专利名称：叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法
技术领域：
本发明属于光信息存储技术，具体涉及利用多层平面光波导结构实现数据信息的三维记录和读取的方法。
背景技术：
光学数据存储技术如CD和DVD光盘已在音像视听和计算机数据存储领域得到广泛的应用。目前人们正在想方设法进一步提高光盘存储器的存储密度，如采用大数值孔径物镜或使用短波长光源。但是，现今的光盘存储面密度已经接近由电磁波衍射效应引起的空间分辨率极限，下一代超高密度光存储器将建立在突破衍射分辨率极限的近场光学存储技术(T.D.Milster，“Near-field opticsA new toolfor data storage，”Proc.IEEE 88(9)，pp.1480-1490，2000；“Near-field optical datastorageavenues for improved performance，”Opt.Eng.，40(10)，pp.2255-2260，2001)或突破光盘平面限制的三维光学体存储技术之上。
三维光学存储器中数据不只记录在介质的表面，而是记录在具有一定厚度的介质体内。三维光存储主要有两种方式一是全息体存储(J.F.Heanue，M.C.Bashaw，and L.Hesselink，“Volume holographic storage and retrieval of digital data，”Science，265，pp.749-752，1994.)，二是多层位存储(D.A.Parthenopoulos，P.M.Rentzepis，“Three-dimensional optical storage memory，”Science，24，pp.843-845，1989)。多层位存储要求光学系统能够对任意层面进行选址并有效克服层间串扰(cross talking)的影响。
用于多层位存储的双光子材料主要有光色化合物(如螺旋苯吡喃。S.Kawata，and Y.Kawata，“Three-dimensional optical data storage using photochromic materials，，Chem.Rev.，100，pp.1777-1788，2000)、光致聚合物(如丙烯酸脂。J.H.Strickler，andW.W.Webb，“Three-dimensional optical data storage in refractive media bytwo-photon poinexcitation，”Opt.Lett.，16，pp.1780-1782，1991)和光折变晶体(如铌酸锂晶体。Y.Kawata，H.Ishitobi，and S.Kawata，“Use of two-photon absorption in aphotorefractive crystal for three-dimensional optical memory，”Opt.Lett.，23，pp.756-758，1998)。第一种情况下，数据通过光化学变化记录于介质，可以使用荧光激发的方法来读出。后两种情况下，数据以折射率变化的形式记录于介质，必须使用相衬显微镜或干涉显微镜读出。荧光激发方式的读出灵敏度远大于相衬和干涉方式，但荧光读出过程伴随着已记录数据的信号衰减(擦除效应)，属于破坏性数据读出过程，限制了数据读出次数。
三、技术内容1、发明目的本发明的目的就是提供一种存储量大，数据的写入和读出可靠、无数据擦除效应的叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法。
2、技术方案本发明是一种叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法，叠层波导存储器由多片平面光学波导叠合而成，每片波导又由芯层、包层和衬底组成，波导的包层是光敏介质，作为记录层用于存储数据；芯层是非光敏介质，作为选址层，用于传导寻址光束；衬底也是非光敏介质，作为隔离层抑制数据记录和读出时的层间串扰，芯层、包层衬底的折射率分别为n1、n2、n3且满足n1＞n2≥n3；将叠层波导存储器单元排成纵横阵列；记录光束有两束，其中一组记录光束从波导的上部射入，另一束寻址光束从波导的侧面射入，将记录光束聚焦于某波导片的记录层，将使焦点处介质的物理性质产生变化，造成波导缺陷，这种物理特性变化可以是介质的折射率变化，也可以是介质密度或其它特性变化，从而记录上“0”或“1”的信号。双光束记录方法要求记录介质为非线性材料，从芯层渗入包层的悠逝波不能单独使记录介质产生光致变化，只有记录光束和寻址光束同时作用才能记录下信息。将寻址光束从侧面引入波导，在记录的数据点处产生泄露，从而在黑暗的背景上显示发光的数据点，该层数据通过光学系统成像，由光学头中的CCD阵列读取。
本发明提出一种利用叠层波导结构单元实现三维光存储的方法。该方法可以有效地抑制层间串扰，从而克服现有双光子记录方式设备和技术上的困难。该方法采用照明方式读出数据，既保持了荧光读出方式高灵敏度的优点，又避免了荧光读出过程中的数据擦除效应，消除了对数据重复读出次数的限制。
本发明的关键之一在于存储单元的叠层平面光波导结构，每层波导的包层(cladding)作为记录层由光敏介质构成；芯层(core)作为选址层用于传导寻址光；衬底(substrate)作为隔离层用于防止双面泄露，从而消除数据读出时的层间串扰。芯层和衬底由非光敏介质构成，可以抑制数据记录时的层间串扰。
本发明的另一关键之处在于数据以点缺陷的方式存储于记录层，这种缺陷破坏了波导的正常导光条件，使读出光在缺陷处产生散射而泄露，从而以发光点的形式在黑暗的背景上显示该层记录的信息。这种选层照明方式具有很高的读出灵敏度和无限的读出重复次数。
3、技术效果根据以上叙述可知，本发明具有如下优点1、叠层波导三维光信息存储单元结构可以有效地抑制数据记录和读出时的层间串扰效应，可以采用一般的非线性材料作为记录材料。与现有的双光子存储技术相比，该记录方式具有灵敏度高、成本低等优点，因此比现有的双光子三维存储方法更具实用性。
2、叠层波导三维光信息存储器的读出方式基于波导缺陷对光的泄露和散射效应。这种读出方式实质上是一种照明方法，它保持了双光子荧光读出方式的高灵敏度优点。同时这又是一种非破坏性读出方式，它没有伴随着双光子荧光读出过程的数据擦除效应。此外，这种读出方式允许采用非相关光作为读出光源，从而有效地抑制激光光源造成的相干噪声，提高系统的信噪比。
3、叠层波导三维光信息存储器采用逐层(或页面)读取方式，它可以显著提高读出过程的信息传输速率。
4、叠层波导三维光信息存储器的总容量可以通过存储器单元阵列形式方便地进行扩展。
四
图1是叠层波导三维数据存储器单元结构示意图。其中有芯层1、包层2、衬底3、波导4。
图2为双光束记录方法示意图。其中有记录光束5，寻址光束6。
图3是数据读出方法示意图。其中有读出光束7、光学头CCD。
图4是三维存储器单元排成纵横阵列叠层波导三维光信息存储器扩充容量的一种方法示意图。其中有光学头A、存储单元阵列B、X方向导轨C、Y方向导轨D。
五、具体实施方法存储器单元是由多片平面光学波导叠合而成，每片波导又由芯层、包层和衬底组成，折射率分别为n1、n2和n3。若芯层、包层和衬底的折射率满足条件n1＞n2≥n3，光线将在包层-芯层和芯层-衬底界面上产生全反射，光束就会被限制在每片波导中，从垂直于波导面的方向将看不到光的传播。每片波导的包层由光敏材料制成，作为记录层用于存储数据；芯层由非光敏材料制成，作为选址层用于传导寻址光束；衬底也由非光敏材料制成，作为隔离层可以防止双面泄露，消除数据记录和读出时的层间串扰。
叠层波导三维光信息存储器的信息记录方法。信息存储的基本原理是将光束聚焦于某一波导片的记录层，通过光激发使记录层介质发生物理或化学变化，从而影响波导层的导光特性。记录的信息是以点缺陷的形式存储于每片波导中，这种缺陷局部破坏了导波条件，将使波导层内的光线产生外泄。光线外泄的具体原因可以是信息点处介质折射率等于或大于芯层介质折射率破坏了全反射条件，也可以是芯-包层界面产生畸变而导致光线的散射。
双光束记录方法如附图2所示。除记录光束从上部入射以外，还有一束寻址光从侧面耦合进入波导。渗入包层的倏逝波不能单独使记录介质产生光致变化，只有记录光束和寻址光束同时作用才能记录下信息。双光束方式要求记录介质是非线性材料，如非线性吸收材料或双光子吸收材料。记录光束和寻址光束的激光波长可以相同也可以不同。波长相同时，要求寻址光在包层中的强度低于记录材料的响应阈值。波长不同时，要求两光束的强度超过记录材料对两个波长的双光子激发阈值。
叠层波导三维光信息存储器的信息读出方法。这种读出方式的原理基于波导缺陷对光的泄露和散射效应。如附图3所示，读出光从侧面耦合进入波导，光线仍沿波导传播，但在记录了数据的缺陷点处有光线外泄，形成一个发光点。记录于包层上的数据将是在黑暗背景上显示的亮点阵列，它通过光学头的光学系统成像于CCD阵列面，转换成电信号后作进一步的处理。读出光源采用片状光束，通过光束偏转系统对不同的波导层进行寻址，寻址光束没有选中的波导层不会显示信息。为了提高信息读出灵敏度，需要采用多模波导，这可以通过适当增加芯层厚度的方法实现。增加厚度同时可以降低寻址光与波导的耦合难度，提高耦合效率。另外，寻址光束的孔径应该和波导的数值孔径相匹配，以防寻址光入射侧光线泄露，降低层中数据亮度的不均匀性，提高系统整体性能。
叠层波导三维光信息存储器的信息存储容量扩展方法。这种方法采用存储器单元阵列形式，将叠层波导存储器单元排成N行M列，类似于中文打字机的字盘，如附图4所示。光学头可以沿X或Y方向导轨随机定位于某存储单元上方，然后通过机械结构将存储单元送入光学头读取数据。这种存储器单元阵列系统的存储容量可以达到很高，例如一个存储面积是1厘米2/层×100层，数据面密度为108比特/厘米2的存储单元具有1010比特的信息容量，那么一个10×10的单元阵列就可以达到1012比特的总存储容量。
权利要求
1.一种叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法，其特征在于叠层波导存储器由多片平面光学波导(4)叠合而成，每片波导又由芯层(1)、包层(2)和衬底(3)组成，波导(4)的包层(2)是光敏介质，作为记录层用于存储数据；芯层(1)是非光敏介质，作为选址层，用于传导寻址光束；衬底(3)也是非光敏介质，作为隔离层抑制数据记录和读出时的层间串扰，芯层(1)、包层(2)衬底(3)的折射率分别为n1、n2、n3且满足n1＞n2≥n3.
2.根据权利要求1所述的叠层光波导三维数据存储器，其特征在于将叠层波导存储器单元排成纵横阵列。
3.一种适用于权利要求1或2所述的叠层光波导三维数据存储器的双光束记录方法，其特征在于记录光束有两束，其中一组记录光束(5)从波导的上部射入，另一束寻址光束(6)从波导的侧面射入，将记录光束聚焦于某波导片的记录层，将使焦点处介质的物理性质产生变化，造成波导缺陷，这种物理特性变化可以是介质的折射率变化，也可以是介质密度或其它特性变化，从而记录上“0”或“1”的信号，双光束记录方法要求记录介质为非线性材料，从芯层渗入包层的倏逝波不能单独使记录介质产生光致变化，只有记录光束(5)和寻址光束(6)同时作用才能记录下信息。
4.如权利要求1或2所述的叠层光波导三维数据存储器的数据读出方法，其特征在于将寻址光束从侧面引入波导，在记录的数据点处产生泄露，从而在黑暗的背景上显示发光的数据点，该层数据通过光学系统成像，由光学头中的CCD阵列读取。
5.如权利要求3所述的叠层光波导三维数据存储器的数据读取方法，其特征在于将寻址光束从侧面引入波导，在记录的数据点处产生泄露，从而在黑暗的背景上显示发光的数据点，该层数据通过光学系统成像，由光学头中的CCD阵列读取。
全文摘要
叠层光波导三维数据存储器及双光束记录和读取方法是一种光信息存储技术，具体涉及利用多层平面光波导结构实现数据信息的三维记录和读取的方法，记录光束有两束，其中一组记录光束从波导的上部射入，另一束寻址光束从波导的侧面射入，将记录光束聚焦于某波导片的记录层，两光束的共同作用将使焦点处介质的物理性质产生变化，造成波导缺陷，这种物理特性变化可以是介质的折射率变化，也可以是介质密度或其它特性变化，从而记录上“0”或“1”的信号。双光束记录方法要求记录介质为非线性材料，从芯层渗入包层的倏逝波不能单独使记录介质产生光致变化，只有记录光束和寻址光束同时作用才能记录下信息。
文档编号G11B7/005GK1404041SQ0213841
公开日2003年3月19日 申请日期2002年10月11日 优先权日2002年10月11日
发明者梁忠诚, 谢勇 申请人:南京师范大学