专利名称：光存储介质和用于写入、删除和读取数据的光设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光存储介质和用于对光存储介质数据进行写 入、删除和读取的光设备。这些媒体和设备可以用在要求存储可 能要执行校正的大量数据的计算技术的所有领域中。另 一可能的 使用是记录、存储和重放视频和音频文件。
背景技术：
2004年4月27日的美国第6728154号专利披露了 一种光存储 介质及其制造过程。该三维介质由基体，通常是玻璃或水晶的一 种，以及稀土金属离子组成。记录是通过曝光于108-1017W/cm2的 激光10—1()秒而实现的。由于该曝光，稀土离子转到发焚光状态。 信息通过曝光于相应波长的激光而产生的离子荧光激励来读取。 该解决方案的缺陷包括要求持续很短时间的高能激光辐射，这会 导致信息记录速度的降低，并且还要求没有任何锚定可能性的记 录介质体积内的激光束位置的精确设定。
此外，1993年12月7日的美国第5268862号专利揭露了 一种 三维的光存储器。它基于光致变色材料，通常是限于三维聚合物 基体中的螺苯并吡喃(spyrobenzopyran)。该材料具有两种稳定的状 态——螺吡喃(spyropyran)和部花青，而这两者之间的转换是通过 波长为532nm的双光子吸收来启动的。在这种情况下，两个激光 束用于沿相互垂直的两个轴上辐射曝光。通过这种方式，实现介 质三维体积内的空间定位光致变色物质的转换仅仅发生在两个
光束交叉处。另一种形式的光致变色物质在1064nm波长的辐射影 响下发荧光；因此，在曝光于这种辐射之后，可以通过检测荧光 位置来读取所记录的信息。删除是通过整体或局部加热该介质， 例如曝光于2.12pm光束来实现的。这种方法的缺陷类似于上述方 法。考虑到写入过程是双光子处理过程的事实，辐射源必须能够 具有高峰值功率；因此，它们工作在相对低的频率。必须将两个 相互垂直的光束定位在三维介质内的精确位置将体元尺度限制到 几个单位甚或几十微米，而聚焦可能性将达到次微米级。此外，
对介质表面的均质性和高光学性能会有相当的要求，这在玻璃或 水晶基体的情况下相对容易满足。另一方面，对于聚合物，批量
生产中达到相似的性能是有问题的，或者将导致成本的增加。
此外，2000年4月4日的美国第6045888号专利揭露了 一种 体积光存储器；它包含混合有信号部件的双光子记录部件，该信 号部件包含只在读取辐射的单光子吸收的"记录"状态下发荧光 的介质。为了改进可以添加为实现记录所必需的，执行将记录辐 射转换到更短波长的部件。借助于记录光束的空间调制，对该介 质的记录按"节"发生。该记录介质具有多层结构，其中对光敏 感和对光不敏感的层匀称地交替；它们的选择是通过改变空间中 的存储介质位置，或者通过调节读取/写入头的聚焦长度来实现的。 对光敏感的层可以代表传播"读取"波长辐射的光波导。在这种 情况下，用于读取的层的选择通过将辐射聚焦于这一层上来实现。 缺陷仍然类似于已经陈述过的那些方法使用双光子介质及所导 致的必须使用强辐射源。用于读取的荧光限制了体元尺度，从而 在"读取，，过程中信号可以具有可以接受的强度。尽管使用用于 选择读取层的波导解决了 "读取"光束的确切位置的问题，但是 通过该波导传播的光必须穿过一半波长厚度的分离层。这将导致
这样的事实，只能以增加体元横向(lateral)尺度的成本来获取荧光 材料的必需体积，从而导致记录密度的下降。
必须要指出，迄今为止文献中描述的基于光致变色介质的所 有三维光存储设备都共同拥有 一 个与物理特性相关的缺陷，该物 理特性是基于在具有改变的吸收指数的区域，或者物质转变为荧 光形式的区域中存储信息的原理。该技术目前能够将光束聚焦到 0.5 x 0.5 x 0.5(波长单位)的几何尺度的区域，而记录光束到光致变 色效应的能量转换效率低于100% 。持久稳定的光致变色化合物的 量子产额的典型值大约是0.05-0.l[Yongchao Liang ， Alexander S. Dvornikov, Peter M. Rentzepis， A novel non-destructible readout molecular memory(—种新颖的不易破坏的读出分子存储器)——光学通信， 223(2003年)，61-66页],而光谱最大值的吸收指数不超过 1-2cm—1 [Satoshi Kawata, Yoshimasa Kawata, Three-dimensional optical data storage using photochromic materials(利用光致变色才才泮+的三维光凄文才居 存储器)——Chem.Rev. 2000年，100， 1777-1788页]。这限制了 最小体元体积中必需的读取信号等级。此外，必须指出，在基于
检测光谱最大值的通过辐射的读取过程中，由于单光子介质发生 信息比特的部分删除，因此必须使用来自吸收带边界的波长的光 [Satoshi Kawata, Yoshimasa Kawata, Three-dimensional optical data storage using photochromic materials(利用光致变色材料的三维光数据存储器) ——Chem.Rev. 2000年，100, 1777-1788页]。为此，体元体积实 际上必须增加几十倍甚或几百倍。为了消除这些不足，设备必须 基于不同的信息读取方法。
最有前途的方法很可能是基于检测所记录的光致变色区域中 不同折射系数的共焦显孩i镜[A. Toriumi, J.M. Herrmann, S. Kawata， Nondestructive readout of a three-dimensional photochromic optical memory
with a near-infrared differential phase-contrast microscope( j吏用近纟工夕卜农支分 相衬显微镜的三维光致变色光存储器的不易破坏读出)——光学 快报，22巻(1997年)，# 8, 555-557页]。尽管它具有高灵敏度和 使用单光子介质的可能性(使用来自吸收带正好边界的辐射的检 测，这不会导致该介质从一种状态转到另 一种状态)，该方法还远 远不能摆脱那些缺陷。主要的问题起因于所述高灵敏度自身，为 了添加记录相位的无规律性，还可以纟全测包含用于读取的光的一 半波长左右的可变厚度的盘片的任何光学无规律性。因此，由于 该方法要求制造经济上无法承受的具有光学精度的介质盘，排除 了该方法的实际可用性。
发明内容
上述缺陷可以通过由透光材料的交替层组成的光学存储介质 消除，其中第一层掺杂有光致变色物质，没有光致变色物质的另 一层具有的折射系数；掺杂光致变色基质上的透光物质可以存 在为两种形式形式I具有n2的折射系数，形式II具有n3的折射 系数，同时所述系数满足n^ri2并且n^^^3的关系，光致变色物 质从形式I到形式II的转换由于M波长的光辐射的效应而发生， 光致变色物质从形式II到形式I的转换由于X2波长的光辐射的效 应而发生。
用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的设备包括三个 分离的不同波长、，12和^的光辐射源，分别用于多层光存储介 质数据写入、删除和读取，该光辐射源穿过用于不同波长的独立 辐射调制的三通道调制系统，光存储介质数据的用于写入的M波 长的光辐射和用于删除的X2波长的光辐射借助于光聚焦设备进入 与光存储介质层平行和垂直的光存储介质中，光聚焦系统确保用
于光存储介质数据写入的、波长的光辐射和用于光存储介质数据 删除的X2波长的光辐射的运动平行于光存储介质层，并且将用于 对光存储介质数据读取的、波长的光辐射引入光系统中，以确保 、的光辐射的运动在垂直于光存储介质层的平面上，为了不带有 光致变色物质的各个光存储介质层的侧向曝光，在带有折射系数 n3已经发生变化的光致变色物质的光存储介质层的区域上入射的
X3的光辐射的 一部分从具有改变的折射系数n3的这个区域出来， 并落到聚焦光系统上，并通过分光器继续前行到光学光解码器， 在那里传输电信号以进行进一 步的处理。
对于用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的设备，可 以使用另 一个并行的聚焦光系统来确保并行的读取。
对于用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的设备，作 为另一种形式，与不带有光致变色材料的光存储介质层的数目相 对应的源的数目的具有光辐射光聚焦系统的辐射源矩阵可以用作 用于光存储介质数据读取的13波长的辐射源，而这些辐射源以这 种方式排列，即不带有光致变色材料的每一个光存储介质层都由 一个辐射源照射，而各层的曝光切换通过在辐射源矩阵中切换X3 波长的光辐射的各个源来实现。
根据本发明的用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的 设备使用当前的驱动器来实现光存储介质的运动，例如旋转。
光存储介质和用于光存储介质数据写入、删除和读取的设备 解决了由于初始介质容量上信息信号的独立性，具有最大层记录 密度的光盘的构造问题，而读取信号的强度由"读取信号"的辐 射功率专门给出，并且与光致变色物质的浓度和体积无关。所提 出光存储介质的性能改进在于使存储容量乘以与掺杂有光致变色 物质的层数成比例的因数。所提出的盘片能够使可移动存储介质
的容量增加几百Gb。
所提出盘片的效率非常高。这通过以下方面来实现
a) 扩展用于活性层的介质等级的可能性(单光子，双光子光致 变色化合物)
b) 仅受读取-删除-写入系统的光学透镜的聚焦实际深度限制 的记录层的几乎无限的数目
c) 介质均匀性的表面光学性能方面相对低的要求
d) 消除了读取过程中各层之间的串扰效应。
根据本发明的设备的优点与其基本特征相关，引入了在其两 种稳定状态之间具有显著不同的折射系数的光致变色物质的波导 结构。
在技术上，该结果通过由在其中以具有改变的折射指数的体 元字段的形式记录信息的，两层光致变色物质界分开的钝态介质 中创建波导结构来获得。该具有波导结构的钝态层由来自其侧边 的光源以交叉方式进行照射。光通过该波导传播，并且在具有感 生的折射系数变化的体元上散射。
在科学和技术文献原始资料中还没有发现基于这种波导结构 的光存储介质，该波导结构由包含光致变色介质的两层之间钝态 物质层组成，所述光致变色物质的折射系数在从 一 种异构形式到 另 一种进行转换时发生变化。
根据光通过(passage)其折射指数在边界上混乱无序的波导的 光学问题的解决方案，对所提出设备的可行性在理论上加以检验， 并通过试验进行测试。在所述方法的框架内，为了实现所提出设 备解决的技术目标的基本属性的有效性的得以确认。
根据本发明的用于多层光存储介质数据的写入、删除和读取 的设备使用已经现有的DVD驱动器来驱动光存储介质的运动(旋转)；因此，工业使用不需要对这些驱动器的构造进行实质改变， 而仅仅是其扩展。工业使用能够通过用三波长单元或者用三个单 元的集合来替代至今的单波长读取单元来实现，而调节和记录系 统的基本构造原理仍将保持不变。
与类似设备相比，制造根据本发明的使用多层光存储介质的 用于数据写入-删除-读取的设备并不需要专门用来生产具有光学 设备质量的存储器的顶级技术。可以推测根据本发明的光存储介
质的批量生产成本与普通CD或DVD的生产成本是可以相比较 的。使用普通盘片的批量生产技术流程来生产已记录的多层盘片 也是可能的。
在附图中将对本发明进行更为详细的阐明。 图l示出了单面和双面多层光存储介质的层布置； 图2a示出了不带有光致变色材料的各光存储介质层的曝光示 意图2b示出了光存储介质数据写入、删除和读取的示意图； 图3示出了具有三波长光辐射源的形式的，用于光存储介质
数据写入、删除和读取的设备的方框图4示出了其中用于数据读取的^波长的光辐射源由与不带
有光致变色材料的光盘层数目相等数目的源的数目的源矩阵组成
的形式的，用于光存储介质数据写入、删除和读取的设备的方框图。
具体实施例方式
在实例实现方式中，光存储介质具有多层光盘的形式，该多
层光盘由用光致变色物质摻杂的Y和C(层和不带有光致变色物质 的(3层组成，其中，Y和a层当该光致变色物质处于状态I时， 具有n2的折射系数，当该光致变色物质处于状态II时，具有113的 折射系数，而P层具有n！的折射系数，同时这些折射系数满足下 述关系
ni>n2并且n《ri3 (1)
具有X3波长的用于数据读取的辐射的吸收在所有层中都是可 以忽略的。这些层周期性地交替堆叠。|3层的厚度为10-lOOpm, a和Y层的厚度为l-3|nm。该光盘可以是单面或双面的。单面多 层盘具有a, P和y层；从a， (3和y层的方向上，仅仅在一面 而非两面上都添加附加层作为5或e 。如果该盘片具有a, p和 Y及s层，则具有折射系数n2的聚合物基底可以用作a层。双面 多层盘包含a, P和Y层，以及在a, (3和y层的两面上添加的 附加层， 一面作为5层，另 一面上作为s层(图1)。聚合物基底可 以插入到盘片中间，以便确保机械强度。然而，对于更高的层数， 由于cc和Y层的聚合物，即使没有该措施机械强度也足够了 。多 层光存储介质的"读取"模式的原理建立在波导效应的基础上， 其中由X3波长的辐射从横向面的照射，以及P层中<=2 的发散 角度导致了具有不同折射系数的介质边界上光的全反射，因此， 光仅仅在P层中通过。0角度的值必须满足下述关系
0<=0《(sinV(n2-n22))-1 (2)
在图2a中给出了通过的示意图。
w波长的辐射在包含光致变色材料的a或y层中特定区域的 照射导致光致变色物质从形式I转换到形式II,从而折射系数变为 n3。这样 一 个区域可以考虑过的两个相邻层边界上的相位混乱无 序，其中可能会扰乱全反射。在这种情况下，通过不带有光致变
色物质的P波导层(图l)的M波长的光会断开并且会离开该层，如 果具有改变的折射系数的该区域的横向尺度超出了掺杂有光致变
色物质的层的厚度的话；或者会在该区域散射开，如果具有改变
的折射系数的区域的横向尺度小于掺杂有光致变色物质的层的厚 度的话，在这种情况下它还是会离开波导层。
在这两种情况下，这样一个区域在具有高照射能力，并且将 短焦距在由于附带的不规则性而产生的多重散射构成的均衡无反 差背景上作为照射点的光系统中都将会是观察得到的。光系统的
共焦参数值必须是波导层厚度的0.1倍。数据删除是通过用M波 长的光照射所要求的光致变色物质区域(n 3折射系数的情况)来实 现的。这发起了光致变色物质从具有n2折射系数的形式I开始的 转换。
在图3中示出的第一替代方案的示例实施方式中用于光存储 介质数据写入、删除和读取的设备7包括，作为光辐射源1,能够 转换为第二和第四谐波的基于Nd: YV04水晶的激光器，从而该 激光器辐射M(1.064(im)， X2(0.532,)，和X3(0.266pm)的波长。该 光辐射进入由Y形波导(光导纤维)或集成光链路组成的分光器2。 分光器2具有三个输出，在这些输出的每一端，分别只出现一个 波长、，^或X3的光辐射。此外，该辐射进入用电子管理的三通 道光调制系统3，它还可以基于光学纤维或集成光学元件。该光调 制系统3确保各个独立波长的光辐射的独立调制。、，、波长的 辐射通过与Y形波导类似的但相反连接的耦合元件4继续前进， 通过分光器5,通过光纤进入到具有高照射能力的光聚焦系统的输 入端6。光聚焦系统6确保光辐射的传播平行于光盘各层，即在旋 转光盘半径7的方向上。
入3波长的辐射引入到光系统输入端8,它确保满足#^居关系式
(2)的光束几何参数，和多层光盘各层的光束位置设置，而不管横
向(lateral)上光致变色物质的内容。X3波长的辐射在光致变色层中 由于光学不规则性发生散射。落在带有折射系数n3已经发生了变 化的光致变色材料的光盘层7区域上的X3波长的辐射的一部分， 从具有改变的折射系数n3的该区域出来，并落到聚焦光系统6上， 并通过分光器5继续前行到光学光解码器9,它根据信号幅度检测 所读取的信息；从该光学光解码器9传输电信号以进行进一步的 处理。
并行读取可以通过使用并行的光聚焦系统6来实现。 图4示出了另一实现方式的用于光存储介质写入、删除和读 取的设备7的方框图。通过该替代方案，用于光存储盘数据的、 波长光辐射的光辐射源1由带有用于聚焦光辐射的光系统，具有 与不带有光致变色材料的光存储盘7的层数相对应的源数目的矩 阵组成，这些辐射源这样排列，从而不带有光致变色材料的每个 光存储介质7层总是都由一个辐射源照射，而各层的曝光切换借 助于在矩阵中切换X3波长的光辐射的各个源来实现。
工业实用性
根据本发明的光存储介质和用于光存储介质数据写入、删除 和读取的设备可以用于要求存储可能要执行校正的大量数据的计 算技术的所有领域。另一种可能的用途是记录，存储和重放视频 和音频文件。
权利要求
1.一种多层光存储介质，其特征在于所述多层光存储介质由交替层的透光材料组成，其中一层掺有光致变色物质，没有光致变色物质的另一层具有n1的折射系数，而掺杂了透光的光致变色的物质可以以两种形式存在，即在形式I具有n2的折射系数，和在形式II具有n3的折射系数，同时所述系数满足n1>n2并且n1<=n3的关系，并且通过λ1波长的光辐效应用使光致变色物质从形式I转换到形式II，通过λ2波长的光辐射效应使光致变色物质从形式II转换到形式I。
2. —种用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的设备，其 特征在于所述设备包括三个不同的单独波长、，^和、的光辐射 源(l),用于对多层光存储介质(7)数据的记录、删除和读取，所述 光辐射源穿过用于不同波长的独立辐射调制的三通道调制系统 (3),同时用于写入的、波长的光辐射和用于删除光存储介质(7) 数据的、波长的光辐射借助于光聚焦系统(6)进入与光存储介质(7) 层平行和垂直的光存储介质(7)中，光聚焦系统(6)确保用于光存储 介质数据写入的、波长的光辐射和用于光存储介质(7)数据删除的 人2波长的光辐射的运动平行于光存储介质(7)层，并且将用于光存储介质数据读取的^波长的光辐射引入光系统(8) 中，以确保X3的光辐射的运动在垂直于光存储介质(7)层的平面上， 为了不带有光致变色物质的各个光存储介质层的曝光，在带有折 射系数n3已经发生了变化的光致变色物质的光存储介质(7)层的区 域上入射的X3的光辐射的 一部分从具有改变的折射系数n3的这个 区域出来，并落到聚焦光系统(6)上，并通过分光器(5)继续前行到 光学光解码器(9),在那里传输所检测的电信号以进行进一步的处
3. 根据权利要求2的用于多层光存储介质数据写入、删除和读取的设备，其特征在于使用另 一个并行的聚焦光系统(6)来确保并 行的读取。
4. 根据权利要求2和3的用于多层光存储介质数据写入、删除 和读取的设备，其特征在于使用与不带有光致变色材料的光存储 介质(7)层的数目相对应的源的数目的带有用于光辐射光聚焦的光 系统的矩阵，作为用于光存储介质(7)数据读取的X3波长的辐射源 (1),而这些辐射源以这种方式排列，即不带有光致变色材料的每 一个光存储介质(7)层都由一个辐射源照射，而各层的曝光切换通 过在矩阵中切换X3波长的光辐射的各个源来实现。
全文摘要
本发明涉及一种光存储介质和用于对光存储介质数据进行写入、删除和读取的设备。所述光存储介质由掺光致变色物质和不掺光致变色物质层的交替的聚合物层的多层结构组成。无掺杂层用作波导，而数据的写入和删除通过由于掺杂层中辐射相配波长效应而导致的局部区域折射系数的可控变化来实现。数据的读取通过将读取波长的辐射引入不带有光致变色介质的光存储介质的波导层，并通过检测带有光致变色材料的光存储介质层中发生折射系数变化处的发光变化来实现。用于写入、删除和读取光存储介质数据的设备包括三波长的辐射源，用于辐射传输的光系统，独立辐射调制的光学三通道系统，通过朝向光存储介质层的垂直和竖直运动进行写入和删除的用于辐射聚焦的光系统，用于不带有光致变色物质的光存储介质层侧向发光的光系统，从而能够实现在垂直于不带有光致变色材料的光存储介质层的平面上的运动。根据本发明的这些设备可以用于要求存储可能要执行校正的大量数据的计算技术的所有领域。这些设备还可以用于记录，存储和重放视频和音频文件。
文档编号G11B7/24038GK101366086SQ200680022792
公开日2009年2月11日 申请日期2006年6月23日 优先权日2005年6月24日
发明者弗拉基米尔·尼古拉耶维奇·布里亚克, 瓦季姆·吉约吉耶维奇·基伊科, 阿列克谢·B·叶戈罗夫 申请人:Intv贸易有限公司