KR19990079250A - 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치 - Google Patents

복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명은 홀로그래픽 메모리 시스템에 있어서, 각다중화와 파장 다중화를 결합한 복합 다중화 방식에 입각하여 효율적으로 극초대용량의 정보를 광굴절 기록 매질에 저장할 수 있도록 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 데이터의 기록은 파장가변레이져(tunable laser)의 물체파와 기준파를 이용하여 광굴절 기록 매질에 기준파의 각도를 변화시켜가며 데이터를 기록하는 방식으로 행해진다. 동시에 기준파의 각도마다 기준파 및 물체파의 각도를 일정하게 유지하며, 파장을 변화시켜 파장마다 노출을 통해 다른 데이터를 기록하는 방법으로, 저장할 수 있는 데이터의 량을 증가시키게 된다. 데이터의 재생시 기록에 사용된 기준파는 차단되며, 홀로그램에 저장된 기준파 및 물체파의 각도와 파장에 따라 독립적으로 데이터가 재생되게 된다.
본 발명에 따르면, 홀로그램의 특성과 통신의 다중화 방식을 이용하므로 대용량의 정보를 저장할 수 있고, 실시간으로 엑세스를 할 수 있는 초고속 멀티미디어 통신에 알맞은 저장 시스템을 구현할 수 있는 이점이 있다.

Description

복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치
본 발명은 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀로그래픽 메모리 시스템에 있어서, 각다중화와 파장 다중화를 결합한 복합 다중화 방식에 입각하여 효율적으로 극초대용량의 정보를 광굴절 기록 매질에 저장할 수 있도록 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치에 관한 것이다.
현재의 반도체 메모리 기술은 가까운 장래에 한계에 봉착할 것으로 예견되고, 이러한 조짐은 이미 여러 분야에서 감지되고 있다. 예컨대, DRAM 반도체는 기억용량을 4배 늘릴 때마다 회로선폭을 보다 가늘게 해서 집적도를 높여나가야 하고, 16Gbit 이상의 기억소자 구조에서는 전자의 이동거리가 미세하게 좁아져 전자가 방향성을 잃고 불규칙 운동을 함으로서 기존의 기억소자 구조가 제 기능을 잃게 된다. 따라서, 이 분야의 전문가들은 16Gbit 이상의 칩을 만들기 위해서는 신개념의 소자 개발이 관건이고 새로운 신소재 및 원자단위의 제어가 가능한 초미세 공정기술과 같은 기술적 돌파구가 마련되지 않으면 머지 않아 그 한계에 직면할 것으로 전망하고 있다.
21세기 고도 정보화 사회에서 요구되는 정보통신량은 우리의 상상을 훨씬 초월하는 천문학적인 저장용량을 요구할 것으로 예측되고 있는 데, 이에 따라 이러한 막대한 양의 정보를 보다 효과적으로 기록·처리할 수 있는 차세대 데이타 저장 기술이 요구되고 있는 바, 이에 대한 하나의 대안으로써 홀로그램 저장 기술은 극초대용량(즉, 테라바이트급 이상)의 데이터 저장용량과 저장된 정보를 초고속 병렬 엑세스할 수 있는 장점을 동시에 제공할 수 있는 차세대 통신용 저장 기술로 분석되고 있다.
각설탕만한 크기의 비선형 광굴절 기록 매질(photorefractive materials)를 이용하는 홀로그램 저장 기술은 대용량(TByte 이상)의 데이터 저장 용량과 고속(μsec) 병렬 엑세스의 장점을 동시에 제공할 수 있는 차세대 데이터 저장 시스템으로 분석·평가되고 있다.
사실, 이러한 홀로그래픽 메모리는 1970년경부터 본격적으로 연구되었으나, 부수되는 광학 및 전기 광학 소자들이 개발되어 있지 않았고, 고용량 메모리에 대한 수요가 거의 없었기 때문에 연구의 진척도 저주한 편이었으나, 최근 들어 홀로그램 저장 소자의 연구가 활발한 이유는 두 가지를 들 수 있다.
첫째는, 효과적인 홀로그램 기록 매질의 개발과 소형 반도체 레이져, LCD(Liquid Crystal Device) 공간 광 변조기, CCD(Coupled Charge Device) 광 검출기 기술 등과 같은 관련 광전자 소자의 발전이 이 분야의 개발을 촉진하게 만들었다.
둘째는, 멀티미디어 정보 통신, 주문형 비디오, 네트워크 컴퓨팅, 개인 휴대 통신, 대용량 동화상 기록 미디어, 대용량 컴퓨터 서보, 초대형 디지털 데이터베이스, 입체 및 실감 통신 등 폭주하는 정보량이 대용량 저장 소자를 필요로 하기 때문이다.
이와 같은 기술적인 추이에 부응하여 홀로그래픽 저장 장치와 관련해서는 다수의 선출원예들이 공지되어 있는 데, 대표적인 선출원예로는 미합중국 특허출원 제 3883216 호, 미합중국 특허출원 제 5689351 호, 미합중국 특허출원 제 4988153 호, 미합중국 특허출원 제 4739496 호, 미합중국 특허출원 제 4163290 호, 미합중국 특허출원 제 4034355 호, 미합중국 특허출원 제 976354 호, 미합중국 특허출원 제 3851948 호, 미합중국 특허출원 제 5007690 호, 미합중국 특허출원 제 4750153 호, 미합중국 특허출원 제 4145945 호, 미합중국 특허출원 제 3833281 호, 미합중국 특허출원 제 3854791 호, 미합중국 특허출원 제 3761155 호, 미합중국 특허출원 제 5661577 호, 미합중국 특허출원 제 5648856 호, 미합중국 특허출원 제 5550779 호, 미합중국 특허출원 제 5132835 호, 미합중국 특허출원 제 4318581 호, 미합중국 특허출원 제 4138189 호, 미합중국 특허출원 제 4040039 호, 미합중국 특허출원 제 3959784 호, 미합중국 특허출원 제 3919698 호, 미합중국 특허출원 제 3871740 호, 미합중국 특허출원 제 3833893 호, 미합중국 특허출원 제 3781830 호, 미합중국 특허출원 제 3744871 호, 미합중국 특허출원 제 3627402 호, 미합중국 특허출원 제 5694488 호, 미합중국 특허출원 제 5691989 호, 미합중국 특허출원 제 5684611 호, 미합중국 특허출원 제 5566387 호, 미합중국 특허출원 제 5491570 호, 미합중국 특허출원 제 5481523 호, 미합중국 특허출원 제 5440669 호, 미합중국 특허출원 제 5438439 호, 미합중국 특허출원 제 5383038 호, 미합중국 특허출원 제 5377179 호, 미합중국 특허출원 제 5335098 호, 미합중국 특허출원 제 5031112 호, 미합중국 특허출원 제 4934779 호 등과 같은 예들을 들 수 있다.
본 발명은 다소 생소한 분야인 홀로그래픽 저장 기술과 관련된 바, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 광굴절 효과를 이용하는 홀로그래픽 저장 기술에 대한 일반적인 기술을 설명하기로 한다.
재차 언급하건대, 홀로그램 저장 기술은 광굴절 효과를 이용한 것이다.
광굴절 효과는 광굴절 기록 매질에서 빛으로 야기된 굴절률의 변화를 말하며, 이런 굴절률의 변화는 결정의 체적 내에 두 개의 간섭하는 광파에 기인한 간섭 패턴에 대응하는 굴절률의 격자로 나타나게 된다.
광굴절 효과의 기본적인 메커니즘은 빛이 광굴절 기록 매질에 입사된 후 광이온화(photoionization), 확산(diffusion), 재결합(recombination), 공간 전하(space charge) 형성, 전계(electric field) 형성을 거쳐 굴절률의 변화로 정보를 기록하게 된다.
다시 말해서, 광이온화 현상에 의해 생성된 전하들은 불균일한 밀도를 가지고 있으므로 확산(diffusion)이나 드리프트(drift)를 통해 불균일한 공간 전하 분포를 발생시킨다. 이러한 공간 전하 분포는 결정 내에서 내부 전계를 형성하며, 이 전계는 전기 광학 효과(Pockels effect)에 의해 물질의 굴절률을 국부적으로 변화시킴으로 입력된 정보를 저장할 수 있다.
참고로, 포켈 효과란 투명한 결정체에서 거기에 가해지는 전계의 세기에 비례하여 빛의 굴절률이 변화하는 현상을 말하는 것으로, 흔히 광신호 변조기를 구성하는 경우에 사용된다.
일반적으로, 홀로그래픽 광메모리 시스템은 두 개의 레이져 빔(신호빔과 기준빔)이 광굴절 기록 매질 내에서 간섭하면 광굴절 효과에 의해 매질 내에 격자(grating)패턴이 형성되어 저장된다.
입력 데이터가 결정내에서 격자 패턴 형태로 저장되기 위해서는 우선 데이터는 LC-SLM(Liquid Crystal-Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광변조기에 광세기 변조 형태의 입력 패턴으로 만들어지게 된다.
청색 레이져 빔이 크로스워드 퍼즐 패턴(crossword puzle pattern)과 같은 LC-SLM 페이지 데이터를 통해 조사되고 렌즈에 의해 이미징됨으로써 신호빔이 만들어지게 된다. 이러한 신호빔이 복수의 각도(또는 파장, 위상 부호)로 정렬된 기준파와 광굴절 기록 매질에서 만나게 되면 수천 페이지 이상의 홀로그램 데이터가 고밀도로 다중화되어 기록되게 된다.
이러한 기록과정을 거친 후에 특정 페이지의 데이터는 기록시 사용된 기준파와 동일한 각도(또는 파장, 위상 부호)로 기준파를 다시 입사시킴으로써 홀로그램적으로 재생될 수 있다. 즉, 광굴절 기록 매질에 형성된 회절 격자를 통과할 때 기준파는 원래의 페이지에 있는 정보의 영상을 재현하는 방향으로 회절된다.
재현된 영상은 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 영상 센서부에 입사되어 한꺼번에 한 페이지에 저장된 정보를 모두 읽을 수 있다. 이 데이터는 다시 디지털 컴퓨터에 의해 전자적으로 저장·처리된다.
여기서, 기준파는 저장할 때 사용한 것과 동일한 것을 사용해야 함은 자명하다. 기준파를 광굴절 기록 매질에 입사할 시에 그 정확도는 광굴절 기록 매질의 두께에 따라 달라지게 되는 데, 광굴절 기록 매질이 두꺼울수록 기준빔이 더욱 정확하게 조사되어야 한다. 예컨대, 결정이 10㎜두께인 경우라면 입사각이 0.001도 정도 벗어나게 되면 재생상이 완전히 없어지게 된다.
전술한 바와 같이, 대용량의 정보를 저장하기 위한 홀로그래픽 다중화 기술은 기준빔(또는 기준파)의 입사각을 가변시키므로써 구현할 수 있는데, 그 방법으로는 기준빔의 각도, 파장, 위상을 변화시키는 각다중화, 파장 다중화, 위상부호 다중화 기법 및 공간적 변화의 공간 다중화 기법 등이 공지되어 있으며, 이에 대한 개개의 기술에 대한 설명은 앞에서 열거한 선출원예들에 상세하게 게재되어 있다.
통상적으로, 일반적인 홀로그래픽 저장 시스템은 홀로그래픽 저장 기술을 구현하기 위해 각다중화, 파장 다중화, 위상부호 다중화, 공간 다중화 등과 같은 홀로그래픽 다중화 기술을 각각 별도의 독립적인 형태로만 적용하는 것이 일반적이다.
그러나, 각각의 다중화 기술을 복합적으로 적용할 수 있는 복합 다중화 기술을 홀로그래픽 저장 시스템에 접목시킬 수 있다면 그에 따른 저장 공간이 다차원적으로 증가할 것임을 용이하게 예측할 수 있는 데, 다양한 측면에서 이를 구현하기 위한 노력이 경주되고 있지만 실제로 이에 대한 기술적인 접근도는 매우 저조한 편인 바, 다수의 홀로그래픽 다중화 기술을 광굴절 기록 매질에 복합·적용할 수 있는 좀 더 발전된 기술의 출현이 기대되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 기술적인 요구에 부응하기 위해 안출된 것으로, 홀로그래픽 저장 시스템에 있어서, 공간 영역에서 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시킴을 통해 각다중화를 수행함과 동시에 파장 가변 레이져를 통해 파장 다중화를 수행함으로써 각자중화와 파장 다중화를 결합한 복합 다중화를 실현하여 극초대용량의 정보를 광굴절 기록 매질에 저장할 수 있도록 한 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치의 바람직한 실시예를 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 홀로그래픽 메모리 제어부를 나타낸 블록도,
도 3은 기준파와 물체파의 회전각도, 레이져 파장, 입력 데이터와의 타이밍도를 나타낸 예시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 파장 가변 레이져 20 : 빔스플리터
21 : 제 1 조리개 22 : 제 2 조리개
30 : 공간 광변조부 31 : 제 1 반사경
32 : 제 2 반사경 40 : 광굴절 기록 매질
50 : 스텝 모터 100 : 홀로그래픽 메모리 제어부
110 : 호스트 컴퓨터 120 : 인터페이스 카드부
121 : 인터페이스 집적회로부 122 : 디지털/아날로그 변환부
123 : 제 1 연산 증폭부 124 : 파워 증폭부
125 : 제 2 연산 증폭부 200 : 영상 센서부
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치는, 광굴절 효과에 기반하여 입력 데이터를 전기 광학적으로 저장하는 홀로그래픽 저장 시스템에 있어서,
상기 입력 데이터를 파장 다중화하기 위해 레이져빔의 파장을 가변시켜 파장 가변 레이져빔을 생성하는 파장 가변 레이져(tunable laser);
입사된 상기 파장 가변 레이져빔을 광학적으로 분리하여 각각 서로 다른 광경로를 형성하는 기준빔(reference beam)과 물체빔(object beam)을 만드는 빔스플리터(beam spliter);
상기 물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 상기 입력 데이터에 대응하는 광세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 상기 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광변조부(spatial light modulator);
상기 신호빔과 상기 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 상기 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하는 광굴절 기록 매질; 및
상기 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시킴을 통해 상기 홀로그래픽 데이터가 상기 광굴절 기록 매질에 각다중화되어 기록되도록 하기 위해 단계적인 회전력을 제공하는 스텝 모터를 포함하는 것이 특징이다.
이하, 본 발명은 각다중화(angle multiplexing)와 파장 다중화(wavelength multiplexing)를 동시에 이용함으로써 저장될 수 있는 정보의 용량을 증가시키는 바, 이에 대한 이해를 돕고자 각다중화와 파장 다중화를 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 각다중화는 특정한 사잇각을 갖는 신호빔과 기준빔으로 기록된 체적 홀로그램(volume hologram)이 기록시의 기준빔과 복원시의 기준빔 사이의 각에 의존하여 복원된다는 사실을 기초로 하고 있다.
각선택도는 두 개의 평면파에 의해 기록된 간단한 정현파 형태의 격자의 경우에 대해 가장 잘 설명되고 정량화될 수 있다. 광굴절 기록 매질(설명의 편의상, 광굴절 기록 매질의 두께는 Lz 로 표기하기로 함) 내에서 측정된 기준빔과 물체빔의 입사각을 각각 θR 과 θO 로 표기할 때 기준빔의 파벡터 k0 및 물체빔의 파벡터 kR 는 각각 수학식 1과 같이 표현된다.
여기서, n 은 매질의 굴절률이고 는 진공 내에서의 빛의 파장이다.
이때, 파벡터 공간 도형에서의 격자 벡터 K 를 매질 내에서 진행하는 평면파에 대응하는 모든 가능한 파벡터의 집합이라 하고, 간략화를 위해 표면의 반지름이 k0 인 등방성인 구의 경우만을 고려할 때에 있어 입력 기준파의 산란을 위해 만족되어야 하는 브래그 매칭 조건(Bragg's matching condition)은 수학식 2와 같이 주어진다.
여기에서 kO′ 는 산란된 물체파벡터이고 kR′ 는 입사기준파벡터, 그리고 ▵kz 는 매질의 두께 때문에 발생될 수 있는 소정의 위상 불일치 정도를 나타낸 것이다. 통상, 약한 산란의 경우(즉, 회절 효율 η << 1 )에 회절 효율은 수학식 3과 같다.
η ∝ sinc2(▵kzLz)
정보를 읽어내는 동안 기준빔의 방향은 수학식 4로 정의되는 영역 내에 있어야 충분히 관측될 수 있는 회절을 일으킨다.
여기서, 기준벡터는 kR 과 kO 에 의해 정의되는 평면에 수직인 방향으로 회전될 수 있고, 평면에서의 회전이 증가할 때 발생되는 불일치의 증가와는 대조적으로 위상 불일치가 0인 브래그 조건을 만족할 수 있다.
평면에서의 각선택도는 근사적으로 수학식 3의 첫 번째 0이 되는 지점 사이의 각도의 폭으로 주어진다.
통상, 수학식 5는 작은 θO 에 대하여 정확하다. 또한, 각선택도는 물체빔과 기준빔의 각이 90。일 때 가장 우수하며, 이 각도를 중심으로 각선택도는 대칭적으로 떨어지기 시작한다.
같은 체적 내에 다중 홀로그램을 저장하기 위해 수학식 5로 주어지는 각도의 증가분 만큼 간격을 둔 기준빔들을 이용하여 동일 평면에 다중화시켜서 복원하면 크로스 토크(cross talk)가 없는 영상을 얻을 수 있다.
기준빔의 각도 θ1 에서 θm 까지의 주어진 범위내에 다중화될 수 있는 홀로그램의 수는 근사적으로 수학식 6과 같이 주어진다.
따라서, 각다중화를 이용하면 수학식 6과 같이 M개의 정보를 저장할 수 있게 된다.
이어서, 파장 다중화에 대해 설명하면, 파장 다중화는 기준빔과 물체빔의 각이 일정하게 유지된 상태에서 레이져의 파장을 노출시 마다 가변시키면서 데이터를 기록하는 방법이다.
데이터의 재생은 재생을 원하는 파장이 기록된 "주소" 파장과 일치되도록 동조된 기준빔에 의해 개별적으로 엑세스된다. 홀로그램이 광학 주파수 ν (즉 )에서 기록된다면 같은 각도에서 ν-▵ν 의 기준빔으로 홀로그램을 읽어내면 수학식 7과 같이 1차의 ▵ν 로 주어지는 위상불일치가 생기게 된다.
이것은 수학식 4와 함께 허용가능한 광학주파수 간격을 유도한다.
예컨대, 주어진 레이져의 파장이 800nm에서 820nm까지 변조될 수 있다고 가정할 경우. 이는 9,146 GHz의 주파수 영역에 해당하며, Lz=1cm 이고 n=2.2 라면 수학식 8로부터 주파수 간격 ▵ν=2.95 GHz이다. 따라서, 최대 3,100개의 정보가 파장을 변화시키므로 같은 체적에서 다중화될 수 있다.
이하, 전술한 바와 같은 각다중화와 파장 다중화를 복합한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치의 바람직한 실시예를 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치의 바람직한 실시예는 도 1에 도시한 바와 같이, 광굴절 효과에 기반하여 입력 데이터를 전기 광학적으로 저장하는 홀로그래픽 저장 시스템에 있어서,
상기 입력 데이터를 파장 다중화하기 위해 레이져빔의 파장을 가변시켜 파장 가변 레이져빔을 생성하는 파장 가변 레이져(10);
입사된 상기 파장 가변 레이져빔을 광학적으로 분리하여 각각 서로 다른 광경로를 형성하는 기준빔(reference beam)과 물체빔(object beam)을 만드는 빔스플리터(20);
상기 물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 상기 입력 데이터에 대응하는 광세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 상기 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광변조부(30);
상기 신호빔과 상기 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 상기 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하는 광굴절 기록 매질(40);
상기 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시킴을 통해 상기 홀로그래픽 데이터가 상기 광굴절 기록 매질에 각다중화되어 기록되도록 하기 위해 단계적인 회전력을 제공하는 스텝 모터(50);
상기 빔스플리터와 상기 공간 광변조부 사이에 위치하여 상기 물체빔을 투과시키거나 차단하는 제 1 조리개(21);
상기 빔스플리터(20)와 상기 광굴절 기록 매질(40) 사이에 위치하여 상기 기준빔을 투과시키거나 차단하는 제 2 조리개(22);
상기 빔스플리터(20)와 상기 광굴절 기록 매질(40) 사이에 위치하여 상기 신호빔이 상기 광굴절 기록 매질(40)을 향하도록 진행 방향을 변경하는 제 1 반사경(31);
상기 제 2 조리개(22)와 상기 광굴절 기록 매질(40) 사이에 위치하여 상기 기준빔이 상기 광굴절 기록 매질(40)을 향하도록 진행 방향을 변경하는 제 2 반사경(32;
상기 파장 가변 레이져(10)에 인가하는 제어 전압을 단계적으로 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 파장을 갖는 레이져빔들을 생성하고, 상기 스텝 모터(50)에 인가하는 스텝 모터 제어 신호를 단계적으로 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 회전각을 갖도록 제어하여 상기 각각의 파장을 갖는 레이져빔들과 상기 각각의 회전각 간의 경우 조합을 통해 상기 광굴절 기록 매질(40)에 상기 입력 데이터를 파장 다중화 및 각다중화하여 기록·재생하도록 광경로를 제어하는 등의 본 발명의 구성 요소를 전체적으로 제어하여 홀로그래픽 데이터를 기록/재생하도록 하는 홀로그래픽 메모리 제어부(100); 및
상기 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제어에 의해 상기 광굴절 기록 매질(40)로부터 재현된 상기 홀로그래픽 데이터를 판독하기 위해 광전변환을 수행하는 영상 센서부(200)를 포함하여 구성한다.
여기서, 광굴절 기록 매질(40)의 재료는 LiNbO3, BSO, BaTiO3등 비선형 결정을 그 예로 들 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치의 바람직한 실시예에 대한 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
제 1도에서와 같이 홀로그래픽 메모리 제어부(100)를 통해 저장하고자 하는 입력 데이터가 공간 광변조부(30)에 디스플레이되며, 모든 기록 및 재생 동작은 호스트 컴퓨터 또는 마이크로 프로세서 등으로 대표되는 홀로그래픽 메모리 제어부(100)에 의해 엄격하게 제어된다.
본 발명에서는 각변조방식을 이용하기 위해 기준파의 각도를 변화하는 대신 스텝 모터(50)를 사용하여 광굴절 기록 매질(40)을 이산적으로 회전시킴으로써 같은 효과를 얻을 수 있다. 데이터의 저장을 위한 회전 각도는 수학식 6에서와 같이 기준빔의 각도 θ1 에서 θm 까지로 한다.
여기에 파장변조방식을 적용하기 위해 기준빔의 각도를 θ1 으로 고정시킨 후, 파장 가변 레이져(10)의 파장을 저장하고자 하는 각각의 입력 데이터마다 변화시키며 노출을 통해 데이터 D를 기록한다 (D11,D12,···,D1m=θ1λ1,θ1λ2,···,θ1λm) .
파장의 변화율은 수학식 8로부터 얻을 수 있다. 이후, 수학식 6의 브래그 조건을 만족하는 각도 θ2,θ3··· 에 따라 각도를 θ2 로 변화시킨다.
마찬가지로 각도를 θ2 로 고정하고, 파장을 변화시키면서 데이터를 저장하면 D21,D22,···,D2m=θ2λ1,θ2λ2,···,θ2λm 을 얻을 수 있다.
결론적으로 본 발명에서는 수학식 6과 수학식 8의 허용치 만큼의 정보를 저장할 수 있게 됨에 따라 D11,D12,···,D1m,D21,D22,···,D2m,·····,Dm2,···,Dmm 만큼의 정보를 저장할 수 있게 된다.
따라서, 각다중화를 이용하여 저장할 수 있는 데이터에 파장 다중화를 이용하여 저장할 수 있는 정보를 추가한 양 만큼의 정보를 저장할 수 있게 된다.
도 1에 도시한 본 발명의 홀로그래픽 메모리 제어부(100)를 상세하게 도시한 블록도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 홀로그래픽 메모리 제어부(100)는 호스트 컴퓨터(110)와 인터페이스 카드부(120)으로 구성된다.
홀로그래픽 메모리 제어부(100)는 IBM PC와 같은 호스트 컴퓨터(110)를 이용하여 파장 가변 레이져(10)와 제 1 조리개(21) 및 제 2 조리개(22), 스텝 모터(50)를 제어하는 방법으로 각다중화와 파장 다중화를 구현해 광굴절 기록 매질(40)에 정보를 기록하고 재생한다.
다양한 장치를 컴퓨터로 제어하기 위해서 호스트 컴퓨터(110)의 확장슬롯에 인터페이스 카드부(120)를 부착하여 프로그램을 통해 외부적으로 홀로그래픽 저장 장치를 제어하는 것이 바람직하다.
도 2에서 살펴볼 수 있듯이, 인터페이스 카드부(120)는 크게 파장 가변 레이져 제어부, 스텝 모터 제어부, 조리개 제어부로 구성된다.
스텝 모터(50)의 사용 목적은 광굴절 기록 매질(40)을 회전시켜 각다중화를 구현하는데 있다. 프로그램상에서 확장슬롯에 데이터를 출력시킴으로써 스텝 모터 제어 신호는 인터페이스 집적회로부(121)를 통해 제 2 출력 포트(port2)로 전해지며 신호를 스텝 모터(50)를 구동시킬 수 있는 전력으로 파워 증폭부(Power Amp; 124)에서 증폭을 시킨 뒤 스텝 모터(50)의 제어 단자에 입력하여 스텝 모터(50)가 원하는 각도로 회전하도록 구동시킨다.
파장 가변 레이져(10)의 사용 목적은 파장을 m개로 변화시켜 파장 다중화를 구현하는데 있다. 파장 가변 레이져(10)는 접압을 제어함으로써 반파장 플레이트(11)를 경유하여 m개의 파장으로 변화시킬 수 있다. 이를 프로그램으로 제어하기 위해 디지털/아날로그 변환부(D/A Convert; 122)와 제 1 연산 증폭부(OP Amp; 123)를 이용한다.
m=2n에 의해 n개의 제어 비트로 m개의 파장을 제어할 수 있음에 따라 인터페이스 집적회로부(121)의 제 1 출력 포트(port1)의 n개 비트(bit; D11...D1n)를 사용한다.
n개의 비트로 조합된 디지털 신호가 디지털/아날로그 변환부(122)에 의해 아날로그 신호로 변환된 뒤 제 1 연산 증폭부(123)에서 파장 가변 레이져 제어 전압으로 증폭시켜 증폭된 신호로 파장 가변 레이져(10)를 제어한다.
제 1 조리개(21) 및 제 2 조리개(22)의 사용 목적은 빛의 노출 시기를 제어하는데 있다. 디지털 셔터 시스템(Digital Shutter System)을 사용함으로써 인터페이스 집적회로부(121)의 제 3 츨력 포트(port3)를 통해 나오는 신호를 제 2 연산 증폭부(125)를 이용하여 조리개의 입력 신호로 변환하여 제어한다.
제 2 조리개(22)는 기준파를 제어(차단 및 투과)하는데 사용되며, 제 1 조리개(21)는 물체파를 제어하는데 사용된다. 광굴절 기록 매질(40)에 정보를 기록하기 위해서 다음과 같은 동작을 수행한다.
제 1 단계에서는 프로그램상에서 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 1 출력 포트(port1)에 파장 가변 레이져 제어 전압 A1를 출력하여 파장 가변 레이져(10)의 파장이 λ1이 되도록 한다.
제 2 단계에서는 프로그램에서 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 2 출력 포트(port2)에 제 1 스텝 모터 제어 신호 B1을 출력하여 스텝 모터(50)의 각이 θ1이 되도록 한다.
제 3 단계에서는 공간 광변조부(30)에 첫 번째 정보(즉, 입력 데이터)를 띄운다.
제 4 단계에서는 프로그램에서 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 3 출력 포트(port3)에 제 1 조리개 제어 신호 C1을 출력하여 제 1 조리개(21) 및 제 2 조리개(22)를 개방시켜 입사빔을 투과시킨다.
이에 따라 각 θ1과 파장λ1의 기준파와 물체파로 하여금 광굴절 기록 매질(40)에 첫 번째 정보를 저장하게 된다. 기록시간 만큼 빛을 노출시킨 후 제 3 출력 포트(port3)에 제 2 조리개 제어 신호 C2를 출력하여 제 1 조리개(21) 및 제 2 조리개(22)를 차단 시킨다.
이후, 다음의 두 번째 정보를 기록하기 위해서 공간 광변조부(30)에 두 번째 정보를 띄우고 제 2 출력 포트(port2)는 각 θ1에 고정하고 제 1 출력 포트(port1)에 A2를 출력하여 파장이 λ2가 되도록 한다.
그렇게 한 다음에 제 3 출력 포트(port3)에 제 1 조리개 제어 신호 C1을 출력하여 제 1 조리개(21) 및 제 2 조리개(22)를 개방시켜 입사빔을 투과시킴으로써 광굴절 기록 매질(40)에 두 번째 정보를 기록하게 된다. 이와 같이 제 1 출력 포트(port1)을 Am까지 변화시킴에 따라서 파장 λ값을 λm까지 변화시키면서 각θ1에 m개의 정보를 기록하게 된다.
m개의 정보를 기록한 후 제 2 출력 포트(port2)에 제 2 스텝 모터 제어 신호 B2를 출력하여 각 θ2에 고정시킨 뒤에 상기한 바와 같이 파장을 λ1..λm으로 변화시키면서 각θ2에 대한 m개의 정보를 기록한다.
이와 같이 θ1..θm까지 변화시키면서, 각각의 θ값에 파장을 달리하여 m개의 정보를 반복적으로 기록함으로써 결론적으로 광굴절 기록 매질(40)에 m×m 개의 정보를 기록하게 된다.
각 : θ1(A1), θ2(A2) ... θm(Am)
파장 : λ1(B1), λ2(B2) ... λm(Bm)
조리개 : C1=> 제 2 조리개 투과, 제 1 조리개 투과
C2=> 제 2 조리개 차단, 제 1 조리개 차단
C3=> 제 2 조리개 투과, 제 1 조리개 차단
재생은 제 2 출력 포트(port3)를 통해 제 3 조리개 제어 신호 C3를 출력함으로써 제 1 조리개(21)를 차단시킨후 기준파만을 투과시키며 기록과 동일한 방법으로 진행된다. 원하는 정보를 순서대로 재생하기 위해서는 다음과 같은 과정에 의해서 재생을 한다.
기록과 동일한 방법으로 프로그램에서 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 1 출력 포트(port1)에 파장 가변 레이져 제어 신호 A1을 출력하여 파장 가변 레이져(10)의 파장이 λ1이 되도록 한다. 프로그램으로 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 2 출력 포트(port2)에 B1을 출력하여 스텝 모터(40)의 각도가 θ1이 되도록 한다.
프로그램에서 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제 3 출력 포트(port3)에 제 3 조리개 제어 신호 C3를 출력하여 제 2 조리개(22)를 투과하고, 제 1 조리개(21)를 차단시킨다.
각 θ1과 파장λ1의 기준파를 광굴절 기록 매질(40)에 노출시킴으로써 첫 번째 정보를 재생하게 된다. 다음 정보를 보기 위해서 제 2 조리개(22)만 투과시키고 제 1 조리개(21)를 차단시킨 상태에서 각 θ1을 고정하고 파장을 λ2로 변환한 뒤 기준파를 광굴절 기록 매질(40)에 노출시킴으로써 두 번째 정보를 재생하게 된다.
이와 같이 λ값을 λ1...λm으로 변화시킴으로써 m개의 정보를 재생할 수 있다. 다시 파장 λ값을 λ1으로 변환한 뒤 제 2 출력 포트(port2)에 B2를 출력하여 스텝 모터(50)의 각이 θ2가 되도록 한 뒤 λ값을 λ1...λm으로 변화시킴으로써 각 θ2에 대한 m개의 정보를 재생할 수 있다.
그런 다음에 θ값을 θm까지 변화시켜가면서 각각의 θ값에 대해 λ값을 변화시킴으로써 m×m 개의 정보를 재생할 수 있다.
도 3은 기준파와 물체파의 회전각도, 레이져 파장, 입력 데이터와의 타이밍도를 나타낸 예시도이다.
본 발명은 상기 홀로그래픽 메모리 제어부(100)의 제어에 의해 상기 광굴절 기록 매질(40)로부터 재현된 상기 홀로그래픽 데이터를 판독하기 위해 광전변환을 수행하는 영상 센서부(200)를 포함하고 있음을 전술한 바 있다. 즉, 재현된 영상은 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 영상 센서부(200)에 입사되어 한번에 한 페이지에 저장된 정보를 모두 읽을 수 있다. 이 데이터는 다시 디지털 컴퓨터에 의해 전자적으로 저장·처리된다.
전술한 바와 같이, 홀로그래픽 메모리는 1 Gbit/s의 데이터 전달속도와 100㎲이하의 빠른 램덤 엑세스 시간과 테라바이트(Tera-Byte)이상의 저장용량이 가능한 것으로 기대하고 있다. 홀로그램 메모리의 가장 큰 장점은 한 페이지에 메가비트(Mbit) 정보를 갖는 수천 페이지 이상의 데이터를 동전 크기의 체적에 저장 할 수 있다는 것이다. 이를 위해 각 페이지 데이터는 빔의 각도, 파장, 위상 등을 변화시킬 수 있는 개개의 기준파와 간섭되어 저장된다. 일정한 홀로그램 페이지 그룹들은 또한 기록매질의 두께를 통해 분리되어 적층될 수 있으므로 저장용량을 더욱 늘리수 있게 된다. 또 다른 홀로그램 메모리의 주요 장점은 중복성(redundancy)에 있다. 이는 단일 홀로그램 영상의 각 픽셀 화소들이 저장 매질의 전체로 분산 저장되기 때문에 기록 매질의 약간의 결함은 전체 데이터 페이지의 신호 준위에 영향을 줄 수 있지만 각 데이터 비트는 지워지지 않는다. 이는 저장된 데이터의 완전 무결성을 보장할 수 있게 된다. 또 다른 장점으로는 랜덤 엑세스 시간으로 모든 데이터 페이지가 기준파 각도로서 정의된다면, 각 페이지는 빔의 각도가 변하는 속도만큼 빠르게 기록 및 재생이 가능하다.
본원에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의내려진 용어들로써 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본원의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본원에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명했으므로 본 발명의 기술적인 난이도 측면을 고려할 때, 당분야에 통상적인 기술을 가진 사람이면 용이하게 본 발명에 대한 또 다른 실시예와 다른 변형을 가할 수 있으므로, 상술한 설명에서 사상을 인용한 실시예와 변형은 모두 본 발명의 청구 범위에 모두 귀속됨은 명백하다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 광굴절 효과에 기반하여 입력 데이터를 전기 광학적으로 저장하는 홀로그래픽 저장 시스템에 있어서, 상기 입력 데이터를 파장 다중화하기 위해 레이져빔의 파장을 가변시켜 파장 가변 레이져빔을 생성하는 파장 가변 레이져(tunable laser); 입사된 상기 파장 가변 레이져빔을 광학적으로 분리하여 각각 서로 다른 광경로를 형성하는 기준빔(reference beam)과 물체빔(object beam)을 만드는 빔스플리터(beam spliter); 상기 물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 상기 입력 데이터에 대응하는 광세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 상기 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광변조부(spatial light modulator); 상기 신호빔과 상기 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 상기 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하는 광굴절 기록 매질; 상기 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시킴을 통해 상기 홀로그래픽 데이터가 상기 광굴절 기록 매질에 각다중화되어 기록되도록 하기 위해 단계적인 회전력을 제공하는 스텝 모터를 포함하는 본 발명에 따른 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치에 따르면, 공간 영역에서 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시킴을 통해 각다중화를 수행함과 동시에 파장 가변 레이져를 통해 파장 다중화를 수행함으로써 각자중화와 파장 다중화를 결합한 복합 다중화를 실현하여 극초대용량의 정보를 광굴절 기록 매질에 저장할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

  1. 광굴절 효과에 기반하여 입력 데이터를 전기 광학적으로 저장하는 홀로그래픽 저장 시스템에 있어서,
    상기 입력 데이터를 파장 다중화하기 위해 레이져빔의 파장을 가변시켜 파장 가변 레이져빔을 생성하는 파장 가변 레이져(tunable laser);
    입사된 상기 파장 가변 레이져빔을 광학적으로 분리하여 각각 서로 다른 광경로를 형성하는 기준빔(reference beam)과 물체빔(object beam)을 만드는 빔스플리터(beam spliter);
    상기 물체빔이 경유하는 광경로 상에 위치하고, 상기 입력 데이터에 대응하는 광세기 변조 형태의 입력 패턴을 형성한 상태에서 상기 물체빔에 의해 조사됨에 따라 신호빔을 만드는 공간 광변조부(spatial light modulator);
    상기 신호빔과 상기 기준빔이 간섭하여 형성된 간섭 격자 패턴 형태의 홀로그래픽 데이터를 상기 광굴절 효과에 의해 전기 광학적으로 저장하는 광굴절 기록 매질; 및
    상기 홀로그래픽 데이터가 상기 광굴절 기록 매질에 각다중화되어 기록되도록 하기 위해 상기 광굴절 기록 매질을 소정의 미세각에 따라 이산적으로 회전시키는 단계적인 회전력을 제공하는 스텝 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 공간 광변조부 사이에 위치하여 상기 물체빔을 투과시키거나 차단하는 제 1 조리개;
    상기 빔스플리터와 상기 광굴절 기록 매질 사이에 위치하여 상기 기준빔을 투과시키거나 차단하는 제 2 조리개;
    상기 빔스플리터와 상기 광굴절 기록 매질 사이에 위치하여 상기 신호빔이 상기 광굴절 기록 매질을 향하도록 진행 방향을 변경하는 제 1 반사경; 및
    상기 제 2 조리개와 상기 광굴절 기록 매질 사이에 위치하여 상기 기준빔이 상기 광굴절 기록 매질을 향하도록 진행 방향을 변경하는 제 2 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 가변 레이져에 인가하는 제어 전압을 단계적으로 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 파장을 갖는 레이져빔들을 생성하고, 상기 스텝 모터에 인가하는 스텝 모터 제어 신호를 단계적으로 가변시킴에 따라 서로 다른 각각의 회전각을 갖도록 제어하여 상기 각각의 파장을 갖는 레이져빔들과 상기 각각의 회전각 간의 경우 조합을 통해 상기 광굴절 기록 매질에 상기 입력 데이터를 파장 다중화 및 각다중화하여 기록·재생하도록 광경로를 제어하는 홀로그래픽 메모리 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀로그래픽 메모리 제어부의 제어에 의해 상기 광굴절 기록 매질로부터 재현된 상기 홀로그래픽 데이터를 판독하기 위해 광전변환을 수행하는 영상 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광굴절 기록 매질의 재료는,
    LiNbO3, BSO, BaTiO3중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 다중화 기반 홀로그래픽 저장 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100426728B1 (ko) * 1998-06-30 2004-07-27 주식회사 대우일렉트로닉스 칼라홀로그램데이타기록/재생방법
KR100627542B1 (ko) * 1999-05-03 2006-09-22 루센트 테크놀러지스 인크 홀로그래픽 메모리 시스템의 선택성을 제어하는 시스템 및방법
KR100749105B1 (ko) * 2006-07-05 2007-08-13 주식회사 대우일렉트로닉스 광정보 처리장치와 처리방법
KR100749104B1 (ko) * 2006-07-05 2007-08-13 주식회사 대우일렉트로닉스 광 정보 처리 방법 및 그 장치

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