CN1662967A - 光学数据存储 - Google Patents

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Abstract

一种光学数据存储方法、设备和存储媒质，包括通过改变聚合物材料的光学特性来存储数据，由此通过可光学取向的单元的重新取向而开始写入，典型的是通过具有一个波长的光照射来启动重新取向从而开始写入。

Description

光学数据存储
本发明涉及用于光学数据存储的方法，设备和存储媒质。
目前存在多种光学存储技术。一个技术的实施例是基于在“写入”到存储层的同时改变该存储层的反射率。这种存储技术特别不适用于叠层存储设备中的多层记录，原因在于双重图象、相干光引起的相干串扰以及每层对入射激光和信号光两者的不良透射。而另一个缺点在于已写入和未写入的存储器单元的折射率差使得光束随着其穿过不同的未写入层而散射，导致了光束质量的降低。
另一种技术使用了溶解在聚合物基体中的荧光染料。在这种情况下，可以将折射率转换为基底的折射率，从而避免了光束散射带来的问题。此外，可以选择该多层存储媒质，使得它们对于荧光信号波长是透明的，从而有效地消除了一半与标准反射技术有关的损失和干扰。
通过使用荧光染料，可存在多种实现存储设备的可能性。通过使聚合物基体中的荧光材料光致退色可以实现数据的不可逆存储，例如一次性写入多次读取(WORM)数据存储。利用写入激光束辐射加热该材料。最初，淬火分子沉积在包含荧光材料的层之上的层中，该分子包括所谓的“荧光体”。当由激光束加热该材料时，该淬火分子分解并形成自由基，当温度超过聚合物基体的玻璃转化温度以及淬火分子的熔化和/或分解温度时，该自由基会扩散到荧光体中。当该荧光体与自由基反应时，就改变了该荧光体的化学结构并随后由此改变了荧光光谱和荧光效率。当利用“读取光束”照射时，由反应后的荧光体发出的荧光信号与未反应的荧光体发出的信号明显不同。因此将这个特征用于读取所存储的数据。然而，在写入过程中，这个概念受到低数据速率缺点的影响，这是由于自由基的扩散慢造成的。此外，所获得的对比度差。
另一种技术是将淬火分子与聚合物基体中的荧光体共溶。这样，通过加热形成的自由基不必扩散到包含荧光体的层中并能够直接侵蚀这些层。这引起了数据速率增加；然而缺点在于未写入存储器单元的稳定性显著降低了。
光学存储信息的另一种方法是照射包括聚合物的存储层，该聚合物包含基团，这些聚合物根据曝光改变了它们的结构，因此称作光色材料。目前存在许多已知的光色材料，例如螺吡喃衍生物、多环p-醌和俘精酸酐。光色材料通常表现出对辐射的快速反应，因此有助于高速数据转移，典型的是比扩散处理快很多。然而，对于该光色存储设备来说，在开始所期待的商品化之前还有许多问题需要解决。例如，一个严重的问题是光色材料的(双)稳定性。尽管一些光色材料表现出良好的热(双)稳定性，但是光稳定性通常较差。而且，该光色效应线性地取决于激光强度。因此，将数据无串扰地存储到多层设备中是重要的。即使通过利用基于双光子吸收的光色效应可以防止这个问题的发生，这些设备也不能使用便宜的二极管激光器。
对于光学存储媒质来讲还存在很高的要求，不仅要求高记录密度，还要求可逆的数据存储。然而，通常不能可逆地存储数据，或者存储设备的结构和存储方法是复杂的，或者存储数据耗费时间或者受温度限制，这就导致了实际中的解决方法并不十分有效。
因此，如何将已写入和未写入存储区域的高稳定性与写入过程中的高写入速度和良好的敏感度结合起来的问题仍然存在。此外，必须解决的问题包括散射、关于堆叠存储层以便获得大的容量。
本发明的目的是提供一种用于光存储数据、提供高稳定性信息存储的方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于以高速度来光学存储数据的方法。此处，术语“高速”是指不明显地慢于纳秒范围内，例如在10-50ns内。
根据本发明的一个方面，目前已经发现通过由非常短的光脉冲开始进行各向异性分子的(重新)取向，提供了特别有益的光学数据存储形式，该各向异性分子其后在一个时间周期内自显影，该时间周期典型地大于光脉冲的时间周期。典型地，该光为激光。
优选的是，通过光的照射，特别是通过激光束的照射，可以实现取向(或者分子序)的改变。通常，该方法是以这种方法实施的，即利用激光束通过分子链段的局部重新取向或者打乱取向来存储光学信息。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于光学数据存储的设备，该设备使用聚合物材料作为存储媒质，由此该设备包括聚合物膜，从而通过聚合物的分子序或取向的局部改变来存储数据，该聚合物包括可光学取向的基团。
根据本发明的优选实施例，提供了一种用于在包含聚合物材料的存储媒质中通过改变其光学特性来写入数据的方法，所述方法包括以下步骤：
-将该材料加热到玻璃转化温度(Tg)以上，和
-通过使用一个波长的光照射一个周期的方法使该聚合物材料中的可光学取向基团重新取向，而开始写入，或者通过其它启动重新取向的方法来开始写入。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于光学数据存储的设备，包括：
-作为存储媒质的聚合物材料，
-用于将该材料加热到玻璃转化温度(Tg)以上的装置，以及
-用于开始写入的装置，其通过使用一个波长的光照射一个周期使该聚合物的可光学取向单元取向而开始写入，或者通过其它启动重新取向的装置来开始写入，由此可以通过改变该聚合物材料的光学特性而将数据存储到该聚合物材料中。
根据本发明的又一实施例，提供了一种存储媒质，其包括聚合物材料，该材料适用于通过改变其光学特性来存储数据，所述聚合物材料包括可光学取向基团，其可以根据一个启动重新取向的波长的光照射一个时间周期来重新取向，并且该材料可以在适当的温度下自显影，典型的温度是玻璃转化温度(Tg)以上。
本发明的这些和其它方面将通过下文中所述的实施例(多个实施例)变得显而易见。
通过结合附图阅读以下本发明优选实施例的说明，也可以更加清晰地理解本发明，其中：
图1示出了根据本发明优选实施例的多功能聚合物。
图2示出了用于存储数据的具有堆叠存储层的设备。
图3示出了图1的聚合物如何从未写入状态转变为已写入状态。
图4示出了偶氮苯基。
图5示出了肉桂酸基。
图6是示出了根据本发明的优选实施例的方法的流程图。
现在将参照图1开始描述本发明，图1示出了根据本发明优选实施例的多功能聚合物。
如图1所示，将存储信息所需的不同特性结合到多功能聚合物中。该聚合物10包括三种或更多的不同的官能团。第一基团R1具有液体结晶度，第二基团R2是可光学取向基团且第三基团R3包含荧光发色团。可选择的第四基团R4可以包含附加功能，例如调节聚合物的玻璃转化温度Tg的功能。这样，由于将这些功能分成不同的组，因此可以彼此独立地优化和精确调整不同的功能。当然，如果需要也可以在不背离本发明思想的情况下添加更多的官能团。
如果将不同的功能结合成一组，例如荧光半族和中康酯基团可以结合到荧光液体结晶基团中，那么还可以使用具有少于三个基团的聚合物。也可以是其它的组合。
优选地，该聚合物所具有的基团，具有用于数据存储的各向异性聚合物的高稳定性，但是同时避免了转换慢的问题。该存储基于适当分子基团中的光致改变，其可将该分子基团提供到聚合物的主链中或者侧基中。图1所述的聚合物仅仅是在其侧基中具有官能团的聚合物的实施例，也可以采用满足要求的其它结构。
可以以本来已经公知的方式提供具有液体结晶度的第一基团R1，因此将不对该此进行更为详细的描述。按照实施例，该第一基团R1包括反复单元和具有液晶性质的基团(例如中康酯基)，该反复单元包括间隔单元。
该第二基团R2包括能够异构化的光敏单元。典型的是在侧基中具有该光敏单元，但该单元也可以出现在R2基团的主链上，或者两个位置上都有。通常这些光敏单元基于一个或多个通式：
R-PH
其中PH是光敏基团，优选从包括偶氮苯、双偶氮苯、三偶氮苯和氧化偶氮苯以及上述物质的烷基取代衍生物、芪或螺吡喃基团的组中选出的，其中R代表能够将光化学单元化学结合到聚合物10中的基团，典型的基团是能够聚合或缩聚的。
例如，偶氮苯基团是可改写的。通过利用适当波长的光照射，偶氮苯单元将经历氮-氮双键周围的可逆顺式异构化。在这个过程中，存在对于偶氮苯单元的驱动力，从而减少了吸收横截面并可以将其吸收偶极矩沿着光传播的方向取向。图4示出了一种偶氮苯基团。
也可以利用不同于顺式异构体的其它基团，通过用光照射可以可逆地改变分子序，此处将不对这些基团的具体实施例进行讨论，因为这对于本领域技术人员来讲是显而易见的。
也可以通过例如肉桂酸基团来提供不可逆的写入。通过适当波长的光的照射，所述基团经历了光化加成反应，这引起了垂直于光的E矢量的取向。因为这种反应是不可逆的，所以可以将写入当作WORM写入的一种实施例。图5示出了一种肉桂酸基团。
已经存在对于WORM光学数据存储盘(所谓的“CD-R”)的巨大需求，并且可以想到当光学数据盘的存储容量增加时，这种需求也将增加。当把WORM媒质用于容量分配时，写入过程应该是连续的(接连地写入数据位)；然而，将连续的写入过程结合到廉价的光学数据存储媒质的制造过程中是不经济的。典型的是，仅仅当以平行地写入处理完成时，在制造过程中的数据复制才是有价值的，例如通过压模器或者模具来写入。这是光学存储与其它存储选择(例如硬盘和固态存储器)相比的重要优点之一。因此，在ROM媒质中，优选使用某些类型的平行写入，尽管本文中并没有公开这些内容。
当包括荧光发色团的第三基团R3旋转时，会改变其吸收横截面，由此各向异性分子(偶极)的旋转(典型为90°)产生了吸收率的差别(与基准相比)，并且因此在照射时产生了荧光性的差别。这种吸收横截面的改变对于第二基R2来讲也是有效的，并且在一些情况下，根据基团的情况，对于第一基团R1也是有效的。分子几何形状的变化以及所导致的局部非平衡态引起了光学特性的变化，例如折射率、双折射或吸收特性的变化，本文中将对后者进行描述，以下将对用于存储数据的设备及其存储原理进行进一步描述。
图2，示出了用于存储数据的具有堆叠存储层的设备20在垂直于该叠层平面方向上的横截面。基板1覆盖有聚合物层2。基板1的表面积典型地为几个cm2，并且在其上沉积有例如InO2/SnO2层的绝缘层。该聚合物层2可以是例如旋涂的或者可以以其它适合的方法涂敷的，并且该聚合物层的厚度典型地可以从10-3到10-6m。在一些情况下，当使用非常薄的膜或者特定的浓度时，有必要注意到光学特征没有显著地改变。然而，本文中将不对这种问题进一步讨论，这是因为对于本领域技术人员来讲这些是显而易见的。
聚合物层2覆盖有分离层3，由此这种聚合物层2和分离层3的组合可以堆叠多次，在这个具体实施例中示出了三个聚合物层。然而，可以提供多个聚合物层2，典型的是超过十个。可选择的是，可以将具有其它适合材料的聚合物作为叠片，或者作为涂层提供到基体层上，尽管这些实例没有在该附图中表示出来。
当写入一个聚合物层时，来自光源的第一激光束(由标有“光”的箭头表示)聚焦到数据存储媒质中的某些区域上，由此由于可光学取向基团使得这个区域内的聚合物重新取向，这将在以下进一步描述。第一激光束，例如具有蓝光的激光束启动重新取向，由此强度足够高以至于将该聚合物加热到其玻璃转化温度Tg以上的第二光束(来自相同光源)完成该重新取向。因此，所生成的已写入区域可以当作光学数据读取。
该光学数据存储设备20可以是例如光盘的形式，由此当该盘在光学记录播放器或者光学卡中旋转时，通过探测激光束就读取了圆形轨道上的数据，该数据典型为比特的形式。另一种可能性是提供全息存储，由此，可将图像的全息图作为干涉图案进行记录，将不对这些以及其它应用进行详细描述，因为这些技术在所述技术本领域内是公知的。
现在参照图3a-c，示出该聚合物是如何从未写入状态转变为已写入状态的。示出了在垂直于图2中横截面的方向上、即在与“光”表示的箭头相同的方向上的该聚合物，其中示出了三种聚合物。图3a示出了对准之后、开始之前的情况。图3b示出了部分聚合物层的中央区域12(局部聚焦区)开始的情况，此处是中心聚合物，由其左上角的箭头表示。图3c示出写入之后的部分聚合物层。此时该中央区域12所包括的基团的方向实质上垂直于对准后的方向。这个方向仅仅意在说明本发明的原理，因此不局限于该垂直方向。
例如通过表面作用(例如剪切或画图)，或者利用附加的层，即在其上所提供的所谓的“对准层”(未示出)，或者通过场效应的方法，例如对准场、尤其是磁场或者电场，就可以实现图3a中多功能聚合物的初始取向。如果利用电场对准该基团，则可以从该聚合物层周围从两侧提供透明电极。
然而，该设备中不必包含该电极。在制造过程中，即使该媒质中不包括电极也可以施加电场。对于WORM应用来讲，典型的，电极既不是必须的也不是希望的。对于(有限的)RW应用来讲，同样可以想象只用两个普通的电极将所有的存储层夹在之间，来为整个设备提供总的重新取向能力。如果电极将每层夹在中间，则每层就可能有更多的局部擦除和初始材料取向。原则上，甚至可以使用户驱动器来提供外部的整体对准场，这样就可以获得没有内部电极的RW媒质。因为这种情况下需要高电压(该电压随着电极的间隔线性增大)，所以即使可以实现，但这可能也不是最实际的解决方案。
还可以将对准层和对准场结合起来。例如，该对准层可以加强该聚合物中的官能团的同向性对准。在该数据层的沉积过程中，对准层的对准力会受到对准场力的支配。这样就获得了平面对准。此时，在写入过程中，由可光学取向单元施加的力以及该对准层的力将共同使全部官能团重新取向。这样，可以提高写入速度。在通常情况下，对准层促使平面对准，在写入过程中由对准层和可光学取向单元施加的力彼此相反，从而限制了写入速度。
如图3b所示的启动重新取向的第一激光束移动，而已经开始的聚合物材料的自显影经过了比图3c所示的其最终取向从开始到结束更长的周期。所需的时间周期由聚合物类型决定，当然要适当地选择该时间周期以满足关于切换时间的要求。一种典型的实施例可能有些像几纳秒内的第一激光束和几微秒的第二加热光束，具体的实例可以是大约6ns和3ms。这种时间周期是由不同于可光学取向基团的其它基团的重新取向决定的，这是因为用于其它基团的驱动力较小(弹性能)，即后者的切换更快。也可以利用短激光脉冲同时进行加热和光学重新取向，并且由于该媒质的不良导热性，该材料可以保持在Tg以上几微秒，从而使其自显影。也可以将短激光脉冲用于把样品加热到Tg以上(其将保持几微秒(ms))以及将第二辐射经过较长周期用于光学重新取向。
该激光束可以来自例如二极管激光器，典型的具有大约400nm的波长。然而，在选择用于写入和读取的波长方面有很大的自由度。例如，可以添加染料以提供对适当波长的敏感度。根据本发明优选的实施例，写入光束和加热光束两者可以组合成一个光束(如图2所示)，该光束既开始又加热，或者可选择的是，可使这两个光束在除需要的写入位置外的各处空间分离，以提高该方法的非线性。
参照图6可以示出根据本发明一般优选实施例的写入数据的方法，该图是该写入方法的流程图。在第一步骤101中，将聚合物材料加热到其玻璃转化温度Tg以上，在第二步骤102中，通过使用启动重新取向的光照射而使该聚合物的可光学取向基团进行取向，从而开始写入。
可以通过例如以单色相干光照射该聚合物层来进行信息读取，典型的单色相干光是激光，其通过使用各向异性荧光染料分子(即第三基团R3)的取向变化来读取数据。典型的是，在“已写入”和“未写入”区域中荧光发色团的转移偶极矩的不同取向引起了吸收率的差异，由此引起了荧光性的差异。典型的差异为大约1∶7。当然，也可以采用其它改变取向的各向异性基团，例如可光学取向基团。同样，也可以是不同于各向异性基团的其它类型的基团，假设开始足够快，当使用来自强写入光束的光照射时，可以改变光学特性，该特性可以由较弱的读取光束读取。也可以提供混和物的光学特性，而不是聚合物自身的光学特性，或者可以使用添加剂。
通过在电场或磁场中将温度提高到玻璃转化温度Tg以上并冷却就可以实现擦除所存储的信息。通过在Tg以上时重新对准到对准层并且作光学取向的逆处理也可以实现上述擦除。
典型的，玻璃转化温度Tg高于环境温度。然而，优选的是控制该玻璃转化温度，从而确保在所需温度存储的过程中所存储的数据不会退化。这种方法，例如使用基于乙烯基的聚合物是公知的，因此不再进一步讨论。
必须施加激光脉冲的时间范围比各向异性分子重新取向的时间范围小得多。这样，高记录数据速率就和高记录稳定性结合起来。
用于多层光学数据存储媒质的数据记录解决方案与现有技术相比具有多个优点。这些优点如下：提高了信息存储的稳定性，可以获得很快的写入速度，独立优化了材料的特性，通过各向异性发射提高了荧光信号强度(是光子的2-3倍)并且增大了吸收横截面(对于给定、最佳的吸收率能够获得更薄的层)。
因为本发明还提供了写入和未写入比特折射率的微小差别，所以这将导致随着光穿过不同的层，光束质量的下降，尽管与常规技术相比下降得很小。在具有许多聚合物层的叠层设备中，假设10层以上，通过仔细选择材料可以进一步减小写入和未写入比特之间的差别，即典型的是通过选择四个补偿基团。可选择的是，可以改为提高这个差别，从而通过检测这个差别而将其作为光学参数来使用，例如通过设置在传输中的微分相位对比度显微镜来检测。
即使仅仅通过利用实施例中所述的荧光性来读取，其它能够根据分子取向来检测光学参数的方法也是可以采用的。
用于光学数据存储的设备也可以用于例如光学信号处理、傅立叶变换和不同于所述的其它记录目的中。
如以下权利要求书中所使用的词语“包含”表示包括，但不必仅限制于此。

Claims (14)

1.一种用于在包括聚合物材料的存储媒质中通过改变聚合物材料的光学特性来写入数据的方法，所述方法包括以下步骤：
-将该材料加热到玻璃转化温度(Tg)以上，和
-通过使用一个波长的光照射一个时间周期来使该聚合物材料中的可光学取向基团重新取向，从而开始写入，或者通过其它启动重新取向的方法来开始写入。
2.如权利要求1所述的方法，其中该可光学取向基团是该聚合物材料中存在的一个或多个各向异性基团。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中开始和加热步骤是通过单光束执行的。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中开始步骤是通过第一光束执行的，加热步骤是利用第二光束实现的。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中的开始步骤是在比聚合物重新取向的时间范围短得多的时间周期内进行的，该聚合物优选为LC聚合物，典型的时间周期在纳秒时间范围内，例如10-50ns。
6.一种用于光学数据存储的设备，包括：
-作为存储媒质的聚合物材料，
-用于将该材料加热到玻璃转化温度(Tg)以上的装置，以及
-用于开始写入的装置，其通过使用一个波长的光照射一个周期使该聚合物的可光学取向单元重新取向而开始写入，或者通过其它启动重新取向的方式来开始写入，由此可以通过改变该聚合物材料的光学特性而将数据存储到该聚合物材料中。
7.如权利要求6所述的设备，其中该聚合物材料包括一种或多种各向异性聚合物。
8.如权利要求6或7所述的设备，其中在透明基板上提供聚合物层，优选的是聚合物膜。
9.如权利要求6-8中任一项所述的设备，其中所述设备包括组合的热源装置和光源装置，由此可以加热所述的聚合物膜并且可以改变所述膜的分子序或者取向。
10.如权利要求6-9中任一项所述的设备，其中所述设备包括例如对准层的物理取向装置，和/或在写入之前用于为该聚合物取向的透明电极装置。
11.如权利要求6-10中任一项所述的设备，其中所述热源装置和/或光源装置包括激光器。
12.如权利要求6-11中任一项所述的设备，其中所述聚合物膜的吸收特性使得可以使用特定波长和强度的激光束来存储数据并且使用具有不同波长或者具有显著低于写入阈值的不同强度的另一激光束来读取，而不会干扰所存储的数据。
13.存储媒质，其包括聚合物材料，适用于通过改变聚合物材料的光学特性来存储数据，所述聚合物材料包括可光学取向基团(R1-R4)，其可以在被用于启动重新取向的一个波长的光照射一个周期时重新取向，其可以在适当的温度自显影，典型的温度是高于玻璃转化温度(Tg)。
14.如权利要求13所述的存储媒质，包括从以下材料中选出的基团：偶氮苯、双偶氮苯、三偶氮苯和氧化偶氮苯、上述物质的烷基取代衍生物、芪或螺吡喃基团。
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