CH625901A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Speichern von Daten, die als monochromatische Signale verschiedener Frequenz gespeichert werden.

Durch die amerikanische Patentschrift 3 896 420 ist eine optische Speichervorrichtung bekannt geworden, welche als weitere Dimension die Frequenz verwendet und so die Speicherkapazität erheblich vergrössert. Die Speichervorrichtung enthält ein Material, das optisch gesättigt werden kann und dabei eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie aufweist. Beispiele von Materialien, welche in diesem System verwendet werden können, sind mit Chrom dotiertes Aluminiumoxid (Rubin), mit Chrom dotiertes Magnesiumoxid, 02, S2, Se2 und SeS in KJ und andere. Informationsbits werden durch selektive optische Sättigung gespeichert, die durch einen schmalbandigen Laser hoher Intensität verursacht wird. Diese selektive Sättigung einer inhomogen verbreiterten Absorptionslinie durch ein schmalbandiges monochromatisches Signal bestimm-5 ter Frequenz nennt man in der englischsprachigen Literatur «hole burning» was man etwa mit «ein Loch fressen» übersetzen könnte. Die optische Sättigung ist ein physikalischer Effekt, welcher nur bei hohen Intensitäten des Lichtes auftritt und der angeregte Zustände gleichartiger Atome betrifft, die sich in et-io was unterschiedlicher Wirtumgebung befinden. Die so erzeugten Informationsbits sind so lange nicht-flüchtig, als das Material der intensiven Strahlung eines breitbandigen Lasers ausgesetzt ist. Sobald"diese Einstrahlung aus irgend einem Grunde aufhört, ist die Lebensdauer der gespeicherten Information in 15 dem Material nur noch in der Grössenordnung von etwa 10~"2 Sekunden. Weil der Speicherinhalt verloren geht, wenn die Energieversorgung unterbrochen ist oder das Licht ausgeschaltet, kann man die bekannte Speichervorrichtung als flüchtiges Speichersystem bezeichnen.

20 Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Speichervorrichtung zu schaffen, die frequenzselektiv ist und deren gespeicherte Information nicht flüchtig ist.

Die erfindungsgemässe Lösung ist durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

25 Die optische Speichervorrichtung und das Verfahren zu ihrem Betrieb machen Gebrauch von der Dimension der Frequenz. Das Speichermedium besteht aus einem Material, beispielsweise in der Form eines Blocks, das dazu eingerichtet ist, eine strahlungsinduzierte Reaktion zu erfahren, sobald es elek-30 tromagnetischer Strahlung bestimmter Frequenz ausgesetzt ist. Dieses Material weist eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie auf. Das Material erfährt eine photochromische oder photochemische Reaktion. Beispiele solcher Materialien sind das freibasische Porphyrin (H2P) und Tetrazin. Informa-35 tionsbits werden durch selektive strahlungsinduzierte Reaktionen gespeichert, die durch einen schmalbandigen Laser bei gewissen Frequenzen innerhalb der breiten inhomogenen Linie eingeschrieben werden. Die Lebensdauer von solchen strah-lungsinduzierten Datenbits ist in der Grössenordnung von Jah-4o ren, so dass die Speichervorrichtung als nicht-flüchtig anzusehen ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Material für das Speichermedium so gewählt, dass die strahlungsinduzierte Reaktion wieder rückgängig gemacht werden kann, wodurch das Löschen gespeicherter Daten ermöglicht 45 wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Ubersicht der Speichervorrichtung einschliesslich der Mittel zum Einschreiben und Auslesen so der Information.

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel der Ausgangssignale eines Lasers als monochromatische Signale bei drei verschiedenen Frequenzen.

Fig. 3 veranschaulicht die inhomogene Absorption bei lang-55 samem thermischen Ausgleich des Materials, bevor es der Strahlung des Lasers gemäss der Fig. 2 ausgesetzt wird.

Fig. 4 zeigt die Absorption des Materials nach der Belichtung mit den Lasersignalen gemäss der Fig. 2.

Fig. 5 zeigt die Ausgangssignale einer Abfühlvorrichtung, 60 die man erhält, wenn man den Laser über den Frequenzbereich von A bis B variabel absßmmt.

In der Fig. 1 ist schematisch eine optische Speichervorrichtung dargestellt, welche als weitere Dimension die Dimension der Frequenz benutzt. Die Speichervorrichtung 10 enthält einen 65 Laser 14, der mit einer Abtastvorrichtung 12 versehen ist. Ausser der Steuerung des Laserstrahls kann auch dessen Frequenz verändert werden. Die Strahlung des Lasers 14 durchläuft einen Verschluss 16, der während des Durchstimmens der Frequenzen

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des Lasers bei entsprechenden ausgewählten Frequenzen geöff- bleiben unverändert, weil sie nicht an der photoinduzierten Re-

net wird. Ein spezielles Beispiel von Laserfrequenzen, die an aktion teilnehmen.

der Stelle 18 aus dem Verschluss 16 austreten ist in der Fig. 2 Nachdem das Material bei der Frequenz M ausgebleicht dargestellt. Drei monochromatische Signale sind als Spektraiii- wurde, werden der Laser 14 und der Verschluss 16 so einge-

nien M, N und P innerhalb des Frequenzbereiches A bis B als 5 stellt, dass Laserlicht mit der Frequenz N (Fig. 2) in das Material

Spitzenwerte der Lichtintensität I bei entsprechenden Werten 22 einfällt, um das Loch N' (Fig. 4) auszubleichen. Andere der Frequenz f dargestellt. Während des Schreibzyklus werden Moleküle des Materials, welche bei anderen Frequenzen absor-das Filter 20 und die Abfühleinrichtung 24 nicht gebraucht. Ihre bieren, bleiben unverändert, weil sie nicht an der photoinduzier-

Verwendung wird unten bei der Beschreibung des Lesezyklus ten Reaktion teilnehmen.

berücksichtigt. 10 In gleicher Weise reagieren nun solche Moleküle, welche bei

Der Laser 14 muss in seiner Frequenz stabilisiert sein, er der Frequenz P absorbieren, um ein Loch P' (Fig. 4) auszublei-

muss über den ganzen Frequenzbereich der inhomogen verbrei- chen, wenn das einfallende Laserlicht die Frequenz P hat.

terten Linie abstimmbar sein und er muss in einem schmal- Wenn einmal diese sogenannten Löcher bei den Frequenzen bandigen Modus arbeiten. Durch Fokussieren des Laserstrahls M, N und P ausgebleicht sind und damit entsprechende Infor-

kann ein minimaler Strahldurchmesser in der Grössenordnung 15 mationsbits M, N und P eingeschrieben sind, dann stellen sie ein von 1 Mikron erzielt werden. Damit liegt die erreichbare Spei- nicht-flüchtiges Ergebnis dar, d.h. diese ausgebleichten Stellen cherdichte von Lichtpunkten in der Grössenordnung von 108/ bleiben unverändert bestehen, wenn das Licht des Lasers ausge-

cm2. Die Einrichtungen für die räumliche Ablenkung des Laser- schaltet wird. Die Lebensdauer solcher Informationsbits ent-

strahls sind nicht dargestellt, sie sind von gebräuchlicher Bauart, spricht der Lebensdauer des strahlungsinduzierten Reaktions-

Das Speichermedium 22 ist eine Schicht oder ein Block aus 20 Produktes, welche in der Grössenordnung von Jahren liegt,

einem Material, das fähig ist, bei Belichtung eine strahlungsin- Das Wesentliche des erfindungsgemässen Speicherverfah-

duzierte Reaktion auszuführen. Diese photoinduzierte Reak- rens liegt in der Abstimmung der Frequenz der Laserstrahlung,

tion ist eine photochemische Reaktion oder eine photochromi- um eine Anzahl von Löchern innerhalb der inhomogen verbrei-

sche Reaktion, d.h. eine durch die Belichtung verursachte Ver- terten Absorptionslinie A-B auszubleichen. Die Anzahl von in änderung der optischen Eigenschaften des Materials. Das Mate- 25 der Dimension der Frequenz speicherbaren Informationsbits rial erfährt daher eine Reaktion von Atomen, Molekülen oder hängt von dem Verhältnis der Bandbreite der inhomogen ver-

Molekülkomplexen, die reversibel oder auch permanent sein breiterten Absorptionslinie zu der Breite des engen Spektralbe-

kann. Auch muss das Material eine inhomogene Verbreiterung reiches oder der Spektrallinie eines ausgebleichten Loches ab.

der Absorptionslinien in einer inhomogenen Matrix zeigen, wie Diese Anzahl kann ausgedrückt werden durch n = Vi • (AWj/

sie in der Fig. 3 als Abhängigkeit der Absorption A von der 30 AWh). Aus der Literatur ist AWh bekannt, einen sehr engen

Frequenz f dargestellt ist. Diese inhomogene Absorptionslinie Spektralbereich zu umfassen, der bei gewissen Systemen und möge sich über einen Frequenzbereich von A bis B erstrecken. tiefen Temperaturen in der Grössenordnung von 10 MHz liegt.

Ein Beispiel eines Materials, welches einer reversiblen photo- AWj kann für gewisse Systeme die Grössenordnung von 103

chromischen Reaktion fähig ist, ist das freibasische Porphyrin, GHz erreichen. Eine Speichervorrichtung, welche beide Ex-

H2P, in einer gewissen Matrix oder Wirtumgebung. Ein Beispiel 35 tremwerte erreicht, kann innerhalb einer Absorbtionsbande 104

eines Materials, welches eine irreversible oder permanente pho- bis 105 Datenbits speichern. Weil in den meisten Fällen AWh tochemische Reaktion erfährt, ist Tetrazin. Andere Beispiele bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist, und weil AW;

von Materialien sind das analoge deuterierte Porphyrin, D2P, praktisch Temperatur-unabhängig ist, ist die Speicherkapazität

Phtalocyanin und Tetraphenyl-Porphyrin. Auch andere Mate- einer solchen Speichervorrichtung bei tiefen Arbeitstemperatu-

rialien, welche inhomogene Linienverbreiterung in einer inho- 40 ren höher.

mogenen Matrix aufweisen und bei Belichtung eine photo-indu- Das Auslesen der Daten kann auf verschiedene Weise erfol-

zierte Reaktion erfahren, können bei der erfindungsgemässen gen. Eine Möglichkeit ist in der Fig. 1 dargestellt, wo der gleiche

Speichervorrichtung verwendet werden. Laser und die gleichen optischen Einrichtungen, die für das

Wenn im Bereich der ultravioletten, sichtbaren oder infra- Schreiben benutzt wurden, auch für das Auslesen verwendet roten elektromagnetischen Strahlung das Laserlicht beispiels- 45 werden. In diesem Falle muss jedoch die Intensität des Lichtes weise eine Frequenz M (Fig. 2) hat und in das Speichermedium des Lasers 14 durch ein in den Strahlengang eingefügtes Filter

22 einfällt, welches eine inhomogen verbreiterte Absorptionsli- 20 erheblich reduziert werden, um zu verhindern, dass ein wei-

nie mit der Bandbreite A-B hat, dann bleicht der Laser einen teres Ausbleichen erfolgt. Das Licht des Lasers muss über einen engen Spektralbereich oder eine Spektrallinie M' (Fig. 4) aus, Frequenzbereich durchgestimmt werden, der grösser als der was einem gespeicherten Informationsbit entspricht. Dieser Ef- so Frequenzbereich von A bis B ist. Gedämpft durch das Filter 20

fekt kann optisches photoreaktives Ausbleichen genannt wer- passiert das Laserlicht das Speichermedium 22 und fällt auf eine den, und sein Mechanismus ist völlig verschieden von der ein- Abfühleinrichtung 24. Das Ausgangssignal D des in der Abfühl-gangs erwähnten selektiven optischen Sättigung, welche an hohe einrichtung 24 vorhandenen Detektors hat dann etwa die Form,

Strahlungsintensitäten gebunden ist. Bei dem selektiven opti- wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. Das Ausgangssignal D der sehen photoreaktiven Ausbleichen erfahren einige Moleküle 55 Abfühleinrichtung 24 zeigt einzelne Spitzenwerte M", N" und strukturelle oder chemische Veränderungen, die zu nicht-flüch- P". Das sind die Frequenzen f, wo vorher durch den Schreibzy-

tigen Reaktionsprodukten führen, welche optische Eigenschaf- klus sogenannte Löcher ausgebleicht wurden. Solche Signale ten aufweisen, die unterschiedlich von den Eigenschaften des wie M", N" und P' ' mögen den Datenbits einer binären Eins

Ausgangsmaterials sind. Dieser Effekt kann sowohl bei hohen entsprechen und das Fehlen eines Ausgangssignals die binäre als auch bei niedrigen Intensitäten der Strahlung beobachtet so Null verkörpern. In der Fig. 5 sind solche Datenbits längs der werden. Er verwendet den Grundzustand von Atomen oder Frequenzachse eingetragen.

Molekülen im Gegensatz zu der oben erwähnten optischen Sät- Zum Auslesen und Einschreiben von Information in das tigung, die angeregte Zustände ausnutzt. Die Lichtintentsität Speichermedium können auch optische Einrichtungen verwen-hat nur einen Einfluss auf die Schreibgeschwindigkeit. Der Pho- det werden, die anders angeordnet sind, als in dem Blockschema tochemismus dieser Art von optischem Ausbleichen erfasst nur 65 der Fig. 1 angedeutet. Beispielsweise kann eine Einrichtung solche Moleküle, die bei einer bestimmten Frequenz absorbie- zum Modulieren der Lichtintensität anstelle des Verschlusses 16 ren, in diesem Falle bei der Frequenz M. Die anderen Moleküle und des Filters 20 verwendet werden, welche sowohl die Funkin dem Material, welche bei anderen Frequenzen absorbieren, tion des Ein- und Ausschaltens des Lichtes als auch die Dämp-

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fung oder Verdunkelung während des Auslesens der Information ausführt.

Ein anderes mögliches Leseverfahren verwendet verschiedene angeregte Zustände eines Moleküls. Beispielsweise kann ein Speichermaterial sowohl einen angeregten Singulett-Zu-stand als auch einen Triplett-Zustand aufweisen. Angenommen, dass nur einer der beiden angeregten Zustände photoreaktiv ist, beispielsweise das Singulett, dann kann man die Information im Singulett-Modus einschreiben und zerstörungsfrei im Triplett-Modus auslesen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen beim Einschreiben von Information zu verwenden und einen Laser beim Auslesen.

Auch kann man beim Auslesen anstelle der Absorptionseigenschaften des Materials andere optischen Eigenschaften verwenden wie beispielsweise die Reflektivität oder die Fluoreszenz.

5 Das beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet eine Schicht des Speichermediums, in welches in zwei Dimensionen eingeschrieben wird und wobei die dritte Dimension die Frequenz ist. Man kann jedoch auch eine vier-dimensionale Speichereinrichtung dadurch schaffen, dass man die Laserstrahlung îodazu ausnutzt, in einem Block des Speichermaterials Volumenhologramme zu erzeugen, also drei-dimensionale Darstellungen, wozu als vierte Dimension der Bereich der Frequenz tritt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

625 901 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum optischen Speichern von Daten,

dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium ein Material vorgesehen ist, das mindestens eine inhomogen verbreiterte Absorptionslinie aufweist und das innerhalb der genannten Linie schmalbandig durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verschiedener Frequenzen selektiv ausbleichbar ist, wobei das Material durch strahlungsinduzierte Reaktionen bleibende Veränderungen der optischen Eigenschaften erfährt, und dass mindestens ein Laser vorgesehen ist, um schmalbandig in das genannte Material monochromatische Signale verschiedener Frequenzen einschreiben zu können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsinduzierte Reaktion photochemischer Natur ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Laser auch zum Auslesen der Information vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Laser in der Frequenz abstimmbar eingerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auslesen der Information ein zweiter Laser vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht des genannten Materials zweidimensional durch mindestens einen Laser beschreibbar und auslesbar eingerichtet ist, und dass eine dritte Dimension des Speichers durch die Menge der unterschiedlichen Frequenzen monochromatischer Signale verkörpert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Block des genannten Materials dreidimensional in Form von Volumenhologrammen durch mindestens einen Laser beschreibbar und auslesbar eingerichtet ist, und dass eine vierte Dimension des Speichers durch die Menge der unterschiedlichen Frequenzen monochromatischer Signale verkörpert ist.

8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Einschreiben von Information mittels eines abstimmbaren, schmalbandigen Lasers monochromatische Signale unterschiedlicher optischer Frequenz in ein selektiv ausbleichbares Speichermedium mit inhomogen verbreiterter Absorptionslinie dadurch einschreibt, dass man durch strahlungsinduzierte photochemische Reaktionen das Speichermedium örtlich monochromatisch ausbleicht, so dass dessen Absorptionskurve bleibende schmalbandige Durchlassbereiche erhält, und dass man zum Auslesen von Information das Speichermedium je Speicherpunkt in einem Multiplex-verfahren mit einer in der Frequenz jeweils über den ganzen Bereich der Absorptionskurve variabel durchgestimmten Abfragestrahlung abtastet und die durchgelassenen monochromatischen Signale in einer Abfühlschaltung auswertet.