KR20070016407A - 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 관한 것으로서, 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에서 데이터 입력장치로 사용되는 공간 광 변조기의 픽셀구조를 비정방형으로 형성하여 기록밀도를 높이고 비정방형 픽셀구조에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐의 형태가 저장매체의 기록면에 형성되는 기준광과 동일한 형태를 갖게 되어 효율적인 기록이 이루어질 수 있는 이점이 있다.

공간 광 변조기, SLM, 픽셀, 정방형, 비정방형, 나이퀘스트 어퍼쳐, Nyquist Aperture, 타원형

Description

홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템{HOLOGRAPHIC DIGITAL DATA STORAGE SYSTEM}

도 1은 일반적인 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 2는 종래 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 적용되는 공간 광 변조기의 픽셀을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2에 의한 공간 광 변조기를 통해 변조된 이미지가 저장매체 표면에 맺힌 패턴을 나타낸 명암도 그래프이다.

도 4는 도 2에 의한 공간 광 변조기를 통해 변조된 이미지가 저장매체 표면에 맺힌 패턴 및 기준광을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 적용되는 공간 광 변조기의 픽셀을 나타낸 도면이다.

도 6은 도 5에 의한 공간 광 변조기를 통해 변조된 이미지가 저장매체 표면에 맺힌 패턴 및 기준광을 나타낸 도면이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 광원 12 : 광 분리기

14, 18 : 셔터 16, 20 : 반사경

22 : 공간 광 변조기 24 : 저장 매체

26 : CCD 28 : 코딩부

30 : 디코딩부 Sobj : 신호광

Sref : 기준광

본 발명은 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에서 데이터 입력장치로 사용되는 공간 광 변조기의 픽셀구조를 비정방형으로 형성하여 기록밀도를 높이고 비정방형 픽셀구조에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐의 형태가 저장매체의 기록면에 형성되는 기준광과 동일한 형태를 갖게 되어 효율적인 기록이 이루어질 수 있도록 한 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 관한 것이다.

최근에는 마이크로 프로세서나 소프트웨어의 발달에 의해 3차원 CG에 의해 뛰어난 퍼스널 컴퓨터도 처리 가능하게 되어 기가 비트의 전달속도를 가지는 기간 회선망이 전 세계를 실시간(Real Time)으로 연결된다. 그리고 멀티미디어의 사회가 도래함과 동시에 새로운 고도 정보화 사회로 진행되고 있다.

앞으로 수년 후에는 1G의 트랜지스터를 집적한 4GHz의 마이크로 프로세서가 실현될 것이며, 1Tbit의 기간 회선망이 실현될 전망이다. 이들을 대량으로 처리하고 전송할 수 있는 정보를 메모리할 메모리기술이 개발되고 있다.

그런데, 메모리기술의 지표로 되는 기록밀도에서는 광 메모리의 우위성이 주장되고 있지만 광메모리에는 한계가 있다. 즉, 현재의 광디스크가 광스폿을 렌즈에서 형성하는 빛의 파동성을 이용하기 때문이다. 그러므로 빛의 파장정도의 스폿을 이론한계로 X-Ray 등을 이용하지 않는 한 기록밀도는 5기가비트(Gbit/㎠)의 정도가 상한으로 된다. 이것으로는 근 시일 내에 자기메모리나 반도체메모리에 의해 뒤쳐지게 된다. 왜냐하면 자기메모리에서는 헤드 갭(Head Gap)이 기록밀도를 정하므로 파장의 제한이 없기 때문이다. 또한, 반도체 메모리에서도 마찬가지임에 따라 광메모리가 우위를 차지하기 위해서는 광의 파동성을 버리던가 또는 다중기록을 이용하는 것이다.

이러한 파동성을 버리는 방식에는 순간파장을 이용한 Photon Memory가 제안되어 있으며 그 기록 한계는 100~200(Gbit/㎠)에 달한다. 이 방식은 퍼지지 않는 빛을 이용하는 Photon STM과 같이 Probe를 기록매체에 수 10nm까지 접근할 수 있어야 하므로 적용하기에 적합치가 않다.

이에 따라, 다중기록을 하는 방식으로 체적형 홀로그램기록방식이 연구되고 있다. 즉, 체적형 홀로그램기록방식은 기록밀도가 1테라비트에 달하고, 수 기가비트 이상의 속도로 읽을 수 있으며, 수 10s이하의 고속 랜덤 액세스로서 비접촉 전체를 만족시킬 수 있다.

홀로그램(Hologram)은 캐리어 공간주파수를 변조해 광파의 복소진폭 분포를 기록하고 있다고 말할 수 있지만 각도(θ)가 변하는 일에서 캐리어 공간주파수가 변하는 일을 이용하면 다중 기록이 가능하게 된다.

즉, 홀로그램 데이터를 기록할 때에는 기준광의 입사각을 조금씩 변화시키면서 각도 인덱스(index)를 붙여 다중화하여 계속 기록할 수 있고, 읽어낼 경우에는 기록시의 각도에서 기준광을 조사하면 된다.

도 1은 일반적인 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템을 나타낸 구성도이다.

여기에 도시된 바와 같이 먼저 광 분리기(12)에서는 광원(10)으로부터 입사되는 레이저광을 기준광과 신호광으로 분기하는 데, 여기에서 분기된 수직 편광의 기준광은 기준광 처리 경로(S1)로 제공되고 분기된 신호광은 신호광 처리 경로(S2)로 제공된다. 그리고 기준광 처리 경로(S1)상에는 셔터(14), 반사경(16)이 기준광의 출사 방향으로 구비되며, 이러한 광 전달 경로를 통해 기준광 처리 경로(S1)에서는 홀로그램 데이터의 기록 또는 재생에 필요한 기준광을 기 설정된 소정의 편향 각으로 반사시켜 저장 매체(24)에 제공한다.

따라서, 광 분리기(12)로부터 분기되어 셔터(14)의 개구를 통해 입사되는 수직 편광된 기준광은 광학렌즈(미도시) 등을 통해 조정되고 신호광의 크기를 커버하기에 충분한 정도의 크기로 확장되며, 액추에이터(30)에 의해 구동되는 반사경(16)을 통해 기준광을 기 설정된 소정 각도, 예를 들면 기록시의 기록각 또는 재생을 위해 기 설정된 재생각으로 편향된 후 저장 매체(24)로 입사된다.

여기에서, 기록 또는 재생 시에 이용되는 기준광은 각 페이지 단위의 2진 데이터를 저장 매체(24)에 기록할 때마다 반사경(16)을 회전시켜 그 편향각도(??)를 변화시키는 방법으로 제어되는데, 이러한 기준광 편향 기법을 통해 수백 내지 수천 개의 홀로그램 데이터를 저장 매체(24)에 저장하거나 혹은 저장된 홀로그램 데이터를 재생할 수 있다.

한편, 신호광 처리 경로(S2)상에는 셔터(18), 반사경(20) 및 공간 광 변조기(22)가 신호광의 출사 방향으로 순차 구비되는 데, 셔터(18)는 기록모드 시에는 개방 상태를 유지하고, 재생모드 시에는 차단 상태를 유지한다. 광 분리기(12)로부터 분기되어 셔터(18)의 개구를 통해 입사되는 신호광은 반사경(20)을 통해 소정의 편향각으로 반사된 후 공간 광 변조기(22)로 전달된다.

이어서, 공간 광 변조기(22)에서는 반사경(20)으로부터 전달되는 신호광을 데이터 코딩부(28)로부터 제공되는 입력 데이터에 따라 픽셀들이 이루는 명암으로 된 2진 데이터의 한 페이지 단위로 변조, 즉 일 예로서 입력 데이터가 영상의 한 프레임 단위로 된 화상 데이터일 때 공간 광 변조기(22)로 입사되는 신호광은 한 프레임 단위의 신호광으로 변조된 후, 기준광 처리 경로(S1)의 반사경(16)에서 입사되는 기준광과 동기를 맞추어 저장 매체(24)로 입사된다. 따라서, 저장 매체(24)에서는 기록모드 시에 공간 광 변조기(22)로부터 제공되는 2진 데이터의 페이지 단위로 변조된 신호광과 이에 대응하는 편향각도(??)를 가지고 반사경(16)으로부터 입사되는 기록용 기준광간의 간섭을 통해 얻어지는 간섭무늬가 기록된다. 즉, 변조된 신호광과 기준광간의 간섭에 의해 얻어지는 간섭무늬의 강도에 따라 저장 매체 (24) 내부에서 운동 전하의 광 유도 현상이 발생하는 데, 이러한 과정을 통해 저장 매체(24)에 3차원 상 홀로그램 데이터의 간섭 무늬가 기록된다.

이어 저장 매체(24)에 기록된 홀로그램 데이터를 재생하는 경우에는 신호광 처리 경로(S2)측의 셔터(18)는 차단 상태로 되고 기준광 처리 경로(S1)측의 셔터(14)는 개방 상태로 된다. 그러면 광 분리기(12)로부터 분기된 기준광(재생용 기준광)은 반사경(16)을 통해 반사되어 저장 매체(24)로 조사되며, 그 결과 저장 매체(24)에서는 재생용 기준광에 의해 기록된 간섭 무늬가 입사된 재생용 기준광을 회절 시켜 원래의 픽셀 명암으로 구성되는 한 페이지의 2진 데이터로 복조되며, 복조된 재생신호는 CCD(26)로 조사된다. 이에 따라 CCD(26)에서는 저장 매체(24)로부터 조사되는 재생 출력을 원래의 데이터, 즉 전기신호로 복원되며 여기에서 복원된 재생신호는 데이터 디코딩부(30)를 통해 재생 출력된다.

이와 같이 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지는 페이지 단위의 정보를 동일한 공간에 다중화하여 기록할 수 있다. 따라서, 기록밀도를 높이기 위해서는 페이지당 비트수가 많아야 하며, 다중화 수가 많아야 한다.

이와 같은 관계를 수학식 1로 나타내면 다음과 같다.

이때 페이지당 비트수는 공간 광 변조기(SLM)의 픽셀 사이즈가 작을수록 공간 광 변조기의 크기가 클수록 커지지만, 공간 광 변조기의 픽셀 사이즈는 검출소 자인 CCD 어레이의 픽셀 사이즈보다 작아질 수는 없으므로, 1:1 픽셀 매칭이 되는 경우가 가장 큰 값을 가진다.

한편, 기록구조가 퓨리에 홀로그램(Fourier hologram) 방식인 경우는 기록면에서의 스폿 사이즈(spot size)가 공간 광 변조기의 픽셀 사이즈와는 무관하게 렌즈의 f/#에 의해 결정되기 때문에 f/#가 작을 수록 기록밀도가 커진다.

도 2는 종래 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 적용되는 공간 광 변조기의 픽셀을 나타낸 도면이다.

여기에 도시된 바와 같이 공간 광 변조기(22)의 픽셀은 a×a의 정방형 형태를 갖는다.

따라서, 이와 같이 정방형 픽셀 구조의 공간 광 변조기(22)를 투과하여 만들어진 데이터 이미지는 렌즈(미도시)에 의해 집속되어 저장 매체(24)로 수직 입사된다.

이때 공간 광 변조기(22)의 픽셀 피치 크기를 'a' 라고 할 때 신호광(Sobj)은 회절에 의해 저장 매체(24) 표면에는 도 3과 같은 패턴이 만들어진다.

이와 같이 도 3에 도시된 패턴은 일차원적으로 표시되어 있으나 사실은 이차원적으로 퍼져있다. 여기에서 보는 바와 같이 중앙에는 높은 광량을 갖는 피크가 생긴다. 이를 0차 빔이라 한다. 그 다음 lf/a 만큼 떨어져서 두 번째 피크가 나타나는데 이를 1차 빔이라 한다.

이때 0차 빔에서부터 1차 빔까지의 거리를 나이퀘스트 어퍼쳐(Nyquist aperture) 혹은 나이퀘스트 주파수(Nyquist frequency)라 하고 구하는 공식은 수학 식 2와 같다.

주파수 샘플링 이론에 따르면 이미지를 큰 훼손 없이 재현하려면 퓨리에 면에서 즉, 저장매체의 표면에서 적어도 이 나이퀘스트 주파수 이상의 공간 주파수는 포함하여야 한다고 한다. 반대로 말하자면 이 나이퀘스트 주파수 이내로 주파수를 잘라버리면 이미지는 흐려지기 시작한다.

따라서, 퓨리에 홀로그램 방식에 의해 데이터를 저장할 때에는 기준광(Sref)의 크기를 적어도 나이퀘스트 어퍼쳐(Nyquist Aperture) 이상이 되게 하여야 한다.

한편, 기준광(Sref)은 저장매체에 입사될 때 기록각을 가지고 입사되기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 저장매체에 면에서의 기준광(Sref)은 타원형이 된다.

이렇게 타원형이 되면 타원의 단축 방향의 성분이 나이퀘스트 어퍼쳐 크기를 덮도록 기준광(Sref)의 크기를 조정하는데 이와 같이 단축 방향을 조정할 경우 장축 방향은 나이퀘스트 어퍼쳐 보다 커지게 되어 필요 없이 홀로그램의 크기를 크게 함으로써 기록밀도는 낮추는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에서 데이터 입력장치로 사용되 는 공간 광 변조기의 픽셀구조를 비정방형으로 형성하여 기록밀도를 높이고 비정방형 픽셀구조에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐의 형태가 저장매체의 기록면에 형성되는 기준광과 동일한 형태를 갖게 되어 효율적인 기록이 이루어질 수 있도록 한 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 기준광의 각도를 변환하면서 공간 광 변조기에 의해 데이터 변조된 신호광과 중첩시켜 데이터를 저장매체에 기록하고 저장매체에 기록시 설정된 각도로 기준광을 조사하여 데이터를 재생하는 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 있어서, 상기 공간 광 변조기의 픽셀 구조를 비정방형으로 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 비정방형의 각변의 비(a/b)는 기준광의 입사각(θ)에 따라 아래식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

(아래식)

이와 같이 이루어진 본 발명은 입력 데이터에 따라 픽셀들이 이루는 명암으로 된 2진 데이터의 한 페이지 단위로 변조할 때 픽셀들을 비정방형의 직사각형으로 형성하여 동일 페이지 크기를 갖을 경우 더 많은 픽셀의 포함할 수 있어 기록밀도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 비정방형 픽셀구조에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐 의 형태가 저장매체의 기록면에 형성되는 기준광과 동일한 형태를 갖게 되어 효율적인 기록이 이루어지게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.

도 5는 본 발명에 의한 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 적용되는 공간 광 변조기의 픽셀을 나타낸 도면이다.

여기에 도시된 바와 같이 공간 광 변조기(22)의 픽셀은 a×b의 비정방형 형태의 직사각형을 갖도록 형성한다.

이와 같이 공간 광 변조기(22)의 픽셀의 한변의 길이가 짧아지므로 같은 이미지 크기 내에 더 많은 비트 수를 포함할 수 있어 수학식 1에서와 같이 페이지당 비트수가 많아져 기록밀도를 높일 수 있게 된다.

또한, 이와 같이 신호광(Sobj)이 비정방형 픽셀 구조의 공간 광 변조기(22)를 투과하여 만들어진 데이터 이미지는 렌즈에 의해 집속되어 저장 매체(24)로 수직 입사되면 회절에 의해 저장 매체(24) 표면에 단축으로는 1f/a 만큼 떨어져서 두 번째 피크가 나타나고, 장축으로는 1f/b 만큼 떨어져서 두 번째 피크가 나타나 비정방형의 짧은 변 쪽의 나이퀘스트 어퍼쳐 크기가 켜져 타원형 형태를 갖게 된다.

한편, 기준광(Sref)은 저장 매체(24)에 입사될 때 기록각을 가지고 입사되기 때문에 저장 매체(24)에 면에서 타원형이 된다.

이때, 공간 광 변조기(22) 픽셀의 비정방형 각변의 비(a/b)는 기준광(Sref)의 입사각(θ)에 따라 수학식 3에 의해 결정된다.

따라서, 공간 광 변조기(22)의 비정방형 픽셀의 짧은 변 쪽의 나이퀘스트 어퍼쳐가 커짐에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐가 기준광과 같이 타원형을 갖게 되어 홀로그램의 기록 면적을 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명은 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에서 데이터 입력장치로 사용되는 공간 광 변조기의 픽셀구조를 비정방형으로 형성하여 기록밀도를 높이고 비정방형 픽셀구조에 따라 나이퀘스트 어퍼쳐의 형태가 저장매체의 기록면에 형성되는 기준광과 동일한 형태를 갖게 되어 효율적인 기록이 이루어질 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 기준광의 각도를 변환하면서 공간 광 변조기에 의해 데이터 변조된 신호광과 중첩시켜 데이터를 저장매체에 기록하고 저장매체에 기록시 설정된 각도로 기준광을 조사하여 데이터를 재생하는 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템에 있어서,

   상기 공간 광 변조기의 픽셀 구조를 비정방형으로 형성한 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 비정방형의 각변의 비는 기준광의 입사각에 따라 아래식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 디지털 데이터 스토리지 시스템.

   (아래식)

   

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