隨著未來高密度儲存需求的日益殷切，許多人在心中納悶著，在藍光高密度光碟（HD-DVD）技術之後，會是甚麼樣的儲存媒體興起？奈米儲存就是其中一項被人看好的新興技術，其儲存密度可提高至100GB以上；然而由於訊號之訊雜比（S/N）偏低，導致資料讀取（playback）困難，離真正商品化還有一段距離。

分析各國發表文獻專利，可將奈米儲存的研究歸類為以下5類:

SNOM（Scanning Near-Field Optical Microscopy）

此方法為Betzing et. al.[1]於1992年提出，利用奈米級微小開孔（Aperture小於100nm）克服光的繞射現象；其工作原理為光纖拉成錐形，並在尖端鍍上一層鋁，當雷射光耦合到光纖時，可在光纖內傳輸，最終由探針尖端射出，探針與樣本之距離為奈米等級。此近場光學探針解析度可達到12nm，這解析度已比入射光繞射極限小。此結構主要缺點是光的傳輸效率太低；例如二十分之一光波長半徑的探針尖端，其傳輸效率約只有10～5到10～6；在奈米級飛行高度下，其光點大小雖與開孔大小一樣，但其光能量的使用效率（power throughput）卻不夠高，由於能量的使用效率影響讀寫時間，以致此結構資料傳輸率（data transfer rate）過低。有多篇改良型SNOM文獻被發表，目的皆為了提昇其能量的使用效率及資料傳輸速率。(圖一)為微探針矩陣（microprobe array），以微影技術（Photolithography）、Si濕蝕刻技術（silicon wet etching）、薄膜沉積（thin film deposition）及熱氧化處理（thermal oxidation）等半導體製程完成，以達到微探針開孔直徑約100nm，探針間距約150nm之微探針矩陣，且配合垂直孔洞面射型雷射為光源（VCSEL），達到多軌讀/寫之功能，以提昇資料傳輸速率[2]。(圖二)為高能量光纖探針，藉由沉積不同金屬材料，提昇能量的使用效率。目前製作上可達探針開孔直徑約400nm，能量的使用效率2.2％[2]。

《》

《圖二　高能量光纖探針》

SIL方法為Terris et. al.[3]於1994年提出，此法之能量的使用效率較高，但SIL需與聚焦物鏡搭配，使得光頭體積及重量較大，較不易作飛行控制。(圖三)為韓國LG發表搭載Semi-spherical SIL之飛行頭，SIL與聚焦物鏡間對位公差嚴格，其設計一特殊飛行滑塊使SIL與聚焦物鏡間對位更為精確[2]。(圖四)為另一種SIL與Aperture結合的設計，此設計可提昇能量的使用效率外，同時可再度縮小光點大小，光點大小約為單獨使用SIL時之一半（光點大小為200nm，能量的使用效率50％）[2]。

《圖三　LG發表Semi-spherical SIL的飛行頭結構》

《圖四　SIL與Aperture結合的設計》

Sony於2003年提出以super hemisphere SIL 的結構，如(圖五)，可以讀出100G silicon Rom碟片的論文[4]。

《圖五　Sony發表super hemisphere SIL的結構》

Sony於2004年又發表了另一論文，它以(圖六)所示雙雷射的光路，進行近場寫入動作[5]。

《圖六　Sony近場寫入時所用雙雷射光路架構》

圖六的光路結構有幾個特點，其有效NA為1.84，使用雙波長405nm藍光和780nm紅光二種雷射光源，SIL與碟片的工作距離約為20nm，鎖軌伺服（tracking servo）是使用推輓法（push pull）；值得一提的是Sony的研發乃採用傳統光碟機伺服的方式控制SIL貼近碟片，捨棄如硬碟讀寫頭所採用空氣楔飛行的方法，所以圖六的結構中設計有回授給間隙（air-gap）伺服所需求用的間隙訊息的光路。

OSL（Optical Switch Laser）Head/VSAL（Very Small Aperture Laser）

OSL結構如(圖七)乃將奈米級出口孔徑之雷射搭載於飛行滑塊上[2]，與碟片保持奈米級飛行高度，其光點大小與開孔孔徑大小接近，但有能量的使用效率過低的問題；所以也有不少文獻探討這種光學頭的改善，如(圖八)為藉著改變雷射出口孔徑d厚度，以有效的提昇光能量的使用效率[2]。

《圖七　OSL光學頭架構》

《圖八　改變雷射出口孔徑d厚度，以有效的提昇光能量的使用效率》

Hybrid Optical Head（Integrated Optical Head）

Fee et al.提出將一天線偶合到同軸線上，並使用此同軸線當近場光學探針。耶魯大學應用物理系Robert D. Grober則選用著名有效率之平面領結式天線（bow tie antenna structure），輻射裝置，如(圖九)為天線簡單開路端，端點處有一遠小於入射光波長間隙，當極化電磁場照射在天線上時，在天線臂上電流被誘發，並導向端點；因為天線端點為開路，所以電荷累積在端點處導致位移電流流過間隙。此位移電流輻射像長度為dz之Hertzian dipole，如(圖十)。

《圖九　平面領結式天線》

《圖十　輻射長度為dz之Hertzian dipole》

圖九中的結構(a)為微波源、(b)為波導、(c)為光束、(d)為偶極探針、(e)為天線。而圖十的Hertzian dipole實驗模型架構在2.2GHz和λ＝13.6cm。領結式天線材料為鋁，開口端角度為90°；天線總長為36cm（2.6λ），厚度為1cm，天線端點間隙為1cm（約為λ/14）之正方形，其位置在全高長方形波導之開口前方2.5cm處。電磁場強度藉由有極探針在垂直E-H平面方向量測。(圖十一)(a)為在波導開口前方2.5cm處之影像。圖十一(b)為天線輻射在天線前方0.5cm之影像，此入射光能量強烈的被集中在十分之一天線間隙區域上。(圖十二)表示方形點為電場極化方向掃瞄，圓形點為磁場極化方向掃瞄；此新的獨特近場光學探針具有非常高的傳輸效率[2]。

《圖十一　(a)在波導開口前方2.5cm處之影像圖；(b)天線輻射在天線前方0.5cm處之影像圖》

另外，可架設更高傳輸效率的系統，將天線放置在波導開路端前6.8cm約半波長處。此種架設將會在天線與波導前端凸緣形成一共振腔，其效率可提高到30％。此共振腔在電路上可等效為與間隙並聯之電感。

《圖十二　方形點為電場極化方向掃瞄，圓形點為磁場極化方向掃瞄》

以上所介紹的近場光學探針優於傳統的探針，其原因有二：

《圖十三　利用平面製程之光波導式物鏡，配合領結式天線結構與光纖光源設計而成之光磁頭》

SUPER-RENS碟片的研發

1998年日本高等工業技術與科學實驗室的J. Tominaga利用多層膜如(圖十四)(a)的設計方式達到近場光學頭的效果。其設計的方法是利用光穿透率對溫度的變化來形成一個小於光波長度的透明孔洞以作為小於波長之點光源；此種多層膜碟片就等同於一個近場光學頭。2000年J. Tominaga再度提出另一種類近場光學頭的多層膜碟片結構(圖十四)(b)。這種碟片結構和1998年提出的多層膜結構並不相同，但都稱為SUPER-RENS。前者通稱R-mode，後者為T-mode，利用二維表面電漿將大部份光侷限在記錄點附近，以達到增強訊號的目的。對於這種SUPER-RENS碟片的研究都是引入表面電漿的概念來說明，表面電漿式是利用光波的侷限效應來達到訊號鑑別和訊號增強的目的；光子和電漿子經由表面粗糙散射偶合，電漿子大量被激發的結果是大部份光子被侷限在電漿層附近。藉由這種光子─電漿子偶合可以提高訊號強度幾十至幾千倍，未來若使用SUPER-RENS碟片有一好處就是目前DVD光碟機仍可以繼續使用，不需跟著被替換掉，是一種相當具潛力的碟片結構。

《圖十四　SUPER-RENS (a)R-mode (b)T-mode》

SUPER-RENS的優點有：

而T-mode SUPER-RENS有一些特點如下：

而R-mode SUPER-RENS的特點則有：

(圖十五)是AgOx的SUPER-RENS碟片的電性測量結果，當記錄點長度只有90奈米時，CNR值可以達到20dB，記錄點長度為300奈米時，CNR值可以達到45dB。值得注意的是，這個測量的讀寫頭只是使用一般DVD碟機（波長650nm，NA＝0.6）。

《圖十五　AgOx的Super-Rens碟片的電性測量結果》

結論

奈米儲存發展以來，就如以上所提，仍在戰國時代，可說是百家爭鳴，但各國在奈米儲存的讀寫結構的專利佈局近臻完成，參見其逐年專利數分佈如(圖十六)，已過了高峰期；只是有關SoC等技術應用於奈米儲存中仍處於探索階段，特別是應用在微小型光儲存領域的相關專利僅DataPlay及Philips等少數幾篇，站在專利佈局的角度而言，現在針對這幾個領域去發展正是國內學、產業界搶站灘頭堡的最佳時機。

《圖十六　USPTO中世界各國有關奈米儲存申請專利逐年分佈圖》

＜參考資料：

[1] E. Betzing et. al. Appl. Phys. Lett. 61（1992） 142

[2] Technical Digest of ISOM’01

[3] B. D. Terris et. al. Appl. Phys. Lett. 65（1994） 388

[4] Technical Digest of ISOM’03

[5] Technical Digest of ISOM’04＞

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