WO2001088925A1 - Procede de reecriture de donnees dans une memoire optique en trois dimensions fabriquee a partir de verre par impulsion lumineuse ultracourte - Google Patents

Procede de reecriture de donnees dans une memoire optique en trois dimensions fabriquee a partir de verre par impulsion lumineuse ultracourte Download PDF

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Wataru Watanabe
Tadamasa Toma
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Definitions

  • the present invention relates to a method for rewriting data of a three-dimensional optical memory element manufactured in glass using ultrashort light pulses.
  • the present invention eliminates the above-mentioned problems of the prior art, makes it possible to move generated bits, and enables rewriting. Data of one element of a three-dimensional optical memory made in glass by ultrashort light pulses is made possible. The purpose is to provide a rewriting method for.
  • the first ultrashort pulse laser beam was used to store a bit due to the photoinduced refractive index change inside the glass by the light intensity.
  • the three-dimensionally generated bit is irradiated with a second ultra-short pulse laser beam of an energy lower than the first ultra-short pulse laser beam intensity, and the laser beam is irradiated with the bit.
  • the bit is moved by condensing the light at a point shifted by a predetermined distance in the direction opposite to the propagation direction of the laser light from the bit to be moved. Rewriting is performed.
  • the bit is manufactured by using an ultrashort laser beam of 1 ps or less.
  • the method is characterized in that the refractive index is made different from that around the bit by the minute voids generated by the focused irradiation.
  • the glass is silica glass or silicate glass. It is characterized by.
  • the ultrashort pulse laser light is 800 nm.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a rewriting system for one element of a three-dimensional optical memory manufactured using ultrashort light pulses in glass according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of moving an already created bit.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first movement process of a void (bit) according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second movement process of voids (bits) according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a third movement process of the void (bit) of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of the present invention.
  • 1 is an ultrashort light pulse
  • 2 is a focusing lens
  • 3 is glass
  • 4 is a refractive index change region inside the glass. This refractive index change is caused by multiphoton absorption.
  • the refractive index change ⁇ n has a spread around the focal point.
  • the inside of the glass is modified by multiphoton absorption, and the glass is melted by the rewriting laser beam, and voids (gaps) in the vicinity move before new voids are created.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a rewriting system for a three-dimensional optical memory element manufactured by using ultrashort light pulses in glass according to an embodiment of the present invention.
  • 1 1 is an Ar + laser
  • 12 is a mode ⁇ -check laser
  • 13 is an Nd: YLF laser
  • 14 is a regenerative amplifier
  • 15 is an ND filter
  • 16 is a mirror
  • 17 is a focusing lens.
  • 18 is glass
  • 19 is an XYZ stage
  • 20 is a halogen lamp
  • 21 is a CCD camera
  • 22 is a computer.
  • a titanium sapphire laser is radiated from a condenser lens 17 onto a glass 18 set on an XYZ stage 19 to produce bits (spots, voids, and voids). Further, the stored bits can be rewritten as described later.
  • the state of the bit can be imaged by the CCD camera 21 by irradiation from the halogen lamp 20.
  • a titanium sapphire laser (wavelength 800 nm, power lmW, pulse width 130 fs, repetition frequency 1 kHz) was used as a light source, and an electromagnetic shirt Yuichi was used with an exposure time of 1Z125 s.
  • Lens numerical aperture (NA) is 0.55, 8 shots shot, writing intensity is 0.95 J, moving intensity is 0.74 ⁇ J, and bits are created at a depth of 300 m from the surface .
  • a laser beam is applied to the already manufactured bit 23 by shifting it by 0.1 ⁇ m.
  • the glass was fused silica glass, and the movement was possible only when the laser beam was irradiated by shifting the focal point 24 in the direction opposite to the direction of travel of the laser beam as viewed from one side of the laser and irradiating the laser. Can't move bit 23 behind I
  • FIG. 4 is a view showing the first movement process of the void (bit) according to the present invention. After the void is formed once (see FIG. 4 (a)), the light is focused in the direction opposite to the pulse propagation direction. Irradiation is performed by moving the point by 0.1 m (see FIGS. 4 (b) to 4 (c)). That is, the bit is rewritten under the conditions shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view showing a second movement process of voids (bits) according to the present invention. After a void is formed so that two voids are arranged side by side (see FIG. 5 (a)). The converging point is moved by 0.1 zm in the direction opposite to the propagation direction of the louds, and the two right-sided pods are moved to the left and joined to the other void [Fig. 5 (b)- See Fig. 5 (f)]. Note that bit rewriting is performed under the conditions shown in FIG. Also, the void after joining is larger than the original void.
  • FIG. 6 is a view showing a third movement process of voids (bits) according to the present invention. After the voids are once formed (see FIG. 6 (a)), the voids are moved one by one to (See FIGS. 6 (b) to 6 (c)). Note that bit rewriting is performed under the conditions shown in FIG.
  • a rewritable three-dimensional memory element can be manufactured. It can also be applied to the formation and correction of refractive index distribution in the field of fine glass processing.
  • the capacity is 100 times larger than the current CD, and it can be expected as a next-generation storage medium. Further, it can be applied to the field of glass processing using a femtosecond laser, for example, in the production of waveguides, the correction of refractive index distribution inside glass and the field of fine glass processing.
  • the method of rewriting data of a three-dimensional optical memory device manufactured in glass by ultrashort light pulses is used for manufacturing a rewritable three-dimensional memory device and forming and correcting a refractive index distribution in the field of fine glass processing. It is suitable. Further, the present invention can be applied to the field of glass processing using a femtosecond laser, for example, in the production of waveguides, the correction of refractive index distribution inside glass, and the field of fine glass processing.

Description

明 細 書 超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ一素子のデータの 書き換え方法 技術分野
本発明は、 超短光パルスにより、 ガラス中に作製した三次元光メモリ一素 子のデータの書き換え方法に関するものである。 背景技術
近年、 動画情報を自由自在に取り扱うことの出来る大容量、 高密度かつ高 速なメモリーシステムは、 今後の情報分野にとって必要不可欠なものである。 光導波路や超短パルスレーザー光加工技術の進歩を土台に石英ガラス内部に 三次元光メモリ一を作る研究がなされている。 レーザー光をガラス内部に集 光照射し、 集光点に光誘起屈折率変化スポット部を作る。 これをビットとし 三次元に積層配列させ、 屈折率変化を利用し光で読み出す方式で、 2桁大き レ、容量が期待できるが、 書き換えが可能にはなつていない。
このように、 近年、 情報通信の大容量化の要求が強く、 光メモリー素子の 高密度化の研究開発が盛んである。 記録媒体の高密度化の方法として、 記録 領域を二次元から三次元化する試みが検討されている。 フォトクロミック分 子の光着色を利用したフォトクロミックメモリ一がある。 これは反応が可逆 性であるので、 書き換えが可能なメモリーであるが、 有機材料の着色反応で あるため、 熱的安定性ゃ籙り返し耐久性に問題点がある。
一方、 光導波路作製技術やレーザ一光加工技術の進歩が著しく、 材料とし て安定なガラスの内部に三次元光メモリ一を作製 る報告がある。 ガラス等 の透明物質に超短光パルスを集光照射すると、 集光点近傍が光誘起屈折率変 化を起こし、 周囲の材料と屈折率が異なり、 ビットが形成される。 このビッ トを三次元ァレィ状に配置したものである。
かかる従来の先行技術としては、 例えば、 以下に示すようなものがある。 (1)特開平 8— 220688号公報
(2) E. N. G 1 e z e r e t a 1. , O t i c s L e t t e r s vo l. 21 No. 24 p 2023~2025 (1996)
(3)三澤弘明 化学と工業 第 9巻 No. 2. 178 - 180 (1 996 )
( 4 ) 三澤弘明 〇 p l us E vo l. 20, No. 9 p 102 8 - 1 032 ( 1 998 )
(5) Hong-Bo Sun e t. a l. , Op t i c a l Rev i ew vo l. 6, No. 5 ( 1999 ) 発明の開示
しかしながら、 上記した先行技術に開示されたものは全て記録 ·再生用で あり、 生成したビットを消去又は移動出来ないため、 書き換えが不可能であ る。
他方、 ガラス加工の点から見ると、 超短光パルスを用いて、 透明誘電体の バルク改質技術が、 光導波路や三次元加工分野に応用されている。 このガラ ス微細 ·精密加工分野において、 屈折率分布の形成や修正が必要である。 本発明は、 上記した従来技術の問題点を除去し、 生成したビットを移動で きるようになし、 書き換えを可能にした、 超短光パルスによりガラス中に作 製した三次元光メモリ一素子のデータの書き換え方法を提供することを目的 とする。
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔1〕 超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ一素子のデ —夕の書き換え方法において、 第 1の超短パルスレーザ一光強度によりガラ ス内部に光誘起屈折率変化によるビットを三次元的に生成させ、 この三次元 に生成させたビットを前記第 1の超短パルスレーザ一光強度より低いエネル ギ一の第 2の超短パルスレ一ザ一光を照射し、 このレ一ザ一光を光学レンズ で集光させる際、 移動させるビットより、 レーザー光の伝搬方向とは逆の方 向に所定距離ずらした点に集光することで前記ビットを移動させ、 ビットの 書き換えを行うことを特徴とする。
〔2〕 上記 〔1〕 記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光 メモリー素子のデータの書き換え方法において、 前記ビットの作製は、 1 p s以下の超短レーザー光ノ、°ルスを集光照射により生成される微小空隙で屈折 率をビット周辺と異ならせることにより行うことを特徴とする。
〔3〕 上記 〔1〕 記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光 メモリ一素子のデータの書き換え方法において、 前言己集光する点の移動を複 数回行って、 段階的に移動させることを特徴とする。
〔4〕 上記 〔1〕 記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光 メモリ一素子のデ一夕の書き換え方法にぉレ、て、 前記ガラスはシリカガラス 又はシリケ一トガラスであることを特徴とする。
〔5〕 上記 〔1〕 記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光 メモリ一素子のデータの書き換え方法において、 前記超短パルスレ一ザ一光 は 8 0 0 n mであることを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の原理を示す模式図である。
第 2図は、 本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次 元光メモリ一素子の書き換えシステムの構成図である。
第 3図は、 既作成ビットの移動方法の説明図である。
第 4図は、 本発明のボイド （ビット） の第 1の移動過程を示す図である。 第 5図は、 本発明のボイド （ビット） の第 2の移動過程を示す図である。 第 6図は、 本発明のボイド （ビット） の第 3の移動過程を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について詳細に説明する。
第 1図は本発明の原理を示す模式図である。
この図において、 1は超短光パルス、 2は集光用レンズ、 3はガラス、 4 はガラス内部の屈折率変化領域であり、 この屈折率変化は、 多光子吸収によ る局所的なものであり、 屈折率変化 Δ nは焦点を中心に広がりを持つ。
すなわち、 多光子吸収によるガラス内部の改質が行われ、 書き換えレーザ —光により、 ガラスが溶けて、 新しい空隙ができる前にその近傍のボイド (空隙） が移動する。
第 2図は本発明の実施例を示すガラス中に超短光パルスで作製した三次元 光メモリー素子の書き換えシステムの構成図である。
この図において、 1 1は Ar+ レーザー、 12はモード πックチ夕ンサフ アイアレーザ一、 13は Nd： YLFレーザー、 14は再生増幅器、 15は NDフィルタ一、 16はミラ一、 17は集光用レンズ、 18はガラス、 1 9 は XYZステージ、 20はハロゲンランプ、 21は CCDカメラ、 22はコ ンピュ一夕である。
この図に示すように、 集光用レンズ 17からはチタンサファイアレーザー が XYZステージ 19にセットされたガラス 18に照射され、 ビット （スポ ット、 ボイド、 空隙） が作製される。 また、 その記憶されたビットは、 後述 するように書き換えることができる。
そのビットの状態は、 ハロゲンランプ 20からの照射により、 CCDカメ ラ 21によって撮像することができる。
このように、 光源としてはチタンサファイアレーザ一 （波長は 800 nm、 パワーは lmW、 パルス幅は 130 f s、 繰り返し周波数 1 kHz) を用い、 露光時間は 1Z125 sで電磁シャツ夕一を用いた。 レンズ開口数 （NA) は 0. 55、 8ショット打ち、 書き込み時の強度は 0. 95 J、 移動時の 強度は 0. 74〃 Jであり、 表面から 300 mの深さにビットを作製する。 この実施例では、 第 3図に示すように、 既作製のビット 23に対して 0. l mずつ、 ずらしてレーザーを照射するようにした。
更に、 実験を重ねた結果、 0. 5〃mを 1ショットで移動することができ た。
ガラスは溶融石英ガラスであり、 移動出来たのは、 レーザー光の進行方向 と逆方向に集光点 24をレーザ一側から見て手前にずらして、 レーザ一照射 したときのみであり、 横や後方ではビット 23を移動させることはできなか つた o
第 4図は本発明のボイド （ビット） の第 1の移動過程を示す図であり、一 度ボイドを作製した後 〔第 4図 （a ) 参照〕 、 パルスの伝搬方向と逆方向に 集光点を 0 . 1 mずつ移動して照射する 〔第 4図 （b ) 〜第 4図 （c ) 参 照〕 。 つまり、 第 3図で示した条件でビットの書き換えを行う。
第 5図は本発明のボイド （ビット） の第 2の移動過程を示す図であり、 2 個のボイドが並ぶようにボイドを作製した後 〔第 5図 （a ) 参照〕 、 ノ、。ルス の伝搬方向と逆方向に集光点を 0 . 1 zmずつ移動して 2個並んだ右側のポ ィドを左側に移動させてもう一方のボイドに結合させる 〔第 5図 （b ) 〜第 5図 （f ) 参照〕 。 なお、 第 2図で示した条件でビットの書き換えを行う。 また、 結合した後のボイドは元のボイドよりも大きくなる。
第 6図は本発明のボイド （ビット） の第 3の移動過程を示す図であり、一 度ボイドを作製した後 〔第 6図 （a ) 参照〕 、 ボイドを 1つずつ移動させて、 動的なメモリ一を作製する 〔第 6図 （b ) 〜第 6図 （c ) 参照〕 。 なお、 第 3図で示した条件でビットの書き換えを行う。
なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基 づいて種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するもので はない。
以上、 詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏す ることができる。
書き換え可能な三次元メモリ一素子を作製することができる。 また、 微細 ガラス加工分野で屈折率分布の形成と修正に応用が期待できる。
また、 メモリ一の生成'書き換えの高速化 （2 0〜5 0 G b p s ) が期待 できる。
より具体的には、 フヱムト秒単位のレーザー光を石英内部に集光照射する ことにより、 集光点にサブミクロンの微小な空隙が生成される。 空隙作製時 より低エネルギーのフェムト秒レーザ一光を、 微小空隙のレーザー側から見 て少し手前に集光することで空隙が移動出来ることを見出した。 微小空隙が 5 z m移動され、 前の空隙、 即ちビットは消去された。 又、 ビットの結合も 出来る。
現行の C Dの 1 0 0倍の容量が可能になり、 次世代の記憶媒体として期待 出来る。 又、 フヱムト秒レーザ一を用いたガラス加工分野、 例えば導波路作 製において、 ガラス内部の屈折率分布の修正や微細ガラス加工分野にも応用 可能である。 産業上の利用可能性
本発明の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ一素子の データの書き換え方法は、 書き換え可能な三次元メモリー素子の作製、 また、 微細ガラス加工分野で屈折率分布の形成と修正に好適である。 また、 フヱム ト秒レーザーを用いたガラス加工分野、 例えば導波路作製において、 ガラス 内部の屈折率分布の修正や微細ガラス加工分野にも応用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 .
( a ) 第 1の超短パルスレ一ザ一光強度によりガラス内部に光誘起屈折率変 化によるビットを三次元的に生成させ、
( b ) 該三次元に生成させたビットを前記第 1の超短パルスレーザ一光強度 より低レ、エネルギ一の第 2の超短パルスレ一ザ一光を照射し、 該レ一ザ一光 を光学レンズで集光させる際、 移動させるビットより、 レーザー光の伝搬方 向とは逆の方向に所定距離ずらした点に集光することで前記ビットを移動さ せ、 ビットの書き換えを行うことを特徴とする超短光パルスによりガラス中 に作製した三次元光メモリ一素子のデ一夕の書き換え方法。
2. 請求項 1記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ —素子のデータの書き換え方法において、 前記ビットの作製は、 1 p s以下 の超短レーザ一光パルスを集光照射により生成される微小空隙で屈折率をビ ット周辺と異ならせることにより行うことを特徴とする超短光パルスにより ガラス中に作製した三次元光メモリ一素子のデータの書き換え方法。
3 . 請求項 1記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ —素子のデータの書き換え方法において、 前記集光する点の移動を複数回行 つて、 段階的に移動させることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に 作製した三次元光メモリ一素子のデータの書き換え方法。
4 . 請求項 1記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ —素子のデータの書き換え方法において、 前記ガラスはシリカガラス又はシ リケ一トガラスであることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製 した三次元光メモリ一素子のデ一夕の書き換え方法。
5 . 請求項 1記載の超短光パルスによりガラス中に作製した三次元光メモリ —素子のデータの書き換え方法において、 前記超短パルスレーザ一光は 8 0 0 n mであることを特徴とする超短光パルスによりガラス中に作製した三次 元光メモリー素子のデータの書き換え方法。
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