DE2803121A1

DE2803121A1 - Optische datenspeichervorrichtung

Info

Publication number: DE2803121A1
Application number: DE19782803121
Authority: DE
Inventors: George Castro; Dietrich Haarer; Roger Morton Macfarlane; @@ Trommsdorff Hans Peter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-02-14
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1978-08-17
Also published as: FR2380619A1; JPS5399735A; AU513784B2; DE2803121B2; ES466911A1; JPS5851355B2; IT7819700A0; SE7801532L; NL7801245A; IT1112606B; DK64378A; GB1544799A; DE2803121C3; CH625901A5; AU3118277A; CA1112365A; SE422632B; BR7800434A; FR2380619B1; US4101976A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Araonk, if.Y. 10504

bu / sue
Optische Datensreichervorrichtung

Die Urfindung betrifft eine Vorrichtung wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu entnehmen ist.

Durch die amerikanische Patentschrift 3 896 420 ist eine optische Speichervorrichtung bekannt geworden, welche neben Raumdimensionen als weitere Dimension die Frequenz verwendet und so die Speicherkapazität erheblich vergrößert. Die Speichervorrichtung enthält ein Material, das optisch gesättigt werden kann und dabei eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie aufweist. Beispiele von Materialien, welche in diesem System verwendet v/erden können, sind mit Chrom dotierter Rubin, mit Chrom dotiertes Magnesiumoxid, ;o„, S₀, Se₀ und SeS in KJ und andere. Informationsbits

j Δ ί 6 j

iwerden durch selektive optische Sättigung gespeichert, die j !durch einen schraalbandigen Laser hoher Intensität verursacht 'wird. Diese selektive Sättigung einer inhomogen verbreiterten _; [Absorptionslinie durch ein schmalbandiges monochromatisches ι Signal bestimmter Frequenz nennt man in der englischsprachigen j Literatur "hole burning", v/as man etwa mit "ein Loch fressen" j übersetzen könnte. Die optische Sättigung ist ein physika- j lischer Effekt, welcher nur bei hohen Intensitäten des Lichtes auftritt und der angeregte Zustände gleichartiger Atome betrifft, die sich in etwas unterschiedlicher Wirtsumgebung befinden. Die so erzeugten Informationsbits sind so lange nicht - flüchtig, als das Material der intensiven Strahlung eines breitbandigen Lasers ausgesetzt ist. Sobald diese Einstrahlung aus irgendeinem Grunde aufhört, ist die Lebensdauer der gespeicherten Information in dem Material nur noch

—2

in der Größenordnung von etwa 10 Sekunden. Keil der

023~

809833/0755

Speicherinhalt verloren geht, wenn die Energieversorgung unterbrochen ist oder die Lichteinstrahlung aufhört/ läßt sich die bekannte Speichervorrichtung als nicht-permanentes, energieabhängiges Speichersystem bezeichnen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Speichervorrichtung unter Ausnutzung des photochroinisehen Effekts zu schaffen, die frequenzselektiv beeinflußt werden kann und deren gespeicherte Information permanent oder semipermanent zu handhaben ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist den Patentansprüchen zu entnehmen .

Die optische Speichervorrichtung und das Verfahren zu ihrem Betrieb machen also ebenfalls Gebrauch von der Lichtfrequenz als weiterer Dimension. Das Speichermedium besteht dabei aus einem Material, beispielsweise in der Form eines Blocks, in welchem eine strahlungsinduzierte photochromische Reaktion im Ansprechen auf elektromagnetische Strahlung bestimmter Frequenz ausgelöst wird. Dieses Speichermediumsmaterial zeigt dabei eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie. Beispiele solcher Speichermediumsmaterialien \ sind Wasserstoff-Porphyrin als freie Basis (H_o-Porphyrin) und Tetrazin. Informationsbits werden durch selektive strahlungsinduzierte photochromische Reaktionen gespeichert, ' :die durch einen schmalbandigen Laser bei gewissen Frequenzen ι innerhalb der verbreiterten inhomogenen Linie eingeschrieben \ !werden. Die Speicherdauer von solchen strahlungsinduzierten j Datenbits liegt in der Größenordnung von Jahren, so daß die J !Speichervorrichtung in dieser Beziehung als permanent bezeich- j ■net werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfinj- ;dung kann dieses Material für das Speichermedium auch so ge- j !wählt sein, daß die strahlungsinduzierte photochromische Reaktijon wieder rückgängig gemacht werden kann, wodurch das Löschen ge- j

^97β °²³ 809833/0755

speicherter Daten ermöglicht wird, also eine semipernanente bpeichorvorrichtung vorliegt.

Im folgenden wird die Lrfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Seichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Übersicht der Speicher

vorrichtung einschließlich der Mittel zum Einschreiben und Auslesen der Information,

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel der Ausgangs

signale eines Lasers als monochromatische Signale bei drei verschiedenen Frequenzen,

Fig. 3 veranschaulicht die inhomogene Absorption

bei langsamem thermischen Ausgleich des Materials, bevor es der Strahlung des Lasers gemäß der Fig. 2 ausgesetzt vrird,

Fig. 4 zeigt die Absorption des ilaterials nach

der Belichtung mit den Las er Signalen gemc^!ß der Fig. 2,

Fig. 5 zeigt die Ausgangssignale einer Abführvorrichtung, die man erhält, wenn man den Laser über den Frequenzbereich von A bis L ι variabel abs timrat.

j In der Fig. 1 ist schematisch, eine optische Speichervorrichtung ! dargestellt, welche als weitere Dimension die Dimension der Frequenz benutzt. Die Speichervorrichtung 10 enthält einen Laser 14, der mit einer Abtastvorrichtung 12 versehen ist.

; Außer der Steuerung des Laserstrahl kann auch dessen Frequenz

! verändert werden. Die Strahlung des Lasers 14 durchläuft einen Verschluß 16, der während des Durchstimmens der Frequen-

^Si-⁹⁷⁶⁰²³ fl09833/07ES

zen des Lasers bei entsprechenden ausgewählten Frequenzen geöffnet wird. Ein spezielles Beispiel von Laserfrequenzen, die an der Stelle 18 aus dem Verschluß 16 austreten ist in der Fig. 2 dargestellt. Drei monochromatische Signale sind als Spektrallinien M, N und P innerhalb des Frequenzbereiches A bis B als Spitzenwerte der Lichtintensität I bei entsprechenden Werten der Frequenz f dargestellt. Während des Schreibzyklus werden das Filter 20 und die Abfühleinrichtung 24 nicht gebraucht. Ihre Verwendung wird unten bei der Beschreibung des Lesezyklus berücksichtigt.

Der Laser 14 muß in seiner Frequenz stabilisiert sein, er muß über den ganzen Frequenzbereich der inhomogen verbreiterten Linie abstimmbar sein und er muß in einem schmalbandigen Modus arbeiten. Durch Fokussieren des Laserstrahls kann ein minimaler Strahldurchmesser in der Größenordnung von 1 um erzielt werden. Damit liegt die erreichbare Speicherdichte

Q 2

von Lichtpunkten in der Größenordnung von 10 /cm . Die Einrichtungen für die räumliche Ablenkung des Laserstrahls sind nicht dargestellt, sie sind von gebräuchlicher Bauart.

Das Speichermedium 22 ist eine Schicht oder ein Block aus einem Material, das fähig ist, bei Belichtung eine strahlungsinduzierte Reaktion auszuführen. Diese photoinduzierte Reaktion ist eine photochemische Reaktion oder eine photochromische Reaktion, d. h. eine durch die Belichtung verursachte Veränderung der optischen Eigenschaften des Materials. Das Material erfährt daher eine Reaktion von Atomen, Molekülen oder Molekülkomplexen, die reversibel oder irreversibel sein kann. Auch muß das Material eine inhomogene Absorptionslinienverbreiterung in einer inhomogenen als Grundstruktur dienenden Matrix aufweisen, wie es in Fig. 3 als Funktion der Absorption A von der Frequenz f dargestellt ist, wobei diese inhomogene Absorptionslinie sich im wesentlichen über einen Frequenzbereich von A bis B erstreckt. Ein Beispiel eines

976 023 B09833/075S

Materials, welches einer reversiblen photochroniischen Reaktion fähig ist, ist Porphyrin als freie Base, wie H₂-Porphyrin, zu nennen, das in einer vorgegebenen Grundstruktur geeigneten Materials eingebettet ist. Ein Beispiel eines Materials, welches eine irreversible oder permanente photochromische Reaktion erfährt, ist Tetrazin.

Andere Beispiele von Materialien sind analog deuteriertes Porphyrin, D„-Porphyrin, Phtalocyanin und Tetraphenyl-Porphyrin. Auch alle anderen Materialien, welche inhomogene Linienverbreiterung in einer inhomogenen Matrix als Grundstruktur aufweisen und bei Belichtung eine photo-induzierte Reaktion erfahren, können bei der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung verwendet werden.

Wenn im Bereich der ultra violetten, sichtbaren oder infraroten elektromagnetischen Strahlung das Laserlicht bei-Jspielsweise eine Frequenz M (Fig. 2) hat und in das Speichermedium 22 einfällt, welches eine inhomogen verbreiterte j jAbsorptionslinie mit der Bandbreite A-B aufweist, dann bleicht der Laser einen engen Spektralbereich oder eine Spektralilinie M¹ (Fig. 4) ans, was einem gespeicherten Informationsibit entspricht. Dieser Effekt kann optisches photoreaktives Ausbleichen genannt werden, und sein Mechanismus ist völlig verschiedein von der eingangs erwähnten selektiven optischen Sättigung, welche an hohe Strahlungsintensitäten gebunden ist. Bei dem selektiven optischen photoreaktiven Ausbleichen erfahren einige Moleküle strukturelle oder chemische Veränderungen, die zu nicht-flüchtigen Reaktionsprodukten führen, welche optische Eigenschaften aufweisen, die unterschiedlich von den Eigenschaften des Ausgangsmaterials sind. Dieser Effekt kann sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Intensitäten der Strahlung beobachtet werden. Er verwendet den Grundzustand von Atomen oder Molekülen im Gegensatz zu der oben erwähnten optischen Sättigung, die angeregte Zustände ausnutzt. Die Lichtintensität hat nur Einfluß

sä 976 023 S09833/0755

auf die Schreibgeschwindigkeit. Der photochemische Prozeß dieser Art optischen Ausbleichens wirkt nur bei solchen Molekülen, die bei einer bestimmten Frequenz absorbieren, in diesem Falle also bei der Frequenz M. Die anderen Moleküle in dem Material, welche bei anderen Frequenzen absorbieren, bleiben unverändert, v/eil sie nicht an der photoinduzierten Reaktion teilnehmen.

Nach Ausbleichen des Materials bei der Frequenz M werden der Laser 14 und der Verschluß 16 so eingestellt, daß Laserlicht mit der Frequenz N (Fig. 2) in das Material 22 einfällt, um das Loch N¹ (Fig. 4) auszubleichen. Andere Moleküle des Materials, welche bei anderen Frequenzen absorbieren, bleiben unverändert, weil sie nicht an der photoinduzierten Reaktion teilnehmen.

In gleicher Weise reagieren nun solche Moleküle, welche bei der Frequenz P absorbieren, um ein Loch P¹ (Fig. 4) auszubleichen, wenn das einfallende Laserlicht die Frequenz P hat.

Wenn einmal diese sogenannten Löcher bei den Frequenzen M, N | und P ausgebleicht sind und damit entsprechende Informations- ι :bits M, N und P eingeschrieben sind, dann liegt ein permanentes), !energieunabhängiges Ergebnis vor, da diese so ausgebleichten Istellen unverändert bestehen bleiben, auch wenn das Licht des 1 j

jLasers nicht weiter einwirken kann. Die Lebensdauer solcher ' I Informationsbits entspricht der Lebensdauer des strahlungsindu-j j zierten Reaktionsproduktes, welche in der Größenordnung von j !Jahren liegt. \

Das wesentliche des erfindungsgemäßen Speicherverfahrens liegt j in der Abstimmung der Frequenz der Laserstrahlung, um eine

jAnzahl von Löchern innerhalb der inhomogen verbreiterten

IAbsorptionslinie A-B auszubleichen. Die Anzahl von in der Dijmension der Frequenz speicherbaren Inforamtionsbits hängt von

sä 976 023 " fl~09833 /0755

dem Verhältnis der Bandbreite der inhomogen verbreiterten Absorptionslinie zu der Breite des engen Spektralbereiches oder der Spektrallinie eines ausgebleichten Loches ab. Diese Anzahl kann ausgedrückt v/erden durch N=1/2 (AW./AW ). Aus der Literatur ist bekannt, daß AW. einen sehr engen Spektralbereich umfaßt, der bei gewissen Systemen und tiefen Temperaturen in der Größenordnung von 10 MHz liegt. AW. kann

3 ^x für gewisse Systeme die Größenordnung von 10 GHz erreichen.

Eine Speichervorrichtung, welche beide Extremwerte erreicht,

4 5 kann innerhalb einer Absorptionsbande 10 bis 10 Datenbits speichern. Weil in den meisten Fällen AW, bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist, und v/eil AW. praktisch Temperatur-unabhängig ist, ist die Speicherkapazität einer solchen Speichervorrichtung bei tiefen Arbeitstemperatüren höher, was in vorteilhafter Weise bei Realisierung einer Speichereinrichtung ausgenutzt werden kann.

Das Auslesen der Daten kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist in der Fig. 1 dargestellt, v/o der gleiche Laser und die gleichen optischen Einrichtungen, die für das 'Schreiben benutzt wurden, auch für das Auslesen verwendet werden. In diesem Falle muß jedoch die Intensität des Lichtes ides Lasers 14 durch ein in den Strahlengang eingefügtes |Filter 20 erheblich reduziert werden, um zu verhindern, daß

|ein weiteres Ausbleichen erfolgt. Das Licht des Lasers muß

{über einen Frequenzbereich durchgestimmt werden, der größer _:

als der Frequenzbereich von A bis B ist. Gedämpft durch das Filter 20 passiert das Laserlicht das Speichermedium 22 und fällt auf eine Abfühleinrichtung 24. Das Ausgangssignal D des Detektors 24 hat dann etwa die Form, wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. Das Ausgangssignal D der Abfühlein- j richtung 24 zeigt einzelne Spitzenwerte M", N" und P". Das sind die Frequenzen f, wo vorher durch den Schreibzyklus sogenannte Löcher ausgebleicht wurden. Solche Signale wie IM", N" und P" mögen den Datenbits einer binären Eins entspre-

[Chen und das Fehlen eines Ausgangssignals die binäre Null ver- ^S~^{A 9Wo}" 8098337075B

"31 "

körpern. In der Fig, 5 sind solche Datenbits längs Ser Frequenzachse eingetragen»

Zum Auslesen und Einschreiben von Information in das Speichermedium können auch optische I&nriehtungen verwendet werden, die anders angeordnet sind, als in dem Blocksehema der Fig. angedeutet. Beispielsweise kann eine Einrichtung zum Modulieren der Lichtintensität anstelle des Verschlusses 15 und des Filters 20 verwendet werden, welche sowohl die Funktion des Ein- und i&us Schaltens des Lichtes als auch die ©Impfung oder Verdunkelung wahrend des Auslesens der Information ausführt.

Ein anderes mögliches lieseverfahren verwendet verschiedene angeregte Zustande eines Moleküls. Beispielsweise ,kann ein Speichermaterial sowohl einen angeregten .Singulett-Ziistand j als auch einen !Eriplett— Zustand aufweisen, ,angenommen, -da© nur j einer der beiden angeregten Zustände photoreaktiv ist, j beispielsweise das Singulett, dann !kann man Sie Information im Singuleit-Modus einsehreiben und zerstorangsfrei im :Triplett-JSodus auslesen. Eine andere lloglichkeiit I>e5.tent darin, zwei Laser Mt !^unterschiedlichen Ifellenlaageii !beim !E ,von Inf onaation. zxl verwenden -und einen 3»aser beim

jAuch kann man beim Auslesen anstelle der Äbsorptionsei-gen- !schäften des lla-terials andere optische Eigenschaften verwenden -wie beispielsweise idie Beflektitaisvermogeii oiler die Fluores zenz»

Das beschriebene Äusf ührungsbeispiel verwendet sine Schicht des Speichereediutnis^ um entsprechend ±n zwei Dimensionen einzuschreiben and aann als dritte Dimension äer Speicharang die Frequenz neranzuziehen. Man kann jjefioch auch eine vJLer-flimensionale Speidiereinrlchtang dadurch scäiaffen, äaB -mam iüs Laserstrahlm^ dazu ausnutzt, in einem Block des Speichermaterilals

^SA976023

Volumenhologramme zu erzeugen, also drei-dimensionale Darstellungen zur Speicherung vorsieht, wozu in diesem Falle als vierte Dimension ebenfalls der Bereich der Frequenz tritt.

976 023 8Q9833/07SS

Claims

FATE H TA H SP RÜCK E

/ 1., Vorrichtung zum optischen Speichern von Daten unter Ausnutzung des photochromischen Effekts, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherraedium ein Material vorgesehen ist, das mindestens eine inhomogen verbreiterte Absorptionslinie aufweist und das innerhalb der genannten Linie schmalbandig durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verschiedener Frequenzen selektiv ausbleichbar ist, wobei das Speichermediumsmaterial durch strahlungsinduzierte Reaktionen bleibende Veränderungen der optischen Eigenschaften erfährt, und daß mindestens ein Laser vorgesehen ist, um schmalbandig in das Speichermediumsmaterial monochromatische Lichtsignale verschiedener Frequenzen einschreiben zu können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsinduzierte Reaktion photochromescher Natur ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laser auch zum Auslesen der Information vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Laser in der Frequenz abstimmbar eingerichtet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auslesen der Information ein zweiter Laser vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht des genannten

^{SA 976 O23} «09833/0755

ORIGINAL INSPECTED

Materials zweidimensional durch mindestens einen Laser beschreibbar und auslesbar eingerichtet ist, und daß eine dritte Dimension des Speichers durch die Menge der unterschiedlichen Frequenzen monochromatischer Signale verkörpert ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speichermediumsblock dreidimensional in Form von Volumenhologrammen durch mindestens einen Laser beschreibbar und auslesbar eingerichtet ist, und daß eine vierte Dimension des Speichers durch die Menge der unterschiedlichen Frequenzen monochromatischer Lichtsignale verkörpert ist.
8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Einschreiben von Information mittels eines abstimmbaren, schmalbandigen Lasers monochromatische Lichtsignale unterschiedlicher optischer Frequenz in ein selektiv ausbleichbares Speichermedium mit inhomogen verbreiterter Absorptionslinie dadurch einschreibt, daß man durch strahlungsinduzierte photochromische Reaktionen das Speichermedium örtlich monochromatisch ausbleicht, so daß dessen Absorptionskurve bleibende schmalbandige Durchlaßbereiche erhält, und daß man zum Auslesen von Information das Speichermedium je Speicherpunkt in einem „lultiplexverfahren mit einer in der Frequenz jeweils über den ganzen Bereich der Absorptionskurve variabel durchgestimmten Abfragestrahlung abtastet und die durchgelassenen monochromatischen Lichtsignale in einer Abfühlschaltung auswertet.

SA 976 023 . _{AA A} '

809833/0755

28ÜJί21
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Speichermediumsmaterial, vorzugsweise bestehend aus einer Porphyrinstruktür als freie Base, selektiv einer reversiblen photochromischen Reaktion unterworfen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das Speichermediumsiaaterial, vorzugsweise bestehend aus Tetrazin, selektiv einer irreversiblen photochronischen Reaktion unterworfen wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der das Speichermediumsmaterial enthaltende Speicher bei möglichst tiefen Arbeitstemperaturen betrieben wird.

h <5 76 O23

fi 0 9 η 'η / η 7 5 5