DE19534501C2 - Optischer Datenspeicher hoher Dichte durch holographisches Multiplexing von Reflexionshologrammen in einer Schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft holographisches Multiplexing in digitalen Massendatenspeichern, bei denen die Information auf optischem Wege in einem flachen Speichermedium abgelegt und von dort wieder ausgelesen werden kann.

In der erfundenen Anordnung werden Reflexionshologramme als mikroholographische Reflexionsgitter in einer Schicht gespeichert, die durch Rückkopplung des Schreibstrahles z. B. mittels eines hinter der teildurchlässigen, photoempfindlichen Schicht befindlichen Spiegels entstehen. Dabei können verschiedene Hologramme gleichzeitig im selben Schichtvolumen abgelegt werden (holographisches Multiplexing), indem mit Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen oder mit Laserstrahlen, die unter unterschiedlichen Winkeln auftreffen, eingeschrieben wird. Nach Entfernen des Spiegels kann durch geeignete Beleuchtung der Hologramme die Information rekonstruiert werden. Durch die Ausnutzung der Schichtdicke kann so gegenüber einem rein flächenhaften Speicherverfahren eine höhere Dichte und durch die Möglichkeit der parallelen Datenverar­ beitung eine hohe Datenübertragungsrate erzielt werden.

In der erfundenen Speicheranordnung wird die binäre Information als Reflexionshologramm in einem schichtförmigen Speichermedium abgelegt. Die beiden Informationszustände werden durch das Vorhandensein eines Hologrammes an der entsprechenden Stelle des Datenträgers, bzw. durch das entsprechende Fehlen des Hologramms gespeichert. Als Datenträger wird eine flache Scheibe mit einer photosensitiven Schicht verwendet, in welcher bei Auftreten einer bestimmten Schreibintensität eine intensitätsabhängige Modulation der optischen Eigenschaf­ ten erzeugt werden kann, die nach Abschalten der Anregung erhalten bleibt.

Das holographische Multiplexing wird erfindungsgemäß durch die Verwendung mehrerer Laserlichtquellen gelöst, die unabhängig voneinander, gleichzeitig Reflexionshologramme an ein und demselben Ort in der Schicht erzeugen können, indem die Wellenlänge der erzeugen­ den Laserstrahlen oder der Winkel zur Schichtnormalen variiert wird. Die Information, ob ein Hologramm an diesem Ort mit der entsprechenden Wellenlänge oder unter dem entsprechen­ den Winkel gespeichert wurde, läßt sich mit der gleichen oder einer ähnlichen Anordnung rekonstruieren, wenn eine erhöhte Reflexion des Laserlichtstrahles detektiert wird, die nur dann auftritt, wenn die Braggbedingung erfüllt ist. Die Braggbedingung ist nur dann erfüllt, wenn all diesem Ort ein Hologramm vorhanden ist, das mit der gleichen Wellenlänge oder unter dem gleichen Winkel erzeugt wurde wie der abfragende Laserstrahl.

Es ist bekannt, daß mehrere Hologramme im selben Volumen gespeichert werden können, die durch Zweistrahlinterferenz unter verschiedenen Winkeln erzeugt wurden. Als ein solcher Volumenspeicher wurde z. B. ein photorefraktiver Kristall verwendet. Durch Raumwinkel­ multiplexing konnten bis zu 750 Hologramme in einem Fe:LiNbO₃-Kristall gespeichert werden [S. TAO et.al., Optics Leiters, Vol. 18, 11 (1993), 912-914]. Anordnungen, die solche Volumenspeichereffekte nutzen, um zweidimensionale Pixelfelder seitenweise zu speichern wurden vorgestellt [PCT/US88/04713, Int. Publ. No. WO 90/08350 und S. REDFIELD, L. HESSELINK, Optics Letters, Vol. 13, 10 (1988), 880-882 und c't 1/1991, 54-58]. Weiterhin wurde eine solche "Methode und Apparatur zur Isolierung von Datenspeicherbereichen in einem dicken holographischen Speichermedium" im Patent US 5377176 A geschützt, die sich durch eine Anordnung des Speichermediums in voneinander isolierten Scheibenstapeln auszeichnet, in denen hintereinander durch Winkelmultiplexing kodierte Seitenstapel abgelegt und ausgelesen werden. Die einzelnen Seiten eines Stapels enthalten jeweils die Information eines Bitmusters. Ein drei­ dimensionaler holographischer Speicher, bei dem die Adressierung der in einem photore­ fraktiven Kristall gespeicherten Volumenhologramme durch akkusto-optische Deflektoren in Kombination mit segmentierten Spiegeln erfolgt, wird beschrieben [F. MOK, D. PSALTIS, G. BURR, SPIE Vol. 1773 Photonic Neural Networks (1992), 334-345].

Weiterhin sind photosensitive Schichten bekannt, die als Speichermedium für Hologramme im Sinne von Braggittern dienen können. Neben den bereits erwähnten photorefraktiven Kristallen existieren photosensitive organische Materialien, in denen reversible holo­ graphische Speichereffekte demonstriert wurden, z. B. Azo-Polymere (pDRlA) mit Glasphase [A. NATHANSON, et. al., Macromolecules 25 (1992), 2268-2273], cholesterische flüssig­ kristalline Siloxalle [R. ORTLER, C. BRÄUCHLE, A. MILLER, G. RIEPL, Macromol Chem., Rapid Commun. 10 (1989), 189-194], niedermolekulare flüssigkristalline Gläser [H. J. EICHLER, R. ELSCHNER, G. HEPPKE, R. MACDONALD, H. SCHMID, Appl. Phys. B 60 (1995)]. Die zur Zeit am weitesten entwickelte optische Speichertechnologie beruht auf Systemen, in denen eine Compact Disc (CD) oder Optical Disc als flacher Datenträger dient. Unabhängig vom Speichermechanismus wird die binäre Information als Pit in der zweidimensionalen Disc-Ebene abgespeichert. Ein entsprechendes System, das für digitales Video geeignet ist, wurde vorgestellt [R. L. WILKINSON, SMPTE Jounal, Okt. 1994, 656-661].

Die maximale Speicherkapazität für die zuletzt genannten Flächenspeicher (z. B. CD, Magneto-optische Speicher) ist gegeben durch A/λ², wobei A die genutzte Fläche und λ die Wellenlänge des Lichtes ist, während bei Volumenspeichern für die maximale Kapazität V/λ³ gilt, wobei V das genutzte Volumen bezeichnet. Damit läßt sich eine deutliche Erhöhung der Kapazität entweder durch Übergang zu kürzeren Lichtwellenlängen oder durch den Übergang von flächenhaften zu volumetrischen Speichern verwirklichen. Die Erzeugung kürzerer Wellenlängen mit Halbleiterlasern (blaue Laserdiode oder durch Frequenzverdopplung) ist jedoch zur Zeit technisch noch sehr aufwendig und teuer. Eine Vergrößerung der Kapazität durch Volumenspeicherung erscheint hingegen unter Ausnutzung holographischer Verfahren auch mit den vorhandenen Lichtquellen bereits möglich.

Andererseits sind die bekannten Anordnungen von reinen Volumenspeichern (z. B. mit o. g. photorefraktiven Kristallen) extrem aufwendig und teuer. Es treten dabei Probleme mit der aufwendigen Strahlführung, mit cross-talk-Phänomenen (gegenseitige Beeinflussung der im gleichen Volumen gespeicherten Hologramme beim Auslesen) und mit dem eigentlichen Schreibprozeß im photorefraktiven Kristall auf. Beim Einschreiben eines neuen Hologramms werden dabei die bereits gespeicherten Hologramme wieder ausgewaschen. Die technologi­ schen Schwierigkeiten sind so immens, daß trotz intensiver Forschung bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt kein solches Volumenspeichersystem auf dem Markt ist. Zusätzlich dürften die Kosten und die Komplexität solcher Systeme auch in absehbarer Zukunft einen Einsatz in einfachen Geräten, wie Videoplayern erschweren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer einfachen Anordnung die Speicherkapazi­ tät dünner scheibenförmiger Datenträger wie der CD durch Ablegen mehrerer Informations­ bits an derselben Stelle unter Ausnutzung der Materialdicke zu erhöhen. Die Informationen sollen reversibel gespeichert werden und die Datenübertragungsrate durch parallele Daten­ verarbeitung gegenüber einer rein seriellen Datenverarbeitung gesteigert werden.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung zum Datenspeichern gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Patentansprüchen. Dabei werden die Informationsbits als einzelne Reflexionshologramme in eine photoempfindliche Schicht geschrieben. Eine solche Schicht kann aus Photopolymeren bestehen und leicht auf die heute üblichen oder auch andere Disc-Formate aufgebracht werden. Als Kodierungsverfahren zum holographischen Multiplexing kann die bekannte Wellenlängen-, Winkel- oder Phasen-Kodie­ rung dienen. Durch das Speicheln von mehreren Informationsbits (Reflexionshologrammen) mit unterschiedlicher Kodierung an einer Stelle auf dem scheibenförmigen Datenträger kann die Speicherdichte gegenüber einfachen Informationpits entsprechend erhöht werden.

Wird für jeweils eine Kodierung eine Laserlichtquelle (oder ein modulierter Teilstrahl einer einzigen Quelle) verwendet, so können die Informationsbits (Reflexionshologramme) an einer Stelle parallel und gleichzeitig gespeichert bzw. später ausgelesen werden. Dadurch wird eine Erhöhung der Datenübertragungsrate gegenüber dem seriellen Schreiben oder Lesen von Einzelpits erreicht.

Die unter dem Stand der Technik aufgeführten Materialien sind für reversible Speicher­ prozesse, d. h. für lösch- und wiederbeschreibbare optische Datenträger geeignet. Es können auch Materialien verwendet werden, die einmaliges Schreiben und vielfaches Auslesen ermöglichen.

Die Erzeugung der Reflexionshologramme erfolgt durch Reflexion des Schreibstrahles an einem zusätzlichen separaten Spiegel, wie am Anfang der Beschreibung und im Ausführungs­ beispiel beschrieben, oder an einer spiegelnden Fläche in Verbindung mit dem Datenträger, z. B. der gering reflektierenden Unterseite der Platte. Bei einer Anordnung ohne separaten Spiegel wird das durch Interferenz in der Schicht entstehende Intensitätsmuster so in eine tiefe Modulation des komplexen Brechungsindex umgesetzt, daß ein Hologramm entsteht, dessen Reflexionsgrad deutlich über dem der spiegelnden Fläche liegt.

Die Speicheranordnung eignet sich bevorzugt für Anwendungen, in denen Daten blockweise geschrieben und gelesen werden (z. B. digitales Video).

Die beschriebene Speicheranordnung besitzt gegenüber einem rein flächenhaften optischen Speicher mit vergleichbaren Ausmaßen der Informationspits (gegeben durch die Laserfleckgröße, die sich durch Fokusierung und Beugungsbegrenzung ergibt) eine vervielfachte Speicherdichte entsprechend der Zahl der pro Fleck kodierten Hologramme. Durch die Möglichkeit des zeitgleichen Schreibens und des zeitgleichen Lesens der kodierten Hologramme an einer Stelle der Speicherplatte ohne mechanische Bewegung der Abtastung läßt sich die Datenübertragungsrate ebenfalls entsprechend vervielfachen.

Bei der Produktion einer solchen Speicheranordnung können vorhandene Schlüsselkomponenten von rein flächenhaften optischen Speichern (Halbleiterlaser, Detektoren, Trackingsysteme, Servosteuerungen etc.) eingesetzt werden. Der zusätzliche konstruktive Aufwand bleibt begrenzt.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Speicheranordnung, die mit Wellenlängenmultiplexing für zwei Wellenlängen arbeitet, ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Die binäre Information (zwei Bit pro Schreibstelle) soll durch das Speichern oder Fehlen eines Reflexions­ hologrammes bei der jeweiligen Wellenlänge verschlüsselt werden. Zur Erzeugung eines Hologramms wird von einer Laserdiode (LD) bei einer Wellenlänge (λ) ein Schreibstrahl emittiert, der mit einem dielektrischen Spiegel (S) (hochreflektierend bei der jeweiligen Wellenlänge, sonst transmittierend) umgelenkt und mit entsprechenden Linsen (L) auf die photoempfindliche Schicht (PhS) fokusiert wird. Der durch den transparenten Träger (TR) und die Schicht hindurchtretende Schreibstrahl wird an einem auf der abgewandten Seite der Speicherschicht befindlichen Spiegel (RS) (hochreflektierend bei allen Wellenlängen) reflektiert und zurück in das belichtete Schichtvolumen geworfen. Dabei wird eine stehende Welle erzeugt und zu jeder eingestrahlten Wellenlänge λ entsteht ein Intensitätsgitter der Gitterperiode Λ = λ/2 in der Schicht. Durch die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Materials bleibt dieses Gitter (Ho) als Modulation des komplexen Brechungsindex gespeichert (Reflexionshologramm). Das Beschreiben einer neuen Stelle kann nun durch eine mechanische Bewegung des Datenträgers zu den Schreibstrahlen erfolgen.

Im zweiten Teil der Abb. 1 ist die Rekonstruktion der wellenlängenkodierten Informationen an einer Stelle des Datenträgers wiedergegeben. Dazu wird der Spiegel (RS) entfernt. Die erzeugten holographischen Gitters reflektieren beim Auslesen wellenlängenselektiv (Braggreflex), d. h. ein bei einer Wellenlänge gespeichertes Gitter weist nur dann eine hohe Reflexion auf, wenn es mit der gleichen Wellenlänge wieder beleuchtet wird. Dadurch kann dekodiert werden, ob an dieser Stelle des Datenträgers ein Hologramm mit dieser Wellenlänge eingeschrieben wurde oder nicht. Die Reflexion kann detektiert werden, indem das reflektierte Licht mit einem wellenlängenselektiven Spiegel (SD) aus dem Strahlengang ausgekoppelt und über eine Photodiode (PD) in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Zur Vereinfachung wurden in diesem Beispiel nur zwei Laserdioden unterschiedlicher Emissionswellenlängen eingesetzt, prinzipiell kann das Modul durch eine Reihe von Laserdioden erweitert werden, so daß die Multiplexrate erhöht wird. Eine Begrenzung ist durch die Größe des benutzten Wellenlängenintervalls und die Dicke der Schicht bezogen auf die Wellenlänge gegeben. Das nutzbare Wellenlängenintervall 1 hängt von der Photoempfindlichkeit der Schicht ab.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 2. dargestellt. Die Funktionsweise ist analog zum o. g. Ausführungsbeispiel, nur daß hier eine Winkelkodierung eingesetzt wird. Die Reflexionshologramme werden von einem Laserdiodenarray (LDA) bei einer Wellenlänge im Zusammenhang mit einem Hohlspiegel (HS) erzeugt. Das Auslesen erfolgt unter Ausnutzung der Winkelabhängigkeit des Braggreflexes. Die Detektion kann beispielsweise mit einem CCD-Chip auf der abgewandten Seite des Datenträgers erfolgen. Ist an einer Stelle ein holographisches Gitter unter dem entsprechenden Winkel eingeschrieben wurden, wird der zugehörige Lesestrahl stark reflektiert. Die Abb. 2. zeigt die Verarbeitung eines konkreten Bitmusters als Beispiel. Das Bitmuster liegt nach dem Auslesen seitenverkehrt vor.

Claims (8)

1. Optische Anordnung zum Datenspeichern auf scheibenförmigen Datenträgern mit einer einzelnen zum holographischen Speichern geeigneten Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß an der gleichen Stelle in der Schicht mehrere Informationen parallel durch überlagerte mikroholographische Reflexionsgitter gespeichert werden können, die durch holographisches Multiplexing kodiert wurden und dadurch entstehen, daß das Interferenzmuster zweier gegenläufiger Laserstrahlen in der Schicht gespeichert wird, wobei die wirksamen Gitterebenen parallel oder um einen Winkel geneigt zur Schichtoberfläche verlaufen und allein das Vorhandensein eines solchen mikroholographischen Reflexionsgitters die Information beinhaltet.

2. Optische Anordnung zum Datenauslesen aus einer Schicht, in der nach Anspruch 1 Daten gespeichert wurden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch mehrere mikroholographische Reflexionsgitter an der gleichen Stelle gespeicherte Information durch verschiedene Lesestrahlen rekonstruiert wird, indem dessen Reflexion oder Transmission detektiert wird.

3. Optische Anordnungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroholographischen Reflexionsgitter durch Wellenlängenmultiplexing kodiert werden, wobei mehrere Schreib- oder Lesestrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden.

4. Optische Anordnungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroholographischen Reflexionsgitter durch Winkelmultiplexing kodiert werden, wobei mehrere Schreib- oder Lesestrahlen in unterschiedlichen Winkeln zur Schichtnormalen verwendet werden.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 1, 3 oder 4, bei welcher ein die Schicht durchdringender Schreibstrahl an einem separaten Spiegel oder durch Totalreflexion so zurückgeworfen wird, daß in der Schicht ein mikroholographisches Reflexionsgitter erzeugt wird.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 1, 4 oder 5, bei der parallel einlaufende Schreibstrahlen mit einem Linsensystem so gebündelt werden, daß sich der Fokus in der Schicht befindet und der genannte Spiegel ein Hohlspiegel ist.

7. Optische Anordnung zum Datenauslesen nach Anspruch 2, 3, oder 4, die durch Weglassen oder Verdecken des in Anspruch 5 oder 6 genannten Spiegels die Rekonstruktion der gespeicherten Information ermöglichen.

8. Optische Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, oder 7, bei der die geeignete Schicht ein Photopolymer, ein farbstoffdotiertes organisches Glas, eine photographische Schicht oder eine kristalline, photorefraktive Schicht ist.