JP3868713B2 - 超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法 - Google Patents
超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法 Download PDFInfo
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短光パルスにより、ガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、動画情報を自由自在に取り扱うことの出来る大容量、高密度かつ高速なメモリーシステムは、今後の情報分野にとって必要不可欠なものである。光導波路や超短パルスレーザー光加工技術の進歩を土台に石英ガラス内部に三次元光メモリーを作る研究がなされている。レーザー光をガラス内部に集光照射し、集光点に光誘起屈折率変化スポット部を作る。これをビットとし三次元に積層配列させ、屈折率変化を利用し光で読み出す方式で、２桁大きい容量が期待できるが、書き換えが可能にはなっていない。
【０００３】
このように、近年、情報通信の大容量化の要求が強く、光メモリー素子の高密度化の研究会開発が盛んである。記録媒体の高密度化の方法として、記録領域を二次元から三次元化する試みが検討されている。フォトクロミック分子の光着色を利用したフォトクロミックメモリーがある。これは反応が可逆性であるので、書き換えが可能なメモリーであるが、有機材料の着色反応であるため、熱的安定性や繰り返し耐久性に問題点がある。
【０００４】
一方、光導波路作製技術やレーザー光加工技術の進歩が著しく、材料として安定なガラスの内部に三次元光メモリーを作製する報告がある。ガラス等の透明物質に超短光パルスを集光照射すると、集光点近傍が光誘起屈折率変化を起こし、周囲の材料と屈折率が異なり、ビットが形成される。このビットを三次元アレイ状に配置したものである。
【０００５】
かかる従来の先行技術としては、例えば、以下に示すようなものがある。
【０００６】
（１）特開平８−２２０６８８号公報
（２）Ｅ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓｖｏｌ．２１ Ｎｏ．２４ ｐ２０２３−２０２５（１９９６）
（３）三澤弘明 化学と工業 第９巻 Ｎｏ．２．ｐ１７８−１８０（１９９６）
（４）三澤弘明 Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．９ ｐ１０２８−１０３２（１９９８）
（５）Ｈｏｎｇ−Ｂｏ Ｓｕｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｖｏｌ．６，Ｎｏ．５（１９９９）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行技術に開示されたものは全て記録・再生用であり、生成したビットを消去又は移動出来ないため、書き換えが不可能である。
【０００８】
他方、ガラス加工の点から見ると、超短光パルスを用いて、透明誘電体のバルク改質技術が、光導波路や三次元加工分野に応用されている。このガラス微細・精密加工分野において、屈折率分布の形成や修正が必要である。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題点を除去し、生成したビットを移動できるようになし、書き換えを可能にした、超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、第１の超短パルスレーザー光強度によりガラス内部に光誘起屈折率変化によるビットを三次元的に生成させ、この三次元に生成させたビットを前記第１の超短パルスレーザー光強度より低いエネルギーの第２の超短パルスレーザー光を照射し、このレーザー光を光学レンズで集光させる際、移動させるビットより、レーザー光の伝搬方向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光することで前記ビットを移動させ、ビットの書き換えを行うことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ビットの作製は、１ｐｓ以下の超短レーザー光パルスを集光照射により生成される微小空隙で屈折率をビット周辺と異ならせることにより行うことを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記集光する点の移動を複数回行って、段階的に移動させることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ガラスはシリカガラス又はシリケートガラスであることを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記超短パルスレーザー光は８００ｎｍであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の原理を示す模式図である。
【００１７】
この図において、１は超短光パルス、２は集光用レンズ、３はガラス、４はガラス内部の屈折率変化領域であり、この屈折率変化は、多光子吸収による局所的なものであり、屈折率変化Δｎは焦点を中心に広がりを持つ。
【００１８】
すなわち、多光子吸収によるガラス内部の改質が行われ、書き換えレーザー光により、ガラスが溶けて、新しい空隙ができる前にその近傍のボイド（空隙）が移動する。
【００１９】
図２は本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次元光メモリー素子の書き換えシステムの構成図である。
【００２０】
この図において、１１はＡｒ+ レーザー、１２はモードロックチタンサファイアレーザー、１３はＮｄ：ＹＬＦレーザー、１４は再生増幅器、１５はＮＤフィルター、１６はミラー、１７は集光用レンズ、１８はガラス、１９はＸＹＺステージ、２０はハロゲンランプ、２１はＣＣＤカメラ、２２はコンピュータである。
【００２１】
この図に示すように、集光用レンズ１７からはチタンサファイアレーザーがＸＹＺステージ１９にセットされたガラス１８に照射され、ビット（スポット、ボイド、空隙）が作製される。また、その記憶されたビットは、後述するように書き換えることができる。
【００２２】
そのビットの状態は、ハロゲンランプ２０からの照射により、ＣＣＤカメラ２１によって撮像することができる。
【００２３】
このように、光源としてはチタンサファイアレーザー（波長は８００ｎｍ、パワーは１ｍＷ、パルス幅は１３０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を用い、露光時間は１／１２５ｓで電磁シャッターを用いた。レンズ開口数（ＮＡ）は０．５５、８ショット打ち、書き込み時の強度は０．９５μＪ、移動時の強度は０．７４μＪであり、表面から３００μｍの深さにビットを作製する。
【００２４】
この実施例では、図３に示すように、既作製のビット２３に対して０．１μｍずつ、ずらしてレーザーを照射するようにした。
【００２５】
更に、実験を重ねた結果、０．５μｍを１ショットで移動することができた。
【００２６】
ガラスは溶融石英ガラスであり、移動出来たのは、レーザー光の進行方向と逆方向に集光点２４をレーザー側から見て手前にずらして、レーザー照射したときのみであり、横や後方ではビット２３を移動させることはできなかった。
【００２７】
図４は本発明のボイド（ビット）の第１の移動過程を示す図であり、一度ボイドを作製した後〔図４（ａ）参照〕、パルスの伝搬方向と逆方向に集光点を０．１μｍずつ移動して照射する〔図４（ｂ）〜図４（ｃ）参照〕。つまり、図３で示した条件でビットの書き換えを行う。
【００２８】
図５は本発明のボイド（ビット）の第２の移動過程を示す図であり、２個のボイドが並ぶようにボイドを作製した後〔図５（ａ）参照〕、パルスの伝搬方向と逆方向に集光点を０．１μｍずつ移動して２個並んだ右側のボイドを左側に移動させてもう一方のボイドに結合させる〔図５（ｂ）〜図５（ｆ）参照〕。なお、図２で示した条件でビットの書き換えを行う。また、結合した後のボイドは元のボイドよりも大きくなる。
【００２９】
図６は本発明のボイド（ビット）の第３の移動過程を示す図であり、一度ボイドを作製した後〔図６（ａ）参照〕、ボイドを１つずつ移動させて、動的なメモリーを作製する〔図６（ｂ）〜図６（ｃ）参照〕。なお、図３で示した条件でビットの書き換えを行う。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３２】
書き換え可能な三次元メモリー素子を作製することができる。また、微細ガラス加工分野で屈折率分布の形成と修正に応用が期待できる。
【００３３】
また、メモリーの生成・書き換えの高速化（２０〜５０Ｇｂｐｓ）が期待できる。
【００３４】
より具体的には、フェムト秒単位のレーザー光を石英内部に集光照射することにより、集光点にサブミクロンの微小な空隙が生成される。空隙作製時より低エネルギーのフェムト秒レーザー光を、微小空隙のレーザー側から見て少し手前に集光することで空隙が移動出来ることを見出した。微小空隙が５μｍ移動され、前の空隙、即ちビットは消去された。又、ビットの結合も出来る。
【００３５】
現行のＣＤの１００倍の容量が可能になり、次世代の記憶媒体として期待出来る。又、フェムト秒レーザーを用いたガラス加工分野、例えば導波路作製において、ガラス内部の屈折率分布の修正や微細ガラス加工分野にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次元光メモリー素子の書き換えシステムの構成図である。
【図３】規格化伝搬定数に対する光強度の関係を示す図である。
【図４】本発明のボイド（ビット）の第１の移動過程を示す図である。
【図５】本発明のボイド（ビット）の第２の移動過程を示す図である。
【図６】本発明のボイド（ビット）の第３の移動過程を示す図である。
【符号の説明】
１ 超短光パルス
２，１７ 集光用レンズ
３，１８ ガラス
４ ガラス内部の屈折率変化領域
１１ Ａｒ+ レーザー
１２ モードロックチタンサファイアレーザー
１３ Ｎｄ：ＹＬＦレーザー
１４ 再生増幅器
１５ ＮＤフィルター
１６ ミラー
１９ ＸＹＺステージ
２０ ハロゲンランプ
２１ ＣＣＤカメラ
２２ コンピュータ
２３ ビット
２４ 集光点
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短光パルスにより、ガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、動画情報を自由自在に取り扱うことの出来る大容量、高密度かつ高速なメモリーシステムは、今後の情報分野にとって必要不可欠なものである。光導波路や超短パルスレーザー光加工技術の進歩を土台に石英ガラス内部に三次元光メモリーを作る研究がなされている。レーザー光をガラス内部に集光照射し、集光点に光誘起屈折率変化スポット部を作る。これをビットとし三次元に積層配列させ、屈折率変化を利用し光で読み出す方式で、２桁大きい容量が期待できるが、書き換えが可能にはなっていない。
【０００３】
このように、近年、情報通信の大容量化の要求が強く、光メモリー素子の高密度化の研究会開発が盛んである。記録媒体の高密度化の方法として、記録領域を二次元から三次元化する試みが検討されている。フォトクロミック分子の光着色を利用したフォトクロミックメモリーがある。これは反応が可逆性であるので、書き換えが可能なメモリーであるが、有機材料の着色反応であるため、熱的安定性や繰り返し耐久性に問題点がある。
【０００４】
一方、光導波路作製技術やレーザー光加工技術の進歩が著しく、材料として安定なガラスの内部に三次元光メモリーを作製する報告がある。ガラス等の透明物質に超短光パルスを集光照射すると、集光点近傍が光誘起屈折率変化を起こし、周囲の材料と屈折率が異なり、ビットが形成される。このビットを三次元アレイ状に配置したものである。
【０００５】
かかる従来の先行技術としては、例えば、以下に示すようなものがある。
【０００６】
（１）特開平８−２２０６８８号公報
（２）Ｅ．Ｎ．Ｇｌｅｚｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓｖｏｌ．２１ Ｎｏ．２４ ｐ２０２３−２０２５（１９９６）
（３）三澤弘明 化学と工業 第９巻 Ｎｏ．２．ｐ１７８−１８０（１９９６）
（４）三澤弘明 Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．９ ｐ１０２８−１０３２（１９９８）
（５）Ｈｏｎｇ−Ｂｏ Ｓｕｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｖｏｌ．６，Ｎｏ．５（１９９９）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した先行技術に開示されたものは全て記録・再生用であり、生成したビットを消去又は移動出来ないため、書き換えが不可能である。
【０００８】
他方、ガラス加工の点から見ると、超短光パルスを用いて、透明誘電体のバルク改質技術が、光導波路や三次元加工分野に応用されている。このガラス微細・精密加工分野において、屈折率分布の形成や修正が必要である。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題点を除去し、生成したビットを移動できるようになし、書き換えを可能にした、超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、第１の超短パルスレーザー光強度によりガラス内部に光誘起屈折率変化によるビットを三次元的に生成させ、この三次元に生成させたビットを前記第１の超短パルスレーザー光強度より低いエネルギーの第２の超短パルスレーザー光を照射し、このレーザー光を光学レンズで集光させる際、移動させるビットより、レーザー光の伝搬方向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光することで前記ビットを移動させ、ビットの書き換えを行うことを特徴とする。
【００１１】
〔２〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ビットの作製は、１ｐｓ以下の超短レーザー光パルスを集光照射により生成される微小空隙で屈折率をビット周辺と異ならせることにより行うことを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記集光する点の移動を複数回行って、段階的に移動させることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ガラスはシリカガラス又はシリケートガラスであることを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔１〕記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記超短パルスレーザー光は８００ｎｍであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の原理を示す模式図である。
【００１７】
この図において、１は超短光パルス、２は集光用レンズ、３はガラス、４はガラス内部の屈折率変化領域であり、この屈折率変化は、多光子吸収による局所的なものであり、屈折率変化Δｎは焦点を中心に広がりを持つ。
【００１８】
すなわち、多光子吸収によるガラス内部の改質が行われ、書き換えレーザー光により、ガラスが溶けて、新しい空隙ができる前にその近傍のボイド（空隙）が移動する。
【００１９】
図２は本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次元光メモリー素子の書き換えシステムの構成図である。
【００２０】
この図において、１１はＡｒ+ レーザー、１２はモードロックチタンサファイアレーザー、１３はＮｄ：ＹＬＦレーザー、１４は再生増幅器、１５はＮＤフィルター、１６はミラー、１７は集光用レンズ、１８はガラス、１９はＸＹＺステージ、２０はハロゲンランプ、２１はＣＣＤカメラ、２２はコンピュータである。
【００２１】
この図に示すように、集光用レンズ１７からはチタンサファイアレーザーがＸＹＺステージ１９にセットされたガラス１８に照射され、ビット（スポット、ボイド、空隙）が作製される。また、その記憶されたビットは、後述するように書き換えることができる。
【００２２】
そのビットの状態は、ハロゲンランプ２０からの照射により、ＣＣＤカメラ２１によって撮像することができる。
【００２３】
このように、光源としてはチタンサファイアレーザー（波長は８００ｎｍ、パワーは１ｍＷ、パルス幅は１３０ｆｓ、繰り返し周波数１ｋＨｚ）を用い、露光時間は１／１２５ｓで電磁シャッターを用いた。レンズ開口数（ＮＡ）は０．５５、８ショット打ち、書き込み時の強度は０．９５μＪ、移動時の強度は０．７４μＪであり、表面から３００μｍの深さにビットを作製する。
【００２４】
この実施例では、図３に示すように、既作製のビット２３に対して０．１μｍずつ、ずらしてレーザーを照射するようにした。
【００２５】
更に、実験を重ねた結果、０．５μｍを１ショットで移動することができた。
【００２６】
ガラスは溶融石英ガラスであり、移動出来たのは、レーザー光の進行方向と逆方向に集光点２４をレーザー側から見て手前にずらして、レーザー照射したときのみであり、横や後方ではビット２３を移動させることはできなかった。
【００２７】
図４は本発明のボイド（ビット）の第１の移動過程を示す図であり、一度ボイドを作製した後〔図４（ａ）参照〕、パルスの伝搬方向と逆方向に集光点を０．１μｍずつ移動して照射する〔図４（ｂ）〜図４（ｃ）参照〕。つまり、図３で示した条件でビットの書き換えを行う。
【００２８】
図５は本発明のボイド（ビット）の第２の移動過程を示す図であり、２個のボイドが並ぶようにボイドを作製した後〔図５（ａ）参照〕、パルスの伝搬方向と逆方向に集光点を０．１μｍずつ移動して２個並んだ右側のボイドを左側に移動させてもう一方のボイドに結合させる〔図５（ｂ）〜図５（ｆ）参照〕。なお、図２で示した条件でビットの書き換えを行う。また、結合した後のボイドは元のボイドよりも大きくなる。
【００２９】
図６は本発明のボイド（ビット）の第３の移動過程を示す図であり、一度ボイドを作製した後〔図６（ａ）参照〕、ボイドを１つずつ移動させて、動的なメモリーを作製する〔図６（ｂ）〜図６（ｃ）参照〕。なお、図３で示した条件でビットの書き換えを行う。
【００３０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３２】
書き換え可能な三次元メモリー素子を作製することができる。また、微細ガラス加工分野で屈折率分布の形成と修正に応用が期待できる。
【００３３】
また、メモリーの生成・書き換えの高速化（２０〜５０Ｇｂｐｓ）が期待できる。
【００３４】
より具体的には、フェムト秒単位のレーザー光を石英内部に集光照射することにより、集光点にサブミクロンの微小な空隙が生成される。空隙作製時より低エネルギーのフェムト秒レーザー光を、微小空隙のレーザー側から見て少し手前に集光することで空隙が移動出来ることを見出した。微小空隙が５μｍ移動され、前の空隙、即ちビットは消去された。又、ビットの結合も出来る。
【００３５】
現行のＣＤの１００倍の容量が可能になり、次世代の記憶媒体として期待出来る。又、フェムト秒レーザーを用いたガラス加工分野、例えば導波路作製において、ガラス内部の屈折率分布の修正や微細ガラス加工分野にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次元光メモリー素子の書き換えシステムの構成図である。
【図３】規格化伝搬定数に対する光強度の関係を示す図である。
【図４】本発明のボイド（ビット）の第１の移動過程を示す図である。
【図５】本発明のボイド（ビット）の第２の移動過程を示す図である。
【図６】本発明のボイド（ビット）の第３の移動過程を示す図である。
【符号の説明】
１ 超短光パルス
２，１７ 集光用レンズ
３，１８ ガラス
４ ガラス内部の屈折率変化領域
１１ Ａｒ+ レーザー
１２ モードロックチタンサファイアレーザー
１３ Ｎｄ：ＹＬＦレーザー
１４ 再生増幅器
１５ ＮＤフィルター
１６ ミラー
１９ ＸＹＺステージ
２０ ハロゲンランプ
２１ ＣＣＤカメラ
２２ コンピュータ
２３ ビット
２４ 集光点
Claims (5)
- （ａ）第１の超短パルスレーザー光強度によりガラス内部に光誘起屈折率変化によるビットを三次元的に生成させ、
（ｂ）該三次元に生成させたビットを前記第１の超短パルスレーザー光強度より低いエネルギーの第２の超短パルスレーザー光を照射し、該レーザー光を光学レンズで集光させる際、移動させるビットより、レーザー光の伝搬方向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光することで前記ビットを移動させ、ビットの書き換えを行うことを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法。 - 請求項１記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ビットの作製は、１ｐｓ以下の超短レーザー光パルスを集光照射により生成される微小空隙で屈折率をビット周辺と異ならせることにより行うことを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法。
- 請求項１記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記集光する点の移動を複数回行って、段階的に移動させることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法。
- 請求項１記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記ガラスはシリカガラス又はシリケートガラスであることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法。
- 請求項１記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法において、前記超短パルスレーザー光は８００ｎｍであることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリー素子のデータの書き換え方法。
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