СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ Российский патент 1998 года по МПК G11B7/00 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам создания оптической памяти, которые позволяют осуществлять цифровую и аналоговую запись и считывание информации. Данное изобретение может использоваться, например, для создания перезаписываемых устройств оптической памяти емкостью терабайт и более, в качестве альтернативы носителям на жестких магнитных или магнито-оптических дисках, для создания компакт-дисков большой емкости и т.п.

Основной областью применения данного способа автор считает именно цифровую запись информации, однако это не снижает преимуществ данного способа в области создания аналоговой памяти. Действительно, в описании данного способа будет показано, что он основывается на выстраивании доменов оптической среды и в этом смысле он походит на способ записи и хранения информации на магнитных носителях и оптических дисках. А, как известно, и магнитные диски и оптические носители могут использоваться для получения как цифровой памяти, так и аналоговой на основании одних и тех же принципов записи, а часто и используя одно и те же устройства. В дальнейшем изложении мы будем в основном обсуждать создание цифровой оптической памяти, так как это более перспективное направление, однако эти же рассуждения применимы для создания аналоговой оптической памяти, за исключением рассуждений о числе бит информации в элементарном объеме.

Уровень техники.

Прямых аналогов не существует. Среди косвенных аналогов можно назвать способ записи оптических голограмм в фоторефрактивных кристаллах, запись цифровой информации на компакт-дисках (CD-ROM), запись цифровой информации на магнитооптических дисках.

Принципиальное отличие способа записи на компакт-дисках и магнитооптических дисках от предлагаемого способа состоит в том, что все существующие методы записи информации на дисках позволяют записывать и считывать информацию с одной или нескольких поверхностей диска. Предлагаемый способ записи позволяет записывать и считывать информацию из объема оптической среды, причем поверхностная плотность информации достигает практически тех же пределов, что и поверхностная плотность на компакт-дисках, поэтому а счет записи информации в объеме емкость одного диска можно увеличить в 10³ и более раз. Действительно, если для оценки взять размер каустики лазерного излучения - 1 мкм, площадь каустики ~ 1 мкм², объем каустики ~ 1 мкм³, то получим, что используя существующие способы на поверхности компакт-диска площадью 10² см² - 10¹⁰ мкм² можно записать 10¹⁰ бит информации или приблизительно 1 Гбайт. Предлагаемый способ записи позволяет увеличить емкость такого диска толщиной 1 мм в 10³ раз, так как на нем возможно записать в объеме 10² см²•1 мм = 10¹³мкм³ информацию емкостью 10¹³ бит, т.е. приблизительно 1 Тбайт (или 10¹² байт).

Наиболее близким по принципу физических и фотостимулированных процессов к предлагаемому способу записи является способ записи оптических голограмм в фоторефрактивных кристаллах (см. например¹), поэтому выберем его в качестве прототипа.

Запись информации в фоторефрактивных кристаллах (например в LiNbO₃) обычно осуществляется по такой же схеме, как в других голографических средах (см. фиг. 1). При таком способе записи осуществляется модуляция показателя преломления среды и, таким образом, можно записать одну или несколько голограмм в объеме кристалла. При таком способе записи можно записывать аналоговую информацию типа изображения объекта, причем чем больше объем, в котором это изображение записано, тем более качественно и помехоустойчиво его можно воспроизвести. Этот способ записи не предназначен для записи цифровой информации, так как голографическим способом нельзя записать или считать один бит информации, а только все изображение целиком, занимающее достаточно большой объем кристалла. При этом следует учесть, что в одном и том же объеме можно записать только несколько единиц или, в лучшем случае, десятков голограмм с более-менее хорошим качеством.

Сущность изобретения.

Изложенный здесь способ создания оптической памяти включает в себя следующие неотъемлемые признаки:
- свойства строения оптической среды, используемой для создания оптической памяти, позволяющие осуществлять чтение, запись и хранение информации,
- осуществление записи цифровой информации в оптической среде,
- осуществление чтения цифровой информации из оптической среды.

Целью данного изобретения является осуществление возможности цифровой записи и считывания информации в объеме оптической среды таким образом, чтобы среду гипотетически можно было разбить на ряд элементарных объемов, в каждом из которых содержится один или несколько битов информации, причем эти объемы являются независимыми друг от друга в смысле хранимой в них информации и процедур записи и считывания информации.

Характерными чертами предлагаемого способа создания оптической памяти также является следующее: возможность длительного хранения информации (год или более) при обычных температурах порядка комнатной, возможность осуществления параллельного считывания и записи информации, обеспечение большой информативной емкости оптической среды.

1. Строение оптической среды
Оптическую среду для хранения информации в дальнейшем по тексту мы будем называть ферроэлектрической оптической средой (сокращенно - ФОС). В литературе ферроэлектрики также называют сегнетоэлектриками.

ФОС может быть создана следующим образом (или иметь следующее строение):
1) в виде мелких кристалликов (или частиц) ферроэлектрика, находящихся в прозрачном диэлектрике или полупроводнике.

Эту среду можно назвать также твердым раствором частиц ферроэлектрика, где растворителем является прозрачный диэлектрик или полупроводник. Размер частиц ФОС должен быть намного (т.е. в 2 раза или более) меньше длин волн используемых лазеров и, с другой стороны, намного (т.е. в 2 раза или более) больше размера элементарной кристаллической ячейки. Предполагается, что будут использоваться лазеры в видимой и близкой ИК-областях, так что длина волны λ ≈ 1 мкм. Характерный размер кристаллической ячейки Поэтому характерный размер частиц должен находиться примерно в диапазоне 3-300 нм (нанометров). Для того, чтобы уменьшить рассеяние лазерных пучков, твердый раствор частиц может быть иммерсионным, т.е. значение показателя преломления растворителя должно находиться в диапазоне между обыкновенным n_o и необыкновенным n_e показателем преломления ферроэлектрика.

2) в виде поликристаллического прозрачного ферроэлектрика.

Средний размер монокристаллов ферроэлектрика такой же, как и описанный выше в пункте 1).

3) в виде полидоменного прозрачного ферроэлектрика.

Средний размер доменов (будем их также называть частицами) ферроэлектрика такой же, как и описанный выше в пункте 1).

3. а) в виде прозрачного ферроэлектрика, в который внедрены примесные центры.

Благодаря внедрению примесных центров, ферроэлектрик представляет собой полидоменную структуру.

4) в виде твердой смеси двух и более прозрачных ферроэлектриков.

Такая смесь должна также включать ферроэлектрические монокристаллы, имеющие средний размер, такой как описан в пункте 1).

Здесь в дальнейшем мы будем считать, что ФОС является прозрачной в диапазоне длин волн лазерного излучения, используемого при записи и чтении информации, или должна пропускать по крайней мере значительную часть этого излучения. Учет влияния поглощения излучения в ФОС может оказаться важным, если рассматривать резонансное поглощение. Здесь мы этот эффект рассматривать не будем, однако среды, пропускающие более 10% исходного излучения, будем считать прозрачными, и они также будут являться возможными объектами ФОС в пределах данного способа создания памяти.

Мелкие монодоменные монокристаллики ФОС мы будем в дальнейшем называть частицами. Каждая частица ФОС, благодаря своим ферроэлектрическим свойствам, характеризуется направлением вектора поляризации
Пример 1: Ориентации вектора поляризации частиц ФОС.

а) все частицы ФОС имеют равновероятное распределение направлений вектора поляризации в пространстве.

б) вектора поляризации частиц ФОС расположены в некоторой плоскости xy, причем все частицы ФОС имеют равновероятное распределение направлений вектора поляризации в этой плоскости xy.

в) вектор поляризации частиц ФОС может быть равновероятно параллелен либо оси x либо оси y равновероятно в положительном и отрицательном направлениях по этим осям.

г) все частицы ФОС имеют равновероятное распределение направлений вектора поляризации вдоль некоторой оси x.

Запись информации
Принцип записи информации основан на том, что в каустике фокусировки лазерного пучка (или пучков) ориентация вектора поляризации ансамбля частиц ферроэлектрика приобретает преимущественное направление, совпадающее с направлением вектора напряженности электрического поля E. Объем ФОС, в который фокусируются лазерные пучки, мы будем называть элементарным объемом ФОС или элементарной ячейкой ФОС. Другими словами, элементарным объемом ФОС мы будем называть объем каустики фокусировки лазерных пучков. Если в элементарном объеме ФОС под воздействием лазерного поля частицы ферроэлектрика приобретают преимущественное направление поляризации (или деполяризации), то этот эффект является записью некоторой порции информации (одного или нескольких битов) в элементарном объеме ФОС.

Пример 2. Элементарная ячейка ФОС:
Элементарная ячейка оптической среды, показанная на фиг. 2, является параллелепипедом, который охватывает каустику фокусировки лазера. При использовании двух лазеров (фиг. 3), они фокусируются в оптическую среду в одно и то же место таким образом, чтобы их каустики пересекались. Размер частиц ферроэлектрика (см. описание среды ФОС) является таковым, что в каустике фокусировки находится в довольно большое число частиц N >>1.

Характерной особенностью данного принципа записи оптической информации является тот факт, что нет принципиальных ограничений на число раз перезаписи информации в одном и том же месте оптической среды. Поэтому используя предлагаемый здесь способ можно создавать устройства оптической памяти с многократной перезаписью (read-write memory), при этом также не исключается возможность создания устройства памяти с однократной записью (red-only memory).

Поясним этот принцип подробнее. Путь к ФОС приложено постоянное или переменное электрическое поле. Величина поля выбирается таким образом, чтобы оно было меньше коэрцитивного, т.е. таким, чтобы оно не вызывало переполяризации частиц ФОС. Затем оптическая среда облучается импульсом (или импульсами) одного или двух лазеров, например по схеме, показанной на фиг. 2 или 3. В результате нелинейного взаимодействия лазерного излучения с оптической средой в каустике фокусировки происходит переполяризация частиц ферроэлектрика в направлении электрического поля. Другими словами лазерное воздействие должно облегчить процесс переполяризации частиц в электрическом поле.

Электрическое поле, приложенное к ФОС при записи информации, может быть постоянным коммутируемым (т.е. постоянное поле включается на время t, а затем выключается) либо переменным с частотой Ω в зависимости от того, что более приемлемо для конкретной реализации оптической памяти. При этом частота Ω или величина 1/t должны удовлетворять условию (1) из примера 3.

Каждая частица ФОС имеет дипольный момент d, который экранируется зарядом свободных носителей (электронов или дырок) или связанных носителей (зарядом, находящимся в ловушках). В отсутствии внешних электрических полей дипольный момент частицы и экранирующие заряды определяют внутреннее электрическое поле в объеме частицы. Если к оптической среде прикладывается внешнее электрическое поле, то его воздействие на среду приводит к тому, что свободная энергия частиц F изменится на величину ΔF, причем ΔF зависит от направления вектора поляризации частиц, т.к. ΔF содержит энергию взаимодействия поля с диполем⁴ - скалярное произведение -dE. Эта энергия положительна, если угол между полем E и дипольным моментом d больше π/2, и отрицательна, если угол меньше π/2. В соответствии с общими термодинамическими законами термодинамическая система в состоянии равновесия принимает состояние с минимальной энергией. Поэтому, принимая во внимание тот факт, что вектор поляризации каждой частицы оптической среды может принимать два взаимно противоположных направления вдоль полярной оси, то энергетически выгодными для каждой частицы будет такое состояние поляризации, при котором энергия (-dE) будет отрицательна. Переполяризация ферроэлектрика в энергетически более выгодное состояние выражается в виде движения доменной границы вместе облаком экранирующих зарядов.

Механизмы нелинейного взаимодействия лазерного излучения с оптической средой, в результате которого происходит переполяризация частиц, могут иметь различную физическую природу. Приведем несколько примеров механизмов такого взаимодействия.

Пример 3. Двухфотонное поглощение приводит к увеличению количества свободных носителей - фотоэлектронов в каустике фокусировки. Увеличение количества свободных носителей приводит к тому, что величина приложенного электрического поля становится достаточной для осуществления переполяризации частиц ФОС.

Увеличение количества свободных носителей при двухфотонном поглощении приводит к увеличению локальной проводимости и соответственно к ускорению перераспределения зарядового облака. Прикладывая переменное электрическое поле с частотой Ω такой что
1/τ₁< Ω < 1/τ₂, (1)
где τ₁ - среднее время переполяризации в отсутствие лазерного света, а τ₂ - среднее время переполяризации при освещении, мы получим, что переполяризация в оптической среде в отсутствии лазерного света не происходит так как частота изменения поля намного больше скорости переполяризации 1/τ₁, а при освещении ферроэлектрические частицы будут переполяризовываться в направлении поля.

Пример 4. Фотостимулированный сдвиг температуры фазового перехода и фотогистерезисный эффект⁴. Вблизи температуры фазового перехода ферроэлектрика в симметричную фазу наблюдается зависимость температуры фазового перехода от интенсивности освещения ферроэлектрика светом⁴. Вследствие этого эффекта, нагревая оптическую среду до температуры близкой к температуре фазового перехода, можно получать фотостимулированные переходы ферроэлектрика в симметричную фазу, то есть таким образом осуществлять скрытую запись информации. Затем, после того как вся необходимая информация записана, охлаждение оптической среды в присутствии электрического поля приведет к тому, что те области оптической среды, где существовала симметричная фаза, претерпят обратный фазовый переход в ферроэлетрическую фазу, причем направление дипольного момента будет преимущественно в направлении приложенного электрического поля, и таким образом запись информации в ФОС "закрепляется".

3. Чтение информации ФОС.

Чтение информации осуществляется методом генерации суммарной частоты (или второй гармоники) лазерных волн накачки в элементарном объеме ФОС, используя тот факт, что интенсивность и поляризация излучения на суммарной частоте зависит от выделенного направления поляризации (или деполяризации) частиц элементарного объема ФОС.

Поясним более подробно. При взаимодействии лазерных волн с ФОС генерируется излучение на суммарной частоте, причем свойства такой генерации зависят от ориентации поляризации частиц в области каустики фокусировки лазерного излучения. Поэтому интенсивность и поляризация излучения с суммарной частотой будет различной в случаях, когда в каустике фокусировки
а) произвольные направления поляризации частиц,
б) частицы поляризованы преимущественно вдоль направления оси x,
в) частицы поляризованы преимущественно вдоль направления оси y,
г) частицы поляризованы преимущественно вдоль некоего определенного направления.

Выше по тексту мы описывали, что запись информации в ФОС основывается на создании поляризации (или деполяризации) частиц в некотором определенном направлении. При этом таким образом записанную информацию можно читать, измеряя интенсивность и поляризацию излучения с суммарной частотой. Количество битов информации, которое можно прочитать из одного элементарного объема ФОС зависит от того, насколько велик разброс интенсивности излучения на суммарной частоте при чтении одной и той же записанной информации. Величина разброса интенсивности зависит от многих факторов, например от стабильности излучения лазерных источников, от однородности изготовления ФОС, от допустимого диапазона изменения размеров частиц ФОС... Однако следует учитывать, что для того, чтобы в элементарном объеме ФОС можно было прочитать по крайней мере один бит информации, необходимо чтобы флуктуации детектируемой интенсивности излучения суммарной частоты не превышали величину самой детектируемой интенсивности излучения суммарной частоты.

На фиг. 4 схематически показан принцип чтения информации с использованием одного или двух лазеров. Использование схемы с двумя лазерами является более сложным, однако позволяет настраивать частоты лазеров в соответствии с внутренними резонансами среды с целью улучшения отношения сигнал/шум, а также получить более высокое пространственное разрешение при неколлинеарной схеме совмещения каустик.

Технико-экономическая эффективность
Использование предлагаемого способа позволит создавать цифровую оптическую память, которая обеспечивает следующие преимущества по сравнению с существующими способами создания цифровой памяти:
- увеличение емкости памяти в 10³ и более раз,
- эффективные средства записи и считывания информации, позволяющие обеспечить параллелизм записи и считывания информации,
- принципиально новый способ хранения информации, позволяющий снизить затраты по хранению больших объемов информации.

Перечень рисунков.

Фиг. 1. Принципиальная схема записи голографической информации в фоторефрактивных кристаллах.

Фиг. 2. Схема записи оптической информации в элементарном объеме оптической среды в присутствии одной лазерной волны и электрического поля
Фиг. 3. Схема записи оптической информации в объеме оптической среды в присутствии двух лазерных волн и электрического поля
Фиг. 4. Схема установки для чтения информации ФОС. A) - чтение информации с использованием одного лазера; B) - чтение информации с использованием двух лазеров с коллинеарной фокусировкой излучения; C) - чтение информации с использованием двух лазеров с неколлинеарной фокусировкой излучения и совмещением каустик фокусировки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Ферроэлектрические среды давно используются для записи изображений на поверхности ферроэлектрика¹. При этом запись изображений связывается с ориентацией доменов и движением доменной стенки. Размер доменов определяется свойствами кристаллов и технологией их выращивания и может меняться в широких пределах. Обычно при выращивании кристаллов размеры доменов могут быть от десятков микрон до нескольких сантиметров. В ферроэлектрической среде, которая использовалась автором работы² для записи изображений на поверхности. При этом образовывались домены размером 2 мкм и более.

Среда, которая необходима нам используется для других целей, а именно - для записи цифровой информации в объеме оптической среды. Такая среда должна быть приготовлена таким образом, чтобы размер доменов был меньше длины волны лазеров используемых нами для записи и чтения информации. В настоящее время существуют методы, которыми можно получить монокристаллики или домены требуемых размеров. Например, в работе³ методом длительного измельчения кристаллов были получены частицы размером 10 - 15 нм, из которых изготавливалась суспензия и затем исследовались оптические свойства этой суспензии.

Ферроэлектрические среды являются удобным объектом для хранения информации, записанной в виде поляризации доменов, так как после записи информации доменная структура может сохраняться неизменной очень длительное время - по данным работы⁵ в некоторых ферроэлектриках информация может храниться около 2200 лет.

Поясним более подробно механизм чтения записанной в ФОС информации и покажем каким образом можно получить зависимость интенсивности излучения на суммарной частоте от степени поляризации частиц ФОС в выделенном направлении.

Действительно, в каждой частице ФОС, находящейся в лазерном поле, возникает поляризация на суммарной частоте ω:
P^нл= χ⁽²⁾(ω,ω₁,ω₂)•E₁•E₂ (2)
Напряженность поля на частоте ω мы получим при подстановке (2) в основное уравнение нелинейной оптики^6,7

Если в (1) ω₁≠ ω₂, то этот случай соответствует генерации суммарной частоты, а если ω₁= ω₂, то мы получим соответственно генерацию второй гармоники.

Из уравнений (2) и (3) следует, что напряженность поля суммарной частоты, которое генерируется в одной частице среды E^{частица}(k,ω), зависит от величины нелинейной восприимчивости χ⁽²⁾. Если в поле находятся N частиц, то напряженность поля суммарной частоты выражается в виде суммы

Напряженность полей Eчастицаi

(k,ω), стоящие под знаком суммы в (4), соответствуют разным частицам и могут иметь одинаковую фазу (когерентный случай) или могут различаться по фазе (некогерентный случай). Для того, чтобы понять какой случай имеет место, рассмотрим влияние переполяризации частиц на величину компонентов χ⁽²⁾. Зависимость значений компонент тензора χ⁽²⁾ при переполяризации частицы зависит от группы симметрии ферроэлектрика. Для простоты возьмем случай, когда при переполяризации все компоненты тензора χ⁽²⁾ изменяют на противоположный. Тогда если частицы поляризованы в произвольных направлениях, то сумма (4) будет содержать члены разных знаков - т. е. мы получим некогерентный случай. А если частицы поляризованы в направлении приложенного электрического поля, то сумма (4) будет содержать члены одного знака - когерентный случай. Интенсивность излучения N частиц выражается в виде

В соотношениях (5.1) и (5.2) угловые скобки <и > означают усреднение по возможным реализациям, причем соотношение (5.1) относится к когерентному случаю, а (5.2) - к некогерентному. Из этих соотношений видно, что в некогерентном случае интенсивность суммарной частоты излучения из элементарного объема ФОС является суммой интенсивностей излучения частиц и по величине существенно отличается от когерентного случая, при котором суммируются напряженности полей частиц. Такое различие интенсивностей суммарной частоты для элементарного объема, в котором существует или не существует выделенное направление поляризации частиц, лежит в основе чтения записанных битов информации в ФОС.

Обозначения
▿ - дифференциальный оператор градиента,
E, E₁, E₂ - вектор электрического поля,
k, k₁, k₂, k k_Σ/ - волновой вектор, (k_Σ = k₁+k₂)
ω, ω₁, ω₂ - частота лазерного поля,
Ω - частота приложенного электрического поля,
ε - диэлектрическая проницаемость среды,
c - скорость света в вакууме
χ(2)ijk

(ω, ω₁, ω₂) - тензор нелинейной восприимчивости второго порядка,
P^нл - нелинейная поляризация среды.

Литература
1. М.П. Петров, С.И. Степанов, А.В. Хоменко - Фоторефрактивные кристаллы в когерентных оптических системах. - Санкт-Птетербург, "Наука", 1992 г.

2. A. Hadni., R.Thomas-Ferroelectric Memory - Optics Comm., 1974, v.10 N 4. См. также: A. Hadni - Comparision of the Laser Scanning Microscopy for pyroelectric display in real time wiht other methods to study domain structure. - Ferroelectrics, 1993, v. 140, p. 25-32.

3. A. Schurian, K. Barner - Stable suspensions of ferroelectric nm-LiNbO₃ and nm-PbTiO₃ particles in hydrocarbon carrier liquids. - Ferroelectr. Lett. Sect., 1996, v. 20, N 5-6, p.169-76.

4. В.М. Фридкин. - Сегнетоэлектрики - полупроводники. - Москва, "Наука", 1976 г.

5. G. D. Bacher, M.P. Chiao, G.J. Dunning at al. - Ultralong dark decay measurements in BaTiO₃ - Optics Lett., 1996, v. 21, N 1, p. 18-20.

6. И.Р. Шен. - Принципы нелинейной оптики. - М., "Наука", 1989 г.

7. С. А. Ахманов, Н.И. Коротеев. - Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. - М., "Наука", 1981 г.

Использование: в технике накопления информации с помощью оптических средств, для создания перезаписываемых устройств оптической памяти емкостью терабайт и более, в качестве альтернативы накопителям на жестких магнитных или магнитооптических дисках. Сущность изобретения: для хранения информации используется прозрачная кристаллическая оптическая среда, которая содержит мелкие частицы ферроэлектрика размером менее половины длин волн излучения лазеров, используемых для записи и чтения информации. Чтение и запись информации осуществляют неразрушающими лазерными методами, обеспечивающими высокое пространственное разрешение и возможность быстрого параллельного доступа к информации во всем объеме оптической среды. Для осуществления записи информации фокусируют лазерное излучение на произвольную точку объема оптической среды. При этом в каустике фокусировки лазерного излучения происходит изменение ориентации поляризации частиц оптической среды под воздействием лазерного излучения. Чтение информации осуществляют из каустики лазерного излучения путем регистрации генерируемого средой излучения суммарной частоты или второй гармоники лазерного излучения. Предложенный способ создания оптической памяти дает возможность длительного хранения как цифровой, так и аналоговой информации при обычных температурах окружающей среды с высокой информационной емкостью и возможностью параллельного считывания и записи информации. 4 ил.

Способ создания цифровой и аналоговой оптической памяти, отличающийся тем, что для создания памяти изготавливают оптическую среду, состоящую из или включающую в себя мелкие кристаллики ферроэлектрика размерами не больше полуволн лазерного излучения, используемого для записи и чтения информации, запись информации осуществляют в объеме оптической среды, расположенной в пределах каустики фокусировки лазерного излучения путем изменения ориентации поляризации ферроэлектрических кристалликов под воздействием лазерного излучения, чтение информации осуществляют из каустики фокусировки лазерного излучения путем регистрации генерируемого оптической средой излучения суммарной частоты или второй гармоники лазерного излучения.