CN113841199B - 一种用于在固体衬底中记录数据的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在固体衬底中记录数据的方法包括：调制相干光脉冲串的偏振角，并且在偏振角正在被调制的同时，将相干光脉冲串聚焦在以相对速度移动通过固体衬底的轨迹上。此处，相对速度、相对速度方向中的轨迹宽度和偏振角的调制率使得衬底在轨迹宽度内接收光脉冲串的两个或更多个脉冲，两个或更多个脉冲偏振角不同。以该方式，两个或更多个脉冲在轨迹宽度内的衬底的不同部分中记录两个或更多个不同的符号。

Description

一种用于在固体衬底中记录数据的方法和系统

技术领域

本公开一般涉及存储领域，更具体地，涉及高密度光数据记录。

背景技术

高功率、短脉冲激光辐照可以被用于在固体介电衬底(诸如，玻璃)中光学地写入和存储数据。辐照在其焦点处引起由衬底的非线性、多光子吸收所导致的长寿命晶格微扰。在某些情况下，晶格微扰具有在衬底内、嵌入辐照所聚焦点处的非常小的衍射光栅的光学属性。以该方式写入衬底的数据可以使用偏振成像来回读，以询问在衬底内所形成的各种光栅状微扰。

发明内容

本文所公开的示例涉及在固体衬底中记录数据的方法。方法包括：调制相干光脉冲串的偏振角，并且在偏振角正在被调制的同时，将相干光脉冲串聚焦在以相对速度移动通过固体衬底的轨迹上。在该方法中，相对速度、相对速度方向中的轨迹宽度和偏振角的调制速率使得衬底在轨迹宽度内接收偏振角不同的光脉冲串中的两个或更多个脉冲。以该方式，两个或更多个脉冲在轨迹宽度内的衬底的不同部分中记录两个或更多个不同的符号。

其他示例涉及固体衬底，固体衬底包括可通过偏振成像来探测的至少一系列相邻体素体积，至少一系列包括：连续的第一和第二双折射体素体积，其中第一体素体积的双折射对第一写入符号进行编码，并且第二体素体积的双折射对第二写入符号进行编码。

还有其他示例涉及包括调制系统、固体衬底、致动器和编码器的数据记录系统。调制系统被配置为调制被聚焦在轨迹上的相干光脉冲串的偏振角，并且固体衬底被布置为在轨迹处接收相干光脉冲串。致动器被配置为以相对速度并且在偏振角正在被调制的同时改变轨迹相对于固体衬底的相对位置。编码器被配置为控制偏振角的相对速度和调制速率，使得衬底在轨迹宽度内接收偏振角不同并且对两个或更多个不同符号进行编码的光脉冲串中的两个或更多个脉冲。

提供本发明内容来以简化形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的概念选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实施方式。

附图说明

图1A和图1B示出了具有集成式数据检索的示例光学数据记录系统的方面。

图2示出了示例光学数据记录系统的示例写入头的方面。

图3图示了在衬底中光学地记录数据的比较方法的方面。

图4示出了由图3的比较方法的示例执行来修改的衬底层的互补双折射映射。

图5图示了在衬底中光学地记录数据的示例方法的方面。

图6和图7示出了通过图5的方法的示例执行修改的衬底层的互补双折射映射。

图8和图9示出了示例光学数据记录系统的其他示例写入头的方面。

图10示出了具有集成数据检索的示例光学数据记录系统的示例读取头的方面。

图11示出了示例计算机系统的各方面。

具体实施方式

如上所述，数据可以使用高功率、相干辐照而被写入玻璃或其他固体衬底。术语“体素(voxel)”在本文中被用于指代衬底中可以存储单独数据值(即，符号)的任何离散体积。体素中存储的数据可以采用各种形式。原则上，衬底晶格的任何穆勒矩阵系数(Muller-matrix coefficient)可以被操纵用于对数据进行编码。在使用二氧化硅玻璃衬底的示例中，来自聚焦、偏振辐照的晶格微扰采用位于焦点处的非原生双折射形式。因此，衬底的每个体素可以被建模为延迟幅度为δd并且方位角

的非常小的波片。这些模型参数可以被独立操纵以将期望符号写入给定体素，其中写入光束的偏振角确定方位角/>

并且写入光束的能量在一些示例中确定波片光栅的强度，并且因此确定延迟幅度δd。

通过将可实现的方位角和/或延迟幅度的连续空间划分为离散间隔，多位数据值可以被编码到每个体素中——即，通过将该体素的双折射强制到离散间隔中的一个离散间隔内。以这种方式，每个体素可以在Q≥1个不同方位角中的每个方位角处，对R≥1个不同延迟幅度中的一个延迟幅度进行编码。在一些示例中，体素结构的许多平行层可以通过将激光辐照聚焦到衬底的被辐照的表面下方的指定深度来写入到同一衬底。该光学数据记录模式被称为“5D光学存储”。

为了以高密度记录数据，可能需要将相邻的体素连续地或接近地定位，并且将每个体素体积缩小到可靠的可写性和可读性的极限。在写入光束被光栅化通过衬底的实施方式中，该策略还可以增加数据写入带宽。然而，在当前的方法中，体素体积受到写入光束可以被聚焦的轨迹尺寸的限制。尽管在理想情况下最小轨迹尺寸可能接近衍射极限，但由于光学上的非理想性，它在实践中可能要大得多。

为了解决这些问题并且提供其他优点，本文公开了利用光学数据记录的多光子机制的示例。在此处所公开的方法中，随着激光的焦点移动通过衬底，数据以基本连续的行被写入衬底。在焦点处所接收的脉冲的积累为衬底的辐照体积做好准备，使其对写入过程越来越柔韧。在这种情况下，仅在给定体积内所接收的最终脉冲将波片固定到最终取向，从而将符号提交到体素。因此，在衬底中形成连续或几乎连续的一行或一系列写入体素，来提供高存储密度和带宽。

在以下描述的示例中，在附图中的一个或多个附图中可以是基本相同的组件、过程步骤和其他元素被协调地标识并且以最少的重复进行描述。然而，将注意，所协调地标识的元素也可能在某种程度上不同。还要注意，这些图是示意性的并且通常不按比例绘制。相反，图中所示的各种绘图比例、纵横比和组件数量可能会被有意扭曲来使某些特征或关系更容易看到。

图1A示出了具有集成数据检索的示例光学数据记录系统10A的方面。数据记录系统10A被配置为在固体介电衬底12A中写入和存储数据。衬底可以从一个实施方式到下一实施方式不同，但通常在第一级是透明的，至少在用于写入和读取数据的辐照度的波长范围内是透明的。在一些实施方式中，衬底可以是聚合物。在一些实施方式中，衬底可以是无机玻璃，诸如二氧化硅玻璃、熔融石英或熔融二氧化硅。在一些实施方式中，衬底可以采用与机械地稳定的支撑层耦合的相对薄的光学层(例如，30至300微米)的形式。

数据记录系统10A的缓冲器14被配置为缓冲待写入衬底12A的输入数据流16。在一些实施方式中，输入数据流可以包括数字数据。编码器18被配置为解析来自缓冲器的数据并且向写入头20提供适当的控制信号，使得根据本文的方法，数据根据预定编码方案而被写入。编码和写入过程的附加方面由写入控制器22控制。

衬底12A被示出在图1A中，衬底12A以矩形板的形式被布置在XY平移台24上。图1B示出了另一光学数据记录系统10B的方面，其中衬底12B采用旋转盘的形式。在其他示例中，衬底的形状可以不同——例如为旋转圆柱体。在其他示例中，写入头20可以被配置为在一个或多个方向上移动和/或旋转，并且衬底可以是静止的。在其他示例中，衬底可以相对于写入头静止，写入头可以包括适当的光束控制组件，以将写入引导到衬底的指定区域。在其中衬底和写入头相对于彼此移动的任何实施方式中，包括瞬时相对速度的相对运动可以由编码器18来控制。

图2示出了光学数据记录系统10的示例写入头20A的方面。写入头20A包括高功率激光器26和调制系统28A。调制系统包括电子可寻址偏振调制器(PM)30和聚焦系统32。

激光器26被配置为发射固定相位和偏振的相干光脉冲串。在一些实施方式中，激光器可以是在固定波段中发射的飞秒激光器。取决于具体的实施方式，紫外线、可见光、近红外线和中红外线的波段都是可以设想的。在一些实施方式中，激光器可以是Q切换式和/或锁模式，以提供非常高能量的非常短的脉冲。取决于具体实施方式，可以使用皮焦(picojoule)到微焦(microjoule)范围内的脉冲能量。在一些示例中，来自激光器的辐照可以包括持续时间为数十至数千飞秒的光子脉冲的重复脉冲串。在一些示例中，可以使用1到100MHz的重复率，但更快和更慢的重复率也被设想。例如，取决于具体的实施方式，单独脉冲的宽度范围可以从10飞秒到10皮秒。在一些实施方式中，更短波长的光可以使用采用非线性光学过程的光谐波生成器来形成。还设想了其他形式的激光辐照。在相干光脉冲串的振幅被调制的示例中，编码器18可以被配置为控制调制。

在图2的写入头20A中，调制系统28A被光学地布置在激光器26的下游，使得来自激光器26的相干光脉冲串通过PM 30。还设想了反射和衍射PM变型。PM是非成像有源光学器件，被配置为通过可控可变角度来旋转相干光脉冲串的偏振态。在其中相干光脉冲串是平面偏振的示例中，偏振态的调制包括：通过一系列预选角度来同步地旋转相干光脉冲串的电场矢量的振荡平面。在写入头20A中，PM 30被可操作地耦合到编码器18。编码器向PM提供电信号，电信号限定了应用于偏振态的可变旋转。

以该方式，调制系统被配置为调制由聚焦系统32聚焦在轨迹34上的相干光脉冲串的偏振角。术语“轨迹”在本文中指代相干光脉冲串(即，写入光束)利用足够的能量被聚焦以修改衬底的双折射的空间区域。在一些示例中，轨迹可以包括写入光束的整个聚焦体积(focal volume)。在其他示例中，轨迹可以对应于聚焦体积内的“热点”。如图2所示，衬底12被布置为接收轨迹34上聚焦的相干光脉冲串。在数据被写入衬底12的多个深度层的示例中，聚焦系统32可以具有由编码器18控制的可调焦距，使得写入光束的辐照可以被聚焦到衬底的任何所选择的深度层。在其他示例中，写入头20A和衬底12之间的距离可以变化来选择衬底的深度层以接收相干光脉冲串。尽管写入头20A采用具有调制偏振角的单个写入光束，但是本公开还包含通过将多个固定或可变偏振的写入光束混合来提供所需可变偏振的配置。在光束混合配置中，相干光脉冲串从辐照的轨迹的角度来限定。换言之，脉冲串可以包括来自单个写入光束或来自两个或更多个不同写入光束的脉冲。

简要地返回图1A，衬底12A由台24支撑，台24被机械地耦合到致动器36。通过沿一个或多个方向移动衬底，致动器改变轨迹34相对于衬底的相对位置。实际上，即使在写入光束的偏振角被调制时，致动器也向轨迹赋予相对速度。自然地，类似的效果也可以通过相对于写入头来旋转衬底(如图1B所示)、通过在衬底保持固定的同时移动写入头、或者通过同时移动衬底和写入头两者来实现。在一些示例中，写入头20可以包括被配置为感测写入头和衬底之间的相对位移的感测组件(图中未示出)。相对位移可以在X、Y和/或Z方向上感测。在一些示例中，相对位移可以作为输出数据而被提供给编码器18和/或写入控制器22并且被用于以闭环方式来控制致动器36和/或聚焦系统32。整体位移控制方案可以采用预先确定的轨道线和设定点，以精确控制轨迹在衬底内的移动并且实现所需的功能。

基于本文所描述的配置，写入头20可以被配置为将符号S_i写入衬底的每个体素i，衬底由该体素的双折射属性来编码。符号可以被表示为数字值或比特序列——例如，00、01、10、11。这可以例如通过对两个可能的方位角中的任一个方位角以及针对每个方位角的两个可能的延迟幅度中的任一个延迟幅度进行编码来实现。另一示例编码可以包括单个延迟幅度的三个可能的偏振角。通常，每个体素可以在Q≥1个不同方位角中的每个方位角处，对R≥1个的不同延迟幅度中的一个延迟幅度进行编码，其中Q和R是整数。偏振角和/或延迟幅度的更大菜单的使用可以对应于写入每个体素的更长比特序列。

图3图示了在衬底中光学地记录数据的比较方法38的方面。为便于描述，本文中的方法继续参考上述配置来描述。然而，将理解，不同的配置也可以支持这些方法。

在方法38的40处，激光器26被通电以提供经振幅调制的相干光脉冲串。图3的曲线图42表示在方法38的执行期间，来自激光器26的相干脉冲串的瞬时功率。如该图所示，脉冲串的振幅被调制为与在衬底12中写入单个体素44一致。在46处，来自激光器的相干光脉冲串被聚焦到衬底的预定深度层。更具体地，相干光脉冲串被聚焦在轨迹34上。在48处，致动器36被通电以赋予轨迹相对于其移动通过的衬底的相对速度。在一些示例中，编码器18可以控制致动器36和聚焦系统32，以使轨迹光栅化通过衬底的多个深度层中的每个深度层，致动器在每行的写入期间赋予基本恒定的相对速度。应当注意，术语“行”在本文中指代衬底的一系列轨迹尺寸的体积，无论这些体积是否恰好位于直线上。因此，术语“行”和“系列”在该上下文中可互换使用。例如，在其中衬底是旋转盘的实施方式中，一系列衬底体积可以位于圆弧上，而不是行上。此外，在一些示例中，行可以沿材料深度的范围而被布置。

继续图3，在50处，当轨迹继续以相对速度移动通过衬底时，相干光脉冲串的偏振角被调制以提供针对在当前轨迹内要被写入的体素的预定的双折射方位角。图3的曲线图52表示由PM 30控制的偏振角，并且曲线图54表示在当前轨迹处，被编码到衬底中的双折射的延迟幅度。在该方法中，被引导到给定轨迹尺寸的衬底体积的所有脉冲具有相同的偏振角。这导致具有不同的符号的三个不同的体素44A、44B和44C的写入。在该方法中，每个体素在扫描方向上比轨迹34宽，因为每个体素是两个或多个轨迹尺寸体积的叠加。

图4示出了在一个示例中通过执行比较方法38而被修改的衬底层的互补双折射映射。图4的左侧平面是在已经写入多个行体素之后，方位角作为衬底层上的XY位置的函数的映射56。图4的右侧平面是延迟幅度的对应映射58。两个映射揭示了体素之间具有显著的未写空间的规则的体素阵列，每个体素具有可检测的延迟幅度。

在一些情况下，数据密度和延迟幅度可以通过以降低的扫描速率应用比较方法38来增加。然而，该补救措施没有提供数据记录带宽的对应增加。此外，数据密度最终将受到写入光束可以被聚焦的轨迹34的最小尺寸的限制。如前所述，轨迹的最小尺寸在理想情况下可能接近衍射极限，但在实践中由于光学非理想性可能会大得多。

鉴于这些问题，图5图示了在衬底中光学地记录数据的改进方法60的方面。在方法60的62处，激光器26被通电以提供相干光脉冲串。图5的曲线图64表示在方法60的执行期间，来自激光器26的相干脉冲串的瞬时功率。与在比较方法38中调制来自激光器的脉冲串的振幅相反，方法60中的振幅保持在阈值之上——例如，用于提供足够能量以改变衬底的双折射的阈值。在一些示例中，振幅可以被保持恒定。在46’处，来自激光器的相干光脉冲串被聚焦到衬底的预定深度层。更具体地，相干光脉冲串被聚焦在轨迹34上。在48’处，致动器36被通电以赋予轨迹相对于其移动通过的衬底的相对速度。在其中数据被写入衬底的多个深度层的示例中，如上所述，聚焦系统32可以被适当地控制以调整聚焦深度。

在50’处，当轨迹继续以相对速度移动通过衬底时，相干光脉冲串的偏振角被调制以提供针对要被写入当前轨迹内的体素的双折射的预定方位角。图5的曲线图72在一个示例中表示由PM 30控制的相干光脉冲串的偏振角，并且曲线图74表示在当前轨迹处被编码到衬底中的双折射幅度。在该方法中，相对速度、相对速度方向中的轨迹宽度和偏振角的调制速率使得衬底可以在轨迹宽度内接收偏振角不同的光脉冲串的两个或多个脉冲。换而言之，当偏振角正在被调制的同时，相干光脉冲串保持聚焦在轨迹34上，轨迹34以相对速度移动通过衬底。该动作在轨迹宽度内传递偏振角不同的两个或更多个脉冲。两个或更多个脉冲记录在轨迹宽度内的所有衬底的不同部分中的两个或更多个不同的符号。在一些实施方式中，偏振角可以在周期T＝W/V内改变至少一次，其中V是相对速度并且W是轨迹在相对速度方向中的宽度。

如图5所示，随着偏振角被调制并且随着轨迹继续移动通过衬底，偏振角不同的两个或更多个脉冲在衬底的轨迹尺寸的体积内被接收。自然地，两个或更多个脉冲被接收的轨迹尺寸的体积可以是固体衬底的一系列(例如，行)连续一致体积中的一个体积。在一些示例中，随着轨迹从系列中的一个体积移动到另一体积，偏振角继续被调制并且相干光脉冲串的振幅继续被保持。

两个或更多个脉冲的接收在轨迹的宽度内形成两个或更多个体素44’。通常，两个或更多个体素(例如，体素44A’、44B’、44C’)中的每个体素可以呈现不同的双折射，以在随后衬底的读取期间探测光。换言之，两个或更多个脉冲可以记录在轨迹宽度内的衬底的不同部分中的两个或更多个不同的符号。

图5的方法由介电衬底中的光学数据存储的多光子机制通知。具体地，高能脉冲在辐照轨迹处的积累为衬底的辐照体积做好准备，使其对写入过程越来越柔韧。在该情况下，仅在给定体积内所接收的最终脉冲将波片取向固定到其最终值，从而将符号提交给体素。因此，连续或几乎连续的写入体素行44’可以在衬底中形成。这使得能够以高密度和高带宽记录数据。

从给定体素44’的视角来看，在轨迹34内所接收的两个或更多个脉冲包括：一个或多个早脉冲和一个或多个晚脉冲(即，比任何早脉冲晚接收的脉冲)。早脉冲使轨迹下的整个体积更易于数据写入；就在轨迹移动之前，晚脉冲设置了该体积内最左侧体素的双折射。例如，从体素44C’的视角来看，脉冲76A是早脉冲，并且脉冲76B是晚脉冲。脉冲76A准备好轨迹下的体积，包括与体素44C’相对应的体积。晚脉冲76B然后将体素44C’的双折射设置为其最终值。就在传递晚脉冲之后，轨迹在体素44C’上移动并且远离体素44C’，留下安全的所编码的双折射，特别是由晚脉冲的偏振角确定的双折射的方位角。实际上，一个或多个早脉冲抢占地(pre-emptively)增加了方位角处每个体素的双折射的延迟幅度，方位角最终通过接收一个或多个晚脉冲而设定。增加是相对于没有接收到早脉冲的假设情况而言，在这种情况下，延迟幅度可能非常小。

图6示出了在一个示例中通过示例方法60的执行而被修改的衬底层的互补双折射映射。图6的左平面是在已经被写入的多个行体素之后，方位角作为衬底层上XY位置的函数的映射78。图6的右平面是延迟幅度的对应映射80。两个映射揭示了体素之间具有很小空间或没有空间的规则的体素阵列，每个体素具有很强的延迟幅度。

继续在附图中，图7的映射82是在已经被写入多个行体素后，作为单个衬底层12上的XY位置的函数来绘制的实验方位角图。通过偏振成像获得的这些数据表明，根据图5的方法形成的修改的衬底包括至少一系列相邻体素体积，该至少一系列相邻体素体积具有连续的第一和第二双折射体素体积。在映射82中的许多实例中，第一体素体积的双折射对第一写入符号进行编码，并且第二体素体积的双折射对与第一写入符号不同的第二写入符号进行编码。具体地，第一体素体积的双折射可以与第二体素体积的双折射在方位角上不同。图7的曲线84示出了通过映射82所指示的扫描线的部分的1D切片。曲线示出了符号之间的非常尖锐的转变，指示所准备的衬底材料对写入光束的变化的偏振非常快速地响应。

简要地返回图5，曲线图74示出了可能有必要将许多脉冲引导到给定轨迹中，以获得足够高的延迟幅度值，即，体素双折射通过可用读取组件可测量的值(参见下文)，该值具有足够的分辨率来区分每个符号与其他可能的符号。该情况可能给写入行的第一体素带来困难，包括数据扇区边界处的体素，这些体素不由较早数据的写入准备。然而，即使是这个问题也可以经由移动轨迹，提供一系列早和晚脉冲来解决。具体地，当轨迹移动通过边界区域时，写入光束的偏振角可以通过宽范围的角度被调制，以避免将任何特定符号提交到该区域，但仍然准备轨迹内的面积。然后，一旦轨迹完全离开边界区域并且在第一体素被写入的衬底部分内，偏振角被调制以实现针对第一体素的期望方位角。

实际上，从第一写入体素的视角来看，当轨迹仍然部分地在边界区域内时所传递的变化偏振角的脉冲是“早”脉冲，而一旦轨迹离开边界区域，所传递的指定偏振角的脉冲从该体素的视角来看，是“晚”脉冲。在该示例中，早脉冲的偏振角可以被改变，使得在待写入的体素之外但在轨迹宽度内的延迟幅度保持低于符号编码阈值。还设想了对一行或其他一系列体素的初始体素进行预播种或准备的其他方法。例如，这样的准备可以通过将写入光束的偏振状态调制到与当前实施方式中的任何符号不对应的状态来制定。在一些非限制性示例中，在使用平面偏振光来写入每个符号的实施方式中，写入光束的偏振状态可以被调制为圆偏振或以其他方式的椭圆偏振。

简要地返回图2，具有调制系统28A的写入头20A可以被配置为串行地记录每个衬底体素。然而，与本公开完全一致的其他写入头支持并行或大规模并行数据记录来增加吞吐量。为了并行写入数据，高功率激光器的输出可以被划分为多个独立调制的子光束，使得多个体素可以被同时写入。然而，每个子光束必须旋转到适合它写入的符号的特定偏振状态。

图8示出了光学数据记录系统10B的示例写入头20B的方面。写入头20B包括高功率激光器26和调制系统28B。调制系统包括电子可寻址偏振调制器(PM)30和聚焦系统32。为了启用并行写入，写入头20B还包括电子可寻址液晶空间光调制器(LCSLM)86B。

LCSLM 86B被配置为动态数字全息图。LCSLM包括接收激光器26的相干波前的像素元件阵列。每个像素元件内的液晶(LC)对通过该元件的辐照赋予可变相位延迟。在最先进的LCSLM中，相位延迟在阵列的所有像素元素共有的唯一方向上。因为每个像素元素是可独立寻址的，所以可变相位延迟的幅度可以被控制到像素级。与任何光栅一样，在LCSLM的近场中所赋予的相位延迟在远场中创建干涉图案，其中衬底12位于该处。通过控制来自LCSLM的每个像素元素的近场相位延迟，远场干涉图案可以被控制为利用期望的强度来辐照衬底的任何层的每个体素。

在图8的写入头20B中，来自LCSLM 86B的全息投影通过PM 30，PM 30是非成像有源光学器件，PM 30被配置为以可控可变的角度来旋转全息投影的偏振状态。对于衬底，全息投影“出现”为写入光束的平行2D阵列，写入光束各自具有受控的偏振和强度，并且各自被映射到衬底12的对应体素。注意，LCSLM像素与写入光束(即，体素)的映射不一定是1:1映射，但可以是2:1、4:1或10:1以及其他合适的映射。在一些示例中，实际上可实现的写入光束的数目大约是LCSLM上像素数量的四分之一。

在写入头20B中，LCSLM 86B和PM 30各自可操作地耦合到编码器18。对于LCLSM，编码器提供数字地限定全息投影的电子信号；对于PM，编码器提供电子信号，电子信号限定了应用于全息投影偏振态的可变旋转。

在一些实施方式中，LCSLM 86B的像素位置阵列可以被分组为多个非重叠或边缘重叠的全息区域，全息区域被顺序地暴露于激光器26的波前。每个全息区域可以是任何期望形状的二维区域——例如，矩形、楔形、环形等。因此，LCSLM 86B可以被机械地耦合到扫描台，该扫描台被配置为改变LCSLM相对于激光器的相对定位。以此方式，LCSLM的全息区域的每个全系区域可以按顺序被辐照。扫描台可以平移和/或旋转，并且针对每次LCSLM被寻址时都可以前进多次(4、9、16次等)。该方法将LCSLM的时间带宽有效地增加到超过其最大刷新率。然而，在一些示例中，激光器、LCSLM、PM和衬底可以被固定就位。在其中数据被写入到衬底12的多个深度层的示例中，可调目标聚焦系统32被配置为将来自LCSLM的写入光束的辐照聚焦到衬底的任何所选择深度层。

在上述配置中，LCSLM 86B被主要用于将激光波前划分为所需数量的子光束，而PM30基于要被写入的数据来设置远场偏振的旋转。在其他示例中，单个LCSLM被用于控制相位和偏振两者，直至像素级。该操作在适当配置的LCSLM的能力范围内，并且由图9的写入头20C来制定。

图9的LCSLM 86C的像素元素阵列被配置为通过不同的量来调制波前的不同部分的相位和偏振，并且将来自不同部分的光衍射到具有可写光学属性的衬底。具体地，LCSLM被配置为将波前的不同部分调制为不同的近场偏振并且将光以不同的远场偏振成像到衬底体素阵列。为此，编码器逻辑被配置为接收数据并且控制相位和偏振的调制，使得从成像光学器件所衍射的光将数据写入衬底。这样的数据可以包括由从成像光学器件衍射的光同时写入的不等价的第一和第二数据值。两个不同参数的控制可以独立地或相关地实现。

从概念上讲，控制相位和偏振两者的更直接的模式是独立地控制每个参数。这可以经由LCSLM来实现，其中各种像素元素可寻址来调制相位，并且可独立寻址以调制偏振。换言之，LCSLM被配置为在向列引导器中提供两个独立的自由度。一个方向中的旋转影响相位和另一偏振。实际上，LCSLM 86C的像素配置可以使每个像素能够独立地调制针对X和Y偏振分量的波前相位。因此，如果传入的波前是平面偏振的，则所修改的LCSLM可以独立地可变旋转以及可变地延迟波前的每个部分，波前的每个部分可由施加到独立可寻址电极的电压V_ij和U_ij来控制。

相位和偏振的相关控制是另一有用数据写入模式的基础。此外，相关控制可以使用每个像素仅提供一个景深的LCSLM来实现。为此，LCSLM 86C可以被编程为同时投影两个不同但相互关联的全息图：一个表示针对水平偏振的相位延迟，另一个表示针对垂直偏振的相位延迟。

简要地返回图1A，光学数据记录系统10A的读取头90被配置为根据由读取控制器92提供的参数来读取已经存储在衬底12A上的数据。读取的数据然后被传递到解码器94，解码器94对数据进行解码并且将数据输出到读取缓冲器96，来自读取缓冲器96的输出流98可用。

图10示出了示例读取头90的方面。读取头包括偏振光学探头100和分析仪相机102。偏振光学探头可以包括低功率二极管激光器或者其他偏振光源。读取控制器92被可操作地耦合到偏振光学探头并且被配置为控制偏振光学探头的发射的偏振平面的角度。

分析仪相机102可以包括高分辨率/高帧率CMOS或其他合适的光电探测器阵列。分析仪相机被配置为在来自偏振光学探头100的光与衬底12A的体素相互作用之后成像。在其他示例中，一个或多个分立的光电二极管或其他检测器可以被用来代替分析仪相机。虽然图10示出了偏振光线通过介质并且到达相机的传输，在备选配置中，光线可以通过来自介质的反射而到达相机。

由分析仪相机102获取的每个图像帧可以包括同时或快速连续捕获的多个分量图像。分析仪相机可以在分量图像的对应像素阵列中分辨不同偏振平面中的局部强度。为此，分析仪相机可以包括例如液晶延迟器或普克尔斯盒(Pockels cell)形式的可切换或可调谐偏振控制。在一个特定示例中，随着偏振光学探头100通过四个不同的偏振角被旋转，分析仪相机依次获取衬底12的每个目标部分的四个图像。该过程类似于测量多维向量的基向量，其中此处“向量”捕获成像目标部分的体素的双折射属性。在一些示例中，还获取背景图像，背景图像捕获分量图像中与样本无关的偏振噪声的分布。

在从衬底12的多个层读取数据的示例中，读取头90可以包括可调节的收集聚焦系统104。可调节的收集聚焦系统可以收集从光学存储介质的所选择的深度层衍射的光线并且拒绝其他光线。在其他实施方式中，可以采用基于干涉测量的无透镜成像。在其他实施方式中，读取头和衬底之间的距离可以变化，以选择衬底由分析仪相机或其他检测器所成像的深度层。

在图10中，数据解码器94被配置为从分析仪相机102接收分量图像并且制定对检索衬底12中所存储的数据所必需的图像处理。这样的数据可以根据机器学习方法和/或规范方法来被解码，其中可观察的物理属性通过一个或多个中间体而被连接到从衬底读取的数据。

前面的描述和附图不应被认为是限制性的，因为也可以预期许多变化、扩展和省略。例如，虽然图5图示了其中方位角变化但脉冲串振幅在一系列体素上保持恒定的数据记录场景，但是该方面不是绝对必要的。在其他示例中，脉冲串振幅可以被调制为高于阈值振幅，例如，用于实现本文所公开的体素准备效应的最小振幅。该方法可以实现编码方案，其中呈现相同方位角的波片由波片的相对强度来区分，以延长针对每个写入符号的可用比特序列。

尽管以上的描述指示相干光脉冲串的聚焦轨迹34可以以恒定的相对速度移动通过衬底12，但是在其他示例中，控制写入头、写入光束和/或衬底的运动的机制可以被控制为在写入过程期间改变相对速度。例如，轨迹可以在特定体积的衬底之上暂停，以促进在其中写入数据。

尽管以上的描述指示为了在符号空间中生成固定的多个方位角，相干光脉冲串可以被调制到对应的固定的多个偏振态。然而，在一些示例中，动态均衡和预失真可以被应用于所生成的偏振态，使得在实践中采用连续范围的偏振态。在以非常高的密度写入体素的情况下，该方法可以实现双折射从一个体素到另一体素的最佳过渡。

此外，虽然图8和图9图示了使用LCSLM技术的并行数据写入，但也考虑许多其他并行写入方法。例如，这些方法包括经由数字微镜阵列和其他MEMS阵列结构、固定相位板和分束器来进行空间光调制。

在一些实施例中，本文所描述的方法和过程可以被绑定到一个或多个计算设备的计算机系统。具体地，这样的方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用程序编程接口(API)、库和/或其他计算机程序产品。

图11示意性地示出了可以执行上述一个或多个方法和过程的计算机系统106的非限制性实施例。计算机系统106以简化形式示出。计算机系统106可以采用一个或多个台式或服务器计算机和/或专用电子控制器的形式。编码器18、控制器22和92以及解码器94是计算机系统106的示例。

计算机系统106包括逻辑处理器108、易失性存储器112和非易失性存储设备110。计算机系统106可以可选地包括显示子系统114、输入子系统116、通信子系统118和/或图10中未示出的其他组件。

逻辑处理器108包括被配置为执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑处理器可以被配置为执行作为一个或多个应用、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分的指令。这样的指令可以被实现来执行任务、实现数据类型、转换一个或多个组件的状态、实现技术效果或以其他方式达到期望的结果。

逻辑处理器可以包括被配置为执行软件指令的一个或多个物理处理器(硬件)。附加地或备选地，逻辑处理器可以包括一个或多个硬件逻辑电路或固件设备，硬件逻辑电路或固件设备被配置为执行硬件实现的逻辑或固件指令。逻辑处理器108的处理器可以是单核或多核，并且在其上执行的指令可以被配置用于顺序、并行和/或分布式处理。逻辑处理器的单独组件可选地可以分布在两个或更多个单独的设备中，这些设备可以被远程定位和/或被配置用于协调处理。逻辑处理器的各方面可以被云计算配置中配置的远程访问的联网计算设备虚拟化并执行。在这种情况下，将理解，这些虚拟化方面在各种不同机器的不同物理逻辑处理器上运行。

非易失性存储设备110包括一个或多个物理设备，一个或多个物理设备被配置为保持可由逻辑处理器执行来实现本文描述的方法和过程的指令。当这样的方法和过程被实现时，非易失性存储设备110的状态可以被变换，例如，以保持不同的数据。

非易失性存储设备110可以包括可移除和/或内置的物理设备。非易失性存储设备110可以包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光光盘等)、半导体存储器(例如，ROM、EPROM、EEPROM、闪存等)和/或磁存储器(例如，硬盘驱动装置、软盘驱动装置、磁带驱动装置、MRAM等)或其他大容量存储设备技术。非易失性存储设备110可以包括非易失性、动态、静态、读/写、只读、顺序访问、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址的设备。应当理解，非易失性存储设备110被配置为即使在非易失性存储设备110的电源被切断时也保持指令。

易失性存储器112可以包括包含随机存取存储器的物理设备。易失性存储器112通常由逻辑处理器108用来在处理软件指令期间临时存储信息。应当理解，当易失性存储器112断电时，易失性存储器112通常不会继续存储指令。

逻辑处理器108、易失性存储器112和非易失性存储设备110的各方面可以被一起集成到一个或多个硬件逻辑组件中。这样的硬件逻辑组件可以包括例如现场可编程门阵列(FPGA)、程序和专用集成电路(PASIC/ASIC)、程序和专用标准产品(PSSP/ASSP)、片上系统(SOC)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。

当被包括时，显示子系统114可以被用于呈现由非易失性存储设备110保持的数据的视觉表示。视觉表示可以采用图形用户界面(GUI)的形式。由于本文描述的方法和过程改变了非易失性存储设备所保持的数据，并因此变换了非易失性存储设备的状态，显示子系统114的状态同样可以被变换为在视觉上表示底层数据的变化。显示子系统114可以包括使用几乎任何类型的技术的一个或多个显示设备。这样的显示设备可以与逻辑处理器108、易失性存储器112和/或非易失性存储设备110组合在共享外壳中，或者这样的显示设备可以是外围显示设备。

在被包括时，输入子系统116可以包括一个或多个用户输入设备，诸如键盘、鼠标、触摸屏等，或者与一个或多个用户输入设备对接。当被包括时，通信子系统118可以被配置为将本文中描述的各种计算设备通信地耦合并且与其他设备通信地耦合。通信子系统118可以包括与一个或多个不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统可以被配置用于经由无线电话网络、或者有线或无线局域网或广域网(诸如，提供Wi-Fi连接的HDMI)进行通信。在一些实施例中，通信子系统可以允许计算机系统106经由诸如互联网的网络向和/或从其他设备发送和/或接收消息。

总而言之，本公开的一个方面涉及在固体衬底中记录数据的方法。方法包括：调制相干光脉冲串的偏振角；以在偏振角正在被调制的同时，将相干光脉冲串聚焦在以相对速度移动通过固体衬底的轨迹上，其中相对速度、轨迹在相对速度方向上的宽度和偏振角的调制速率使得衬底在轨迹宽度内接收光脉冲串的两个或更多个脉冲，两个或更多个脉冲偏振角不同，并且其中两个或更多个脉冲在轨迹宽度内的衬底的不同部分中记录两个或更多个不同的符号。

在一些实施方式中，两个或更多个脉冲在固体衬底的全等体积行的第一体积内被接收；此处，方法还包括保持相干光脉冲串的振幅，并且当轨迹从行的第一体积移动到第二体积时，继续调制偏振角。在一些实施方式中，两个或更多个脉冲的接收在轨迹宽度内形成两个或更多个体素，并且两个或更多个体素中的每个体素呈现不同双折射以探测光。在一些实施方式中，两个或更多个脉冲包括：一个或多个早脉冲和一个或多个晚脉冲，一个或多个晚脉冲比一个或多个早脉冲中的任一个早脉冲更晚被接收，并且一个或多个晚脉冲的接收设置了体素中的至少一个体素的双折射。在一些实施方式中，由一个或多个晚脉冲的接收来设置的双折射方位角由一个或多个晚脉冲的偏振角来确定。在一些实施方式中，一个或多个早脉冲的接收将体素中的至少一个体素的双折射的延迟幅度增加由一个或多个晚脉冲的接收所设置的方位角。在一些实施方式中，一个或多个早脉冲的偏振角被改变，使得在两个或更多个体素之外但在轨迹宽度内的延迟幅度保持低于符号编码阈值。在一些实施方式中，调制偏振角包括通过一系列预选角度来同步地旋转相干光脉冲串的电场矢量的振荡平面。在一些实施方式中，相干光脉冲串包括一系列光脉冲，每个光脉冲的持续时间为10皮秒或更短。

本公开的另一方面涉及固体衬底，固体衬底包括：通过偏振成像可探测的至少一系列相邻体素体积，至少一系列包括连续的第一和第二双折射体素体积，其中第一体素体积的双折射对第一写入符号进行编码，并且第二体素体积的双折射对第二写入符号进行编码。

在一些实施方式中，第一写入符号不同于第二写入符号。在一些实施方式中，第一体素体积的双折射与第二体素体积的双折射在方位角上不同。在一些实施方式中，衬底包括二氧化硅玻璃。

本公开的另一方面涉及数据记录系统，数据记录系统包括：调制系统，被配置为调制被聚焦在轨迹上的相干光脉冲串的偏振角；固体衬底，被布置为在轨迹处接收相干光脉冲串；致动器，被配置为在偏振角正在被调制的同时，以相对速度改变轨迹与固体衬底的相对位置；以及编码器。编码器被配置为控制偏振角的相对速度和调制率，使得衬底在轨迹的宽度内接收光脉冲串的两个或更多个脉冲，该两个或更多个脉冲偏振角不同并且对两个或更多个不同符号进行编码。

在一些实施方式中，两个或更多个脉冲在固体衬底的一系列连续、全等体积的第一体积内被接收，并且编码器被配置为当轨迹从系列的第一体积移动到第二体积，保持相干光脉冲串的振幅。在一些实施方式中，两个或更多个脉冲的接收在轨迹的宽度内形成两个或更多个体素，并且两个或更多个体素中的每个体素呈现不同双折射以探测光。在一些实施方式中，两个或更多个脉冲包括一个或多个早脉冲和一个或多个晚脉冲，该一个或多个晚脉冲比一个或多个早脉冲更晚被接收，一个或多个晚脉冲的接收设置了体素中的至少一个体素的双折射，并且通由一个或多个晚脉冲的接收来设置的方位角由一个或多个晚脉冲的偏振角来确定。在一些实施方式中，一个或多个早脉冲的接收将体素中的至少一个体素的双折射的延迟幅度增加由一个或多个晚脉冲的接收所设置的方位角。在一些实施方式中，数据记录系统还包括激光器，激光器被配置为发射相干光脉冲串，并且调制系统包括偏振调制器和空间光调制器中的一个或多个。在一些实施方式中，致动器被配置为相对于轨迹移动固体衬底。

应当理解，本文中描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些具体示例不被视为限制性的，因为许多变化是可能的。本文中描述的特定例程或方法可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个处理策略。因此，所示和/或所描述的各种动作可以按照所图示和/或所描述的序列、以其他序列、并行或省略来执行。同样，上述过程的顺序可以改变。

本公开的主题包括本文所公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或属性的所有新颖和非明显的组合和子组合，以及任何及其所有等同物。

Claims (16)

1.一种在固体衬底中记录数据的方法，所述方法包括：

调制相干光脉冲串的偏振角；以及在所述偏振角正被调制的同时，将所述相干光脉冲串聚焦在以相对速度移动通过所述固体衬底的轨迹上，其中所述轨迹指代所述相干光脉冲串利用足够的能量被聚焦以修改所述固体衬底的双折射的空间区域，

其中所述相对速度、所述轨迹在所述相对速度方向上的宽度和所述偏振角的调制率使得所述衬底在所述轨迹的所述宽度内接收所述相干光脉冲串的两个或更多个脉冲，所述两个或更多个脉冲偏振角不同，并且

其中所述两个或更多个脉冲在所述轨迹的所述宽度内的所述衬底的不同部分中记录两个或更多个不同的符号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个脉冲在所述固体衬底的全等体积行的第一体积内被接收，并且其中所述方法还包括：保持所述相干光脉冲串的振幅，并且当所述轨迹从所述行的所述第一体积移动到第二体积时，继续调制所述偏振角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述两个或更多个脉冲的接收在所述轨迹的所述宽度内形成两个或更多个体素，并且其中所述两个或更多个体素中的每个体素呈现不同的双折射以探测光。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述两个或更多个脉冲包括：一个或多个早脉冲和一个或多个晚脉冲，所述一个或多个晚脉冲比所述一个或多个早脉冲中的任一个早脉冲更晚被接收，并且其中所述一个或多个晚脉冲的接收设置所述体素中的至少一个体素的所述双折射。

5.根据权利要求4所述的方法，其中由所述一个或多个晚脉冲的接收所设置的所述双折射的方位角由所述一个或多个晚脉冲的所述偏振角来确定。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个早脉冲的接收将所述体素中的所述至少一个体素的所述双折射的延迟幅度增加由所述一个或多个晚脉冲的接收所设置的方位角。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个早脉冲的所述偏振角被改变，使得在所述两个或更多个体素之外但在所述轨迹的所述宽度内的延迟幅度保持低于符号编码阈值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中调制所述偏振角包括：通过一系列预选角度来同步地旋转所述相干光脉冲串的电场矢量的振荡平面。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述相干光脉冲串包括一系列光脉冲，所述一系列光脉冲各自具有10皮秒或更短的持续时间。

10.一种数据记录系统，包括：

调制系统，被配置为调制被聚焦在轨迹上的相干光脉冲串的偏振角；

固体衬底，被布置用于在所述轨迹处接收所述相干光脉冲串，其中所述轨迹指代所述相干光脉冲串利用足够的能量被聚焦以修改所述固体衬底的双折射的空间区域；

致动器，被配置为在所述偏振角正被调制的同时，以相对速度改变所述轨迹到所述固体衬底的相对位置；以及

编码器，被配置为控制所述偏振角的所述相对速度和调制率，使得所述衬底在所述轨迹的宽度内接收所述相干光脉冲串的两个或更多个脉冲，所述两个或更多个脉冲偏振角不同并且对两个或更多个不同符号进行编码。

11.根据权利要求10所述的数据记录系统，其中所述两个或更多个脉冲在所述固体衬底的一系列连续全等体积的第一体积内被接收，并且其中所述编码器被配置为：当所述轨迹从所述系列的第一体积移动到第二体积时，保持所述相干光脉冲串的振幅。

12.根据权利要求10所述的数据记录系统，其中所述两个或更多个脉冲的接收在所述轨迹的所述宽度内形成两个或更多个体素，并且其中所述两个或更多个体素中的每个体素呈现不同的双折射以探测光。

13.根据权利要求12所述的数据记录系统，其中所述两个或更多个脉冲包括一个或多个早脉冲和一个或多个晚脉冲，所述一个或多个晚脉冲比所述一个或多个早脉冲更晚被接收，其中所述一个或多个晚脉冲的接收设置所述体素中的至少一个体素的所述双折射的方位角，并且其中由所述一个或多个晚脉冲的接收所设置的所述方位角由所述一个或多个晚脉冲的所述偏振角来确定。

14.根据权利要求13所述的数据记录系统，其中所述一个或多个早脉冲的接收将所述体素中的所述至少一个体素的所述双折射的延迟幅度增加由所述一个或多个晚脉冲的接收所设置的方位角。

15.根据权利要求10所述的数据记录系统，还包括被配置为发射所述相干光脉冲串的激光器，其中所述调制系统包括偏振调制器和空间光调制器中的一个或多个。

16.根据权利要求10所述的数据记录系统，其中所述致动器被配置为相对所述轨迹来移动所述固体衬底。

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