KR100475580B1 - 이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근접장 홀로그램의 기록밀도를 높이기 위한 목적으로 이루어졌다. 근접장 홀로그램은 진행파 신호빔 뿐만 아니라 에버네슨트파의 형태로 공기중에서 급격히 감소하는 근접장 신호빔까지 기록하여 재생하는 기술로 기존의 홀로그램이 가지고 있던 재생 빔 크기에 있어서의 회절 한계나 저장할 수 있는 정보의 크기에 제한이 없다. 기존의 근접장 홀로그램 혹은 다른 방식의 근접장 메모리는 저장 대상인 신호원에서 수~수십 nm떨어져 있는 저장물질의 표면에 기록되는 것이 보통이다. 본 발명에서는 그 이상의 거리에서 즉 저장물질의 표면이 아닌 벌크 내부에서도 저장 및 재생이 가능한 이진 근접장 홀로그램의 방법을 제시한다. 실제 실험으로 저장물질의 표면에서 2 mm 정도 떨어진 곳에서도 근접장 홀로그램이 저장될 수 있음은 물론 3차원적으로도 다층적 방식으로 저장될 수 있음을 보였다.

Description

이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 시스템 및 그 방법 {three-dimensional recording and reproduction system of binary near-field hologram and method thereof}

기존의 홀로그램은 1) 저장 신호원의 크기가 크고 2) 신호원과 저장 물질 사이의 거리가 멀어서 (사용하는 빛의 파장에 비해) 신호빔중 진행파 성분만 저장하고 재생한다. 도면 1에 신호빔의 세가지 종류가 나타나 있다. 1) 공기와 기록 물질 모두에서 진행하는 파, 2) 공기중에서는 에바네슨트 파의 형태를 갖지만 기록 물질 내부에서는 진행광으로 바뀌어 진행하는 파, 3) 공기와 기록 물질 모두에서 에바네슨트 파의 형태를 갖는 파가 그것이다. 기존의 홀로그램은 이중 1)번만 기록해서 저장한다. 따라서 신호원의 크기가 빛의 회절한계보다 작더라도 재생되는 빔은 진행광만으로 이루어져 있으므로 재생되는 신호원의 크기는 빛의 회절한계보다 작을 수가 없다. 이는 이진 홀로그램의 경우 저장 용량의 근본적인 한계를 주는 것이고 아날로그 홀로그램의 경우 저장할 수 있는 물체의 크기가 제한되어 있다는 것을 의미한다. 이 문제를 해결하기 위해 보통은 보다 짧은 파장을 갖는 광원을 쓰는 방법을 택하지만 최근에 보다 근본적인 해결책으로 회절한계가 있는 진행광이 아닌 근접장을 사용하는 홀로그래피 기술이 제안되고 연구되고 있다. 근접장 홀로그램은 위의 신호빔 중 2)를 기록할 수 있고 또한 재생되는 신호빔도 근접장 성분을 포함하기 때문에 회절한계를 갖지 않아서 회절한계보다 작은 물체도 아날로그 방식으로 저장할 수 있고 이진 홀로그램의 경우 그 저장밀도가 아주 향상된다.

근접장 홀로그램을 저장물질의 표면(및 수십~수백 nm정도의 얇은 층)에 국한되어 저장하는 것이 아니라 저장물질의 표면이 아닌 벌크 내부에서도 저장하고 재생하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제이다.

근접장 홀로그램은 신호원에서 발생하는 근접장 신호빔까지 기록하기 위해 기존의 홀로그래피 기술과는 달리 신호원을 저장 물질에 파장 이하로 근접시켜야 하는데 이를 위해 보통 근접장 주사 현미경을 사용한다. 보통 수십 nm까지 신호원을 저장 물질에 근접시킨 후 신호원에서 발생하는 진행파 및 근접장 신호빔을 참조빔과 간섭시켜서 저장 물질에 기록한다. 다른 방식의 근접장 메모리 시스템, 가령 자기광학(magneto-optic)적 방식이나 광화학적(photo-chemical)적 방식은 저장 물질(기록 매질)의 표면(및 수십~수백 nm정도의 얇은 층)에 국한되어 데이터를 기록할 수밖에 없어 저장물질을 2차원적으로만 저장이 가능하기 때문에 그 저장 밀도에 한계가 있다. 본 발명에서는 그 이상의 거리에서 즉 저장 물질 표면이 아닌 벌크 내부에서도 데이터를, 즉 근접장 홀로그램을 저장하고 재생하는 방법을 제시하고 실험적으로 보였다.

도면 1에서처럼 두 번째의 신호빔 성분은 일단 저장 물질에 도달하면 저장 물질 안에서는 진행하기 때문에 저장 물질 안쪽까지 도달할 수가 있다. 따라서 홀로그래픽 방법을 이용할 경우 이 신호빔 성분도 충분히 참조빔과 간섭을 해서 격자를 형성할 수 있으므로 저장 물질 안쪽에서 근접장 홀로그램이 형성될 수 있다. 도면 2에 이를 위해 본 발명에서 제안한 근접장 주사 현미경의 탐침을 사용한 근접장 홀로그램의 3차원적 기록/재생도가 나타나 있다. B1이 광원에서 근접장 주사 현미경의 광섬유 탐침을 통해 입사하는 빔이고 근접장 주사 현미경의 탐침이 신호원으로 그 크기가 100 nm이하이므로 진행 신호빔 뿐만 아니라 많은 양의 근접장 신호빔이 존재하게 된다. 이들이 저장되는 신호빔(B21)을 구성한다. 참조빔으로는 기존의 홀로그램의 방식처럼 광원(레이저)에서 빔분리기등을 이용해 분리한 가우시안 빔을 사용한다. 다른 방식의 메모리와는 달리 홀로그래픽 메모리의 경우 데이터의 저장의 위치는 신호빔과 참조빔의 교차 영역이 된다. 도면 2에서처럼 참조빔의 중앙 위치를 조절함으로 인해 근접장 홀로그램의 저장 위치를 결정할 수 있다. 하지만 이 경우 참조빔의 위치까지 신호빔이 도달했는지의 유무에 주의하여야 한다. 특히 근접장 주사 현미경의 광섬유 탐침의 aperture의 크기가 작으면 작을수록 빛이 빨리 퍼지기 때문에 탐침으로부터 너무 멀리 떨어져 있으면 단위 면적당 빛의 세기가 너무 약해서 참조빔과 충분한 변조 깊이(modulation depth)를 갖도록 간섭할 수가 없어서 홀로그램이 형성이 되지 않으므로 주의하여야 한다.

재생시에는 공액위상 재생법을 사용하는데 이는 참조빔과 반대방향으로 진행하는 빔을 저장 물질에 가해주면 된다. 이는 신호빔이 아주 국소화 되어 있기 때문에 신호빔의 입장에서는 참조빔이 평면파로 근사시켜서 생각해도 무난하기 때문이다. 이렇게 공액위상 재생된 원래의 신호빔이 저장 물질 위에서 스캔하는 근접장 주사 현미경의 광섬유 탐침으로 커플링 된다. 이 경우 공액위상 재생빔이기 때문에 광섬유 탐침으로의 커플링 효율은 상당히 좋다.

도면 3에 광원으로 헬륨-네온 레이저를 사용하고 저장 물질로 광굴절 결정인 LiNbO₃를 사용하여 결정 표면으로부터 2 mm 떨어진 위치에 저장 후 재생한 근접장 홀로그램을 나타내었다. 스팟의 크기가 160 nm로 회절 한계 보다 작은 스팟을 재생하였음을 보여준다. 즉 근접장 성분이 결정 표면으로부터 2 mm 떨어진 위치에 서 까지 저장가능 함을 보여 주는 것이다.

도면 4는 위의 성질을 이용하여 근접장 홀로그램을 3차원적으로 기록한 후 재생한 결과이다. 결정 표면과 2 mm 떨어진 위치에 각각 근접장 홀로그램을 저장하고 재생하였는데 모두 200 nm보다 작은 크기의 스팟을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한 결정 깊이 기록되는 데이터가 표면의 데이터에 영향을 주지 않음을 동시에 보여주고 있어서 근접장 홀로그램의 3차원적 저장의 가능성을 보여준다고 하겠다.

본 발명은 고밀도의 저장용량을 갖는 기존의 근접장 메모리 시스템이 2차원적인 저장만 가능한데 비해 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생이 가능하기 때문에 근접장 메모리의 저장용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

도 1은 신호빔의 세가지 종류를 나타내는 개념도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접장 홀로그램의 새로운 3차원적 기록방법을 나타내는 개념도이고,

도 3은 본 발명에 의한 근접장 홀로그램의 기록물질 표면에서 2 mm 떨어진 내부에서의 기록 및 재생 결과를 나타내는 그래프이고,

도 4는 본 발명에 의한 근접장 홀로그램의 3차원적 기록 및 재생 결과를 나타내는 그래프이다.

Claims (3)

1. 기록 매질;

   상기 기록 매질 위에 있는 근접장 주사 현미경의 탐침;

   상기 탐침으로 커플링되어 상기 탐침에서 산란되어 발생되는 신호빔;

   상기 신호빔과 간섭시켜 상기 기록 매질 내부에 상기 신호빔을 저장하기 위한 참조빔; 및

   상기 기록 매질에 기록된 상기 신호빔을 재생시키기 위해 상기 참조빔과 반대 방향으로 상기 기록 매질 내부에 입사시키는 빔

   을 포함하며,

   상기 참조빔의 위치를 조절하고 상기 참조빔의 위치에 대응하여 상기 신호빔과 상기 참조빔의 간섭 패턴(격자)의 저장 위치가 결정되는 이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 시스템.
2. 기록 매질과, 상기 기록 매질 위에 있는 근접장 주사 현미경의 탐침을 포함하는 이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 시스템의 저장 및 재생 방법에 있어서,

   광원으로부터 상기 근접장 주사 현미경의 탐침으로 입사시켜 신호빔을 구성하는 단계; 및

   가우시안 빔을 사용하는 침조빔을 제1 방향으로 입사시켜 상기 신호빔과 간섭하여 상기 신호빔을 상기 기록 매질 내부에 저장하는 단계

   를 포함하는 이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제1 방향과 반대 방향으로 진행하는 빔을 상기 신호빔이 기록된 기록 매 내부에 입사시켜 상기 다수의 신호빔을 재생시키는 단계

   를 더 포함하는 이진 근접장 홀로그램의 3차원적 저장 및 재생 방법.