DE2408010A1

DE2408010A1 - Einrichtung zum optischen speichern und auslesen binaerer information

Info

Publication number: DE2408010A1
Application number: DE19742408010
Authority: DE
Inventors: Rene Badertscher; Karl Alex Mueller; Dieter W Pohl; William V Smith
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-03-30
Filing date: 1974-02-20
Publication date: 1974-10-24
Also published as: FR2223785B1; JPS49131041A; CH554582A; FR2223785A1; GB1486271A

Description

Einrichtung zum optischen Speichern und Auslesen binärer Information

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum optischen Speichern und Auslesen binärer Information, wobei zwei unterschiedliche stabile Speichermediums zustände als binäre Speicherzustände definiert sind, die infolge zugeordneter Änderung der physikalischen Eigenschaften mit optischen Mitteln erkennbar sind und von welchen ein erster Zustand durch selektives Zuführen von Strahlungsenergie örtlich in einen zweiten Zustand überführt werden kann.

In der Schweizerischen Patentschrift 529.414 (U.S. Patent 3.530.441) ist

409843/0693

em vergleichbares Verfahren beschrieben, welches als Speicherzustände des Mediums den amorphen und den kristallinen Zustand eines HaIb-It'itermaterials ausnutzt. Der Uebergang von einem Zustand in den anderen wird ausgelöst durch Zufuhr von Energie, beispielsweise indem tuan einen elektrischen Strom durch das Material schickt. Auch ist vorgeschlagen, die Energie mittels eines Elektronen Strahles oder Laserstrahles dem Medium zuzuführen. Der Speicherzustand kann durch Abfühlen des elektrischen Widerstandes, der Kapazität, oder durch das Erkennen von Aenderungen optischer Eigenschaften, wie des Brechungsvermögens, des Streuvermögens öder der Reflexion gelesen werden. Auch können auf das Medium aufgebrachte elektrische Ladungen durch Tonerpartikel sichtbar gemacht werden. - Speicherelemente .dieser Art arbeiten in optischen Speichern verhältnismässig langsam, z.B. im Vergleich zu bekonnten magneto-optisch en Speichern.

In ihr Amerikanischen Patentschrift 3.50^.348 ist ein optischer Speicher I eschrieben, dessen Speicherzustände durch zwei verschiedene Phasen einos Speichermediums repräsentiert werden. Gewisse Metalloxyde können jy n.ioh dem Temperaturbereich in einer metallischen oder in einer halbi'-.tcnden Phase existieren. Diese beiden Phasen unterscheiden sich unter α- lerem durch unterschiedliche Absorptionsfähigkeit für Strahlung.

;;: 9-73-oQi _2-

409843/0693

π·τ Speichermodul ist mit einer Wärmesenke versehen, die so bemessen ist, dass die Absorption einer vorheizenden Dauerstrahlung im infraroten Bereich gerade so kompensiert wird,-dass sich ein erster stabiler Arbeitspunkt unterhalb der Phasenumwandlungtemperatur einstellt. Ein Schreibimpuls einer Strahlung im sichtbaren Bereich heizt das Medium örtlich auf, so dass es die Umwandlungstemperatur überschreitet und in die andere Phase übergeht. Da diese Phase jedoch Strahlung stärker absorbiert, stellt sich nun ein Arbeitspunkt oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur ein. Dieser zweite Arbeitspunkt bleibt auch nach Aufhören des Schreibimpulses stabil, weil nun wegen der gesteigerten Absorption die Vorheizung noch ausreichend ist, um auch die erhöhte Temperatur im Gleichgewicht mit der Wärmesenke zu halten. Zum Löschen wird die Vorheizung abgeschaltet, womit das Medium zu niederen Temperaturen und damit zur ersten Phase zurückkehrt. - Ein Speicher dieser Art arbeitet je nach dem verwendeten Material in ungewöhnlichen Temperaturbereichen. Auch wenn keine Speicheroperationen vorgenommen werden, muss die Strahlungsquelle für.die Vorheizung in Betrieb bleiben, damit die gespeicherte Information nicht verloren geht.

■it gibt eine Reihe von Materialien, die unter gewöhnlichen Bedingungen Polierend oder halbleitend sind, die jedoch unter anderen Bedingungen, ι ?ispielsweise unter hohem Druck, metallische Eigenschaften zeigen. Beyers einige Chalkogenide seltener Erden zeigen mit zunehmendem Druck

-·'- 9-73-001 _ 3 _

409843/0693

einen Phasenübergang von Halbleiter zu Metall die erforderlichen Drucke sind meist hoch, und der Phasenübergang erfolgt allmählich mit dem sich ändernden Druck über einen großen Bereich hin. Es gibt aber auch Materialien, welche einen abrupten übergang zeigen. So wird beispielsweise in der Zeitschrift "Physical Review Letters", Band 25, Nummer 20, Seiten 1430 bis 1*133 über solche Materialien berichtet in der Arbeit "Continuous and Discontinuous Semiconductor-Metal Transition in Samarium Monochalcogenides Under Pressure", verfaßt von A. Jayaraman et al. Samariumsulfid (SmS) zeigt den abrupten Phasenübergang bei einem Druck von etwa 65OO Bar. Unter diesem verhältnismäßig hohen Druck zeigt SmS den spontanen Phasenübergang, der sich im gesamten Material der Probe vollzieht und also ein Volumeneffekt ist, der auch bei Raumtemperatur auftritt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues optisches Speicherverfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile bekannter Verfahren nicht aufweist und die Herstellung opttis eher Speichereinrichtungen für binäre Information mit hoher Packungsdichte unter Anwendung des genannten Phasenübergangs ermöglicht.

Die Einrichtung zum optischen Speichern und Auslesen binärer Information der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus einem Festkörpermaterial besteht, das mindestens an seiner Oberfläche

9-73-001

A098A3/0693

sowohl in einer halbleitenden Phase als auch in einer metallischen Phase existenzfähig ist, und daß zum Einspeichern binärer Information der durch Laserstrahlung induzierte Phasenübergang Metall-Halbleiter ausgenutzt wird.

Diese Einrichtung ist in· vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium aus mindestens einem Chalkogenid seltener Erden besteht, welches des strahlungsinduzierten Phasenübergangs Metall-Halbleiter fähig ist, daß ein Laser und eine Steuereinrichtung zum örtlich und zeitlich selektiven Einschreiben binärer Information durch punktweises Einwirken von Strahlungsimpulsen auf das Speichermedium vorgesehen sind, daß eine steuerbare Lichtquelle und eine Lichtdetektoreinrichtung zum Lesen binärer Information in Reflexion oder Transmission vorgesehen sind, und daß Mittel vorgesehen sind, um den Speicherinhalt durch Hervorrufen des Phasenübergangs Halbleiter-Metall zu löschen.

Es hat sich herausgestellt, daß SmS (und zweifellos gibt es auch andere Materialien, die den gleichen Effekt zeigen) durch mechanische Spannungen im Material bereits bei Raumtemperatur in die metallische Phase mindestens an der Oberfläche der Probe übergehen kann. Diese Spannungen können in leichter Weise bereits durch mechanisches Polieren der glatten Oberfläche erzeugt werden. Auch die Anwendung von Biegespannungen oder anderer mechanischer Beanspruchung läßt die Oberfläche in den metallischen Zustand übergehen. Diese so erzeugbare metallische Schicht ist im allgemeinen etwa 10 bis 100 Nanometer (100 bis 1000 S)

SZ 9-73-001 . - 5 - _{A Λ}

409843Λ0693

dick. Bei dünnen Schichten kann auch das ganze Material in die metallische Phase übergehen. Dieser im wesentlichen auf die Oberfläche beschränkte Effekt verschwindet wieder durch Ausgleich der inneren Spannungen, beispielsweise durch Tempern der Probe bei höheren Temperaturen, s.o daß dann das ganze Material wieder in der halb leitenden Phase existent ist.

Es wurde nun gefunden, daß dieses Tempern zum überführen der metallischen Oberfläche in die halbleitende Phase des restlichen Materialvolumens auch spontan und örtlich selektiv durch impulsartiges Erhitzen mittels· zugeführte-r Strahlungsenergie bewirkt werden kann. Unter gewissen Bedingungen ist sogar der umgekehrte Phasenübergang vom Halbleiter zum Metall durch gezielte Anwendung von Strahlungsenergie möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Versuchsaufbau zum Vorführen der Vorgän

ge des Schreibens, des Lesens und des Löschens binärer Information, sowie zur Untersuchung der bei dem optischen Speicherverfahren verwendeten Effekte

SZ 9-73-001 - 6 - _ΑΛ

409843/0693

Fig. 2 a-e einen stark vergrösserten Ausschnitt aus dem Speichermeciium im Querschnitt am Ort eines Bits zur Erläuterung der Vorgänge des optischen Einschreibens und des Löschens durch strahlungs-induzierte Phasenübergänge

Fig. 3 schematisch und stark vergrössert eine Draufsicht auf

sechs Speicherplätze zur Erläuterung einer ersten Variante des Löschverfahrens

Fig. 4 schemätisch und stark vergrössert eine Draufsicht auf acht

Speicherplätze zur Erläuterung einer anderen Variante des Löschverfahrens

Fig. 5 schematisch im Querschnitt eine erste Möglichkeit der

Anordnung von Unterlage und Speicherschicht zum Hervorrufen von mechanischen Spannungen innerhalb der Speicher-, schicht .

. 6 schematisch im Querschnitt eine zweite Möglichkeit - oder

ein anderes Stadium - der Anordnung von Unterlage und Speicherschicht zum Hervorrufen von mechanischen Spannungen innerhalb der Speicherschicht

SZ 9-73-001 _ 7 _

409843/0693

. 7 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines

nach dem. Verfahren arbeitenden optischen Speichers

Pig. 8 . qualitativ die Kennlinie eines Diodenlasers, der je nach

Betriebsstrom zum Schreiben oder zum Lesen des Speichers verwendet wird

Fig. 9 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines nach

dem Verfahren arbeitenden optischen Speichers

Fig. 10 schematisch und stark vergrössert eine Draufsicht auf

einige Spuren mit Speicherplätzen eines Speichers nach Fig. 9

Bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck ist kubisches SmS halb leitend. Bei hydrostatischem Druck von etwa 6,5 Kilobar unterliegt es im Gesamtvolumen einem Phasenübergang erster Art und geht abrupt in den metallischen Zustand über, wobei die kubische Struktur erhalten bleibt. Der umgekehrte Phasenübergang eriolgt beim Zurückgehen des allseitigen Drucks auf etwa 0,8 kbar. Ein auf eine Oberflächenschicht von etwa 10 bis 100 Nanometer beschränkter Phasenübergang Halbleiter zu Metall lässt sich mit mechanischer Beanspruchung erzielen, beispiels-

SZ 9-73-001 - 8 -

409843/0693

weise durch Polieren der Oberfläche. Die Rückbildung erfolgt nach bisher bekannten Veröffentlichungen bei höheren Temperaturen. Diese Wärmebehandlung könnte wahrscheinlich einem Tempern entsprechen, wodurch innere mechanische Spannungen der SmS Probe ausgeglichen werden und sich die im Innern noch vorhandene halbleitende Phase wieder bis auf die Oberfläche,hin ausbreitet.

Fig. 1 stellt schemäti'sch.einen Versuchsaufbau dar, mit dem gezeigt und nachgewiesen werden kann, dass die bei Raumtemperatur an der Oberfläche der Probe existente metallische Phase zeitlich und örtlich selektiv auch durch impulsartige Einwirkung von Strahlungsenergie in die halbleitende Phase umgewandelt werden kann. Eine flache, dünne Probe 1 aus Samariumsulfid (SmS) oder einem anderen Material, das den erwünschten Effekt zeigt, befindet sich auf dem Objekttisch eines Mikroskops mit dem Objektiv 2 und dem Okular 3, wo man sie visuell beobachten kann. Im Lichtweg zwischen dem Objektiv 2 und der Zwischenbildebene befindet sich ein Strahlenteiler 5, um Strahlung einkoppeln zu können. Ein Laser 6, beispielsweise ein Rubinlaser für Impulsbetrieb, wird verwendet, um die Strahlungsenergie zum Induzieren des Metall-Halbleiter Phasenübergangs in der Probe 1 aufzubringen. Ueber ein Filter 7, als einstellbares Schwächungsglied, und eine Linse 8 wird .die Strahlung auf die durch den Strahlenteiler 5 gespiegelte Zwischenbildebene 4¹ fokussiert.

SZ 9-73-001 - - 9 -

409843/0693

Als Lichtquelle 9 ist ein weiterer Laser vorgesehen, dessen Ausgangslicht in den gleichen Strahlengang eingekoppelt werden kann. Zu diesem Zweck verwendete optische Mittel können bedeutend vereinfacht werden, wenn die in der gleichen optischen Achse angeordneten Laser auf verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Dann Ist beispielsweise der den optischen Resonator des Rubin-Impülslasers 6 auf der der Auskoppelseite abgewandten Seite abschliessende Reflektor ein dielektrischer Schichten Spiegel, der für die Strahlung des als-Lichtquelle 9 dienenden He-Ne Lasers durchlässig ist. fn den Strahlengang ist zwischen dem Filter 7 und der Linse 8 ein weiterer Strahlenteiler 10 eingefügt, welcher erlaubt, von der Probe 1 reflektiertes Licht auf eine für He-Ne licht empfindliche Detektoreinrichtung 11 zu richten.

Eine dünne, flache Probe SmS wird auf einen Träger, z.B. einen gläsernen Objektträger aufgebracht. Im halbleitenden Zustand erscheint das Material dunkel _f bläulich. Durch mechanische Beanspruchung wird an der Oberfläche die gelblich-goldene metallische Phase hervorgerufen. Eine so präparierte Probe kommt auf den Objekttisch des Mikroskops. Mittels der Lichtquelle und visueller Beobachtung kann das System des Versuchsaufbaus optisch justiert werden. Der Durchmesser für den Laserstrahl kann beispielsweise durch die Scharfeinstellung des Mikroskops zwischen etwa 1 und 10 Mikron eingestellt werden. Da aus weiter unten erläuterten Gründen der Laser

SZ 9-73-001 -10-

409843/0693

wesentlich leistungsfähiger ist, als es zum. Schreiben binärer Information, d.h. zum Induzieren des Metall-Halbleiter Phasenübergangs notwendig wäre, ist zur einstellbaren Abschwächüng der Ausgangsimpulse ein Filter 7 in den Strahlengang eingefügt. Der Laser 6 ist beispielsweise ein Riesenimpuls-Rubinlaser, der etwa 20 Nanosekunden lange Lichtimpulse der Wellenlänge 0,694 u abgibt. Die mögliche Ausgangsleistung von maximal 100 kW wird auf 100 W oder nur wenige Watt abgeschwächt. Der zum optischen Justieren und zum Auslesen der Information als Lichtquelle 9 gebrauchte He-Ne Laser arbeitet kontinuierlich mit Licht der Wellenlänge 0,632 u und mit wesentlich gefingerer Leistung.

Beim Beschuss des gold-gelben metallischen Samariumsulfids mit Laser-

impulsen der Leistung von etwa 5 bis 10 nJ/Αλ (Nano-Joule je Quadrat-Mikron) geht die getroffene Stelle spontan in die dunkle, halbleitende Phase an der Oberfläche der.Probe über. (Genauere Untersuchungen haben erwiesen, dass die Phasenumwandlung der Oberflächenschicht tatsächlich erfolgt und nicht etwa ein Krater erzeugt wird, an dessen Grunde das halbleitende Material aus dem Innern der Probe sichtbar wird.) Es lassen sich sehr genau an den angesteuerten Punkten mit definiertem Durchmesser die erwünschten PhaεenumWandlungen erzielen, ohne dass die unmittelbare oder weitere Umgebung der getroffenen Stellen verändert oder beeinträchtigt wird. Wenn .'■;;s;, z.H. der unveränderten metallischen Oberfläche am Ort einer Speicher-

SZ 9-73-001 _ χι _

409843/0693

stelle den Binärwert "Null" zuordnet, dann repräsentiert solch ein von der Laserstrahlung in die dunkle, halbleitende Phase umgewandelter Punkt den Binärwert "Eins".

Das Lesen von auf diese Weise gespeicherter Information erfolgt durch Abfühlen der Unterschiede in der Reflexion oder des durchgelassenen Lichtes'. Besonders einfach ist das Lesen in Reflexion bei praktisch senkrechter Inzidenz, d.h. man verwendet einen Lesestrahl, der in der gleichen Richtung wie der Schreibstrahl verläuft. Dann können die Mittel, die zur Schreibansteuerung dienen, praktisch unverändert bzw. mit nur geringfügigen Aenderungen auch für die Leseansteuerung verwendet werden. Bei der Anordnung nach Fig. dient als Abfragestrahlung das Licht des Ne-He Lasers, das als Lesestrahl in sich selbst reflektiert von der Probe 1 über den Strahlenteiler 10 zu der Lichtdetektoreinrichtung 11 gelangt. Verglichen mit einem gut reflektierenden"Standard am Ort der Probe als 100 %, ergaben Versuche etwa 75 % Reflexion der metallischen Phase, also der binären Null, und eine Reflexion von etwa 20 % der halbleitehden Phase, also der binären Eins. Solche Unterschiede in abgefühlten

•ψ

optischen Eigenschaften ergeben gut unterscheidbare Signale, die leicht auszuwerten und weiter zu verarbeiten sind.

SZ 9-73-001 - 12 -

409841/0693

Das Löschen der Information bedeutet die Rückumwandlung mindestens der Oberfläche des Speichermediums in die metallische Phase. Durch mechanische Beanspruchung, wie Polieren der Oberfläche oder Biegen der Probe/ kann die Oberfläche in grösseren Gebieten oder in ihrer Gesamtheit wieder in die metallische Phase oder den Null-Zustand überführt werden. Ein wirksames Mittel zum Erleichtern.des Erzeugens mechanischer Beanspruchungen ist das Plattieren des schichtartigen Speichermediums auf ein Substrat', das gleichzeitig mit ihm einer Biegebeanspruchung unterworfen wird. Auch kann das Substrat einen vom Speichermedium abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, so dass durch Temperaturänderungen entsprechende mechanische Beanspruchungen erzielbar sind.

Ein örtlich selektives Löschen einzelner Eins-Bits, d.h. die Rückumwandlung halbleitender Speicherpunkte ist jedoch auch möglich, wenn ein verhältnismassig starker Laserimpuls in die unmittelbare Nachbarschaft solcher Punkte geschickt wird, und wenn das Speichermedium gleichzeitig in einem soweit mechanisch vorgespannten Zustand ist, dass noch nicht spontan die metallische Phase auf der gesamten Oberfläche auftritt. Durch geeignete · Wahl der inneren mechanischen Vorspannung lässt sich ein für das selektive Löschverfahren geeignetes bistabiles Arbeitsgebiet des Speicherinediurns einstellen.

SZ 9-73-001· " - 13 -

409843/0693

-■ 2^08010

Zur näheren Erläuterung dient die Fig. 2, welche einen stark vergrösseilen Querschnitt durch das Speichermedium am Ort eines Speicherplatzes während verschiedener Betriebszustände.zeigt. Eine dünne Schicht von einkristallinem Samariumsulfid (SmS) ist an der Oberfläche poliert und dank der dadurch hervorgerufenen inneren mechanischen Spannungen in einer Schichtdicke von etwa 10 bis 100 nm Im metallischen Zustand. Γη Fig. 2a ist die grob schraffierte metallische Phase 12 durch eine gestrichelte Linie von dem fein schraffierten halbleitenden Völumenmaterial 13 abgegrenzt. In Fig. 2b ist angedeutet, wie zum Einschreiben ein Laserimpuls 14 die Probe trifft und lokal erwärmt. Die benötigte Energie liegt in der Grössen-

Ordnung von etwa 5 nj/ Al . Infolge der Energieein strahlung findet örtlich eine Art Tempern und damit ein Abbau der inneren mechanischen Spannungen statt, wodurch der getroffene Punkt in die halbleitende Phase übergeht. Der Speicherplatz 15 mit einer eingeschriebenen binären Eins sieht dann dunkel, grau bis blau aus und zeigt dementsprechend statt des Metallglanzes eine stark herabgesetzte Reflexion, die mittels der Lichtdetektoreinrichtung leicht erkennbar ist. In Fig. 2c ist dieser Zustand dargestellt.

Trotz zusätzlicher mechanischer Vorspannung der Speicherschicht ist der an der Oberfläche örtlich halbleitende Zustand stabil und existenzfähig,

SZ 9-73-001 -14 -

409843/0693

jedoch könnte ein Erhöhen der inneren mechanischen Spannung über einen Schwell wert hinaus den Halbleiter-Metall Phasenübergang der ganzen Oberfläche der Speicherschicht hervorrufen. Die Vorspannung ist aber auf einen solchen Wert eingestellt, dass dieser Phasenübergang nur örtlich auslösbar ist, indem man in unmittelbarer Nachbarschaft eines Speicherplatzes im halbleitenden Zustand einen Laserimpuls einwirken lässt. In Figi '2d ist dargestellt, .wie ein stärkerer Laserimpuls 16 neben dem Speicherplatz 15 mit einer gespeicherten binären Eins einfällt. Die aufzuwendende Energie ist jetzt in der Grössenordnung

von etwa 1 'M] /ja. , Die Oberfläche der Speicherschicht wird an der getroffenen Stelle stossartig deformiert, und die Störung breitet sich wellenartig in der unmittelbaren Umgebung aus. Dieser Anstoss genügt, um im benachbarten Speicherplatz den Halbleiter-Metall Phasenübergang auszulösen und so die gespeicherte Eins selektiv zu löschen. Fig. 2e zeigt, dass nach Aufhören des Laserimpulses und Abklingen der ausgelösten Vorgänge der ursprüngliche Zustand wie in Fig, 2a wieder hergestellt ist.

Fig. 3 zeigt schematisch in stark vergrösserter Draufsicht auf sechs Speicherplätze die Anwendung des oben erläuterten Betriebsverfahrens in einer Speichereinrichtung. In einem matrixartigen Raster sind Schreibpunkte 17 angeordnet, d.h. solche Stellen der Oberfläche der Speicher-

SZ 9-73-001 -15-

409843/0693

schicht, die gemäss Fig. 2b und c zum Einschreiben einer binären Eins durch strahlungsinduzierten Metall-Halbleiter Phasenübergang verwendet werden. Unmittelbar daneben, in einem gleichartigen Raster, sind jeweils Löschpunkte 18 angeordnet, d.h. solche Stellen der Oberfläche der Speicherschicht, die gemäss Fig. 2d dazu benutzt werden, dass mittels Laserimpulsen der Anstoss gegeben wird, dass mechanische Spannungen in der Speicherschicht dieOberfläche an dem zugehörigen Schreibpunkt in die metallische Phase überführen.

Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit der Anordnung. Die in einem Raster angeordneten Schreibpunkte 19 fallen praktisch mit den Löschpunkten 20 zusammen. Die ringförmigen Löschpunkte umgeben das Gebiet der Schreibpunkte, so dass beide Arten in der Draufsicht als konzentrische Kreise erscheinen. Die Löschpunkte liegen ausserhalb des Gebietes der Schreibpunkte, damit etwaig auftretende bleibende Verformungen der Schicht nicht den Lesevorgang beeinträchtigen.

Für die Existenzfähigkeit der metallischen Phase an der Oberfläche der Speicherschacht müssen in der Nähe der Oberfläche des Speichermediums mechanische Spannungen herrschen. Dehnungsbeanspruchungen zum Hervorrufen der inneren Spannungen lassen sich am leichtesten mittels Biegung der Schicht

SZ 9-73-001 - I₆ -

409843/0693

2^08010

bewirken. Ist die Schicht fest auf ein Substrat plattiert, kann · beispielsweise für das Substrat auch ein Material gewählt werden, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Speichermedium hat. Durch entsprechend dosiertes Erwärmen oder Abkühlen kann dann gegebenenfalls eine zusätzliche feinstufige Justierung der mechanischen Spannungen bewirkt werden, deren Grobeinstellung durch mechanisches Einspännen am Rande und Biegen

■ν

der Anordnung erfolgte. Fig. 5 deutet an, wie das Speichermedium 21 auf ein Substrat 22 fest aufgebracht, "z.B. plattiert ist. Eine Durchbiegung, z.B. vom ebenen Zustand in die dargestellte konvexe Form ruft im Innern der Speicherschicht die notwendigen Spannungen hervor. Die Ausgangslage kann selbstverständlich auch eine konkave Durchbiegung sein. Zweckmässig ist zum Erleichtern der optischen Ansteuerung die Gebrauchslage der Anordnung in einer Ebene, wie.es schematisch in der Fig. 6 dargestellt ist. Beispielsweise erzeugt die Durchbiegung des Substrats 22 mit dem Speichermedium 21 darauf von der konkaven Form in eine Ebene starke Dehnungen an der Oberfläche des Speichermediums 21.

In Fig. 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines nach dem Verfahren arbeitenden optischen Speichers schematisch gezeigt. Eine ebene Speicherplatte 23 ist ortsfest angeordnet.' Ein kombinierter Schreib/Lese/Lösch·

SZ 9-73-001 -17 -

409843/0693

4t

Kopf 24 wirkt über eine steuerbare'Ablenkeinrichtung 25 mit der Speicherplatte 23 zusammen. Eine allgemeine Steuereinrichtung 26 liefert und koordiniert nach den Erfordernissen der mit der Speichereinrichtung zusammenarbeitenden datenverarbeitenden Anlage Steuersignale an die einzelnen Steuereinrichtungen und Treiberschaltungen 27, 28 und 30, bzw. schaltet die vom Leseverstärker 29 kommenden Lesesignale durch. Die Ablenksteuerung 27 treibt die digital steuerbare Ablenkeinrichtung 25 für die örtliche Selektion mittels der zum Schreiben, Lesen oder Löschen der Information gebrauchten optischen Strahlung. (Digital steuerbare Ablenkeinrichtungen für Strahlen sind in der Technik allgemein bekannt. Ihre Ausführung sform ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.) Mit dem kombinierten Kopf 24 ist weiterhin eine Schreib/Lese-Steuerung 28, ein Leseverstärker 29 und eine Lösch-Steuerung 30 verbunden. Der Schreib/ Lese/Lösch-Kopf 24 enthält einen Schreib/Lese-Laser 31, einen Lichtsensor 32, einen Lösch-Laser 33, eine Optik 34 und einen Strahlenteiler 35 zum Separieren der Le se strahlung .von der Schreib strahlung.

Das Verfahren benötigt drei Strahlungsquellen zum optischen Schreiben, Lesen und Löschen binärer Information. Diese Quellen können einzeln, d.h. für jeden Zweck eine gesonderte Strahlungsquelle.vorhanden sein.

SZ 9-73-001 - 18 -

409843/0693

Auch können beliebige Kombinationen verwendet werden. Im Beispiel der Fig. 1 wird das Schreiben und das Löschen mit dem gleichen Impulslaser vorgenommen, während das Lesen bzw. Abfragen der Information mit einem anderen, kontinuierlich strahlenden Laser erfolgt. Im Beispiel der Fig. 7 ist die Lese- und die Schreibfunktion in einem gemeinsamen Laser 31 vereinigt, während für den Löschvorgang als gesonderte Strahlungsquelle der Laser 33 vorgesehen ist. Wenn · schaltbare Dämpfungsmittel oder eine gleichwertige Intensitätssteuerung vorhanden sind, kann auch eine einzige Strahlungsquelle für alle drei Speicheroperationen,verwendet werden. Die grösste Strahlungsleistung muss für den Löschvorgang aufgebracht werden..Eine um mindestens zwei Grössenordnungen kleinere Leistung braucht man für das Einschreiben, d.h. den strahlungsinduzierten Metall-Halbleiter Phasenübergang. Das optische Lesen bzw. Abfragen der Information durch Erkennen der Reflexionseigenschaften erfordert die geringste Strahlungsleistung, die noch mindestens weitere drei Grössenordnungen tiefer liegt. Die Lichtquelle zum Lesen der Information braucht daher an sich kein Laser zu sein. Diodenlaser sind jedoch gut brauchbar schon deshalh, weil sie sich kurzzeitig und genau einschalten lassen. Als Lichtsensor verwendet man zweckmässig Photodioden, bzw. Photodiodengruppen.

SZ 9-73-001 · - 19 -

409843/0693

Fig. 8 zeigt qualitativ die Kennlinie eines Diodenlasers,' Die anfänglich geringe Lichtemission L steigt nach Erreichen eines bestimmten Wertes des Stromes i steil an, wenn der Lasereffekt eingesetzt hat und das Rekombinationsleuchten in stimulierte Strahlungsemission übergegangen ist. Die Abhängigkeit bleibt jedoch eindeutig, so dass einem Stromwert immer eine bestimmte Lichtemission zugeordnet ist. Die Lichtemission lässt sich daher mittels der Stärke des zugefUhrten Stromes steuern. Wenn nun T der Schwellwert der Strahlungsenergie ist, .oberhalb dessen, die Strahlung fähig ist, im Speichermedium den MetallrHalbleiter Phasenübergang zu induzieren, kann durch einfache Steuerung des Stromes ein solcher Diodenlaser zum Schreiben oder zum Lesen der Information in einem nach dem Verfahren der Erfindung arbeitenden optischen Speicher verwendet werden. Beispielsweise entspreche der obere Arbeitspunkt W bei höheren Stromstärken der Schreibstrahlung und der untere Arbeitspunkt R der Lesestrahlung,

in Fig. 7 bezeichnet die Zahl 31 einen Schreib/Lese-Las er, der mittels der Schreib/Lese-Steuerung 28 in der beschriebenen Weise geschaltet werden kann. Ein optischer Schreibimpuls durchsetzt den Strahlenteiler 35 und die Linse 34, welche ihn auf eine Speicherspur 36 der Speicher-

SZ9.-73-Q01 -2Q-

409843/0893

platte 23 fokussiert. Welche Spur bzw. Zeile beschrieben wird, das bestimmt die Ablenkeinrichtung 25 mit der Ablenk steuerung 27, welche eine digital schaltbare seitliche Versetzung des Strahles in zwei zueinander senkrechten Richtungen bewirken. Entsprechend den Steuersignalen wird ein Schreibpunkt in der Speicherspur 36 angesteuert. Zum Auslesen wird der Schreib/Lese-Laser mit entsprechend geringerer Energie betrieben. Der Abfragestrahl, der den gleichen Weg zur Speicherspur geht wie oben beschrieben, wird je nach der gespeicherten Information mit unterschiedlicher Intensität reflektiert. Der praktisch in sich selbst reflektierte Strahl läuft als - gestrichelt dargestellter r- Lesestrahl zurück, durchsetzt die Ablenkeinrichtung 25, die Linse .34 und wird durch den Strahlenteiler 35 auf den Lichtsensor 32 gelenkt. Die Signale des Leseverstärkers 29 werden durch die allgemeine Steuereinrichtung 26 für die Weiterverarbeitung zur datenverarbeitenden Anlage durchgeschaltet.

Die Löschstrahlung wird durch einen, ebenfalls im kombinierten ■ Schreib/Lese/Lösch-Kopf 24 untergebrachten, separaten LÖsch-Laser erzeugt. Dieser Lösch-Laser 33 ist seitlich versetzt, neben dem Schreib/Lese-Laser 31 angeordnet, weshalb, bei unveränderter Einstellung der Ablenkeinrichtung 25, nun die neben der. Speicherspur 36

SZ 9-73-001 · . - 21 -

409843/0693

liegende Löschspur 37 von der Strahlung getroffen wird. Mittels der Lösch-Steuerung 30 wird der Vorgang eingeleitet, der sinngemäss in einer Weise erfolgt, wie er oben anhand der Figuren 2 und erläutert wurde. Auf der Speicherplatte 23 wird zeilenweise jeweils eine Speicherspur 36 und eine Löschspur 37 zusammengefasst, die durch eine mechanische Isolation 38 vom nächsten Spurenpaar getrennt sind. Im einfachsten Falle ist diese Isolation 38 eine Nut, welche die unerwünschte Ausbreitung der durch den auftreffenden Laserimpuls verursachten Schockwelle in benachbarte Speicherspuren verhindert. Die Löschspur kann auch aus einem anderen Material wie dem Speichermedium be-

stehen. Es kann auch in diesen Gebieten das Substrat frei liegen und so die Löschspur bilden. ·--* ■ ',-"

In Fig. 9 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitenden optischen Speichers dargestellt. Die Speicherplatte 39 ist hier um eine Achse 4 0 drehbar angeordnet, wie durch den Pfeil 41 in der Darstellung angegeben ist. Der kombinierte Schreib/Lese/Lösch-Köpf ist zur Ansteuerung der gewählten Spur in radialer Richtung verschiebbar. Der Doppelpfeil 42 zeigt diese Ansteuermöglichkeit in der Figur. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Zugriff zur Information schneller erfolgen kann als bei Ver-

SZ 9-73-001 * " - 22 -

409843/0693

wendung einer digital schaltbaren Ablenkeinrichtung für den Strahl. Obwohl auf der rotierenden Speicherplatte die Information sehr dicht gepackt ist, braucht jedoch .der Schreib/Lese/Lösch-Kopf sich nicht in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Speicherplatte zu bewegen. So kann ein ausreichender Abstand eingehalten werden, und Probleme wie z.B. die gleitende Luftlagerung des Schreibkopfes bei Magnetplattenspeicher treten hier gar nicht auf. \ "

Die Speicheroperationen erfolgen sinngemäss in gleicherweise wie

-■ . * oben beschrieben. Fig.. 10 zeigt schematisch einen stark vergrösserten Ausschnitt der Speicherplatte in Drauf sieht. Die Darstellung ist nicht massstäblich, sondern dient nur zur Erläuterung. Die mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7 versehenen Spuren bilden hier konzentrische Kreise, Jeweils ein Spurenpaar aus einer Soeicherspur 36 und einer Löschspur 37 ist durch eine mechanische Isolation 38 vom benachbarten Spurenpaar getrennt. Das Bitmuster wird durch das Vorhandensein von in die halbleitende Phase des Speichermediums umgewandelten Schreibpunkten 43 gebildet, die den Binärwert Eins verkörpern. Die Lücken in der Spur, d.h, Speicherplätze ohne sichtbare Schreibpunkte, stellen jeweils eine binäre Null dar. Löschpunkte 44 können unter Umständen noch sichtbare Spuren hinterlassen, d.h. bleibende Verformungen der

S2 9-73-0Q1 - 23 -

A098A3/0693

Oberfläche der Schicht infolge des Auftreffens der starken Laserimpulse. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Speicherbetrieb dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Ein Löschverfahren, bei dem bleibende Verformungen der Schicht sicher vermieden werden, ist der lokale Spannungsausgleich durch Anwendung von Ultraschall. Zu diesem Zweck wird ein kleiner Ultraschallgeber, z.B. eine magnetostriktive Einrichtung auf der Speicherschicht angeordnet. Der Löschvorgang muss¹ dann mit elektrischen Signalen gesteuert werden. Dieses Verfahren'ist sehr wirksam. Jedoch geht dadurch die Einheitlichkeit eines optischen Speichers ein wenig verloren, weil von drei Speicheroperationen Schreiben, Lesen und Löschen nur noch zv/ei auf rein optischem Wege erfolgen.

SZ 9-73-001 - 24 -

409843/0693

Claims

PATENTANSPRÜCHE

/ίΤ/ Einrichtung zum optischen Speichern und Auslesen binärer Information, wobei in einem Speichermedium zwei un-. terschiedliche stabile Speichermediumszustände als binäre Speieherzustände definiert sind, die infolge zugeordneter Änderung der physikalischen Eigenschaften mit optischen Mitteln erkennbar sind, und von welchen ein erster Zustand durch selektives Zuführen von Strahlungsenergie örtlich in einem zweiten Zustand überführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (23) aus einem Festkörpermaterial, besteht, das mindestens an seiner Oberfläche sowohl in einer halbleitenden Phase als auch in einer metallischen Phase existenzfähig ist, und daß zum Einspeichern binärer Information der durch Laserstrahlung induzierte Phasenübergang Metall-Halb- leiter ausgenutzt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (1) aus mindestens einem Chalkogenid seltener Erden besteht, welches strahlungsinduzierten Phasenübergangs Metall-Halbleiter fähig ist, daß ein Laser (31) und eine Steuereinrichtung (28) zum örtlich und zeitlich selektiven Einschreiben binärer Information durch punktweises Einwirken von Strahlungsimpulsen auf das Speichermedium (23) vorgesehen sind, daß eine steuerbare Lichtquelle (31) und eine Lichtdetektoreinrichtung (32) zum Lesen binärer Infor-

SZ 9-73-001 - 25 -

409843/0693

mation in Reflexion oder Transmission vorgesehen sind₃ und daß Mittel (33) vorgesehen sind, um den Speicherinhalt durch Hervorrufen des Phasenüberganges Halbleiter-Metall zu löschen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspeichern binärer Information Strahlungsimpulse eines Läsers (31) mit einer Energie in

der Größenordnung von 5 bis 10 ηJ/|im dienen.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen

2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Lesen binärer Information die Änderung von Reflexionseingenschaften der Speicherpunkte auf optischem Wege mittels der Strahlung einer Lichtquelle (31) und mit für diese Strahlung empfindlichen Detektoren (32) feststellbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen

2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Lesen binärer Information die Änderung von Transmissionseigenschaften des Speichermediums (23) auf optischem Wege mittels der Strahlung einer Lichtquelle (31) und mit für diese Strahlung empfindlichen Detektoren (32) feststellbar ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch ge kennzeichnet, daß zum Löschen binärer Information das

SZ 9-73-001 - 26 -

409843/0693

Speichermedium (23) einer mechanischen Vorspannung

aussetzbar ist, die gerade noch nicht ausreicht, den Phasenübergang Halbleiter-Metall auszulösen, und daß auf die. unmittelbare Nachbarschaft von zu löschen den Speicherpunkten ein Laserimpuls mit einer Energie in der Größenordnung -von 1 uJ/μπι richtbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Vorbereiten des Löschens binärer Information benötigte mechanische Vorspannung im Speichermedium (23) in Form einer Biegebeanspruchung anwendbar ist,
8: Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Vorbereiten des Löschens binärer Information benötigte mechanische Vorspannung im Speichermedium (23) in Form einer Dehnungsbeanspruchung anwendbar "ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anwendung von Ultraschall zum die Einleitung des Phasenübergangs auslösenden Spannungsausgleich.
10. Einrichtung mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (23) aus Samariumsulfid (SmS) besteht.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 10, dadurch

SZ 9-73 -001 - 27 -

409843/0693

gekennzeichnet, daß das Speichermedium als Schicht auf einer ebenen Speicherplatte angeordnet ist und daß die Strahlungsquellen und zugehörige optische Einrichtungen in einem kombinierten Schreib/Lese/ Lösch-Kopf (24) vereinigt sind.
12. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ansteuern von Speicherpunkten zwischen dem Schreib/Lese/Lösch-Kopf (24) und der Speicherplatte (23) eine steuerbare Ablenkeinrichtung (25) für die Strahlung angeordnet ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherplatte (39) um eine Achse (40) drehbar angeordnet ist, und daß der Schreib/Lese/Lösch-Kopf in radialer Richtung verschiebbar gegenüber der Speicherplatte angeordnet ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als gemeinsame Strahlungsquelle zum optischen Schreiben und Lesen binärer Information ein Diodenlaser (31) vorgesehen ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle für die Löschimpulse ein Lösch-Laser (33) neben dem Schreib/ Lese-Laser (31) angeordnet ist, der die gleiche Optik (34) wie für die Schreibimpulse verwendet,

SZ 9-73-001 - 28 -

409843/0693

so daß bei unveränderter Stellung der Selektionsmittel der Löschimpulse in unmittelbarer Nachbarschaft des angesteuerten Speicherpunktes auftreffen.
16. Einrichtung nach Anspruch 12 und 14 oder 15_} dadurch gekennzeichnet, daß auf der Speicherplatte jeweils zwei benachbarte Zeilen oder Spuren (36, 37) zur Aufnahme von Schreibpunkten (43) oder Löschpunkten (44) vorgesehen sind.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spurenpaar (36, 37) vom folgenden Spurenpaar durch eine mechanische Isolation (38) getrennt ist.

SZ 9-73-001 - 29 -

409843/0693