JP4718558B2 - ホモダイン検波を伴うホログラフィック記憶装置 - Google Patents

Description

本発明はホログラフィック記憶装置分野に関する。本発明は、より具体的にはビット単位の情報記憶に適用されるホログラフィック記憶装置分野に関する。

多くのアプリケーションに対し、現行の光記憶装置（ＣＤ、ＤＶＤ、またはＢｌｕ−ｒａｙディスクも含め）の容量は、非常に不十分である。このため、現行のディスクの容量はせいぜい５０ギガビットであるのに対し、１テラビットオーダーの記憶容量を達成するための様々な研究が行われている。

この目的を達成するための従来技術として、ホログラフィーの原理を用いた大容量光記憶装置が既に知られている。この原理に従えば、３次元または体積的データの記憶が可能になり、従来のＤＶＤ型ディスクによる単に二次元ないしは表面的データ記憶（または多表面データ記憶も含む）に対し、大きな利点がある。特に欧州特許第０８２７６２１号は、大容量光記憶装置に関するもので、要素セルを有する感光性皮膜を有し、各要素セルは光ファイバー型の導光セグメントより構成されている。前記光ファイバーは、光ビームの波長によりエンコードされたデータのインターフェログラムを形成するリップマン構造を記憶する。

図１に示した従来技術では、書き込み時において、光がファイバーに侵入して透明な基板を通過し、鏡に到達すると、前記鏡は当該光を当該ファイバー中に反射する。これにより、ファイバー中の前記感光性材料は、反対方向に進展する二つのビームの作用にさらされる。

次いで、前記二つの光が干渉する結果生じる干渉パターンは定在波を形成し、リップマン効果に従った屈折率縞の重ね合わせを、前記ファイバーの前記感光性材料に刻み込む。

データ読み出し時においては、前記鏡をマスクし、レーザが連続スペクトラムを有する光を放射する。特定の波長が、前記レーザおよび検知器に向かって、前記リップマン構造により選択的に反射される。この構造が検出されることは、情報ビットが存在することを示す。ファイバー中の様々な波長を多重化することにより、複数の情報ビットの体積的記憶を得ることが可能になる。

前記従来技術の不利な点は、干渉パターンを読むためには、読み出しの際、前記鏡を取り除く、またはマスクする必要があるという点にある事は容易に理解できる。したがって本発明が解決しようとする技術的課題は、大容量ホログラフィック記憶装置において干渉パターンを読み出し、または検出する際の前述の問題点にある。

これを達成するため、本発明は、読み出し反射および書き込み反射の両機能を有する鏡を使用するとともに、読み出し時のビームのホモダイン検波を行うことで検出を容易にすることを提唱する。

米国特許出願第２００２／１５００２２号（Tolmachev）もまた従来技術として知られている。この文献は、前記材料の厚さ方向の決められた深さに情報を書き込むために超短パルスを使用することに関している。二つの反対方向に進展するパルス間の遅れが記録の深さを決定する。情報を記録する際の方法には干渉パターンが使用されるが、情報の読み出しの際には使用されない。前述されたシステムにおいて、鏡は感光性媒体の下に配置されている。この（４分の１波長板のついた）鏡は偏光性を有し、前記鏡によって反射ビームが、読み出されるデータをエンコードする同一のビームと混合することを防いでいる。

米国特許出願第２００３／１６５７４６号（Stadier）もまた従来技術として知られているが、これは記録媒体の構造に関するもので、当該記録媒体に書き込みを行う方法に関するものである。

欧州特許出願第１３２４３２２号（Optware）もまた従来技術として知られており、書き込み時に鏡から反射された参照ビームは再生される信号の向きとは異なる方向に送られると言う事実を開示している。

これらいずれの文献もホモダイン検波によるデータ読み出しについて記述していない。

本発明は、実質的に同じ波長を有する二つのビームの干渉によって得られるホログラムの形でホログラフィック材料に記録されたデータを読み出し、かつ、少なくとも一つの反射層を使用する方法において、
・少なくとも前記波長を含む光を、前記ホログラムを含む前記ホログラフィック材料に放射すること；および
・前記ホログラムによって回折された前記光からの信号と、前記少なくとも一つの反射層から反射される信号および前記少なくとも一つの反射層を透過する信号から選択される少なくとも一つの信号との間でホモダイン検波を行うこと；とを含むことを特徴とする。

有利な点は前記ホモダイン検波が、反射信号と透過信号を用いることで差動的に実行される点にある。

有利な点は、前記ホログラフィック媒体と前記鏡の間に複屈折板を配置し、書き込みビームの偏光に相対して読み出しビームの偏光を変化させることで、前記ホモダイン検波の動作点を最適化できるようにした点にある。

有利な点は、前記ホログラフィック媒体と前記鏡の間に配置した複屈折板が、前記読み出しビームの偏光を書き込みビームに相対して変化させることで、透過および／または反射ビームの二つの偏光成分の間で差動的に前記ホモダイン検波をできるようにした点にある。

本発明はまた、ホログラムを形成することによりビット単位のデータを刻み込むための少なくとも一つのホログラフィック材料と、少なくとも一つの反射層を含む大容量記憶装置を提供し、前記大容量記憶装置は前記反射層が記録データを読み出す間の読み出し段階で読み出し信号を反射することを特徴としている。

好ましくは、前記大容量記憶装置はさらに反射および透過信号をそれらの偏光の関数として調整する位相板を含む。

第一の態様において、前記データは記録面に実質的に垂直に配向したミクロファイバーに記録される。

もう一つの態様において、前記データは記録面に実質的に垂直に進展するビームによるリップマンディスク上に記録される。

本発明はまたデータを記録するための光学ディスクを提供するもので、前記光学ディスクは本発明の記憶装置の構成要素となることを特徴とする。

最後に本発明は、データを記録するための記録媒体を提供するもので、前記記録媒体は本発明の記憶装置の構成要素となることを特徴とする。

図１に示すように、従来技術では、ビットは反対方向に進展するビームによるブラッグ格子の形で一つずつ記録される。もし対応するビットが１の場合には格子が記録され、一方対応するビットが０の場合には格子は記録されない。このようにして複数のビットが、順次的に各波長に露出する、または全ての波長に同時に露出する、の何れかの方法により波長分割多重方式によって同一場所に記録される。この操作は、ディスクの全面がカバーされるまで、他の場所で繰り返される。

前記データはブラッグ回折によって取り出される：ある場所のある波長に対し、回折信号が存在することはこれに対応するビットが１であることを示している。また読み戻しに広域スペクトルを用い、同一場所の全てのビットを同時に読み出すことも可能である。図１において、第二の書き込みビームは、鏡１で反射される第一のビームにより形成される。データを読み出すためには、鏡を取り除き、前記格子によって反射されたビームを検出することでデータが読み出される。

図２において、本発明によれば、鏡、例えばガラス板など、が大容量規則装置の基板３に固定的に配置される。前記鏡はデータ読み出しの際、取り外したり覆い隠したりされない。

この場合、読み出しの際、回折された信号は、前記鏡によって反射された信号にコヒーレントに重畳される。前記鏡の反射率が１００％でない、および／またはホログラフィック材料４に吸収性がある場合、１を示すビットが存在すると、その波長の関数として構造体の反射率の修正が行われる。本発明によれば、前記ビットを認識するためのホモダイン検波がこの際に実行される。

前記ホログラムには、位相ホログラムおよび／または吸収ホログラムを用いることが出来る。

図３はホモダイン検波によって得られる強度を理解できるようにするためのものである。

以下の記号が使用される。
ｒ：鏡の反射率強度；
ｋｍ：第ｍ番目の格子における記録波長の波数；
ｋおよびω：読み出し波長における波数および角周波数；
δｎｍａｘ：前記材料の回折定数の最大変化量；
N：記録された格子の数；
φ：インデックス格子と干渉パターンの位相シフト；
ｌ：ホログラフィック媒体の厚さ：および
Ａｉ：入射強度。

説明のため、低い回折効率の位相ホログラム、および低い反射率ｒに対し、図３においてホモダイン検波によって検出される強度Ａｓは次式で表される。

ここで、係数ｂｍは、対応する格子が１または０にあるビットに応じ１または０の値を取り、また総和の第一項は前記信号の反射部分に、また第二項は回折部分に該当する。

使用する材料のタイプによるが、算出される強度はパラーメータφの値に応じて変化する。得られる信号の強度は、この例のホモダイン検波の場合１／Ｎで減少するが、公知のホログラフィック記憶装置の検出の場合１／Ｎ²で減少することは注目に値する。

このように、純粋に非局所的な、例えば拡散条件化で作動する光屈折結晶などのホログラフィック材料において、前記屈折率格子は、（φ＝＋ｐ／２または−ｐ／２）の刻み込みに使われた干渉パターンに対し、フリンジの４分の１分シフトしている。このように、書き込みに使用された波長において回折されたビームは反射ビームと建設的、または破壊的に干渉する。得られる信号の強度は、したがって図４に示されるように、ビットの番号、または波数の差ｋ−ｋｍの関数となる。

検出された信号はブラッグ波長の最大値（または最小値）を呈し、対応するビットが１であることを示している。透過信号は逆の変化を示し、ブラッグ波長の最小値（または最大値）を示すことから、ホモダイン検波を透過系で行うことも出来ることもまた注目に値する。

局所応答を有する材料の場合、屈折率格子は、（φ＝０またはｐ）の記録に使用された干渉パターンと同相または逆相である。この場合、ホモダイン検波により検出された信号は、もはやブラッグ波長の最大値（または最小値）を示さない。この信号を図５に示す。

この場合においても検出は可能であるが、前記ホログラフィック材料と前記鏡の間に配置されたλ／８プレートを通じて反射された信号を用い、回折信号を人工的に同位相とすることが好ましい。次いで書き込みが、例えば、反射ビームが同じ偏光を有するように、前記プレートの軸に沿って直線的に偏光されたビームを用いて行われる。読み出しと書き込みの偏光をπ／２だけ回転させることで、反射ビームに補正的な位相シフトをかけることができる。このようにして、ブラッグ波長に対しては図４に示された信号が得られる。

検出の精度を高めるため、透過されたビームと反射されたビーム間で差動検出を実行することも可能である。反射率が１００％でない鏡によって透過される信号の変化は、前記構造体から反射される信号の変化と反対である。ホモダイン検波は、上述したように透過された信号または反射された信号について実行することが出来る。これら二つの信号について差動検出を実行することで、媒体そのものや埃に起因する強度のばらつきを克服することが出来る。したがって、差動信号のばらつき要因は前記ホログラムのみとなる。

実施に際し前記検出は、二つの偏光成分を検出し、この二つの反射偏光成分の一つのみを位相シフトし他方は位相シフトしない位相板を挿入することによって、鏡の一つの側において実行される。この場合、書き込みは前記位相板の中立線に沿った偏光を用いて行われる。読み出しの際、前記偏光は前記中立線から４５度方向に調整される。前記二つの反射成分は、互いに直角位相を形成する。

以下にホログラフィック記憶装置に使用される材料を詳述する。

第一の実施形態において、ビットは欧州特許第０８２７６２１号に記載されるようなミクロファイバーにビット単位で記録される。このようなミクロファイバーには記録の際に導光を行い、したがって当該ミクロファイバーの記録容量がその長さに比例するという利点がある。

図６に示す第二の実施形態において、ビットは感光樹脂で作られたリップマンディスクに記録され、この場合、記録と読み出しはミクロファイバーの場合と同様に行われる。
しかしながら、焦点合わせは、前記材料の厚さにわたりにあまり分散していないビームについて行われ、出来るだけ小さな場所の出来るだけ多くの波長を多重化するが、これは前記材料の厚さが前記ビームのビームレイ（Beamleigh）波長のオーダである必要があるためである。

本発明について図面を参照しつつ例を挙げて説明したが、当業者が本発明の範囲を超えることなく多くの改良を行い得ることは理解されるべきである。

ホログラムの形態で記録された情報を読み出すための従来技術の方法を示す。 本発明の読み出し方法を示す。 本発明のホモダイン検波により検出された信号の計算を示す。 純粋に非局所的な材料中の記録から得られた信号を示す。 純粋に局所的な材料中の記録から得られた信号を示す。 リップマンディスクにおけるビット単位記録を示す。

Claims (4)

1. 実質的に同じ波長を有する二つのビームの干渉によって得られるホログラムの形でホログラフィック材料に記録されたデータを読み出し、かつ、少なくとも一つの反射層を使用する方法において、
   ・少なくとも前記波長を含む光を、前記ホログラムを含む前記ホログラフィック材料に放射すること；および
   ・前記ホログラムによって回折された前記光からの信号と、前記少なくとも一つの反射層から反射される信号および前記少なくとも一つの反射層を透過する信号から選択される少なくとも一つの信号との間でホモダイン検波を行うこと；
   とを含むことを特徴とするホログラフィック材料に記録されたデータを読み出す方法。
2. 前記ホモダイン検波が前記反射信号と前記透過信号を用いて差動的に実行されることを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック材料に記録されたデータを読み出す方法。
3. 前記ホログラフィック媒体と鏡の間に複屈折板を配置し、書き込みビームの偏光に相対して読み出しビームの偏光を変化させることで、前記ホモダイン検波の動作点を最適化できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック材料に記録されたデータを読み出す方法。
4. 前記ホログラフィック媒体と前記鏡の間に配置した複屈折板が、前記読み出しビームの偏光を書き込みビームに相対して変化させることで、透過および／または反射ビームの二つの偏光成分の間で差動的に前記ホモダイン検波できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック材料に記録されたデータを読み出す方法。

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