專利名稱：疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及雙光束記錄和讀取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光信息存儲(chǔ)技術(shù)，具體涉及利用多層平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的三維記錄和讀取的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)如CD和DVD光盤已在音像視聽和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前人們正在想方設(shè)法進(jìn)一步提高光盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度，如采用大數(shù)值孔徑物鏡或使用短波長光源。但是，現(xiàn)今的光盤存儲(chǔ)面密度已經(jīng)接近由電磁波衍射效應(yīng)引起的空間分辨率極限，下一代超高密度光存儲(chǔ)器將建立在突破衍射分辨率極限的近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)(T.D.Milster，“Near-field opticsA new toolfor data storage，”Proc.IEEE 88(9)，pp.1480-1490，2000；“Near-field optical datastorageavenues for improved performance，”O(jiān)pt.Eng.，40(10)，pp.2255-2260，2001)或突破光盤平面限制的三維光學(xué)體存儲(chǔ)技術(shù)之上。
三維光學(xué)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)不只記錄在介質(zhì)的表面，而是記錄在具有一定厚度的介質(zhì)體內(nèi)。三維光存儲(chǔ)主要有兩種方式一是全息體存儲(chǔ)(J.F.Heanue，M.C.Bashaw，and L.Hesselink，“Volume holographic storage and retrieval of digital data，”Science，265，pp.749-752，1994.)，二是多層位存儲(chǔ)(D.A.Parthenopoulos，P.M.Rentzepis，“Three-dimensional optical storage memory，”Science，24，pp.843-845，1989)。多層位存儲(chǔ)要求光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)θ我鈱用孢M(jìn)行選址并有效克服層間串?dāng)_(cross talking)的影響。
用于多層位存儲(chǔ)的雙光子材料主要有光色化合物(如螺旋苯吡喃。S.Kawata，and Y.Kawata，“Three-dimensional optical data storage using photochromic materials，，Chem.Rev.，100，pp.1777-1788，2000)、光致聚合物(如丙烯酸脂。J.H.Strickler，andW.W.Webb，“Three-dimensional optical data storage in refractive media bytwo-photon poinexcitation，”O(jiān)pt.Lett.，16，pp.1780-1782，1991)和光折變晶體(如鈮酸鋰晶體。Y.Kawata，H.Ishitobi，and S.Kawata，“Use of two-photon absorption in aphotorefractive crystal for three-dimensional optical memory，”O(jiān)pt.Lett.，23，pp.756-758，1998)。第一種情況下，數(shù)據(jù)通過光化學(xué)變化記錄于介質(zhì)，可以使用熒光激發(fā)的方法來讀出。后兩種情況下，數(shù)據(jù)以折射率變化的形式記錄于介質(zhì)，必須使用相襯顯微鏡或干涉顯微鏡讀出。熒光激發(fā)方式的讀出靈敏度遠(yuǎn)大于相襯和干涉方式，但熒光讀出過程伴隨著已記錄數(shù)據(jù)的信號(hào)衰減(擦除效應(yīng))，屬于破壞性數(shù)據(jù)讀出過程，限制了數(shù)據(jù)讀出次數(shù)。
三、技術(shù)內(nèi)容1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的就是提供一種存儲(chǔ)量大，數(shù)據(jù)的寫入和讀出可靠、無數(shù)據(jù)擦除效應(yīng)的疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及雙光束記錄和讀取方法。
2、技術(shù)方案本發(fā)明是一種疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及雙光束記錄和讀取方法，疊層波導(dǎo)存儲(chǔ)器由多片平面光學(xué)波導(dǎo)疊合而成，每片波導(dǎo)又由芯層、包層和襯底組成，波導(dǎo)的包層是光敏介質(zhì)，作為記錄層用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；芯層是非光敏介質(zhì)，作為選址層，用于傳導(dǎo)尋址光束；襯底也是非光敏介質(zhì)，作為隔離層抑制數(shù)據(jù)記錄和讀出時(shí)的層間串?dāng)_，芯層、包層襯底的折射率分別為n1、n2、n3且滿足n1＞n2≥n3；將疊層波導(dǎo)存儲(chǔ)器單元排成縱橫陣列；記錄光束有兩束，其中一組記錄光束從波導(dǎo)的上部射入，另一束尋址光束從波導(dǎo)的側(cè)面射入，將記錄光束聚焦于某波導(dǎo)片的記錄層，將使焦點(diǎn)處介質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生變化，造成波導(dǎo)缺陷，這種物理特性變化可以是介質(zhì)的折射率變化，也可以是介質(zhì)密度或其它特性變化，從而記錄上“0”或“1”的信號(hào)。雙光束記錄方法要求記錄介質(zhì)為非線性材料，從芯層滲入包層的悠逝波不能單獨(dú)使記錄介質(zhì)產(chǎn)生光致變化，只有記錄光束和尋址光束同時(shí)作用才能記錄下信息。將尋址光束從側(cè)面引入波導(dǎo)，在記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)處產(chǎn)生泄露，從而在黑暗的背景上顯示發(fā)光的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該層數(shù)據(jù)通過光學(xué)系統(tǒng)成像，由光學(xué)頭中的CCD陣列讀取。
本發(fā)明提出一種利用疊層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)三維光存儲(chǔ)的方法。該方法可以有效地抑制層間串?dāng)_，從而克服現(xiàn)有雙光子記錄方式設(shè)備和技術(shù)上的困難。該方法采用照明方式讀出數(shù)據(jù)，既保持了熒光讀出方式高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，又避免了熒光讀出過程中的數(shù)據(jù)擦除效應(yīng)，消除了對(duì)數(shù)據(jù)重復(fù)讀出次數(shù)的限制。
本發(fā)明的關(guān)鍵之一在于存儲(chǔ)單元的疊層平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，每層波導(dǎo)的包層(cladding)作為記錄層由光敏介質(zhì)構(gòu)成；芯層(core)作為選址層用于傳導(dǎo)尋址光；襯底(substrate)作為隔離層用于防止雙面泄露，從而消除數(shù)據(jù)讀出時(shí)的層間串?dāng)_。芯層和襯底由非光敏介質(zhì)構(gòu)成，可以抑制數(shù)據(jù)記錄時(shí)的層間串?dāng)_。
本發(fā)明的另一關(guān)鍵之處在于數(shù)據(jù)以點(diǎn)缺陷的方式存儲(chǔ)于記錄層，這種缺陷破壞了波導(dǎo)的正常導(dǎo)光條件，使讀出光在缺陷處產(chǎn)生散射而泄露，從而以發(fā)光點(diǎn)的形式在黑暗的背景上顯示該層記錄的信息。這種選層照明方式具有很高的讀出靈敏度和無限的讀出重復(fù)次數(shù)。
3、技術(shù)效果根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)可以有效地抑制數(shù)據(jù)記錄和讀出時(shí)的層間串?dāng)_效應(yīng)，可以采用一般的非線性材料作為記錄材料。與現(xiàn)有的雙光子存儲(chǔ)技術(shù)相比，該記錄方式具有靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此比現(xiàn)有的雙光子三維存儲(chǔ)方法更具實(shí)用性。
2、疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器的讀出方式基于波導(dǎo)缺陷對(duì)光的泄露和散射效應(yīng)。這種讀出方式實(shí)質(zhì)上是一種照明方法，它保持了雙光子熒光讀出方式的高靈敏度優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)這又是一種非破壞性讀出方式，它沒有伴隨著雙光子熒光讀出過程的數(shù)據(jù)擦除效應(yīng)。此外，這種讀出方式允許采用非相關(guān)光作為讀出光源，從而有效地抑制激光光源造成的相干噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。
3、疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器采用逐層(或頁面)讀取方式，它可以顯著提高讀出過程的信息傳輸速率。
4、疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器的總?cè)萘靠梢酝ㄟ^存儲(chǔ)器單元陣列形式方便地進(jìn)行擴(kuò)展。
四

圖1是疊層波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中有芯層1、包層2、襯底3、波導(dǎo)4。
圖2為雙光束記錄方法示意圖。其中有記錄光束5，尋址光束6。
圖3是數(shù)據(jù)讀出方法示意圖。其中有讀出光束7、光學(xué)頭CCD。
圖4是三維存儲(chǔ)器單元排成縱橫陣列疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器擴(kuò)充容量的一種方法示意圖。其中有光學(xué)頭A、存儲(chǔ)單元陣列B、X方向?qū)к塁、Y方向?qū)к塂。
五、具體實(shí)施方法存儲(chǔ)器單元是由多片平面光學(xué)波導(dǎo)疊合而成，每片波導(dǎo)又由芯層、包層和襯底組成，折射率分別為n1、n2和n3。若芯層、包層和襯底的折射率滿足條件n1＞n2≥n3，光線將在包層-芯層和芯層-襯底界面上產(chǎn)生全反射，光束就會(huì)被限制在每片波導(dǎo)中，從垂直于波導(dǎo)面的方向?qū)⒖床坏焦獾膫鞑?。每片波?dǎo)的包層由光敏材料制成，作為記錄層用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；芯層由非光敏材料制成，作為選址層用于傳導(dǎo)尋址光束；襯底也由非光敏材料制成，作為隔離層可以防止雙面泄露，消除數(shù)據(jù)記錄和讀出時(shí)的層間串?dāng)_。
疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器的信息記錄方法。信息存儲(chǔ)的基本原理是將光束聚焦于某一波導(dǎo)片的記錄層，通過光激發(fā)使記錄層介質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)變化，從而影響波導(dǎo)層的導(dǎo)光特性。記錄的信息是以點(diǎn)缺陷的形式存儲(chǔ)于每片波導(dǎo)中，這種缺陷局部破壞了導(dǎo)波條件，將使波導(dǎo)層內(nèi)的光線產(chǎn)生外泄。光線外泄的具體原因可以是信息點(diǎn)處介質(zhì)折射率等于或大于芯層介質(zhì)折射率破壞了全反射條件，也可以是芯-包層界面產(chǎn)生畸變而導(dǎo)致光線的散射。
雙光束記錄方法如附圖2所示。除記錄光束從上部入射以外，還有一束尋址光從側(cè)面耦合進(jìn)入波導(dǎo)。滲入包層的倏逝波不能單獨(dú)使記錄介質(zhì)產(chǎn)生光致變化，只有記錄光束和尋址光束同時(shí)作用才能記錄下信息。雙光束方式要求記錄介質(zhì)是非線性材料，如非線性吸收材料或雙光子吸收材料。記錄光束和尋址光束的激光波長可以相同也可以不同。波長相同時(shí)，要求尋址光在包層中的強(qiáng)度低于記錄材料的響應(yīng)閾值。波長不同時(shí)，要求兩光束的強(qiáng)度超過記錄材料對(duì)兩個(gè)波長的雙光子激發(fā)閾值。
疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器的信息讀出方法。這種讀出方式的原理基于波導(dǎo)缺陷對(duì)光的泄露和散射效應(yīng)。如附圖3所示，讀出光從側(cè)面耦合進(jìn)入波導(dǎo)，光線仍沿波導(dǎo)傳播，但在記錄了數(shù)據(jù)的缺陷點(diǎn)處有光線外泄，形成一個(gè)發(fā)光點(diǎn)。記錄于包層上的數(shù)據(jù)將是在黑暗背景上顯示的亮點(diǎn)陣列，它通過光學(xué)頭的光學(xué)系統(tǒng)成像于CCD陣列面，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后作進(jìn)一步的處理。讀出光源采用片狀光束，通過光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)不同的波導(dǎo)層進(jìn)行尋址，尋址光束沒有選中的波導(dǎo)層不會(huì)顯示信息。為了提高信息讀出靈敏度，需要采用多模波導(dǎo)，這可以通過適當(dāng)增加芯層厚度的方法實(shí)現(xiàn)。增加厚度同時(shí)可以降低尋址光與波導(dǎo)的耦合難度，提高耦合效率。另外，尋址光束的孔徑應(yīng)該和波導(dǎo)的數(shù)值孔徑相匹配，以防尋址光入射側(cè)光線泄露，降低層中數(shù)據(jù)亮度的不均勻性，提高系統(tǒng)整體性能。
疊層波導(dǎo)三維光信息存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)容量擴(kuò)展方法。這種方法采用存儲(chǔ)器單元陣列形式，將疊層波導(dǎo)存儲(chǔ)器單元排成N行M列，類似于中文打字機(jī)的字盤，如附圖4所示。光學(xué)頭可以沿X或Y方向?qū)к夒S機(jī)定位于某存儲(chǔ)單元上方，然后通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)單元送入光學(xué)頭讀取數(shù)據(jù)。這種存儲(chǔ)器單元陣列系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到很高，例如一個(gè)存儲(chǔ)面積是1厘米2/層×100層，數(shù)據(jù)面密度為108比特/厘米2的存儲(chǔ)單元具有1010比特的信息容量，那么一個(gè)10×10的單元陣列就可以達(dá)到1012比特的總存儲(chǔ)容量。
權(quán)利要求
1.一種疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及雙光束記錄和讀取方法，其特征在于疊層波導(dǎo)存儲(chǔ)器由多片平面光學(xué)波導(dǎo)(4)疊合而成，每片波導(dǎo)又由芯層(1)、包層(2)和襯底(3)組成，波導(dǎo)(4)的包層(2)是光敏介質(zhì)，作為記錄層用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；芯層(1)是非光敏介質(zhì)，作為選址層，用于傳導(dǎo)尋址光束；襯底(3)也是非光敏介質(zhì)，作為隔離層抑制數(shù)據(jù)記錄和讀出時(shí)的層間串?dāng)_，芯層(1)、包層(2)襯底(3)的折射率分別為n1、n2、n3且滿足n1＞n2≥n3.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其特征在于將疊層波導(dǎo)存儲(chǔ)器單元排成縱橫陣列。
3.一種適用于權(quán)利要求1或2所述的疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的雙光束記錄方法，其特征在于記錄光束有兩束，其中一組記錄光束(5)從波導(dǎo)的上部射入，另一束尋址光束(6)從波導(dǎo)的側(cè)面射入，將記錄光束聚焦于某波導(dǎo)片的記錄層，將使焦點(diǎn)處介質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生變化，造成波導(dǎo)缺陷，這種物理特性變化可以是介質(zhì)的折射率變化，也可以是介質(zhì)密度或其它特性變化，從而記錄上“0”或“1”的信號(hào)，雙光束記錄方法要求記錄介質(zhì)為非線性材料，從芯層滲入包層的倏逝波不能單獨(dú)使記錄介質(zhì)產(chǎn)生光致變化，只有記錄光束(5)和尋址光束(6)同時(shí)作用才能記錄下信息。
4.如權(quán)利要求1或2所述的疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀出方法，其特征在于將尋址光束從側(cè)面引入波導(dǎo)，在記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)處產(chǎn)生泄露，從而在黑暗的背景上顯示發(fā)光的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該層數(shù)據(jù)通過光學(xué)系統(tǒng)成像，由光學(xué)頭中的CCD陣列讀取。
5.如權(quán)利要求3所述的疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀取方法，其特征在于將尋址光束從側(cè)面引入波導(dǎo)，在記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)處產(chǎn)生泄露，從而在黑暗的背景上顯示發(fā)光的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該層數(shù)據(jù)通過光學(xué)系統(tǒng)成像，由光學(xué)頭中的CCD陣列讀取。
全文摘要
疊層光波導(dǎo)三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及雙光束記錄和讀取方法是一種光信息存儲(chǔ)技術(shù)，具體涉及利用多層平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的三維記錄和讀取的方法，記錄光束有兩束，其中一組記錄光束從波導(dǎo)的上部射入，另一束尋址光束從波導(dǎo)的側(cè)面射入，將記錄光束聚焦于某波導(dǎo)片的記錄層，兩光束的共同作用將使焦點(diǎn)處介質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生變化，造成波導(dǎo)缺陷，這種物理特性變化可以是介質(zhì)的折射率變化，也可以是介質(zhì)密度或其它特性變化，從而記錄上“0”或“1”的信號(hào)。雙光束記錄方法要求記錄介質(zhì)為非線性材料，從芯層滲入包層的倏逝波不能單獨(dú)使記錄介質(zhì)產(chǎn)生光致變化，只有記錄光束和尋址光束同時(shí)作用才能記錄下信息。
文檔編號(hào)G11B7/005GK1404041SQ0213841
公開日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者梁忠誠, 謝勇 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)