KR100242859B1 - 광특성 변형방법, 광학장치, 정보기록매체 그리고 정보기록 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

미립자의 비결정질에서 결정질 상 천이를 이용하여, 유전체 매트릭스(14)에 분포된 반도체 초미립자(13)의 양자크기 효과를 나타내는 결정질 부분의 직경을 제어함으로써, 실온에서도 고밀도 광 정보기록을 할 수 있다. 양자크기 효과는 매체의 광특성이 결정질 부분의 직경에 달려있는 것을 의미한다. 이 광기록 매체를 이용한 정보기록, 재생 및 소거의 여러방법이 가능하다. 본 발명은 다른 광학 장치에도 적용할 수 있다.

Description

광특성 변형방법, 광학장치, 정보기록매체 그리고 정보기록 방법 및 장치

제1(a)도는 본 발명을 실시한 광기록 매체의 구조를 나타낸 도면이며, 제1(b)도는 제1(a)도에 도시된 부분 A의 확대단면도.

제2(a)도는 본 발명의 기록매체의 투과 스펙트럼을, 제2(b)도는 제2(a)도의 부분 A의 확대단면도.

제3(a), 3(b)도 및 제3(c)도는 본 발명의 실시예에서 기록 및 소거과정의 설명도.

제4(a), 4(b), 4(c)도 및 제4(d)도는 소거된 상태를 설명하는 다이어그램으로써, 제4(a)도 및 제4(c)도는 매트릭스 내에 있는 반도체 입자를, 제4(b)도 및 제4(d)도는 대응 흡수 스펙트럼(화살표는 유효 보어 반경을 나타냄)을 나타내는 도면.

제5(a), 5(b), 5(c)도 및 제5(d)도는 기록 상태를 설명하는 도면으로서, 제5(a) 및 제5(c)도는 매트릭스로 반도체 입자를, 제5(b)도 및 제5(d)도는 대응 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면.

제6도는 본 발명의 실시예의 발광 특성을 나타낸 도면.

제7도는 본 발명을 실시한 정보기록 및 재생장치를 나타낸 도면.

제8도는 본 발명을 실시한 다른 정보기록 및 재생장치의 도면.

제9도는 본 발명을 구체화하는 제3의 정보 기록 및 재생장치의 도면이다.

본 발명은 물체의 광특성을 변형하거나 선택하는 방법과, 광학장치의 제어 같은 상기 방법의 여러가지 응용, 정보기록매체, 정보기록, 소거 및 재생하는 방법과 장치에 관한 것이다.

광기록의 고밀도화 기술은 미합중국 특허번호 제4101976호에 기재된 바와 같이, 유기 색소 성분의 전자 시스템의 광 전이 레벨을 이용하여, 흡수 대역의 변화를 이용한 파장 다중 기록, 소위, 포토케미칼 호울 버닝(이하 PHB라고 칭함)이 있다.

보통 사용되고 있는 PHB 재료는, quinizarin, pthalocyanine, porphyrin 등의 게스트 재료가, 투명한 호스트 재료에 분산된 구조를 사용한다. 이을 재료를 PHB 광기록 매체로 기능시키기 위해서는 액체 헬륨 온도로 냉각시켜야 한다. 덧붙여, 광기록으로 PHB를 이용할 경우에, 흡수홀을 파악하는 광에 의해서 색소 자체에 퇴색이 일어나며, 이 때문에 정보를 읽어낼 수 있는 횟수가 제한된다.

반도체 초미립자로 된 유리의 물리학적 연구는 “Solid State Communication” 제56권 p.921(1985)에 기재되어 있다. 반도체 초미립자의 광학적 비선형 응답은 “Oyo Butsuri”(일본국) 제55권 번호 3, pp.325~335(1990)에 기재되어 있다. 이들 두 논문에는 이런 반도체 초미립자의 상변형 효과가 설명되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 실온에서도 기록 및 재생 가능한, 높은 기록 밀도를 가지는 기록매체와, 이에 관련된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

더 일반적으로, 물체의 광학 성질을 변형시키는 새로운 방법과 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

광범위한 형태에서, 본 발명은 물체의 광학 특성을 변형하는 방법을 제공한다. 물체는 매트릭스에 분포된 반도체 초미립자를 갖는다. 이 방법은 상기 입자의 결정 부분 영역의 크기를 변화시키는 에너지를 상기 물체에 인가하는 단계를 포함하며, 이 부분영역은 양자크기 효과를 나타내는 크기이다. 아래에서 더 설명되는 이 양자크기 효과로 인해 광특성, 특히 광 흡수 스펙트럼은 입자의 결정 영역의 크기와 또한 크기 분포에 달려 있다. 본 발명은 이러한 입자 모집단에 기초한 크기 분포를 이용한다.

그래서 본 발명은, 예를 들어 정보기록 등의 목적으로 사용되는, 광 장치의 제어를 제공하는 방법 또한 제공할 수 있다. 상기 장치는 매트릭스에 분산된 반도체 초미립자를 함유한 물체를 포함하며, 이 입자는 이 장치는 동작 온도에서 비결정질과 결정질 두 상태로 존재 가능한 재료로 되어 있다.

입자의 비결정 영역과 결정 영역의 상대적 양의 비를 변화시키기 위해 물체에 에너지를 인가하여 제어가 실행되고, 결정질 영역은 양자크기 효과를 나타내는 크기로 되어 있다.

더욱이 본 발명은, 기록되는 데이타에 따라서 물체의 광 특성을 변형시키는 단계를 포함하는 데이타 기록방법을 제공하고, 상기 물체는 매트릭스 내에 분포된 반도체 초미립자를 갖는다. 광 특성을 변형하는 단계는 반도체 입자에서 양자크기 효과를 갖는 크기의 결정질 부분 영역의 양을 변화시키는 광 에너지를 물체에 방사함으로써 실행된다. 초기 또는 소거된 상태는 결정질 부분영역이 없는 상태이다.

본 발명은 또한, 저장된 데이타에 따라서, 매트릭스 내에 분포된 반도체 초미립자의 광 기본 흡수에너지를 제어하여 변형시킬 수 있는 흡수 주파수 스펙트럼을 갖는 기록 재료의 광흡수 주파수 스펙트럼을 선택하는 것을 포함하는 데이타 저장 방법을 제공한다.

본 발명은 정보 기록에 제한되지 않고, 폭넓게 (a) 그 광 성질이 변형가능한 물체, 상기 물체는 매트릭스로 분산된 반도체 재료의 초미립자를 갖고, 이 입자는 반도체 재료의 결정질 부분 영역을 그들내에 포함하는 상태에서 존재 가능하고, 이 결정질 영역은 양자크기 효과를 나타내는 크기로 되어 있으며, (b) 결정질 부분 영역의 크기를 변화시키기 위해 입자에 에너지를 인가하는 수단을 구비하는 광 장치를 제공한다.

본 발명은 더욱 제어가능한 광 특성을 가지며 다음을 포함하는 광학장치를 제공한다:

(a) 광 특성이 변형가능한 물체는 비결정질과 결정질 두 상태가 모두 존재가능한 반도체 초미립자가 내부에 분산되어 있는 매트릭스.

(b) 입자의 비결정질과 결정질의 상대적 양의 비를 변형시키기에 충분한 강도의 에너지를 상기 물체에 인가하는 수단을 포함하는 물체의 광특성을 제어하는 수단, 이 결정영역은 양자 크기 효과를 나타낸다.

본 발명의 기록매체는, 기판상에 기록층을 가지며, 그 기록층이, 크기 분포를 가지며 양자크기 효과를 나타내는 결정질 영역을 제공할 수 있는 반도체 초미립자가 분산되어 있는 매트릭스 재료를 갖는 것을 특징으로 한다. 여기서, 기판은 기판상에 형성된 매트릭스 재료를 지지할 수 있으면 충분하고, 이용된 광에 대한 투과성의 유무는 사용하는 모드에 따라서 적당히 선택될 수 있다. 예를 들어 기판은 반사시킬 수 있다.

매트릭스는 전형적으로 유전체이며, 정보의 기록, 소거 그리고 재생하는데 사용되는 광을 투과시킨다. 매트릭스는 예로서 유리나 수정으로 된것일 수 있다.

입자의 크기 분포는 통계적 평균값을 결정할 수 있는 것이 바람직하며, 예를 들어 가우시안 분포, 로렌쯔 분포 또는 다른 적당한 분포일 수 있다. 입자의 광 흡수 스펙트럼의 미세구조는 가우시안 분포 등에서의 편차로부터 생긴다. 입자가 매트릭스에 균일하게 분산되어 있는 것이 매우 바람직하다.

매트릭스층의 두께는 중요한 것으로 생각되지 않는다. 적당하게 10㎛이하이다. 이 두께는 제조공정의 요구로 결정된다.

부가하여, 본 발명의 기록매체는 기판상에 기록층을 포함하고, 이 기록층은 광 기본 흡수 에너지가 제어될 수 있는 반도체 초미립자가 그 내부에 분산된 비결정질 매트릭스에 만들어지는 특성이 있다. 기록층의 막 두께를 적절하게 최적화하여, 매체에 발생하는 광 간섭을 정보를 기록, 재생과 소거하는데 이용되는 광에 관하여 이용할 수 있으며, 적용되는 용도에 따라 최적의 광간섭 범위가 있으며, 임의 선택될 수 있다.

덧붙여, 본 발명의 기록매체는, 기판상에 기록층을 포함하고, 이 기록층은 그 내부에 미립자가 분산된 비결정질 매트릭스(베이스 재료)로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 매트릭스 재료는 입자성 반도체 재료보다 더 넓은 갭, 즉 입자보다 더 낮은 전자 친화 에너지를 갖는 기판이다. 입자의 크기의 이들 반경이 유효 보어 반경의 3배보다 작거나 2배 보다 작도록 하는 것이 바람직하고, 이런 반경을 갖는 입자가 총입자수의 80%이상인 것이 바람직하고, 총입자수의 90%이상이 더 바람직하다. 그러나, 이런 관계도 장치의 용도에 따라 최적화 될 수 있다. 또, 입자의 크기는 초결정체 형성을 위한 핵의 전형적인 크기보다 큰 것이 바람직하다.

바람직하게는, 반도체 초미립자는 최대한 10nm이하인 평균 크기를 가진다. 이 입자는 단위가 nm인 크기 분포(σ)가 0.5≤σ≤3인 것이 바람직하며, 1≤σ≤2인 것이 더 바람직하다. 적당하게 반도체 재료의 입자는 광에너지에 의해 비결정 상태와 결정 부분 영역을 포함하는 상태 간의 전환이 가능하다.

반도체 초미립자는 게르마늄, 실리콘, 텔루륨 또는 셀레늄으로 만들어지는 것이 바람직하며, 매트릭스는 이산화규소 또는 이산화 게르마늄으로 된 비결정 유전체 재료인 것이 바람직하다. 사용될 수 있는 다른 재료는 아래 논의된다. 매트릭스는 많아야 5원자%인 상기 반도체 재료로 사용되는 고용체성의 재료로 만들어지는 것이 바람직하다.

상기 매트릭스 내에 있는 입자의 체적은 총매트릭스체적의 10 내지 60% 범위가 바람직하다.

또, 본 발명은, 기판상에 형성된 유전체 재료막을 포함하며 크기 분포된 반도체 초미립자가 그 내부에 분산된 기록매체를 제공하고, 외부로부터 에너지 인가하여, 반도체 초미립자 내에 형성된 결정 부분의 반경을, 반도체 입자내에 발생된 여기자의 유효 보어 반경보다 작은 값으로 변화시켜, 정보를 기록한다.

미립자 상태를 변화시키는 본 발명에서 사용되는 에너지는 광(IR 방사포함), 전지적 에너지, 자기 에너지, 압력 등일 수 있다.

바람직하게는, 색소 레이저를 사용하고, 이것이 반도체 입자의 상 변화시키기에 충분한 에너지 강도를 가지는 것이 바람직하다. Nd/rAG(yttria alumina garnet) 레이저 또는 N₂가스 레이저 같이 더 높은 에너지 레이저가 이용될 수 있다. 레이저 이용시, 예를들어, 에너지(주울)는 전력(와트)과 지속시간(초)의 곱으로 결정되어, 재생에너지보다 기록에너지를, 기록에너지보다 소거에너지를 크게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 정보기록의 한 방법은 (a) 비결정 상태와 결정 상태로 존재할 수 있는 반도체 재료의 미립자가 분산된 매트릭스를 구성하는 기록층에 제1에너지를 인가하여 상기 입자를 상기 비결정 상태로 만들고, (b) 기록된 정보에 따라 제어되는, 상기 제1에너지보다 작은 제2에너지를 최소한 한번 인가하여, 양자 크기 효과를 나타내는 결정 상태의 영역을 상기 입자내에 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 정보기록의 다른 방법은, 비결정질 상태의 반도체 초미립자가 분산된 유전체 매트릭스 재료를 구성하는 기록층에 최소한 한 번 에너지를 인가하여, 상기 입자내에 양자 크기 효과를 나타내는 결정 영역을 형성하는 단계를 포함하는데, 상기 에너지는 상기 입자의 광 기본 흡수 에너지보다 크고, 상기 에너지의 인가는 기록된 정보에 따라 제어된다.

본 발명에 따른 또 다른 방법은, 기판상에 형성된 기록층을 갖는 기록매체에 정보를 기록하는 것이고, 상기 층은 매트릭스를 가지고 그안에 반경 분포된 반도체 초미립자가 분산되어 있으며, 상기 방법은 (a) 에너지를 인가하고 상기 입자를 용융하여 비결정 상태로 만들고, (b) 이어서 에너지를 인가하여 상기 입자의 중심부를 양자 크기 효과를 나타내고 반경분포된 결정 영역으로 만드는 단계를 포함하며, 상기 단계 (b)는 기록된 정보가 입자의 광 흡수 스펙트럼에 나타나는 최소한 하나의 흡수 파장에 상응하도록 기록될 정보에 따라 상기 결정 영역의 광 기본 흡수 에너지를 변형시킨다.

또한, 본 발명은 기판에 형성된 기록층을 가지며 반경 분포를 가지는 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 매트릭스를 구성하는 기록매체에 기록된 정보를 소거하는 방법을 제공하고, 이 입자는 양자크기 효과를 나타내는 결정상태의 중심영역을 가져서, 기록된 정보를 저장하고, 상기 소거방법은 상기 입자를 비결정 상태로 전환시키기 위해 에너지를 인가하여 상기 기록된 정보를 소거한다.

본 발명은 또한 기판상에 형성된 기록층을 가지며 반경 분포된 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 매트릭스를 구성하는 기록매체에 기록된 정보를 재생하는 방법을 제공하고, 이 입자는 양자크기 효과를 나타내는 결정상태의 중심영역을 가져서 기록된 정보를 저장하고, 상기 기록층의 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼 중에서 선택된 스펙트럼에 나타나는 최소한 한개의 흡수파장을 검출하여 정보를 재생한다.

또, 본 발명은, 기판상에 형성된 기록층을 구성하는 광기록 매체에 정보를 기록하는 방법을 제공하고, 상기 층은 매트릭스를 가지며 그안에 반도체 재료의 유효보어 반경보다 더 큰 직경의 반도체 재료 미립자가 크기 분포를 가지며 분산되어 있고, 기록층에 에너지를 인가하여, 결정 부분의 반경에 상응하는 광 기본 흡수에너지가 변화되도록 유효 보어 반경보다 작게 입자내 결정 영역의 직경을 변화시켜 정보를 기록하고, 이렇게 기록된 정보는 상기층의 광흡수 스펙트럼에 나타나는 최소한 한개의 흡수파장에 상응한다.

본 발명에 따른 다른 방법은 기판상에 형성된 기록층을 구성하는 광기록 매체에 기록된 정보를 소거하는 것을 포함하며, 상기 층은 매트릭스를 가지며 그 내부에 반도체 재료의 유효 보어 반경보다 더 큰 직경을 가지는 반도체 재료 미립자가 크기 분포를 가지며 분산되고, 상기 입자 내의 결정 영역의 직경은 유효 보어 반경보다 작아 정보를 저장할 수 있고, 에너지를 인가하여, 유효 보어 반경보다 결정 영역의 직경이 크도록 하는 것을 포함하는 소거 단계에 의해 기록된 정보가 소거된다.

본 발명은 또한 기판상에 형성된 기록층을 갖는 광 기록매체에 기록된 정보를 재생하는 방법을 제공하고, 상기 층은 매트릭스를 가지고 반도체 재료의 유효 보어 반경보다 더 큰 반경을 갖는 반도체 재료 미립자가 크기 분포를 가지며 분산되어 있고, 입자내 결정 영역의 직경을 상기 유효보어 직경보다 작게 만들어, 기록된 정보를 저장하고, 기록층의 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼으로부터 선택된 스펙트럼에 나타나는 최소한 한개의 흡수 파장을 검출하기 위해 기록층에 방사하여 정보를 재생한다.

본 발명에 따른 정보기록 및 재생방법은 광자 반향 효과를 이용한다. 이 형태에서, 본 발명은 기판상에 형성된 기록층을 가지며 반경 분포를 갖는 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 매트릭스로 구성된 기록매체에 정보를 기록 및 재생하는 방법을 제공하고, 최소한 하나의 레이저 펄스를 인가하여, 입자를 용융하여 비결정 형태를 만들고 기록매체를 초기화시킨 후, 입자의 중심부가 결정 상태로 되도록 최소한 한개의 레이저 펼스를 인가하여 반경 분포된 양자크기 효과를 나타내는 결정 영역을 형성하고, 상기 결정 영역의 반경에 의존한 입자의 제3분극을 변화시켜 정보를 기록하고, 상기 재생은 시간 t₁, t₂및 t₃(t₁＜t₂＜t₃)에 제1, 제2 및 제3여기펄스를 기록층에 인가하여 실행되며, 제1 내지 제3 여기펄스에 의하여 결정 영역에 동시분극이 효과적으로 발생하면, 시간 t₄(t₄＞t₃, t₄-t₃=t₂-t₁)에 제4여기펄스를 인가하고, 제4여기펄스의 투과율 변화를 검출하여 정보를 재생한다.

또한, 본 발명은 : (a) 기판상에 형성되며 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 매트릭스를 포함하는 광기록매체; (b) 광기록매체에 대해 정보의 기록, 재생 및 소거 동작중 최소한 한 가지를 실행하는 광의 파장범위에서 광을 부분적으로 투과시키는 최소한 두 장의 거울을 가지며 그 사이에 기록 매체가 위치하는 파브리 페로 광공진기와, (c) 광을 투과시켜 상기 광기록 매체에 초점 모으는 광헤드, 그리고 (d) 재생광의 강도를 파장 대역으로 검출하는 검출수단과 재생과의 시간변화를 검출하는 검출수단 중 하나를 포함하는 정보기록 재생장치를 제공한다.

본 발명은 더욱: (a) 기판상에 형성되며 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 매트릭스를 포함하는 광기록매체와, (b) 정보의 기록, 재생 및 소거 중 최소한 한가지 동작을 실행하는 광을 상기 기록매체에 대해 방사하는 방사 수단; (c) 상기 광기록 매체와 상기 방사 수단 사이에 설치된 상기 광기록 매체로부터의 광 스펙트럼 변화를 증폭하는 증폭수단, 그리고 (d) 상기 증폭수단으로부터의 광강도를 검출하는 검출수단으로 구성된 정보기록 및 재생장치를 제공한다. 여기에서, 증폭수단은 정보의 재생에 이용될 때 특히 유효하며, 파장의 흡수 스펙트럼의 변화를 증폭하는 것과 광의 투과나 반사를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 (a) 기판상에 형성되며 매트릭스를 구성하고 반도체 미립자가 그 내부에 분산된 기록매체와, (b) 광기록매체의 양측에 설치된 제1전반사경으로부터의 광을 수신하도록 설치된 반투과경과, 제2전반사경, 제2전반사경으로부터 광을 받아 상기 반투과경에 이 광이 유도되도록 설치된 제3전반사경을 구비하는 링 공진기와, (c) 광을 투과시켜 상기 광기록매체에 집광하는 광 헤드와, (d) 상기 기록매체로부터의 재생광의 강도를 검출하는 검출수단과 상기 기록매체로부터의 재생광의 시간변화를 검출하는 검출수단 중 하나를 포함하는 정보기록 및 재생장치를 제공한다.

공진기는 간섭계이며 광 증폭기로서 작용한다. 특히, 링 공진기는 연산기능을 갖는다.

본 발명은 더욱 (a) 기판과, 기판상에 있고, 양자크기 효과를 나타내는 크기의 반도체 재료의 결정 영역을 포함하는 상태에서 존재 가능한 반도체 재료의 미립자와 상기 입자가 분산된 매트릭스를 구비한 기록층을 포함하는 기록 매체와, (b) 입자 결정 영역의 형성과 변화 중 적어도 하나를 야기하기에 충분한 강도의 광을 방사하여 기록매체를 제어하여 기록매체에 정보를 기록하는 수단을 구비한 정보기록용 장치 구성한다. 이 장치는 기록매체의 최소한 한개의 광흡수 파장을 검출하는 수단을 구비한 기록된 정보의 재생 수단을 부가하여 구비할 수 있다.

정보기록에 적용될 뿐만 아니라, 본 발명은 또한 필터, 디스플레이 장치, 광스위치, 고체상태 레이저, 광 모듈레이터, 입력센서, 발광학장치, 비선형 광학장치, 광동작 장치등 같은 다른 광학장치에 적용될 수 있다. 본 발명은 이러한 장치의 광 특성을 적극적으로 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 이제 설명될 것이다.

본 발명의 기록 매체의 기본 구조는, 제1(a)도에 도시된 바와 같이, 기판(11)상에 형성된 반도체 도프 글래스(12)로 이루어지고, 이 반도체 도프 글래스(12)는 이 미립자의 밴드 갭 보다 더 큰 밴드 갭을 갖는 유전체 재료 또는 글래스(글래스 상태)(14)의 내부에 매립된 반도체 초미립자(13)를 구비한다.

양자 크기 효과가 나타나는 반도체 결정영역의 반경은, 사용하는 반도체 초미립자의 광 기본 흡수 에너지(Eg) 이상의 에너지 레이저의 조사에 의해, 미립자 내부에 형성된 여기자의 유효 보어 반경(a) 이하이다.

보어 반경은 다음 식으로 주어진다:

a = (h/2πe)²ε(1/me+1/mh) … 식 1

여기에서, h는 결정체의 플랭크 상수, e는 전하, ε는 광학적 유전상수, me는 전자의 유효질량, 그리고 mh는 홀의 유효질량이다.

본 발명에 따라서 사용된 초미립자의 상태는, 투과전자 현미경으로 관측 가능하며, 이에 따라 매트릭스내 초미립자의 분포 상태도 결정할 수 있다.

본 발명은 극도로 작은 게르마늄 초미립자 결정이 황록색에서 적색 파장의 광성(실온에서 가시광선)을 방출하는 것을 발견한데에 근거한 것이다.

전자의 세계는, 양자 역학의 법칙으로 지배된다. 이들 법칙에 따르면, 약 10nm보다 작은 결정(즉, 양자크기)인 경우에 있어서, 보통의 벌크 결정에서 발견되지 않는 다른 특성이나 새로운 현상을 발견할 가능성이 있다.

여기에서, 본 발명의 발명자는 3차원 양자우물(전자가 매우 작은 영역에서 밀페되어 있는 상태)의 제작을 위해 초미립자의 분리현상을 이용하는 새로운 접근을 시도하였다.

가공 공정에서, 예를 들어, 게르마늄과 이산화규소를 아르곤 가스 환경에서 동시에 고주파 스퍼터링하여, 비결정 이산화실리콘과 비결정 게르마늄이 고용된 상태를 만든다. 이것이 열처리될 때, 비결정 이산화규소내의 게르마늄 초미립자 결정을 무 결함으로 분리시킬 수 있다. 초고 해상도 전자 현미경 관찰에서, 10nm 이하 직경의 비결정 이산화실리콘 절연체에 매립된, 원형상의 완전결정 게르마늄 입자인 것이 이해된다. 이들은 자연적인 분리 현상으로 생긴 3차원 양자우물이라 말할 수 있겠다.

게르마늄은 실리콘 같이 4주기 원소로, 광학적으로 발광하지 목하는 간접 천이형 반도체이다. 그러나, 이산화 실리콘 유전체 내에 있는 반도체 초미립자 결정이, 광휘도광(여기발광) 측정에 있어서, 실온에서 560 내지 600nm의 파장범위(황록색에서 적색에 대응)로 강하게 발광하는 것을 확인하였다. 부가하여, 이 발광 피크의 파장은 게르마늄의 초미립자 결정의 직경에 따라 변화하는 것이 또한 관찰되었다. 종래의 상식으로는 생각할 수 없는 이 발광현상으로부터, 이산화 실리콘 중에서 분리된 초미립자 게르마늄 결정은 3차원 양자우물로서 충분히 기능한다는 사실을 발견할 수 있다.

게르마늄 초미립자 결정에 의한 이 발광의 현상은, 3차원 양자 효과에 의해 생긴 새로운 현상으로 생각될 수 있다. 이런 3차원 양자 시스템에서, 종래의 벌크결정과 상이한 미지의 신기능이 발현될 가능성이 있으며, 새로운 원리에 의한, 양자장치의 단서를 갖는 것으로 여겨질 수 있다.

게르마늄 초미립자 결정에서는, 게르마늄의 전자 특성(전자에너지, 유효 질량 등) 때문에, 실리콘의 것보다 짧은 파장의 발광이 가능하다. 이외에, 게르마늄은 실리콘보다 전자의 이동도가 큰 것 등과 같은 게르마늄 양자 시스템의 특성 때문에 유망한 양자장치의 재료라고 말할 수 있다.

본 발명의 동작원리를 차례로 설명한다.

제1도의 반도체 도프 글래스(12)의 양자크기 효과에 대해 설명한다.

유전체 또는 글래스(14)에 의해 생성된 전위의 크기가 무한대일때, 매립된 반도체 초미립자(13)의 전자상태는 3차원의 양자 제한으로 고려될 수 있다. 매립된 초미립자가 평균적으로 원형이라 가정하면, 전자준위 E(1,n)은 다음식으로 주어진다 :

E(1,n) = Eg+h²/(8π²μR²)φ(1,n)²… 식 2

여기에서, Eg는 벌크 결정의 에너지 밴드갭이고, R은 초미립자의 반경, h는 플랑크상수, μ는 등가질량(1/μ=1/me+1/mh, me는 전자의 유효질량, mh는 홀의 유효질량), φ(1,n)은 베슬관수의 고유치, 그리고 최저 상태의 고유치 φ(0,1)은 π이다.

이 식으로부터, 최저 에너지는 초미립자의 반경 R이 더 작아짐에 따라 고에너지측으로 전이되는 것이 분명하다. 반도체의 밴드 갭에 대응하는 것 이상의 에너지광빔이 반도체에 가해질때, 가전자대의 초고 에너지 전자가 여기되어, 여기된 전자와 홀의 한 쌍인 여기자가 생성된다. 이런 여기자는 병진 대칭성으로 인해 결정 구조 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. 이것은 파동관수 w(k,t)=u(k) exp-(ikR-iwt)를 블로흐 관수 u(k)로 전개할 수 있는 성질로 인한 것이다. 이런 여기자는 Wannier 여기자라고 칭한다. 여기자의 생성 및 소멸은 천이하는 전자준위간의 쌍극자 모멘트에 의존한다. 천이 쌍극자 모멘트 Pn은 다음식으로 주어진다.

Pn = 1/π(2R/a)^3/2/nμ(c,v), (n=1,2,…) … 식 3

여기에서, μ(c,v)는 밴드간 천이 쌍극자 모멘트이고, n은 주양자수, a는 여기자의 유효 보어 반경이다. 이 식으로부터, 최저에너지 상태에서 제1여기상태로의 천이 n=1→2의 쌍극자 모멘트의 변화가 크다는 것이 분명하다. 더욱이, 유효보어반경과 직경의 비(2R/a)가 클수록, 천이강도가 크다는 것 또한 명백하다. 결과적으로, 광흡수과정은 식 2로부터 얻어지는 최소에너지 준위 E(0,1)에서 제1여기상태 E(0,2; 1,2; -1,2)로의 천이에 따라 기본적으로 결정되어진다. 초미립자의 반경 R이 작아지면, E(0,1)은 커지기 때문에, 광기본 흡수에너지는 더 짧은 파장으로 시프트한다. 이것을 블루시프트라 부른다. 이상의 이론적 원리로부터, 양자크기 효과가 나타나는 범위로 초미립자의 반경 R을 제어하면, 반도체 초미립자의 광기본 흡수에너지를 임의로 시프트할 수 있다.

본 발명의 기록원리는 광흡수 스펙트럼의 파장분산에 대응하는 정보의 파장 다중 기록을 행하는 것이다. 글래스 매트릭스내에 분산된 반도체 초미립자의 반경 분포를 제어하는 원리에 대해서는 뒤에서 설명하겠지만, 초미립자 직경이 가우시안 분포를 하고 있다라고 하면, 반경의 주파수 돗수분포는 다음식으로 표현될 수 있다.

U(R,σ) = 1/2πσ exp(-(R-Rav)²/2σ²) … 식 4

여기에서, Rav는 평균 반경이고 σ는 반경분산이다. 그래서, 이러한 초미립자의 반경분산은 흡수 스펙트럼에 반영된다. 매체의 흡수는, 제2도에서 도시된 바와 같이, 평균반경 Rav에 대응하는 흡수에너지 E(0,1 : Rav) 주위에 집중된 분포일 것이다. 또한, 파장 분해능을 높여서 스펙트럼의 미세구조를 관찰하면, 각각의 초미립자 반경 R에 대응하는 흡수가 있음을 알 수 있다. 제2(b)도에 도시된 바와 같이, 스펙트럼에 형성된 이 미소한 흡수대에 “1” 비트의 정보 단위를 대응시킴으로써 파장 다중 기록이 실행된다. “0” 또는 “1” 인지에 대한 검출은 제2차 미분 흡수 스펙트럼의 최대치 파장을 검출하는 방법이나, 디지탈 신호의 변조방법에 따른 검출방법을 이용하여 행해진다. 초미립자의 평균반경 Rav와 그 분산을 제어함으로써, 넓은 파장 범위에서의 다중 기록이 가능하게 된다.

실용적으로는, 큰 입자반경으로 양자 크기 효과를 발생할 수 있으며, 유효 보어 반경이 크고 전자와 홀의 유효질량이 작은 반도체를 이용하여 바람직하다. 이러한 반도체에서는, 식 2로부터 알 수 있듯이, 초미립자의 반경 R에 대응하는 흡수 에너지의 블루시프트양이 크게 얻어지므로, 기록 파장범위가 크게되는 이점이 있을 것이다.

반도체 도프 글래스 중의 초미립자 반경 R의 제어는, 도프된 반도체 원자의 확산이 용이한 온도로, 어니일링함으로써 과포화된 고용체의 형태로 글래스내에 존재하는 반도체 원자를 분리하는 방법을 이용하여 행해진다. 이때, 입자 반경 R(t)은 아래와 같이 Lifshits-Slesov의 이론적 방정식으로 주어진다.

R(t) = (4/9αDt), D=Do exp(-Ea/kT) … 식 5

여기에서, Do는 확산계수, Ea는 글래스 매트릭스내의 반도체 원자의 확산 활성화 에너지, k는 볼쯔만 상수 그리고 T는 어니일링 온도이다.

본 발명에서 초미립자의 직경 제어원리는 아래 기술된다. 막 성장직후의 매체는 글래스 매트릭스 내에 반도체가 과포화 고용해 있는 상태기 때문에, 반도체 초미립자는 열처리함으로써 매트릭스에서 분리된다. 이 과정에 있는 입자의 직경 제어는, 식 5에 근거하여, 어니일링 온도와 시간을 제어하여 행해지고, 어니일링 온도와 지속시간의 상이한 값에 기인한 글래스 내에서 과포화의 정도에 따른 초미립자 성장의 차이를 이용한다.

유전체의 재료로서는, 이산화실리콘, 이산화알루미늄, 질화실리콘, 이산화 지르코늄, 질화알루미늄, 이산화게르마늄, 질화알루미늄, 이산화게르마늄, 이산화 이트륨, 이산화하프늄, 염화나트륨, 염화칼륨, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리메틸메탄올 등의 유기수지를 선택하는 것이 바람직하다. 이외에, 제올라이트 또는 다른 다공성 글래스도 사용할 수 있다. 반도체의 재료로서는 게르마늄, 실리콘 텔루륨, 셀레늄이 바람직하다. 황화납, 염화구리, 황화카드뮴, 셀렌화 카드뮴, 황화 카드뮴과 셀렌화 카드뮴의 혼합 결정체, 텔루르화 게르마늄, 텔루르화 주석, 텔루르화 인듐 또는 겔륨 아세나이드 시스템 같은 3-5 주기 원소의 혼합결정체등과 같은 다른 반도체는 이들이 결정체와 비결정체 상태 사이에서 충분히 쉽게 전한될 수 있다면 사용될 수 있다.

양자의 조화에는 유전체 재료가 그안에 밀폐되는 반도체 재료를 고용하지 않도록 되는 것이 바람직하고, 고용하더라도 5중량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 유전체 재료의 전자 친화 에너지 ρ1는 반도체 재료의 전자친화도 ρ2 보다 작은 것이 바람직하다. ρ1-ρ2는 0.5eV 이상이 바람직하다.

본 발명의 기록매체의 제작 방법으로는, 유전체 재료를 형성하는 성막기술, 각종 스퍼터링법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법, 화학도금, 솔젤(solgel)법, 제올라이트 및 다공질 글래스의 세공에로의 함침법, 진공증기법, 유기 수지의 현탁액 도포법, 질화물 또는 산화물의 환원분해법이 있다.

제3(a)도 내지 제3(c)도는 반경 R인 한개의 반도체 초미립자의 정보기록 및 소거 상태에서의 구조변화를 나타낸다. 본 발명에 따른 광기록 매체의 소거 상태는 다음 두 구조가 대응한다.

(1) 초미립자의 내부 전체가 제3(a)도에서 나타내듯이 비결정질인 상태에 있는 구조.

(2) 초미립자의 내부 결정 부분의 반경 Rc가 제3(c)도에서 나타내듯이 유효 보어 반경 a 이상인 구조.

(1)에서는, 고에너지 레이저 펄스를 약 수피코초 동안 반도체 초미립자 전체에 방사할 때, 반도체 초미립자 전체는 섭씨 수천도로 가열되어 용융되고나서 갑자기 냉각되어, 반도체 초미립자 전체가 비결정 상태가 되게 한다(제3(a)도 참조). 기록은, 초미립자의 결정부분의 반경 Rc를 변화시켜 행해진다. 이것은, 입자가 그 중심에서 결정화 되도록 비교적 저 에너지 펄스를 비결정 초미립자에 방사하여 행해진다(제3(b)도 참조). 결과적으로, 초미립자는 비결정질상(31)내에 매립된 결정상 중심(32)으로 이루어지고, Rc에 대응하는 양자 크기 효과와 흡수에너지의 블루 시프트가 정보기록에 필요한 제어 인자가 될 것이다.

여기에서, 레이저 펄스의 방사로 인한 비결정 초미립자의 결정화 공정을 가정하지만, 본 발명은 이 가정의 정확성이나 그 반대에는 좌우되지 않는다. 초미립자는 레이저빔의 파장에 비해 현저히 작기 때문에, 레이저 빔의 에너지는 입자내에 균일하게 흡수되어 재료는 균일온도로 가열되지만, 열전도에 의한 냉각 공정은 표면과 내부에서 현저히 다를 것이다.

표면의 냉각속도는 내부에서 보다 크다. 이것은 방열면적이 R²에 비례하기 때문이다. 따라서, 중심부는 서서히 냉각되지 때문에 용융후 결정화 하는데는 호조건이다라고 말할 수 있다. 또한, 결정핵 생성 및 성장이론에는, 표면적이 가능한한 작은 결정핵이 성장하기 쉬우므로, 초미립자의 표면보다는 중심부에서 핵을 생성한다. 이러한 핵생성의 구조로 인해, 외부시드가 비결정질 부분이며 중심부가 결정부분인, 초미립자 상태가 가능하다.

상기 (2)에서, 결정부의 반경 Rc를 보어 반경 이상으로 함으로써, 흡수가 검출하는 파장 영역보다도, 장파장측에 시프트하기 때문에, 외관상 미기록 상태가 가능하다(제3(c)도 참조).

제4(a)도 내지 제4(d)도는 미기록 상태와 소거상태에서 반도체 초미립자 내부 구조의 분포와, 흡수 스펙트럼의 변화를 나타낸다. 본 발명의 미기록 또는 소거상태는, 유효 보어 반경 a 이상의 반경을 갖는 비결정 반도체 초미립자(41)(제4(a)도 참조), 또는 유효보어 반경 a 이상의 반경을 갖는 결정질 반도체 초미립자(42)(제4(c)도 참조)로 구성된다. 이때, 검출된 파장범위의 흡수 스펙트럼에서 어떤 흡수 피크치도 검출할 수 없다. 결과적으로, 비기록 상태 또는 소거상태가 된다.

제5(a)도 내지 제5(d)도는 두 개의 기록 상태에서의 반도체 초미립자의 내부구조 분포와 흡수 스펙트럼 변화는 나타낸다. 미기록 상태와 소거 상태는 다른 반경을 갖는 비결정 상태의 반도체 초미립자로 구성된다. 식 2에 따르면, 본 발명의 기록상태는 결정 부분의 반경 Rc에 의해 정해진다. 레이저 펄스등 같은 광에너지의 조사에 따라, 반도체 초미립자의 중심부에 형성된 결정질부의 반경은, 반도체 초미립자의 반경이 클수록 작아진다. 이것은 반도체 초미립자의 반경이 클수록 중심의 온도가 낮기 때문이다. 이 현상을 이용하여, 결정부분의 반경 Rc 분포를 고도로 제어할 수 있다. 매체에 정보를 재기록 방법에는 (1) 반도체 초미립자를 제4(a)도는 또는 제4(c)도로서 나타낸 소거상태한 후 기록하는 방법과, (2) 기록레이저 펄스를 다시 조사하여 결정질부의 반경을 증가시키는 방법이 있다. 방법 (1)은, 검출되고 있는 파장 범위를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 방법 (2)는, 정보가 재기록 될 때마다 결정질부의 직경이 증가하여 흡수 위치가 장파장측으로 시프트하므로, 검출된 파장의 범위를 사전에 넓게 설정해 두는 것이 필요하다. 이에 따라, 흡수를 검출하는 분해능을 희생하는 것이 필요할 것이다. 단, 방법(2)에서는, 구 정보위에 신정보를 기록하는 것이 가능할 것이기 때문에, 정보의 재기록 속도가 빠르다는 장점이 있다. 상기 두 방법을 결합하여 시스템으로 사용할 수 있다.

상기 서술된 광기록의 PHB 방법에는, 동작 온도가 액체 질소 온도보다 낮기 때문에 실용상의 신뢰성에 대한 문제가 있다. 여기에서, 본 발명의 동작원리에 근거하여 광기록 매체의 메모리로서의 동작온도를 검토한다. 본 발명의 기록매체는 물리적으로 영차원 양자시스템인 특징이 있다. 따라서, 식 2에 규정된 영차원 양자 시스템의 특징을 갖는다. X,Y 및 Z의 세방향이 양자크기로 된 초미립자에서, 전자와 홀의 에너지는 이산적으로 되며 상태 강도 g(E)는 각 에너지 레벨에서 사실상 무한대로 된다. 실제의 전자분포는, 상태강도 g(E)와, 온도에 따른 전자상태 분포에서 파동을 나타내는 페르미·디락 통계함수 f(E)의 곱으로 주어진다.

f(E) = 1/(exp((E-Ef)/kT)+1) … 식 6

여기에서, Ef는 페르미 에너지, k는 볼쯔만 상수, T는 온도이다. 그러므로, g(E) f(e)는 각 전자에너지 준위 En에서, 온도에 상관없이 무한대로 발산될 것이다. 실제로는, 초미립자에서의 전자파 산란으로 인하여, 유한의 전자 에너지 분포를 나타내지만, 이 분포는 극도로 협소한 에너지 범위로 제한된다. 이 영차원 양자 시스템의 특징은, 본 발명의 하나인 기록 매체의 기록동작에서, 실온 또는 그 이상의 온도에서도, 온도에 따른 전자시스템의 파동에 영향받지 않기 때문에, 동작 가능하다는 것을 나타내고 있으며, 이것이 같은 파장 멀티플렉싱 기록 매체인 PHB와 본질적으로 다른 점이다.

본 발명에서, 축적된 광자 에코우에 기초를 둔 기록 및 재생의 방법이 사용가능하다.

광자 에코우는 3차원 비선형 광효과 중 하나이고 세 개의 광전장이 작용된다. 시간 t₁, t₂및 t₃에 조사한 세개의 여기펄스 E₁, E₂및 E₃에 의해, 매크로 3차원 비선형분극 P가 매체중에 여기되어, 이 분극으로부터 시간 t₃+ t₂-t₁에 방사되는 광이 광자 에코우다. 분극이 여기된 시간 t₄에 제4펄스를 매체에 통과시켜, 이 프로브광의 투과율 변화로부터 이 분극을 검출할 수 있다. 따라서 t₄- t₃= t₂- t₁관계가 충족되지 않으면 안된다. 광자 에코우도 PHB와 같이, 4.2K 근처의 저온에서 관측되지만, 본 발명의 기록 매체에서는, 실온 또는 그 이상의 동작온도에서 광자 에코우를 동작할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 광자 에코우의 물리적 요인인 삼차 비선형 광학적 분극 P를 크게 만들 수 있다. 삼차원 분극률 X₃은 다음식으로 주어진다 :

X₃= (6π²r/R³h³(ω-ω₁)³│Pcv│⁴… 식 7

여기에서, r은 초미립자의 점유 면적의 비율, ω₁은 여기자의 최저 에너지 레벨에서의 각주파수이다. 이것으로부터, 삼차원 비선형 분극률은 초미립자의 직경 R의 -3승에 비례하여 증가한다. 이 광기록 매체에서는, 결과적으로 상술한 초미립자의 평균 직경의 제어에 의해 각종 모드의 광자 에코우를 일으킬 수 있다.

그러므로 본 발명에서, 초미립자의 양자 크기 효과와 레이저 펄스의 조사에 따른 초미립자 내부의 비결정질에서 결정질 상전이를 이용한 반도체 결정영역의 평균직경 제어로, 파장 다중 기록과 광자 에코우 메로리가 가능하게 된다.

[실시예 1]

SiO₂지정영역을 Ge 칩으로 덮어서, rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 석영 유리기판상에 막이 형성된다. 석영대신에 실리콘이 기판으로 이용될 수 있다. 스퍼터링 출력은 1200W이고 Ar 가스 분압은 20mTorr이다. 이렇게 가공된 샘플을, 진공에서 800℃이상으로 30분동안 열처리하고 SiO₂중에 과포화 고용해 있는 Ge를 분리하여, 제1(a)도와 1(b)도에서 나타낸 구조의 광기록매체를 만든다. 열처리에 의해 SiO₂매트릭스 중에 평균입자 직경 7nm 미만의 Ge 초미립자의 성장은 레이저라만 분광학으로 확인된다.

제6도는 파장 514.5nm인 아르곤 이논 레이저로 여기한 때의 광휘도를 발광강도를 나타낸다. 방출된 광은 620nm 파장 근처에서 첨예한 피크와 580nm를 중심으로 한 넓은 피크를 나타낸다. 이것은 Ge 초미립자의 양자크기 효과에 의해 형성된 양자 준위 간의 전자 천이로 인한 발광이다. 에너지 밀도 E와 상이한 1ps의 레이저 펄스를 기록매체에 조사하여 흡수 스펙트럼의 변화를 관찰했다. E가 100kw/㎠보다 클때는 흡수가 관찰되지 않는다. 이것은 Ge 초미립자가 용융해서 비결정화한 때문이다. E가 약 20kw/㎠일때에는, 조사횟수가 증가함에 따라 흡수파장이 단파장쪽으로 시프트하는 것이 관측되었다. 이것은 흡수 파장이 Ge 초미립자의 결정영역의 직경에 달려있는 것을 나타낸다. 본 발명의 이 실시예에 의해, 본 발명의 정보 기록, 재생 및 소거 방법의 원리적 유효성이 확인된다.

단위 면적당 기록마크의 밀도를 향상시키기 위해 정보의 기본단위로서 광기록 매체상에 몇 미크론의 크기로 형성된 기록 마크 자체를 작게 만들어서 광기록의 밀도를 증가시키는 종래 기법에서와 달리 본 발명에서, 기록시 사용되는 레이저를 단파장화할 필요가 없고, 레이저를 집광하는데 사용되는 대물렌즈의 개구수를 증가시킬 필요도 없다. 또, 본 발명에 의하면, 파장 다중 기록이 가능하기 때문에, 기록매체의 단위면적당 기록밀도가 6 x 10¹⁰비트/㎠나 된다. 이것은 본 발명이 광 디스크에 있어서 최근에 가능한 10⁸비트/㎠ 보다 600배 이상의 고밀도 기록을 가능하게 하는 것을 의미한다.

또한, 사용되는 온도 범위가 0.3 내지 25K로 제한되는 PHB 광기록 방법과 대조적으로, 본 발명은 실온이나 그 이상의 온도에서도 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은 흡수홀의 형성에 대한 에너지 드레시홀드 값이 있기 때문에 재생광의 안전성이 매우 양호하다.

[실시예 2]

Al₂O₃지정영역을 Si칩으로 덮어서 rf 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 석영유리 기판상에 막이 형성된다. 스퍼터링 출력은 1200W이고 Ar가스 압력은 20mTorr이다. 이렇게 가공된 샘플은, 레이저 빔을 조사하여 부분적으로 가열하여 Al₂O₃중에 과포화된 고용해 있는 Si를 분리한다. 레이저의 파워와 펄스폭을 조절함으로써, 성장된 Si초미립자의 반경 분포를 제어할 수 있다. 본 방법에 따라, Al₂O₃중에 반경분포된 Si의 초미립자를 수 미크론에서 수십 미크론의 매트릭스상에 성장시킬 수 있다는 것이 확인된다. 본 실시예로 제작한 광기록 매체가 실시예 1에서의 것과 동일한 효과를 갖는 것이 또한 확인된다.

[실시예 3]

제7도는 본 발명의 정보기록 및 재생장치의 바람직한 실시예중 하나를 나타낸다.

매트릭스 형태로 되어 있는 상술한 바와 같은 광기록 매체는 한변의 길이가 5미크론 정방형 소자 구성을 갖고, 두면은 2장의 부분 투명 미러(72) 또는 적당한 반사율을 갖는 비유전체막이 공급되어 파브리-페로 공진기(73)를 형성한다. 레이저 광 펄스로 선택적 방사하여 소자의 흡수 스펙트럼을 변화시킨 후, 색소 레이저(75)로 조사하여 흡수 파장으로 공진시켜서, 투과율이 최대가 되도록 파브리-페로 공진기의 미러 간력(76)을 변화시킴으로써, 검출기(77)에 의해 흡수 피크가 고감도로 검출된다. 이 장치에서, 본 발명의 광기록 매체로의 파장 다중기록이 가능하다.

[실시예 4]

본 발명에 따른 정보기록 및 재생장치의 다른 바람직한 실시예가 제8도에서 나타낸다. 광기록 매체(81)은 실시예 3의 것과 동일하다. 이 장치는 광기록매체(81)의 양측에 위치하는 부분 투명미러(82)와 전반사 미러(83), 전반사 미러(83)에 대향 위치한 다른 전반사 미러(84) 그리고 전반사 미러(84)에 대향 위치한 또다른 전반사미러(85)로 형성된 링공진기로 구성된다. 부분 투명미러(82)를 통하여, 광기록 매체(81)의 각 소자에 소정 횟수의 레이저빔 펄스(87)를 조사함으로써, 소자의 흡수 스펙트럼을 변화시킨 후, 색소 레이저(87)를 조사해서 흡수 파장으로 소자를 공진시켜 투과율이 최대가 되도록 링 공진기 미러의 간격을 변화시킴으로써, 흡수 피크를 고감도로 검출기(86)에 의해 검출하였다. 검출 파장범위가 400 내지 600nm이고, 검출기가 고속 퓨리에 전환 장치일 때, 각 흡수파장의 분해능 0.2nm가 성취 가능하여 500내지 1000의 파장다중도를 달성하였다.

[실시예 5]

본 발명에 따른 축적 광자 에코우에 근거한 정보 재생장치의 다른 바람직한 실시예가 제9도에서 도시된다. 기록매체(96)는 실시예 3과 4에서와 같다. 레이저 펄스(91)는 편향 빔 스플리터(splitter)(92)에 의해 펌프 광과 프로우브 광으로 분할된다. 이들 두 광은 광지연 회로(93)와 (94)에 의해 각각 시간적으로 변조되어, 집광시스템(95)에 의해 광기록매체(96)상에 조사된다. 광기록매체를 통과하는 펌프 광과 프로우프 광은 시준기 렌즈(97)에 의해 검출기(98)로 유도된다. 검출기(98)는 펌프 광과 프로우브 광 사이의 시간차(위상차)를 검출하고, 광기록매체(96)에서의 광자 에코우의 발생을 시간적으로 검출한다. 광기록매체(96)는 제7도에서 도시되듯이 매트릭스 형태를 가지고 매트릭스의 소자에 대한 레이저 펄스(91)의 주사는 이동장치(99)에 의해 행해진다.

요약하여 본 발명은 광기록매체, 정보기록, 재생 및 소거방법 그리고 실온이나 그 이상에서 고밀도 정보기록, 재생 및 소거를 행하는 것을 가능하게 하는 정보기록 및 재생장치를 제공할 수 있다. 본 발명은 광특성의 제어나 변형을 갖는 다른 광학 시스템에 적용될 수 있다.

Claims (26)

1. 유전체 매트릭스(14)에 분산되어 있으며 결정질 부분 영역과 비결정질 부분 영역을 포함할 수 있는, 반도체 초미립자(13)를 갖는 재료의 광특성을 변형시키는 방법에 있어서, 양자 크기 효과를 나타내는 크기를 가진 상기 입자의 결정질 부분 영역(32)의 크기를 변화시키는 전자기 에너지를 상기 재료에 인가하여 재료의 광 흡수 스펙트럼을 변화시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 재료를 포함하는 광학장치의 제어는, 상기 재료에 상기 에너지를 인가하여, 상기 입장의 비결정질 영역(31)과 결정질 영역(32)의 상대적 양의 비를 변화시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 데이타 저장은 저장될 데이타에 따라서 상기 재료의 광특성을 변형하여 행해지고, 상기 에너지는 상기 반도체 입자내의 상기 결정질 부분영역(32)의 양을 변화시키는 광에너지인 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 입자(13)의 크기 분포는 단위가 nm인 0.5≤σ≤3의 분산(σ)을 가지는 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 입자(13)는 10nm이하인 평균입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 입자(13)의 적어도 80%는 상기 반도체 입자 재료의 유효 보어 반경보다 작은 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 광특성 변형방법.
7. 데이타 저장방법에 있어서, 유전체 매트릭스에 내재되고 결정질 영역 및 비결정질 영역을 가지며 결정질 영역은 양자 크기 효과를 나타내는 크기인 반도체 초미립자를 포함하는 기록 재료에, 저장될 데이터를 나타내는 전자기 에너지를 인가하는 단계를 포함하며, 이에 따라 상기 입자는 인가된 상기 전자기 에너지에 의해 제어가능한 광 기본 흡수 에너지를 가지며, 상기 인가된 전자기 에너지의 적용은 저장될 데이터에 따라 기록 재료의 광흡수 주파수 스펙트럼을 선택하는 효과를 갖도록 선정되는 것을 특징으로 하는 데이터 저장방법.
8. 광특성이 변형가능한 재료를 갖는 광학장치에 있어서, 상기 재료는 유전체 매트릭스(14)에 분포된 반도체 재료의 초미립자(13)를 가지며, 상기 입자는 상기 반도체 재료의 결정질 부분 영역(32)을 그들내에 포함하는 상태로 존재하고, 상기 결정질 영역(32)은 양자 크기 효과를 나타내는 크기로 되어 있고, 상기 장치는 상기 결정질 부분 영역(32)의 크기를 변화시키기 위해 상기 입자(13)에 전자기 에너지를 인가하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 입자에 에너지를 인가하는 상기 수단은 상기 입자의 비결정질 영역(31)과 결정질 영역(32)의 상대적 양의 비율을 변화시키기에 충분한 강도의 에너지를 인가하여 입자의 광학적 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 재료는 기판(11) 상의 기록층(12)이고, 상기 입자(13)는 단위가 nm인 0.5≤σ≤3의 크기 분산(σ)을 갖는 것을 특징으로 하는 광학장치.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 기판(11) 상의 기록층(12)이며 상기 입자(13)의 적어도 80%는 상기 반도체 재료의 유효 보어 반경보다 작은 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 광학장치.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자는 10nm이하인 평균 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학장치.
13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 재료는 게르마늄, 실리콘, 텔루륨 및 셀레늄으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스(14)는 상기 반도체 재료보다 넓은 밴드갭을 갖는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 광학장치.
15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스(14)는 이산화규소 또는 산화 게르마늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스(14) 내의 상기 입자(13)의 체적은 상기 매트릭스의 총체적의 10내지 60% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 광학장치.
17. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 광학장치의 상기 재료에 기록될 정보에 따라 에너지가 인가되는 것을 특징으로 하는 정보 기록 방법.
18. 제8항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치의 재료에 저장된 정보를 재생하는 방법에 있어서, 상기 정보를 재생하는데 광자 에코우 방법이 이용되는 것을 특징으로 하는 정보 재생 방법.
19. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료에 정보가 기록되며, 상기 방법은 (a) 상기입자를 상기 비결정질 상태가 되게 하기 위해 상기 재료에 제1에너지를 인가하는 단계와, (b) 상기 제1에너지 보다 작은 제2에너지의 적어도 한 번의 인가에 의해, 상기 입자내에서 양자 크기 효과를 나타내는 상기 결정질 상태의 부분 영역을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2에너지의 상기 인가는 기록될 정보에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료에 정보가 기록되며, 상기 재료에 상기 입자의 광 기본 흡수 에너지보다 큰 에너지가 적어도 한 번 인가되는 단계를 포함하고, 상기 에너지의 인가는 저장될 정보에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료에 기록된 정보가 소거되고, 상기 소거 방법은, 상기 입자(13)를 비결정 상태로 전환시키는 에너지를 인가하여 상기 기록된 정보를 소거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료에 기록된 정보는 재생되고, 상기 재생 방법은, 상기 기록층(12)의 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼으로부터 선택된 스펙트럼에 나타나는 최소한 한 개의 흡수 파장을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 기판(11)과 기판 상의 기록층(12)을 포함하는 기록 매체를 갖는 정보 기록 장치에 있어서, 상기 기록층은 유전체 매트릭스(14)와 상기 매트릭스에 분포된 반도체 재료의 초미립자(13)를 가지며, 상기 입자는 양자 크기 효과를 나타내는 크기의 상기 반도체 재료의 결정질 영역(32)을 포함하는 상태로 존재하며, 상기 장치는 상기 기록 매체에 정보를 기록하기 위해 상기 입자(13)의 상기 결정질 부분 영역(32)의 크기 변화를 일으키기에 충분한 강도의 광으로 상기 기록매체를 제어가능하게 조사하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 기록장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 기록매체의 적어도 하나의 광흡수 파장을 검출하는 수단을 구비하는, 기록 정보 재생수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 기록장치.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 기록매체는 파브리·페로 광공진기(71,72,73)내에 포함되는 것을 특징으로 하는 정보 기록 장치.
26. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 기록매체는 링 공진기(82,83,84,85)내에 포함되는 것을 특징으로 하는 정보 기록 장치.