SE501106C2 - Optiskt minne - Google Patents

Description

501- 10 15 20 25 30 35 106 2 partiklar, vilka vid inskrivning av information upphet- tas av en laserstråle ovanför sin curie-temperatur.

Nackdelen med denna typ av lagringsmedium är en relativt begränsad kapacitet och långsam inskrivning av informa- tion. Inskrivningen kan exempelvis vara upp till sex gånger långsammare än för hårddisk.

Beskrivning av uppfinningen I takt med det allt mer växande kravet på informa- tionslagring föreligger det ett stort behov för ett lag- ringsmedium som inte har nämnda nackdelar hos den kända tekniken. Uppfinningen har som generellt ändamål att åstadkomma ett lagringsmedium som tillgodoser detta be- hov.

Ett första ändamål hos uppfinningen är att åstad- komma ett lagringmedium med hög lagringskapacitet.

Ett andra ändamål_hos uppfinningen är att åstad- komma ett lagringmedium med kort åtkomsttid för inskriv- ning och utläsning av information.

Ett tredje ändamål hos uppfinningen är att åstad- komma ett lagringsmedium utan mekaniskt rörliga delar.

Ett fjärde ändamål hos uppfinningen är att åstad- komma ett lagringsmedium som har en kompakt struktur, har förhållandevis små fysiska mått som som är relativt billigt att tillverka.

Ett femte ändamål hos uppfinningen är att åstad- komma ett lagringsmedium som möjliggör parallell in- skrivning och utläsning av information.

För uppnående av dessa och andra ändamål åstadkom- mes enligt uppfinningen ett optiskt minne som känneteck- nas av att det har ett lagringsmedium, i vilket ingår: ett lagringselement, vilket är styrbart mellan åt- minstone två stabila tillstånd med inbördes olika op- tiska egenskaper genom påläggning av motsvarande elek- triska fält mellan en ljusmottagningssida och en motstå- ende ljusutträdessida'hos lagringselementet; 10 15 20 25 30 35 501 106 3 1 en elektrodmatris, vilken är anordnad på den ena av lagringselementets ljusmottagningssida och ljusutträdes- sida och uppvisar ett flertal inbördes elektriskt isole- rade elektrodpunkter fördelade över lagringselementet, svarande mot ett motsvarande flertal minnespunkter hos lagringsmediumet; , _ en gemensam elektrod, vilken är anordnad på och är utsträckt över den andra av lagringselementets ljusmot- tagningssida och ljusutträdessida; och ett som en ljusstyrd omkopplare fungerande, foto- konduktivt skikt med ljusberoende elektrisk resistans, vilket skikt är anordnat över och i elektrisk kontakt med elektrodmatrisen på dennas från lagringselementets - vända sida, varigenom ett elektriskt fält är selektivt appli- cerbart över en given minnespunkt hos lagringselementet genom selektiv belysning av motsvarande punkt på det fo- tokonduktiva skiktet under påläggning av en elektrisk spänning mellan det fotokonduktiva skiktet och den ge- mensamma elektroden.

I ett optiskt minne enligt uppfinningen kan varje minnespunkt hos lagringsmediumet sålunda effektivt och snabbt adresseras med hjälp av en mot minnespunkten rik- tad ljusstråle, företrädesvis en noggrant fokuserad la- serstråle.

Det skall observeras att det inte krävs några sepa- rata elektriska tilledningar till de individuella punkt- formiga elektroderna hos_elektrodmatrisen. Detta möjlig- gör en extremt hög packningstäthet av det optiska min- nets minnespunkter. Som ett icke begränsande exempel kan matriselektrodens elektrodpunkter ha en utsträckning på ca 1 um och ligga på ett inbördes avstånd på ca 1 um.

Detta ger 50 000 x 50 000 = 25 miljoner minnespunkter per kvadratcentimeter ljusmottagande yta hos minnets lagringsmedium. 50-1 106 10 15 20 25 30 35 Lnskriyging Inskrivning av önskad information, såsom logisk 1 eller 0, i en specifik minnespunkt hos det optiska min- net enligt uppfinningen utföres på följande sätt.

En styrspänning, som kan bringa lagringselementet i det stabila optiska tillstånd som representerar nämnda önskade information, pålägges mellan det fotokonduktiva skiktet och den gemensamma elektroden. Samtidigt adres- seras den specifika minnespunkten med hjälp av en ljus- stråle, vilken riktas mot den elektrodpunkt som samman- faller med den specifika minnespunkten. Det fotokonduk- tiva skiktet kommer då att i sin belysta punkt uppvisa en reducerad elektrisk resistans jämfört med sin o- belysta del. Vid den belysta minnespunkten kommer därför en relativt större del av den pålagda styrspänningen att ligga mellan elektrodmatrisens "belysta" elektrodpunkt och den gemensamma elektroden, dvs över lagringselemen- tets motsvarande minnespunkt. Det stabila tillståndet hos den belysta minnespunkten blir sålunda bestämt av den pålagda styrspänningen.

Obelysta områden hos det fotokonduktiva skiktet uppvisar inte någon dylik reducerad elektrisk resistans.

Vid obelysta minnespunkter kommer därför en relativt större del av den pålagda styrspänningen att ligga över det fotokonduktiva skiktet och en relativt liten del att _ ligga mellan de "obelysta" elektrodpunkterna och den ge- mensamma elektroden. De stabila optiska tillstånden hos obelysta minnespunkter, dvs tidigare lagrad information i obelysta minnespunkter, kommer alltså inte att påver- kas av ljusstrålen, trots närvaron av styrspänningen mellan det för alla minnespunkter gemensamma fotokonduk- tiva skiktet och den för alla minnespunkter gemensamma elektroden.

För inskrivning av information i det optiska minnet enligt uppfinningen kan man således med hjälp av en ljusstråle adressera en specifik minnespunkt bland ett 10 15 20 25 30 35 501 106 5 mycket stort antal minnespunkter, och med hjälp av det fotokonduktiva skiktet skapa ett elektriskt fält över lagringselementet begränsat till just den del av lag- ringselementet som i ljusstrålens riktning sammanfaller med den belysta minnespunkten.

Tack vare att lagringselementet har stabila till- stånd, kommer information som har skrivits in i en min- nespunkt att kvarstå oförändrad även efter det att ljus- strålen och därmed det elektriska fältet har avlägsnats från minnespunkten.

Utläsning Utläsning av lagrad information från en specifik minnespunkt hos det optiska minnet enligt uppfinningen kan göras på följande sätt. å I motsatts till inskrivningsförfarandet enligt ovan pålägges vid utläsning inte någon styrspänning mellan det fotokonduktiva skiktet och den gemensamma elektro- den. Den specifika minnespunkten adresseras dock på samma sätt som vid inskrivning med hjälp av en ljus- stråle riktad mot den med minnespunkten sammanfallande elektrodpunkten. Eftersom någon styrspänning inte är på- lagd, kommer den resistansminskning som uppstår vid mot- svarande belysta punkt hos det fotokonduktiva skiktet inte att påverka den information som har lagrats i den _ adresserade (belysta) minnespunkten. För utläsning av den information som har lagrats i den adresserade min- nespunkten, dvs för bestämning av lagringselementets stabila optiska tillstånd i den belysta minnespunkten, utnyttjas det faktum att ljusstrålen kommer att påverkas olika i beroende det lagrade optiska tillståndet i den adresserade minnespunkten. Genom detektering av denna påverkan på ljusstrålen kan den adresserade minnespunk- tens optiska tillstånd, dvs den däri lagrade informatio- nen,'faststä1las. '501 10 15 _20 25 30 106 6 Olika optiska tillstånd = Olika transmittans Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen svarar de olika optiska tillstånden hos lagringselemen- tet mot olika ljustransmittanstillstånd hos lagringsme- diumet. Enligt denna utföringsform kan man använda ett par av korsställda polarisatorer anordnade på vardera sidan om lagringselementet i förening med ett lagrings- element vars molekyler är påverkbara av ett överlagrat elektriskt fält och kan vrida ljusvektorn hos en infal- lande, polariserad ljusstråle i olika grad i beroende av det pålagda fältet. ' Ljuskänsligt skikt för utläsning För detektering av sådana olika ljusstranmittans- tillstånd hos lagringsmediumet är det optiska minnet en- ligt uppfinningen företrädesvis försett med ett ljus- känslig skikt anordnat på lagringsmediumets ljusutträ- dessida för mottagning av och detektering av intensite-~ ten hos en ljusstråle som riktas genom en minnespunkt i lagringsmediumet.

Positionskängligt skikt För detektering av aktuell adresserad minnespunkt innefattar det optiska minnet enligt uppfinningen före- trädesvis ett ljus- och positionskänsligt skikt utnytt- jande fotolateral effekt för bestämning av träffpunkten hos en mot lagringsmediumet riktad ljusstråle. Ett sådan positionskänsligt skikt är företrädesvis tvådimensio- nellt och är användbart vid såväl inskrivning och utläs- ning av information. Det är dock tänkbart att utesluta ett sådan positionskänsligt skikt om styrningen av ljus- strålen kan göras tillräckligt exakt på annat sätt. 10 15 20 25 30 501 106 gaterialval Ett lagringselement ingående i ett lagringsmedium hos ett optiskt minne enligt uppfinningen kan exempelvis innefatta en ferroelektrisk flytande kristall (i det följande benämnd FLC), en PLZT-keramik eller -tunnfilm, eller ett material som utnyttjar elektrooptisk effekt baserad på elektrokromism. Nämnda material är dock en- dast exemplifierande. De skiljer sig i sådana egenskaper som hastighet, strömförbrukning och erforderlig fält- styrka för excitering.

Nedanstående tabell visar en icke begränsande, ex- emplifierande jämförelse mellan nämnda lagringselement.

MATERIAL HASTIGHET ELEKTRISKT TJOCKLEK FÄLT 1 FLc' 10 us 10 valt i 10u PLZT-keramik 10 ps 10 kV/cm 100p PLZT-tunnfilm 5 fls 5 volt < 1 u Elektrokrom 50 ms 1 volt l0Ou En tänkbar variant är att för lagringselementet använda ett material som är styrbart mellan tre eller fler stabila optiska tillstånd, exempelvis så att olika optiska tillstånd svarar mot transmittans av olika fär- ger.

Elera lagringsnivåer För att öka lagringskapaciteten hos en yta med gi- ven storlek kan man öka minnespunkternas upplösning, dvs reducera punkternas storlek och/eller deras inbördes av- stånd. Det är emellertid också möljigt att modifiera det optiska minnet så att man i varje minnespunkt lagra mer än en bit. V För åstadkommande av en sådan möjlighet till lag- ring av mer än en bit i varje minnespunkt kan det op- tiska minnet enligt uppfinningen i en föredragen utfö- ringsform innefatta två eller flera, speciellt fyra el- 501 10 15 20 25 30 35 106 8 ler åtta, på varandra anordnade lagringsnivåer med var sitt lagringsmedium av ovannämnda slag, varvid varje minnespunkt i denna utföringsform har ett motsvarande antal minnespositioner. Således kan exempelvis speciellt fyra respektive åtta bitar lagras i varje minnespunkt.

Förutom den ökade lagringskapaciteten reduceras i mot- svarande grad inskrivningstid och åtkomsttid. I en sådan utföringsform med flera lagringsnivåer behövs emellertid endast två polarisatorer, ett positionskänsligt skikt och ett ljuskänsligt detekteringsskikt av ovanbeskrivna slag. Däremot krävs i varje lagringsnivå ett fotokonduk- tivt skikt, en elektrodmatris, ett lagringselement och en gemensam elektrod.

Avlänkningsorgan Det optiska minnet enligt uppfinningen kan företrä- desvis innefatta elektriskt styrbara organ för avlänk- ning av en ljusstråle mellan det optiska minnets olika minnespunkter. För detta ändamål kan man använda dels en första akustooptisk eller elektrooptisk kristall för av- länkning i en första avlänkningsriktning, dels en andra akustooptisk eller elektrooptisk kristall för avlänkning av ljusstrålen i en mot den första avlänkningsriktningen vinkelrät andra avlänkningsriktning.

Som ljuskälla används företrädesvis en halvledarla- ser, som kan utgöra en integrerad del av det optiska minnet.

Flera minnesceller Enligt en speciellt föredragen utföringsform inne- fattar det optiska minnet enligt uppfinningen ett fler- tal vid sidan om varandra anordnade minnesceller, vilka var och en innefattar ett lagringsmedium av ovan be- skrivna slag för mottagning av var sin ljusstråle.

Enligt denna utföringsform blir minnets "hierarki" följande. Minnet har ett flertal minnesceller (var och 10 15 20 25 30 35 501 106 9 en med en ljusmottagande yta på exempelvis 1 cm2), och det lagringsmedium som ingår i varje minnescell har var sin uppsättning av ett flertal minnespunkter, vilka i sin tur kan ha en eller flera lagringsnivåer eller min- nespositioner.

Varje sådan minnescell är avsedd att mottaga sin egen ljusstråle för inskrivning och utläsning, vilken ljusstråle därvid avlänkas endast mellan minnespunkter ingående i just denna minnescell. Det föreligger således lika många ljusstrålar som minnesceller. Ett sådant flertal ljusstrålar kan exempelvis alstras med hjälp av ett laserdiodfält innefattande en matris av individuella halvledarlasrar. Det är dock också tänkbart att ha en- dast en ljuskälla i kombination med stråldelning.

Parallell avlänkning För parallell inskrivning i och parallell utläsning från flera sådana minnesceller åt gången, kan det op- tiska minnet innefatta ett avlänkningsorgan inrättat att åstadkomma en samtidig och lika stor avlänkning av var och en av minnescellernas ljusstrålar. För detta ändamål kan man använda akusto- eller elekrooptiska kristall- skikt av ovan beskrivna slag som är gemensamma för flera eller alla minnescellerna hos det optiska minnet.

Ovanstående och andra särdrag hos uppfinningen är upptagna i de bifogade patentkraven. esk in av utfö ' sexem e Uppfinningen skall nu beskrivas närmare genom utföringsexempel, under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig 1 är en schematisk tvärsektion av ett utfö- ringsexempel av ett uppfinningsenligt optiskt minne av enkellagertyp.

Fig 2A-2D är schematiska planvyer av delkomponenter ingående ett optiskt minne enligt uppfinningen 501 10 15 20 25 30 106 10 Fig 3 är en schematisk, delvis bortbruten tvärsek- tion av en minnescell hos det optiska minnet i fig 1.

Fig 4 är en schematisk illustration för förklaring av läs- och skrivoperationer på det optiska minnet i fig 1-3 och åskådliggör speciellt därtill ansluten kringe- lektronik.

Fíg 5 är en fig 3 motsvarande tvärsektion; men av. ett annat utföringsexempel av en uppfinningsenligt op- tiskt minne av en multilagertyp.

Fig 6 är en schematisk illustration för förklaring av läs- och skrivoperationer på det optiska minnet i fig 5 och åskådliggör speciellt därtill ansluten kringelek- tronik.

Fíg 7 är en illustration för förklaring av funktio- nen hos utförandet i fig 5.

Fig 8 är ett tredimensionellt stapeldiagram som vi- sar lagringskapacitet hos ett optiskt minne enligt upp- finningen som funktion av antal minneceller och antal lagrinsnivåer.

Fig 9 är ett tredimensionellt stapeldiagram som visar skrivtid hos ett optiskt minne enligt uppfinningen som funktion av antal minnesceller och antal lagringsni- våer. “ Egkglgivå - konstruktion Ett första utföringsexempel av ett optiskt minne enligt uppfinningen skall nu beskrivas under hänvisning till fig 1.

Det optiska minnet i fig 1 är har inga mekaniskt rörliga delar och är åtminstone delvis (nertill i fig 1) uppbyggt som en laminerad flerskiktsstruktur, vars fy- siska mått är huvudsakligen beroende av önskad lag- ringskapacitet hos minnet. I 10 15 20 25 30 35 501 106 11 Lgsergiogfiält 1 Överst i strukturen i fig 1 finns ett laserdiodfält generellt betecknat med 1, innefattande ett flertal halvledarlaserdioder 2 för utsändning av var sin laser- stråle 3 nedåt i strukturen. Laserdioderna 2 är anord- nade på lika inbördes avstånd i ett N x M rutnät. Fig 2A, som är en schematisk planvy av ett dylikt laserdiod- fält 1 i naturlig storlek, visar ett rutnät med 4x4=16 laserdioder 2. I utförandena i fig 1 och 2A är laserdio- derna 2 belägna på ett inbördes avstånd på ca 10 mm.

Det optiska minnet i fig 1 har en vad som här be- .nämnes minnescell för varje laserdiod 2. Ett optiskt minne med ett laserdiodfält 1 enligt fig 2A har således totalt sexton minnesceller. Det optiska minnet enligt uppfinningen kan dock ha betydligt fler minneceller än de sexton som visas i fig 2A, varför utförandet i fig 1 illustrerar en utbruten del av en minnesstruktur med ett större antal minnesceller med var sin laserdiod 2. I fig 1 är varje separat minnescell generellt markerad med hänvisningsbeteckning 11.

Ko ' e ' s ' ss s m Under laserdiodfältet 1 finns ett kollimeringslins- system 4, innefattande en kollimeringslins 5 för varje laserstråle 3. Kollimeringslinserna 5 är centrerade mot respektive laserdiod 2 och har till uppgift att kolli- mera den från laserdiodfältet 1 utsända laserstrålema- trisen 3.

Avlänkningssystem 6, 7 Under kollimeringslinssystemet 4 finns ett elek- trooptiskt (E0) eller akustooptiskt (A0) avlänkningssys- tem 5, 7 för avlänkning av den kollimerade laserstråle- matrisen 3. Avlänkningssystemet hos det optiska minnet i fig 1-är av akustooptisk typ och innefattar dels en för- sta A0-kristall 6 för avlänkning av laserstrålarna 3 i 501- 106 10 15 20 25 30 35 12 *- y-led (vinkelrätt mot ritningsplanet i fig 1), dels en andra AO-kristall 7 för avlänkning av laserstrålarna 3 i x-led (höger-vänster i fig 1). 2 Uppgiften hos avlänkningssystemet 6,'7 är att nog- grant positionera laserstrålarna 3 i x-led och y-led.

Detta åstadkommes genom att det på kristallskiktet 6 re- spektive 7 appliceras högfrekventa spänningssignaler,» typiskt på 50-80 Mhz. Avlänkningen kan göras noggrant linjärt beroende av pålagd frekvens, och en arbiträr centrumfrekvens kan svara mot ingen avlänkning.

Det är känt för en fackman inom teknikområdet att detta linjära samband mellan styrfrekvens och avlänkning kan göras så exakt, att man ytterst noggrant kan för- utsäga x- resp y-avlänkningen för laserstrålarna 3 för givna pålagda frekvenser på kristallskikten 6 och 7.

'I fig 1 är avlänkningskristallerna 6 och 7 ut- sträckta över väsentligen hela strukturen i x-led och y- led och är således gemensamma för samtliga minnesceller 11. Alla laserstrålarna 3 avlänkas därför gemensamt och unisont, vilket kan liknas vid ett sädesfält där alla strån böjer sig i en och samma riktning vid en ändrad vindriktning. Denna egenskap hos det optiska minnet i fig 1 ger en mycket betydande fördel, genom att den möj- liggör parallell inskrivning och utläsning av hela eller delar av flerbitsord, såsom skall beskrivas i detalj längre fram.

Med andra ord föreligger det i fig 1 inte någon in- dividuell adressering för avlänkning av laserstrålarna 3. Styrningen av avlänkningskristallskikten 6 resp 7 re- aliseras enkelt genom att man på periferisidor hos dessa ansluter spänningselektroder, såsom schematiskt visat vid hänvisningsbeteckningar 6a respektive 7a i fig 1.

'Ett dylikt AO-avlänkningssystem 6, 7 kan i prakti- ken tillveras utifrån enkristallin telluriumdioxid (Te02), som utnyttjar anisotropisk braggdiffraktion. Re- aktionshastigheten hos ett sådant avlänkningssystem kan 10 15 20 25 30 35 501 '106 13 * vara någon mikrosekund. Detta är dock endast ett av många möjliga materialexempel.

Som alternativ kan det optiska minnet istället ha ett separat avlânkningssystem för varje laserstråle 3.

Sådana separata avlänkningssystem kan styras antingen parallellt, varvid i princip samma-avlänkningsfunktion som i fig 1 erhålles, eller individuellt med separata tilledningar, vilket ger möjlighet till individuell av- länkning av laserstrålarna 3. Sistnämnda alternativ torde dock medföra en relativt komplicerad styrning av det optiska minnet.

Scanningoptiksmatris 8 Under och på avstånd från avlänkningssystemet 6, 7 Afinns en scanningoptiksmatris generellt betecknad med 8, innefattande ett flertal scannninglinser 9, en för varje laserstråle 3. Scanninglinserna 9 kan exempelvis vara av typ F-theta-lins. Fig 2B, som är en schematisk planvy av en dylik scanningoptikmatris 8 i naturlig storlek, visar en matris med sexton scanninglinser 9 hörande till de sexton laserdioderna 2 i fig 2A.

Lagriggsmegium 19 (=gQ-29) Nedanför scanningoptikmatrisen 8 finns minnets egentliga lagringsmedium 10, på vilket laserstrålarna 3 fokuseras såsom visas i fig 1, speciellt i detaljförsto- ringen nertill på samma ritningsblad av en del av en minnescell 11. __ Lagringsmediumet 10 är en laminerad struktur för varje minnescell 11, vars höjd i utförandet i fig 1 som icke begränsande exempel kan vara i storleksordningen några få centimeter.

Fig 3, vartill nu hänvisas, visar en förstorad tvärsektion av en enda minnescell 11 hos lagringsmedi- umet 10 i fig 1, exempelvis minnecellen x6 längst höger i fig 1. 501 10 15 20 25 106 14 Polarisator 20 och substrat 21 Den fokuserade laserstrålen 3 passerar först en första polarisator 20 och därefter ett substrat 21, vil- ket med ett noggrant specificerat brytningsindex slutfo- kuserar laserstrålen 3 till ca 0,8 m.

PSD-skikt 22 Den slutfokuserade laserstrålen 3 når därefter ett genomlysningsbart fotoskikt 22, vilket utgöres av en ljuskänslig, tvådimensionell lateral posionsdetektor som i det följande benämns PSD-skikt (eng. positional sensi- tive device).

PSD-skiktet 22 har till uppgift att detektera posi- tionen i både x-led och y-led hos den avlänkade laser- strålens 3 träffpunkt på den specifika minnescellen 11.

I utförandet i fig 1 har varje minnescell 11 sitt eget separata PSD-skikt 22 på det sätt som schematiskt visas i planvyn i fig 2C, som åskådliggör hur ett optiskt minne med 4x4=16 minnesceller 11 har motsvarande sexton separata PSD-skikt 22 med sidomått på ca 1 x 1 cm.

Lagringselement 23 Längre ner i lagringsmediumet 10 i fig 3 finns ett bistabilt lagringselement 23, såsom en ferroelektrisk flytande kristall (FLC), en PLZT-keramik eller ett mate- rial som utnyttjar elektrooptisk effekt baserad på elek- trokromism. Lagringselementets 23 uppgift är att lagra information svarande mot binärt 1 eller 0. Lagringsele- mentet 23 i fig 1 antas vara ett FLC-skikt. 10 15 20 25 30 35 501 106 15 '- E ektrodmatris 24 och isolerin 25 Ovanför och i kontakt med lagringselementet 23 finns en elektrodmatris 24 innefattande ett rutnät av elektriskt inbördes isolerade, genomlysningsbara elek- trodpunkter mellan vilka är anordnad en isoleringsmatris 25. Några tilledningar till de enskilda elektrodpunk- terna föreligger inte.

Storleken hos och avståndet mellan elektrodmatri- sens 24 elektrodpunkterna är i det visade utförandet ca 1 um, varvid varje elektrodpunkt svarar mot en minnes- punkt hos minnescellen 11. Varje minnescell 11 har där- för 10mm/2um = 50 000 minnespunkter i varje riktning, dvs totalt 50 000 x 50 000 = 25 miljoner minnespunkter.

Gemensam elektrod 2§ _ Under och i kontakt med lagringselementet 23 finns en andra genomlysningsbar elektrod 26, vilken är gemen- sam för alla de 25 miljoner minnespunkterna hos min- nescellen 11 och vilken är utssträckt i xy-planet över hela minnescellen 11.

Eotokonduktivt skikt 27 Mellan nämnda PSD-skikt 22 och nämnda elektrodma- tris 24 finns ett för hela minnescellen 11 gemensamt, genomlysningsbart fotokonduktivt skikt 27 med ljusinten- sitetsberoende resistans. Detta fotokonduktiva skikt 27 fungerar som en ljusstyrd omkopplare, vars uppgift är att slå till respektive från ett elektriskt fält mellan elektrodmatrisens 24 elektrodpunkter och den gemensama elektroden 26, om en elektrisk styrspänning är ansluten mellan det fotokonduktiva skiktet 27 och den gemensamma elektroden 26.

Funktionen hos det fotokonduktiva skiktet 27 är följande. En av laserstrålen 3 belyst punkt P på det fo- tokonduktiva skiktet 27 kommer att ha en låg elektrisk resistans relativt obelysta områden hos skiktet 27. Vid '501 10 15 20 25 30 106 16 en sådan belyst minnespunkt kommer därför en större del av den mellan skikten 27 och 26 pålagda styrspänningen att ligga mellan elektrodskikten 24 och 26, dvs över lagringselementet 23, men observera endast i den belysta punkten. I obelysta minnespunkter i samma minnescell 11 kommer en relativt större del av den pålagda styrspän- ningen att ligga över det fotokonduktiva skiktet 27, ef- tersom detta har en relativt hög resistans vid obelysta minnespunkter, varför en relativt mindre del av spän- ningen kommer att ligga över lagringselementet 24.

Minnets lagringsfunktion Med den ovan beskrivna strukturen kan man således genom avlänkning av laserstrålen 3 adressera en specifik minnespunkt P i minnescellen 11 bland dennas 25 miljoner minnespunkter, och med hjälp av det fotokonduktiva skik- tet 27 skapa ett elektriskt fält över den del av lag- ringselementet 23 som ligger under den belysta punkten P, dvs lagra binärt 1 eller 0 i denna minnespunkt. Fysi- kaliskt vrids FLC-molekylerna och ljusvektorn 90 grader i förhållande till nämnda polarisator 20.

Eftersom lagringselementet 23 är bistabilt, bibe- hålles tidigare lagrad binär information oförändrad i obelysta minnespunkter.

Eglgrisgtor (ggalysgtgr) 28 För utläsning av binär information lagrad på detta sätt i en minnespunkt P hos minnescellen 11 i fig 3 finns under den gemensamma elektroden 26 en andra pola- risator (analysator) 28, vars polarisationsvinkel är 90 grader vriden relativt den första polarisatorn 20 och vars uppgift är att släppa igenom eller blockera en la- serstråle 3 som passerat genom det bistabila FLC-lag- ringselementet 23. 10 15 20 25 30 35 501 106 17 Ljuskägsilgt skikt 29 Under polarisatorn 28 finns ett amorft ljuskänsligt skikt 29, vars uppgift är att detektera statusen hos den aktuella minnespunkten vid utläsning av lagrad informa- tion. Under skiktet 29 finns slutligen ett substrat 30.

Ovanstående funktion hos det fotokänsliga skiktet 29 för utläsning av lagrad information kan också använ- das i samband med inskrivning i minnet för kontroll av att den information som skall skrivas in verkligen lag- raS.

Enkelnivå - funktion Ett exempel på hur man i praktiken kan realisera _inskrivning i och utläsning från det optiska minnet i fig 1 och 3 skall nu närmare beskrivas under hänvisning till fig 4.

Fig 4 visar dels i perspektiv en utbruten del av en minnescell 11 enligt fig 3, innefattande dock endast två minnespunkter, dels i blockform därtill ansluten kringe- lektronik. Organen för alstring, kollimering, avlänkning och fokusering av laserstrålen 3 visas inte i fig 4.

Inkommande binär datainformation 40 och läs- och skrivstyrsignaler 41 och 42 inmatas och mellanlagras i en databuffert 43. Dessa signaler vidarematas till ett en enhet 44, som är en kombinerad skiftregis- ter/omkopplare-anordning med uppgift att skifta ut den parallella datainformationen till en serie pulser, vilka är nivå-anpassade till en spänningsnivå erforderlig för excitering av FLC-lagringselementet 23. En generator 45 alstrar en signal +V för skrivning av logisk 1, och en generator 46 alstrar en signal -V för skrivning av lo- gisk 0.

Varje gång laserstrålen 3 flyttas av avlänkningsor- ganen från en minnespunkt till en annan, beräknas aktu- ell xy-position i en enhet 47, som mottager positions- 501 106 10 15 20 25 30 35 18 signaler 48 från PSD-skiktet 22. Aktuell position hos laserstrålen 3 beräknas enligt följande: X = (x1-x2)/(x1+x2) Y = (Y1'Y2)/(Y1+Y2) där xl, x2, yl, y2 representerar spänningssignalerna 48 från PSD-skiktet 22. En skillnadssignal 49 från enheten 47, vilken enhet således kan detektera om strålen 3 är korrekt riktad mot en minnespunkt, avges till enheten 44 för att blockera eller släppa igenom en skrivpuls 50 från en D-utgång hos enheten 44. Skrivpulsen 50, repre- senterande +V eller -V för skrivning av logisk 1 respek- tive 0, läggs på det fotokonduktiva skiktet 27, under det att den gemensamma elektroden 26 är jordad vid 51.

Utläsning av data från en minnespunkt hos min- nescellen i fig 4 utföres genom att laserstrâlen 3 av- länkas mot minnespunkten. Det ljuskänsliga skiktet 29 på lagringsmediumets 10 ljusutträdessida kommer därigenom att alstra en signal 52, vilken detekteras av en kompa- rator 53 och vars storlek indikerar om minnespunktens optiska tillstånd är logisk 1 eller 0. Utläst data från minnet erhålles vid komparatorns 53 utgång 54. u t' 'v - t ö and Ett andra utföringsexempel av ett optiskt minne en- ligt uppfinningen skall nu beskrivas under hänvisning till fig 5-7.

Fig 5 är en mot fig 3 svarande tvärsektion av en minnescell 11 hos ett lagringsmedium 10 ingående i ett optiskt minne enligt uppfinningen. Minnescellen i fig 5 har på samma sätt som minnescellen i fig 3 ett stort an- tal minnespunkter, vilka är fördelade i ett matris- mönster och vilka är individuellt adresserbara med hjälp av en ljusstråle 3. Komponenter motsvarande delarna 1-9 i fig 1 kan med fördel användas även för utförandet i fig Sf 10 15 20 25 30 35 501 106 19 Lagringsmediumet i fig 5 innefattar på samma sätt som lagringsmediumet i fig 3 en polarisator 20, ett slutfokuserande substrat 21, ett PSD-skikt 22, en analy- serande polarisator 28 och ett ljuskänsligt fotoskikt 29, vilkas funktion är samma som hos utförandet i fig 3 och därför inte behöver förklaras ytterligare.

Lagringsmediumet i fig 5 har emellertid fyra lag- ringsnivåer NO-N3, till skillnad mot lagringsmediumet i fig 3 som endast har en dylik lagringsnivå. Den understa nivån NO innefattar (i riktning uppifrån och ner) ett fotokonduktivt skikt 27-0, en elektrodmatris 24-0 med inbördes isolerade elektrodpunkter, ett lagringselement 23-0 med åtminstone två stabila optiska tillstånd, och en gemensam elektrod 26-0. På motsvarande sätt innefat- tar de tre andra nivåerna N1-N3 var sitt fotokonduktivt skikt 27-1, 27-2 respektive 27-3; var sin elektrodmatris 24-1, 24-2 respektive 24-3; var sitt lagringselement 23-1, 23-2 respektive 23-3; och var sin gemensam elek- trod 26-1, 26-2 respektive 26-3. Substrat 30 är anord- nade mellan nivåerna och under nivån NO.

Nivåerna är väsentligen identiska förutom att de har olika tjocka lagringselement 23. I fig 5 har nivå NO det tjockaste lagringselementet 23-0, medan nivån N3 har det tunnaste lagringselementet 23-3.

Genom lämpligt val av tjocklekarna kan de fyra ni- våerna presentera en 16-gradig gråskala. Med andra ord kan ett 4-bit ord lagras i varje minnespunkt. I den be- lysta minnespunkten i fig 5 är exempelvis lagrat (räknat underifrån) de optiska tillstånden mörkt-ljust-mörkt- ljust, representerande exempelvis den binära informatio- nen 1010.

Det är uppenbarligen av vikt att tjockleken hos de fyra lagringselementen 23-0 - 23-3 väljes på ett sådant sätt, att varje avkänd ljusintensitet på fotoskiktet 29 vid en minnespunkt motsvarar en och endast en av de sex- ton möjliga tillståndskombinationerna hos de fyra lag- 501 10 15 20 25 30 35 106 20 ringsnivåerna i en minnespunkt. Fig 7 visar ett exempel på hur detta kan åstadkommas. Tjockleken hos lagringse- lementen 23 i nivåerna NO-N3 är i detta exempel valda på följande sätt. Mörkt tillstånd endast i nivå NO och ljust tillstånd i var och en av nivåerna N1-N3 ger en relativ transmittansreduktion på 50%, såsom visas i den streckmarkerade boxen till vänster i fig 7. På motsva-_ rande sätt ger mörkt tillstånd i endast N1 en transmit- tansreduktion på 25%, medan N2 och N3 ger 15% respektive 5% reduktion. Fig 7 visar i rutan till höger samtliga sexton möjliga kombinationer av ljust och mörkt till- stånd hos de fyra nivåerna NO-N1, och det framgår härav att man genom detektering av transmittera ljusintensitet entydigt kan avgöra vilken kombination den belysta min- nespunkten har, dvs vilket 4-bit ord som är lagrat.

Fördelen med flera lagringsnivåer är dels en ökad minneskapacitet per yta, dels en ökad skriv- och läshas- tighet tack vare att fler bitar skrivs och läses samti- digt i en minnespunkt.

I fig 5 lagras 4 bitar i en minnespunkt, men det inses att detta antal kan ökas till 8 eller fler enligt samma principer, svarande mot exempelvis en 256-gradig gråskala. flgltinivå - funktion Ett exempel på inskrivning i och utläsning från ett optiskt minne med ett lagringsmedium med flera lagrings- nivåer enligt fig 5 skall nu närmare beskrivas under hänvisning till fig 6.

Fig 6 visar dels i perspektiv en utbruten del av en minnescell 11 enligt fig 5, innefattande dock endast två minnespunkter, dels i blockform därtill ansluten kringe- lektronik. Organen för alstring, kollimering, avlänkning och fokusering av laserstrålen 3 visas inte i fig 6.

Lika delar i fig 4 och 6 har samma hänvisningsbe- teckningar och fungerar på väsentligen samma sätt. 10 V15 20 25 30 35 so1 106' 21 Åtta binära databitar DO-D7 (signaler 40) mellan- lagras i en databuffert 43 tillsammans med läs- och skrivstyrsignalerna 41 respektive 42. D0-D7 delas upp i två 4-bit ord, vilka mellanlagras i en buffert 55. I bufferten 55 urskiljes läs- och skrivstyrsignalerna 41 och 42 för vidarematning till en omvandlare 56.

Databitar DO-D3 från bufferten 55 matas också till omvandlaren 56, vars uppgift är att anpassa dessa fyra databitar till fyra spänningar, som skall representera en 16-gradig analog grâskala. Utsignaler DO-D3 från om- vandlaren 56 motsvarar således en analogt lagrad gråska- leinformations digitala värde.

Omvandlaren 56 fungerar som en nivåomkopplare för omvandling av informationen till skrivpulser (+V för lo- gisk 1 och -V för logisk 0) med hjälp av generatorer 45 och 46.

Skrivstyrsignalen 42 tillåter närvaro av skrivpul- ser D0-D3 på nivåomkopplarens 56 utgångar. Lässtyrsigna- len 41 blockerar nívåomkopplarens 56 utgångar för D0-D3, när utläsning sker från minnet.

Inskrivning i lagringsmediumet 10 i fig 6 utföres på följande sätt. Antag att den information som skall lagras från bufferten 55 har följande värde och skall skrivas in i den högra av de två minnescellerna i fig 6: D0= l, Dl= 0, D2= 1, D3= 0 För denna information kommer nivåomvandlarens 56 utgångar D0-D3 att anta följande spänningsvärden: D0= +V, Dl= -V, D2= +V, D3= -V Spänningen D0= +V är pålagd mellan det fotokonduk- tiva skiktet 27-0 och den gemensamma elektroden 26-0 hos den nedersta nivån NO. I den belysta minnescellen kommer lagringselementet 23-0 (se fig 5) hos lagringsnivån NO 501 10 15 20 25 30 35 106 22 därför att exciteras till ett mörkt tillstånd svarande mot logisk 1.

Spänningen D1= -V är pålagd mellan det fotokonduk- tiva skiktet 27-1 och den gemensamma elektroden 26-1 hos den näst nedersta nivån N1. Om lagringselementet 23-1 hos lagringsnivån N1 tidigare var exciterat till logisk 1 (mörkt tillstånd), kommer det nu att exciteras till ett ljust tillstånd svarande mot inskriven binär infor- mation logisk 0. Om lagringselementet 23-1 tidigare var exciterat till logisk 0 (ljust tillstånd), kan D1= -V ej påverka och lagringselementet 23-1 förblir i ljust till- stånd, dvs logisk 0.

Motsvarande gäller för spänningarna D2 och D3 för de två översta lagringsnivåerna N2 respektive N3.

Den binära informationen DO-D3 (1010) från buffer- ten 55 lagras således med följande optiska tillstånd i den högra minnescellen i fig 6, räknat nerifrån: mörkt - ljust - mörkt -ljust Utläsning av sådan lagrad information från lag- ringsmediumet i fig 6 utföres genom att laserstrålen 3 avlänkas mot den aktuella minnespunkten. Det ljuskäns- liga skiktet 29 på lagringsmediumets 10 ljusutträdessida kommer därigenom att alstra en signal 52, vilken repre- senterar den resulterande transmittansen från minnes- punktens fyra lagringsnivåer NO-N3. Den analoga detekte- ringssignalen 52 omvandlas i en analog-digitalomvandlare 57, vilken arbetar enligt den i fig 7 visade principen, till 4-bit digital binärinformation på utgångar DO-D3, som därvid avger de logiska signalerna 1010, dvs samma information som tidigare har inlästs från buffertens 55 utgångar D0-D3.

Lagringskapaciteten hos ett optiskt minne enligt uppfinningen kan göras mycket hög. Som exempel antas att varje minnescell har måtten 1 cm x 1 cm och att minnes- 10 15 20 25 30 501 106 23 punkternas inbördes avstånd och storlek är lfiáh. Med dessa värden innehåller en minnescell med endast en lag- ringsnivå 50 000 x 50 000 = 25 miljoner bitar, dvs 25 miljoner/8 = 3,125 Mbyte. En Minnescell med samma yta (en kvadratcentimeter), men med fyra lagringsnivåer kan lagra 3,125 megabyte x 16 = 50 Mbyte. På motsvarande sätt kan minneskapaciteten hos ett optiskt minne med ex- ' empelvis fyra minnesceller (detta fall är markerat med fet stil i nedanstående tabell och svarar mot utförandet i fig 2A-2D) beräknas till 50 Mbyte för en nivå, 800 Mbyte för fyra nivåer respektive 3200 Mbyte för åtta ni- våer. De i nedanstående tabell framräknade värdena på lagringskapacitet åskådliggöres i stapeldiagrammet i fig 7.

Lagringskapacitet uttryckt i Mbyte Celler 1 2x2 3x3 4x4 5x5 6x6 7x7 1 Nivå 3,125 12,5 28,3 so 18,1 112,2 153 4 nivåer so 200 450 aoo 1250 1soo 2450 a nivåer zoo soo 1soo :zoo sooo 72oo ssoo Även skrivhastigheten är mycket hög hos det optiska minnet enligt uppfinningen, vilken hastighet speciellt ökar med ökande lagringskapacitet hos minnet. som illus- trerande exempel antas att skrivhastigheten i varje min- nespunkt är 10 ms. Inskrivning av 1 Mbyte i ett optiskt minne med endast en minnescell och en lagringsnivå tar således 10 sekunder. Inskrivning av 1 Mbyte i ett op- tiskt minne med en minnescell, men med fyra lagringsni- våer tar dock endast 2,5 sekunder. På motsvarande sätt kan 1 Mbyte skrivas in på endast 0,15 sekunder i ett op- tiskt minne med fyra minnesceller och med fyra lagrings- nivåer. För ytterligare nivåer och minnesceller ökar skrivhastigheten dramatiskt, ende tabell. såsom framgår av nedanstå- 501 10 15 20 25 106 24 Skrivhastighet (sekunder) för 1 Mbyte celler 1 2x2 ax: 4:4 5x5 axe 7x7 1Nivå 10 2,5 1,1 0,6 0,4 0,27 0,2 4 nivåer 2,5 0,6 0,27 0,15 0,1 0,07 0,05 s nivåer 1,25 0,35 0,14 0,00 0,05 0,035 0,025 flodifieriggar av de visade utföringsformerga Avlänkningssystemet kan tillverkas på annat sätt, exempelvis med flytande kristaller. Även andra icke- kristallina utföranden är tänkbara. Generellt torde dock icke-mekaniska, elektriskt styrda avlänkningssystem vara mest realistiskt.

Som alternativ till den ovan beskrivna 'utföringsformen, där lagringsmedium och ljuskälla båda är stationära, är det tänkbart att anordna den uppfinningsenliga minnesstrukturen på en roterande skiva, vilken på traditionellt sätt belyses med en ljusstråle, såsom en laser. En sådan skiva skulle därvid vara både skriv- och läsbar. Elektrodpunkterna skulle exempelvis kunna vara anordnade i ett spiralformat spår att följas av ljusstrålen. Användning av flera ljusstrålar samtidigt på en och samma skiva är också tänkbart. För att åstadkomma den erfoderliga styrspänningen över lagringselementet kan man i denna variant tänka sig användning av en eller flera fotoceller anordnade på en yta av skivan och avsedda att mottaga exempelvis ljus från en relativt starkare laserkälla för alstring av den erfoderliga spänningen.

Denna lösning med fotoceller är naturligtvis också tänkbar att använda i förening med de utföranden som beskrivits ovan i förening med ritningsfigurerna. Som lagringselement i en sådan skiva torde ferroelektriskt tunnfilmsmaterial vara användbart tack vare snabbheten hos detta material.

Claims (16)

5 10 15 20 25 30 501 106 25 PATENTKRAV

1. Optiskt minne, innefattande: - ett flertal vid sidan om varandra anordnade min- nesceller (11), vilka var och en är avsedd att mottaga en egen ljusstråle (3) och vilka minnesceller var och en innefattar ett lagringsmedium (10) i vilket ingår: (a) ett lagringselement (23), vilket är styr- bart mellan åtminstone två stabila tillstånd med inbördes olika optiska egenskaper genom påläggning av motsvarande elektriska fält mellan en ljusmot- tagningssida och en motstående ljusutträdessida hos lagringselementet (23); (b) en elektrodmatris (24), vilken är anordnad på den ena av lagringselementets (23) ljusmottag- ~ningssida och ljusutträdessida och uppvisar ett flertal inbördes elektriskt isolerade elektrodpunk- ter fördelade över lagringselementet (23), svarande mot ett motsvarande flertal minnespunkter hos lag- ringsmediumet (10); (c) en gemensam elektrod (26), vilken är an- ordnad på och är utsträckt över den andra av lag- ringselementets (23) ljusmottagningssida och ljus- utträdessida; och (d) ett som en ljusstyrd omkopplare fungeran- de, fotokonduktivt skikt (27) med ljusberoende elektrisk resistans, vilket är anordnat över och i elektrisk kontakt med'elektrodmatrisen på dennas från lagringselementets (23) vända sida, varigenom ett elektriskt fält är selektivt applicerbart över en given minnespunkt hos lag- _ringselementet (23) genom selektiv belysning av motsvarande punkt på det fotokonduktiva skiktet (27) under påläggning av en elektrisk styrspänning 501 10 15 20 25 30 35 2106 26 mellan det fotokonduktiva skiktet (27) och den ge- mensamma elektroden (26), och - elektriskt styrbara organ för åstadkommande av en samtidig och inbördes lika stor förskjutning av träff- punkten hos var och en av minnescellernas (11) ljusstrå- lar (3) på motsvarande minnescell.

2. Optiskt minne enligt kravet 1, k ä n n e - t e c k n a t innefattar ljusstråleavlänkande akusto- eller elektroop- av att de elektriskt styrbara organen tiska kristallskikt (6, 7), vilka är belägna på minnes- cellernas (11) ljusmottagningssida och är gemensamma för flera av eller alla minnescellerna (11) hos det optiska minnet.

3. Optiskt minne enligt kravet 2, k ä n n e - t e c k n a t av: I att minnescellerna (11) är anordnade vid sidan om varandra i rader och kolumner, och att de ljusstråleavlänkande kristallskikten (6, 7) innefattar ett första (6) och ett andra (7) kristall- skikt för avlänkning av ljusstrålarna (3) parallellt med nämnda rader respektive kolumner.

4. Optiskt minne enligt något av de föregående kra- ven, k ä n n e t e c k n a t av att lagringselementet (23) är styrbart mellan tre eller fler stabila tillstånd med inbördes olika optiska egenskaper.

5. Optiskt minne enligt något av de föregående kra- ven, k ä n n e t e c k n a t av att lagringsmediumet (10) vidare innefattar ett ljuskänsligt skikt (29) an- ordnat på lagringselementets (23) ljusutträdessida för mottagning av och detektering av en ljusstråle (3), som är avsedd att riktas genom lagringsmediumet (10) för ut- läsning lagrad information.

6. Optiskt minne enligt något av de föregående kra- ven, k ä n n e t e c k n a t tionskänsligt skikt (22) utnyttjande fotolateral effekt av ett ljus- och posi- 10 15 20 25 30 35 501 106 27 in för bestämning träffpunkten hos en mot lagringsmediumet (10) riktad ljusstråle (3).

7. Optiskt minne enligt kravet 6, k ä n n e - t e c k n a t är tvådimensionellt. av att det positionskänsliga skiktet (22)

8. Optiskt minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att minnet inne- fattar ett antal, större än två, av på varandra anord- nade lagringsnivåer (NO-N3) med var sitt lagringsmedium (10) av nämnda slag, varvid varje minnespunkt har ett antal minnespositioner lika med antalet lagringsnivåer.

9. Optiskt minne enligt kravet 8, k ä n n e - t e C k n a t av att antalet lagringsnivåer (NO-N3) är fyra. b

10. Optiskt minne enligt kravet 9, k ä n n e - t e c k n a t

11. Optiskt minne enligt något av de föregående av att antalet lagringsnivåer är åtta. kraven, k ä n n e t e c k n a t av att lagringsmedi- umet (10) har formen av en laminatstruktur.

12. Optiskt minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t sen (24) är anordnad på lagringselementets (23) ljusmot- av att elektrodmatri- tagningssida och att den gemensamma elektroden (26) är anordnad på lagringselementets (23) ljusutträdessida.

13. Optiskt minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda olika optiska tillstånd hos lagringselementet (23) svarar mot olika ljustransmittanstillstånd hos lagringsmediumet (10). ' '

14. Optiskt minne enligt kravet 13, k ä n n e - t e c k n a t av att lagringselementet (23) har olika ljusvridande egenskaper i nämnda olika optiska tillstånd och att lagringsmediumet (10) vidare innefattar två 90 grader inbördes vinkelställda polarisatorer (20, 28) an- ordnade vid lagringselementets (23) ljusmottagningssida respektive ljusutträdessida för analysering av det op- 501 106 28 tiska tillståndet i lagringselementets (23) minnespunk- ter.

15. Optiskt minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att lagringsele- mentet (23) innefattar en ferroelektrisk flytande kris- tall. _

16. Optiskt minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att lagringsele- mentet (23) innefattar en PLZT-keramik eller tunnfilm. fi”