图3a中所描述的台面306的该多个激光孔以及该多道所发射的激光各自与对应的第二模斑转换器504a-504n对准。
40.如上所述，波导结构500还包括mmi设备502。mmi设备502可以与图3的mmi设备310相同。第一端处的第一模斑转换器506在第一端处耦合到mmi设备502，并且第二端处的该多个第二模斑转换器504a-504n在mmi设备502的与第一端相反的第二端处耦合到mmi设备502。第一模斑转换器506在第二端还耦合到nft(诸如图2的nft 284)。
41.此外，第二模斑转换器504a-504n的芯宽度沿着朝向mmi设备502的方向从约150nm逐渐增加到约600nm。在150nm处，光斑尺寸与几微米的大vcsel模式尺寸匹配。在600nm处，波导模式在进入mmi设备502之前仅为几百纳米。
42.将vcsel用作hamr中的光源具有多个显著优点。目前使用的边缘发射激光二极管(eeld)通常安装到子安装架，原因在于难以将激光器的边缘发射刻面平面直接接合到滑块的顶部。然后将该子安装架接合到滑块。vcsel可容易地具有在表面发射面上的结合电极，该结合电极与滑块的顶表面上的对应电极匹配。这些电极可通过激光辅助焊料回流而接合在一起，并且还可用作将激光通电的电连接件。通过消除对子安装架的需要，可显著降低光源成本。vcsel激光刻面是在晶片级工艺中制造的，这相对于eeld进一步降低了成本。vcsel输出光束也比eeld的输出光束更大并且更圆，这增加了与滑块模斑转换器的对准容差和耦合效率。已知vcsel由于更大、强度更小的光学模式和晶片刻面工艺而具有比eeld更高的可靠性。因此，vcsel在制造期间不需要老化，这进一步降低了成本。由于vcsel腔体长度短于eeld，并且由于激光器安装在滑块的顶部上，因此较低的总高度允许盘与盘的间距减小，潜在地可以有更多的盘，并且hdd容量更高。
43.此外，由于非常短的腔体长度以及一种纵向模式和dbr反射镜选择性，vcsel具有无模式跳变的运行方式，而eeld则受到模式跳变影响。模式跳变会导致在记录过程期间突然发生激光功率的微小(通常1％至2％)的变化。必须考虑磁道宽度变化和位偏移的可能性，这降低了hdd的容量。
44.vcsel的主要技术问题在于相对于eeld的相对低的输出功率。多模vcsel可具有比单模vcsel更大的输出功率，但用于在盘中为hamr创建热点的波导和nft需要单模操作。单模vcsel通常仅具有约2mw的最大输出功率，远低于hamr所需的10-20mw。由于波阵面之间的退相干，无法通过合并来自多个单独vcsel的输出来有效地增加输出。如果使相邻vcsel的有效区域非常靠近，则波函数将重叠到足以在其输出之间产生耦合和相位相干。利用合适的vcsel设计和光递送方案，这些输出可合并成具有用于hamr的nft所需的单模功率的必须为5mw至10mw的单个波导。
45.在一个实施方案中，垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备包括：用于安装在滑块上
的芯片，其中该芯片具有用于面向该滑块的第一表面；以及设置在该第一表面中的多个激光孔，其中该多个激光孔以介于约2微米和约10微米之间的距离间隔开，其中该vcsel设备能够发射对应于该多个激光孔的多道激光，其中该多道激光以相同频率工作，并且其中该多个激光孔被直线地布置。该vcsel设备能够发射相位相干的多道激光。该多个激光孔包括2个至8个激光孔。该vcsel设备能够发射对应于该多个激光孔的多道激光，并且其中该多道激光中的每道激光具有介于约1mw和约10mw之间的功率水平。该第一表面包括台面，并且其中该多个激光孔设置在该台面中，其中该多个激光孔以介于约2微米和约10微米之间的距离间隔开。该vcsel设备还包括耦合到该第一表面的多个电极。该电极从该第一表面朝向该滑块延伸约10微米，并且更优选地最多至2微米。还公开了一种包括vcsel设备的磁介质驱动器。
46.在另一个实施方案中，磁记录头组件包括：前罩；主极；近场换能器(nft)，所述近场换能器耦合在所述前罩与所述主极之间；波导结构，所述波导结构耦合到所述nft，其中所述波导结构包括：第一波导，所述第一波导耦合到所述nft；多模干涉(mmi)设备，所述多模干涉设备在第一端耦合到所述第一波导；以及多个第二波导，该多个第二波导耦合到与mmi设备的第一端相反的第二端，其中多个第二波导从mmi设备延伸至头组件的顶表面，其中头组件的顶表面与面向介质的表面相反；和垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备，所述垂直腔表面发射激光器设备耦合到所述顶表面。该vcsel具有与该多个第二波导对准的多个激光孔。该多个激光孔在近场中与该多个第二波导对准。该多个激光孔与该顶表面以介于约1微米至约20微米之间的第一距离间隔开。该多个第二波导包括2个至16个第二波导。还公开了一种包括该磁记录头组件的磁介质驱动器。
47.在另一个实施方案中，磁介质驱动器包括：磁记录头，其中所述磁记录头包括：位于面向介质的表面(mfs)处的近场换能器(nft)；波导结构，所述波导结构在所述nft与和所述mfs相对的第一表面之间延伸；和垂直腔表面发射激光器(vcsel)设备，所述垂直腔表面发射激光器设备耦合到所述第一表面，其中所述vcsel包括面向所述第一表面的第二表面，其中所述vcsel能够发射穿过所述第二表面的多道激光；以及面向所述mfs的磁介质。该第二表面与该第一表面间隔开介于约1微米和约20微米之间。该波导结构的宽度小于滑块的相邻电极之间的宽度，该磁记录头设置在该滑块上。该vcsel能够发射相位相干的多道激光。该波导结构包括设置在该nft与该第一表面之间的多模干涉(mmi)设备。该vcsel能够发射多道激光，并且其中该多道激光具有至少部分重叠的有效区域。
48.虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。