JP5491006B2 - 統合位相マスクを有するホログラフィ記憶媒体およびそのシステム - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィ記憶媒体（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）及びそのシステムに関し、より詳細には、相関多重（ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）やスペックル多重（ｓｐｅｃｋｌｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）に適した統合位相マスク（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｍａｓｋ）を有するホログラフィ記憶媒体及びそのシステムに関する。

光記憶媒体の容量を増大させる１つの着想は、ホログラフィデータ記憶を使用することである。この場合には、情報を記憶する目的に、従来の光記憶媒体のようにいくつかの層だけが使用されるのではなく、ホログラフィ記憶媒体の表面又は体積全体が使用される。さらに、データは、データページ（ｄａｔａ ｐａｇｅ）として記憶することができる。データページは、一般に、複数のビットをコード化した明暗パターンのマトリックスからなる。これにより、記憶密度に加えデータ転送速度を増大させることができる。ホログラフィデータ記憶の追加の１つの利点は、例えば、２つのビーム間の角度を変化させ、又はシフト多重（ｓｈｉｆｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を使用することによって、同じ体積に多数のデータを記憶することが可能なことである。

ホログラフィデータ記憶では、２つのコヒーレントレーザビームの重ね合せによって生み出される干渉縞を記録することによって、デジタルデータが記憶される。一方のビーム、いわゆる「物体ビーム（ｏｂｊｅｃｔ ｂｅａｍ）」は、空間光変調器によって変調され、データページの形態で記録される情報を運ぶ。第２のビームは、参照ビーム（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ）の役目を果たす。この干渉縞は、干渉縞の局所強度に応じて、記憶材料の特定の特性を変化させる。記録されたホログラムの読出しは、記録時と同じ条件を使用した参照ビームをホログラムに照射することによって実行される。その結果、記録された物体ビームが復元される。

ホログラフィデータ記憶システムに位相マスクを提供することによって、このような光記憶システムの性能を向上させることができる。このような位相マスクは、参照ビーム及び／又は物体ビームにランダムな又は擬似ランダムな位相シフトを導入し、その結果、システムのシフト選択性を向上させる。さらに、集束ビームの焦点径が拡大されるため、ホログラフィ記憶媒体内の高いビーム強度が回避される。この方法は、相関多重又はスペックル多重として知られている。この方法の１つの欠点は、他のシステムによって書き込まれたホログラフィ記憶媒体の読出しを可能にするため、互換性のあるすべてのホログラフィデータ記憶システムに、正確に同じパターンを有する位相マスクを提供しなければならないことである。その理由は、ホログラフィの一般的な特徴にある。すなわち、読出し用の参照ビーム（プローブビーム（ｐｒｏｂｅ ｂｅａｍ）とも呼ばれる）は、書込み中に使用される参照ビームと同じ特性を有していなければならない。これは、参照ビームの位相分布を含んでいる。

上述した欠点を回避するため、フォトリフラクティブビームファニング効果（ｐｈｏｔｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｂｅａｍ−ｆａｎｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）によって生み出されるスペックル参照ビームを用いたホログラム多重法が、Ｍ．Ｂｕｎｓｅｎ他によって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、バルクフォトリフラクティブ結晶が、さまざまなスペックル場を生み出し、ホログラムを記憶する役割を果たす。ホログラフィ記録に使用される参照ビームのスペックル場は、記憶結晶自体のフォトリフラクティブビームファニング効果によって生み出される。参照ビームのスペックル場の生成を保証し、同時に物体ビームの極端に大きなビームファニング効果を回避するため、参照ビーム及び物体ビームに対する結晶軸の特別な位置合せが必要となる。

M. Bunsen et al.: "Hologram multiplexing method with photorefractive beam-fanning speckle", Advanced Optical and Quantum Memories and Computing, Proc. of the SPIE, Vol. 5362 (2004), pp. 128-135

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、物体ビームに対する影響が低減された統合位相マスクを有するホログラフィ記憶媒体及びそのシステムを提供ことにある。

本発明によれば、この目的は、ホログラフィ記憶層の上に位相マスク層を有するホログラフィ記憶媒体であって、位相マスク層が、参照ビームをカップルイン（ｃｏｕｐｌｅ−ｉｎ）し、参照ビームに位相パターンをインプリントする１つ又は複数の位相パターン領域と、物体ビームをカップルインし、かつ／又は復元された物体ビーブをカップルアウト（ｃｏｕｐｌｅ−ｏｕｔ）する１つ又は複数の中立領域（ｎｅｕｔｒａｌ ａｒｅａ）とを有するホログラフィ記憶媒体によって達成される。ホログラフィ記憶媒体の特定の位置にだけ位相マスクを統合することによって、相関／スペックル多重の利点は影響を受けない。このホログラフィ記憶媒体が、他のホログラフィ記憶システムに通された場合、光路上には正確に同じ位相マスクがある。もはや、ホログラフィ記憶システムに、定義された特性を有する特別な位相マスクを提供する必要はない。さらに、異なるホログラフィ記憶媒体の位相マスクは、正確に同じである必要はなく、一般パラメータが同じであればよい。言い換えると、正確なパターンが同じである必要はなく、位相変動の量及び変動の空間サイズが同じでなければならない。同時に、位相マスクは参照ビームにしか影響を与えない。物体ビーム、したがって、復元された物体ビームは影響を受けない。これにより復元された物体ビームの像質は大幅に向上し、それによってデータの取出しが単純になる。

有利には、位相マスク層の位相パターン領域が、媒体の凸凹の表面によって実現される。凸凹の表面は容易に作り出すことができるため、こうすることは非常に効率的な解決手段となる。好ましくは、この凸凹の表面が保護層によって覆われる。この保護層は、後の読出し中に問題となる可能性がある表面構造の変化を防ぐ。位相マスク層の材料と保護層の材料は、ビームの所望の屈折、すなわち、その波面の所望の変形を達成するために、異なる屈折率を有する必要がある。

好ましくは、位相パターン領域は、ホログラフィ記憶層のホログラムが記録された領域の上方に配置される。この配置は、参照ビームの光軸が、ホログラフィ記憶媒体の表面に対して垂直である場合に特に適当である。この場合、物体ビーム又は復元された物体ビームの光軸は、ホログラフィ記憶媒体の表面に対して傾けられる。あるいは、位相パターン領域は、ホログラフィ記憶層のホログラムが記録された領域のわき（ｂｅｓｉｄｅ）に配置される。この配置は、参照ビームの光軸が、ホログラフィ記憶媒体の表面に対して傾いている場合に特に適当である。この場合、有利には、物体ビーム又は復元された物体ビームの光軸が、表面に対して垂直である。

本発明の一実施態様によれば、ホログラフィ記憶媒体がディスク形の記憶媒体である。ディスク形のホログラフィ記憶媒体は、Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ、ＢｌｕＲａｙ Ｄｉｓｋなどの現行の光記憶媒体の再生又は記録も可能なホログラフィ記憶装置で使用することができるという利点を提供する。この場合、位相パターン領域は同心環又は螺旋である。位相パターン領域は、同心環又は螺旋として配置された複数の個々の位相パターン領域からなることもできる。個々の領域は、例えば、円形又は長方形の領域である。もちろん、中立領域を、同心環又は螺旋として配置し、あるいは同心環又は螺旋として配置された複数の個々の中立領域として配置することも本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の他の実施態様によれば、ホログラフィ記憶媒体がカード形の記憶媒体である。この場合、位相パターン領域は線であり、あるいは線として配置された複数の個々の位相パターン領域である。上述した場合と同様に、中立領域を線として配置し、又は線として配置された複数の個々の中立領域として配置することも可能である。

好ましくは、本発明に基づくホログラフィ記憶媒体から読み出し、かつ／又は本発明に基づくホログラフィ記憶媒体に記録する装置では、光源によって生み出された参照ビームが、参照ビームが位相マスク層の位相パターン領域に入射し、物体ビーム又は復元された物体ビームが位相マスク層の中立領域に入射するように、物体ビーム又は復元された物体ビームの光路に対して傾いて配置される。光軸のこの相対的な傾きは、参照ビームと物体ビーム又は復元された物体ビームとを、位相マスク層の異なる領域に通すことを可能にする。

以下の説明では、図を参照して本発明をより詳細に説明する。本発明は、この例示的な実施形態に限定されないこと、及び本発明の技術的範囲から逸脱することなく、適宜に特定の特徴を組み合わせ、かつ／又は変更することもできる。

ホログラフィデータ記憶では、２つのコヒーレントレーザビームの重ね合せによって生み出される干渉縞を記録することによって、デジタルデータが記憶される。

図１は、ホログラフィ記憶システムを示す概略図である。このホログラフィ記憶システム１のコヒーレント光源（例えば、レーザダイオード２）が光ビーム３を発射し、この光ビーム３は、コリメーティングレンズ（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ）４によって平行にされる。光ビーム３は、次いで、別個の２つの光ビーム７,８に分割される。この例では、光ビーム３の分割が、第１のビームスプリッタ５を使用して達成される。しかし、この目的に他の光学部品を使用することも可能である。２次元データパターンをインプリント（ｉｍｐｒｉｎｔ）するために、空間光変調器（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＳＬＭ）６が、これらの２つのビームのうちの一方である物体ビーム７を変調する。物体ビーム７及びもう一方のビームである参照ビーム８は、ともに対物レンズ９によって、ホログラフィ記憶媒体１０の内部、例えば、ホログラフィディスク又はカードの内部で集束する。物体ビーム７と参照ビーム８の交点に干渉縞が現れ、この干渉縞が、ホログラフィ記憶媒体１０の感光層に記憶される。

記憶されたデータは、記録されたホログラムに参照ビーム８だけを照射することによって、ホログラフィ記憶媒体１０から取り出される。参照ビーム８は、ホログラム構造によって回折され、最初の物体ビーム７のコピーである復元された物体ビーム１１を生み出す。この復元された物体ビーム１１は、対物レンズ９によって平行にされ、第２のビームスプリッタ１２によって、２次元アレイ検出器１３、例えば、ＣＣＤアレイ上へ導かれる。アレイ検出器１３は、記録されたデータを復元することを可能にする。

図２は、従来のホログラフィ記憶媒体を示す断面図である。この断面図には、物体ビーム７及び参照ビーム８の伝搬も示されている。このホログラフィ記憶媒体１０は、カバー層２０と位相マスク層２１とホログラフィ記憶材料層２２と反射層２３と基板２４とを有している。位相マスク層２１の位相パターンは、ホログラフィ記憶材料層（ホログラフィ記憶層）２２との不規則な境界によって示されている。物体ビーム７及び参照ビーム８はともに位相マスク層２１を通過する。その結果、これらのビームの焦点径は増大する。

以下では、本発明を、反射型のディスク形ホログラフィ記憶媒体１０に関して説明する。もちろん、本発明は、透過型のディスク形ホログラフィ記憶媒体１０やカード形ホログラフィ記憶媒体にも適用可能である。

図３は、本発明に係るディスク形ホログラフィ記憶媒体の第１の実施形態を示す上面図である。ホログラム２７は、破線の円によって示されている。ホログラフィ記憶媒体１０上のデータ密度を高めるために、これらのホログラムは、シフト多重、相関多重などの１つ又は複数の適当な多重法を使用することによって、書込み方向に沿って重なり合うように書き込むことができる。ホログラフィ記憶媒体１０は、位相マスク層２１を含んでいる。ホログラム記録領域に一致したこの位相マスク層２１の主領域（位相パターン領域）２５には、参照ビーム８に位相変動をインプリントする位相パターンが付与されている。しかし、ホログラム２７の記録領域のわきには、位相パターンを持たない中立領域２６が位置しており、物体ビーム７はこの領域を通過する。この図３では、中立領域２６が黒い同心円によって示されている。中立領域２６は、複数の小さな個々の領域からなることもでき、例えば、それぞれのホログラム２７に対して１つの長方形又は円形の領域とすることができる。さらに、中立領域２６は、同心円の代わりに螺旋を形成することもできる。中立領域２６の幅は、主に、物体ビーム７の直径によって決定される。もちろん、大きな中立領域２６の中に複数の小さな個々の位相パターン領域２５を配置することも可能である。上述した図と同様に、位相マスク層２１の位相パターンは、ホログラフィ記憶材料層２２との不規則な境界によって示されている。このことは、この境界が実際に不規則であることを意味しないが、これは、１つの可能な解決手段を構成する。位相マスク層２１の上面に不規則な表面構造を形成することも可能である。他の代替手段は、例えば、不均質な材料から位相パターン領域２５を製作することである。

図４は、図３に示したホログラフィ記憶媒体の断面図である。この実施形態では、ホログラフィ記憶媒体１０の表面に対して物体ビーム７の光軸が傾いており、一方、参照ビーム８の光軸はホログラフィ記憶媒体１０の表面に対して垂直である。見て分かるとおり、参照ビーム８だけが位相マスク層２１の位相パターン領域２５を通過し、物体ビーム７は中立領域２６を通過する。したがって、物体ビーム７は、位相マスク層２１の影響を受けない。この例では、位相マスク層２１がカバー層の役目も果たす。もちろん、別個のカバー層を使用してもよい。

図５は、本発明に係るディスク形ホログラフィ記憶媒体の第２の実施形態を示す上面図である。図３の実施形態とは逆に、位相マスク層２１の中立領域２６がホログラム記録領域と一致し、位相パターン領域２５は、ホログラム２７の記録領域のわきに配置されている。

図６は、図５に示したホログラフィ記憶媒体の断面図である。この例では、物体ビーム７の光軸がホログラフィ記憶媒体１０の表面に対して垂直であり、参照ビーム８の光軸がホログラフィ記憶媒体１０の表面に対して傾いている。他の代替実施形態は、物体ビーム７と参照ビーム８の両方に対して傾いた１つの光軸を使用し、位相パターン領域２５及び中立領域２６をそれに対応して配置することである。

図７は、本発明に係る長方形のホログラフィ記憶媒体を示す上面図である。中立領域２６は、小さな長方形の領域の列として実現されている。それぞれの列の中立領域２６を結合して、単一の連続した中立領域としてもよい。重なり合った破線の長方形によって示されたホログラム２７は、これらの透過性の長方形の領域に沿って、方向２８の方向に記録される。

ホログラフィ記憶システムを示す概略図である。 従来のホログラフィ記憶媒体を示す断面図である。 本発明に係るディスク形ホログラフィ記憶媒体の第１の実施形態を示す上面図である。 図３に示したホログラフィ記憶媒体の断面図である。 本発明に係るディスク形ホログラフィ記憶媒体の第２の実施形態を示す上面図である。 図５に示したホログラフィ記憶媒体の断面図である。 本発明に係る長方形のホログラフィ記憶媒体を示す上面図である。

符号の説明

１ ホログラフィ記憶システム
２ コヒーレント光源（レーザダイオード）
３ 光ビーム
４ コリメーティングレンズ
５ 第１のビームスプリッタ
６ 空間光変調器
７,１１ 物体ビーム
８ 参照ビーム
９ 対物レンズ
１０ ホログラフィ記憶媒体
２０ カバー層
２１ 位相マスク層
２２ ホログラフィ記憶材料層
２３ 反射層
２４ 基板
２５ 主領域（位相パターン領域）
２６ 中立領域
２７ ホログラム
２８ 方向

Claims (8)

1. 複数のホログラムを含むホログラフィ記憶層の上に位相マスク層を有するホログラフィ記憶媒体であって、前記位相マスク層は、位相パターン領域および位相パターンを持たない中立領域を有する、ホログラフィ記憶媒体と、前記ホログラフィ記憶媒体から読み出し、および／または、前記ホログラフィ記憶媒体に書き込むための装置であって、前記装置は、参照ビームを生成し、または、物体ビームと前記参照ビームとを生成する光源を有する、装置と、を含むシステムであって、前記参照ビームおよび前記物体ビームは、オブジェクトレンズにより前記ホログラフィ記憶媒体に焦点を合わせられる、システムであって、
   位相変動を前記参照ビームにインプリントするために、前記物体ビームまたは復元された物体ビームが前記位相マスク層の中立領域に完全に入射しかつ前記参照ビームが前記位相マスク層の位相パターンに完全に入射するように、前記参照ビームは、前記物体ビームまたは前記復元された物体ビームの光路に対して傾いて配置されていることを特徴とするシステム。
2. 前記ホログラフィ記憶媒体はさらに、前記位相マスク層の上にカバー層を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ホログラフィ記憶媒体は、ディスク形記憶媒体であることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記位相パターン領域は、円環、螺旋、または、円環もしくは螺旋状に配置された複数の個々の位相パターン領域であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記中立領域は、円環、螺旋、または、円環もしくは螺旋状に配置された複数の個々の位相パターン領域であることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
6. 前記ホログラフィ記憶媒体は、カード形記憶媒体であることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
7. 前記位相パターン領域は、複数の線、または、複数の線上に配置された複数の個々の位相パターン領域であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記位相パターン領域は、複数の線、または、複数の線上に配置された複数の個々の位相パターン領域であることを特徴とする請求項６に記載のシステム。

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