DE1774401A1 - Optischer Speicher mit photoaktivem Speicherelement - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated BaUman-Lenzo -Spencer

New York, N. Y. 10007 U.S.A. 12-5-9

Optischer Speicher mit photo aktivem Speicherelement

Die Erfindung betrifft optische Speicher, insbesondere Speicher dieser Art, die Informationen in Form eines Zustands der Lichtübertragungseigenschaft in vorbestimmten Positionen eines Speichermaterials speichern.

Bei bekannten optischen Speichern wurden verschiedene Speicherverfahren verwendet, einschließlich der Speicherung mit photographischem Film, der Speicherung mit thermoplastischem Film und der Speicherung in optischen Übertragungsfiguren in gelochten Karten. Eine gemeinsame Schwierigkeit aller bekannter Speicher besteht bekanntlich darin, daß die Änderung der gespeicherten Informationen nicht leicht durchzuführen ist. Diese Änderungen erfordern gewöhnlich ein Eingreifen der Bedienung und sind z. B. für schnell veränderbare Speicher unzweckmäßig, die auch "scratch-pad"-Speicher genannt werden, die in Systemen im Gebrauch sind welche eine Arbeitsweise mit hoher Geschwindigkeit erfordern. Es gab bisher kein leicht änderbares optisches Speichermittel.

Die Erfindung hat zum Ziel, die Verfahren für die leicht veränderbare

Speicherung von Informationen als Zustand einer optischen Übertragungseigenschaft in einem. Speichermittel zu verbessern, wobei die Speicherung die optische Steuerung des Schreibens und Ablesens von Informationen und die Herstellung eines optischen Äblesesignals umfaßt. ·

Die obigen Aufgaben der Erfindung werden bei einem Ausführungsbeispiel erfüllt, bei dem der Ausgang einer ersten Belichtungsquelle bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes an einen HEaferiMkörper angelegt wird, um in den Gebieten wo das Licht und das Feld zusammenfällt, diskrete Bezirke mit geänderter Lichtübertragungseigenschaft herzustellen. Das Material kann z.B. ein photbleitendes optisch aktives Material sein, z. B. der Halbleiter Bismuthgermartrumoxyd Bi_{1 o}GeO . Eine zweite Belichtungsquelle, die nicht in gleicher Weise mit dem elektrischen Feld zusammenarbeitet, wird angelegt, um das Bild der erzeugten Bezirksfigur auf einen Detektor zu projezieren. Man nimmt an, daß das Zusammenfallen des elektrischen Feldes und der ersten Belichtungsquelle einen photoaktiven Effekt im belichteten Material erzeugt, wobei der Effekt von den Ergebnissen gezeigt wird, die bei Belichtung durch die zweite Belichtungsquele entstehen.

Ein erzeugter Bezirk geänderter Lichtübertragungseigenschaft dauert ein wesentliches Zeitintervall an, wenn die zur Bildung des Bezirks

10983Ö/1SÖ8

verwendete Belichtung nicht mehr vorhanden ist. Das Andauern des Bezirks kann dadurch erhöht werden, daß ein magnetisches Feld in einer Richtung angelegt wird, die senkrecht zur Achse des elektrischen Feldes liegt.

Der Kontrast des Bezirks zu benachbarten Teilen des Materialkörpers kann durch ferroelektrische Verstärkung verbessert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes nicht-maßstäbliches Schema eines optischen Speichers, bei dem die Erfindung benutzt wird; Fig. 2 ein Schema eines geänderten Teils des Speichers der Fig. 1 Fig. 3 ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsweise des Speichers der Fig. 1 erläutert.

Bei dem Speichersystem der Fig. 1 speichert ein kristalliner Körper, der nachfolgend mit Kristall 10 bezeichnet wird, Bezirke mit geänderten Lichtübertragungseigenschaften, die durch Photo aktivität erzeugt werden. Der Kristall 10 ist ein photo leitendes Material, das optische Aktivitätseigenschaften zeigt. Materialien in der kubischen Punkt gruppe 23 fallen in diese Kategorie, sie zeigen auch elektrooptische Eigenschaften und piezoelektrische Eigenschaften. Ein spezielles Beispiel für ein Material dieser Art ist der Halbleiter Bismuthgermanium-

109830/15 β 8

17?« 01

oxyd. Bei einer praktischen Ausführung hatte der Kristall aus Bismuthgermaniumoxyd, der den Kristall 10 bildete, in senkrechter-Richtung in der Zeichnung eine Abmessung von etwa 1, 55 mm, wobei diese . Richtung auch der Richtung 110 oder der Richtung 001 des Kristalls entsprach. Die Breite des Kristalls in waagerechter ^Rich^pg^ini^er Zeichnung, welche die Hauptrichtung der Lichtfortpflanzung ist, betrug etwa 3, 78 mm und fiel mit der Richtung 110 des Kristalls' zusammen. Die Tiefe des Kristalls betrug etwa 1, 78 mm. Bismuthgermaniumoxyd, das für die Zwecke der Erfindung geeignet ist, wurde hergestellt, wie es in einem Aufsatz "The Growth and Properties of Piezoelectric . Bismuth Germanium Oxide Bi.-GeO '' von A. A. Ballman dargelegt ist, der auf Seite 37-40 des Journal of Crystal Growth, vom Januar 1967 erschienen ist, das von der North-Holland Publishing Company, Amsterdam, The Netherlands veröffentlicht wurde.

Die photoaktiven Kristalle der hier betrachteten Art sprechen bei der gleichzeitigen Anregung eines angelegten elektrischen Feldes und eines Lichtes mit geringer Intensität im Absorptionsbands des Materials dadurch an, daß die optische Aktivität des Kristalls erhöht wird, die sich durch die offensichtliche Drehung der Schwingung-gebene von eben polarisiertem monochromatischem Licht zeigt, das an den Kristall senkrecht zur Achse des elektrischen Feldes angelegt wird. Die Photo aktivität kann dargestellt werden, indem ein vergleichsweise breiter

109830/1668

' Lichtstrahl geringer Intensität im Absorptionsband verwendet wird, tun einen Zustand optischer Aktivität herzustellen, ferner ein schmaler Sondierungsstrahl aus monochromatischem Licht außerhalb des Absorptionsbandes, um den hergestellten Zustand anzuzeigen. Bei dem vorliegenden Speichersystem werden die vergleichsweisen Größen der entsprechenden Strahlen, die auf das Speiehermaterial auftreffen, vorteilhafterweise umgekehrt, um den photoaktiven Effekt zu benutzen, diskrete Bezirke erhöhter optischer Aktivität zu erzeugen, die nach der Entfernung des im Band liegenden Lichtes im Kristall beibehalten werden.

Die Zeitdauer der Permanenz der Bezirke, die in zur Zeit verfügbaren Materialien verwirklicht wird, beträgt etwa 1 Minute. Jedoch kann ein derartiger Bezirk in einem Zeitintervall von wenigen Millisekunden leicht erzeugt werden, die die Zeit einschließt, die zum Zugriff einer bestimmten Positionsadresse erforderlich ist, so daß in der Praxis hunderte von Bezirkszuständen an verschiedenen Speicherpositionen gespeichert werden können, bevor die Notwendigkeit entsteht, zu einer vorher hergestellten Bezirksposition zurückzukehren und ihren Zustand zu regenerieren. Diese Art der Zeitbeziehung genügt für "scratch-pad"-Speicher in Speicher systemen mit hoher Geschwindigkeit.

10983071508

In Fig. 1 liefert eine Lichtquelle 11 einen breiten monochromatischen Lichtstrahl, der schematisch durch zwei gestrichelte Linien 12 dargestellt ist. Der Strahl 12 geht von der Quelle 11 durch ein Lichtpolarisationsfilter wie den Polarisator 13, der schematisch durch einen senkrechten Pfeil in Fig. 1 dargestellt ist. Der Teil des Strahls 12 der durch den Polarisator 13 übertragen wird, ist ein eben-polarisierter Lichtstrahl. Dieser Strahl wird dann durch einen hälb'-versilberten Spiegel 16, der einer später beschriebenen Funktion dient, zum Kristall 10 übertragen. Der Stteahl 12 hat eine Wellenlänge außerhalb des Hauptteils des Absorptionsbands des Kristalls 10. So hat Bismuthgermaniumoxyd ein Absorptiohsband für Wellenlängen der elektromagnetischen Energie im Bereich von 40Ö0 bis 6Ö00 A. Der Strahl 12 ist vorteilhafterweise ein Heliumneoh-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 6, 328 Ä, so daß seine Wellenlänge länger als diejenige im Absorptionsband des Kristalls 10 ist. Infolgedessen erzeugt die Übertragung des Strahls 12 vom Kristall 10 in den Kristall keine wesentliche Anzahl an Ladungsträgern; d.h. der Strahl 12 ändert die optischen Eigenschaften des Kristalls 10 nicht wesentlich. Im austretenden Strahl 12 ist eine gewisse eliptische Polarisation vorhanden, doch hat diese sich als zu gering erwiesen, um eine optische Kompensation zu erfordern. Eine derartige kompensation kann leicht durch bekannte Mittel angebracht werden, wenn sie bei gewissen Anwendungen notwendig wird. *

Die Intensität des Strahls 12 ist kein kritischer Parameter. Jede Intensität, die durch den Spiegel 16, den Kristall 10 und die verwendeten Polarisationsfiltermittel zu einem Detektor 17 übertragen werden kann, ist geeignet. Der Strahl 12 ist in Fig. 1 nur in zwei Abmessungen dargestellt, doch hat der Strahl selbstverständlich im wesentlichen den gleichen Querschnitt .wie der Kristall 10, so daß er alle Informationsspeicherpositionen im Körper belichtet. Der Strahl 12 tritt aus dem Kristall 10 aus, wobei eine offensichtliche Drehung seiner Schwingungsebene durch die natürliche optische Aktivität des kristallinen Materials hervorgebracht wird. Diese Drehung ist eine Funktion der Kristalldicke. Sie kann durch ein elektrisches Feld und durch Licht im Kristallabsorptionsband geändert werden.

Der Kristall 10 befindet sich in einem elektrischen Feld, das durch eine Vorspannungsquelle 18 erzeugt wird, deren eine Klemme mit der Erde und deren andere'Klemme über einen Kontakt 19 den Kontakt 10 und einen weiteren Kontakt 20 mit der Erde verbunden äind. Die Vorspannungsquelle 18 ist vorteilhafterweise eine Gleichspannungs quelle, deren negative Elektrode mit der Erde und deren positive Klemme mit dem Kontakt 19 verbunden sind. Die Ausgangs spannung der Quelle

18 ist einstellbar, wie es schematisch durch einen mit der Quelle verbundenen veränderlichen Widerstand 21 angegeben ist. Die Kontakte

19 und 20 sind Ohmsche Kontakte aus einem Indiumquecksilberamalgam.

Somit ist das elektrische Feld, das durch die Quelle: l8)im^v|Cr';igtäll 10 ■" erzeugt wird, in jedem Querschnitt des Kristalls" im weseiJiÖ,§tien _-* * gleichförmig, der senkrecht zur Achse des elektr iäejiep ^j|iäJ|S zwischen den Kontakten 19 und 20 liegt. Die Größe der Ah s;gä$gf spannring ' der Vorspannungsquelle beeinflußt den Kontrast der Be-ziriöi-mit geänderter optischer Aktivität im Kristall 10. Bei eirrer. ÄO'sfchiiung wie-^; der in Fig. 1 dargestellten wird eine Klemmenspannnaiag vtÄ etw;ä. 2500 ' Volt mit Vorteil verwendet. Es können auch hökeiS'Jäparfaii^eii ib^:e,nutz,f: werden, um einen schärferen Kontrast zu erhaltet Bas ,2.Ui 'äer·'Sp-an- ■ nungsgrenze, die eine solche Größe hat, daß eine wesentlfoiie Ablenkung des Lichtes durch elektrooptisch^ Brechung entsteht. ϊΕ£οβ solche' Brechung wird typischerweise bei Spannungen von etwa 4000"bis 5000 Volt hervorgebracht. - ~

Der breite Lichtstrahl 12 geht nach der Übertragung durch den-Kristall 10 durch ein weiteres Polarisationsfilter wie den Analysator 22 zum Detektor 17. Der Analysator 22 ist anfangs so angeordnet, _fdaß seine Polarisationsübertragungsorientierung komplementär zu der Polarisationsübertragungsorientierung des Polarisators 13 und dem. optischen Aktivitätseffekt des Kristalls 10 ist, um einen vorbestimmten Intensitätspegel des übertragenden Lichtstrahls 12 am Detektor, 17 hervorzubringen. Z.B. wird der Analysator zweckmäßigerweise so eingestellt, daß er eine maximale Belichtungsintensität am Detektor 17 bei Nicht-

109830/1588

Vorhandensein irgendeiner im Kristall 10 gespeicherten Information hervorbringt. Der Analysator stellt die Orientierung der Schwingungsebene des vom Kristall 10 erhaltenen Lichtes fest und erzeugt eine Ausgangsbelichtung für den Detektor 17 mit einer Intensität, die eine Funktion dieser Orientierung ist.

Der Detektor 17 ist irgendeine geeignete Einrichtung, es wurde das durch eine geeignete Verstärkung unterstützte Auge benutzt. Eine photoleitende Einrichtung, die auf verschiedene Belichtungsintensitäten anspricht» um elektrische Ausgangssignale entsprechender Größen zu erzeugen, ist für Speicher Systemanwendungen vorzuziehen. Der Detektor ist vorteilhafterweise ein Mosaik aus derartigen photoleitenden Einrichtungen, wobei jede Einrichtung einer anderen vorbestimmten Informationsspeicherposition im Körper 10 entspricht, die in Übereinstimmung mit der Speicher position ist, um Teile des Strahls 12 zu empfangen, die durch diese Position zum Detektor 17 übertragen werden. Detektoren dieser Art sind bekannt, sie enthalten vorteilhafterweise elektrische (nicht besonders dargestellte) Schaltungsmittel, um die oben erwähnten elektrischen Signale für die jeweiligen Detektorpositionen an geeignete elektrische Schaltungen zu übertragen, z.B. an ein Pufferregister 23.

Das Register 23 hat eine Vielzahl von Stufen entsprechend den jewei-

109830/1588

ligen Informationsbitpositionen wenigstens eines Wortes des Speicherkristalle 10. In der Detektor anordnung sind selbstverständlich außerdem Abtastschaltungen enthalten, um dem Pufferregister 23 Atisgänge von den verschiedenen Wortpositionen des Detektors 17 bei den Ausführungen zuzuführen, wo das Pufferf egister gleichzeitig nur ein Wort aufnehmen kann. Die Ausgangssignale des Pufferregisters 23 werden einer Verbraucher schaltung 26 zugeführt, die z.B. ein Speicherzugriffsregister eines zentralen (nicht dargestellten) Verarbeiters in einem Datenverarbeitungs system mit gespeichertem Programm sein kann, das schematisch durch ein zentrales Steuersystem 27 angegeben ist.

Die optische Aktivität von ausgewählten Positionen im Kristall 10 wird durch einen ablenkbaren Schreibe-Lichtstrahl 28 mit veränderlicher Intensität verstärkt, der schematisch durch eine entsprechend bezeichnete gestrichelt* Linie in Fig. 1 dargestellt ist. Es gibt zahlreiche Wege, um eine» schinalen Lichtstrahl wie den Strähl 28, zu liefern und zu steuern. Ein derartiges Verfahren erfolgt mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre mit einem elektromagnetisch ablenkbaren Elektronenstrahl, ufn einen entsprechend beweglichen Lichtfleck auf dem elektrolumines^ierenden Schirm der Röhre zu erzeugen. Durch andere bekannt« Verfahren kann nicht kohärentes Licht zu einem schmalen Strahl fokussiert un4 steuerbar abgelenkt weiden, dies sind in erüter Linie elektromechanische Verfahren, Bei einer bevorzugten Ausführung

109830/1588

ist der Strahl 28 vorteilhafterweise ein kohärenter Lichtstrahl, er wird steuerbar durch elektrooptische Ablenkmittel abgelenkt. Elektrooptische Ablenkanordnungen sind bekannt.

Der Strahl 28 wird von der Lichtquelle 29 geliefert. Der Strahl hat einen Querschnittsdurchmesser, der dem Durchmesser einer Informationsbit-Speicherposition 30.im Kristall 10 entspricht. An dieser Stelle sei bemerkt, daß der Abstand der Speicherpositionen z.B. der Positionen 30 im Kristall 10 so sein muß, daß eine gegenseitige Störung zwischen benachbarten Positionen verhindert wird. Bei einer praktischen Ausführung wurde ein geeigneter Abstand verwirklicht, wobei das unbenutzte Material des Kristalls 10 zwischen den Speicherpositionen gleich einem vollen Durchmesser einer Speicherposition war. Ein derartiger Abstand stellt jedoch keine Grenze dar. Die Quelle 29 enthält irgendwelche geeigneten optischen Mittel, die nicht besonders dargestellt sind, um den Strahl 28 auf einen schmalen Lichtstrahl zu fokussieren. Der Strahl enthält wenigstens einige elektromagnetische Energie komponenten mit Wellenlängen im Absorptionsband des den Kristall 10 bildenden Materials, wobei ein Strahl geeigneter Intensität und Wellenlänge vorteilhafterweise dadurch vorgesehen wird, daß in der Quelle 29 ein Argon-Ionenlaser mit einer Wellenlänge von 4500 A verwendet wird. Die Ausgangsintensität eines derartigen Lasers ist leicht durch bekannte Mittel zu steuern. Sie

109830/1588

BAD ORiGlNAt

wird so gewählt, daß ein gewünschter Kontrast zwischen den Speicherpositionen im Kristall 10 und dem benachbarten Kristallmaterial entsteht. So wird dieser Kontrastfaktor sowohl durch die Intensität des von der Quelle 29 gelieferten Lichtes als auch durch die Stärke des elektrischen Feldes beeinflußt, dem der Kristall 10 augesetzt wird, wie es vorher beschrieben wurde.

Der Strahl 28 wird durch die Strahlablenksteuer einrichtung 31 übertragen, die vorteilhafterweise aus einer Reihe von elektrisch steuerbaren Stufen besteht, die jeweils einen elektrooptischen Schalter und ein Doppelbrechungselement enthalten. Die Reihe ist schematisch in Fig. 1 durch eine einzige elektrooptische Schalteinrichtung 32 und durch eine Doppelbrechungseinrichtung 33 dargestellt. Die angegebenen Einrichtungen lenken den Strahl 28 entsprechend einem zweidimensionalen orthogonalen Koordinatensystem ab, so daß der Strahl hierdurch so abgelenkt wird, daß er auf die verschiedenen Speicherpositionen des Kristalls 10 auftrifft. Ablenksteuersignale einer Adressendatenquelle 36 liefern geeignete Spannungen an die Einrichtung 32. Eine Eingangsverbindung CC zur Adressendatenquelle 36 stellt schematisch die Steuerung dieser Quelle dar, die vom zentralen Steuersystem 27 kommt. Der Spiegel 16 ist schematisch durch eine diagonale Linie in Fig. 1 dargestellt. Tatsächlich besteht er aus einem halb-ver silber ten Spiegel mit ausreichender Fläche, wenn er auf der Diagonalen so

109830/1688

angeordnet ist, daß er den Strahl 28 von seiner anfangs vorhandenen Richtung parallel zum elektrischen Feld im Kristall 10 in eine Richtung reflektiert, die kolinear mit der Achse des Strahls 12 liegt. Der Spiegel 16 überträgt den Strahl 28 nach der vorher erfolgten richtigen Ablenkung zu einer der Vielzahl von Speicher Positionen im Kristall

Jede der Speicherpositionen 30 ist schematisch als Kreis auf der linken Fläche des Kristalls 10 dargestellt, um den im wesentlichen zylindrischen Weg mit demselben Durchmesser anzudeuten, den der Strahl 28 bei seiner Übertragung kolinear mit dem Strahl 12 hat. Am Bismuthgermaniumoxydkristall 10 ändert das Zusammenfallen des Schreibstrahls 28 an der Speicherposition 30 mit dem durch die Vorspannungsquelle 18 erzeugten elektrischen Feld die optische Aktivität des zylindrischen Teils des Körpers, der diesen zusammenfallenden Effekten ausgesetzt ist. Durch diese Änderung der optischen Aktivität wird die Schwingungsebene des Teils des monochromatischen Lichtstrahls 12 gedreht, der auch durch diese Speicherposition übertragen wird. Infolgedessen wird die Intensität dieses Teils des Strahls 12, der weiter durch den Analysator 22 zum Detektor 17 übertragen wird, am Detektor 17 um einen Betrag herabgesetzt, der der oben erwähnten Änderung der optischen Aktivität an der gewählten Speicherposition entspricht.

109830/1588

Die beschriebene Fähigkeit des Drehens des Teile des Kristalls 10 in einer solchen gewählten Speicherposition behält der Kristall 10 in dieser Position bei, nachdem der Strahl abgeschaltet ist, und zwar in einer Weise, die noch beschrieben wird. Ohne den Umfang der Erfindung damit einschränken zu wollen, wird nachfolgend eine mögliche Erklärung für diese Remanenz eines gewählten Bezirks gegeben. Es wird angenommen, daß in der gewählten Speicher position durch den Schreibstrahl 28 Ladungsträger erzeugt werden. Diese Träger bewegen sich unter dem Einfluß des durch die Vorspannungsquelle erzeugten elektrischen Feldes zu den oberen und unteren Randelementen der zylindrischen Speicherposition 30, entsprechend den jeweiligen Polaritäten dieser Träger und der Vorspannungequelle 18. So bewegen sich positiv geladene Träger zu dem Rand der Speicherposition, der dem Kontakt 20 am nächsten ist, während sich negativ geladene Träger zu dem Rand der Speicher position bewegen, der dem positiven Kontakt 19 am nächsten ist. Nach Erreichen der entsprechenden Ränder der Speicherposition findet keine weitere Wanderung der Ladungsträger statt, und zwar wegen des höheren spezifischen Widerstandes des Bismuthgermaniumoxyd jenseits des Randes der Position, die durch den Strahl 28 belichtet ißt. Z.B. hat Bismuthgermaniumoxyd einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 Ohm cm im Absorptioneband des Materials, wenn keine Belichtung vorhanden ist, dagegen fällt der spezifische Widerstand um

109830/1588

zwei bis drei Größenordnungen bei Vorhandensein der Belichtung ab.

Es wird angenommen, daß die beschriebene Ladungsträgerwanderung den kristallinen Aufbau des Materials im Kristall 10 stört und hierdurch in dem gestörten Gebiet die erhöhte optische Aktivität hervorbringt. Wenn der Schreibstrahl.28 abgeschaltet wird, sind die Ladungsträger im wesentlichen in ihrer neuen Lage eingefangen, so daß der neue Zustand der erhöhten optischen Aktivität in der gewählten Speicherposition gespeichert wird. Die Ladungen werden in dieser Weise eingefangen, weil durch die Entfernung des Schreib Strahls der Zustand mit hohem spezifischen Widerstand in der Speicherposition wieder hergestellt wird und die Trägerbeweglichkeit in diesem Zustand praktisch herabgesetzt ist.

Die Zeitdauer der Ladungsträgerremanenz ist teilweise eine Funktion des speziellen Materials des Kristalls 10 und dessen geometrischer Form. Jedoch können bei Bismuthgermaniumoxydkristallen mit den vorher angegebenen Abmessungen leicht Zeiten von etwa 1 Minute erreicht werden.

Es wurde vorher bemerkt, daß der Strahl 28 ab- und angeschaltet wird. Es ist selbstverständlich möglich, den Strahl 28 abzulenken, während er eingeschaltet ist, doch würde dies eine entsprechende Verschiebung

109830/1588

der Lage des gebildeten Bezirks mit erhöhter optischer Aktivität ergeben. Für das Einschreiben in den Speicher wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, die Bezirksspeicherpositionen in einer stabilen Lage zu halten. Diese Stabilität wird dadurch erreicht, daß der Zustand für eine Strahlablenkung bei Nichtvorhandensein des Strahls hergestellt wird.

φ Der Strahl 28 wird zweckmäßigerweise durch geeignete bekannte Licht-

Schlfe.lt- oder Verschlußeinrichtungen ab- und angeschaltet, die unter dem Einfluß von Schreibebefehlen einer Schreibebefehl-Signalquelle betätigt werden. Wenn somit das zentrale Steuersystem 27 eine Einschreibeoperation einleitet, führt es Signale über die Kreise CC der Adressendatenquelle 36 zu, um geeignete Strahlablenkzustände in der Ablenksteuerung 31 herzustellen. Unmittelbar danach betätigt das zentrale Steuersystem 27 die Schreibebefehlquelle 37 derart, daß die Sondenlichtquelle 2 9 so gesteuert wird, daß sie den Strahl 28 einschaltet. Durch das zeitige Zusammenfallen des Strahls 28 und des elektrischen Feldes wird ein Bezirk mit erhöhter optischer Aktivität in der vorher beschriebenen Weise gebildet. Am Ende, eines festen Einschreibeintervalls bewirken die zentralen Steuersignale auf dem Kreis CC, daß die Schreibebefehlquelle 37 den Strahl 28 abschaltet.

Jede neue Einschreibeoperation für eine andere Speicher position 30

109830/1588

im Kristall 10 wird in gleicher Weise ausgeführt, d.h. durch Adressieren des Speichers über die Adressendatenquelle 3 6 und die Ablenksteuerung 31 und durch An- und Abschalten des Strahls 28 anschließend an die Betätigung der Schreibebefehlquelle 37. Eine neue Information für diese Art von Einschreibeoperation wird von einer Quelle 38 für neue Daten geliefert, die ebenfalls unter dem koordinierten Einfluß des zentralen Steuersystems 27 steht. Die Quelle 38 für neue Daten bestimmt, ob der Strahl 28 für jede adressierte Speicherposition eingeschaltet wird oder nicht.

Es wurde vorher angegeben, daß es bei einigen Systemen notwendig ist, die in dem Speicherkristall 10 gespeicherte Information periodisch zu regenerieren. Zu diesem Zweck bewirkt das Programm im zentralen Steuersystem 27 in diesen periodischen Intervallen, daß das Pufferregister 23 den Inhalt aufeinanderfolgender Informationsworte im Kristall 10 speichert. Nach jeder derartigen aufeinanderfolgenden Speicherung öffnet das zentrale Steuersystem 27 ein Gatter 3 9, daß diese Information für die dargestellte Ausführung bitweise zur Schreibebefehlquette 37 leitet. Die letztgenannte Quelle steuert den Schreibestrahl 28 in der vorher angegebenen Weise für jede der aufeinanderfolgenden entsprechenden Adressen, die ebenfalls durch das zentrale Steuersystem 27 zur Adressendatenquelle 36 geliefert werden.

Die Ablesung von dem Speicher, der aue dem Kristall 10 besteht, ist

109130/1581

laufend möglich, weil die monochromatisch© Sondenlichtqueile \\ dauerdn wirksam ist,, um gleichzeitig auf die X^iehtanfnahmeoberflachen des Detektors 17 Belichtungsstärken zu projezieren,, die d®n jeweiligen optischen Aktivitätszuständen der verschiedenes. Speicher-*' Positionen 30 im Kristall 10 entsprechen. Da die Speicherung von Informationen im Kristall 10 nicht von dem Vorhandensein oder JJfiehtvorhandensein der Belichtung der Quelle 10 abhängig ist, kann der Speicher dadurch leicht vergrößert werden, daß zusätzliche (nicht dargestellte) Ablenksteuereinrichtungen in den Weg; des Strahls 12 zwischen den Spiegel 16 und den Kristall 10 eingefügt werden, um den Strahl 12 auf andere {nicht dargestellte} Informationsspeietoerkörper der gleichen Art wie der dargestellte Kristall 10 abzulenken.

Wie bei allen Speichern ist es bei dem Speicher des Systema der Fig, % notwendig Mittel vorzusehen, um gespeicherte Informationen au löschen. Dies gilt insbesondere, wenn das Speic&ergygteEa auf "scratchpad"-Basis arbeiten soll. TJm Löschoperationen für einzelne Bit durchzuführen, betätigt das zentral© Steuersyatew UT φι» einstellbaren ; Widerstand 21, um die Klemm spannung an der VcurspannungsqueHe 10 stark herabzusetzen. Es kann aueh ein vollständiges Abschalten fkev _Λ Vorspannung benutzt werden. An die AdressendatenqueHe 36 werden Adressensignale für daa zu löaehende Bit geJSeft*«t_# vm «tie geeignete Ablenkvor spannung an der elektyooptigehen Ablenkeinrichtung 32 her -

109830/1588

zustellen. Unter diesen Bedingungen wird die Schreibebefehlquelle 37 so betätigt, daß der Schreibestrahl 28 an- und abgeschaltet wird. Wenn der Strahl die adressierte Position 30 im Speicherkristall 10 trifft, wird der spezifische Widerstand des belichteten Teils des Körpers herabgesetzt, wobei die in ihm befindlichen Ladungsträger schnell zurück in ihren natürlichen Gleichgewichtszustand wandern. Nach Löschen des Strahls 28 stellt das zentrale Steuersystem 27 die normale Aus gangs spannung der Quelle 18 wiederher. Es werden außer der adressierten Position keine Bitpositionen wesentlich beeinflußt, weil sie in ihrem Zustand mit hohem spezifischen Widerstand bleiben. Die Entfernung der großen Vorspannung von den nicht-adressierten Positionen des Kristalls 10 erlaubt es den Ladungsträgern zu wandern, doch verhindert der hohe spezifische Widerstand des Kristallmaterials diese Wanderung, so daß keine wesentliche Änderung der Informationen stattfindet, die in den nicht durch den Strahl 28 adressierten Positionen gespeichert sind.

Das beschriebene Löschverfahren für ein einzelnes Bit ist selbstverständlich auch auf eine Arbeitsweise mit vielen Bits ausdehnbar. Um z. Ii. ein Wort zu löschen, werden die jeweiligen benachbarten Bitpositionen durch den Strahl 28 abgetastet, während sich die Vorspannung auf einem herabgesetzten Pegel befindet.

10983D/1588

Der gesamte Speicher kann in einer einzigen Operation gelöscht werden, indem er mit starkem Licht im Absorptionsband des Bismuthgermaniumoxydkristalls 10 belichtet wird. Ein derartiges löschendes Licht wird unter dem Einfluß des zentralen Steuersystems 27 von einer Löschlichtquelle 40 geliefert, die einen weißen Lichtstrahl 41 von solcher Stärke erzeugt, daß ausreichend Ladungsträger geschaffen werden, um das natürliche Gleichgewicht des Bezirks in der zugehörigen Lößchzeit wieder herzustellen. Die Quelle 40 ist so orientiert, daß der Strahl 41 in das volle Ausmaß jeder Speicherposition 30 im Kristall 10 eindringt. Das starke Licht erzeugt Ladungsträger im wesentlichen gleichförmig über den Kristall 10. Da die Vorspannung vorhanden ist, wird! die optische Aktivität im ganzen Kristallkörper erhöht, so daß die Ladungsträger eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung über den Kristall 10 annehmen können. Diese Ladungsträger können eich dann frei zu den Kristallkontakten bewegen, so daß sie nicht mehr eingefangen sind.

Während der Zeit des Anlegens des Strahls 41 sperrt das zentrale Steuersystem 27 die Eingangsverbindungen zum Puffer 23, um die Störung etwaiger dort vorhandener Informationen durch die manigfaltigen Änderungen der Ausgangs signale des Detektors 17 zu verhindern, die durch die Übertragung des Strahls 12 durch den vollen Kristall 10 mit seiner erhöhten optischen Aktivität entstehen. Am Ende der Lösch-

109830/1588

operation schaltet das zentrale Steuersystem die Löschlichtquelle 40 ab, gibt die Eingangsverbindungen zum Puffer 23 frei und beginnt die Einschreibung neuer Daten in den Speicherkristall 10 in der vorher beschriebenen Weise.

Das Zeitdiagramm in Fig. 3 zeigt die Beziehungen der verschiedenen vorher beschriebenen wesentlichen Operationen. So bleibt die Ausgangsintensität der monochromatischen Lichtquelle 11 während der ganzen Speicheroperation gleichförmig. Zur Zeit t wird eine Löschoperation dadurch begonnen, daß der Löschstrahl 41 in der vorher beschriebenen Weise zur vollen Intensität erhöht wird. Zur Zeit t wird das Löschlicht entfernt. Zur nachfolgenden Zeit t werden Ablenksignale an die Ablenksteuerung 31 angelegt, um eine bestimmte Speicherposition 30 im Kristall 10 zu adressieren. Während der Dauer dieser Ablenksignale wird zur nachfolgenden Zeit t. der Strahl 28 eingeschaltet, um die optische Aktivität an der ausgewählten Speicher position zu erhöhen, wodurch die Änderung des optischen Übertragungszustandes dieser Position eingeleitet wird. Nach Beendigung dieser Änderung zur Zeit t wird der Strahl 28 abgeschaltet und die Ablenksignale werden von der Ablenksteuerung 31 entfernt. Weitere Einschreibeoperationen (in Fig. 3 nicht dargestellt) werden wie die zwischen den Zeiten t₃ und t in Fig. 3 dargestellte durchgeführt, um neue Informationen in andere ausgewählte Speicherpositionen des Speichers einzuschreiben.

109830/1588

Eine Löschoperation für ein einzelnes Bit umfaßt im wesentlichen die gleiche Steuerung der Ablenksteuerung 31 und des Strahls 28, wie sie zwischen den Zeiten t und t dargestellt ist, doch wird zusätzlich die Aus gangs spannung der Vor Spannungsquelle 18 in einem Zeitintervall stark herabgesetzt, das sich etwa von einer Zeit t.' bis zu einer Zeit t ' erstreckt, und das die Abschaltzeit t des Strahls 28 überlappt.

Die Ausführung der Fig. 1 wurde bisher anhand einer binären Informationsdarstellung in jeder Speicherposition im Kristall 10 beschrieben, d. h. sie wurde anhand von Schreibeoperationen beschrieben, bei denen der Strahl 28 entweder an- oder abgeschaltet ist. Dem Fachmann ist jedoch klar, daß die Schreibebefehlquelle 37 auch logische Schaltungen bekannter Art enthalten kann, um die Intensität des Strahls 28 so zu steuern, daß sie eine von einer Vielzahl von verschiedenen Intensitätspegeln annimmt, wenn der Strahl 28 angeschaltet ist. Eine derartige Steuerung ist schematisch durch die Schreibstrablintensitätspegel Ll L2 und L3 in Fig. 3 dargestellt. So kann die optische Aktivität an einer adressierten Speicherposition 30 einen entsprechenden von verschiedenen optischen Aktivitätspegeln aufweisen, wobei die entstehenden vom Detektor 17 gelieferten Signale zum Puffer 23 in gleicher Weise entsprechend verschiedene Pegel aufweisen.

Der Kristall 10 ist in der Aufsicht in Fig. 2 mit entferntem Kontakt 20

109830/1588

dargestellt. Diese Aufsicht zeigt eine andere Orientierung der Lichtquelle 40, um eine ferroelektrische Verstärkung der Bezirksbildung zu ermöglichen und dennoch zu erlauben, daß der Strahl 41 in jeden Speicherpositionsteil des Kristalls 10 eindringt. Der Strahl 41 wird anfangs senkrecht zum Strahl 20 projeziert. Er wird dann durch einen weiteren halbversilberten Spiegel 16¹ so reflektiert, daß er kolinear mit dem Strahl 12 zum Kristall 10 gelangt. Der Spiegel 16' ist weiter so orientiert, daß er den Sondenstrahl 12 und den Strahl 28 bei dessen Erscheinen überträgt. In Fig. 2 ist ferner ein Mittel dargestellt, um eine ferroelektrische Verstärkung zu liefern, damit die Bildung der Bezirksspeicherpositionen im Speieherkristall 10 und deren Kontrast verbessert wird. Zu diesem Zweck werden ferroelektrische Kristalle 42, z.B. Kristalle aus Bariumtitanat an den gegenüberliegenden Rändern des Kristalls 10 auf einer Linie angebracht, die parallel zur Achse des durch die Vorspannungsquelle 18 erzeugten elektrischen Feldes liegt. Die Kristalle 42 berüliren den Kristall 10, sie stehen im elektrischen Kontakt mit dem Ausgang einer verstärkenden Vor-.spannungsquelle 43, und zwar mit Hilfe von Ohm sehen Kontakten der gleichen Art wie die Kontakte 19 und 20 in Fig. 1. Die Vorspannungsqueile 43 wird vorteilhafterweise in einer Reihenschaltung angeordnet, welche die Kristalle 42, den Speicherkristall 10 und die Erde enthält. Die Aus gangs spannung der Quelle 43 muß hinreichen, um die Kristalle 42 in einen iherer beiden stabilen Ladungs zustände zu bringen.

109830/1588

Die ferroelektrisch^ Verstärkung erlaubt die Herabsetzung der Ausgangsspannung der Vorspannungsquelle 18 auf etwa 60 VoIt₁ wenn 0, 025 mm dicke Kristalle 42 mit einer Spannung der Quelle 43 von etwa 20 Volt vorgespannt werden. Die ferroelektrische Verstärkung verbessert nicht nur den Kontrast der gebildeten Speicherbezirke im Bismuthgermaniumoxydkristall 10, sie erhöht auch die Speicheransprechgeschwindigkeit durch Vergrößern der Ladungsträgerbeweglichkeit im Kristall 10, um die Bildung und Löschung von Bezirken mit verstärkter optischer Aktivität zu erleichtern. Die Verstärkung entsteht durch die Tatsache, daß eine geringere Spannung der Quelle 18 erforderlich ist, daher sind Änderungen zum Erreichen der gewünschten Bedingungen leichter durchführbar. Eine ähnliche Verstärkung kann auch dadurch hervorgebracht werden, daß anstelle der Kristalle 42 und der Quelle 43 ein einziger ferroelektrischer Kristall ' in einem getrennten Kreis verwendet wird und daß der Kristall dann von Hand in Berührung mit einem Hand des Kristalls 10 gebracht wird.

In Fig. 2 ist ferner eine weitere Abänderung der Erfindung dargestellt, die unabhängig oder im Zusammenhang mit der ferro elektrischen Verstärkung verwendet werden kann. Dieses zusätzliche Merkmal ist eine magnetische Verstärkung der Permanenz des Speichere, Ee wurde festgestellt, daß wenn der Kristall 10 in einem magnetischen Feld angeordnet wird, das in den Kristall auf einer zur Achse des elektri-

109830/1588

' sehen Feldes senkrechten Achse eindringt, die Zeit während der die Bezirke mit verstärkter optischer Aktivität beibehalten werden, um einen Faktor von etwa drei vergrößert werden kann. Dieses magnetische Feld wird zweckmäßigerweise z.B. durch Anbringen eines permanenten Magneten oder desgren Äquivalent erzeugt, wobei die Pole bei den diagonal gegenüberliegenden senkrechten Kanten des Bismuthgermaniumoxydkristalls 10 in der in Fig. 1 dargestellten Orientierung liegen. Eine derartige magnetische Feldanordnung ist schematisch durch eine magnetische Feldquelle 46 in Fig. 2 angedeutet, wobei das von dieser Quelle ausgehende Feld schematiech durch die gestrichelten Pfeile 47 angegeben ist. Sämtliche Orientierungen, die senkrecht zur Achse des elektrischen Feldes liegen, arbeiten zufriedenstellend.

Ein magnetisches Feld das in der beschriebenen Weise verwendet wird, um die Remanenz um einen Faktor drei zu erhöhen, hat eine Feldstärke von etwa 1000 Oersted. Größere Feldstärken haben die Tendenz die Speicherremanenz zu erhöhen. Das Ausmaß der Vergrößerung der Remanenz hängt vom Kristallkörpermaterial und von der geometrischen Form des Körpers ab. Die magnetische Verstärkung kann leicht zusammen mit der ferroelektrischen Verstärkung verwendet werden, weil das magnetische Feld 47 durch die Kristalle 42 oder die zugehörigen Ohm sehen Kontakte weder abgeschaltet noch verzerrt wird.

109830/1588

Es wird angenommen, daß die Wechselwirkung zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern bei der magnetischen Verstärkung während der Einschreibeoperation mehr Ladungsträger nahe den Randelementen der zylindrischen Speicherpositionen 30 konzentriert. Dies stellt eine größere mittlere Ladungsträgerverschiebung dar, ferner erfordert die größere Trägerweglänge bei Vorhandensein des magnetischen Feldes eine längere Zeit für die Rückwanderung der verschobenen Träger in ihren natürlichen Gleichgewichtszustand. Es wurde festgestellt, daß die magnetische Verstärkung alle Speicherpositionen im Kristallkörper 10 im wesentlichen in der gleichen Weiee beeinflußt, auch wenn die ferroelektrische Verstärkung verwendet wird.

109830/1588

Claims (1)

1. Ballman, 12-5-9

   Patentansprüche

   Optische Speichereinrichtung, bei der ein Lichtstrahl (z.B. 12) durch vorbestimmte Positionen in einem Körper (z.B. 10) mit photoaktiven und optisch aktiven Eigenschaften übertragen wird und Ausgangsmittel (z. B. 17), um den Zustand der Lichtübertragung jeder Position im Körper anzuzeigen, gekennzeichnet durch die Kompensation von (A) einer ersten Lichtquelle, um einen polarisierten ersten Lichtstrahl mit Frequenzkomponenten außerhalb des Absorptionsbandes des Körpers an alle Positionen anzulegen, (B) eines Mittels, um ein elektrisches Feld an den Körper anzulegende) einer zweiten Lichtquelle, um selektiv gleichzeitig mit dem Anlegen des elektrischen Feldes einen zweiten Lichtstrahl mit Frequenzkomponenten innerhalb des Absorptionsbandes des Körpers an verschiedene Positionen anzulegen, so daß der Durchgang des ersten Lichtstrahls durch die verschiedenen Positionen zum Ausgangsmittel verhindert wird, und (D) einer dritten Lichtquelle, um einen dritten Lichtstrahl mit Frequenzen innerhalb des Absorptionsbandes des Körpers an alle Positionen anzulegen, um gleichförmige Lichtübertragungseigenschaften im ganzen Körper herzustellen.

   109830/15

   ι ** ·♦

   Leerseite