JP2006139224A - 光バッファメモリ装置及び光信号記録方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光バッファメモリ装置は、特定の波長のパルス状の信号光5を、信号光5とは異なる波長のパルス状の変換光7に変換する波長変換器1と、波長変換器1により波長変換されたパルス状の変換光7の情報を、書込み及び読出し可能な記録媒体に一時的に記録させた後、前記特定の波長のパルス状の信号光10として取出す記録再生装置2を有する。波長変換器1は、信号光5に対し吸収性を示し、変換用光6に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜を含み、この光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いた熱レンズ形成素子を利用して波長変換を行う。
【選択図】 図1
Description
A.V.Turukhin et al., "Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid", Physical Review Letters 88, 023602, 2002 藤原祺多夫、不破敬一郎、小林孝嘉著、レーザー誘起熱レンズ効果とその比色法への応用、「化学」、化学同人発行、第36巻、第6号、432−438頁(1981年) 北森武彦、澤田嗣郎著、光熱変換分光分析法、「ぶんせき」、日本分析化学会発行、1994年3月号、178−187頁 平賀隆、田中教雄、早水紀久子、守谷哲郎著、色素会合体・凝集体の作成・構造評価・光物性、「電子技術総合研究所彙報」、通商産業省工業技術院電子技術総合研究所発行、第59巻、第2号、29−49頁(1994年)
この出願の発明において、熱レンズ形成素子としてはたとえば積層膜型構造を有するものを好適に用いることができ、その積層膜の構成としてはたとえば以下のような組み合わせを挙げることができる。
(1)光吸収層膜単独。ただし、光吸収層膜は、文字通り「光吸収膜」単独の単層膜、あるいは、「光吸収膜/熱レンズ形成層」という2層構造、又は、「光吸収膜/熱レンズ形成層/光吸収膜」という3層構造の積層型薄膜のいずれであってもよい。なお、以下の(2)から(10)の「光吸収層膜」も上記同様の構造を含むものとする。
(2)光吸収層膜/保温層膜
(3)保温層膜/光吸収層膜/保温層膜
(4)光吸収層膜/伝熱層膜
(5)伝熱層膜/光吸収層膜/伝熱層膜
(6)光吸収層膜/保温層膜/伝熱層膜
(7)伝熱層膜/光吸収層膜/保温層膜
(8)伝熱層膜/光吸収層膜/保温層膜/伝熱層膜
(9)伝熱層膜/保温層膜/光吸収層膜/保温層膜
(10)伝熱層膜/保温層膜/光吸収層膜/保温層膜/伝熱層膜
(11)屈折率分布型レンズ/(光透過層/)上記(1)ないし(10)の熱レンズ形成素子
(12)屈折率分布型レンズ/(光透過層/)上記(1)ないし(10)の熱レンズ形成素子/(光透過層/)屈折率分布型レンズなお、上記「(光透過層/)」とは、必要に応じて光透過層を設けることを意味する。さらに、必要に応じて光の入射面及び出射面に反射防止膜(ARコート膜)を設けてもよい。
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子中の光吸収層膜に用いられる光吸収性の材料としては、公知の種々のものを使用することができる。
(1)この出願の発明で用いられる光の波長領域で透過率が高いこと、
(2)この出願の発明で用いられる色素又は種々の微粒子を安定性良溶解又は分散できること、
という条件を満足するものであれば任意のものを使用することができる。
この出願の発明で使用される光吸収層膜の材料、信号光の波長帯域、及び変換用光の波長帯域は、これらの組み合わせとして、使用目的に応じて適切な組み合わせを選定し用いることができる。
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子において、光吸収層膜は、「光吸収膜」単独の単層膜、あるいは、「光吸収膜/熱レンズ形成層」という2層構造、又は、「光吸収膜/熱レンズ形成層/光吸収膜」という3層構造の積層型薄膜のいずれであってもよく、光吸収層膜全体の厚さは、収束された変換用光の共焦点距離の2倍を超えないことが好ましい。さらに、一層高速な応答速度を目指す場合は、前記積層型薄膜からなる光吸収層膜の厚さは、収束された変換用光の共焦点距離の1倍を超えないことが好ましい。
単層の光吸収膜そのものが、熱レンズ形成層として作用してもよいが、光吸収と熱レンズ形成の機能を別々の材料に分担させて、各々選択された最適の材料を積層して使用することが好ましい。
保温層膜として気体を用いる場合は、空気の他、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの不活性ガスを好適に用いることができる。
伝熱層膜としては、熱伝導率が光吸収層膜よりも大きい材質が好ましく、変換用光及び信号光を透過し、光吸収層膜や保温層膜の材質と反応しないものであれば、任意のものを用いることができる。熱伝導率が高く、かつ、可視光線の波長帯域における光吸収が小さい材質として、たとえば、ダイアモンド[300Kにおける熱伝導率900Wm-1K-1]、サファイア[同46Wm-1K-1]、石英単結晶[c軸に平行方向で同10.4Wm-1K-1]、石英ガラス[同1.38Wm-1K-1]、硬質ガラス[同1.10Wm-1K-1]などを伝熱層膜として好適に用いることができる。
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子は、信号光の収束手段としての屈折率分布型レンズが、光透過層を介して変換用光の入射側に積層されて設けられていてもよいが、光透過層の材質としては、固体の保温層膜及び伝熱層膜の少なくとも一方の材質と同様のものを使用することができる。光透過層は、文字通り、信号光及び変換用光を効率よく透過させるだけでなく、屈折率分布型レンズを熱レンズ形成素子構成要素として接着するためのものである。いわゆる紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂の内、信号光及び変換用光の波長帯域の光透過率の高いものを特に好適に用いることができる。
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子の作成方法は、熱レンズ形成素子の構成及び使用する材料の種類に応じて任意に選定され、公知の方法を用いることができる。
この出願の発明で用いられる熱レンズ形成素子は、信号光の収束手段としての屈折率分布型レンズが、光透過層を介して信号光の入射側に積層されて設けられていてもよいが、この屈折率分布型レンズの材料と作成方法としては、公知の、任意のものを使用することができる。
色素溶液充填式熱レンズ形成素子で用いられる光学セルは、色素溶液を保持する機能、及び色素溶液に実効的に形態を付与し、光吸収層膜兼熱レンズ形成層として作用させる機能を有し、さらに、収束されて照射される信号光及び制御光を受光して光応答性塑性物へ信号光及び変換用光を伝播させる機能、及び光応答性組成物を透過した後、発散していく変換用光を伝播させて出射する機能を有するものである。
(1)上記のような外部形態及び内部形態を、使用条件において精密に維持できること。
(2)色素溶液に対して不活性であること・
(3)色素溶液を構成する諸成分の放散・透過・浸透による組成変化を防止できること。
(4)色素溶液が、酸素や水などの使用環境に存在する気体あるいは液体と接触することによって劣化することを防げることができること。
この出願の発明において熱レンズ効果を有効に利用するためには、焦点(集光点)近傍の光子密度が最も高い領域、すなわち「ビームウエスト」における変換用光のビーム断面積が、ビームウエストにおける信号光のビーム断面積を超えないように変換用光及び信号光のビーム断面の形状及び大きさをそれぞれ設定することが好ましい。
(数1)
π・θ・ω0 ≒ λ …〔1〕
ここで、πは円周率である。
(数2)
2ω0 ≒ k・λ/NA …〔2〕
ここで、係数kは代数的に解くことができないため、レンズ結像面での光強度分布についての数値解析計算を行うことによって決定することができる。
(数3)
a/ω = 1 のとき k ≒ 0.92
a/ω = 2 のとき k ≒ 1.3
a/ω = 3 のとき k ≒ 1.9
a/ω = 4 のとき k ≒ 3
すなわち、集光レンズの有効開口半径aよりもビーム半径ωが小さければ小さい程、ビームウエスト径ω0は大きくなる。
一般に、ガウスビームの場合、凸レンズなどの収束手段で収束された光束のビームウエスト近傍、すなわち、焦点を挟んで共焦点距離Zcの区間においては、収束ビームはほぼ平行光と見なすことができ、共焦点距離Zcは、円周率π、ビームウエスト半径ω0及び波長λを用いた式〔3〕で表すことができる。
(数4)
Zc = πω0 2/λ …〔3〕
式〔3〕のω0に式〔2〕を代入すると、式(4)が得られる。
(数5)
Zc ≒ π(k/NA)2λ/4 …〔4〕
たとえば、集光レンズとして開口数0.25、有効開口半径約5mmのレンズを用い、波長780nmの変換用光を収束したとき、集光レンズに入射するビーム半径ωが5mmであればa/ωは約1で、ビームウエストの半径ω0は1.4μm、共焦点距離Zcは8.3μm、ωが1.25mmであればa/ωは約4でω0は4.7μm、共焦点距離Zcは88μmと計算される。同様にして波長633nmの変化用光を収束したとき、ビーム半径ωが5mmであればa/ωは約1で、ビームウエストの半径ω0は1.2μm、共焦点距離Zcは6.7μm、ωが1.25mmであればa/ωは約4でω0は3.8μm、共焦点距離Zcは71μmと計算される。
この出願の発明においては、変化用光及び信号光を同軸で集光レンズによって収束させて熱レンズ形成素子中に焦点を結ぶように照射しているが、熱レンズ形成素子から通常よりも大きい開き角度で出射する光を受光レンズで受光して平行光にコリメートする場合、この受光レンズの開口数(以下、NAと呼ぶ。)は、集光レンズのNAよりも大きくなるよう設定することが推奨される。さらに受光レンズのNAは、集光レンズのNAの2倍以上が好ましい。ただし、集光レンズに入射するビーム半径ωよりも集光レンズの有効開口半径aが大きい(すなわちa/ω>1)の場合は、集光レンズの実質的開口数は集光レンズの開口数よりも小さい。よって、受光レンズの開口数は、集光レンズ開口数ではなく集光レンズの実質的開口数よりも大きく、2倍以上に設定することが好ましい。受光レンズのNAを、集光レンズのNAの2倍以上とすることによって、信号光のビーム直径が熱レンズ形成素子へ入射する際の2倍以上まで拡大されても、損失なしに受光することが可能となる。
光吸収層膜を構成する1又は2枚の光吸収膜の厚さを変えず、熱レンズ形成層の厚さを変えて試料を作製し、光学濃度一定で膜厚の異なる複数の熱レンズ形成素子について実験した結果、上記のようにして計算される共焦点距離Zcの2倍を光吸収層膜の膜厚の上限としたとき、熱レンズ効果の光応答速度が充分高速になることが判った。
保温層膜の膜厚には、光応答の大きさ及び速度の少なくとも一方を最大にするような最適値(下限値及び上限値)が存在する。その値は熱レンズ形成素子の構成、光吸収層膜の材質及び厚さ、保温層膜の材質、伝熱層膜の材質及び厚さなどに応じて、実験的に決定することができる。たとえば、伝熱層膜として通常の硼硅酸ガラス、保温層膜及び熱レンズ形成層の材質としてポリカーボネート、光吸収膜としてプラチナフタロシアニンの蒸着膜を用い、ガラス(伝熱層膜、膜厚150μm)/ポリカーボネート樹脂層(保温層)/プラチナフタロシアニン蒸着膜(光吸収膜、膜厚0.2μm)/ポリカーボネート樹脂層(熱レンズ形成層、膜厚20μm)/プラチナフタロシアニン蒸着膜(光吸収膜、膜厚0.2μm)/ポリカーボネート樹脂層(保温層)/ガラス(伝熱層膜、膜厚150μm)という構成の熱レンズ形成素子を作成した場合、保温層膜の膜厚は好ましくは5nmから5μmであり、さらに好ましくは50nmから500nmである。
伝熱層膜の膜厚にも、光応答の大きさ及び速度の少なくとも一方を最大にするような最適値(この場合は下限値)が存在する。その値は熱レンズ形成素子の構成、光吸収層膜の材質及び厚さ、保温層の材質及び厚さ、伝熱層膜の材質などに応じて、実験的に決定することができる。たとえば、伝熱層膜として通常の硼硅酸ガラス、保温層膜及び熱レンズ形成層の材質としてポリカーボネート、光吸収膜としてプラチナフタロシアニンの蒸着膜を用い、ガラス(伝熱層膜、膜厚150μm)/ポリカーボネート樹脂層(保温層)/プラチナフタロシアニン蒸着膜(光吸収膜、膜厚0.2μm)/ポリカーボネート樹脂層(熱レンズ形成層、膜厚20μm)/プラチナフタロシアニン蒸着膜(光吸収膜、膜厚0.2μm)/ポリカーボネート樹脂層(保温層)/ガラス(伝熱層膜、膜厚150μm)という構成の熱レンズ形成素子を作成した場合、伝熱層膜の厚さの下限は、好ましくは10μm、さらに好ましくは100μmである。なお、伝熱層膜の膜厚の上限については光応答の大きさ及び/又は速度からの制約はないが、用いられる集光レンズ及び受光レンズの方式、焦点距離及び作動距離(ワーキングディスタンス)と整合させて設計する必要がある。
2 DVD装置
3、12 信号入力部(ファイバー増幅器)
4、13 変換用光光源(レーザダイオード)
5、14 信号光
6、15 変換用光
7、16 変換光
8 読出し用光源(レーザダイオード)
9 信号出力部
10 出力パルス信号光
11 熱レンズ形成素子
15a 通常の開き角度の変換用光(変換光)
15b 通常の開き角度より大きい角度の変換用光(変換光)
21、22、24、25、26、27 レンズ
23 光混合器
Claims (7)
- 特定の波長のパルス状の信号光を、信号光とは異なる波長のパルス状の変換光に変換する波長変換器と、波長変換器により波長変換されたパルス状の変換光の情報を、書込み及び読出し可能な記録媒体に一時的に記録させた後、前記特定の波長のパルス状の信号光として取出す記録再生装置を有する光バッファメモリ装置であって、
前記波長変換器が、
特定の波長のパルス状信号光を入射する信号光入力部と、
信号光とは異なる波長の変換用光を照射する変換用光光源と、
信号光に対し吸収性を示し、変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜と、
光吸収膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射する手段と、
前記光吸収層膜を含み、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させる熱レンズ形成素子と、
出射した変換用光のうち、通常の開き角度よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として出射する変換光選択手段と、
変換光選択手段からの変換光を集光して、信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする集光部を備えることを特徴とする光バッファメモリ装置。 - 特定の波長のパルス状の信号光を、信号光とは異なる波長のパルス状の変換光に変換する波長変換器と、波長変換器により波長変換されたパルス状の変換光の情報を、書込み及び読出し可能な記録媒体に一時的に記録させた後、前記特定の波長のパルス状の信号光として取出す記録再生装置とを有する光メモリバッファ装置であって、
前記波長変換器が、
特定の波長のパルス状信号光を出射する信号光光源と、
信号光とは異なる波長の変換用光を照射する変換用光光源と、
信号光に対し吸収性を示し、変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜と、
光吸収膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射する手段と、
前記光吸収層膜を含み、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させる熱レンズ形成素子と、
出射した変換用光のうち、通常の開き角度よりも大きい角度で出射する変換用光のみを変換光として出射する変換光選択手段と、
変換光選択手段からの変換光を集光して、信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする集光部を備えることを特徴とする光バッファメモリ装置。 - 前記記録再生装置が、信号光とは異なる波長の光で前記記録媒体に記録を行う記録ヘッドと、信号光と同じ波長の光で読出しを行う再生ヘッドを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光バッファメモリ装置。
- 前記記録媒体が、DVDであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光バッファメモリ装置。
- 特定の波長のパルス状の信号光を、信号光とは異なる波長のパルス状の変換光に変換し、波長変換されたパルス状の変換光の情報を、書込み及び読出し可能な記録媒体に一時的に記録させた後、前記特定の波長のパルス状の信号光として取出す方法であって、
前記波長変換の方法として、
少なくとも、特定の波長のパルス状信号光に対し吸収性を示し、信号光とは異なる波長の変換用光に対し透過性を示す波長帯域を持つ光吸収層膜を含む熱レンズ形成素子の光吸収膜に、信号光と変換用光が焦点を結ぶように各々収束させて照射し、前記光吸収層膜が信号光を吸収した領域及びその周辺領域に起こる温度上昇に起因して可逆的に生ずる屈折率の分布に基づいた熱レンズを用いることによって、信号光が照射されず熱レンズが形成されない場合は収束された変換用光が通常の開き角度で出射する状態と、制御光が照射されて熱レンズが形成される場合は収束された変換用光が通常の開き角度よりも大きい開き角度で出射する状態とを、信号光の照射の有無に対応させて実現させ、
出射した変換用光のうち、通常の開き角度で熱レンズ形成素子から出射する変換用光のみを変換光として選択的に出射させ、
出射した変換光を集光して、信号光とは異なる波長のパルス状変換光とする方法を用いることを特徴とする光信号記録方法。 - 信号光とは異なる波長の光で前記記録媒体に記録を行い、信号光と同じ波長の光で読出しを行うことを特徴とする請求項5に記載の光信号記録方法。
- 前記記録媒体としてDVDを用いることを特徴とする請求項5又は6に記載の光信号記録方法。
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