KR100248736B1 - 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템(Volume Holographic Digital Data Storage System)에 관한 것으로, 원기둥형상을 갖는 광굴절 물질로 이루어져 기준광과 물체광이 서로 교차되는 위치에 설치되며, 각도 중첩시 기준광의 입사각 변화를 위해 원기둥면이 회전되며, 공간 중첩시 기준광의 입사각 위치이동을 위해 물체광의 광로에 평행하게 이동되는 저장매체를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따르면 각도 중첩 및 공간 중첩을 위해 높은 정밀도의 각도 중첩 변환기 및 공간 중첩 변환기를 구비할 필요가 없으며, 각도 중첩 및 공간 중첩시 기준광의 주파수 편이가 일어나지 않아 주파수 편이 보상기를 설치할 필요가 없어 장치 구성이 단순하고 따라서 설치비용이 저렴화되는 효과가 있다.

Description

볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템

본 발명은 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템(Volume Holographic Digital Data Storage System)에 관한 것이다.

최근들어 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장을 이용한 기술분야는 최근 반도체 레이저, CCD, LCD 등 구성 부품의 눈부신 발전에 힘입어 활발한 연구가 진행되고 있으며, 이미 지문을 저장하고 재생하는 지문 인식 시스템으로 실용화되고 있을 뿐만 아니라 대용량의 저장 능력과 초고속 데이터 전송속도의 장점을 응용할 수 있는 여러분야로 확대되어가고 있는 추세에 있다.

이와같은 홀로그래픽 디지탈 데이터 스토리지의 장점은 데이터를 비트의 2차원 배열인 페이지 단위로 기록/재생하므로 페이지 단위의 패러럴 억세스가 가능하여 높은 데이터 전송율과 짧은 억세스 타임( 1 ms이하)의 실현이 가능하다.

또한, 데이터가 기존의 광학 및 자기 기록방법과 같이 얇은 필름이나 디스크의 면 상에 저장되지 않고 저장 매체의 체적 속에 중첩되어 분포하게 되므로 매우 높은 데이터 밀도를 구현하는 것이 가능하다.

또한, 기존의 테이프나 디스크의 경우 저장매체 상에 결함이 발생할 경우 중요한 데이터의 복구할 수 없는 손실이 발생하나, 홀로그래픽 저장 매체에 결함이 발생하는 경우에는 데이터가 완전히 소실되지 않고 단지 홀로그램을 조금 어둡게 하므로 원 데이터의 복구가 가능하므로 높은 신뢰도의 구현이 가능하다.

또한, 홀로그램을 저장하는 저장 매체의 위치가 어떤 이유로 변경되어도 기록시와 동일한 회전 거울의 각도만 유지된다면 홀로그램 상에 맺히는 기준광의 촛점의 위치에는 크게 영향 받지 않으므로 홀로그래픽 스토리지 시스템은 광 디스크 등의 광 기록 시스템에 비하여 진동문제에 대하여 유리하다.

도 1은 종래의 볼륨 홀로그래피를 이용한 디지탈 데이터 스토리지 시스템( 이하, VHDDSS 라 약칭함.)을 도시한 모식도이다.

도시된 바와 같이, 일반적인 VHDDSS는 광원(1), 광분리기(2), 공간 중첩 변환기(spatail multiflexing acousto-optic modulator AOM; 3), 각도 중첩 변환기(angle multiflecxing AOM; 4), 주파수 편이 보상기(frequency compensating AOM; 5), 공간 광변조기(Spatial Light Modulator, SLM; 6), 저장매체(7), 및 CCD(charge coupled device, 8)로 구성되는 광학 시스템을 포함하며, 이들 소자는 단일 장치를 구성한다.

광원(1)은 홀로그래피에 요구되는 응집광(Coherent Beam)을 발생시킬 수 있는 레이저 광원으로 구성된다.

상기 응집광을 기준광(Reference Beam)과 물체광(Object Beam)으로 분리시키기 위한 광분리기(Beam Splitter, 2)가 레이저 광원(1)에 상응하는 위치에 구성된다.

기준광을 수직방향으로 일정구간씩 이동시키기 위한 공간 중첩 변환기(3)와, 기준광의 각도를 수직방향으로 일정각도씩 변환하기 위한 각도 중첩 변환기(4)가 기준광의 광로상에 설치된다.

물체광의 광로상에는 공간 및 각도 중첩 변환기(3, 4)에 따른 주파수 편이를를 보상하기 위한 주파수 편이 보상기(5)가 설치되며, 입력된 2 진 데이터를 명암으로 이루어진 페이지로 변조하기 위한 공간 광 변조기(6)가 설치된다.

저장매체(7)는 물체광과 기준광의 간섭에 의해 형성된 간섭무늬의 강도에 따라 기록될 수 있는 광굴절 물질로 이루어지며, 상기 기준광과 물체광이 서로 교차되는 광로상에 설치된다.

CCD(8)는 저장매체(5)에 기록된 데이터를 복원하기 위한 것으로, 저장매체(7)에 기준광이 조사될 때 발생되는 재생이미지의 광로상에 설치된다.

한편, 기준광 및 입사광의 방향을 변경시키기 위한 반사거울(9)이 설치된다.

이와같이 구성된 일반적인 VHDDSS의 동작을 설명하면 다음과 같다.

광원(1)에서 조사되는 응집광은 광 분리기(2)에 의해 기준광과 물체광으로 나누어져 기준광은 공간 및 각도 중첩 변환기를 통과하여 저장매체에 입사되며, 물체광은 입력된 데이터에 따라서 명암으로 표시되는 공간 광 변조기(6)를 통과하면서 변조되어 저장매체(7)에 입사된다.

광굴절 물질로 이루어진 저장매체(5) 내부에서는 동시에 입사되는 기준광과 물체광이 간섭을 일으키고 이때 발생하는 간섭무늬의 강도 및 방향에 따라서 저장 매체(7) 내부의 운동 전하의 광 유도 현상(light-induced generation of mobile charge)에 의해 굴절율이 변하게 되어 데이터를 저장하게 된다.

한편, 각도 중첩 변환기(4)는 초음파를 이용하여 저장매체에 입사되는 기준광의 각도를 기록시마다 변화를 주어 저장매체(7)의 동일한 위치에 복수의 홀로그램 데이터 페이지를 저장할 수 있도록 한다.

이와같이 페이지 단위로 구성되는 홀로그램 데이터를 동일 저장매체(7)에 중첩 기록하는 경우 저장매체(7)에 기록되는 간섭무늬들이 저장매체(5)를 구성하는 물질의 유한한 동적 특성 범위(finite dynamic range)를 나누어 가지게 되므로 저장능력에는 한계가 있다. 즉, 저장밀도를 높이기 위해 각도 중첩방법으로 홀로그램의 중첩도를 증가시키면 홀로그램에 의해서 회절되는 빛의 비율은 중첩된 홀로그램의 개수의 제곱에 반비례하여 재생 홀로그램 상이 점점 어둡게 되고 결과적으로 재생 잡음이 증가된다.

따라서, 공간 중첩 변환기(3)에서는 저장매체(7)에 입사되는 기준광의 위치를 저장영역간에 간섭이 일어나지 않을 정도로 이동시킨 다음 새로운 홀로그램 데이터 페이지들을 각도 중첩 방법 등을 통해 입력시킨다.

한편, 주파수 편이 보상기(5)는 기준광이 공간 및 각도 중첩 변환기(3,4)를 거치면서 발생되는 주파수 편이만큼 물체광의 주파수를 보상하여 기준광과 물체광의 파장 및 위상을 동일하게 한다.

저장매체(7)에 기록된 데이터를 읽어 내기 위해서는 기록시 각각의 페이지에 상응하게 적용된 기준광을 저장매체(7)에 조사하면 간섭무늬가 기준광을 회절시켜 원래의 픽셀의 명암으로 구성되는 무늬로 복원되고, 이와같이 복원된 재생 이미지(Image)를 CCD(8) 위에 비추어 원래의 데이터로 복원하게 된다.

이때 각각의 기준광은 저장시 사용된 기준광과 반드시 정확히 일치하도록 해야 하므로 각도 및 공간 중첩 변환기(3,4)의 각도 분해능에는 엄격한 정밀도가 요구된다. 예를 들어 1 ㎤의 저장매체(7)인 경우 재생시 기준광의 조사 각도가 기록시 기준광의 조사 각도에 비해 1/1000도만 편향되어도 재생이미지는 전혀 나타나지 않는다.

이와같이 종래의 VHDDSS는 각도 중첩 및 공간 중첩을 위해 높은 정밀도의 각도 중첩 변환기(4) 및 공간 중첩 변환기(3)를 구비해야 하므로 장치의 구성이 복잡해지는 문제가 있었다.

특히, 각도 중첩 변환기(4) 및 공간 중첩 변환기(3)를 거치면서 기준광의 주파수 편이가 발생됨으로 인해 이를 보상하기 위해 물체광의 광로상에 주파수 편이 보상기(5)를 별도로 설치해야하는 불편함이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소정 형상을 갖는 저장매체의 회전 및 이동을 통해 복잡한 공간 중첩 변환기 및 각도 중첩 변환기 없이도 공간 중첩 및 각도 중첩 방법을 이룰 수 있는 간단한 VHDDSS를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 각도 중첩 및 공간 중첩시 기준광의 주파수 편이가 일어나지 않아 주파수 편이 보상기를 설치할 필요가 없는 VHDDSS를 제공하는데 다른 목적이 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 홀로그래피에 요구되는 응집광을 발생시키는 광원; 상기 응집광을 기준광과 물체광으로 분리시키기 위한 광 분리기; 전기적 신호로 입력되는 2 진 데이터를 명암으로 이루어진 페이지로 변조하기 위한 공간 광 변조기; 원기둥형상을 갖는 광굴절 물질로 이루어져 기준광과 물체광이 서로 교차되는 위치에 설치되며, 각도 중첩시 기준광의 입사각 변화를 위해 원기둥면이 회전되며, 공간 중첩시 기준광의 입사각 위치이동을 위해 물체광의 광로에 평행하게 이동되는 저장매체; 상기 저장매체에 기록된 데이터를 복원하기 위해 저장매체의 간섭무늬의 수직방향에 설치되는 CCD;를 포함한다.

이와같이 본 발명에 따른 VHDDSS는 소정 형상을 갖는 저장매체의 회전 및 이동을 통해 복잡한 공간 중첩 변환기 및 각도 중첩 변환기 없이도 공간 중첩 및 각도 중첩 방법을 수행 할 수 있을 뿐만 아니라 기준광의 주파수 편이가 근본적으로 일어나지 않아 주파수 편이 보상기를 설치할 필요가 없는 간단한 VHDDSS를 제공할 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 종래의 VHDDSS를 도시한 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 VHDDSS를 도시한 모식도,

도 3은 본 발명에 따른 저장매체의 각도 중첩을 도시한 개념도,

도 4는 본 발명에 따른 저장매체의 공간 중첩을 도시한 개념도,

도 5는 본 발명에 따른 구면렌즈를 도시한 개념도.

＜ 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ＞

10 ; 광원 12 ; 광 분리기

14 ; 공간 광 변조기 16 ; 저장매체

18 ; CCD 20 ; 거울

22 ; 구면렌즈

이하, 본 발명에 따른 VHDDSS를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 VHDDSS를 도시한 모식도이다.

광원(10)은 홀로그래피에 요구되는 가간섭성을 갖는 응집광(Coherent Beam)을 발생시킬 수 있는 레이저 광원으로 구성된다.

광 분리기(12)는 상기 응집광을 기준광(Reference Beam)과 물체광(Object Beam)으로 분리시키기 위해 레이저 광원(10)에 상응하는 위치에 구성된다.

공간 광 변조기(14)는 전기적인 신호로 입력되는 2 진 데이터에 따라서 픽셀이 이루는 명암으로 이루어진 페이지 단위로 변조하기 위해 물체광의 광로상에 설치된다.

한편, 기준광 및 물체광의 광로방향을 조절하기 위한 거울(20)들이 설치된다.

본 발명의 특징적인 구성에 따른 저장매체(16)는 광굴절 특성을 나타내는 물질로서 LiNbO3에 불순물로서 Fe 이온이 도핑된 것이다.

이와같은 저장매체(16)는 원기둥 형상으로 이루어져 기준광과 물체광이 서로 교차되는 위치에 설치되는데 물체광은 원기둥의 원 중심에 원기둥방향으로 입사되며, 기준광은 원기둥의 구면에 입사할 수 있도록 설치된다.

또한, 도 3 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 저장매체(16)에 입사되는 기준광의 입사각 변화의 조절을 위해 기준광에 대해 원기둥을 일정각도(Δθ)씩 회전시킬 수 있도록 설치되며, 물체광의 광로상에서 저장매체(16)에 입사되는 기준광의 위치변경이 가능하도록 원기둥방향으로 일정간격(Δｄ)씩 이동시킬 수 있게 설치된다.

CCD(18)는 저장매체(16)에 기록된 데이터를 복원하기 위한 것으로, 저장매체(16) 내부에 형성된 간섭무늬의 수직방향에 설치된다.

한편 본 발명에 따른 원기둥 형상의 저장매체는 도 5에 도시된 바와 같이, 기준광이 저장매체(16)의 구면에 평행광으로 입사하게 되므로 이때 구면에의한 렌즈 효과를 상쇄하기 위하여 이를 보상할 수 있는 구면렌즈(22)를 기준광의 광로상에 설치한다.

이하, 본 발명에 따른 작용을 설명하면 다음과 같다.

광원(10)에서 조사되는 응집광은 광 분리기(12)에 의해 기준광과 물체광으로 나누어지고, 기준광은 구면렌즈(22)에 의해 렌즈효과가 발생되지 않도록 보상되어 저장매체(16)의 원기둥 형상의 구면에 입사된 후에도 평면파가 되도록 한다.

물체광은 전기적 신호로 입력된 데이터에 따라서 픽셀들이 이루는 명암의 2진 데이터의 한 페이지 단위로 공간 광 변조기(14)를 통과하면서 변조되어 저장매체(16)의 원기둥의 원의 중심방향으로 입사된다.

이때, 저장매체(5) 내부에서는 기준광과 물체광의 간섭에 의해 간섭무늬가 발생되고 간섭무늬의 강도에 따라서 광굴절 물질이 갖는 광유도현상에 의해 굴절율이 변하게 되어 데이터가 기록된다.

이와같이 홀로그램 데이터의 첫 페이지를 저장매체(16)에 기록한 후, 원기둥 형상의 저장매체(16)를 일정방향으로 회전시켜 기준광의 입사각이 변경되면서 첫번째 홀로그램 데이터의 재생 복원상이 완전히 사라지도록 한 다음, 다시 새로운 데이터 페이지를 입력시켜 저장매체(5)에 기록하는 이른바, 각 기록시 마다 기준광의 각도를 변화시키는 각도 중첩(Angle Multiplexing)과정을 반복하여 데이터를 저장매체(16)에 중첩 기록한다.

상기 각도 중첩 방법을 통해 복수의 홀로그램 데이터 페이지를 재생효율 등을 고려하여 저장매체(16)의 동일 장소에 중첩 기록한 후, 저장매체(16)를 물체광의 입사 방향에 대해 평행한 방향으로 일정간격 이동시켜 선행기록된 저장영역에 간섭이 일어나지 않는 위치에서 기준광과 물체광의 간섭무늬가 형성되도록 하는 공간 중첩(spatial multiplexing)이 이루어지도록 한다. 이와같이 공간 중첩에 의해 저장영역을 이동시킨 후, 전술한 각도 중첩 방법으로 다시 복수개의 홀로그램 데이터 페이지를 저장한다.

이와같이 2 진 데이터의 페이지 단위로 구성되는 수백에서 수천개의 홀로그램을 작은 원기둥 형상의 저장매체에 기록 저장한다.

이와같이 저장매체(16)에 기록된 홀로그램 데이터 재생시에는 물체광을 차단한 채로 재생하고자 하는 홀로그램 데이터 페이지가 저장된 영역에 기준광의 입사방향이 일치할 수 있도록 저장매체(16)의 위치시킨 후 기록시와 동일한 입사각을 유지할 수 있도록 저장매체(16)를 회전시키면 각도 선택성의 원리에 의해 기록시 사용된 물체광이 재생되어 출력되고 이 출력된 물체광은 CCD(18)에 의해서 전기신호로 변환된다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

본 발명에 따르면, 각도 중첩 및 공간 중첩을 위해 높은 정밀도의 각도 중첩 변환기 및 공간 중첩 변환기를 구비할 필요가 없으며, 각도 중첩 및 공간 중첩시 기준광의 주파수 편이가 일어나지 않아 주파수 편이 보상기를 설치할 필요가 없어 장치 구성이 단순하고 따라서 설치비용이 저렴화되는 효과가 있다.

또한, 물체광의 입사 방향이 기록/재생시 원기둥 형상의 저장매체의 평면에 직각방향으로 입사되고 출력되므로 저장매체의 형상에서 기인하는 렌즈효과에 의한 수차문제가 발생되지 않는 구조적 장점이 있다.

또한, VHDDSS의 전체 광학계를 구성하는 렌즈들의 개수를 줄일 수 있으며, 광원으로부터 저장매체에 이르는 광로가 짧아져 장치를 콤팩트하게 구성할 수 있으며, 렌즈를 통과할 때 마다 발생되는 빛의 손실을 최소화하여 광효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

1. 홀로그래피에 요구되는 응집광을 발생시키는 광원;

   상기 응집광을 기준광과 물체광으로 분리시키기 위한 광 분리기;

   전기적 신호로 입력되는 2 진 데이터를 명암으로 이루어진 페이지로 변조하기 위한 공간 광 변조기;

   원기둥형상을 갖는 광굴절 물질로 이루어져 기준광과 물체광이 서로 교차되는 위치에 설치되며, 각도 중첩시 기준광의 입사각 변화를 위해 원기둥면이 회전되며, 공간 중첩시 기준광의 입사각 위치이동을 위해 물체광의 광로에 평행하게 이동되는 저장매체;

   상기 저장매체에 기록된 데이터를 복원하기 위해 저장매체의 간섭무늬의 수직방향에 설치되는 CCD;를 포함하는 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 원기둥 형상의 저장매체에 물체광의 입사방향이 원기둥 평면에 직각방향으로 입사되고 출력되는 것을 특징으로 하는 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저장매체에 입사되는 기준광의 광로상에 구면렌즈가 설치되는 것을 특징으로 하는 볼륨 홀로그래픽 디지탈 데이터 저장 시스템.

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