СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ Российский патент 1999 года по МПК G11C11/22 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области создания оптической памяти, позволяющей осуществлять запись и чтение и хранение информации в объеме оптической среды, в противоположность созданию носителей информации на поверхности материала и способам записи и чтения этой информации с поверхности. 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. Данное изобретение также может быть использовано также для создания широко используемых в компьютерной технике оперативной памяти типа RAM (Random Access Memory), и устройств быстрой перезаписываемой Flash-памяти, Cash-памяти и т. п. (см., например,[1])
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. И, как известно, магнитные диски и оптические носители могут использоваться для получения как цифровой памяти так и аналоговой на основании одних и тех же принципов записи. 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 (см., например, [2,3]), 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 за 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 па 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 принципиально возможно записать в объеме 10² см² х 1 мм = 10¹³ мкм³ информацию емкостью 10³ бит. т.е. приблизительно 1 Тбайт (или 10¹² байт).

Наиболее близким к предлагаемому способу создания оптической памяти по принципу физических процессов является способ записи оптических голограмм в фоторефрактивных кристаллах (см. [3,4]), поэтому выберем его в качестве прототипа.

Оптическая память в фоторефрактивных кристаллах обычно реализуется таким же образом, как и в голографических средах. Запись информации осуществляется модуляцией показателя преломления в объеме оптической среды. Способ создания оптической памяти, который описывается в настоящем изобретении, отличается от вышеназванного тем, что запись информации осуществляется в виде соответствующим образом ориентированных векторов поляризации доменом ферроэлектрика. Другими словами можно сказать, что запись информации осуществляется модуляцией функции распределения по ориентациям поляризации доменов.

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, обеспечение большой информативной емкости оптической среды. Чтение и запись информации осуществляются неразрушающими лазерными методами, обеспечивающими высокое пространственное разрешение, возможность независимой обработки каждого бита информации и возможность быстрой параллельной обработки информации.

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 (см. [2]).

Активным элементом ФОС являются ферроэлекрические частицы. Ферроэлекрические частицы - это монодоменные монокристаллики ферроэлектрика, которые также в дальнейшем будут называться доменами. 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 у 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_е показателем преломления ферроэлектрика.

ФОС может быть создана следующим образом (или иметь следующее строение); в виде мелких частиц ферроэлектрика, находящиеся в прозрачном диэлектрике или полупроводнике; эту среду можно назвать также твердым раствором частиц ферроэлектрика, где растворителем является прозрачный диэлектрик или полупроводник;
в виде поликристаллического прозрачного ферроэлектрика;
в виде полидоменного прозрачного ферроэлектрика; в том числе в виде прозрачного ферроэлектрика, в который внедрены примесные центры, благодаря которым ферроэлектрик представляет собой полидоменную структуру;
в виде твердой смеси двух и более прозрачных ферроэлектриков;
в виде многослойной структуры, один из слоев в которой является активным и содержит ферроэлектрические частицы; другие слои служат для обеспечения адекватного изменения величины и ориентации поляризации доменов при воздействии лазерного излучения при записи информации, служат для обеспечения адекватного чтения записанной информации, а также служат для более длительного хранения информации.

Здесь и 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. Однако в пределах данного способа создания оптической памяти будем считать прозрачными среды, пропускающие более 10% исходного излучения, и эти среды также будут являться возможными объектами ФОС.

Мелкие домены ФОС мы будем в дальнейшем называть частицами. Каждая частица ФОС, благодаря своим ферроэлектрическим свойствам, характеризуется направлением вектора поляризации
Мелкие домены 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.

2. Запись информации
Принцип записи информации основан на том, что в каустике фокусировки лазерного пучка (или пучков) под воздействием лазерного излучения ориентация вектора поляризации частиц ФОС приобретает преимущественное направление либо изменяется по величине.

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. использовании двух лазеров (фиг. 2), 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 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 устройств памяти с однократной записью (read-only memory).

Преимущественное направление поляризации частиц ФОС может быть задано различными факторами, например:
- путем приложения к ФОС внешнего электрического поля с вектором напряженности E и, таким образом, это направление является выделенным;
- ориентацией поляризации лазерного излучения;
- структурой оптической среды ФОС, которая может иметь компоненты задающие выделенное направление;
- другими факторами.

Величина вектора поляризации частиц ФОС может также изменяться под действием лазерного поля. Например, вблизи температуры фазового перехода ферроэлектрика в симметричную фазу. Под воздействием лазерного поля температура частиц элементарного объема ФОС повышается, что приводит к изменению величины вектора поляризации частиц ФОС (в симметричной фазе поляризация частиц отсутствует).

В качестве примера поясним подробнее, каким образом происходит изменение направления поляризации частиц ФОС под действием внешнего поля.

Пусть 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.1 или фиг.2. 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 диполем [9] - 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 выгодным 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 отсутствии 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, a при освещении ферроэлектрические частицы будут переполяризовываться в направлении поля.

Пример 4. Фотостимулированный сдвиг температуры фазового перехода и фотогистерезисный эффект [7] . Вблизи температуры фазового перехода ферроэлектрика в симметричную фазу наблюдается зависимость температуры фазового перехода от интенсивности освещения ферроэлектрика светом [7]. 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 ферроэлектрическую 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. 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 флуктуаций 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 считать по крайней мере один бит информации, необходимо, чтобы величина флуктуаций детектируемой интенсивности излучения суммарной частоты не превышала величину самой интенсивности излучения суммарной частоты.

На фиг. 3 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.

Перечень рисунков.

Фиг. 1. Схема записи оптической информации в элементарном объеме оптической среды в присутствии одной лазерной волны и электрического поля
Фиг. 2. Схема записи оптической информации в объеме оптической среды в присутствии двух лазерных волн и электрического поля
Фиг 3. 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 ферроэлектрика [2] . 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 работы [5] для записи изображений на поверхности. При этом образовывались домены размером 2 мкм и более.

Необходимая нам оптическая среда используется для записи цифровой информации в объеме среды. Такая среда должна быть приготовлена таким образом, чтобы размер доменов был меньше длины волны лазеров, используемых для записи и чтения информации. В настоящее время существуют методы, которыми можно получить монокристаллики или домены требуемых размеров. Например, в работе [6] методом длительного измельчения кристаллов были получены частицы размером 10 - 15 nm, 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 структуре может сохраняться неизменной очень длительное время - по данным работы [8] в некоторых ферроэлектриках информация может храниться около 2200 лет.

Чтобы более подробно пояснить механизм чтения записанной в ФОС информации, покажем, для примера, 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 [9,10]

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 находится N частиц, то напряженность поля суммарной частоты выражается в виде суммы.

Напряженности 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 знак 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. Таким образом, значительно отличаются по величине интенсивности суммарной частоты для элементарного объема, в котором существует или не существует выделенное направление поляризации частиц. Регистрируя интенсивность суммарной частоты или второй гармоники можно осуществлять чтение информации ФОС.

Обозначения.

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

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

Литература
1. Mirmajid Seyyedy. Circuit and method of operating a ferroelectric memory in a DRAM mode. Patent US 5680344. Oct. 21, 1997.

2. М.П Петров, С.И. Степанов, А.В. Хоменко. Фоторефрактивные кристаллы в когерентных оптических системах. - Санкт-Петербург: Наука, 1992.

3. М. М. Blaum, P. Н. Siegel.G. Т. Sincerbox, A. Vardy. Method and apparatus for modulation of multi-dimensional data in holographic storage. Patent US 5510912. April 23,1996.

4. Н. Misawa. Three-dimensional optical memory element and method of writing information therein. Patent US 5694249. Dec. 2, 1997.

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

6. 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.

7. В.М. Фридкин. Сегнетоэлектрики - полупроводники.- М.: Наука, 1976.

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

9. И.P. Шен. Принципы нелинейной оптики. - М.: Наука, 1989.

10.С.А. Ахманов, Н.И. Коротеев. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. - М.: Наука, 1981.

Изобретение относится к средствам создания оптической памяти и может быть использовано для осуществления в оптической среде. Техническим результатом является увеличение емкости памяти. Технический результат достигается за счет записи, чтения и хранения информации в объеме оптической среды, расположенной в области каустики фокусировки лазерного излучения путем изменения величины или ориентации поляризации ферроэлектрических доменов. 3 ил.

Способ создания трехмерной оптической памяти, отличающийся тем, что создают оптическую среду, состоящую из или включающую в себя мелкие ферроэлектрические домены размерами не больше полуволн лазерного излучения, используемого для записи и чтения информации, запись информации осуществляют в объеме оптической среды, расположенной в области каустики фокусировки лазерного излучения путем изменения величины или ориентации поляризации ферроэлектрических доменов под воздействием лазерного излучения в присутствии внешнего электрического поля, чтение информации осуществляют из каустики фокусировки лазерного излучения путем регистрации генерируемого оптической средой излучения суммарной частоты или второй гармоники лазерного излучения.