JP2009224017A - 複数の参照光を用いるホログラフィック記憶システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ホログラフィック記憶媒体（１９）から読み出す及び／又はホログラフィック記憶媒体（１９）に書き込む装置に関し、より詳細には、単一のホログラムを読み出す及び／又は書き込むホログラフィック記憶媒体（１９）の内部で重複する２つ又はそれ以上の参照光（２０ａ、２０ｂ）を用いて、前記ホログラフィック記憶媒体（１９）から読み出す及び／又は前記ホログラフィック記憶媒体（１９）に書き込む装置に関する。
【解決手段】本発明によると、２つ又はそれ以上の参照光（２０ａ、２０ｂ）は、読み出し及び／又は書き込み中に互いにインコヒーレントである。
【選択図】図４

Description

本発明は、ホログラフィック記憶システムから読み出す及び／又はホログラフィック記憶システムに書き込む装置に関し、より詳細には、複数の参照光を用いるホログラフィック記憶システムから読み出す及び／又はホログラフィック記憶システムに書き込む装置に関する。

ホログラフィックデータ記憶において、デジタルデータは、二つのコヒーレントなレーザビームの重ね合わせによって作り出される干渉パターンを記録することによって記憶され、ここで、一つのビーム、いわゆる「物体光」は、空間光変調器によって変調され、記録される情報を搬送する。第二のビームは、参照光としての役割を果たす。干渉パターンは、記憶材料の特定の性質を変更し、この変更は干渉パターンの局所的な強度に依存する。記録されたホログラムの読み取りは、記録中と同じ条件を用いて、ホログラムを参照光で照射することによって実行される。この結果、記録された物体光が再構成される。

ホログラフィックデータ記憶の一つの利点は、データ容量の増大である。従来型の光学記憶媒体と異なり、ホログラフィック記憶媒体のボリュームは、単なる少数の層ではなく、情報を記憶するために用いられる。ホログラフィックデータ記憶の一つの更なる利点は、例えば、二つのビーム間の角度を変えること又はシフト多重化を用いること等によって同じボリュームで複数のデータを記憶することの実現可能性である。ページ指向のホログラフィック記憶方法において、単一のビットを記憶するのではなく、データはデータページとして記憶される。一般的に、データページは、明暗パターンのマトリックス、すなわち、複数ビットをコード化する二次元バイナリアレイ又はグレイ値のアレイからなる。データページを、位相シフトをする素子のアレイからも作り出すことができる。データページの使用は、記憶密度の増加に加え、データレートの増加を達成することを可能にする。データページは、空間光変調器（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）によって物体光上にインプリントされ、検出器アレイで検出される。

ホログラフィック記憶素材を効率的に利用するために、物体光と参照光との間の良好な重複が必要である。物体光との良好な重複とは、物体光の全体又は少なくとも重要な部分をホログラフィック記憶媒体の内部で参照光によって重ね合わせることを意味する。この重複を改善するために、記録中又は読み出し中に２つ又はそれ以上の参照光を用いることが提案されている。

例えば、EP 1 624 451 は、複数の参照光が物体光の周りに配置される同軸ホログラフィック記憶システムを開示する。この解決方法によると、物体光及び参照光は、各々、対象面及び画像面の中及び外で結合される。この配置は、フーリエ対象の開口が物体部及び参照部に分割されているため、分割開口配置と呼ばれる。

複数の参照光の使用は物体光との重複を改善することを可能にするが、記録中にホログラフィック素材の部分的飽和を避けるために参照光の強度を減らす必要があることが発見された。これは、Ｍ＃数の効率的な減少、又は言い換えると、ホログラフィック記憶媒体内に記憶することができるホログラムの数の減少に繋がる。

２つ又はそれ以上の参照光を用いるホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又はホログラフィック記憶媒体に書き込む装置を提案することが本発明の目的であり、上記の問題を解決する。

本発明によると、単一のホログラム、及び物体光又は再構成された物体光を読み出す及び／又は書き込むために、ホログラフィック記憶媒体の内部で重複する二つ又はそれ以上の参照光を用いて、ホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又はホログラフィック記憶媒体に書き込む装置であって、参照光が読み出し中及び／又は書き込み中に互いにインコヒーレントな装置によって、この目的は達成される。

同様に、単一のホログラムを読み出す及び／又は書き込むために、ホログラフィック記憶媒体の内部で重複する二つ又はそれ以上の参照光を用いてホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又はホログラフィック記憶媒体に書き込む方法は、読み出し及び／又は書き込むために互いにインコヒーレントな参照光を生成するステップを有する。

ホログラムを書き込むために、参照光は、物体光とコヒーレントである必要がある。そうでなければ、ホログラフィック記憶の基礎となる干渉パターンが作り出されない。複数の参照光を用いる従来の解決方法において、複数の参照光は、互いにコヒーレントな方法で生成される。コヒーレントな参照光が用いられたとき、参照光の重複は、重複領域内に干渉パターンを作り出す。この干渉パターンは、空間的な強度分布の変化に繋がる。例えば、二つの光が重複した場合、干渉パターンのピークの強度は、最大で平均強度の２倍より大きい。３つの重複する参照光を用いる場合、干渉パターンのピークの強度は、最大で平均強度の３倍より大きい。本発明にかかる解決方法は、参照光の強度を減少してホログラフィック材料の局所的飽和を避ける必要がないという利点を有する。結果的に、Ｍ＃数が維持され、ホログラフィック記憶媒体内に記憶することのできるホログラムの数を減少する必要がない。

好ましくは、スイッチング素子は交互に、２つ又はそれ以上の参照光の一つをホログラフィック記憶媒体に向ける。この方法では、参照光は原則的に、一つずつオンに切り替えられ、一方で物体光は常にオンにされる。これは、単一の参照光のそれぞれが物体光と干渉するが、他の参照光と干渉しないことを確実にする。読み出し中に、ホログラフィック媒体は好ましくは、同時に全ての参照光で照射される。代替として、参照光は、一つずつ切り替えられる。次にアレイ検出器は、切り替え中常に積分する。この場合では、アレイ検出器の信号は、再構成された物体光のインコヒーレントな総和である。独立の画像を各々の参照光で撮像し、ソフトウェア画像処理によってそれらを合計することも可能である。

利点として、スイッチング素子は、ビームステアリング素子又はファイバ光学スプリッタである。これは、個々の参照光間で参照光を利用可能な全体のエネルギーを切り替えることを可能にする。結果として、記録時間は変わらない。例示的なビームステアリング素子は、フラップミラー又は切替可能な格子である。

代替として、スイッチング素子は例えば、シャッタ又はＳＬＭのような光学デバイスなどのビームブロックである。この場合、ブロックされた参照光のエネルギーは失われるが、より高いレーザ出力要求及び／又は記録時間の増加をもたらし、この解決方法は実装することが容易である。

有利には、２つ又はそれ以上の互いにインコヒーレントな参照光を生成するために、第１の遅延素子を、２つ又はそれ以上の参照光間の光路差が２つ又はそれ以上の参照光のコヒーレント長より大きくなるような方法でお互いと比較して２つ又はそれ以上の参照光を遅延するために提供する。そのような遅延素子の典型的な例は、ファイバ光学遅延線又はミラーからなる光学装置である。この解決方法は、再構成された物体光の有害な干渉の欠点を有さずに、全ての参照光を同時にオンに切り替えることを可能にする。切替可能な素子はこの場合、参照光を切り替える必要はない。この解決方法を好ましくは、２つだけの参照光を用いるときに適用する。それはその後、２つの参照光の各々がいまだに物体光とコヒーレントであること、すなわち２つの参照光間の光路差がコヒーレント長の２倍を超えることができないことを確実にするために重要である。好ましくは、２つの参照光間の光路差はコヒーレント長よりわずかだけ大きい。第２の遅延素子を好ましくは、物体光と２つの参照光のそれぞれとの間の光路差が参照光のコヒーレント長の約１／２倍であるような方法で物体光を遅延するために提供する。当然のことながら、２つの参照光間の光路差が実質的にコヒーレント長より大きいとき、物体光と２つの参照光のそれぞれとの間の光路差がコヒーレント長の１／２倍より大きい必要がある。物体光と２つの参照光のそれぞれとの間の光路差がコヒーレント長を超えないとき、物体光が両方の参照光と少なくとも部分的にコヒーレントであることは確実である。このコンテキストの更なる可能性は、光路差が複数の参照光のそれぞれに関してゼロであるような方法で参照光の遅延線を時間的に順々に切り替えることである。

２つ又はそれ以上の互いにインコヒーレントな参照光を生成する更なる解決方法は、２つ又はそれ以上の参照光を生成する独立光源を提供することである。この解決方法は、より高コストであるが、実現することが非常に簡単である。

当然のことながら、互いにインコヒーレントな参照光を生成する２つ又はそれ以上の上記方法を組み合わせることは同様に可能である。４つの参照光の場合、例えば２つの参照光は好ましくは遅延線を用いてインコヒーレントにされ、一方で、別の２つの参照光は切り替えることによってインコヒーレントにされる。

よりよく理解するために、本発明は、ここで、図面を参照して以下の説明においてより詳細に説明されるであろう。本発明は、この例示的な実施形態に限定されず、特定された特徴も、本発明の範囲を逸脱することなく都合よく組み合わせる及び／又は変更することができる。

２つの参照光を用いた例示的なビーム配置を示す図である。 ２つのコヒーレントな参照光及び２つのインコヒーレントな参照光を用いて読み出すホログラムのシフト選択の測定を示す図である。 重複部における参照光面の概略を描写する図である。 ホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又はホログラフィック記憶媒体に書き込む本発明にかかる装置を示す図である。 フラップミラーを用いる互いにインコヒーレントな参照光の生成を例示する図である。 シャッタを用いる互いにインコヒーレントな参照光の生成を描写する図である。 独立光源を用いる互いにインコヒーレントな参照光の生成を例示する図である。 図４の装置において用いられる参照光カプラを描写する図である。

２つのコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを用いる周知のビーム配置の簡略化された例を、図１に示す。参照光２０ａ、２０ｂ及び物体光８は、対物レンズ１８によってホログラフィック記憶媒体１９に結像する。この配置において、２つの参照光２０ａ、２０ｂは、中心領域２４において重複する。前述したように、書き込み中の参照光２０ａ、２０ｂの重複が干渉パターンをもたらし、ホログラフィック素材の部分飽和を引き起こす場合がある。

コヒーレントな複数の参照光２０ａ、２０ｂの重複は、読み出し動作中にかく乱効果も引き起こす。図２は、上記のビーム配置を用いて書き込まれるホログラムのシフト選択の測定を示す。実線のカーブは、２つのコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを用いて読み出す場合の再構成されたデータページの強度を示す。対象とされたホログラムが位置づけられる公称の位置の外へ素材をシフトすると、カーブは特徴的な強度変動を示す。この効果は、ホログラム領域から生じ、２つ又はそれ以上の参照光２０ａ、２０ｂは、物体光８と干渉する。ここで、各々が参照光２０ａ、２０ｂの一つによって、いくつかのサブホログラムが書き込まれる。強度変動は、書き込み中に参照光２０ａ、２０ｂがコヒーレントか又はインコヒーレントかに依存しない。ホログラムが読み出されると、各々の参照光２０ａ、２０ｂは、検出器２３と同じ位置に結合される物体光８を再構成する。

図３は、光が重複する中央ホログラム領域２４における２つの参照光面の概略図を示す。ボックス＃１は、参照光２０ａ、２０ｂの両方が同じ位相を有する領域を示す。従って、この領域における干渉パターンの回折から生じる２つの再構成された物体光も、同位相である。媒体が仮の位置に関してシフトすると、領域は、参照光２０ａ、２０ｂの両方は、πの位相シフトを有する位置（ボックス＃２）に達する。領域から出現する再構成された物体光も、πの位相シフトを有する。これは、再構成された両方の物体光の有害な干渉を引き起こし、その結果、低い強度となる。媒体が更にシフトすると、参照光面は同位相の位置へ再び到達し、再構成された物体光は再び同位相となる（ボックス＃３）。言い換えると、シフト中の２つの参照光面間の変化位相関係は、図２に見られる強度変動に関与する。

仮の位置からの小さな変位が再構成された物体光の非常に低い強度を引き起こすとき、強度変動は、読み出しプロセスを妨害する。参照光２０ａ、２０ｂがお互いに関してインコヒーレントであると、妨害効果は回避される。図２における破線は、ホログラムが互いにインコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを用いて読み出されるときのシフト選択性を示す。変動は起こっていない。

図４において、ホログラム記憶媒体から読み出す及び／又はホログラム記憶媒体に書き込む本発明にかかる例示的な装置が概略的に示される。簡単のために、サーボシステムは省略される。加えて、再構成された物体光を示さない。レーザ１によって放出された光は、光学ファイバ２によって第１のファイバスプリッタモジュール３へ伝達され、レーザ光線を物体光８のための光学ファイバ４及び切替可能ファイバ光学スプリッタ６に繋がる光学ファイバ５に分ける。切替可能ファイバ光学スプリッタ６は、レーザ光線を２つの互いにインコヒーレントな参照光２ａ、２ｂを生成する光学ファイバ７ａ、７ｂのペアの選択された一つに向ける。当然のことながら、本発明は、２つの参照光に限定されない。３つ又はそれ以上の参照光を同様に使用可能である。加えて、物体光８及び参照光２０ａ、２０は同様に、光学ファイバを用いずに光路内に結合することができる。

書き込み中に、物体光８は、第１のレンズ９によってコリメートされ、空間光変調器１０を通過する。変調された物体光８は、第２のレンズによって、偏光ビームスプリッタ１３及び第１の１／４波長板１４を介して参照光カプラ１５上へ集光される。参照光カプラ１５は、図５を参照するとともに以下でより詳細に論じられるであろう。物体光８は、参照光カプラ１５によって反射され、再び１／４波長板１４を通過する。結果的に、偏光ビームスプリッタ１３によって伝達される。次に、物体光８が反射タイプのホログラム記憶媒体１９のホログラム層へ第４のレンズ１８によって集光される前に、物体光８が第２の１／４波長板１６を通過し、第３のレンズ１７によってコリメートされる。

読み出し中に、再構成された物体光２４を、ホログラム記憶媒体１９の反射層によって反射する。その後、第４のレンズ１８によって平行化され、第２の１／４波長板１６、ピンホール２１及び第５のレンズ２２を介して、第３のレンズ１７によってアレイ検出器２３上に結像される。ピンホール２１は、再構成された物体光２４をフィルタリングするフーリエフィルタである。

以下、参照光の光路を説明する。簡単のために、１つの参照光２０ａのみを描く。参照光２０ａを、参照光カプラ１５によって光路内に連結する。第１の１／４波長板１４、偏光ビームスプリッタ１３及び第２の１／４波長板１６を通過後、参照光２０ａは、第３のレンズ１７及び第４のレンズ１８によってホログラフィック記憶媒体１９のホログラム層内に集光される。反射された参照光は、第４のレンズ１８、第３のレンズ１７及び第２の１／４波長板１６を通過する。その後、偏光ビームスプリッタ１３によってピンホール２１に向けられる。参照光２０ａが光路の光軸上に配置されないと、参照光は、ピンホール２１によってブロックされ、アレイ検出器２３に到達しない。

装置の有利な改良において、切替可能ファイバ光学スプリッタ６、光ファイバ７ａ、７ｂのペア、及び参照光カプラ１５は、導波路及び集積された光学アプローチを用いる単一の部品に集積され、システムを更に小型化にする。

切替可能ファイバ光学スプリッタ６とは別に、他の解決方法が、互いにインコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを生成するために利用可能である。例えば、必要があれば他の光学部品２５、２６と組み合わせ、フラップミラー２４又は他のビームステアリング素子は、単一の参照光を異なる光路内に結合することができる。この解決方法を、図５において概略的に例示する。同様に、図６に描かれるように、シャッタ２９を、例えば半透明ミラー２７及び追加のミラー２５、２６、２８を用いて同時に生成される複数の参照光の一つだけを除いて全てを交互にブロックするために用いることができる。全てのこれらの場合において、常に２つ又はそれ以上の参照光２０ａ、２０ｂの一つだけが、ホログラフィック記憶媒体１９に向けられる。

別の方法は、追加の光学デバイスによってインコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを作ることである。例えば、遅延線を備えることができ、他の参照光２０ｂに関する一つの参照光の光路を延長し、光路差がレーザ光のコヒーレンス長より大きくなるようにする。この目的のため、ファイバ光学遅延線又はミラーからなる遅延線は、好ましく用いられる。図４の配置において、これは、光学ファイバ７ａ、７ｂの長さを適合することによって達成されることができる。結果として、参照光２０ａ、２０ｂは、互いにインコヒーレントである。この構成を用いるホログラムの読み出しは、有害な干渉によって再構成された物体光の外乱を防ぐ。この場合、両方の参照光２０ａ、２０ｂは、ホログラムを同時に読み出すために用いることができる。

遅延線を用いて、インコヒーレントな参照光２０ａ、２０ｂを生成するとき、書き込みのために、物体光８及び各々の参照光２０ａ、２０ｂの間の光路差が２つ又はそれ以上の参照光２０ａ、２０ｂのコヒーレンス長の１／２以上になるような方法で、追加の遅延素子が物体光８を遅延するために好ましくは備えられ、物体光８が参照光２０ａ、２０ｂの両方と干渉するようにする。また、図４の配置において、光学ファイバ４の長さは、この目的のために適合されることができる。

読み出し中の有害な干渉によって再構成された物体光の外乱を回避するために、参照光２０ａ、２０ｂを、２つの独立光源１’、１”によって生成することもできる。これは、参照光２０ａ、２０ｂがお互いに関してインコヒーレントであることを確実にする。この解決方法を用いる例示的な配置を、図７に概略的に描く。この配置において、独立平行レンズ３０ａ、３０ｂは、同様に提供される。

図８において、参照光カプラ１５を概略的に例示する。参照光カプラ１５は、２つ又はそれ以上のホール１５２を備えるガラス基板１５１からなる。光学ファイバ７、好ましくは偏光維持シングルモードファイバを、これらのホール１５２に取り付ける。更に、反射コーティング１５３をガラス基板１５１上に配置する。コーティング１５３を用いて、物体光８を反射及びフーリエフィルタリングし、一方で光学ファイバ７を用いて、参照光２０ａ、２０ｂを生成する。

Claims (13)

1. 単一のホログラム、及び物体光又は再構成された物体光を読み出す及び／又は書き込むホログラフィック記憶媒体の内部で重複する２つ又はそれ以上の参照光を用いて、前記ホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又は前記ホログラフィック記憶媒体に書き込む装置であって、
   前記参照光は、読み出し及び／又は書き込み中に互いにインコヒーレントであることを特徴とする装置。
2. 前記２つ又はそれ以上の参照光の一つを前記ホログラフィック記憶媒体に交互に向けるスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチング素子は、ビームブロック、ビームステアリング素子又はファイバ光学スプリッタの一つであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記２つ又はそれ以上の参照光間の光路差が前記２つ又はそれ以上の参照光のコヒーレント長より大きくなるように、お互いに関して前記２つ又はそれ以上の参照光を遅延する第１の遅延素子を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の遅延素子は、ファイバ光学遅延線又はミラーからなる光学セットアップであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. ２つの参照光と、前記物体光及び前記２つの参照光の各々の間の光路差が前記２つの参照光のコヒーレント長の１／２以上になるように前記物体光を遅延する第２の遅延素子を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記物体光及び前記２つの参照光の各々の間の前記光路差が実質的にゼロであるような方法で連続して前記物体光を遅延する第２の遅延素子を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の装置。
8. 前記２つ又はそれ以上の参照光を生成する独立光源を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 単一のホログラムを読み出す及び／又は書き込むホログラフィック記憶媒体の内部で重複する２つ又はそれ以上の参照光を用いて前記ホログラフィック記憶媒体から読み出す及び／又は前記ホログラフィック記憶媒体に書き込む方法であって、
   読み出す及び／又は書き込むために互いにインコヒーレントな参照光を生成するステップを有することを特徴とする方法。
10. 前記互いにインコヒーレントな参照光は、前記２つ又はそれ以上の参照光の一つを前記ホログラフィック記憶媒体に交互に向けることによって生成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記互いにインコヒーレントな参照光は、前記参照光間の光路差が前記２つ又はそれ以上の参照光のコヒーレント長と同じ又はより大きくなるように、お互いに関して前記二つ又はそれ以上の参照光を遅延することによって生成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記物体光及び前記参照光の各々の間の光路差が実質的にゼロであるように、前記物体光を連続して遅延するステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記互いにインコヒーレントな参照光は、独立光源によって生成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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