JP2005518556A - 導波路多層ホログラフィックデータストレージ - Google Patents

Abstract

この発明は、多い情報容量、高いデータレート、および短いアクセスタイムを同時に提供するための方法および装置を提供する。この方法および装置は、多層導波路ホログラフィック担体と、多層導波路ホログラフィックデータストレージシステムと、ランダムデータアクセスを用いた多層導波路ホログラム読出方法と、マトリックス導波路ホログラム層を記録して多層担体を組立てるためのプロセスおよび装置とを含む。

Description

発明の分野
この発明はボリュームホログラフィックデータストレージに関し、より特定的には、データストレージの高スループットを提供するための導波路多層ホログラフィックデータストレージシステムに関する。

背景
現代の情報技術の進化理論は、情報容量が多く、データレートが高く、アクセスタイムが短いデータストレージシステム、つまり高スループットシステムを作り出す必要性を要求している。多くの研究者たちは、スループットの推定にＣＲＰ（容量−レートの積）係数を使用しており、ここでＣＲＰ＝容量［ＧＢ］×データレート［Ｍｂｐｓ］である（「高スループットの光学データストレージシステム」（High Throughput Optical Data Storage Systems）、ＯＩＤＡ予備研究会報告書（An OIDA Preliminary Workshop Report）、１９９９年４月、トム Ｄ．ミルスター（Tom D. Milster）により、オプトエレクトロニクス産業開発協会（Optoelectronic Industry Development Association）のために作成）。

この発明で使用が提案されているより客観的な係数はＣＡＲＰ（容積−アクセス−レートの積）であり、これは、ＧＢ単位の容量をｍｓ単位のアクセスタイムで割り、Ｍｂｐｓ単位のデータレートを掛けたものである。ＣＡＲＰ＝｛Ｃ［ＧＢ］／Ａ［ｍｓ］｝×データレート［Ｍｂｐｓ］となる。ＣＡＲＰ係数の比較は、スループットに関する任意のデータストレージシステムの利点を客観的に見積もる可能性を提供する。

ＣＲＰ＞１０⁵およびＣＡＲＰ＞１０^６である今後の用途におけるシステムに対する要望が存在することは明らかである。つまり、たとえば、１ＧＢを超える情報容量、１００Ｍｂｐｓを超えるデータレート、および１ｍｓ未満のアクセスタイムを有するメモリシステムである。同時に、信号／雑音比の所望の値を提供し、それによりエラー確率の所望の値を維持するための、記録された信号および読出された信号の最低限の質を確実にする必要があることは明らかである。

ホログラフィック法は、高スループットのデータストレージにとっても最も見込みがあると考えられている。より具体的には、データページ指向のランダムアクセスホログラフィックメモリは、高スループットシステムとして第１位にある。しかしながら、今日に至るまで、高スループットシステムの開発においては困難と問題とが存在してきた。光学データストレージシステム用の高データレートは、光源の出力、光検出器の感度、情報平行入力−出力チャネルの数、および、可動機械的部品を有する設計を用いた場合での担体または光学読出ヘッドの伝搬速度にも依存する。

ホログラフィックストレージについては、デジタルのバイナリデータまたは振幅データの２次元ページとしてのデータ提示のため、多数の平行なデータチャネルが提供される。さらに、回転ディスク担体などの可動機械的部品がない場合、最も高いデータレートが提供される。

メモリシステムの短いランダムアクセスタイムは、電気光学または音響光学偏向器などの高速アドレシングシステムを適用し、読出された画像を異なるマイクロホログラムから光検出器へ機械的運動なしで転送することに備える記録−読出スキーマを使用する結果で
ある。

高情報容量および高情報密度を提供するために光学（ホログラフィックを含む）データストレージにおいてボリューム情報担体を使用することは、２００１年１月３０日にロー（Roh）に発行された米国特許第６，１８１，６６５号におけるように周知である。しかしながら、ボリューム担体に基づく光学（ホログラフィック）データストレージの既存の方法は、以下に示す状況に従って高容量と短いランダムアクセスタイムとを同時に獲得することはない。

容積式ホログラフィック担体用途にはいくつかの方法がある。第１の方法は、ボリューム光記録媒体におけるフーリエまたはフレネルホログラムのデータページの重ね合わせを提供する角度多重ボリュームホログラムを使用している。ホログラムの各々は、参照ビームの別個の角度を用いて記録される。読出ビームの同じ角度がデータページの読出に必要とされる。例は、ロー、２０００年６月６日にソルティス（Psaltis）他に発行された米国特許第６，０７２，６０８号、１９９９年４月２０日にストール（Stoll）に発行された米国特許第５，８９６，３５９号、および、１９９７年１２月９日にレッドフィールド（Redfield）他に発行された米国特許第５，６９６，６１３号を含む。

第２の方法は、１９９９年８月１７日にヒーニュー（Heanue）他に発行された米国特許第５，９４０，５１４号におけるように、ホログラフィックデータストレージのために暗号化されたホログラムを使用している。ヒーニューのシステムでは、直交する位相コード多重化がボリューム媒体において使用され、参照ビームを変調することによってデータが暗号化される。

この方法は多数の制約を有する。主な問題は、必要な要件を満たす上での容積式媒体の不備である。たとえば、強誘電体結晶は十分に大きな安定性を呈さず、感光性ポリマーの収縮係数は大きすぎる。

第３の方法は、「多層記録媒体におけるホログラフィック多重化」（Holographic multiplexing in a multilayer recording medium）、アーカディ Ｓ．バブルミアン（Arkady S. Bablumian）、トーマス Ｆ．クリル（Thomas F. Krile）、デビッド Ｊ．メール（David J. Mehrl）、およびジョン Ｆ．ウォークアップ（John F. Walkup）、ＳＰＩＥ（写真-光学計測技術者協会）議事録（Proc．ＳＰＩＥ）、第３４６８巻、２１５−２２４頁（１９９８年）によって、およびミルスターによって記載されているように、多層媒体に記録されたホログラムを使用している。ボリューム担体の各層に１つ以上のホログラム（ホログラムマトリックス）が記録される。各ホログラムの読出は別個の読出ビームによって行なわれる。この方法の制約は層の数が少ないことであり、層の数は、他の層に位置する隣接するホログラムからのノイズによって制限される。

最後の方法は導波路多層ホログラムを使用している。「ホログラム記録のための媒体、方法および装置、ならびにホログラム記録再生装置」、水野真一（ソニー株式会社）ＪＰ０９１０１７３５Ａ２、発行日：１９９７年４月１５日を参照されたい。導波路ホログラムは多層担体の薄膜に記録される。多層導波路ホログラム記録および読出の公知の方法は、高いデータ密度と短いアクセスタイムとを同時には提供しない。

ホログラフィックデータストレージの分野における公知の方法および装置の分析により、現時点では、ＣＡＲＰ係数の高い値を提供する高スループットのホログラフィックデータストレージシステム手法はない、という結論が導かれる。

この発明の目的は、高いＣＡＲＰ係数を有するホログラフィックストレージシステムを提供することである。

概要
この方法は、多い情報容量、高いデータレート、および短いアクセスタイムを同時に提供するという課題を解決する総合的な手法を提供する。システムの必要とされる特性は、密に境界のある（bounded）情報担体構成手法と、データアクセシング、読出および記録の新しい方法とによって提供される。

この発明は、多層導波路ホログラフィック担体と、多層導波路ホログラフィックデータストレージシステムと、ランダムデータアクセスを用いた多層導波路ホログラム読出方法と、マトリックス導波路ホログラム層を記録して多層担体を組立てるためのプロセスおよび装置とを含む。

構成および動作方法の双方に関するこの発明それ自体と、その目的および利点とは、以下の詳細な説明を添付図面と関連して読むことによって容易に明らかとなるであろう。

詳細な説明
多層ホログラフィックデータストレージ担体
図１ａおよび図１ｂは、多層ホログラフィック導波路データストレージ担体１０を示す。それは、ホログラム層１１ｉとクラッド層１２ｉとを各々含む層グループを備えており、ここでｉは現在の層インデックスである。ホログラム１４ｉｊｋは行軸０１ｉｊに沿って配置されており、ここでｊは現在の行インデックス、ｋは現在のホログラムインデックスである。行の各々において、ホログラムは重なり合っていない。

図１ａに示す第１の変形では、各グループのホログラム層１１ｉは、同時に、端面結合器１５ｉを有する導波路層である。図１ａに示す第２の変形では、グループの各々において、回折格子結合器１６ｉ（図１ｂに示す）を有するホログラム層１１ｉと導波路層１３ｉとは別個に作られ、その間の光学接触で互いに付着されて、ホログラム層への導波の伝導を提供する。双方の変形では、導波路層の外面上に、先行技術のクラッド層と同様の機能を有するクラッド層がある。

図１ａおよび図１ｂでは、ｈ＝は行方向におけるホログラムのサイズであり、ｄ＝は行方向におけるホログラムのピッチである。ｈ⊥およびｄ⊥はそれぞれ、横断方向におけるホログラムのサイズおよびピッチである。ｈはホログラム層の厚さであり、ｄは層のピッチである。

図２ａおよび図２ｂに示すように、読出ビーム２０は、結合器１５ｉ（または１６ｉ）を通って導波路層内へ貫入する。次に、読出ビームは導波２１ｉｊとしてそれぞれの行ｉｊに沿って伝搬し、そのホログラムすべてから同時に放射線ビーム２２ｉｊｋを再構成する。各ホログラムからの再構成された放射線は出力面０２に向かって伝搬し、その空間角γが制限される。

ホログラムが放射線の特定の空間角γを有する場合、隣接するホログラム間のホログラムピッチｐ＝は、平面０３に、およびこの平面より上の区域に、前記放射線の交点を提供するよう設定される。再構成された放射線ビームはすべて、平行な平面０４に、集束されたデータページ画像を形成する。

図３は、集束面０４におけるデータページ画像パターン５１を示す。データ画素１７ｍｎはサイズｓ＝、ｓ⊥およびピッチｔ＝、ｔ⊥を有し、２−Ｄマトリックスとして配置される。ｍおよびｎはそれぞれ、行および列に沿った現在の画素インデックスである。データページ画像はすべて、同じ配向を有する。ＭおよびＮは、それぞれの方向におけるデータ画素の量である。

図４は、重ね合わされたホログラムを有するホログラム層を示す。平行でない行軸０１ｉｊと０１′ｉｊとの間の角度はαである。平行でない異なる交差する行に関連するいくつかのホログラムは、少なくとも部分的に重ね合わされるように記録される。２つの最も近接する、平行でないホログラム行同士の間の角度は、前記重ね合わせられたホログラムの角度選択性以上となるように設定される。

読出方法およびシステム
図５は、多層導波路担体から、ホログラフィックに記録されたデータを検索するためのシステムを示す。このシステムは、多層ホログラフィック導波路データストレージ担体１０と、層および行アクセスユニット３０とを含む。層および行アクセスユニット３０は、干渉性放射線のビームを生成するためのレーザ３１と、ビーム２４を形成するためのビーム形成器３２とで構成されており、ビーム２４は、角偏向器３３により偏向されてビーム２５になり、それは光学素子（レンズ）３４を通過して、選択された層１１ｉへ向けられ、それぞれの結合器１５ｉ（または１６ｉ）を通って、必要なホログラム行に沿って選択された層内を通る。

「可動窓」の形に作られたホログラムアクセスユニット４０は、平面０２と平面０３（図２ａ参照）との間の領域に配置されて、任意のホログラム１４ｉｊｋからの放射線２２ｉｊｋを分離してそれへのアクセスを獲得し、他の再構成されたホログラムからの放射線を遮断するよう意図されている。

多素子光検出器５０は、担体の出力面０２に向かって面し、前記ホログラムからの再構成された放射線２２ｉｊｋを受取るよう意図されており、この放射線の集束面０４に配置されて、ホログラムにより記憶されたデータの画素パターン５１（図３参照）と光学的に結合される。

最後に、コンピュータ６０は、層および行アクセスユニット６１、ホログラムアクセスユニット６２および光検出器６３の制御入力に、それぞれのインターフェイスユニットを介して接続されて、それらの連係動作を制御する。

図６は、ホログラム層の導波路ホログラム１４ｉｊｋと光検出器アレイ５０との幾何学的関係を示す。

ホログラム行およびデータ行と平行な一方の方向における光検出器アレイの画素量Ｑ＝は以下の式となるはずである。

式中、Ｐ＝は、行に沿った検出器アレイの線形サイズで、

となっており、
ｈ＝は、１つの行に沿ったホログラムピッチであり、
ｑ＝は、その行におけるホログラムの数であり、
ｐ＝は、１つの行に沿った検出器画素のピッチであり、
Ｍは、１つのデータページ行における読出データの画素数である。

それぞれ、ホログラム行およびデータページ行に垂直な他方の方向における光検出器アレイ画素量は、以下の式となるはずである。

式中、Ｑ⊥は、列に沿った検出アレイの線形サイズであり、
ｈ⊥は、１つの列に沿ったホログラムピッチであり、
ｑ⊥は、その列におけるホログラムの数であり、
ｐ⊥は、その列に沿った検出器画素のピッチであり、
Ｎは、１つのデータページ列における読出データの画素数である。

は、選択された方向におけるホログラム行の線形サイズである。データページ画像の画素のピッチは、検出器画素のピッチと等しいかまたはそれより大きく、その場合、それはその整数の倍数である。

図７は、位相共役参照ビーム２０^*を利用して、多層導波路担体から、ホログラフィックに記憶されたデータを検索するためのシステムを示す。図５と比較して、共役結合器１５^*ｉが使用され、光検出器は共役面０４^*に配置される。

図８は、重ね合わされた導波路ホログラムの読出のためのシステムである。平行でない行からのホログラムは、角度αをその間に有する読出ビーム２０および２０′によって読出される。層１１ｉと平行な平面において読出ビーム２０の必要なさらなる角度偏位を提供するために、さらなる偏向器が層および行アクセスユニットにおいて使用される。たとえば、偏向器３３に加えて回転光学プレート３５（コンピュータによりそれぞれのインターフェイスを介して制御されるロータリーアクチュエータが設けられた回転ミラーとして作られる）を使用することが可能である。

図９は、暗号化された導波路ホログラムの読出のためのシステムである。多チャネル位相空間光変調器４１および円柱レンズ３６はそれぞれ、読出ビームの符号化（暗号化）、および、符号化されたビーム２７ｉｊの導波路層１１ｉへの方向付けのために使用される。

図１０は、レーザマトリックスによる導波路ホログラムの読出のためのシステムを示す。レーザマトリックス３７および光ファイバ３８ｉｊは、各ホログラム行について別個の読出ビームを形成するために使用される。コンピュータは、インターフェイス６５を介して、マトリックス３７の各レーザを制御する。

導波路ホログラム記録プロセスおよび装置
ホログラムは、デジタル（バイナリもしくはマルチレベル）信号またはアナログ信号の２次元マトリックスのフーリエ（もしくは擬フーリエ）またはフレネルホログラムとして記録可能である。ホログラムマトリックスは別個の層上に記録される。次に、ホログラム層（および、別個に使用される場合には導波路層も）とクラッド層とはともに挟まれて、それらの間に光学接触を形成し、こうして多層導波路ホログラフィックデータストレージ担体を生成する。

フーリエ（または擬フーリエ）ホログラム記録
図１１は、回折格子結合器を使用することによって光記録層に導波路フーリエ（または擬フーリエ）ホログラムのマトリックスを記録するためのプロセスおよび装置の概略図を表わす。レーザなどの単色性の光源が干渉性放射線のビームを生成し、それは、図１１に示すように、第１の（信号）ビーム７０と、光学手段３２によって参照ビーム２８を形成するために使用される第２のビームとに分割される。レンズなどの標準光学手段８０によって拡張された信号コリメートビーム７１が、空間光変調器（ＳＬＭ）４２を通過する（またはそこから反射する）。データページはＳＬＭ４２によって表示される。コンピュータ６０は制御信号を形成し、信号はインターフェイス６６を介してＳＬＭ４２に到着する。制御信号に従って振幅（または位相、もしくは偏光）が変調されたビーム７２が、光学素子（レンズ）８１によって、光記録媒体１７近傍の平面０６に集束され、それに続き、それは光記録媒体１７の局所区域を照明する。こうして、この局所区域は、データページのフーリエ（または擬フーリエ）変換関数の画像によって照明される。光記録媒体１７の層は、光学的に透明な硬い基材１８（たとえばガラス）の上に積層されている。

同時に、参照ビーム２８は、回折格子参照ビーム結合器７３によって参照導波２９に変換される。波２９は次に、同じ局所区域を照明する。

光記録媒体の寄生照明を防止するために、光記録媒体表面の近傍にダイヤフラム８３を配置してもよい。

媒体１７に記録される変換されたデータページ画像を形成するための光学系は、異なる方法によって実現されてもよく、それらの方法は、以下に記載するような読出ビームの特性に依存する。

１） 読出ビームが参照ビームの類似物である場合
この場合、（光学素子８１が配置されている）平面０７と（ＳＬＭ４２が配置されている）平面０８との間の距離は、再構成されたデータページ画像が光記録媒体から、ホログラムから読出装置の検出器面までの距離と同じ距離だけ離れて配置されるようになっている。同時に、データページ画素画像のピッチは、光検出器画素のピッチと等しいか、またはその整数の倍数でなければならない。つまり、たとえば、光検出器５０（図６）の平面０４での読出データ画素画像のピッチが、ＳＬＭによって表示される画素のピッチと等しい場合には、平面０８と平面０７との間の距離Ｖは、レンズ８１の焦点距離の２倍（２Ｆ）に等しい。Ｆは、平面０６と平面０７との間の距離である。

多層ホログラフィック担体１０の異なる層１１ｉ（図５）は、光検出器面０４（図５）から異なる距離Ｇｉ（図６）離れて配置されている。したがって、・Ｆｉ＋Ｇｉ＝一定と
いう条件を提供することが必要である。この場合、担体すべての層からの再構成されたデータ画像は、同一の尺度を有する。

光学的に透明な材料の平行プレート８２（図１１）（または空間位相補償器）が、異なる層から検出器面への光学距離における任意の差を補償するために使用される。このプレートの厚さおよび屈折率は、所与の層１１ｉ（図６）と光検出器面０４（図６）との間に配置された担体層の光学的類似物を提供するようなものでなければならない。

２） 読出ビーム（図７の２０^*など）か参照ビームの位相共役である場合
この場合、図１２に示すように、ＳＬＭ４２は、平面０７のすぐ近くにあるレンズ８１からの収束ビーム内にある。

注：この種のホログラムの読出は、ホログラム面０１ｉ（図６）と光検出器面０４（図６）との間での任意の画像形成光学部品の使用に備えてはいない。

図１３は、図１１と同じであるが、より均一なフーリエ画像分布をホログラム記録面０５ｉに提供するランダム位相マスク４３を使用する点のみが異なっている概略図を表わす。位相空間光変調器を位相マスク４３として使用することが可能である。

ホログラム記録手順
図１１に示すように、参照導波２９は、導波路内と同様に光記録膜層１７内を伝搬する。同時に、変調された信号ビーム（フーリエまたは擬フーリエ画像）が、光記録膜層に直角な線に沿って向けられる。ホログラムは、各記録の後で、記録されるホログラムのピッチサイズｈ＝に等しい特定方向の距離に沿って光記録層を順次移動させることにより、記録される。移動を行なうために２座標位置決め器９０が使用され、コンピュータ６０によってインターフェイス６７を介して制御される。ホログラムのピッチ（図１ａ、ｂのｈ＝およびｈ⊥）は、光検出器画素ｐ＝およびｐ⊥（図６）の整数で割り切れなければならない。記録されたホログラムは、光記録層にマトリックスを形成するホログラム行に配置される。

図１３は、２つの異なる層、つまり光記録（感光性）層１７と導波路層１９とを含む担体を使用した記録手順の変形を示す。特に、参照ビームはプリズム結合器８６によって導波路層１９内へ向けられる。

図１２および図１４に示すように、参照ビーム２８は光記録層１７に対し、小さな角度βで向けられる。光記録層が硬い基材を有していない場合、光記録層の屈折率に近い屈折率を有する浸漬層８７および８８を使用することによって、この層を光学プレート８４と８５との間に位置付けることが可能である。

フレネルホログラムの記録
この場合、読出は共役参照ビームによって行なわれることになる。記録手順は上述のものと同じであるが、図１５に示すように、集束レンズ８１およびコリメータレンズ８９などの光学素子が、ホログラム記録面０５ｉにＳＬＭデータページ４２のフレネル画像を形成する。

参照ビームを導波路層に結合するための回折格子の形成
格子結合器１６ｉ（図１ｂ）は、ホログラフィック法によって、導波路層でもある光記録層１１ｉ（図１ａ、図１ｂ）の周辺に記録され、または、それは、スタンピング、エッチングもしくは他の公知の方法によって、別個の導波路層１３ｉ（図１ａ、図１ｂ）の周辺に形成される。

重ね合わされたホログラムの記録
記録手順は上述のものと同じであるが、図１６に示すように、少なくとも２つの重ね合わされたホログラム９１および９１′が、参照ビームの異なる伝搬方向２９および２９′がホログラム記録面０５ｉにある状態で、重複区域に順次記録される。適切な読出ビームによるホログラムの独立した読出を提供するために、参照ビームの方向同士間の最小角度αが必要である。

暗号化されたホログラムの記録
この記録手順は上述のものと同じであるが、参照ビームは、読出暗号化ビーム２７ｉｊ（図９）を形成するために使用されたものと同じ方法によって形成される。

したがって、例示的な実施例を参照してこの発明を説明してきたが、この説明は限定的な意味で解釈されるよう意図されてはいない。この説明を参照すれば、例示的な実施例のさまざまな変更、およびこの発明の他の実施例が当業者には明らかであろう。したがって、添付された特許請求の範囲がそのような変更または実施例を、この発明の範囲内に該当するものとして網羅することが考えられる。

参照ビーム用の端面結合器を有する多層導波路ホログラフィック担体を示す図である。 参照ビーム用の回折格子結合器を有する多層導波路ホログラフィック担体を示す図である。 端面結合器を通して参照ビームをデータストレージ担体の導波路層に入れ、再構成されたホログラムから放射線を出す方法を示す図である。 回折格子結合器を通して参照ビームをデータストレージ担体の導波路層に入れ、再構成されたホログラムから放射線を出す方法を示す図である。 集束面にホログラフィックに記憶されるデータページ画像パターンを示す図である。 重ね合わされたホログラムを有するホログラム層を示す図である。 多層導波路担体から、ホログラフィックに記憶されたデータを検索するための、ランダムデータアクセスを有するシステムを示す図である。 ホログラム層の導波路ホログラムと光検出器アレイとの幾何学的関係を示す図である。 位相共役参照ビームを利用して、多層導波路担体から、ホログラフィックに記憶されたデータを検索するためのシステムを示す図である。 重ね合わされた導波路ホログラムの読出のためのシステムを示す図である。 暗号化された導波路ホログラムの読出のためのシステムを示す図である。 レーザマトリックスによる導波路ホログラムの読出のためのシステムを示す図である。 回折格子結合器を使用することによって、光記録層に導波路フーリエ（擬フーリエ）ホログラムのマトリックスを記録するためのプロセスおよび装置の概略図である。 収束ビーム内に配置されたＳＬＭを使用することによって、光記録層に導波路フーリエ（擬フーリエ）ホログラムのマトリックスを記録するためのプロセスおよび装置の概略図である。 ランダム位相マスクを使用することによって、光記録層に導波路フーリエ（擬フーリエ）ホログラムのマトリックスを記録するためのプロセスおよび装置の概略図である。 参照ビームの小さい角度の入力を使用することによって、層に導波路フーリエ（擬フーリエ）ホログラムのマトリックスを記録するためのプロセスおよび装置の概略図である。 単一層マトリックスの導波路フレネルホログラムの記録プロセスおよび装置の概略図である。 多重化された導波路ホログラムの記録のためのシステムを示す図である。

最後の方法は導波路多層ホログラムを使用している。「ホログラム記録のための媒体、方法および装置、ならびにホログラム記録再生装置」、水野真一（ソニー株式会社）ＪＰ０９１０１７３５Ａ２、発行日：１９９７年４月１５日を参照されたい。導波路ホログラムは多層担体の薄膜に記録される。多層導波路ホログラム記録および読出の公知の方法は、高いデータ密度と短いアクセスタイムとを同時には提供しない。
国際公開番号ＷＯ０１／５７６０２は、多層導波路層を含む構造に形成された導波路層へのホログラムの記録を開示している。随意のシステムにより、導波路層へのホログラムの書込みと、書込まれたホログラムのその後の読出しとが可能になる。しかしながら、データ担体テープまたはデータストレージカードが読出し中に動くため、メモリシステムは、非常に低いアクセスタイムと高いデータ密度との組み合わせを同時に提供しない。データストレージシステムにおけるいかなる機械的運動も、比較的長いデータアクセスタイムをもたらす。

この発明は、多層導波路ホログラフィック担体と、多層導波路ホログラフィックデータストレージシステムと、ランダムデータアクセスを用いた多層導波路ホログラム読出方法と、マトリックス導波路ホログラム層を記録して多層担体を組立てるためのプロセスおよび装置とを含む。この多層導波路ホログラム読出方法は、空間光変調器（ＳＬＭ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）によって多層導波路の表面上に提供される電子可動窓を取り入れている。ホログラムピッチは、ＳＬＭまたはＣＣＤの素子サイズに関連する。

Claims (47)

1. 多層ホログラフィックデータストレージ担体であって、層の少なくとも２つのグループを含み、各グループは、
   ｉ） 記憶されるべきデータを保存するためのホログラムを有する層を含み、前記ホログラムは１つ以上のホログラム行に配置され、前記ホログラム行の各々は、１つの導波によって同時に再構成され得る重複しないホログラムを有しており、前記各グループはさらに、
   ii） 結合器が設けられた導波路層と、
   iii） 隣接する層グループ同士間の前記導波路層の外面上に配置されたクラッド層とを含み、
   前記１つ以上のホログラム行に配置された各前記ホログラムは、そこから前記データストレージ担体の出力面へ向けられる集束された放射線を再構成することができ、集束された放射線は、前記出力面より上の領域においてその放射線を他の再構成されたホログラムの放射線から空間分離することを提供するために、その空間角が制限されており、それにより、前記ホログラムによって記憶されたデータへのアクセスが可能となる、多層ホログラフィックデータストレージ担体。
2. 前記ホログラムからの放射線の空間角を特定した場合、隣接するホログラム同士間のホログラムピッチは、前記領域より上の区域に前記放射線の交点を提供し、それにより、選択されたホログラムによって再構成された放射線を、ホログラム行の各々に配置された隣接するホログラムによって再構成された放射線から空間分離することを可能にするように設定される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
3. 前記ホログラムは、各前記１つ以上のホログラム行の各前記ホログラム間に等しいホログラムピッチを有して配置され、一方、前記放射線の同様の空間角がすべての前記ホログラムについて設定される、請求項２に記載のデータストレージ担体。
4. 隣接するホログラム同士間のホログラムピッチを特定した場合、前記ホログラムからの放射線の空間角は、前記領域より上の区域に前記放射線の交点を提供し、それにより、選択されたホログラムによって再構成された放射線を、前記ホログラム行の各々に配置された隣接するホログラムによって再構成された放射線から空間分離することを可能にするように設定される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
5. 前記ホログラムは、各前記１つ以上のホログラム行の各前記ホログラム間に等しいホログラムピッチを有して配置され、一方、前記放射線の同様の空間角がすべての前記ホログラムについて設定される、請求項４に記載のデータストレージ担体。
6. 任意のホログラム層に、ともに再構成されるべき少なくとも２つの平行なホログラム行を有する場合、隣接する行同士間の行ピッチは、前記領域より上の区域に前記再構成されたホログラムからの放射線の交点を提供するように設定される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
7. あるホログラム層に、各々別個に再構成されるべき少なくとも２つの平行なホログラム行を有する場合、隣接する行同士間の行ピッチは、前記ホログラム行に対して横断方向におけるホログラムのサイズ以上となるように設定される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
8. あるホログラム層に、各々別個に再構成されるべき少なくとも２つの平行でないホログラム行を有する場合、平行でない異なる行に関連する少なくとも２つのホログラムは、少
   なくとも部分的に重ね合わされるように記録される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
9. 任意の２つの隣接する平行でないホログラム行同士間の角度は、前記重ね合わされたホログラムの角度選択性以上となるように設定される、請求項８に記載のデータストレージ担体。
10. 各ホログラム層における前記ホログラムは、それらのそれぞれの放射線を、特定された距離で、担体の平らな出力面に平行な、前記ホログラムからの放射線の交点の区域に配置された異なる平面のうちの１つへ集束させることを提供するよう記録される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
11. 各ホログラム層における前記ホログラムは、すべての放射線が、担体の平らな出力面に平行な、前記ホログラムからの放射線の交点の区域に配置された同一平面に集束されるように、それらのそれぞれの放射線を、特定された異なる距離のうちの１つで集束させることを提供するよう記録される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
12. 各ホログラム層における各前記ホログラムは、データページの２次元画素パターンを記憶するよう記録される、請求項１に記載のデータストレージ担体。
13. 前記グループの各々における前記ホログラム層は、同時に、前記導波路層である、請求項１に記載のデータストレージ担体。
14. 前記グループの各々における前記ホログラム層と前記導波路層とは別個に作られ、光学接触によって互いに接続されて、前記ホログラム層への前記導波の伝導を提供する、請求項１に記載のデータストレージ担体。
15. 多層ホログラフィックデータストレージシステムであって、
    ａ） 層の少なくとも２つのグループを有する担体を含み、各グループは、
    ｉ） 記憶されるべきデータを保存するためのホログラムを有する層を含み、前記ホログラムは１つ以上のホログラム行に配置され、前記ホログラム行の各々は、１つの導波によって同時に再構成され得る重複しないホログラムを有しており、前記各グループはさらに、
    ii） 結合器が設けられた導波路層と、
    iii） 隣接する層グループ同士間の前記導波路層の外面上に配置されたクラッド層とを含んでおり、前記データストレージシステムはさらに、
    ｂ） 呼出ビームを形成して選択された層へ向け、それぞれの結合器を通して、少なくとも１つの必要な行に沿ってその中に向けるための層および行アクセスユニットと、
    ｃ） 前記領域に配置された可動窓の形をし、任意のホログラムからの放射線を分離してそれへのアクセスを獲得し、他の再構成されたホログラムからの放射線を遮断するよう意図されたホログラムアクセスユニットと、
    ｄ） 前記担体の出力面に向かって面し、前記ホログラムからの再構成された放射線を受取るよう意図され、前記放射線の集束面に、またはその近傍に配置されて、前記ホログラムにより記憶されたデータの画素パターンと光学的に結合される多素子光検出器と、
    ｅ） 前記層および行アクセスユニットならびに前記ホログラムアクセスユニットの制御入力と、前記光検出器の制御入力および出力とに、それらの連係動作を制御するために、および読出データを処理するために、それに応じて接続されたそれぞれのインターフェイスユニットを有するコンピュータとを含み、
    前記１つ以上のホログラム行に配置された各前記ホログラムは、そこから前記担体の出力面へ向けられる集束された放射線を再構成することができ、集束された放射線は、前記
    出力面より上の領域においてその放射線を他の再構成されたホログラムの放射線から空間分離することを提供するために、その空間角が制限されており、それにより、前記ホログラムによって記憶されたデータへのアクセスが可能となる、多層ホログラフィックデータストレージシステム。
16. 前記ホログラムからの放射線の空間角を特定した場合、隣接するホログラム同士間のホログラムピッチは、前記領域より上の区域に前記放射線の交点を提供し、それにより、選択されたホログラムによって再構成された放射線を、前記ホログラム行の各々に配置された隣接するホログラムによって再構成された放射線から空間分離することを可能にするように設定される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
17. 前記ホログラムは、各前記１つ以上のホログラム行の各前記ホログラム間に等しいホログラムピッチを有して配置され、一方、前記放射線の同様の空間角がすべての前記ホログラムについて設定される、請求項１６に記載のデータストレージシステム。
18. 隣接するホログラム同士間のホログラムピッチを特定した場合、前記ホログラムからの放射線の空間角は、前記領域より上の区域に前記放射線の交点を提供し、それにより、選択されたホログラムによって再構成された放射線を、前記ホログラム行の各々に配置された隣接するホログラムによって再構成された放射線から空間分離することを可能にするように設定される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
19. 前記ホログラムは、各前記１つ以上のホログラム行の各前記ホログラム間に等しいホログラムピッチを有して配置され、一方、前記放射線の同様の空間角がすべての前記ホログラムについて設定される、請求項１８に記載のデータストレージシステム。
20. 任意のホログラム層に、ともに再構成されるべき少なくとも２つの平行なホログラム行を有する場合、隣接する行同士間の行ピッチは、前記領域より上の区域に前記再構成されたホログラムからの放射線の交点を提供するように設定される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
21. あるホログラム層に、各々別個に再構成されるべき少なくとも２つの平行なホログラム行を有する場合、隣接する行同士間の行ピッチは、前記ホログラム行に対して横断方向におけるホログラムのサイズ以上となるように設定される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
22. あるホログラム層に、各々別個に再構成されるべき少なくとも２つの平行でないホログラム行を有する場合、平行でない異なる行に関連する少なくとも２つのホログラムは、少なくとも部分的に重ね合わされるように記録される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
23. 任意の２つの隣接する平行でないホログラム行同士間の角度は、前記重ね合わされたホログラムの角度選択性以上となるように設定される、請求項２２に記載のデータストレージシステム。
24. 各前記ホログラム層における前記ホログラムは、それらのそれぞれの放射線を、特定された距離で、担体の平らな出力面に平行な、前記ホログラムからの放射線の交点の区域に配置された異なる平面のうちの１つへ集束させることを提供するよう記録される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
25. 各前記ホログラム層における前記ホログラムは、すべての放射線が、担体の平らな出力
    面に平行な、前記ホログラムからの放射線の交点の区域に配置された同一平面に集束されるように、それらのそれぞれの放射線を、特定された異なる距離のうちの１つで集束させることを提供するよう記録される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
26. 各前記ホログラム層における各前記ホログラムは、データページの２次元画素パターンを記憶するよう記録される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
27. 前記グループの各々における前記ホログラム層は、同時に、前記導波路層である、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
28. 前記グループの各々における前記ホログラム層と前記導波路層とは別個に作られ、光学接触によって互いに接続されて、前記ホログラム層への前記導波の伝導を提供する、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
29. 光検出器の受取面での各前記再構成されたホログラムからのデータ画素画像の行は、光検出器の画素のそれぞれの行に沿って整列され、この方向における前記データ画素画像のピッチは、同じ方向における光検出器画素ピッチと等しいかまたはその整数の倍数となるように設定されている、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
30. データ画素画像の前記ピッチが前記光検出器画素ピッチと等しい場合、各画素画像の中心は、対応する光検出器画素のほぼ中心に配置される、請求項２９に記載のデータストレージシステム。
31. 光検出器は前記ホログラムからの放射線の交点の区域に配置され、前記方向における光検出器画素の数は、集束面において光検出器を動かすことなくすべての前記ホログラムからのデータ画素画像を網羅するように設定され、式：
    

    

    によって決定され、式中、
    ｈは、ホログラムピッチであり、
    ｑは、ホログラム行におけるホログラムの数であり、
    ｐは、光検出器画素ピッチであり、
    Ｍは、前記方向におけるデータ画素画像の数である、請求項３０に記載のデータストレージシステム。
32. 前記ホログラムアクセスユニットは、制御入力を有し、それを通って伝導される再構成された放射線の強度（または振幅）を変調するよう意図された空間光変調器として作られている、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
33. 前記空間光変調器は担体の出力面に配置される、請求項３２に記載のデータストレージシステム。
34. 前記窓はスリットの形を有し、そのスリットは、光検出器画素行に対して横断的に整列され、すべての前記ホログラム行を網羅しており、担体の出力面からのそれぞれのホログラム層の距離とそれぞれの再構成されたホログラムからの放射線の特定された空間角とに依存する制御可能な幅を有する、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
35. 前記窓は矩形を有し、その矩形は、その１辺で光検出器画素行に沿って整列され、前記
    光検出器画素行の方向および横断方向の双方において制御可能なサイズを有しており、前記制御可能なサイズは、担体の前記出力面からのそれぞれのホログラム層の距離と、それぞれの再構成されたホログラムからの放射線の特定された空間角とに依存している、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
36. 前記層および行アクセスユニットは、
    ａ） 干渉性放射線のビームを生成し形成するためのユニットを含み、前記ユニットは、層および行アクセスユニットの第１の制御入力として指定された、前記インターフェイスユニットを介してコンピュータと接続された制御入力を有しており、前記層および行アクセスユニットはさらに、
    ｂ） 前記ホログラム層に垂直な平面において、およびそれに対して横断する平面において、干渉性放射線のビームを偏向させて、選択された層および必要なホログラム行それぞれへのアクセスを獲得するための角偏向手段を含み、前記角偏向手段は、層および行アクセスユニットの第２の制御入力として指定された、前記インターフェイスユニットを介してコンピュータと接続された制御入力を有しており、前記層および行アクセスユニットはさらに、
    ｃ） 光学素子を含み、光学素子は、前記角偏向手段に結合された入力と、選択された層の結合器と光学的に共役される出力とを有しており、その出力において、偏向されたビームの角度変動を読出ビームの平行移動に変換し、読出ビームを、前記結合器を介して、必要なホログラム行に沿って選択された層に向けるよう意図されている、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
37. 前記層および行アクセスユニットは、出力光学部品を各々有する１組のレーザとして作られており、制御入力は、層および行アクセスユニットのそれぞれの制御入力であり、それぞれのインターフェイスユニットを介してコンピュータと接続されており、前記光学部品は、光学手段によってそれぞれのホログラム層の結合器と共役されて、このように生成された読出ビームを、前記結合器を介して、対応するホログラム行に沿って前記それぞれのホログラム層に向ける、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
38. 前記光学手段は光ファイバである、請求項３７に記載のデータストレージシステム。
39. 前記ホログラムのいずれかが暗号化されている場合、読出ビームは、それぞれの暗号化されたホログラムを記録するために使用される参照光線の方向に対応している異なる方向を有する多数の光線から構成される、請求項１５に記載のデータストレージシステム。
40. 多層ホログラフィックデータストレージ担体に記憶されたデータを読出す方法であって、
    ａ） 層の少なくとも２つのグループを有する担体に記憶されたデータへのアクセスを獲得するために使用される読出ビームを形成するステップを含み、各グループは、
    ｉ） 記憶されるべきデータを保存するためのホログラムを有する層を含み、前記ホログラムは１つ以上のホログラム行に配置され、前記ホログラム行の各々は、１つの導波によって同時に再構成され得る重複しないホログラムを有しており、前記各グループはさらに、
    ii） 導波路層と、
    iii） 隣接する層グループ同士間の前記導波路層の外面上に配置されたクラッド層とを含んでおり、前記方法はさらに、
    ｂ） 選択されたホログラム層および必要なホログラム行へのアクセスを獲得し、それぞれのホログラムを再構成するために、読出ビームを、少なくとも１つのホログラム行に沿って、選択されたグループの導波路層内へ向けるステップと、
    ｃ） その中に記憶されたデータへのアクセスを可能にするために、再構成されたホロ
    グラムのうちの１つからの放射線を選択するステップと、
    ｄ） 読出データを処理するために、選択されたホログラムからの再構成された放射線を受取るステップとを含み、
    放射線を選択する前記ステップは、選択されたホログラムによって再構成された放射線を、前記ホログラム行の各々に配置された隣接するホログラムによって再構成された放射線から空間分離するステップによって実行され、前記分離するステップは、前記１つ以上のホログラム行の各々に配置された各前記ホログラムが、そこから前記担体の前記出力面へ向けられ、その空間角が制限された、集束された放射線を再構成できるために、前記担体の出力面より上の領域において実行されて、前記領域より上の区域に再構成されたホログラムからの前記放射線の交点を提供し、一方、再構成された放射線を受取る前記ステップは、前記区域において、前記放射線の集束面で、またはその近傍で実行される、データを読出す方法。
41. 前記グループの各々における前記ホログラム層は、同時に、前記導波路層である、請求項４０に記載のデータを読出す方法。
42. 再構成された放射線を受取る前記ステップは、多素子光検出器によって実行され、多素子光検出器は、前記区域において、前記放射線の集束面に配置され、光検出器の受取面での各前記再構成されたホログラムからのデータ画素画像の行が、光検出器の画素行に沿って整列されるように配向されており、一方、この方向における光検出器画素の数は、集束面において光検出器を動かすことなくすべての前記ホログラムからのデータ画素画像を網羅するように設定され、式：
    

    

    によって決定され、式中、
    ｈは、ホログラムピッチであり、
    ｑは、ホログラム行におけるホログラムの量であり、
    ｐは、光検出器画素ピッチであり、
    Ｍは、前記方向におけるデータ画素画像の量である、請求項４０に記載のデータを読出す方法。
43. 選択されたホログラムによって再構成された放射線を空間分離するステップは、前記領域に配置され、この放射線を伝導させて他の再構成されたホログラムからの放射線を遮断するために、その位置およびサイズを変更できる可動窓を使用することによって実行される、請求項４０に記載のデータを読出す方法。
44. 前記窓は、それを通って伝導される再構成された放射線の強度（または振幅）を変調するよう意図された空間光変調器によって実行される、請求項４３に記載のデータを読出す方法。
45. 前記再構成された放射線を受取るために多素子光検出器を使用する場合、前記窓はスリットの形状を有し、そのスリットは、光検出器画素行に対して横断的に整列され、すべての前記ホログラム行を網羅しており、担体の出力面からのそれぞれのホログラム層の距離とそれぞれの再構成されたホログラムからの放射線の特定された空間角とに依存する制御可能な幅を有する、請求項４３に記載のデータを読出す方法。
46. 前記再構成された放射線を受取るために多素子光検出器を使用する場合、前記窓は矩形形状を有し、その矩形形状は、その１辺で光検出器画素行に沿って整列され、前記画素行
    の方向および横断方向の双方において制御可能なサイズを有しており、前記制御可能なサイズは、担体の前記出力面からのそれぞれのホログラム層の距離と、それぞれの再構成されたホログラムからの放射線の特定された空間角とに依存している、請求項４３に記載のデータを読出す方法。
47. 前記ホログラムのいずれかが暗号化されている場合、読出ビームは、それぞれの暗号化されたホログラムを記録するために使用される参照光線の方向に対応している異なる方向を有する多数の光線から構成される、請求項４０に記載のデータを読出す方法。

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