RO132008B1 - Celulă cu memorie optică - Google Patents

Description

Invenția se referă la o celulă de memorie optică cu structură de rezonanță plasmonică de suprafață care folosește anizotropia optică fotoindusă în filme din compuși calcogenici.

Sunt cunoscute mai multe fenomene fizice care stau la baza înregistrării informației cu un fascicul de lumina precum modificarea conductibilității electrice, magnetizării, imprimarea deformațiilor ș.a. O metodă folosită pe larg la înregistrarea multiplă a informației optice constă în folosirea materialelor cu efect PCM (Phase Changed Materials, în engleză) de tranziție de fază din starea amorfă în starea cristalină și viceversa. În această metodă filmul subțire din material calcogenic amorf depus pe un suport este iradiat cu lumină laser. Temperatura filmului crește rapid în locul iluminat până la temperatura de tranziție amorfcristal în urma absorbției radiației laser, focusate pe un spot foarte mic. Această tranziție conduce la modificarea intensității luminii reflectate, înregistrată de o fotodiodă. Materialele cele mai răspândite pentru acest fel de stocare a informației sunt compușii calcogenici amorfi de tip A_S2S₃, AsSe. Pentru prima dată compușii calcogenici au fost propuși pentru medii de înregistrare reversibili cu schimbare de fază de S. Ovsinsky și alții în brevetul US 3530441, brevetul US 6365256 B1 ș.a. Este cunoscut compusul calcogenic GeSbTe caracterizat cu energie și timp de scriere/ștergere mai mici, care se folosește și în discurile CD/DVD moderne. (https://en.wikipedia.org/wiki/Chalcogenide_glass). Sunt cunoscute alte brevete precum cele pentru noi structuri multistrat (US 4710911, US 4841514) sau noi materiale (US 5876822, US 7035184 B2), menite să facă timpul de scriere/ștergere mai mic.

Pe lângă tendința pozitivă, observată în ultimii ani, de creștere a capacității de stocare, metodă bazată pe trecerea din starea amorfă (vitroasă) în starea cristalină, are și anumite neajunsuri.

Dezavantajele principale ale acestor soluții de stocare optică a informației constau în următoarele:

- timpul de ștergere a informației scrise într-un element este relativ mare, el nu poate fi făcut foarte mic, deoarece: a) procesul este limitat în mod natural de conductibilitatea termică a structurii și de difuzia căldurii; b) timpul de ștergere rămâne mare deoarece mediul de înregistrare trebuie menținut un anumit timp la temperatura de tranziție (temperatură înaltă, aproape de temperatura de topire a materialului), timp necesar pentru formarea granulelor cristaline;

- temperaturile mari necesare tranziției de fază (aproximativ 180-200°C) limitează numărul de cicluri ștergere/scriere și diminuează fiabilitatea dispozitivelor;

- rezoluție spațială nu foarte bună, deoarece dimensiunile minime ale unui element de memorie optică sunt limitate de fenomenul difracției luminii.

Alt fenomen fizic cunoscut în materialele amorfe, în special în cele calcogenice, și studiat pe larg constă în modificarea constantelor optice (coeficientul de absorbție și indicele de refracție ale materialului) în urma iradierii cu lumină care are energia fotonilor apropiată sau mai mare de energia benzii optice interzise. Modificările fotoinduse ale constantelor optice în acest caz se datorează tranziției materialului dintr-o stare amorfă în altă stare, tot amorfă, dar cu structură modificată. Spre exemplu, în compușii calcogenici amorfi de tip A_S2S₃, modificările indicelui de refracție sunt reversibile. Restabilirea transmisiei optice se realizează prin încălzirea filmului până la temperaturi aproape de temperatura de înmuiere a materialului. După aceasta procesul se poate repeta. Acest fenomen se poate manifesta și în alte materiale calcogenice amorfe datorită existenței legăturilor chimice necompensate.

Dezavantajul acestei soluții constă în aceea că necesită timp mare pentru ștergere a informației dat fiind că pentru aceasta mediul de stocare trebuie încălzit până la temperatura de înmuiere a materialului, ce necesita timp mare de comutare on/off a elementului de memorie.

Celula de memoria optică cu structura de rezonanță plasmonică înlătură deza- 1 vantajele arătate mai înainte prin aceea că nu implică temperaturi mari pentru scriere/ ștergere a informației, micșorează timpul de scriere/ștergere a informației, crește contrastul 3 dintre reflectanta luminii la scriere/ștergere (on/off), crește fiabilitatea structurii prin faptul că scrierea/ștergerea se face la temperatura camerei. 5

Problema tehnică pe care prezenta invenție își propune să o rezolve invenția se referă la folosirea anizotropiei optice indusă de lumină polarizată în filme realizate din 7 compuși calcogenici amorfi precum A_S2Se₃, A_S50Se₅₀, AS2S3, GeS2.2Se, Se₈₀Te₂₀ și Ge_xA_S40_ _xS₆₀, filmele fiind situate într-o structură în care se realizează condiții de rezonanță 9 plasmonică.

Celula de memorie optică cu structura de rezonanță plasmonică, conform invenției, 11 este alcătuită dintr-un laser care emite un fascicul de scriere/ștergere, un polarizor, un element optic pentru schimbarea polarizării fasciculului, o oglindă care direcționează fasciculul 13 pe filmul din compus calcogenic amorf depus pe baza unei prisme optice peste un film metalic, laserul producând în filmul calcogenic modificări ale indicelui de refracție depen- 15 dente de polarizarea fasciculului, formând astfel un bit al memoriei, iar, pentru funcția de citire, un laser care emite un fascicul de citire, un polarizor, prisma isoscel cu unghiuri la 17 bază calculate pentru obținerea rezonanței plasmonice de suprafață, cu cele două filme depuse pe bază, folosită și pentru scriere/ștergere, o fotodiodă, un amplificator, un convertor 19 analog-digital și un circuit de prag.

Invenția prezintă următoarele avantaje:21

- se folosește același laser pentru ștergere și scriere, schimbând doar polarizarea fasciculului;23

- are timpi mici de scriere și de ștergere a informației, obținuți prin aplicarea unor impulsuri scurte și de mare putere;25

- are contrast bun al semnalului de citire, de la 0% la 100%;

- procesul de scriere/ștergere se realizează la temperatura camerei.27

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1...4 care reprezintă:29

- fig.1 a, b, c, funcționarea procesului de scriere și citire a informației de pe mediul calcogenic;31

- fig. 2, corelația dintre unghiul de incidență și reflectivitate;

- fig. 3 și 4, schema logică de încodare a datelor.33

Celula de memorie optică care folosește anizotropia optică fotoindusă în filme din compuși calcogenici în combinație cu rezonanța plasmonică de suprafață, realizată prin 35 depunerea acestor filme peste filmul metalic de pe baza prismei este alcătuită dintr-un laser 1 de citire, având lungimea de undă 633 nm care emite un fascicul laser cu puterea de 37 10 mW, un polarizor 2 optic, prisma 3 isoscel cu unghiuri la bază calculate pentru obținerea rezonanței plasmonice de suprafață, pe care sunt depuse filmul 12 metalic (Au, 50 nm 39 grosime) și filmul 11 calcogenic amorf (A_S2S₃, 600 nm grosime), o fotodiodă 4, care convertește fasciculul laser în semnal electric analogic, un amplificator 5, un convertor 6 analog- 41 digital cu circuit de prag, care furnizează ieșirea de date binară, un laser 7 de scriere/ ștergere, având lungimea de undă 514 nm, care emite un fascicul laser cu o putere de 1 W, 43 un polarizor 8, un element 9 optic pentru schimbarea polarizării (lamela 8/2, celulă Pockels sau o celula cu cristale lichide) și o oglindă 10, care direcționează fasciculul spre filmul 11 45 calcogenic.

Fasciculul laserului de scriere (fig. 1a) trece printr-o lamelă 8/2 și este direcționat pe suprafața unui film calcogenic F de tip AS₂S₃. Lamela poate schimba prin rotire planul de polarizare a luminii laser cu 90°. Totodată pe suprafața filmului este orientat fasciculul unui alt laser de citire, care nu produce modificări în structura filmului deoarece energia fotonului este mai mică decât banda interzisă. Intensitatea acestuia modulată prin metoda electrooptică este înregistrată de o fotodiodă FD. Modulația este necesară pentru a elimina zgomotul și mări sensibilitatea. Rezultatele sunt prezentate în fig. 1b. Iluminarea cu lumină nepolarizată nu produce modificări anizotropice ale indicelui de refracție. La iluminarea cu lumină polarizată în planul Ey sau Ex se induce o anizotropie a indicelui de refracție de ± 1%, adică o diferență de circa 0,05, indicele de refracție al filmelor A_S2S₃ fiind 2,5. Astfel, se constată că indicele de refracție are valori diferite în funcție de modul cum a fost iluminat și are proprietăți de memorie care se manifestă prin aceea reflectanta luminii după iluminarea (scrierea) cu lumină polarizată în planul de incidență își păstrează valoarea și după încetarea iluminării. Iluminarea ulterioară cu lumină polarizată ortogonal restabilește valoarea indicelui de refracție și reflectanța care era până la iluminare, adică șterge starea fotoindusă. Modificările coeficientului de absorbție optică și a indicelui de refracție corespunzător sunt relativ mici, de ordinul 1%.

Conceptul rezonanței plasmonice este prezentat în fig. 2. Câmpul electric al undei electromagnetice (lumina laser) interacționează puternic în anumite condiții cu electronii liberi existenți în metale, fapt ce poate conduce la „prăbușirea abruptă a intensității luminii reflectate pentru schimbări mici ale indicelui de refracție. În fig. 2a este prezentată configurația propusă de Kretschmann în care se realizează cuplarea luminii cu undă plasmonpolaritonică de suprafață folosind câmpul evanescent. Structura din fig. 2a, constă dintr-o prismă, pe bază căreia este depus un strat metalic (de regula din aur, pentru că are pierderi optice mici și este stabil chimic). Când pe această structură este direcționat un fascicul de lumină (de regulă laser, care este monocromatic și are o divergență mică) se observă că, sub un anumit unghi de incidență, intensitatea luminii reflectate și înregistrate de un detector scade aproape la zero. Valoarea unghiului de rezonanță este foarte sensibilă la indicele de refracție al mediului ambiant. Condiții de rezonanță por fi obținute și în cazul când peste filmul metalic se depune un film dielectric din compuși calcogenici (fig. 2b). Cercetările realizate de autorii invenției au arătat că intensitatea luminii de citire detectate de fotodiodă se schimbă de la 100% la 0% pentru modificări ale indicelui de refracție sub 1% (vezi curbele din fig. 2c). Astfel s-a evidențiat că structura cu rezonanță plasmonică de suprafață ce conține film calcogenic amorf este foarte sensibilă la variații ale indicelui de refracție și poate fi folosită pentru aplicații practice în industria dispozitivelor opto-electronice. Prin folosirea rezonanței plasmonice de suprafață s-a obținut o super-rezoluție prin focusarea luminii sub limita de difracție, obținându-se dimensiunea spotului de numai 100 nm.

Pentru funcționarea celulei de memorie (fig. 4) se folosesc următoarele semnale de comandă binare (0 - nu este permis, 1 - este permis): WR - permisiunea scrierii în celula de memorie, CL - permisiunea ștergerii informației din celulă, RD - permisiunea citirii din celulă. Datele de intrare binare (0 sau 1), ce se doresc a fi scrise în celula de memorie sunt notate cu DI în schema din fig. 4, iar datele de ieșire, adică cele ce sunt citite din celulă, sunt notate cu DO în aceeași schemă. Schema din fig. 4 reprezintă o modalitate preferată de a forma semnalele specificate în fig. 3 (Laser scriere/ștergere, Laser citire, Intrare date și Ieșire date) plecând de la semnalele de comandă (WR, CL, RD), datele de intrare (DI) și obținând în final datele de ieșire (DO). Dacă se dorește scrierea în celula de memorie, atunci semnalul de comandă WR se setează pe 1, iar CL pe 0. Atunci datele DI se transferă în Intrare date, unde modifică corespunzător starea de polarizare a elementului 9 optic. Totodată Laserul scriere/ștergere este pornit. Pentru ștergerea informației din celula de memorie semnalul de 1 comandă CL se setează pe 1, în intrare date se transferă 0, elementul 9 optic va trece în starea „0, iar Laserul scriere/ștergere va fi pornit. Dacă se dorește citirea informației din 3 celula de memorie, atunci semnalul de comandă RD se setează pe 1, laserul citire va fi pornit, iar datele din Ieșire date se transferă în DO. 5

Modalitatea de folosire a anizotropiei optice foto-induse constă în obținerea, în urma iluminării cu lumină polarizată, a unei structuri anizotropice și a indicelui de refracție cores- 7 punzătoare acesteia în filmele calcogenice amorfe care inițial sunt izotrope. S-a stabilit că valorile indicelui de refracție sunt maximale în planul de polarizare a luminii cu care se 9 iradiază filmul.

Avantajul stocării informației prin metoda creării unei anizotropii optice constă în 11 aceea că tranziția indusă de lumina cu laserul de scriere/ștergere dintr-o stare în alta a filmului se realizează în intervale de timp mult mai scurte. Aceasta se obține prin forțarea 13 modificărilor atât la înscriere cât și la ștergere ca urmare a acțiunii cu impulsuri scurte și de mare putere deoarece efectul depinde de energia E (sau doza) impulsului de înscriere care, 15 după cum se cunoaște, este egală cu produsul dintre putere P și timpul t de expunere la iluminare: E = P · t. Calculele estimative arată că pot fi atinși timpi de ștergere/înregistrare 17 circa câteva nanosecunde. Dacă e să ținem cont și de capacitatea de procesare paralelă, specifică sistemelor optice, putem obține pentru 106 elemente (1Mb), spre exemplu, o viteză19 efectivă de procesare enormă de circa 10^-15 s/bit. Metoda este mult mai rapidă decât scrierea informației prin schimbarea stării materialului din faza cristalină în faza amorfă folosită în21 sistemele CD-RW. În sistemele CD-RW existente intervalul de timp pentru scriere/ștergere depășește 100 ns, fapt ce a limitat, în ultimul timp, întrebuințarea CD.23

Claims (1)

1. Celulă de memorie optică care folosește anizotropia optică fotoindusă în filme din compuși calcogenici în combinație cu rezonanța plasmonică de suprafață, realizată prin depunerea acestor filme peste filmul metalic de pe baza prismei, caracterizată prin aceea că, este alcătuită dintr-un laser (1) de citire având lungimea de undă 633 nm care emite un fascicul laser cu puterea de 10 mW, un polarizor (2) optic, o prismă (3) isoscel cu unghiuri la bază calculate pentru obținerea rezonanței plasmonice de suprafață, pe care sunt depuse un film (12) metalic dinAu, 50 nm grosime și un film (11) calcogenic amorf de tip A_S2S₃ cu grosimea 600 nm, o fotodiodă (4) care convertește fasciculul laser în semnal electric analogic, un amplificator (5), un convertor (6) analog-digital cu circuit de prag care furnizează ieșirea de date binară, un laser (7) de scriere/ștergere având lungimea de undă 514 nm, un polarizor (8), un element (9) optic pentru schimbarea polarizării cu lamela 8/2, celulă Pockels sau cu cristale lichide și o oglindă (10) care direcționează fasciculul spre filmul (11) calcogenic, scrierea/ citirea/ ștergerea informațiilor din această celulă de memorie optică facăndu-se urmând următoarea serie de pași:

   - dacă se dorește scrierea în celula de memorie, atunci semnalul de comandă WR ( WR - permisiunea scrierii în celula de memorie, CL - permisiunea ștergerii informației din celulă, RD - permisiunea citirii din celulă ) se setează pe 1, iar CL pe 0. Atunci datele DI se transferă în Intrare date, unde modifică corespunzător starea de polarizare a elementului (9) optic. Totodată Laserul scriere/ștergere este pornit;

   - pentru ștergerea informației din celula de memorie semnalul de comandă CL se setează pe 1, în intrare date se transferă 0, elementul (9) optic va trece în starea „0, iar Laserul scriere/ștergere va fi pornit;

   - dacă se dorește citirea informației din celula de memorie, atunci semnalul de comandă RD se setează pe 1, laserul citire va fi pornit, iar datele din Ieșire date se transferă în DO.