ES2240407T3 - Procedimiento y sistema para grabacion de informacion en un medio holografico. - Google Patents
Procedimiento y sistema para grabacion de informacion en un medio holografico.Info
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Abstract
Un procedimiento de grabación de hologramas en una estructura de capas de guía de ondas, conteniendo la estructura de capas de guía de ondas múltiples capas de guía de ondas (3, 23), capas separadoras (4, 29) que separan las capas de guía de ondas (3, 23), siendo el índice de refracción de las capas separadoras menor que el índice de refracción de las capas de guía de ondas, rejillas (12, 42) que tienen diferente espaciado y/o perfil y/o orientación alrededor del eje perpendicular al plano de la estructura de capas de guía de ondas en las diferentes capas de guía de ondas (3, 23), que comprende las etapas de grabar los hologramas en o en las proximidades de cada capa de guía de ondas como interferencia entre un haz de objeto (5, 45), siendo el haz de objeto esencialmente perpendicular al plano de la estructura de capas de guía de ondas y un haz de referencia (11, 41) acoplado a cada dicha capa de guía de ondas (3, 23), en el que - a cada capa de guía de ondas (3, 23) está asociada una rejilla (12, 42) para acoplar selectivamente el haz de referencia (11, 41) en cada dicha capa individual de guía de ondas (3, 23) de la estructura de capas de guía de ondas, y - el haz de referencia (11, 41) se proyecta en ángulos acimutales de diferente incidencia y/o diferente orientación alrededor del eje perpendicular al plano de la estructura de capas de guía de ondas sobre las rejillas (12, 42), donde los componentes de las diferentes direcciones que caen en el plano de un medio de almacenamiento de datos también son diferentes.
Description
Procedimiento y sistema para grabación de
información en un medio holográfico.
El objeto de la invención es un procedimiento
para la grabación holográfica de datos. En el procedimiento, un
holograma que contiene los datos se graba en una capa de guía de
ondas como interferencia entre un haz de objeto y un haz de
referencia. El haz de objeto es esencialmente perpendicular al plano
del holograma, mientras que el haz de referencia está acoplado en la
guía de ondas. También hay propuesto un aparato para realizar el
procedimiento. El aparato comprende un medio de almacenamiento de
datos con una capa de almacenamiento holográfico de guía de ondas, y
un sistema óptico para escribir y leer los hologramas. El sistema
óptico comprende medios para producir un haz de objeto y un haz de
referencia, y formar la imagen del haz de objeto y un haz de
referencia en el medio de almacenamiento.
Los sistemas de almacenamiento realizados con
cintas destacan de otros sistemas de almacenamiento de datos en lo
que respecta a su inmensa capacidad de almacenamiento. Tales
sistemas se usaron para realizar el almacenamiento de datos en el
orden de terabytes. Esta gran capacidad de almacenamiento se logra
en parte por la densidad de almacenamiento, y en parte por la
longitud de las cintas de almacenamiento. Las necesidades de espacio
relativo de las cintas son pequeñas, porque pueden bobinarse en un
volumen muy pequeño. Su desventaja es el tiempo de acceso aleatorio
relativamente grande.
Puede reducirse el tiempo de acceso aleatorio, o
puede aumentarse la capacidad con el mismo tiempo de acceso
aleatorio, si el almacenamiento de datos no se hace sólo en el plano
del medio de almacenamiento, sino también en profundidad (llamado
almacenamiento 3D o tridimensional). El almacenamiento de datos
ópticos ofrece varias posibilidades para almacenamiento 3D. Una
manera posible es la solución usada en CD multicapa, o el DVD. En
este caso los planos de almacenamiento de datos están separados por
algunas decenas de \mum. El sistema óptico aplicado tiene una gran
apertura numérica, con una resolución de profundidad de
aproximadamente 1 \mum, y un servosistema de enfoque preciso
permite la lectura selectiva de las capas situadas unas debajo de
otras.
Se conoce otra solución del área de
almacenamiento de datos holográficos. En este caso los datos se
almacenan como hologramas gruesos (hologramas Bragg). Aquí el
"direccionamiento de profundidad", es decir, la separación de
los hologramas grabados en el mismo volumen físico, puede lograrse
con las condiciones de Bragg. Esto se conoce como multiplexación de
ángulo, de longitud de onda, de desplazamiento, etc. En los sistemas
experimentales de almacenamiento holográfico, en los laboratorios se
usa se usan principalmente cristales como medio de almacenamiento
(LiNbO_{3} dopado con Fe). Esto encuentra sólo aplicaciones
limitadas, debido a consideraciones de tecnología de fabricación, y
no puede usarse en absoluto para sistemas de almacenamiento por
cinta. Para este propósito sólo es posible un material de tipo
polímero.
Los materiales basados en polímeros se producen
normalmente en grandes cantidades, con relativa facilidad, y se
fijan fácilmente sobre un sustrato. Materiales conocidos de
almacenamiento óptico son los llamados polímeros de cadenas
laterales, y su uso en hologramas también es conocido. Otra
propiedad importante de estos polímeros es que no es necesario
tratamiento post exposición, por ejemplo, ningún procedimiento de
revelado, fijación térmica o eléctrica posterior. Esto es un asunto
muy importante en toda la tecnología práctica de almacenamiento de
datos.
Se ha demostrado experimentalmente que los
polímeros llamados de cadenas laterales son magníficamente adecuados
para propósitos de almacenamiento de datos ópticos. Pueden grabarse
hologramas de polarización delgada en polímeros de cadenas laterales
con una eficiencia teórica del 100%. Sin embargo, para grabar
hologramas Bragg que sean adecuados para almacenamiento espacial
(tridimensional), es necesario material de almacenamiento
holográfico de al menos 25-50 \mum de grosor. Los
materiales poliméricos con tal grosor sufren deformación sustancial
(como resultado del cambio de temperatura, impactos mecánicos,
humedad, etc.). La deformación de la capa de almacenamiento
holográfico causará la deformación de la retícula en el holograma, y
esto a su vez conducirá a una disminución en la eficiencia de
difracción. A medida que aumenta el grosor de la capa, y la
deformación de la red aumenta con él, más allá de un cierto umbral
el holograma grueso se deteriorará, y finalmente será ilegible. Por
el contrario, los hologramas delgados son mucho menos sensibles a la
deformación de la red holográfica.
Por lo tanto, un objetivo de la presente
invención es proporcionar una estructura que permita la grabación de
múltiples hologramas dentro de la misma área unitaria del medio de
almacenamiento de datos, y elimina al menos en parte los problemas
anteriormente mencionados. Con la invención se propone una
estructura de almacenamiento de datos, que permite almacenamiento de
datos en profundidad en caso de materiales de almacenamiento de
polímero delgados. La solución propuesta combina las ventajas de
hologramas delgados (intensidad a deformación de la retícula) con
las ventajas de hologramas gruesos (almacenamiento tridimensional en
profundidad, gran densidad de datos).
El documento JPY101735 describe una estructura
que comprende hologramas de guía de ondas laminados ópticamente
acoplados a través de sus bordes. El preámbulo de las
reivindicaciones está basado en ese documento.
La invención se refiere a un procedimiento y a
una disposición o sistema para grabación holográfica de datos como
se define en las reivindicaciones 1 y 2.
La invención también concierne a las estructuras
de guía de ondas usadas en el sistema óptico de la invención
Ahora se explicará detalladamente la invención en
relación con los dibujos adjuntos, donde
la Fig. 1A ilustra el principio del
almacenamiento holográfico de datos de capas múltiples, y el medio
de almacenamiento de capas múltiples, éste en sección
transversal,
la Fig. 1B es una versión modificada de la
configuración óptica mostrada en la Fig. 1A,
la Fig. 2A es otra versión modificada de la
disposición mostrada en la Fig. 1A,
la Fig. 2B es una versión modificada de la
configuración óptica mostrada en la Fig. 2A,
la Fig. 3 es una vista esquemática desde arriba
del medio de almacenamiento de la Fig. 1,
la Fig. 4 es un esquema principal de un sistema
óptico de lectura-escritura usado con el medio de
almacenamiento de las Figs. 1A-B y
2A-B,
la Fig. 5 ilustra el principio de funcionamiento
de otra realización de la disposición de almacenamiento de datos de
la invención, y
la Fig. 6 ilustra la disposición espacial de los
elementos de la configuración óptica de la Fig. 4, y
la Fig. 7 es otra versión modificada de la
configuración óptica mostrada en la Fig. 2A.
El esquema principal de la estructura de
holograma de capas múltiples se muestra en la Fig. 1A. El elemento
básico del sistema es un holograma llamado de guía de ondas.
Esencialmente, esto significa que el holograma se graba en una capa
de guía de ondas 3. La capa de guía de ondas 3 está hecha de un
material de almacenamiento sensible a la luz con aproximadamente
0,5-2 \mum de grosor, que está intercalado entre
dos capas separadoras 4. El grosor de las capas separadoras 4 es
aproximadamente 5-10 \mum, y su índice de
refracción es menor que el de la capa de guía de ondas 3. El sistema
funcionará bien si la diferencia entre los índices de refracción
-normalmente indicados por \Deltan- es del orden de 0,01 y 0,001.
Puede haber hasta 10-30 capas de guía de ondas y
capas separadoras apiladas entre sí, pero en la Fig. 1 sólo se
muestran tres capas de guía de ondas 3, para ilustración más
sencilla. Las capas de guía de ondas 3 están separadas por dos capas
separadoras 4 en la Fig. 1. La superficie externa de la estructura
de capas, es decir, la capa de guía de ondas superior 3 está
cubierta por la capa protectora 7, mientras que existe un espejo 8
bajo la capa de guía de ondas inferior 3. Toda la estructura de
capas está soportada mecánicamente por el sustrato 10.
Se usa un haz de objeto común 5 para grabar el
holograma en las capas de guía de ondas 3. Este haz de objeto 5 es
la imagen transformada de Fourier del haz de luz modulado
espacialmente. La modulación se realiza mediante un modulador de luz
espacial (SLM) 6. El haz de objeto 5 cae a través de un divisor de
haz 9 perpendicularmente sobre el sistema de capas que está
compuesto de las capas de guía de ondas 3 y las capas separadoras 4.
El sistema de capas está colocado en el plano de Fourier, o al menos
en sus proximidades. Se usa el mismo haz de objeto para todas las
capas. Con otras palabras, el haz de objeto 5 se propaga a través de
todas las capas de guía de ondas 3, es decir, a través de todas las
capas sensibles a la luz.
El haz de referencia 11 es una onda plana guiada
que se propaga e una de las capas de guía de ondas 3 del sistema de
capas. Una de las ideas básicas de la invención es la provisión de
medios de acoplamiento para acoplar selectivamente el haz de
referencia 11 en las capas de guía de ondas 3 individuales. Según la
invención, en una realización preferida esto se realiza acoplando el
haz de referencia 11 en la capa de guía de ondas 3 seleccionada
mediante una rejilla 12 formada apropiadamente. Las rejillas 12 en
las capas de guía de ondas 3 unas debajo de otras tienen todas
diferente periodicidad (espaciado), es decir, la distancia entre dos
líneas de la rejilla es diferente. La selección de direccionamiento
de los hologramas 13 situados encima y debajo unos de otros se
realiza seleccionando un ángulo de incidencia \alpha diferente
para el haz de referencia 11 en relación con el plano del sustrato.
El ángulo de incidencia \alpha también se llamará ángulo de
referencia en lo sucesivo. Para una rejilla 12 con una periodicidad
dada existe un ángulo de referencia dado, que tendrá como resultado
un acoplamiento eficiente en la capa de guía de ondas, y tendrá como
resultado una onda plana guiada efectiva. La energía acoplada en las
otras capas de guía de ondas 3 es varios órdenes menos.
Las capas de guía de ondas 3 pueden ser guías de
ondas de modo único o modo múltiple, pueden tener todas el mismo
grosor o pueden tener también grosores ligeramente diferentes. Si
existen capas de guía de ondas de modo único con igual grosor,
existe una rejilla con una periodicidad (espaciado) diferente y/o
diferente perfil para cada capa de guía de ondas. Si existen capas
de guía de ondas de modo múltiple con grosor ligeramente diferente,
la periodicidad de las rejillas de acoplamiento 12 puede ser la
misma, y en este caso la selección de direccionamiento de las capas
de guía de ondas 3 dadas se realiza seleccionando un ángulo de
incidencia \alpha apropiado del haz de referencia 11, que forma la
imagen sobre las capas mediante un objetivo 17. Este sistema permite
fabricación más sencilla de las rejillas pero los perfiles de las
rejillas 12 no pueden optimizarse para una dirección de acoplamiento
dada. Esto puede tener como resultado la disminución de la
eficiencia de acoplamiento.
El ángulo de incidencia \alpha del haz de
referencia 11 puede variarse por varios procedimientos. En primer
lugar, se contempla usar un sistema óptico con un objetivo 17
posicionado mecánicamente, al que se guía la intensidad lumínica
necesaria por un haz de fibra óptica. Alternativamente, el sistema
óptico usado en la disposición de la invención podría tener un
objetivo 17 separado para los diferentes haces de referencia 11 que
tienen un ángulo de incidencia \alpha diferente, y la intensidad
lumínica necesaria podría acoplarse a todos los objetivos 17 desde
la fuente de luz coherente común. En este caso los haces de luz a
través de los objetivos 17 no usados pueden apagarse mediante un
interruptor óptico controlado (no mostrado).
El procedimiento más sencillo para producir las
rejillas de acoplamiento 12 puede ser presionando o girando el
perfil apropiado de la rejilla dentro de las capas separadoras 4 o
dentro de las capas de guía de ondas 3. Este procedimiento es muy
similar a la tecnología de fabricación de hologramas de seguridad.
Cuando se producen en grandes cantidades, la fabricación de las
rejillas 12 puede realizarse de forma muy económica.
Durante la grabación, se formará un holograma 13
en la capa de guía de ondas sensible a la luz 3, como patrón de
interferencia entre el haz de objeto 5, que cae perpendicularmente
al plano S del medio de almacenamiento de datos, y entre el haz de
referencia 11, que es guiado desde el lateral dentro de la capa de
guía de ondas 3. La intensidad de luz del patrón de interferencia
tendrá como resultado un cambio de la transmisión o el índice de
refracción del material de almacenamiento sensible a la luz. En el
primer caso hablamos de un holograma llamado de amplitud, mientras
que en el segundo caso se graba un holograma llamado de fase. Si el
cambio en el índice de refracción o transmisión inducido por el haz
de luz también es dependiente del estado de polarización del haz de
luz, entonces puede grabarse un holograma llamado de polarización en
el medio de almacenamiento. Si la capa de guía de ondas 3 está hecha
de un material que es sensible a la polarización de la luz, entonces
el haz de objeto 5 y el haz de referencia 11 están constituidos por
dos haces de luz polarizada perpendicularmente entre sí.
Diversos polímeros son particularmente adecuados
para grabar los hologramas de guía de ondas 13. La ventaja de los
polímeros es que no necesitan ninguna clase de tratamiento
posterior, revelado, fijación, grabación térmica o eléctrica después
de la exposición de los hologramas 13, a diferencia de muchos otros
materiales de almacenamiento holográfico. Los polímeros pueden
producirse económicamente en grandes cantidades. La adecuación de
los diferentes tipos de polímeros para la creación del sistema de
capas es una tarea relativamente fácil (por ejemplo, el sustrato 10,
la capa separadora 4, la capa de guía de ondas (capa de
almacenamiento 3) y la capa protectora 7 pueden estar hechas todas
de diferentes tipos de polímeros). Los materiales llamados de
polímero de cadena lateral o de cristal líquido son particularmente
adecuados para la grabación de hologramas de guía de ondas de
polarización.
Como el haz de objeto 5 se propagará durante la
escritura a través de todas las capas de guía de ondas 3, también
modificará o cambiará esas capas, dentro de las que el haz de
referencia 11 realmente no está acoplado. En materiales de
almacenamiento holográfico borrables y reescribibles el haz de
objeto 5 borrará en pequeña medida los hologramas almacenados
previamente en las capas que momentáneamente no son direccionadas
por el haz de referencia 11. Este efecto es similar al efecto
experimentado cuando los hologramas son multiplexados.
Para hologramas multiplexados se han desarrollado
diversas técnicas de exposición para impedir el borrado de los
hologramas grabados previamente. La mayoría están basadas en la
sobreexposición de los hologramas grabados antes, mientras que los
hologramas más nuevos se graban con una energía que decrece
continuamente, para disminuir gradualmente el efecto de borrado. Al
final, cuando todos los hologramas han sido grabados, todos los
hologramas tendrán eficiencias de difracción aproximadamente
iguales. Dependiendo del tipo del material holográfico, la
estrategia de exposición y la distribución (variación) permitida de
la eficiencia de difracción, el número de hologramas multiplexados
puede estar entre varias decenas y varios miles. En caso de los
hologramas de guía de ondas 13 grabados en la estructura multicapa
según la invención, esencialmente los mismos factores limitan el
número útil de capas, a saber, el efecto de borrado cuando se graban
los hologramas multiplexados. El número admisible máximo de capas de
guía de ondas 3 -es decir, el número de hologramas multiplexados
grabados en la misma área de la estructura de capas- puede
optimizarse aplicando una estrategia de exposición especial adaptada
a las propiedades del material de almacenamiento aplicado. En caso
de los polímeros de cadena lateral propuestos, pueden colocarse
aproximadamente de cinco a diez capas unas sobre otras con el nivel
de tecnología actual.
Durante la lectura de los datos grabados con el
procedimiento de la invención, la rejilla de acoplamiento 12 se
ilumina con un haz de referencia 11 dirigido apropiadamente. El haz
de referencia guiado 11 en la capa de guía de ondas 3 se difractará
sobre el holograma de guía de ondas almacenado 13, y creará un haz
de luz que tiene las mismas propiedades que el haz de objeto 5 usado
durante la etapa de escritura, es decir, el haz de referencia
difractado 11 recreará la transformada de Fourier de la distribución
de intensidad de luz creada por el SLM 6. El espejo 8 bajo la
estructura de capas reflejará la transformada de Fourier recreada en
el mismo objetivo 14 que también se usó en la etapa de escritura. La
imagen leída se acopla sobre una matriz detectora 15 mediante un
divisor de haz 9, que es típicamente el mismo divisor de haz que
también se usó en el procedimiento de grabación.
Con otra realización posible mostrada en la Fig.
1B, no hay espejo bajo el sistema de capas, y el sustrato 10 es
transparente. El haz de lectura difractado 26 -es decir, la
transformada de Fourier reconstruida del haz de luz que pasó a
través del SLM- que pasa a través del sustrato transparente 10 se
vuelve a transformar mediante otro objetivo de Fourier 27 y forma la
imagen del haz de lectura 26 sobre una matriz detectora 15 colocada
en el otro lado del sustrato 10.
Tanto en el último modo de transmisión descrito
como en el modo de reflexión descrito en la Fig. 1A, el sistema de
capas puede realizarse de manera ligeramente diferente. Esta
estructura de capas modificada se ilustra en las Figs. 2A y 2B. La
disposición mostrada en la 2A tiene un sustrato con una capa de
espejo 8, donde el detector de lectura 15 está enfrente del lado del
haz de objeto incidente 5. En este caso la capa de guía de ondas 23
está hecha de un material que no es sensible a la luz. Los
hologramas se graban en una capa sensible a la luz 24 adyacente
directamente a la capa de guía de ondas 23. Con otras palabras, en
este caso el holograma que contiene los datos se graba no en la capa
de guía de ondas directamente, sino sólo en sus proximidades. La
capa sensible a la luz 24 puede estar en ambos lados de la capa de
guía de ondas 23, o sólo en un lado, como se muestra en la Fig. 2A y
2B. Como antes, el haz de referencia 11 se propaga esencialmente en
la capa de guía de ondas 23. Sin embargo, en las proximidades de la
capa de guía de ondas 23 se formará un campo electromagnético
exponencialmente decreciente, que también se denomina como onda
evanescente. Esta onda evanescente 25 se extiende por la capa
delgada sensible a la luz 24 situada directamente junto a la capa de
guía de ondas 23 durante una distancia del orden de la longitud de
onda aplicada. Con otras palabras, la onda evanescente 25 entrará en
el material de almacenamiento real, la capa sensible a la luz 24. Al
mismo tiempo, el haz de objeto 5 se propagará perpendicularmente a
las capas, como en el caso previo. El patrón de interferencia entre
el haz de objeto 5 y la onda evanescente 25 que se extiende desde la
capa de guía de ondas direccionada 23 dentro de la capa sensible a
la luz 24 grabará un holograma en la capa sensible a la luz 24.
Dependiendo del material de almacenamiento elegido, el holograma
puede ser un holograma de amplitud, de fase o de polarización.
Al grabar un holograma con un haz de referencia
11 que utiliza el principio de la onda evanescente 25, el sistema de
capas puede hacerse de dos o tres materiales diferentes. Con tres
materiales diferentes, la capa de guía de ondas 23 tiene el mayor
índice de refracción, y un grosor de 1-2 \mum. La
capa de almacenamiento sensible a la luz 24 es de aproximadamente
1-2 \mum de grosor, mientras que la capa
separadora 4 es de aproximadamente 10 \mum de grosor. El índice de
refracción de las últimas dos capas es menor que el de la capa de
guía de ondas 23. Esta estructura de capas tiene la ventaja de que
las propiedades clave de las capas (capa de guía de ondas,
separadora, de almacenamiento), y las constantes del material pueden
optimizarse por separado.
Una realización práctica del procedimiento según
la invención se ilustra en relación con las Figs. 3 y 4. La Fig. 3
muestra la estructura del medio de almacenamiento de un sistema de
almacenamiento óptico basado en cinta, es decir, la estructura de
una cinta óptica 30, mientras que la Fig. 4 muestra una disposición
adecuada para la escritura y lectura de datos en y de la cinta
mostrada en la Fig. 3.
Los hologramas de guía de ondas de capas
múltiples propuestos por la invención son particularmente bien
adecuados para sistemas de almacenamiento por cinta óptica con una
gran capacidad de almacenamiento. En una posible realización, los
hologramas 13 dentro de cada capa están colocados unos junto a otros
en múltiples líneas 31, que se extienden a lo largo de la longitud
de la cinta 30, es decir, existen varias líneas paralelas entre sí
en la anchura de la cinta 30. Como ejemplo se muestran dos líneas 31
en la Fig. 3. Cuando los hologramas 13 están colocados en varias
líneas 31, el número de cabezales escritura/lectura 33 puede ser
igual al número de líneas 31. En este caso, los cabezales de
escritura/lectura 33 pueden desplazarse unos respecto a otros a lo
largo de la longitud de la cinta 30.
Considerando que el plano de Fourier es
teóricamente invariante a los desplazamientos en la dirección
X-Y (los desplazamientos en el plano del holograma
13), con un sistema óptico que tiene propiedades apropiadas de
formación de imágenes es admisible desplazar el eje óptico del
cabezal de escritura/lectura 33 en relación con el centro teórico
del holograma que se lee realmente, con una distancia que
corresponde a aproximadamente un décimo del tamaño del holograma (su
tamaño en el plano del holograma, es decir, un décimo de su anchura
o longitud). Esto es importante porque esto significa que el sistema
de almacenamiento de datos holográficos propuesto por la invención
no necesita fabricación especial ni tolerancias de colocación, y no
necesita ningún servosistema complicado que se requeriría, si no,
para producir un seguimiento exacto de de las líneas 31. Durante la
lectura, la cinta 30 no tiene que detenerse para cada holograma 13,
sino que la cinta 30 puede moverse continuamente en relación con el
cabezal de escritura/lectura 33.
Con otra posible realización, un solo cabezal de
escritura/lectura 33 puede leer varias líneas 31. En este caso, el
cabezal de escritura/lectura 33 debe estar provisto de medios de
colocación, para movimiento perpendicular a la dirección
longitudinal de la cinta 30.
Los hologramas individuales 13 pueden colocarse
para cubrirse entre sí completamente cuando se ven desde arriba. Si
los hologramas se cubren completamente, la cinta 30 debe detenerse
en relación con el cabezal de escritura/lectura 33 tanto durante la
lectura como la escritura. Sin embargo, con un procedimiento
diferente, también es posible para la cinta 30 moverse continuamente
al menos durante la lectura. La lectura se efectúa con un pulso
corto de láser, que comienza cuando el holograma 13 que ha de leerse
está exactamente en el eje óptico del cabezal de escritura/lectura
33. Los hologramas 13 encima y debajo unos de otros están
ligeramente desplazados unos en relación con otros en la dirección
longitudinal de la cinta 30, como también se percibe a partir de la
Fig. 3. La cantidad de desplazamiento es igual a la distancia
cubierta por la cinta móvil durante el tiempo de lectura (es decir,
la duración del pulso de lectura). De esta manera, cuando se lee la
siguiente imagen, el siguiente holograma 13 se coloca en el campo
visual del sistema óptico.
Incluso en esta disposición el cabezal de
escritura/lectura 33 y la cinta 30 deben permanecer quietos uno en
relación con otro durante la escritura. Esta disposición proporciona
la ventaja de que la cinta puede moverse continuamente durante la
lectura, y no hay paradas súbitas ni grandes aceleraciones, y el
esfuerzo mecánico total sobre la cinta es menor. Como la escritura
es un procedimiento más lento que la lectura, los esfuerzos
mecánicos ya son menores.
Según la invención, se propone una disposición
más para aumentar sustancialmente la velocidad de escritura. Esto se
logra con un sistema óptico donde la cinta 30 no tiene que detenerse
durante la escritura. Esta realización propuesta también es
ventajosa porque el movimiento continuo no impondrá un desgaste
pronunciado sobre la cinta 30. Para este propósito, el cabezal de
escritura/lectura 33 y el área de la cinta que se escribe deben
estar fijas entre sí durante el procedimiento de escritura. Una
posible solución es montar el cabezal de escritura/lectura 33 dentro
de un tambor o cilindro giratorio 34. Esta disposición se muestra
esquemáticamente en la Fig. 4. La cinta 30 es guiada por la
periferia del cilindro 34, sin deslizamiento. La pared del cilindro
34 es transparente bajo el objetivo del cabezal de escritura/lectura
33. El haz de objeto que sale del objetivo y el haz de referencia
que sale de las ópticas de referencia separadas entran en la cinta
30, esta última se queda quieta en relación con el objetivo (de
hecho, giran juntos). Como resultado, el haz de objeto y el haz de
referencia producirán un patrón de interferencia claro, bien
definido y sin distorsión, y los hologramas almacenados serán bien
legibles.
Como se ve en la Fig. 3, para una mitad de los
hologramas 13 que están unos encima de otros en la cinta 30, las
rejillas de acoplamiento 12 son asignadas desde el lado derecho,
mientras que a la otra mitad desde el lado izquierdo. De esta
manera, el número de hologramas 13 a los que pueden ser
direccionados independientemente entre sí con una buena eficiencia
de acoplamiento puede ser el doble del número de rejillas de
acoplamiento 12 diferentes. Esto significa que suponiendo un
intervalo de ángulo de entrada limitado para los haces de
referencia, la selectividad de los haces de referencia es mejor, con
otras palabras, la relación entre la intensidad acoplada dentro de
la guía de ondas seleccionada y la intensidad acoplada dentro de las
guías de ondas próximas (es decir, las intensidades "parásitas"
debidas a efectos de dispersión) es mejor. Con otras palabras, la
diafonía entre los hologramas que están unos encima de otros será
menor.
Un sistema de almacenamiento óptico basado en
cinta que aplica el principio inventivo puede proporcionar capacidad
sustancial de almacenamiento de datos. Factibles y probados
experimentalmente, sistemas ópticos relativamente sencillos y
materiales de almacenamiento existentes (por ejemplo, los polímeros
de cadena lateral mencionados) permiten la realización de densidad
de datos de aproximadamente 1,5 bit/\mum^{2}. Con SLM de
disponibilidad inmediata (por ejemplo, con 320 x 240 ó 512 x 512
píxeles), el tamaño de un holograma podría ser unas pocas decenas de
milímetro. Prácticamente, pueden disponerse cuatro filas de rejillas
de dispersión de acoplamiento sobre una cinta óptica con 2 mm de
anchura. Calculada con toda la anchura de la cinta, la densidad
total de datos podría ser aproximadamente 1 bit/\mum^{2}. Con
otras palabras, en un milímetro de longitud de la cinta la capacidad
es aproximadamente 2000 x 1000 = 200 Kbytes. Suponiendo diez capas
una encima de otra tiene como resulta una capacidad de
almacenamiento teórica de 2 Mbytes/mm de cinta. Una cinta de 30 m de
longitud tendría la capacidad de aproximadamente 60Gbyte. Debe
observarse que este valor teórico es la llamada capacidad bruta. La
codificación de error, bits de control, etc. necesarios reducirán la
capacidad útil prácticamente al 50-60% de la
capacidad bruta, suponiendo los algoritmos de codificación de datos
y los procedimientos de organización de datos (estructura de
archivos y directorios) habituales.
Por último, en relación con las Figs. 5 y 6 se
presenta un sistema de almacenamiento óptico que usa una tarjeta o
un disco.
Junto a los sistemas de almacenamiento basados en
cinta, los hologramas de guía de ondas de capas múltiples son
aplicables también para otros sistemas de almacenamiento conocidos,
por ejemplo, para sistemas de almacenamiento óptico en tarjeta o
disco. Los parámetros principales de la estructura de guía de ondas
son esencialmente los mismos que se muestran en la Fig. 1 ó 2. Las
diferencias entre los medios de almacenamiento de datos se encuentra
en la disposición relativa de los hologramas 13 y las rejillas de
dispersión de acoplamiento 12. La disposición mostrada en la Fig. 3
es óptima para aplicaciones de almacenamiento en cinta. Con
dispositivos de almacenamiento de datos en disco los hologramas 13
están dispuestos en un círculo o a lo largo de una espiral, de
manera habitual. La colocación (seguimiento) apropiada de las
ópticas de lectura se realiza mediante un servosistema
opto-electrónico y opto-mecánico
conocido. Este sistema no se describe detalladamente en este
documento, pero es conocido en la técnica.
Para sistemas de almacenamiento de datos que
tienen un medio de almacenamiento de datos de tipo tarjeta, o un
equivalente, medio de almacenamiento de datos esencialmente fijo, se
propone otra disposición de rejilla-holograma. Con
tal tarjeta de almacenamiento de datos, el medio de almacenamiento
se mueve mucho más lento que una cinta óptica. Como resultado, la
velocidad de lectura (velocidad de transferencia de datos) es más
baja. Esto se palia por el hecho de que normalmente no es necesario
leer una gran cantidad de datos de los medios de almacenamiento en
tarjeta, debido al tipo de datos almacenados (datos personales,
cuentas bancarias, datos médicos personales, etc.). La velocidad de
transferencia de datos puede aumentar si los hologramas en las
diferentes capas están colocados exactamente unos encima de otros, y
no desplazados como con el sistema de cinta. Después de una
operación de colocación del mecanismo accionador de tarjeta, puede
alcanzare un holograma seleccionado en cualquiera de las capas con
un cambio rápido del ángulo de incidencia o de la dirección del haz
de referencia. La velocidad de lectura puede estar limitada también
por el funcionamiento de la electrónica de lectura. Por lo tanto, se
prefiere usar una óptica y electrónica de lectura basada en un CCD
rápido o fotodetectores CMOS.
Con una posible realización del medio de
almacenamiento de tipo tarjeta las rejillas de acoplamiento 42
rodean los hologramas 43 apilados unos encima de otros (véanse Figs.
5 y 6). En este caso, las rejillas de acoplamiento 42 asociadas a
las diferentes capas están colocadas a un ángulo unas de otras. Esto
significa que todas las rejillas 42 pueden tener el mismo perfil y
la misma periodicidad. Esta realización es inherentemente sencilla,
y hace la producción de las rejillas mucho más barata. El
direccionamiento de las capas seleccionadas se realiza girando el
haz de referencia 41 alrededor de un eje perpendicular a los planos
de los hologramas 43, y pasando por el centro común de los
hologramas 43, mientras que el haz de referencia 41 cae sobre el
holograma 43 con un ángulo de incidencia \beta dado. Este eje
perpendicular de rotación coincide prácticamente con el eje óptico
del haz de objeto 45 (véase especialmente la Fig. 6). Con otras
palabras, el haz de referencia 41 se gira alrededor del eje óptico
del objetivo de Fourier 14 con un ángulo de inclinación \beta
dado. De esta manera, el haz de referencia 41 sólo coincide con una
de las rejillas 42 en un momento, y por lo tanto se acoplará con
buena eficiencia sólo en una capa. Al mismo tiempo, la proyección de
las direcciones de los diferentes haces de referencia 41 asociados a
las diferentes rejillas de acoplamiento 42 proyectadas sobre el
plano del sustrato 10 serán diferentes. Debe observarse que en la
Fig. 6, el plano del sustrato 10 coincide esencialmente con el plano
de la propia tarjeta 46. Con otras palabras, las rejillas 42
dirigidas de manera diferente actuarán como el medio de acoplamiento
selectivo, cooperando con los haces de referencia 41 que tienen la
dirección apropiada.
También es posible grabar los hologramas apilados
usando un haz de referencia evanescente 11 con sólo dos tipos de
capas de repetición. Tal estructura de guía de ondas se muestra en
la Fig. 7. El sistema óptico para grabación y lectura es similar al
mostrado en las Figs. 1A y 2A. También hay provistos medios de
acoplamiento selectivo, las rejillas 12 para cada capa de guía de
ondas 23. Sin embargo, en este caso no hay capa separada sensible a
la luz 24 ni una capa separadora 4 en la estructura de guía de
ondas, y estas dos capas se sustituyen por una sola capa separadora
sensible a la luz 29 con un grosor aproximado de 10 \mum. Con
otras palabras, este sistema puede considerarse como una estructura
de guía de ondas donde la propia capa separadora es adecuada para
grabación de hologramas. Aquí el haz de referencia 11 se propagará
en la capa de guía de ondas 23, que es sólo de 1-2
\mum de grosor, y está hecha de un material que no es sensible a
la luz. Debido a la onda evanescente 25 que decae exponencialmente,
el holograma en la capa separadora gruesa sensible a la luz 29 sólo
se formará en las proximidades directas de la capa de guía de ondas
23. Si el material de almacenamiento es suficientemente grueso, no
ocurrirá acoplamiento entre las capas.
La estructura de guía de ondas en la Fig. 7
también comprende un espejo 8 entre la pila de capas usada para la
grabación y el sustrato 10. Sin embargo, también está previsto usar
la estructura de guía de ondas de la Fig. 7 sin una capa de espejo
8, y con un sustrato transparente 10. En este caso, el sistema
óptico para grabación y lectura puede modificarse del mismo modo que
los mostrados en las Figs. 1B y 2B.
Claims (14)
1. Un procedimiento de grabación de hologramas en
una estructura de capas de guía de ondas, conteniendo la estructura
de capas de guía de ondas
múltiples capas de guía de ondas (3, 23),
capas separadoras (4, 29) que separan las capas
de guía de ondas (3, 23), siendo el índice de refracción de las
capas separadoras menor que el índice de refracción de las capas de
guía de ondas,
rejillas (12, 42) que tienen diferente espaciado
y/o perfil y/o orientación alrededor del eje perpendicular al plano
de la estructura de capas de guía de ondas en las diferentes capas
de guía de ondas (3, 23),
que comprende las etapas de grabar los hologramas
en o en las proximidades de cada capa de guía de ondas como
interferencia entre
un haz de objeto (5, 45), siendo el haz de objeto
esencialmente perpendicular al plano de la estructura de capas de
guía de ondas y
un haz de referencia (11, 41) acoplado a cada
dicha capa de guía de ondas (3, 23),
en el que
- a cada capa de guía de ondas (3, 23) está
asociada una rejilla (12, 42) para acoplar selectivamente el haz de
referencia (11, 41) en cada dicha capa individual de guía de ondas
(3, 23) de la estructura de capas de guía de ondas, y
- el haz de referencia (11, 41) se proyecta en
ángulos acimutales de diferente incidencia y/o diferente orientación
alrededor del eje perpendicular al plano de la estructura de capas
de guía de ondas sobre las rejillas (12, 42), donde los componentes
de las diferentes direcciones que caen en el plano de un medio de
almacenamiento de datos también son diferentes.
2. Una disposición para grabación y lectura de
hologramas (13, 43), que comprende
un medio de almacenamiento de datos (30),
comprendiendo el medio de almacenamiento de datos una estructura de
capas de guía de ondas, conteniendo la estructura de capas de guía
de ondas múltiples capas de guía de ondas (3, 23) y capas
separadoras (4, 29) que separan las capas de guía de ondas (3, 23),
siendo el índice de refracción de las capas separadoras (4, 29)
menor que el índice de refracción de las capas de guía de ondas (3,
23),
un sistema óptico para escribir y leer los
hologramas (13, 43), comprendiendo el sistema óptico medios para
producir un haz de objeto (5, 45) y un haz de referencia (11, 41),
comprendiendo además el sistema óptico medios para dirigir el haz de
objeto (5, 45) y el haz de referencia (11, 41) sobre el medio de
almacenamiento, comprendiendo además la disposición
rejillas (12, 42) asociadas a cada capa de guía
de ondas (3, 23) para acoplar selectivamente el haz de referencia
dentro de cada dicha capa individual de guía de ondas (3, 23) de la
estructura de capas,
caracterizado porque
- las rejillas (12, 42) en las diferentes capas
de guía de ondas (3, 23) están provistas de diferente espaciado y/o
perfil y/o orientación alrededor del eje perpendicular al plano de
la estructura de capas de guía de ondas, y
- el sistema óptico comprende medios para
proyectar el haz de referencia sobre las rejillas desde ángulos
acimutales de diferente incidencia y/o desde diferente orientación
alrededor del eje perpendicular al plano de la estructura de capas
de guía de ondas, cayendo las componentes de las diferentes
direcciones en el plano del medio de almacenamiento de datos que
también es diferente.
3. La disposición según la reivindicación 2, que
comprende una cinta (30) como el medio de almacenamiento de
datos.
4. La disposición según la reivindicación 3,
caracterizada porque el sistema óptico (33) está colocado en
un cilindro giratorio (34), donde el cilindro está guiando la cinta
(30).
5. La disposición según la reivindicación 4,
caracterizada porque hay provistos múltiples de dichos
sistemas ópticos (33) dentro del cilindro (34).
6. La disposición según la reivindicación 2, que
comprende una tarjeta como el medio de almacenamiento de datos.
7. La disposición según la reivindicación 6,
caracterizada porque el sistema óptico está adaptado para
hacer girar el haz de referencia (41) alrededor de un eje
perpendicular al plano de la capa de almacenamiento holográfico.
8. Una estructura de capas de guía de ondas que
comprende capas de almacenamiento holográfico sensibles a la luz,
comprendiendo además la estructura de capas
- un sustrato (10) y
- múltiples capas de guía de ondas (3, 23) y
capas separadoras (4, 29) que separan las capas de guía de ondas (3,
23), siendo el índice de refracción de las capas separadoras (4, 29)
menor que el índice de refracción de las capas de guía de ondas (3,
23),
- rejillas (12, 42) asociadas a cada capa de guía
de ondas para acoplar selectivamente un haz de referencia dentro de
una capa individual de guía de ondas (3, 23) de la estructura de
capas de guía de ondas,
caracterizada porque en las diferentes
capas de guía de ondas (3, 23) las rejillas (12, 42) tienen
diferente orientación alrededor del eje perpendicular al plano de la
estructura de capas de guía de ondas y/o diferente espaciado y/o
diferente perfil.
9. La estructura de guía de ondas según la
reivindicación 8, que comprende una capa de espejo (8) entre el
sustrato (10) y una capa de guía de ondas (3, 23) adyacente al
sustrato (10).
10. La estructura de guía de ondas según la
reivindicación 8 ó 9, en la que el sustrato es un sustrato
transparente (10).
11. La estructura de guía de ondas según una
cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada
porque la capa de almacenamiento holográfico es una capa de guía de
ondas (3).
12. La estructura de guía de ondas según una
cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende al menos
una capa de almacenamiento holográfico separada (24) adyacente a
cada capa de guía de ondas (23).
13. La estructura de guía de ondas según una
cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada
porque la capa de almacenamiento holográfico es una capa separadora
(29).
14. La estructura de guía de ondas según una
cualquiera de las reivindicaciones 8-13, que
comprende una capa protectora (7) sobre una superficie externa de la
estructura de capas.
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