JP4267567B2 - 多重大型帯域通過フォトニクスメモリのための多重チャネル並列記録と並列読み出し - Google Patents

Description

本発明は、フォトニクスデータメモリデバイス一般に係り、とりわけ、本発明は、フォトニクスデータメモリのパラレルな記録と読み出しに関する。

データ記憶に対する要求が常に増え続けているため、高速データアクセスが可能な大容量データ記憶システムに強い関心が寄せられている。従来の磁気メモリデバイスの記憶密度の限界により、光メモリの分野における研究が数多く行なわれるようになってきている。光ディスク（コンパクト・ディスク・リード・オンリー・メモリーすなわちCD-ROM；compact disc read only memoriesおよびデジタル・ビデオ・データすなわちDVD；digital video data）に取って代わってホログラフィックメモリが、大容量ディジタル記憶媒体として提案されている。ホログラフィックメモリの高い密度および高速性は、記録材料の３次元光変調の使用によるものであり、また、データのページ全体を同時に読み出す能力によるものである。ホログラフィックメモリの主な利点は、情報密度がより高いこと、ランダムアクセス時間が短いこと、および情報の伝送速度が速いことである。

ホログラフィック記録では、コヒーレント単色光源(たとえばレーザ)からの光ビームが参照光と物体光に分割される。物体光は、空間光変調器(SLM)を通過した後、記憶媒体に入射する。このSLMは、グレイレベルで光強度を変調する複数セルからなるマトリックス（セルのマトリックス）を形成している。SLMは、バイナリデータもしくはグレイレベルデータのページを表現する複数シャッタからなるマトリックス（シャッタのマトリックス）を形成している。物体光は、SLMを通過し、このSLMは、該SLM上に表示されるバイナリ情報によって前記物体光を変調するように作用する。この変調された物体光は、適切なビーム処理を経た後、１つのポイントに導かれ、そこで、アドレス指定機構によってルーティングされてから参照光と交差する。また、多重スペクトルホログラフィの場合、異なるレーザからの複数の波長、あるいは同じマルチラインレーザからの複数の波長を同時に使用して多重スペクトルホログラムが記録できることが考えられる。つまり、ホログラフィック多重化プロセスにおいて、複数の波長を使用して記録ができる。

データのパケットを使用して符号化された光ビームは、レンズおよびミラーからなる光学系を使用して、アドレス指定された特定の記憶媒体の領域に正確に導かれる。分厚い記憶媒体の容量は、空間多重化および角度多重化によって最適に使用されるが、これらの多重化は、周波数偏光、位相多重化等を合わせることで高めることができる。空間多重化の場合、一組のパケットは、記憶媒体に記憶されるとともに、さらには、空間的に分離されて規則的に配列されたサブホログラムのアレイとして一つの面に形成される。パケットをアレイとして面に形成するのは、ビームを該平面内のx軸およびy軸の方向に変化させることによって行われる。サブホログラムの各々は、記憶媒体中の１つのポイント（地点）に形成され、このポイントが、記憶媒体に記録される際にアドレス指定された個々のパケットを表現する直交座標を有している。角度多重化の場合、記憶媒体中の参照光の照射角度を変化させる一方でxおよびy座標は同じ座標に維持することによって記録が行なわれる。照射角度を繰り返しインクリメントすることにより、複数の情報パケットが一組のサブホログラムとして同じxおよびy空間位置に記録される。

体積（厚い）ホログラムには、分厚い記憶媒体が必要で、通常、コヒーレント光束と参照光束との干渉によって生成される光エネルギーの空間分布に反応性を有する材料でできた三次元体が必要である。ホログラムは、吸収の変化または位相の変化あるいは吸収と位相双方の変化として媒体に記録される。記憶材料は、入射する光のパターンに反応し、それにより自身の光学特性に変化を生じる。体積ホログラムの場合、極めて多数のデータパケットを重畳することができるため、ひずみを生じることなく、すべてのデータパケットを復元することができる。体積(厚い)ホログラムは、感光性記憶材料の深部に記録された、それぞれがブラッグ則を満足する三次元回折格子(つまり体積位相回折格子)が重なり合ったものと見なすことができる。体積ホログラム中の回折格子平面が屈折および／または吸収の変化を生み出す。

ホログラフィック記憶システムは、今のところコンパクト・ディスク（CD）システムおよびデジタル・ビデオ・データ（DVD）システムに取って代わってはいないが、多くの利点が相次いで見出され、ホログラフィックメモリの記憶容量の可能性はますます高くなっている。これには、角度、波長、位相符号、フラクタル、ペリストロフィックおよびシフトなどの様々な多重化技術の使用が含まれている。しかしながら、高度に多重化された体積ホログラフィックエレメント（素子）に情報を記憶し、かつ、それらを読み出すための方法は、スループット、クロストークおよび容量の点で満足すべきものではない。

現在のところ、ホログラフィックメモリの記録と読み出しは、一回につき、記録プレートの一ポイントで（つまりシーケンシャルに）行われている。高速の記録と読み出しプロセスには、多重ポイント（例えば、マトリックスをなす複数ポイント、つまりはポイントマトリックス）の並列の記録と読み出しが実行される。

本発明に対するより完全な理解を容易にするために、以下、添付の図面を参照する。添付の図面は、単に例として役に立つことを意図したものに過ぎず、本発明を制限するものとして捕えてはならない。

本発明における記録システムは、レーザ、記憶層、SLMのマトリックス、及び集束レンズのマトリックスを備えている。読み出しシステムは、読み出し（例えば参照）光をメモリ上に放射することによって回折型光メモリからデータを読み出すように構成されており、回折型光メモリ、及びCCDのマトリックスを備えている。回折型光メモリは、内部に格納された、メモリ上の複数のポイントに配置された情報を有している。一つの角度において、複数の情報パケットが、回折型光メモリ上の複数ポイントからなるマトリックス（ポイントマトリックス）に形成される。また別の角度においては、別の複数のパケットが、メモリ上のまた違ったポイントマトリックスに形成される。本発明は、記録プレートの複数ポイントからなるマトリックス上の情報をそれぞれ同時に格納しかつ読み出すため、記録システムにおいてSLMのマトリックスを使用し、さらに、読み出しシステムにおいてCCDのマトリックスを使用することを取り入れている。また、本発明は、記録システム内で、記録プレート（すなわち回折型光メモリ）のポイントのマトリックスをカバーできるような、コリメートされた広い物体光、及び広い参照光を用いる。読み出しシステムでは、広い読み出し光（例えば参照光）が、記録プレートのポイントマトリックスから情報を読み出すために用いられる。

本発明の他の利点および新規な特徴については、当分野の技術者には、以下の詳細な説明を含む本開示から、また、本発明を実践することによって明らかになるであろう。以下、本発明について、実例実施形態を参照して説明するが、本発明を制限する意味で以下の説明を捕えてはならない。当業者であれば、本明細書で示唆する内容に触れれば、本明細書において開示しかつ特許請求する本発明の範囲内であって本発明が極めて有用である他の実施態様、改変および実施形態、および他の分野における用途に気付くことであろう。

〔格納／記録段階〕
図１は、多重干渉パターンを記録するための本発明の一実施形態に係るシステム１００の概略図である。システム１００は、レーザ１０１、ビームスプリッタ１０２、コリメート光エキスパンダ１０３、及びコリメート参照光エキスパンダ１０４を備えている。記録段階では、レーザ１０１は、レーザビーム１０５（すなわち、コヒーレント光ビーム）をビームスプリッタシステム１０２へ供給する。レーザ１０１は、YAG材料のロッドが赤外のレーザ光をレーザに放出するYAGダブルレーザ（すなわち固体レーザ）とすることができる。レーザ１０１から出てくるレーザビーム１０５は、参照光１１０と物体光１１５に分割される。

コリメート光エキスパンダ１０３は、物体光１１５を広くして拡張物体光１２５を生成する。拡張物体光１２５は、SLMのマトリックスに合うように広げられている。参照光エキスパンダ１０４は、参照光１１０を広げて拡張参照光１２０を生成する。拡張物体光１２５は、SLMのマトリックス（例えばディスプレイ）を通過する。SLMマトリックスは、拡張物体光１２５を変調して、バイナリ情報を運ぶ複数の物体光を生成するように働く。一実施形態において、SLMマトリックス内のSLMの数は、物体光の数に対応し、この物体光の数はまた、記録プレート上のポイントマトリックスの数に対応する（図２参照）。拡張参照光１２０は、記録プレートのポイントマトリックスに合うように拡張されている。

図２は、多重干渉パターンを記録するための本発明の一実施形態に係るシステム２００の概略図である。システム２００は、SLMのマトリックス２０１、集束レンズのマトリックス２０２、及び記録プレート２０５を備えている。上述したように、拡張物体光１２５は、SLMのマトリックス２０１を通過し、物体光のマトリックス２０３を生成する。集束レンズのマトリックス２０２は、対応する物体光のマトリックス２０３を記録プレート２０５上のポイントのマトリックスへと集束させる。拡張参照光１２０は、物体光のマトリックス２０３と干渉して干渉パターンを形成し、このパターンが屈折率の摂動によって記録媒体上のポイントマトリックスに保存される。こうして、ホログラムが拡張参照光１２０の固有の角度でポイントマトリックス上に保存される。同じ体積空間内に格納された様々なホログラムの間の分離は、ホログラムのコヒーレントな性質に基づいている。これは、所定の角度の値の場合にのみ該体積空間に関して同相でホログラムを抽出できるようにするためである。

記録された情報を保持するための複数のセルをメモリデバイス２０５が有するということが考えられる。メモリデバイス２０５は、ホログラフィックメモリデバイスであり、このデバイスは、情報記憶段階中に蓄えられた情報を含んでいる。メモリデバイス２０５は、通常、物体光のマトリックス２０３と拡張参照光ビーム１２０の干渉によって生成される光エネルギーの空間分布に反応性を有する材料からできた三次元体である。ホログラムは、吸収の変化、又は位相の変化、又はそれら吸収と位相の双方の変化として媒体２０５内に記録することができる。記憶材料は、入射する光のパターンに反応し、それにより入射光の光学的な性質が変化する。体積（厚い）ホログラムの場合、多数のデータパケットを重畳することができるため、ひずみを生じることなく、すべてのデータパケットを復元することができる。体積ホログラムは、記録材料層の深部に記録された、それぞれがブラッグ則を満足する三次元回折格子(つまり体積位相回折格子)が重なり合ったものと見なすことができる。体積ホログラム中の回折格子構造が屈折および／または吸収の変化を生成する。ポイントマトリックス上の複数のポイントのそれぞれは、直線座標（X，Y）によって定義されている。像形成システム（図示せず）によって、物体光のマトリックス２０３は、ポイントマトリックスのX，Yポイントの一つにおいてそれぞれが最小の大きさを有している複数のサブホログラムに縮小される。直線座標で定義される物理空間内の一つのポイントは、複数のパケットを含んでいる。

一実施形態では、メモリデバイス２０５は、ポリペプチド材料などの有機材料から構成されており、また、参照により本明細書に組み込まれている「Photonics Data Storage System Using a Polypeptide Material and Method for Making Same」という名称の同時係属特許出願第PCT／FR０１／０２３８６号明細書に記載されている技術に従って製造されている。

複数のディスプレイからなるマトリックス２０１中のディスプレイ（表示装置）には、システム内のデータパケットを表示するための任意のデバイス、たとえば空間光変調器(SLM)あるいは液晶ライトバルブ(LCLV)などを使用することができる。ディスプレイの表示画面に描き出された複数のビットが、透明ピクセルと不透明ピクセルの二次元パターン(つまりデータパケット)として提示される。表示されるデータパケットは、コンピュータプログラム、インタネットなどのあらゆるソースから送られてくる。インタネット記憶アプリケーションの場合、表示されるパケットは、インタネットのパケットと同様にしてフォーマット化することができる。

物体光のマトリックス２０３がディスプレイのマトリックス２０１を通過する際に、ディスプレイは、バイナリ情報によって物体光のマトリックス２０３を変調させるように動作する。物体光のマトリックス２０３は、次に、記録媒体２０５上の所定のポイントマトリックスへと導かれ、そこでこれら物体光が拡張参照光１２０と交差してデータパケットが書き込まれた（ロードされた）複数の干渉パターンを生成する。レンズのマトリックス２０２は、変調された物体光のマトリックス２０３収束させ、記録媒体２０５にビームを合焦させるのに用いることができる。つまり、変調された物体光は、複数レンズからなるマトリックス２０２内のレンズによって縮小されることになり、その結果、変調された物体光が収束したポイントマトリックスは、僅かに記録媒体２０５を超えた状態で広がっていることになる。拡張参照光１２０は、角度多重化法により異なる角度で配置され、複数のデータパケットが記録媒体２０５のポイントマトリックスに記録される。

上述したように、記録システム１００は、拡張参照光１２０、物体光のマトリックス２０３、及び記録媒体２０５を備えている。拡張参照光１２０と、物体光のマトリックス２０３内の物体光とは、マトリックスのX，Y位置において記録媒体２０５上で記録されるべきパターンを形成するように交差する。拡張参照光１２０は、順次角度が変更され、その結果、記録媒体２０５上において、異なるポイントマトリックスに異なる角度で異なるデータが記録可能となる。拡張参照光１２０は、空間的にも変更され、記録媒体１０１の異なるポイントマトリックスにデータが記録可能となる。これは、直線座標を順次変更することで行われる空間多重化である。角度多重化は、記憶媒体２０５の表面平面に対する拡張参照光１２０の角度を変えることで実現される。つまり、角度多重化は、拡張参照光１２０の角度を順次変更することによって行われる。多重の情報パケットは、選択された角度及び空間位置のそれぞれに対する回折パターンのマトリックス（例えば、サブホログラムのマトリックス）として記憶媒体２０５に記録される。空間多重化は、記憶媒体２０５の表面に対して拡張参照光１２０をずらすことによって行われるため、ポイントマトリックスは、別の空間的な位置にシフトする。データパケットのマトリックスは、データパケットのマトリックスが記録された位置において同一の角度と空間位置で拡張参照光１２０を照らすことによって復元できる。記憶媒体材料によって回折された拡張参照光１２０の部分は復元を形成し、通常、これが検出器アレイによって検出される。記憶媒体２０５は、それらの座標（X，Y）を用いて、異なるポイントマトリックスにデータパケットを格納するために機械的にシフトさせることができる。

記憶媒体２０５は、マトリックスに構成されている。このマトリックス上の複数のポイントのそれぞれは、自身の直線座標の信号によって定義される。ポイントの直線座標の信号は、角度多重化と空間多重化を用いて記憶媒体に回折パターン（すなわちホログラム）を記録する際に伴われるものである。この種類では様々な回折型の記録プロセスが開発されてきており、さらなる詳細は、H. J. Coufal, D. Psaltis, 及びG. T. Sincerboxによる著書「Holographic Data Storage」（Springer 2000）を参照することができる。いくつかの場合には、記憶回折パターンマトリックスは、回折構造を作るための材料エッチングのためのｅ‐ビーム及びマイクロリソグラフィプロセスを用いるといったような、参照光と物体光の干渉以外の技術を用いることによっても構築可能であるということは考えられる。

〔読み出し段階〕
図３は、多重干渉パターンを同時に読み出すための本発明の一実施形態に係る装置の概略図である。読み出し装置３００は、レーザ１０１、メモリデバイス（すなわち記録媒体）２０５、及び検出装置（例えばCCDカメラ）のマトリックス３０５を備えている。各検出装置は、マイクロリソグラフィによって製造された固体チップ（素子）とすることができ、マイクロメカニカルエレクトロニクス及びフォトニクスが含まれる。

記録された記憶情報の、記録媒体２０５からの検索抽出には、特性が書き込みないし保存に使われるものに対応している参照光（すなわち読み出しビーム）が使われなければならない。この参照光は、記録光の特性に対応した屈折率変調における摂動による回折を生じ、それにより、データがロードされた変調されたビームを生成する。読み出しプロシージャ（手続き）における読み出し角度の値は、書き込みプロシージャのものと比べると、これらのプロシージャが同じ節点の原理を用いているという点において同様である。読み出しプロシージャは、記録プロシージャより広い許容範囲で実施することができる。読み出しに必要なレーザ出力は、記録に必要なレーザ出力よりはるかに小さいため、読み出しプロセスには、固体型の極めてコンパクトなレーザ光源を使用することができる。しかしながら、読み出しに用いられるレーザ光源は、記録に用いられるレーザ光源ほど強力である必要はない。

記録された媒体２０５内の一つの特定のポイントマトリックス（X_M，Y_N；MとNは正の整数）に収められた複数のデータパケットにアクセスするために、参照光は位置が決められる。一実施形態において、MはNに等しい。読み出しプロシージャは、アドレス指定する角度値においては、書き込みプロシージャないし記録プロシージャに似通ったものだが、読み出しプロシージャは、記録プロシージャより広い許容範囲で実施することができる。読み出しに必要なレーザ出力は、記録に必要なレーザ出力よりはるかに小さいため、読み出しプロセスには、固体型の極めてコンパクトなレーザ源を使用することができる。

データパケットは、データパケットが記録されたときと同じ角度と空間位置で、拡張読み出し光３０１（すなわち参照光）を照らすことによって復元される。上記拡張読み出し光３０１は、図１に示されるような拡張参照光１２０と同じであるとしてよい。記録段階で記録プレートのポイントマトリックス２０５にデータパケットが同時に記録されるということは考えに入っている。回折型メモリマトリックスによって回折された拡張読み出し光３０１の部分は、復元を形成し、通常、これがCCDのマトリックスによって検出される。

読み出し装置３００は、動的なデバイス（例えばアクチュエータ、マイクロミラー等）を備えることもできる。このデバイスは、記録プレートのポイントマトリックス２０５上への一つの角度と位置において、レーザ１０１によって生成された拡張読み出し光３０１を成形するとともに導く。この動的デバイスを制御するためにコンピュータ（図示せず）を用いることができる。

検出装置マトリックス３０５内の各検出装置は、出力ビームのマトリックス３０２からの像を検出できるいかなるセンサでもよい。検出装置は、CCDないしCMOS（complementary metal-oxide-semiconductor）アクティブピクセルセンサ（active pixel sensor）（APS）から構成することができる。一実施形態において、検出装置は電荷結合ダイオードとされている。

出力ビームのマトリックス３０２（メモリデバイス内のデータ／情報を運ぶ複数の出力ページを含んでいる）は、拡張読み出し光３０２によって生成される。記録媒体２０５内のポイントマトリックスからの複数のデータパケットは、データパケットが記録されたときと同じ位置で拡張参照光（すなわち読み出しビーム）３０１を照らすことによって同時に復元される。記録媒体２０５によって回折された拡張参照光３０１は、格納されたデータパケットのマトリックスの復元を形成し、これが検出装置のマトリックス３０５によって検出される。拡張参照光３０１は、記録媒体２０５内の異なる位置における複数のパケットをアドレス指定するように構成される。イメージセンサのマトリックス３０５のデジタル出力は、さらにコンピュータ（図示せず）によって処理される。

本発明は、本明細書において説明した特定の実施形態の範囲に何ら限定されない。実際、本出願は、本明細書において説明した変更以外のあらゆる変更を範疇に含むと考えるべきである。また、本発明は、上に示した委細に何ら制限されない。したがって本発明の範囲は、上に示した実施例によってではなく、特許請求の範囲の各請求項およびそれらの法的な均等物によって決定されるべきである。

本発明の一実施形態により、広がったビームを記録システムに向けて供給するための装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態により、多重干渉パターンを同時に記録するための装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態により、多重干渉パターンを同時に読み出すための装置を概略的に示す図である。

符号の説明

１００ システム
１０１ レーザ
１０２ ビームスプリッタ
１０３ コリメート光エキスパンダ
１０４ コリメート参照光エキスパンダ
１０５ レーザビーム
１１０ 参照光
１１５ 物体光
１２０ 拡張参照光
１２５ 拡張物体光
２００ システム
２０１ SLMのマトリックス
２０２ 集束レンズのマトリックス
２０３ 物体光のマトリックス
２０５ 記録プレート（メモリデバイス、記録媒体）
３００ 読み出し装置
３０１ 拡張読み出し光
３０２ 出力ビームのマトリックス
３０５ 検出装置マトリックスマトリックス

Claims (21)

1. バイナリ情報を表示することで前記バイナリ情報を有した複数の副次的物体光へと物体光を変調するディスプレイのマトリックス；及び
   前記複数の副次的物体光を記録プレート上に合焦させるためのマイクロレンズのマトリックスを備え、
   前記複数の副次的物体光が参照光と交差し、前記記録プレートのポイントのマトリックス上にホログラムが作られるように構成されている装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記ホログラムは、データのパケットを表現していることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、
   前記物体光と前記参照光は、光源から放射される光ビームからビームスプリッタによって分割されることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置において、
   前記ビームスプリッタは、近似的に５０／５０のパワー比を有する反射型のビームスプリッタとされていることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置において、
   前記物体光は、コリメートされることを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載の装置において、
   前記物体光を広げるとともに、前記光を照明するために前記参照光を広げて、前記ディスプレイのマトリックス及び前記記録プレート上の前記ポイントのマトリックスにそれぞれ合うようにするためのエキスパンダをさらに備えていることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置において、
   前記エキスパンダは、前記光を広げかつコリメートするための少なくとも２つのレンズを備えていることを特徴とする装置。
8. 請求項５に記載の装置において、
   前記エキスパンダは、前記光ビームから来るノイズを除去するために微小孔をフィルタするためのフィルタを備えていることを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載の装置において、
   前記記録プレートは、ポリペプチド材料から形成されていることを特徴とする装置。
10. 請求項１に記載の装置において、
    前記参照光は、一つのポイントマトリックスの形態にまとめられた別々のデータパケットを記録するために、角度的に多重化されることを特徴とする装置。
11. 請求項１に記載の装置において、
    前記参照光は、別々のデータパケットを異なるポイントマトリックス上に記録するために、空間的に多重化されることを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載の装置において、
    前記ディスプレイのマトリックスは、SLMのマトリックスとされていることを特徴とする装置。
13. 請求項１に記載の装置において、
    前記ディスプレイのマトリックス、前記マイクロレンズのマトリックス、及び前記ポイントのマトリックスは、少なくとも１行２列のマトリックスかもしくは２行１列のマトリックスとされていることを特徴とする装置。
14. 参照光及び物体光を提供し；
    ディスプレイのマトリックスを用いて複数の副次的物体光にバイナリ情報を表示し、前記副次的物体光を前記物体光から分け；さらに、
    マイクロレンズのマトリックスを用いて前記副次的物体光を記録プレート上に合焦させ、このとき、前記複数の副次的物体光を前記参照光と交差させて前記記録プレートのポイントのマトリックス上にホログラムを作る
    ことを含む方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    レーザビームを分けて前記参照光と前記物体光とを生成することをさらに含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、
    前記物体光をコリメートすることをさらに含むことを特徴とする方法。
17. 請求項１４に記載の方法において、
    物体光と参照光とを拡張して、ディスプレイのマトリックスとポイントのマトリックスとにそれぞれ合わせることをさらに含むことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    前記拡張することは、参照光及び物体光から来るノイズを除去するために微小孔をフィルタすることを含むことを特徴とする方法。
19. 請求項１４に記載の方法において、
    前記記録はポリペプチド材料から作られることを特徴とする方法。
20. 請求項１４に記載の方法において、
    前記ポイントのマトリックス上に異なる複数のデータパケットを記録するために前記参照光を角度的に多重化することをさらに含むことを特徴とする方法。
21. 請求項１４に記載の方法において、
    異なるポイントのマトリックス上に異なるデータパケットを記録するために前記参照光を空間的に多重化することをさらに含むことを特徴とする方法。

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