專利名稱：光學數(shù)據存儲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于光學數(shù)據存儲的方法，設備和存儲媒質。
目前存在多種光學存儲技術。一個技術的實施例是基于在“寫入”到存儲層的同時改變該存儲層的反射率。這種存儲技術特別不適用于疊層存儲設備中的多層記錄，原因在于雙重圖象、相干光引起的相干串擾以及每層對入射激光和信號光兩者的不良透射。而另一個缺點在于已寫入和未寫入的存儲器單元的折射率差使得光束隨著其穿過不同的未寫入層而散射，導致了光束質量的降低。
另一種技術使用了溶解在聚合物基體中的熒光染料。在這種情況下，可以將折射率轉換為基底的折射率，從而避免了光束散射帶來的問題。此外，可以選擇該多層存儲媒質，使得它們對于熒光信號波長是透明的，從而有效地消除了一半與標準反射技術有關的損失和干擾。
通過使用熒光染料，可存在多種實現(xiàn)存儲設備的可能性。通過使聚合物基體中的熒光材料光致退色可以實現(xiàn)數(shù)據的不可逆存儲，例如一次性寫入多次讀取(WORM)數(shù)據存儲。利用寫入激光束輻射加熱該材料。最初，淬火分子沉積在包含熒光材料的層之上的層中，該分子包括所謂的“熒光體”。當由激光束加熱該材料時，該淬火分子分解并形成自由基，當溫度超過聚合物基體的玻璃轉化溫度以及淬火分子的熔化和/或分解溫度時，該自由基會擴散到熒光體中。當該熒光體與自由基反應時，就改變了該熒光體的化學結構并隨后由此改變了熒光光譜和熒光效率。當利用“讀取光束”照射時，由反應后的熒光體發(fā)出的熒光信號與未反應的熒光體發(fā)出的信號明顯不同。因此將這個特征用于讀取所存儲的數(shù)據。然而，在寫入過程中，這個概念受到低數(shù)據速率缺點的影響，這是由于自由基的擴散慢造成的。此外，所獲得的對比度差。
另一種技術是將淬火分子與聚合物基體中的熒光體共溶。這樣，通過加熱形成的自由基不必擴散到包含熒光體的層中并能夠直接侵蝕這些層。這引起了數(shù)據速率增加；然而缺點在于未寫入存儲器單元的穩(wěn)定性顯著降低了。
光學存儲信息的另一種方法是照射包括聚合物的存儲層，該聚合物包含基團，這些聚合物根據曝光改變了它們的結構，因此稱作光色材料。目前存在許多已知的光色材料，例如螺吡喃衍生物、多環(huán)p-醌和俘精酸酐。光色材料通常表現(xiàn)出對輻射的快速反應，因此有助于高速數(shù)據轉移，典型的是比擴散處理快很多。然而，對于該光色存儲設備來說，在開始所期待的商品化之前還有許多問題需要解決。例如，一個嚴重的問題是光色材料的(雙)穩(wěn)定性。盡管一些光色材料表現(xiàn)出良好的熱(雙)穩(wěn)定性，但是光穩(wěn)定性通常較差。而且，該光色效應線性地取決于激光強度。因此，將數(shù)據無串擾地存儲到多層設備中是重要的。即使通過利用基于雙光子吸收的光色效應可以防止這個問題的發(fā)生，這些設備也不能使用便宜的二極管激光器。
對于光學存儲媒質來講還存在很高的要求，不僅要求高記錄密度，還要求可逆的數(shù)據存儲。然而，通常不能可逆地存儲數(shù)據，或者存儲設備的結構和存儲方法是復雜的，或者存儲數(shù)據耗費時間或者受溫度限制，這就導致了實際中的解決方法并不十分有效。
因此，如何將已寫入和未寫入存儲區(qū)域的高穩(wěn)定性與寫入過程中的高寫入速度和良好的敏感度結合起來的問題仍然存在。此外，必須解決的問題包括散射、關于堆疊存儲層以便獲得大的容量。
本發(fā)明的目的是提供一種用于光存儲數(shù)據、提供高穩(wěn)定性信息存儲的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于以高速度來光學存儲數(shù)據的方法。此處，術語“高速”是指不明顯地慢于納秒范圍內，例如在10-50ns內。
根據本發(fā)明的一個方面，目前已經發(fā)現(xiàn)通過由非常短的光脈沖開始進行各向異性分子的(重新)取向，提供了特別有益的光學數(shù)據存儲形式，該各向異性分子其后在一個時間周期內自顯影，該時間周期典型地大于光脈沖的時間周期。典型地，該光為激光。
優(yōu)選的是，通過光的照射，特別是通過激光束的照射，可以實現(xiàn)取向(或者分子序)的改變。通常，該方法是以這種方法實施的，即利用激光束通過分子鏈段的局部重新取向或者打亂取向來存儲光學信息。
根據本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于光學數(shù)據存儲的設備，該設備使用聚合物材料作為存儲媒質，由此該設備包括聚合物膜，從而通過聚合物的分子序或取向的局部改變來存儲數(shù)據，該聚合物包括可光學取向的基團。
根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供了一種用于在包含聚合物材料的存儲媒質中通過改變其光學特性來寫入數(shù)據的方法，所述方法包括以下步驟-將該材料加熱到玻璃轉化溫度(Tg)以上，和-通過使用一個波長的光照射一個周期的方法使該聚合物材料中的可光學取向基團重新取向，而開始寫入，或者通過其它啟動重新取向的方法來開始寫入。
根據本發(fā)明的另一實施例，提供了一種用于光學數(shù)據存儲的設備，包括-作為存儲媒質的聚合物材料，-用于將該材料加熱到玻璃轉化溫度(Tg)以上的裝置，以及-用于開始寫入的裝置，其通過使用一個波長的光照射一個周期使該聚合物的可光學取向單元取向而開始寫入，或者通過其它啟動重新取向的裝置來開始寫入，由此可以通過改變該聚合物材料的光學特性而將數(shù)據存儲到該聚合物材料中。
根據本發(fā)明的又一實施例，提供了一種存儲媒質，其包括聚合物材料，該材料適用于通過改變其光學特性來存儲數(shù)據，所述聚合物材料包括可光學取向基團，其可以根據一個啟動重新取向的波長的光照射一個時間周期來重新取向，并且該材料可以在適當?shù)臏囟认伦燥@影，典型的溫度是玻璃轉化溫度(Tg)以上。
本發(fā)明的這些和其它方面將通過下文中所述的實施例(多個實施例)變得顯而易見。
通過結合附圖閱讀以下本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，也可以更加清晰地理解本發(fā)明，其中

圖1示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的多功能聚合物。
圖2示出了用于存儲數(shù)據的具有堆疊存儲層的設備。
圖3示出了圖1的聚合物如何從未寫入狀態(tài)轉變?yōu)橐褜懭霠顟B(tài)。
圖4示出了偶氮苯基。
圖5示出了肉桂酸基。
圖6是示出了根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的方法的流程圖。
現(xiàn)在將參照圖1開始描述本發(fā)明，圖1示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的多功能聚合物。
如圖1所示，將存儲信息所需的不同特性結合到多功能聚合物中。該聚合物10包括三種或更多的不同的官能團。第一基團R1具有液體結晶度，第二基團R2是可光學取向基團且第三基團R3包含熒光發(fā)色團?？蛇x擇的第四基團R4可以包含附加功能，例如調節(jié)聚合物的玻璃轉化溫度Tg的功能。這樣，由于將這些功能分成不同的組，因此可以彼此獨立地優(yōu)化和精確調整不同的功能。當然，如果需要也可以在不背離本發(fā)明思想的情況下添加更多的官能團。
如果將不同的功能結合成一組，例如熒光半族和中康酯基團可以結合到熒光液體結晶基團中，那么還可以使用具有少于三個基團的聚合物。也可以是其它的組合。
優(yōu)選地，該聚合物所具有的基團，具有用于數(shù)據存儲的各向異性聚合物的高穩(wěn)定性，但是同時避免了轉換慢的問題。該存儲基于適當分子基團中的光致改變，其可將該分子基團提供到聚合物的主鏈中或者側基中。圖1所述的聚合物僅僅是在其側基中具有官能團的聚合物的實施例，也可以采用滿足要求的其它結構。
可以以本來已經公知的方式提供具有液體結晶度的第一基團R1，因此將不對該此進行更為詳細的描述。按照實施例，該第一基團R1包括反復單元和具有液晶性質的基團(例如中康酯基)，該反復單元包括間隔單元。
該第二基團R2包括能夠異構化的光敏單元。典型的是在側基中具有該光敏單元，但該單元也可以出現(xiàn)在R2基團的主鏈上，或者兩個位置上都有。通常這些光敏單元基于一個或多個通式R-PH其中PH是光敏基團，優(yōu)選從包括偶氮苯、雙偶氮苯、三偶氮苯和氧化偶氮苯以及上述物質的烷基取代衍生物、芪或螺吡喃基團的組中選出的，其中R代表能夠將光化學單元化學結合到聚合物10中的基團，典型的基團是能夠聚合或縮聚的。
例如，偶氮苯基團是可改寫的。通過利用適當波長的光照射，偶氮苯單元將經歷氮-氮雙鍵周圍的可逆順式異構化。在這個過程中，存在對于偶氮苯單元的驅動力，從而減少了吸收橫截面并可以將其吸收偶極矩沿著光傳播的方向取向。圖4示出了一種偶氮苯基團。
也可以利用不同于順式異構體的其它基團，通過用光照射可以可逆地改變分子序，此處將不對這些基團的具體實施例進行討論，因為這對于本領域技術人員來講是顯而易見的。
也可以通過例如肉桂酸基團來提供不可逆的寫入。通過適當波長的光的照射，所述基團經歷了光化加成反應，這引起了垂直于光的E矢量的取向。因為這種反應是不可逆的，所以可以將寫入當作WORM寫入的一種實施例。圖5示出了一種肉桂酸基團。
已經存在對于WORM光學數(shù)據存儲盤(所謂的“CD-R”)的巨大需求，并且可以想到當光學數(shù)據盤的存儲容量增加時，這種需求也將增加。當把WORM媒質用于容量分配時，寫入過程應該是連續(xù)的(接連地寫入數(shù)據位)；然而，將連續(xù)的寫入過程結合到廉價的光學數(shù)據存儲媒質的制造過程中是不經濟的。典型的是，僅僅當以平行地寫入處理完成時，在制造過程中的數(shù)據復制才是有價值的，例如通過壓模器或者模具來寫入。這是光學存儲與其它存儲選擇(例如硬盤和固態(tài)存儲器)相比的重要優(yōu)點之一。因此，在ROM媒質中，優(yōu)選使用某些類型的平行寫入，盡管本文中并沒有公開這些內容。
當包括熒光發(fā)色團的第三基團R3旋轉時，會改變其吸收橫截面，由此各向異性分子(偶極)的旋轉(典型為90°)產生了吸收率的差別(與基準相比)，并且因此在照射時產生了熒光性的差別。這種吸收橫截面的改變對于第二基R2來講也是有效的，并且在一些情況下，根據基團的情況，對于第一基團R1也是有效的。分子幾何形狀的變化以及所導致的局部非平衡態(tài)引起了光學特性的變化，例如折射率、雙折射或吸收特性的變化，本文中將對后者進行描述，以下將對用于存儲數(shù)據的設備及其存儲原理進行進一步描述。
圖2，示出了用于存儲數(shù)據的具有堆疊存儲層的設備20在垂直于該疊層平面方向上的橫截面?；?覆蓋有聚合物層2。基板1的表面積典型地為幾個cm2，并且在其上沉積有例如InO2/SnO2層的絕緣層。該聚合物層2可以是例如旋涂的或者可以以其它適合的方法涂敷的，并且該聚合物層的厚度典型地可以從10-3到10-6m。在一些情況下，當使用非常薄的膜或者特定的濃度時，有必要注意到光學特征沒有顯著地改變。然而，本文中將不對這種問題進一步討論，這是因為對于本領域技術人員來講這些是顯而易見的。
聚合物層2覆蓋有分離層3，由此這種聚合物層2和分離層3的組合可以堆疊多次，在這個具體實施例中示出了三個聚合物層。然而，可以提供多個聚合物層2，典型的是超過十個。可選擇的是，可以將具有其它適合材料的聚合物作為疊片，或者作為涂層提供到基體層上，盡管這些實例沒有在該附圖中表示出來。
當寫入一個聚合物層時，來自光源的第一激光束(由標有“光”的箭頭表示)聚焦到數(shù)據存儲媒質中的某些區(qū)域上，由此由于可光學取向基團使得這個區(qū)域內的聚合物重新取向，這將在以下進一步描述。第一激光束，例如具有藍光的激光束啟動重新取向，由此強度足夠高以至于將該聚合物加熱到其玻璃轉化溫度Tg以上的第二光束(來自相同光源)完成該重新取向。因此，所生成的已寫入區(qū)域可以當作光學數(shù)據讀取。
該光學數(shù)據存儲設備20可以是例如光盤的形式，由此當該盤在光學記錄播放器或者光學卡中旋轉時，通過探測激光束就讀取了圓形軌道上的數(shù)據，該數(shù)據典型為比特的形式。另一種可能性是提供全息存儲，由此，可將圖像的全息圖作為干涉圖案進行記錄，將不對這些以及其它應用進行詳細描述，因為這些技術在所述技術本領域內是公知的。
現(xiàn)在參照圖3a-c，示出該聚合物是如何從未寫入狀態(tài)轉變?yōu)橐褜懭霠顟B(tài)的。示出了在垂直于圖2中橫截面的方向上、即在與“光”表示的箭頭相同的方向上的該聚合物，其中示出了三種聚合物。圖3a示出了對準之后、開始之前的情況。圖3b示出了部分聚合物層的中央區(qū)域12(局部聚焦區(qū))開始的情況，此處是中心聚合物，由其左上角的箭頭表示。圖3c示出寫入之后的部分聚合物層。此時該中央區(qū)域12所包括的基團的方向實質上垂直于對準后的方向。這個方向僅僅意在說明本發(fā)明的原理，因此不局限于該垂直方向。
例如通過表面作用(例如剪切或畫圖)，或者利用附加的層，即在其上所提供的所謂的“對準層”(未示出)，或者通過場效應的方法，例如對準場、尤其是磁場或者電場，就可以實現(xiàn)圖3a中多功能聚合物的初始取向。如果利用電場對準該基團，則可以從該聚合物層周圍從兩側提供透明電極。
然而，該設備中不必包含該電極。在制造過程中，即使該媒質中不包括電極也可以施加電場。對于WORM應用來講，典型的，電極既不是必須的也不是希望的。對于(有限的)RW應用來講，同樣可以想象只用兩個普通的電極將所有的存儲層夾在之間，來為整個設備提供總的重新取向能力。如果電極將每層夾在中間，則每層就可能有更多的局部擦除和初始材料取向。原則上，甚至可以使用戶驅動器來提供外部的整體對準場，這樣就可以獲得沒有內部電極的RW媒質。因為這種情況下需要高電壓(該電壓隨著電極的間隔線性增大)，所以即使可以實現(xiàn)，但這可能也不是最實際的解決方案。
還可以將對準層和對準場結合起來。例如，該對準層可以加強該聚合物中的官能團的同向性對準。在該數(shù)據層的沉積過程中，對準層的對準力會受到對準場力的支配。這樣就獲得了平面對準。此時，在寫入過程中，由可光學取向單元施加的力以及該對準層的力將共同使全部官能團重新取向。這樣，可以提高寫入速度。在通常情況下，對準層促使平面對準，在寫入過程中由對準層和可光學取向單元施加的力彼此相反，從而限制了寫入速度。
如圖3b所示的啟動重新取向的第一激光束移動，而已經開始的聚合物材料的自顯影經過了比圖3c所示的其最終取向從開始到結束更長的周期。所需的時間周期由聚合物類型決定，當然要適當?shù)剡x擇該時間周期以滿足關于切換時間的要求。一種典型的實施例可能有些像幾納秒內的第一激光束和幾微秒的第二加熱光束，具體的實例可以是大約6ns和3ms。這種時間周期是由不同于可光學取向基團的其它基團的重新取向決定的，這是因為用于其它基團的驅動力較小(彈性能)，即后者的切換更快。也可以利用短激光脈沖同時進行加熱和光學重新取向，并且由于該媒質的不良導熱性，該材料可以保持在Tg以上幾微秒，從而使其自顯影。也可以將短激光脈沖用于把樣品加熱到Tg以上(其將保持幾微秒(ms))以及將第二輻射經過較長周期用于光學重新取向。
該激光束可以來自例如二極管激光器，典型的具有大約400nm的波長。然而，在選擇用于寫入和讀取的波長方面有很大的自由度。例如，可以添加染料以提供對適當波長的敏感度。根據本發(fā)明優(yōu)選的實施例，寫入光束和加熱光束兩者可以組合成一個光束(如圖2所示)，該光束既開始又加熱，或者可選擇的是，可使這兩個光束在除需要的寫入位置外的各處空間分離，以提高該方法的非線性。
參照圖6可以示出根據本發(fā)明一般優(yōu)選實施例的寫入數(shù)據的方法，該圖是該寫入方法的流程圖。在第一步驟101中，將聚合物材料加熱到其玻璃轉化溫度Tg以上，在第二步驟102中，通過使用啟動重新取向的光照射而使該聚合物的可光學取向基團進行取向，從而開始寫入。
可以通過例如以單色相干光照射該聚合物層來進行信息讀取，典型的單色相干光是激光，其通過使用各向異性熒光染料分子(即第三基團R3)的取向變化來讀取數(shù)據。典型的是，在“已寫入”和“未寫入”區(qū)域中熒光發(fā)色團的轉移偶極矩的不同取向引起了吸收率的差異，由此引起了熒光性的差異。典型的差異為大約1∶7。當然，也可以采用其它改變取向的各向異性基團，例如可光學取向基團。同樣，也可以是不同于各向異性基團的其它類型的基團，假設開始足夠快，當使用來自強寫入光束的光照射時，可以改變光學特性，該特性可以由較弱的讀取光束讀取。也可以提供混和物的光學特性，而不是聚合物自身的光學特性，或者可以使用添加劑。
通過在電場或磁場中將溫度提高到玻璃轉化溫度Tg以上并冷卻就可以實現(xiàn)擦除所存儲的信息。通過在Tg以上時重新對準到對準層并且作光學取向的逆處理也可以實現(xiàn)上述擦除。
典型的，玻璃轉化溫度Tg高于環(huán)境溫度。然而，優(yōu)選的是控制該玻璃轉化溫度，從而確保在所需溫度存儲的過程中所存儲的數(shù)據不會退化。這種方法，例如使用基于乙烯基的聚合物是公知的，因此不再進一步討論。
必須施加激光脈沖的時間范圍比各向異性分子重新取向的時間范圍小得多。這樣，高記錄數(shù)據速率就和高記錄穩(wěn)定性結合起來。
用于多層光學數(shù)據存儲媒質的數(shù)據記錄解決方案與現(xiàn)有技術相比具有多個優(yōu)點。這些優(yōu)點如下提高了信息存儲的穩(wěn)定性，可以獲得很快的寫入速度，獨立優(yōu)化了材料的特性，通過各向異性發(fā)射提高了熒光信號強度(是光子的2-3倍)并且增大了吸收橫截面(對于給定、最佳的吸收率能夠獲得更薄的層)。
因為本發(fā)明還提供了寫入和未寫入比特折射率的微小差別，所以這將導致隨著光穿過不同的層，光束質量的下降，盡管與常規(guī)技術相比下降得很小。在具有許多聚合物層的疊層設備中，假設10層以上，通過仔細選擇材料可以進一步減小寫入和未寫入比特之間的差別，即典型的是通過選擇四個補償基團。可選擇的是，可以改為提高這個差別，從而通過檢測這個差別而將其作為光學參數(shù)來使用，例如通過設置在傳輸中的微分相位對比度顯微鏡來檢測。
即使僅僅通過利用實施例中所述的熒光性來讀取，其它能夠根據分子取向來檢測光學參數(shù)的方法也是可以采用的。
用于光學數(shù)據存儲的設備也可以用于例如光學信號處理、傅立葉變換和不同于所述的其它記錄目的中。
如以下權利要求書中所使用的詞語“包含”表示包括，但不必僅限制于此。
權利要求
1.一種用于在包括聚合物材料的存儲媒質中通過改變聚合物材料的光學特性來寫入數(shù)據的方法，所述方法包括以下步驟-將該材料加熱到玻璃轉化溫度(Tg)以上，和-通過使用一個波長的光照射一個時間周期來使該聚合物材料中的可光學取向基團重新取向，從而開始寫入，或者通過其它啟動重新取向的方法來開始寫入。
2.如權利要求1所述的方法，其中該可光學取向基團是該聚合物材料中存在的一個或多個各向異性基團。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中開始和加熱步驟是通過單光束執(zhí)行的。
4.如權利要求1或2所述的方法，其中開始步驟是通過第一光束執(zhí)行的，加熱步驟是利用第二光束實現(xiàn)的。
5.如權利要求1-3中任一項所述的方法，其中的開始步驟是在比聚合物重新取向的時間范圍短得多的時間周期內進行的，該聚合物優(yōu)選為LC聚合物，典型的時間周期在納秒時間范圍內，例如10-50ns。
6.一種用于光學數(shù)據存儲的設備，包括-作為存儲媒質的聚合物材料，-用于將該材料加熱到玻璃轉化溫度(Tg)以上的裝置，以及-用于開始寫入的裝置，其通過使用一個波長的光照射一個周期使該聚合物的可光學取向單元重新取向而開始寫入，或者通過其它啟動重新取向的方式來開始寫入，由此可以通過改變該聚合物材料的光學特性而將數(shù)據存儲到該聚合物材料中。
7.如權利要求6所述的設備，其中該聚合物材料包括一種或多種各向異性聚合物。
8.如權利要求6或7所述的設備，其中在透明基板上提供聚合物層，優(yōu)選的是聚合物膜。
9.如權利要求6-8中任一項所述的設備，其中所述設備包括組合的熱源裝置和光源裝置，由此可以加熱所述的聚合物膜并且可以改變所述膜的分子序或者取向。
10.如權利要求6-9中任一項所述的設備，其中所述設備包括例如對準層的物理取向裝置，和/或在寫入之前用于為該聚合物取向的透明電極裝置。
11.如權利要求6-10中任一項所述的設備，其中所述熱源裝置和/或光源裝置包括激光器。
12.如權利要求6-11中任一項所述的設備，其中所述聚合物膜的吸收特性使得可以使用特定波長和強度的激光束來存儲數(shù)據并且使用具有不同波長或者具有顯著低于寫入閾值的不同強度的另一激光束來讀取，而不會干擾所存儲的數(shù)據。
13.存儲媒質，其包括聚合物材料，適用于通過改變聚合物材料的光學特性來存儲數(shù)據，所述聚合物材料包括可光學取向基團(R1-R4)，其可以在被用于啟動重新取向的一個波長的光照射一個周期時重新取向，其可以在適當?shù)臏囟茸燥@影，典型的溫度是高于玻璃轉化溫度(Tg)。
14.如權利要求13所述的存儲媒質，包括從以下材料中選出的基團偶氮苯、雙偶氮苯、三偶氮苯和氧化偶氮苯、上述物質的烷基取代衍生物、芪或螺吡喃基團。
全文摘要
一種光學數(shù)據存儲方法、設備和存儲媒質，包括通過改變聚合物材料的光學特性來存儲數(shù)據，由此通過可光學取向的單元的重新取向而開始寫入，典型的是通過具有一個波長的光照射來啟動重新取向從而開始寫入。
文檔編號G11B7/24GK1662967SQ03814195
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月12日 優(yōu)先權日2002年6月19日
發(fā)明者E·皮特斯, D·J·布羅爾, C·布希 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司