CN1625704A - 超大带通光学存储器的多通道并行记录和读取 - Google Patents

Abstract

本发明包括一个用以显示二进制信息并用此二进制信息将目标光束(125)调制成子目标光束的显示器矩阵，一个用以将子目标光束(203)聚焦到记录板(205)上的微透镜矩阵(202)。子目标光束与参考光束(120)相交以便在记录板(205)的点阵上产生全息图。

Description

超大带通光学存储器的多通道并行记录和读取

技术领域

本发明通常涉及光学数据存储器件。更具体地说，本发明涉及光学数据存储器的并行记录和读取。

背景技术

由于对数据存储的要求越来越高，人们对具有快速数据存取能力的高容量数据存储系统产生了强烈的兴趣。常规的磁存储器件在存储密度上的局限性导致了对光存储器领域的大量研究。提出了用全息存储器代替光盘(小型压缩盘只读存储器或CD-ROM和数字视频数据或DVD)来作为大容量的数字存储介质。全息存储器的高密度和高速度是由于它使用了三维的光调制记录材料以及具有同时读出整页数据的能力。全息存储器的主要优点是有较高的信息密度、短的随机存取时间和高的信息传输率。

在全息记录中，将来自相干单色光源(例如激光)的光束分离成参考光束和目标光束。让目标光束通过一个空间光调制器(SLM)然后进入到一个存储介质中。SLM形成一个用灰度级来调制光强度的单元矩阵。该SLM形成一个光闸矩阵，它表示一页二进制数据或一页灰度级数据。目标光束通过SLM，该SLM用显示于其上的二进制信息来调制目标光束。在经过适当的光束处理后，将调制过的目标光束投射到一个点上，并在这点上与按照由寻址机制路由的参考光束相交。对于多光谱的全息照相术而言，也希望能用一个以上的波长来记录多光谱的全息图，这些波长的光束来自于不同的激光器或者同时来自于同一个多路激光器。换句话说，在全息多路复用过程中可用几个波长操作来进行记录。

使用由透镜和反射镜组成的光学系统将与数据分组一起编码的光束准确地投射到存储介质的特定的寻址区上。通过空间多路复用和角度多路复用可以最好地利用厚的存储介质的容量，而空间的和角度的多路复用可以通过加入频率极化和相位多路复用等办法来增强。在空间多路复用中，将一组数据分组存储在存储介质中，并通过改变平面的X和Y轴上的光束方向而使其形成一个由子全息图阵列构成的平面，这些子全息图在空间上是分开来的并且被有规则地排列起来。如同记录在存储介质中的那样，利用代表各个数据分组地址的矩形坐标在存储介质中的一个点上形成一个子全息图。在角度多路复用中，在改变存储介质中的参考光束的辐射角度时，通过使X和Y坐标保持一样来进行记录。通过反复地增加辐射角度，可将多个信息分组作为一组子全息图记录在相同的X-和Y-空间位置上。

体积(厚的)全息图需要一个厚的存储介质，该存储介质由对光能的空间分布敏感的材料制成，而此光能的空间分布是由相干的目标光束和相干的参考光束的相互干涉产生的。随着吸收、相位或两者的变化，将一个全息图记录在一个介质上。存储介质对入射光的模式起反应，并引起入射光的光学性质发生改变。在体积全息图中，可将大量的数据分组叠加起来，因此，能够重构每个数据分组而不会有畸变。可以将体积(厚的)全息图看作为记录在光敏记录材料深层中的多个三维光栅的叠合，每个光栅都满足Bragg定律(即一个体积相位光栅)。在体积全息图中的光栅结构引起了折射和/或吸收的变化。

尽管全息存储系统尚未代替当前的小型压缩光盘(CD)和数字视频数据(DVD)系统，但是，在还增加全息存储器存储容量的潜力方面，正不断地取得许多进展。这包括使用各种多路复用技术，例如角度、波长、相位编码、分形、peristrophic和移位的多路复用技术。然而，在高度多路复用的体积全息单元中，就信息量、串扰和容量而论，记录和读取信息的方法尚未证明是令人满意的。

当前，全息存储器的每次记录和读取是在记录板上一次一点进行(即顺序进行的)。对于快速的记录和读取工序而言，提出了多点(即点阵)的并行记录和读取的方法。

附图说明

为了便于更充分地了解本发明，对附图做了参照。不应把这些图看成为是对本发明的限制，它们仅仅是作为范例来使用的。

图1是根据本发明的一个实施例示意性地表示了一个用于给记录系统提供扩展了的光束的设备。

图2根据本发明的一个实施例示意性地表示了一个用于同时记录多个干涉图样的设备。

图3根据本发明的一个实施例示意性地表示了一个用于同时读取多个干涉图样的设备。

具体实施方式

本发明的记录系统包括一个激光器、一个存储层、一个SLM矩阵和一个聚焦透镜矩阵。一个装配来用于从衍射光学存储器上读取数据的阅读系统，该系统通过将阅读光束(例如参考光束)发射到存储器上来读取数据，它包括一个衍射光学存储器和一个CCD矩阵。衍射光学存储器具有记录在其上地位于多个点上地信息。在一个角度上，在衍射光学存储器上的点阵上形成多个信息分组。在另一个角度上，在存储器上的另一个点阵上形成另外的多个信息分组。本发明介绍了在记录系统中SLM矩阵和在阅读系统中CCD矩阵的使用，以便分别在记录板的点阵上同时存储和读取信息。此外，本发明在记录系统中使用了一个大的准直目标光束和一个大的参考光束，它们能够覆盖记录板(即衍射光学存储器)的点阵。在阅读系统中，使用一个大的阅读光束(例如参考光束)来从记录板的点阵上读取信息。

对本领域技术人员而言，本发明的还的优点和新的特征将会通过包括下列详细描述在内的披露以及本发明的实践变得更加清楚。尽管参照作为例证的实施例对本发明作了如下的说明，但是并非想要将此描述认作是对本发明的限制。能够接触这里的主旨的本领域的技术人员能够识别附加的实施、改动和实施例，以及其它领域的使用。这些都在本发明所公开和要求保护的范围之内，并且对于这些本发明有显著的效用。

存储/记录阶段

图1根据本发明的一个实施例示意性地示出了用于记录多个干涉图样的系统100。该系统100包括一个激光器101、一个光束分离器102、一个对准了的光束扩展器103和一个对准了的参考光束扩展器104。在记录阶段中，激光器101将一个激光束105(即相干光束)发送给光束分离器系统102。激光器101可以是一个钇铝榴石(YAG)双重激光器(即一个固态激光器)，其中，一个钇铝榴石材料棒将红外激光发送给该激光器。从激光器101发射出的激光束105被分离成为参考光束110和目标光束115。

对准了的光束扩展器103扩展目标光束115并产生一个扩展了的目标光束125。将扩展了的目标光束125再加以扩展，以使其适合于SLM矩阵。参考光束扩展器104扩展参考光束110并产生一个扩展了的参考光束120。扩展了的目标光束125通过SLM矩阵(例如显示器)，该SLM矩阵调制扩展了的目标光束125以产生多个带有二进制信息的目标光束。在一个实施例中，在SLM矩阵中的SLM的数目与目标光束的数目相对应，也与记录板上的点阵数目相对应(见图2)。将扩展了的参考光束120再加以扩展，以使其与记录板上的点阵相适配。

图2根据本发明的一个实施例示意性地表示了用于记录多个干涉图样的系统200。系统200包括SLM矩阵201、聚焦透镜矩阵202和记录板205。如上所述，扩展了的目标光束125通过SLM矩阵201并产生目标光束矩阵203。聚焦透镜矩阵202将相应的目标光束矩阵203聚集到记录板205上的点阵上。由于折射率的扰动，扩展了的参考光束120与目标光束矩阵203相互干涉并形成多个干涉图样，这些干涉图样被存储在记录介质上的点阵中。这样，这些全息图就在扩展了的参考光束120的一个独特的角度上被存储其中点阵上了。存储在相同体积中的各个全息图之间的间隔取决于全息图的相干性，以便能够仅根据与规定的角度值同相的体积来检索该全息图。

可以预料得到的是，存储器器件205有多个容纳记录信息的单元(cells)。存储器器件205是一个全息存储器，它含有在信息存储阶段中存储的信息。存储器设器件205通常是一个三维的物体，并由对光能的空间分布敏感的材料制成，其中，光能的空间分布是由目标光束矩阵203和扩展了的参考光束120相互干涉而产生的。随着吸收、相位或两者的变化，将这些全息图记录在介质205中。存储材料响应于入射光的模式，并引起其光学性质发生改变。在一个体积(厚的)全息图中，可以将大量的数据分组叠加起来，以便能重构每一个数据分组而不会有畸变。可将体积全息图看作是记录在记录材料深层中的三维光栅的叠合，其中的每一个光栅都满足Bragg定律(即一个体积相位光栅)。在体积全息图中的光栅结构引起折射和/或吸收的变化。用直线坐标(X，Y)来定义点阵上多个点中每一个点的位置。一个图像形成系统(未示出)将目标光束矩阵203缩减为多个子全息图，每个子全息图在点阵中的一个X，Y点上都有一个最小的尺寸。物理空间中由直线坐标限定的一个点含有多个数据分组。

在一个实施例中，使用如像多肽(polypeptide)之类的有机材料，并根据序列号为PCT/FR01/02386的专利申请书中描述的技术来建造存储器器件205，该专利申请书的题目是“Photonics Data Storage System Using a PolypeptideMaterial and Method for Making Same”，现将其归并于此以供参考。

在显示器矩阵201中的显示器可以是系统中用于显示数据分组的任何器件，例如空间光调制器(SLM)或液晶光闸(LCLV)。呈现在显示器屏幕上的多个比特(bits)是作为透明的或不透明的像素(即数据分组)的二维图形显示的。所显示的数据分组是由诸如计算机程序、互联网之类的任何一种资源派生出来的。在互联网的存储应用中，所显示的数据分组可以类似地象互联网数据分组一样来格式化。

在目标光束矩阵203通过显示器矩阵201时，该显示器就用二进制信息来调制目标光束矩阵203。然后将目标光束矩阵203投射到在记录介质205上的一个限定的点阵上，其中，这些目标光束与扩展了的参考光束120相交以产生多个装载有数据分组的干涉图形。可以用透镜矩阵202来聚集调制过的目标光束矩阵203，并将光束聚焦到记录介质205上。换句话说，利用在透镜矩阵202中的透镜来使调制过的目标光束变小，从而让调制过的目标光束的聚集点阵稍稍超出记录介质205之外。利用角度多路复用方法将扩展了的参考光束120放在不同的角度上，以便将多个数据分组记录在记录介质205的点阵上。

如上所述，记录系统100包括扩展了的参考光束120、目标光束矩阵203和记录介质205。在由坐标X、Y定位的矩阵上，扩展了的参考光束120和在目标光束矩阵203中的目标光束相交，以形成一个要记录在记录介质205上的图样。按顺序更改扩展了的参考光束120的角度，以便将不同的数据按不同的角度记录在记录介质205上的不同的点阵上。也在空间上改变扩展了的参考光束120，以便使数据能够记录在记录介质101的不同的点阵上。这是空间多路复用，它是通过依次改变直线坐标来实现的。通过改变扩展了的参考光束120与存储介质205表面之间的角度来实现角度多路复用。换句话说，通过依次改变扩展了的参考光束120的角度来进行角度多路复用。将多个信息分组作为在每个选择的角度和空间位置上的衍射图样的矩阵(例如子全息图的矩阵)记录在存储介质205上。相对于存储介质205的表面移动扩展了的参考光束120来完成空间多路复用，以使点阵移动到另一个空间位置上。通过在与记录数据分组矩阵相同的角度和空间位置上照亮扩展了的参考光束120，可以重构数据分组矩阵。由存储介质材料折射的扩展了的参考光束120的部分形成重构，它通常是由检测器阵列来检测的。可以机械地移动存储介质205，以便根据它们的坐标(X、Y)在不同的点阵上存储数据分组。

将存储介质205排列在多个矩阵中。用各个点的直线坐标信号来限定在矩阵上多个点中的每一个点，这些直线坐标信号涉及使用角度和空间的多路复用来记录存储介质中的衍射图样(即全息图)。在工艺技术上已经研制出了各种不同的衍射记录方法，在由H.J.Coufal D.Psaltis和G.T Sincerbox(2000年春)等人编著的“全息数据存储”一书中能找到进一步的细节。可以预料得到的是，在某些情况下，也能通过使用除了参考光束和目标光束相互干涉以外的技术来建立一个存储衍射图样的矩阵，例如像使用电子束和微光刻工艺来刻蚀材料以产生衍射结构。

阅读阶段

图3根据本发明的一个实施例示意性地说明了用于同时阅读多个干涉图样的设备。该阅读设备300包括激光器101、存储器(即记录介质)矩阵205和传感器(例如CCD摄像机)矩阵305。每个传感器都可以是用微光刻技术来生产的一个固态芯片，并包括微型机械电子学和光子学在内。

从记录介质上检索记录的/存储的信息要求使用参考光束(即阅读光束)，其特征相当于那些用于写或存储的光束。由于折射率的调制相应于记录光束的特征而变动，于是，参考光束引起了衍射，从而产生一个载有数据的调制光束。在阅读工序中的阅读角度值近似于在写工序中的角度值，在这两个工序中都使用相同的节点原理。可以使用比记录工序更大的容差来执行阅读工序。然而，用于阅读的激光源可以不像用于记录的激光源那样强大。

设置参考光束的位置以便存取含于记录介质205中的限定的点阵(X_M，Y_N，其中，M和N为正整数)上的多个数据分组。在一个实施例中，M等于N。在阅读工序中的寻址角度值近似于在写和记录工序中的值。然而，可以使用比记录工序更大的容差来执行阅读工序。阅读工序可以使用一个非常小的固体式的激光源，这是因为阅读所必须的激光能量要比记录所需的激光能量低得多。

通过在记录数据分组的相同角度和空间位置上照亮扩展了的阅读光束301(即参考光束)来重建数据分组。如图1所示，扩展了的阅读光束301可以与扩展了的参考光束120相同。可以预料得到的是，在记录阶段，可将多个数据分组同时记录在记录板205的点阵上。由衍射存储器矩阵衍射的、扩展了的阅读光束301的部分形成了重构，它通常是由CCD的矩阵来检测的。

阅读设备300也可以包括一些动力器件(例如激励器、微反射镜等)，它们使由激光器101产生的、扩展了的阅读光束301具有某种形状，并在某个位置和角度上将此光束投射到记录板205的点阵上。可用一个计算机(未示出)来控制这些动力器件。

在传感器矩阵305中的每个传感器可以是能够从输出光束矩阵302中感测图像的任何一种传感器。这种传感器件可以由CCD或CMOS(互补的金属-氧化物-半导体)有源像素传感器(APS)构成。在一个实施例中，这种传感器件是一个电荷耦合二极管。

用扩展了的阅读光束302来建立光束302的输出矩阵，其中矩阵中包含多个带有存储器中的数据/信息的输出页面。通过在记录了数据分组的相同位置上照亮扩展了的参考光束(即阅读光束)301，可以同时重构记录介质205的点阵上的多个数据分组。由记录介质205衍射的、扩展了的参考光束301形成存储数据分组矩阵的重构，它是由传感器矩阵305来检测的。配置扩展了的参考光束301以便寻址记录介质205中的不同位置上的多个数据分组。用一个计算机(未示出)来还处理图像传感器矩阵305的数字输出。

本发明并不仅限于其中描述的具体实施例所涉及的范围。其实，本申请书旨在包括对本发明的任何更改，除了其中所描述的内容而外，本发明并不局限于已经提出的细节。因此，本发明的范围应由附加的权利要求和它们的合法的等同物来决定，而不是由所给出的例子来决定。

Claims (30)

1.一个设备，该设备包括：

一个显示器矩阵，它显示二进制信息，并用此二进制信息来将目标光束调制成子目标光束；

一个微透镜矩阵，用于将子目标光束聚焦到记录板上，其中，子目标光束与参考光束相交，以便在记录板的点阵上建立全息图。

2.如权利要求1所述的设备，其中，全息图代表数据分组。

3.如权利要求1的设备，其中，用光束分离器将目标光束和参考光束从光源发出的光束分离出来。

4.如权利要求3所述的设备，其中，光束分离器是一个功率比大约为50/50的反射光束分离器。

5.如权利要求1所述的设备，其中，将目标光束对准。

6.如权利要求1所述的设备，还包括一个用于扩展目标光束和参考光束的扩展器，以便照亮这两个光束，以使其分别适合于显示器矩阵和记录板上的点阵。

7.如权利要求6所述的设备，其中，扩展器至少包括两个用于扩展和对准光束的透镜。

8.如权利要求5所述的设备，其中，扩展器包括一个过滤器，用于滤除微空穴(micronic hole)，以便除去来自光束的噪声。

9.如权利要求1所述的设备，其中，记录板是由多肽材料制成的。

10.如权利要求1所述的设备，其中，对参考光束实行角度多路复用，以便记录接点阵形式组织的不同数据分组。

11.如权利要求1所述的设备，其中，对参考光束实行空间多路复用，以便将不同的数据分组记录在另一个点阵上。

12.如权利要求1所述的设备，其中，显示器矩阵是一个SLM矩阵。

13.如权利要求1所述的设备，其中，显示器矩阵、微透镜矩阵和点阵至少是1×2或2×1的矩阵。

14.一个设备包括：

一个具有点阵的记录板，其中，每个点都含有多个数据分组；

一个用于发射到记录板上的光束，以便从点阵上读取数据；

一个传感器矩阵，用于感测点阵上的数据分组；

15.如权利要求14所述的设备，其中，传感器矩阵包括多个CCD。

16.如权利要求14所述的设备，其中，光束要足够地大，以便与在记录板上的点阵相适配。

17.如权利要求14所述的设备，其中，点阵中的每个点相应于传感器矩阵中的一个传感器。

18.如权利要求14所述的设备，其中，对光束实行角度多路复用，以便从记录板的点阵上读取不同的数据分组的集合。

19.如权利要求14所述的设备，其中，对光束实行空间多路复用，以便从记录板的另一个点阵上读取数据分组。

20.一种方法，此方法包括：

提供一个参考光束和一个目标光束；

在多个子目标光束上显示二进制信息，这些子目标光束是从目标光束中分离出来的；

将子目标光束聚焦到记录板上，其中，子目标光束与参考光束相交，以便在记录板的点阵上建立全息图。

21.如权利要求20所述的方法，还包括分离激光束，以产生参考光束和目标光束。

22.如权利要求20所述的方法，还包括对准目标光束。

23.如权利要求20所述的方法，还包括扩展目标光束和参考光束，以使其分别适合于显示器矩阵和点阵。

24.如权利要求23所述的方法，其中，扩展工序包括滤除一个微空穴(micronic hole)，以除去来自参考光束和目标光束的噪声。

25，如权利要求20所述的方法，其中，记录是由多肽材料制成的。

26.如权利要求20所述的设备，还包括对参考光束实行角度多路复用，以便将不同的数据分组记录在该点阵上。

27.如权利要求20所述的设备，还包括对参考光束实行空间多路复用，以便将不同的数据分组记录在另一个点阵上。

28.一种方法，此方法包括：

将阅读光束发射到记录板上；

用阅读光束从记录板的点阵上读取数据，并调整阅读光束以便覆盖此点阵；

从该点阵上产生数据。

29.如权利要求26所述的方法，还包括对阅读光束实行角度多路复用，以便从记录板的点阵上读取另一组数据分组。

30.如权利要求26所述的方法，还包括对阅读光束实行空间多路复用，以便从记录板的另一个点阵上读取另一组数据分组。

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