KR100672833B1 - Near-field holographic memory system and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이를 이용한 근접장 홀로그래픽 메모리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a near-field holographic memory system and method using a nano-sized aperture array.
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 홀로그램이 근접장 주사 현미경을 사용하기 때문에 한번에 저장 및 재생하는 데이터의 수가 하나이고 따라서 많은 데이터를 기록하고 재생할 때 그 속도가 떨어지는 데에 비해 본 발명에서는 아퍼쳐(aperture) 어레이를 통해 여러 개의 데이터를 한꺼번에 기록하고 재생할 수 있기 때문에 자료 전송 속도가 빨라지는 효과가 있다. Near-field hologram is a technology that records and reproduces not only traveling wave signal beams but also near field signal beams rapidly decreasing in the air in the form of ever-neutral waves. The diffraction limit and the amount of information that can be stored in the regenerated beam size of conventional holograms There is no limit. In the present invention, since the near-field hologram uses a near-field scanning microscope, the number of data stored and reproduced at one time is one, and thus the speed is slow when recording and reproducing a large amount of data. Since data can be recorded and played back at once, the data transfer speed is increased.
홀로그램, 근접장, 아퍼쳐(aperture) 어레이, 근접장 홀로그램Hologram, near-field, aperture array, near-field hologram
Description
도 1은 신호빔의 세가지 종류(n는 기록 매질의 굴절률, ω는 빛의 각주파수, c는 빛의 속도, k || 는 진행방향에 수직인 평면상에서의 빛의 파수 벡터)를 나타내는 개념도이고,1 is a conceptual diagram illustrating three kinds of signal beams ( n is the refractive index of the recording medium, ω is the angular frequency of light, c is the speed of light, and k || is the wave vector of the plane on the plane perpendicular to the direction of travel). ,
도 2는 기존의 근접장 주사 현미경을 이용한 근접장 홀로그램의 기록 및 재생 방법을 나타내는 개념도이고,2 is a conceptual diagram illustrating a method of recording and reproducing a near field hologram using a conventional near field scanning microscope,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 아퍼쳐(aperture) 어레이의 단면도이고,3A is a cross-sectional view of an aperture array in accordance with an embodiment of the invention,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 아퍼쳐(aperture) 어레이의 평면도이고,3B is a top view of an aperture array in accordance with an embodiment of the invention,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 아퍼쳐(aperture) 어레이의 제작 방법을 나타내는 흐름도이고,4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an aperture array according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아퍼쳐 어레이를 이용한 근접장 홀로그램의 기록 및 재생방법을 나타내는 개념도이고,5 is a conceptual diagram illustrating a method of recording and reproducing a near-field hologram using an aperture array according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 아퍼쳐 어레이를 이용하여 기록된 근접장 홀로그램을 근접장 주사 현미경을 사용하여 재생하는 방법을 나타내는 개념도이다.6 is a conceptual diagram illustrating a method of reproducing a near-field hologram recorded using an aperture array according to an embodiment of the present invention by using a near-field scanning microscope.
기존의 홀로그램은 1) 저장 신호원의 크기가 크고 2) 신호원과 기록 매질 사이의 거리가 멀어서 (사용하는 빛의 파장에 비해) 신호빔중 근접장 성분이 차지하는 비율이 낮고 또한 있더라도 기록할 수 없고 진행파 성분만 저장하고 재생한다. 도면 1에 신호빔의 세가지 종류가 나타나 있다. 1) 공기와 기록 매질 모두에서 진행하는 파, 2) 공기중에서는 에바네슨트 파의 형태를 갖지만 기록 매질 내부에서는 진행광으로 바뀌어 진행하는 파, 3) 공기와 기록 매질 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. Conventional holograms are 1) large in size of the storage signal source, and 2) the distance between the signal source and the recording medium is too long (relative to the wavelength of the light used), so that the near field component of the signal beam is low and cannot be recorded. Store and play only traveling wave components. Three types of signal beams are shown in FIG. 1) a wave traveling in both air and the recording medium, 2) an evanescent wave in the air, but moving into a traveling light inside the recording medium, and 3) a wave of the evanescent wave in both air and the recording medium. It is a wave having a shape. Existing holograms are recorded and saved only 1). Therefore, even if the size of the signal source is smaller than the diffraction limit of light, the reproduced beam is composed of only traveling light, so the size of the reproduced signal source cannot be smaller than the diffraction limit of light. This imposes a fundamental limitation on storage capacity for binary holograms and limits the size of objects that can be stored for analog holograms. In order to solve this problem, a method of using a light source having a shorter wavelength is usually used, but a holistic technique using a near field rather than traveling light having a diffraction limit has recently been proposed and studied as a more fundamental solution. The near-field hologram can record 2) of the above-mentioned signal beams, and since the reproduced signal beam includes near-field components, it does not have a diffraction limit, so that an object smaller than the diffraction limit can be stored in an analog manner, and in the case of a binary hologram Density is greatly improved.
근접장 홀로그램은 신호원에서 발생하는 근접장 신호빔까지 기록하기 위해 기존의 홀로그래픽 기술과는 달리 신호원을 기록 매질에 파장 이하로 근접시켜야 하는데 이를 위해 보통 근접장 주사 현미경을 사용한다. 도면 2에 근접장 주사 현미경의 탐침을 사용한 근접장 홀로그램의 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. 재생시에는 공액위상 재생법을 사용하는데 이는 참조빔과 반대방향으로 진행하는 빔을 기록 매질에 가해주면 된다. 이는 신호빔이 아주 국소화 되어 있기 때문에 신호빔의 입장에서는 참조빔이 평면파로 근사시켜서 생각해도 무난하기 때문이다. 이렇게 공액위상 재생된 원래의 신호빔이 기록 매질 위에서 스캔하는 근접장 주사 현미경의 광섬유 탐침으로 커플링 된다. 이 경우 공액위상 재생빔이기 때문에 광섬유 탐침으로의 커플링 효율은 상당히 좋다. Near field holograms, unlike conventional holographic techniques, record near-wavelength signal beams from a signal source, and use near-field scanning microscopy. 2 shows the recording / reproduction of the near-field hologram using the probe of the near-field scanning microscope. Since B1 is a beam incident from the light source through the optical fiber probe of the near field scanning microscope, and the probe of the near field scanning microscope is 100 nm or less in size as a signal source, a large amount of near field signal beam as well as a traveling signal beam exists. These constitute a signal beam B21 to be stored. As a reference beam, a Gaussian beam separated by a beam splitter from a light source (laser) is used as in the conventional hologram method. In the reproduction, a conjugate phase regeneration method is used, in which a beam traveling in a direction opposite to the reference beam is applied to the recording medium. This is because, since the signal beam is very localized, the reference beam can be approximated by a plane wave from the standpoint of the signal beam. The original signal beam thus conjugated regenerated is coupled to an optical fiber probe of a near field scanning microscope that scans on the recording medium. In this case, the coupling efficiency to the optical fiber probe is quite good because it is a conjugated phase regeneration beam.
이상에서 알 수 있듯이 위의 방법은 근접장 주사 현미경의 탐침을 1) 정보 저장시에는 신호원으로, 2) 정보 재생시에는 신호를 읽어내는 탐침으로 사용하는 것이다. 이 경우 한번에 기록하거나 읽을 수 있는 정보의 양이 1비트이기 때문에 그 자료 전송 속도가 많이 느려지고 대용량의 자료를 기록 및 재생할 경우에 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에서는 근접장 주사 현미경의 탐침 대신 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이를 사용해서 근접장 홀로그램을 기록 및 재생을 수행하기 때문에 한꺼번에 많은 정보를 저장 및 재생이 가능해 지고 따라서 자료 전송 속도가 빠르게 된다.As described above, the above method uses a probe of a near field scanning microscope as 1) a signal source when storing information and 2) a probe which reads a signal when reproducing information. In this case, since the amount of information that can be recorded or read at a time is 1 bit, the data transmission speed is slowed down a lot, and problems may occur when recording and reproducing a large amount of data. In the present invention, since the near field hologram is recorded and reproduced using a nano-sized aperture array instead of the probe of the near field scanning microscope, a large amount of information can be stored and reproduced at once, thereby increasing the data transmission speed.
근접장 홀로그램을 근접장 주사 현미경의 탐침이 아닌 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이를 사용하여 한꺼번에 많은 정보를 저장 및 재생함으로써 근접장 홀로그램의 자료 전송 속도를 증가시키는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제이다.The technical task of the present invention is to increase the data transfer rate of the near-field hologram by storing and reproducing a large amount of information at a time by using a nano-size aperture array instead of the probe of the near-field scanning microscope.
도면 3에 본 발명에서 사용하는 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이의 구조를(a는 측면도, b는 윗면도), 도면 4에 이와 같은 아퍼쳐(aperture) 어레이의 제작 방식의 예가 나타나 있다. 이미 잘 완성되어 있는 반도체 공정을 통해서 아퍼쳐(aperture) 어레이를 제작할 수 있다. 기본적으로 Si 웨이퍼를 이용하여, 광리소그래피와 비등방 식각 공정을 사용하여 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이를 제작한다.FIG. 3 shows a structure of a nano-sized aperture array used in the present invention (a is a side view and b is a top view), and FIG. 4 shows an example of the manufacturing method of such an aperture array. Aperture arrays can be fabricated through well-finished semiconductor processes. Basically, using Si wafers, nanoscale aperture arrays are fabricated using photolithography and anisotropic etching processes.
도면 5에 본 발명에서 사용하는 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이로 근접장 홀로그램을 기록 및 재생하는 방법을 나타내었다. B1이 광원에서 공간 광 변조기등을 통해 변조되어(on/off가 각각 1/0 상태로 생각할 수 있다) 나노 크기의 아퍼쳐(aperture) 어레이의 각각의 나노 아퍼쳐(aperture)로 입사하는 빛이고 각각의 나노 아퍼쳐(aperture)로 입사한 빛이 각각의 나노 크기의 아퍼쳐(aperture)와 작용하여 복수의 신호빔이 된다. 그리고 참조빔으로는 기존의 방식대로 광원(레이저)에서 빔분리기등을 이용해 분리한 가우시안 빔을 사용한다.
참조빔은 빔 확대기 등을 사용해 한번의 참조빔을 복수의 신호빔과 간섭시켜 기록 매질에 모든 신호빔을 동시에 기록한다. 그리고 재생시에는 공액위상 재생법을 사용하는데 이는 참조빔과 반대방향으로 진행하는 빔을 기록 매질에 비추어 기록 매질에 기록된 복수의 신호빔을 동시에 재생시킨다. 여기서도 근접장 주사 현미경을 이용하는 기존 기술처럼 신호빔이 아주 국소화 되어 있기 때문에 신호빔의 입장에서는 참조빔이 평면파로 근사시켜서 생각해도 무난하기 때문이다. 이렇게 공액위상 재생된 원래의 신호빔이 기록 매질 위에 있는 (혹은 스캔하는) 아퍼쳐(aperture) 어레이로 커플링 된다.Figure 5 shows a method for recording and reproducing near-field holograms with nano-sized aperture arrays used in the present invention. B1 is light that is modulated from a light source through a spatial light modulator or the like (think on / off each 1/0) and is incident on each nano aperture of a nano-sized aperture array, Light incident on each nano aperture acts on each nano-size aperture to form a plurality of signal beams. As a reference beam, a Gaussian beam separated from a light source (laser) using a beam splitter is used as a conventional beam.
The reference beam records all the signal beams simultaneously on the recording medium by interfering one reference beam with a plurality of signal beams using a beam expander or the like. In the reproduction, a conjugate phase regeneration method is used, which simultaneously reproduces a plurality of signal beams recorded on the recording medium in view of the recording medium with the beam traveling in the opposite direction to the reference beam. In this case, since the signal beam is very localized, as in the conventional technique using a near field scanning microscope, the reference beam can be considered as a plane wave approximation from the standpoint of the signal beam. The original signal beam thus conjugated phase reproduced is coupled to an array of apertures (or scanning) on the recording medium.
재생시에, 아퍼쳐(aperture) 어레이를 고정시키는 방식과 스캔하는 방식이 모두 사용될 수 있다. 범용으로 사용하기 위해서는 스캔하는 방식이 좋지만 이 경우 많은 기계적 장치가 추가된다. 이 때, 즉 재생시에는 기존의 근접장 주사 현미경을 사용하여 읽을 수도 있다. 도면 6에 근접장 주사 현미경으로 아퍼쳐 (aperture) 어레이를 통해 기록된 데이터를 읽는 방식을 나타내었다.In reproduction, both a method of fixing an aperture array and a method of scanning may be used. Scanning is good for general use, but in this case, many mechanical devices are added. At this time, i.e., at the time of reproduction, it may be read using a conventional near field scanning microscope. 6 shows a method of reading data recorded through an aperture array with a near field scanning microscope.
본 발명은 기존의 근접장 홀로그래피 기술이 갖고 있던 늦은 데이터 전송 및 접근 속도를 아퍼쳐(aperture) 어레이를 통한 병렬적 기록 및 재생기술을 사용하여 해결한 기술이다.The present invention solves the slow data transfer and access speed of conventional near-field holography using parallel recording and reproducing through an aperture array.
기록시에 기존의 근접장 주사 현미경을 사용하는 방식은 한번에 1bit만 기록이 가능한데 반해 본 발명에서 제시하는 아퍼쳐(aperture) 어레이를 사용할 경우 임의의 많은 데이터(아퍼쳐(aperture)의 개수에 의존)를 한꺼번에 기록이 가능하다. 즉 기존 방식에서 1bit를 기록하는 시간동안 본 방식은 수백~수천 bits를 기록할 수 있으므로 데이터 기록 시간을 매우 줄일 수 있다. The conventional method of using a near-field scanning microscope can record only 1 bit at a time, while using the aperture array proposed in the present invention can generate a large amount of arbitrary data (depending on the number of apertures). Recording can be done all at once. In other words, during the time of recording 1 bit in the conventional method, this method can record hundreds to thousands of bits, thereby greatly reducing the data recording time.
재생시에도 기존의 근접장 주사 현미경을 사용하는 방식은 한번에 1bit만 재생이 가능하고 또한 여러 데이터를 읽기 위해서는 기록 매질 위를 스캔하여야 하는데, 이때 shear-force 감지를 해야 하므로 많은 시간이 필요하다. 이에 반해 본 발명에서 제시하는 아퍼쳐(aperture) 어레이를 사용할 경우 임의의 많은 데이터(역시 아퍼쳐(aperture)의 개수에 의존)를 한꺼번에 읽을 수 있고 어레이를 스캔하지 않는 방법도 가능하므로 재생 시간이 매우 빨라진다. 즉 기존 방식의 자료 전송 속도 및 접근 속도를 수백~수천배 빠르게 할 수 있는 기술이다.Even when reproducing, the conventional near field scanning microscope can only reproduce 1 bit at a time, and in order to read several data, it is necessary to scan the recording medium, which requires a lot of time because of shear-force detection. On the other hand, when using the aperture array proposed in the present invention, a large amount of data (also depending on the number of apertures) can be read at once, and a method of not scanning the array can also be used, resulting in very high playback time. Faster. In other words, it is a technology that can speed up the data transmission speed and access speed by hundreds to thousands of times.
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| A107 | Divisional application of patent | ||
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| J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL NUMBER: 2005101000462; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20050125 Effective date: 20061011 |
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