CN1601628A - 均匀读出叠层光波导三维数据存储器及其数据记录方法 - Google Patents

Abstract

均匀读出叠层光波导三维数据存储器是一种光存储器件及其数据记录方法，该数据存储器的结构为：在信息层上覆盖一层包层组成一个光学结构薄膜单元，然后上下重叠放置信息层和包层组成的光学结构薄膜单元，由于信息层的折射率大于包层的折射率，这样信息层及与其相邻的两层包层就组成一个完整的波导结构；在信息层的表面设有深度不同的信息符，信息符的深度随着寻址光传播方向逐渐加深，由此组合成均匀读出叠层光波导三维数据存储器。记录方法采用模压的方法，利用模具直接在信息层表面压制深度不同的凹槽，再在凹槽中填注聚合物材料制成信息符，从而形成波导缺陷，每一个信息符代表一位数据位；信息层制作好了之后，再选择粘合剂作为包层的材料，然后层层叠放、粘贴压合。

Description

均匀读出叠层光波导三维数据存储器及其数据记录方法

                       技术领域

本发明是一种光存储器件及其数据记录方法，属于光信息存储技术领域。

                       背景技术

叠层光波导三维数据存储器及其数据记录和读取方法是一种光信息存储技术，具体涉及利用多层平面光波导结构实现数据信息的三维记录和读取的方法，叠层波导存储器由多片平面光学波导叠合而成，每片波导又由记录层、芯层和包层组成，波导的记录层是光敏介质，作为记录层用于存储数据：芯层是非光敏介质，作为选址层，用于传导寻址光束：包层也是非光敏介质，作为隔离层抑制数据记录和读出时的层间串扰，记录层、芯层、衬底的折射率分别为n₁、n₂、n₃且满足n₁～n₂＞n₃。无论是单光束还是双光束记录，都是通过激光照射改变记录层各处的物理性质(如折射率变化)，造成很多微小的波导缺陷，从而记录上“0”或“1”的信号。读取时通过侧面耦合的方式将寻址光耦合到各个芯层中，再用光电探测器收集波导缺陷发出的散射光读取数据。寻址光耦合到哪一层波导的芯层中，哪一层波导记录层中的信息就被读出，从而使得多层数据能够分别被读出。

但该存储器目前尚有一些缺陷：

首先，该存储器的读出方法利用的是波导缺陷的光散射效应，由于波导表面散射光光强沿着寻址光束在芯层中的传播方向呈指数衰减，这就使得寻址光刚耦合进波导处的波导缺陷发出的散射光光强比波导末端处的散射光光强要强很多。由于散射光本身是比较弱的，那么经过指数衰减后的波导末端处发出的散射光就不容易被光电探测器探测到。不仅如此，散射光光强的不均匀性对光电探测器的灵敏度提出了较高的要求，它要求光电探测器不仅能够探测出波导前端较强的散射光，还要能够探测出波导末端较弱的散射光。而且，由于存在着杂散光(波导本身不平整或其杂质所产生的散射光)，如果波导末端光强较弱的话，光电探测器灵敏度需要提高的同时，整个系统的信噪比也是较低的，这对存储器的性能将有较大影响。

其次，该存储器的数据记录方法采用的是通过强激光照射在记录层中形成波导缺陷，从而记录下数据。作为前提条件，这种记录层材料在强激光照射下要发生物理性质的改变，须采用光敏介质甚至非线性材料，并且材料的折射率、透明度、硬度也要适宜才行，因此记录层材料的可选余地较小。如果采用单光束记录方法，记录层采用微晶复合材料(如LiNbO₃/PMMA或SBN/PMMA)的话，通过激光束加热析出的纳米微晶的粒径与分布不易控制。还有人提出用微泡复合材料(如重氮盐/热塑性聚合物)，它的记录机理是：重氮盐曝光时分解出氮气，聚合物加热变软后氮气膨胀形成微气泡作为光散射介质。它的缺点与微晶复合材料类似，微泡的大小与分布不易精确控制。不仅如此，所记录的信息不易长久保存，微晶和微泡材料放置时间久了会变形，影响信息的正确读取。如果采用双光束记录方法，不可避免地存在数据擦除效应(即读出光会对原有记录信息产生影响)。这些因素都会影响整个存储器件的寿命。

再次，该存储器能量利用不够合理。寻址光从侧面耦合进波导后，有时在还没有传到波导末端处时其光强就已经衰减至接近于零，这时波导末端处的数据就不能被读出。而又有时寻址光能量大部分从波导末端处传出，而不是被信息符散射出去，这样能源的利用效率不高，发出的散射光很弱。

背景技术文件为：

(1)Z.C.Liang，T.Yang，H.Ming，J.P.Xie，A novel 3D multilayered waveguidememory.Proc.SPIE，4930，134(2002)。

(2)梁忠诚，谭锡林，杨涛，叠层光波导三维数据存储器及单光束记录和读取方法，发明专利，公开号：CN1412753A(2003)。

(3)梁忠诚，谢勇，叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法，发明专利，公开号：CN1404041A(2003)。

                      发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种能够使得信息读出光，即波导缺陷发出的散射光在整个波导表面均匀的，且散射光强大小得到优化的叠层光波导三维数据存储器及其数据记录方法。

技术方案：均匀读出叠层光波导三维数据存储器是由多个光学薄膜结构单元层层叠合而成，薄膜结构单元分为两层，分别称为信息层和包层，信息层和包层都采用聚合物透明材料，信息层的折射率n₁要大于包层的折射率n₂。这样层层叠合后，任一结构单元中的信息层夹在了两层包层的中间，这三层就组成了一个完整的波导结构。在信息层的表面设有深度不同的信息符，信息符的深度随着寻址光传播方向逐渐加深。这就是均匀读出叠层光波导三维数据存储器的基本结构。

均匀读出叠层光波导三维数据存储器的数据记录方法采用模压的方法，利用模具直接在信息层表面压制深度不同的凹槽，再在凹槽中填注聚合物材料制成信息符，从而形成波导缺陷，每一个信息符代表一位数据位：信息层制作好了之后，再覆盖上一层包层，然后将多个这样的薄膜结构单元层层叠放、粘贴压合。

信息层和包层的作用分别是：信息层用于传导寻址光束和记录数据：包层用于限光和隔离，抑制层间串扰。数据记录采用模压的方法先制出金属模具，它带有无数个高度按一定规律变化的微小凸起，高度的变化是为了使存储器被读出时发出的散射光均匀。加热金属模具，把模具上的微小凸起前端制成尖状，利用模具直接在信息层表面压制深度不同的凹槽，再在凹槽中填注信息符材料，该材料透明，但其折射率不同于信息层的折射率。信息层制作好了之后，再用涂布的方法在信息层表面涂上一层包层，或直接采用折射率适当的粘合剂材料本身作为包层。然后层层叠放、粘合压制、切割成型，从而制出器件。信息的读取原理包括利用波导对光的空间约束作用实现层选址和利用波导缺陷的光散射效应读出数据。要读取哪一层的数据就将光束从侧面耦合进入哪一信息层的波导中，寻址光被限制在该层波导内传播，但在信息符处产生散射。沿垂直于波导平面的方向观察，数据是以发光点的形式以较大的反衬度在暗背景中显示，可以用光电探测器通过光学成像系统收集这些信息符发出的散射光使其转为电信号，即有散射光为信号“1”，无散射光为信号“0”。因为不同位置处的信息符深度是通过计算优化设计好的，所以同一信息层上的信息符发出的散射光光强较强且大小相同。下面通过一个数学模型分析信息符深度随着寻址光在波导中的传播方向如何变化才能保证波导表面散射光强均匀且较强。由于寻址光每次只耦合到其中一层信息层波导中，所以只要研究单层波导即可，建立如图3所示的模型。图中矩形波导的长度为L，宽度为w，高度为h(h＜＜w)，在波导的上表面有很多信息符，这个矩形波导相当于存储器的其中一层信息层。光从侧面均匀地入射到面积为S＝w·h的波导侧面内。建立如图3所示的坐标系，设z＝0处的传导光强为I₀，功率为P₀。如果各个信息符的深度相同、分布均匀，则衰减系数k不变，根据光在波导中的衰减规律，传导光将沿着光波前进的方向按指数规律衰减，即

I＝I₀·e^-kz

其中k为衰减系数，I为沿Z轴某一截面传导光的光强。

为了满足整个波导表面的散射光强的均匀性，那么各处的衰减系数要沿着光波前进方向而变化。这时，在z方向上任取一段很短的距离Δz(Δz＜＜L)，假设在w×Δz微小范围内表面散射光强及衰减系数都是均匀不变的，则在Δz两端传导光强的变化为：

ΔI_z＝I_z-I_ze^-kΔz＝I_z(1-e^-kΔz)

其中I_z为这一小段波导的入射传导光强，k为该段波导的衰减系数。

传导光经过这一小段波导所损失的光功率为ΔI_z·S。如果不考虑波导吸收，那么这些损失的光功率将完全被散射出去。而由于波导正反两面都有散射光漏出，所以从波导上表面漏出的光功率为μΔI_z·S，其中μ为上表面漏光系数。这些光功率不是在w×Δz的所有范围内散射出来，它只在信息符所在的面积内散射出来。

则该段波导的上表面散射光强为：

I_sz＝ΔI_z·μSI(awΔz)＝I_z(1-e^-kΔz)·μwhI(awΔz)

其中a为有效面积系数，即信息符所在面积与波导上表面总面积的比例。

设紧靠着这段波导的下一段长度为Δz波导的衰减系数为k+Δk，则下一段Δz两端传导光强的变化为：

ΔI_(z+Δz)＝I_ze^-kΔz(1-e^-(k+Δk)Δz)

此处波导的上表面散射光强为：

I_s(z+Δz)＝I_ze^-kΔz(1-e^-(k+Δk)Δz)·μwhI(awΔz)

因为在整个波导表面散射光都是均匀的，所以I_sz＝I_s(z+Δz)，由上面两个式子可得

2e^-kΔz-e^{-(2kΔz+ΔkΔz)}＝1对上式级数展开，忽略二阶以上高阶小量，则2[1-kΔz+(kΔz)²/2！]-[1-2kΔz-ΔkΔz+Δz²(2k+Δk)²/2！]＝1即，(kΔz)²+ΔkΔz-Δz²(2k+Δk)²/2＝0方程两边同除以Δz²，则k²+Δk/Δz-(2k+Δk)²/2＝0在Δk、Δz都足够小的情况下，上式可化为

$\frac{\mathrm{dk}}{\mathrm{dz}}=k^2$

解此微分方程，考虑到z＝0时，k＝k₀，可得k和z的关系式为：

$k=\frac{k_0}{1-k_{0}z}$

它们的关系图如图4所示。

可以看出，在z＝1/k₀点处，k的值为无穷大，此处波导中的传导光能量全部被耗散，该点后的波导中已没有光传播。所以只有当波导长度L在0＜L＜1/k₀的范围内，整个波导表面的散射光强才有可能均匀：如果波导长度大于1/k₀，即使衰减系数随着z的变化而变化也不能保证整个波导表面散射光强的均匀性。在保证均匀性的情况下波导表面的散射光强大小由k₀决定，要使光电探测器收集到的散射光强尽可能的大，k₀应越大越好：但要使整个波导表面的散射光均匀，k₀的值又不能很大。因此k₀最好取在接近于1/L的某个值(考虑到k的变化幅度太大工艺上难以实现)。

由于衰减系数与信息符的分布密度、波导厚度及信息符的深度有关。而信息符的分布密度从统计平均的角度考虑是各处相等的。波导的厚度的变化也是不太容易实现的。所以只有通过改变各处信息符的深度来改变各处衰减系数的大小。可以通过这种方法实现整个波导表面散射光强的均匀性。

有益效果：信息符发出的散射光在波导存储器表面是均匀的，光电探测器不需要很高的灵敏度，系统的信噪比更大。结构较原先简化，记录方法更容易实现，器件材料的选择余地更大。此外，信息符的大小、分布可以精密控制，且不易变形，数据存放的时间更长。模压方法的采用有利于大规模生产，进一步降低系统成本。而且通过对波导散射理论的研究，可计算出合适的信息符深度，使得光能量大部分从波导缺陷处散射出，而非从波导末端传输出，这样可以提高能源的利用效率。

                          附图说明

图1是均匀读出叠层光波导三维数据存储器截面示意图。其中有入射光1，光电探测器2，信息符3，信息层4，包层5。

图2是制作信息符流程示意图。其中有信息符3，信息层4，凹槽6，模板7。

图3是单层波导数学模型示意图。

图4是散射光均匀情况下衰减系数k和光传播距离z的关系图。

图5是测量衰减系数实验装置示意图。其中有激光器8，凸透镜9，狭缝10，矩形孔11，物镜12，光功率计13，散射光14，波导样品15，挡板16，标尺17。

图6是线性拟合光功率对数lnP₁和光传播距离z的示意图。

                      具体实施方式

本发明的均匀读出叠层光波导三维数据存储器的结构为：在信息层4上覆盖一层包层5组成一个光学结构薄膜单元，然后上下重叠放置信息层4和包层5组成的光学结构薄膜单元，这样信息层4及与其相邻的两层包层5就组成一个完整的波导结构：在信息层4的表面设有深度不同的信息符3，信息符3的深度随着寻址光传播方向逐渐加深，由此组合成均匀读出叠层光波导三维数据存储器。信息层4、包层5和信息符3都采用聚合物透明材料，信息层4的折射率n₁大于包层5的折射率n₂，信息符3的折射率n_D不同于信息层4的折射率n₁。

下面提供一个实施本发明的例子。按如图1所示的截面图设计均匀读出叠层光波导三维数据存储器的基本结构。数据记录方法采用模压的方法，如图2所示。利用模具在信息层4表面压制深度不同的凹槽6，再在凹槽6中填注聚合物材料制成信息符3，从而形成波导缺陷，每一个信息符3代表一位数据位：信息层制作好了之后，再覆盖一层包层5，然后层层叠放、粘贴压合。存储器的信息层材料采用PC(聚碳酸脂)，而包层材料采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)。它们的长、宽都是5cm和1.5cm，厚度分别为80μm和10μm。信息符材料采用与包层材料相同，即也是PMMA。下面分析在在不同位置处信息符深度应该设计为多少。

因为寻址光每次寻址只入射到其中一层波导内，所以只研究单层波导。根据前面的推导，因为波导长度为5cm，所以寻址光入射处波导的衰减系数可设计为接近于0.2cm^-1，如0.18cm^-1，这样可有最大散射光能量被探测器接收。由式

$k=\frac{k_0}{1-k_{0}z}$

得到不同位置处衰减系数k的值。那么衰减系数与该位置处信息符深度的关系是什么呢？

我们首先制作很多和以上所要研究的波导材料、大小都相同，但信息符深度各不相同的波导样品。每一个样品上信息符的深度都不随长度方向变化。信息符分布密度相同，是存储器单层上信息符的平均密度。

设计如图5所示的实验装置。光源是650nm半导体激光器，为商用线准直激光组件(常州莱塞光电技术有限公司)。组件出射的光束呈扇形平面，通过一凸透镜准直会聚后，再经过一个1.5cm宽的狭缝，耦合入固定于平移调节台上的样品中。光电探测器件采用的是美国加州进口的MODEL-460-1A型光功率计(最小量程为10^-8W)。在光功率计的探头下方有一块挡板，挡板被挖了一个1×0.2cm²的矩形孔。将挡板紧靠在样品上，被挖孔的长边对着光传输的方向。孔中漏出的散射光通过一个透镜射到光功率计的探头中。对照平移调节台上的标尺，沿着光的传输方向移动挡板。记下各个位置处光功率计显示的数值。然后将所得的数据输入电脑，用Origin软件进行拟合和分析，如图6所示。

由前面的推导可知，波导上表面距入射截面z处Δz微小长度范围内的散射光功率为：

ΔP_s＝μΔI_z·S＝I_z(1-e^-kΔz)·μwh＝μkwhI₀e^-kz·Δz＝μkP₀e^-kz·Δz

写成微分形式，即

dP_s＝μk_s whI₀e^-kzdz＝μk_sP₀e^-kzdz

设波导上表面矩形孔的其中一条长边对应于标尺上的z处，另一条长边对应于标尺上的(z+d)位置处，其中d为孔的宽度，d很小。则从孔中漏出的散射光功率为：

$P_k={\∫}_z^{z+d}{\mathrm{dP}}_s={\∫}_z^{z+d}{\mathrm{\μk}}_s{P}_0{e}^{-\mathrm{kz}}\mathrm{dz}=\frac{\mathrm{\μ}{k}_s{P}_0}{k}(e^{-\mathrm{kz}}-e^{-k(z+d)})$

$=\frac{\mathrm{\μ}{k}_s{P}_0}{k}{e}^{-\mathrm{kz}}(1-e^{-\mathrm{kd}})\≈\frac{{\mathrm{\μk}}_s{P}_0}{k}{e}^{-\mathrm{kz}}[1-(1-\mathrm{kd})]={\mathrm{\μk}}_s{P}_{0}d{e}^{-\mathrm{kz}}$

而真正被探测器接收到的只是在一定立体角度内的散射光功率

P_i＝aP_k＝adμk_sP₀e^-kz

其中a是比例系数，且a＜0。

可见，在孔的宽度不大的情况下，从光功率计接收到的光功率与传导光强遵循相同的指数衰减规律，且衰减系数相同。

对上式两边取对数，则

lnP₁＝-kz+ln(adμk_sP₀)

由此可见，如果通过线性拟合作出z和lnP₁的直线，就可以根据直线斜率从实验中得出这个波导所用信息符深度所对应的衰减系数k的值。

用不同的样品分别进行实验就可以得到不同信息符深度所对应的衰减系数值，然后再进行一次拟合。再根据前面所算出的不同位置处衰减系数值，得出信息符深度在不同位置处的值，从而保证信息层波导表面散射光强的均匀性。

信息层制作好了之后与包层叠合，压制成形即可制成器件。器件所能叠合的最大层数由散射光强的大小，波导厚度，探测器的灵敏度以及材料本身性质决定。

器件制作好了之后，用半导体激光器作为光源发出寻址光，通过移动激光器和存储器件的垂直相对位置，从侧面进行寻址，寻址光耦合到各个信息层中，相应信息层中的信息符就会发出散射光，由于信息符深度随着寻址光传播方向变化，所以整个波导表面的散射光强能均匀分布。数据读取根据光电探测器的不同可采用串行读取或并行读取。如采用光电倍增管或雪崩二极管，可用串行读取的方法。先进行寻道，通过移动探测器和存储器的水平相对位置将光电探测器前物镜的焦点会聚到寻址光所照射的信息层表面的某一位置。如果该位置有信息符，则散射出来的光束由雪崩二极管或光电倍增管接收并转化成电信号，因为该层其它信息符发出的散射光不会被物镜聚焦到探测器，通过分析散射光的有无就能够识别这个位置处有无信息符，然后移动探测器和存储器的水平相对位置使该信息层其它位置处的信息符被读出，最后再对所获得的信息进行编码等处理。如果采用CCD，可用并行读取的方法，通过光学成像系统将信息符的发光点成像于CCD阵列获取信息，这样可以同时对多个信息符进行读取。

Claims (3)

1、一种均匀读出叠层光波导三维数据存储器，其特征在于该数据存储器的结构为：在信息层(4)上覆盖一层包层(5)组成一个光学结构薄膜单元，然后上下重叠放置信息层(4)和包层(5)组成的光学结构薄膜单元；在信息层(4)的表面设有深度不同的信息符(3)，信息符(3)的深度随着寻址光传播方向逐渐加深，由此组合成均匀读出叠层光波导三维数据存储器。

2、根据权利要求1所述的均匀读出叠层光波导三维数据存储器，其特征在于信息层(4)、包层(5)和信息符(3)都采用聚合物透明材料，信息层(4)的折射率n₁大于包层(5)的折射率n₂，信息符(3)的折射率n_D不同于信息层(4)的折射率n₁。这样信息层(4)及与其相邻的两层包层(5)就组成一个完整的波导结构，而信息符(3)就形成波导缺陷。

3、一种如权利要求1所述的均匀读出叠层光波导三维数据存储器的数据记录方法，其特征在于数据记录采用模压的方法，利用模具直接在信息层(4)表面压制深度不同的凹槽(6)，再在凹槽(6)中填注聚合物材料制成信息符(3)，从而形成波导缺陷，每一个信息符(3)代表一位数据位；信息层制作好了之后，再选择合适的包层材料，或直接采用粘合剂本身作为包层材料，然后层层叠放、粘贴压合。

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