DE2109446A1 - Informationsspeicheranordnung für optische Ein- und Ausgabe von Information - Google Patents

Informationsspeicheranordnung für optische Ein- und Ausgabe von Information

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DE2109446A1 DE19712109446 DE2109446A DE2109446A1 DE 2109446 A1 DE2109446 A1 DE 2109446A1 DE 19712109446 DE19712109446 DE 19712109446 DE 2109446 A DE2109446 A DE 2109446A DE 2109446 A1 DE2109446 A1 DE 2109446A1
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Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König
Dipl.-Ing, K. Bergen Patentanwälte ■ 4oao Düsseldorf · Cecilienallee 7B · Telefon 43S7sa
Unsere Akte: 26 492 26. Februar 1971
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N,Y. 10020 (V.St.A.)
"Informationsspeicheranordnung für optische Ein- und Ausgabe von Information"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Informationsspeicheranordnung und insbesondere auf ein Informationsspeichersystem mit einem Speichermedium, in das bzw, aus dem Informationen optisch eingegeben bzw. entnommen werden.
Bekannt ist ein Informationsspeichersystem mit einem Kristall aus ferroelektrischem Material, das elektrisch gesteuerte, optisch hervorgerufene Änderungen des Brechungsindexes des Kristalls zeigt, wobei der Kristall als holographisches Speichermedium dient» Bei Betrieb eines solchen Systems wird durch Anlegen einer Gleichspannung an den Kristall aus ferroelektrischem Material oder durch "Polung" des Kristalls (um die magnetischen Bereiche auszurichten) ein Gleichspannungsfeld erzeugt und ein geeigneter Lichtstrahl auf den ferroelektrischen Kristall gerichtet. Unter der gemeinsamen· Einwirkung der durch den Lichtstrahl hervorgerufenen optischen Anregung und des elektrischen Feldes ergeben sich an den vom Lichtstrahl beaufschlagten Gebieten abgegrenzte Bereiche mit nichtneutralisierten Ladungen, welche entsprechende Änderungen des Brechungsindexes des ferroelektrischen Kristalls hervorrufen. Die Gleichspannung wird an den ferroelektrischen
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Kristall dadurch angelegt, daß man eine Elektrode an einer oder mehreren Oberflächen des ferroelektrischen Kristalls anbringt. Zu diesem Zweck wird eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf einer Oberfläche des Kristalls durch Aufdampfen, Sprühen oder andere Verfahren angebracht, worauf elektrische Anschlüsse an diesen Elektroden befestigt werden. Derartige Elektroden zum Erzeugen des elektrischen Feldes sind im Hinblick auf die zusätzlichen Kosten bei der Bearbeitung des Kristalls (z.B. Aufdampfen usw.) und infolge der möglichen ungünstigen optischen Effekte dieser Elektroden auf durch den Kristall geleitetes Licht nicht vollständig befriedigend. Auch ist das Erzeugen eines elektrischen Feldes durch Anlegen einer Gleichspannung nicht vollständig zufriedenstellend, und zwar wegen des Erfordernisses einer Zusatzeinrichtung (z.B. Hochspannungsversorgung) bei der Verwendung dieses bekannten Systems.
Soweit die elektrischen Felder durch Polarisationsladungen des Materials intern erzeugt werden, ist die Wahl der Materialien für den Speicherkristall beschränkt, da hierbei ferroelektrische Kristalle erforderlich sind, die in ihren internen Polarisationsfeldern Inhomogenitäten aufweisen. Diese Inhomogenitäten bzw, Unstetigkeitsstellen sind für das Vorhandensein des Feldes erforderlich; sie können jedoch unerwünschte optische, Effekte erzeugen. Auch ist das Erzeugen eines elektrischen Feldes durch Polen des Kristalls wegen des Herstellungsaufwandes unzweckmäßig.
Die vorliegende Erfindung, die die aufgezeigten Nachteile vermeidet, betrifft eine neue Informationsspeieheranordnung, die ein Speichermedium mit einem Material aufweist, das erfindungsgemäß einen sich unter Einfluß eines elektrischen Feldes (intern und/oder extern auf das Speichermedium wirkend) ändernden Brechungsindex aufweist und so beschaffen ist, daß das elektrische Feld vorzugsweise op-
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tisch in ihm induzierbar ist, wobei eine Einrichtung zum Induzieren des elektrischen Feldes in dem Speichermedium vorgesehen ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Speichermedium eine elektro-optische Zusammensetzung, die eine Änderung des Brechungsindexes unter Einfluß eines elektrischen Feldes zeigt, und eine photochromische (in der englischen Fachsprache als "photochromic" bezeichnet) Zusammensetzung, in der ein elektrisches Feld, das zum Hervorrufen einer solchen Änderung des Brechungsindexes ausreicht, optisch induziert bzw. hervorgerufen werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Speichermedium ein einzelnes Bauelement, das eine Mischung eines ersten Materials mit einem unter Einfluß des elektrischen Feldes veränderlichen Brechungsindex und eines zweiten Materials enthält, in welchem ein elektrisches Feld optisch induziert bzw» hervorgerufen werden kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das Speichermedium eine mehrschichtige Anordnung auf, zu der wenigstens eine Schicht mit einem ersten Material, dessen Brechungsindex unter Einfluß des elektrischen Feldes veränderlich ist, und wenigstens eine andere Schicht mit einem zweiten Material gehören, in welchem ein elektrisches Feld optisch induziert werden kann, wobei zumindest diese zwei Schichten räumlich derart in Beziehung stehen, daß das elektrische Feld in der zweiten Schicht die erste Schicht beeinflußt.
Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung gehört die Möglichkeit des optischen Speicherns von Information in einem Speichermedium, das unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes eine Änderung im Brechungsindex zeigt, ohne an dem Speichermedium Elektroden anbringen zu müssen. Im Gegen-
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satz zu den bekannten Systemen, die auf der Erzeugung eines internen elektrischen Feldes durch Polarisationsladungen des Materials basieren, ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf Speichermedien aus ferroelektrischem Material beschränkt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Informationsspeicheranordnung gemäß der Erfindung mit einem Speichermedium, in welchem allein durch optische Mittel Informationen gespeichert werden können;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Speichermediums gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das aus einem einzigen Bauelement besteht, welches ein unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes eine Änderung des Brechungsindexes erfahrendes erstes Material und ein zweites Material aufweist, in welchem ein solches elektrisches Feld optisch induziert werden kann;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des in Fig. 2 gezeigten Speichermediums, in dem Zonen von neutralisier- W ten Ladungen erzeugt sind, welche ein internes elek
trisches Feld hervorrufen, mit einer graphischen Darstellung der Intensität des holographischen Lichts, das auf das Speichermedium gerichtet wird, um das elektrische Feld optisch zu induzieren;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Speichermediums einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung, das eine erste Schicht aus einem ersten Material aufweist, das eine Änderung seines Brechungsindexes in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld erfährt, sowie eine zweite Schicht aus einem zweiten Mate-
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rial, in welchem ein solches elektrisches Feld optisch induziert werden kann;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speicheranordnung.
Fig. 1 zeigt eine Informationsspeicheranordnung 10 mit einem Speichermedium 12 und einem holographischen Abbildungssystem, das eine Laserstrahlquelle 14, eine Strahl-Zerlegungseinrichtung 16 und Strahl-Ablenkspiegel 18 und 19 aufweist« Das Speichermedium 12 umfaßt eine einzelne Platte 20 (Fig. 2) mit einem ersten Material, in welchem allein durch optische Mittel eine Anzahl von Gebieten nicht-neutralisierter Ladungen erzeugt werden kann, und mit einem zweiten Material, welches eine Änderung des Brechungsindexes (wie z,Be Phasenverzögerung oder Doppelbrechung) in Abhängigkeit von dem Einfluß des durch die genannten Ladungen erzeugten elektrischen Feldes erfährt, Der im Rahmen dieser Anmeldung verwendete Ausdruck "optisch" soll elektromagnetische Wellen umfassen.
Das Material, in welchem die Gebiete bzw. Zonen nicht-neutralisierter Ladungen hervorgerufen werden können, kann beispielsweise örtliche Störstellen enthalten, deren Elektronen optisch angeregt und in einen freien Zustand gebracht werden können. Die Störstelle kann beispielsweise wie folgt gebildet sein: durch ein Gitterloch; durch eine Versetzung oder einen anderen Gitterdefekt; oder durch Zugabe eines Fremdatoms oder Donators, welcher derartige optisch anregbare Elektronen aufweist. Als derartiges Material kann beispielsweise ein photochromisches Material dienen, wie z,Be mit Ionen Seltener Erde dotiertes Kalziumfluorid, wie auch Materialien, welche nicht pliotochromisch sindg jedoch Störstellen enthalten (z.B. ein einfach dotiertes .. rStrontiusititanat, wobei als Donator uc. su Molybdän
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oder Eisen, undotiertes Lithiumniobat oder Strontium-Barium-Niobat verwendet werden kann).
Das Material, welches in Abhängigkeit von dem durch die nicht-neutralisierten Ladungen hervorgerufenen elektrischen Feld Änderungen seines Brechungsindexes erfährt, besitzt elektro-optische Eigenschaften, durch die ein an dieses Material angelegtes elektrisches Feld eine örtliche Änderung seiner Lichtdurchlässigkeit bzw, Licht-Übertragungseigenschaften hervorruft. Eine solche Änderung der Lichtdurchlässigkeit ka'nn in einer Phasendifferenz oder einer relativen Verzögerung zwischen den elektrischen Vektorkomponenten längs zweier zueinander senkrechter Richtungen von durch das Material geleitetem, eben polarisiertem Licht begründet sein. Dieses Phänomen ist als elektrooptischer bzw, Pockels-Effekt bekannt. Stoffe, die Änderungen bezüglich ihres Brechungsindexes erfahren, werden bei dem einteiligen Speichermedium 20 mit einem solchen Material gemischt, bzw, vereinigt, in welchem die nichtneutralisierten Ladungen erzeugt werden können. Zu diesen Stoffen gehört Lithiumniobat, Strontium-Barium-Niobat und Strontium-Titanat, In alternativer Ausgestaltung kann das Speichermedium 12 durch eine Einzelschicht mit einem einzigen Material gebildet sein, in welchem sowohl durch optische Verfahren Ladungen erzeugt als auch eine Änderung des Brechungsindexes unter Einfluß des durch diese Ladungen hervorgerufenen elektrischen Feldes bewirkt werden kann. Ein Beispiel für ein solches Material ist Strontium-Titanat oder Kalzium-Titanat, das mit Fe-Mo dotiert ist; oder Barium-Natrium-Niobat, dotiert mit Fe-Mo,
Bei Benutzung der Speicheranordnung 10 wird von der Laserquelle 14 ein Laserstrahl von einer- Wellenlänge von "beispielsweise etwa 4880 1 srzeugt und durch die Strahl-Zerlegungssiarlolr&ung 16 g^laitstp üc- d*i? v:&ser,?t-r-ahlen 22 und 24 zu ©JTSGiigsa;; wsIüLlö e^s C/fc-jGi--:--*-1 i·^·'/;, Bssngs strahl en
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bilden. Die Strahlen 22 und 24 werden von den zugehörigen Ablenkspiegeln 18 und 19 reflektiert und auf das Speichermedium 12 zur Erzeugung eines holographischen Bildes projiziert. Das holographische Bild stellt die Information dar, die gespeichert werden soll. Die Belichtung der das Speichermedium 12 bildenden Platte 20 führt zu einer elektrischen Feldform (Fig. 3) von nicht-neutralisierten Ladungen mit einer Verteilung, welche dem Muster 30 der Lichtintensität des Hologramms entspricht. Die Erzeugung des elektrischen FeldmusterB ist der Diffusion der optisch anregbaren Elektronen aus den Gebieten der Platte 20, in denen sie erzeugt werden (d.h. Gebieten wie 20a der Platte 20, wo die Intensität größer ist), in Richtung der Gebiete (z.B. 20b) geringerer Lichtintensität zuzuschreiben. Das sich ergebende Muster abwechselnder Zonen von nicht-neutralisierten Ladungen führt zu einem elektrischen Feld, welches eine entsprechende Änderung des Brechungsindexes des die Platte 20 bildenden elektro-optischen Materials hervorruft. Die Änderung des Brechungsindexes bewirkt eine. Phasenmodulation des die Platte 20 durchlaufenden Lichts, und zwar entsprechend der Größe der Änderungen des Brechungsindexes, Die Belichtung des Materials 12 mit dem Licht des holographischen Bildes erfolgt solange, daß die Elektronendiffusion stattfinden kann (vorzugsweise zumindest für einige Minuten) und bei Temperaturen (z.B. Raumtemperatur), bei denen die thermische Energie der Elektronen zur Schaffung eines kräftigen elektrischen Feldes im Speichermedium ausreicht.
Wenn das das Plättchen 20 treffende Lichtmuster eine im wesentlichen sinusförmige Lichtstärkeverteilung hat, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, kann eine maximale Feldstärke Emax erreicht werden, die durch die folgende Näherungsgleichung ausgedrückt werden kann:
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2irkT Emax ^j,
βλ
mit: λ = Wellenlänge des Interferenzmusters; k = Boltzmann-Konstante;
T = Absolute Temperatur;
e = Elektronenladung.
Bei Zimmertemperatur und mit einem 10.000 S. Gitterlichtmuster (d.h. \ ) auf der Platte 20 kann gemäß obiger Gleichung ein Emax von etwa 1600 Volt/cm erzeugt werden. Dieses Emax reicht zur Erzeugung örtlicher Änderungen des ■ Brechungsindexes der Platte 20 entsprechend der Verteilung der in ihr enthaltenen elektrischen Ladungen aus (mit beispielsweise Barium-Strontium-Niobat als elektro-optischem Material),
Zum Lesen der im Speichermedium 12 gespeicherten Information wird nur der Bezugsstrahl 22 auf das Speichermedium gerichtet. Der Bezugsstrahl 22 durchläuft das Speichermedium 12 entsprechend den durch das elektrische Feld hervorgerufenen Änderungen des Brechungsindexes des Materials, und das aus dem Speichermedium austretende Licht beinhaltet die im Speichermedium gespeicherte Information und kann auf eine Bildfläche projiziert oder auf andere Weise weiter verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, daß dieselbe Lichtwellenlänge zum Speichern und Lesen verwendet wird; vielmehr kann zum Lesen ein Licht verwendet werden, dessen Wellenlänge einen minimalen Effekt auf die im Speichermedium gespeicherte Information ausübt. Dies führt zu beträchtlich längeren Informations-Lesezeiten, und zwar insbesondere dann, wenn nicht-photochromisches Material das Speichermedium bildet.
In alternativer Ausführung umfaßt das Speichermedium 12 (Fig. 1) eine erste Schicht 31 (Fig. 4), in welcher durch
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optische Mittel eine Anzahl von Gebieten nicht-neutralisierter Ladungen erzeugt werden kann, sowie eine zweite Schicht 32 mit einem Material, welches eine Änderung seines Brechungsindexes in Abhängigkeit von dem Einfluß des durch diese Ladungen erzeugten elektrischen Feldes erfährt,· Wie oben bereits erwähnt, ist das die erste Schicht 31 bildende Material beispielsweise ein solches, das örtliche Störstellen mit optisch in einen freien Zustand anregbaren Elektronen enthält, während das die zweite Schicht 32 bildende Material vorzugsweise elektro-optische Eigenschaften hat, so daß ein angelegtes elektrisches Feld eine vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene örtliche Änderung der Lichtübertragungseigenschaft hervorruft.
Wenn auch das in Fig. 4 dargestellte Speichermedium aneinander angrenzende Schichten 31 und 32 hat, können diese Schichten auch räumlich getrennt sein. In jedem Fall sollten die Schichten des Speichermediums räumlich derart aufeinander bezogen sein, daß das in einer Schicht (in der oben beschriebenen Weise) erzeugte elektrische Feld die andere Schicht des Materials mit veränderlichem Brechungsindex beeinflussen kann.
Die Arbeitsweise der Speicheranordnung 10 mit einem mehrschichtigen Speichermedium (z.B. dasjenige gemäß Fig. 4) ist mit der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Funktionsweise vergleichbar. Bei Belichtung der Schicht 31 des Speichermediums 12 mit dem ein Hologramm bildenden Lichtintensitätsmuster wird ein elektrisches Feldmuster (ähnlich demjenigen nach Fig. 3) von nicht-neutralisierten Teilchen erzeugt, das eine dem Lichtintensitätsmuster des Hologramms entsprechende Verteilung hat. Das sich ergebende Feldmuster von alternierenden Zonen nicht-neutralisierter Ladungen ruft ein elektrisches Feld hervor, welches eine entsprechende Änderung des Brechungsindexes des die
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zweite Schicht 32 bildenden Materials erzeugt. Die Änderung des Brechungsindexes bewirkt eine Phasenmodulation des die zweite Schicht 32 durchlaufenden Lichts, und zwar entsprechend diesen Änderungen des Brechungsindexes„ Die Belichtung der ersten Schicht 31 mit dem das holographische Bild darstellenden Licht wird genügend lang aufrechterhalten, um die Elektronendiffusion stattfinden zu lassen (vorzugsweise zumindest über einige Minuten), und bei Temperaturen (z.Bg Zimmertemperatur), bei denen die thermisehe Energie der Elektronen zur Schaffung eines starken elektrischen Feldes ausreicht.
Zum Lesen der im Speichermedium gemäß Fig. 4 gespeicherten Information geht man in der anhand der in Fig. 2 beschriebenen Weise vor. Der Bezugsstrahl 22 wird durch das Speichermedium entsprechend den vom elektrischen Feld induzierten Änderungen des Brechungsindexes der zweiten Schicht übertragen, und das übertragene Licht enthält die im Speichermedium gespeicherte Information.
Als andere alternative Ausgestaltung kann das Speichermedium 12 (Fig. 1) einen Aufbau (Fig. 5) mit mehreren abwechselnden Schichten von jeweils einem ersten Material (dessen Schichten mit 40 bezeichnet sind), in welchen ein Muster von nicht-neutralisierten Ladungen optisch erzeugt werden kann, und einem zweiten Material (dessen Schichten mit 42 bezeichnet sind) aufweisen, das eine Änderung seines Brechungsindexes in Abhängigkeit von dem durch die Ladungen erzeugten elektrischen Feld erfährt.
Diese Schichten 40 und 42 können in der in Fig. 5 gezeigten Weise aneinander angrenzen oder auch räumlich voneinander getrennt angeordnet sein, wobei die Schichten 42 im Einflußbereich der durch die Schichten 40 erzeugten elektrischen Felder sind. Ein Vorteil der in Fig. 5 gezeigten Bauform (bei der jede Schicht 40 des Materials, in welchem
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ein elektrisches Feld optisch induzierbar ist, zwischen zwei Schichten 42 desjenigen Materials angeordnet ist, das Änderungen seines Brechungsindexes in Abhängigkeit von den durch diese beiden Schichten 40 erzeugten Feldern erfährt) besteht darin, daß die entsprechenden elektrischen Felder, welche von den optisch beeinflußbaren, die nicht-neutralisierten Ladungen enthaltenden Schichten (zeB, 40 und 4Ob) erzeugt werden, sich in die anderen Schichten (z.B. 42a) aus eine Änderung des Brechungsindexes erfahrenden Materials wesentlich weniger weit erstrecken, als die Dicke dieser anderen Schichten (42) ist, da jedes dieser elektrischen Felder auf diese anderen Schichten (42) an einer der beiden Oberflächen (44 und 46) wirksam ist. Die vorliegende Erfindung kann bei dünnen (planaren) Hologrammen und bei dicken (oder dreidimensionalen) Hologrammen verwendet werden.
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Claims (1)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.Ae)
    Patentansprüche:
    Informationsspeicheranordnung, gekennzeichnet durch ein Speichermedium (12) mit einem Material, das einen sich unter Einfluß eines elektrischen Feldes änfc dernden Brechungsindex aufweist, und so beschaffen ist,
    daß das elektrische Feld optisch in ihm induzierbar'ist, und durch eine Einrichtung zum optischen Induzieren des elektrischen Feldes in das Speichermedium.
    2„ Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Einzelmaterial aus der folgenden Gruppe darstellt: mit Eisen-Molybdän dotiertes Strontium-Titanat, mit Eisen-Molybdän dotiertes Kalzium-Titanat und mit Eisen-Molybdän dotiertes Barium-Natrium-Ni obat·
    3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- W zeichnet, daß das Material erste und zweite Materialien mit den zugehörigen Einzeleigenschaften enthält.
    4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material eine elektrooptische Zusammensetzung und das zweite Material eine photochromische Zusammensetzung enthält.
    5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet"^ daß das zweite Material örtliche Störstellen mit optisch in einen freien Zustand anregbaren Elektronen aufweist.
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    6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: mit Ionen Seltener Erden dotiertes Kalzium-Fluorid, entweder mit Eisen oder mit Molybdän dotiertes Strontium-Titanat, Lithium-Niobat und Strontium-Barium-Niobat.
    7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Lithium-Niobat, Strontium-Barium-Niobat und Strontium-Titanat.
    8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (12) aus einem einzigen Bauelement (20) besteht, in dem die ersten und zweiten Materialien vereinigt sind*
    9. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material eine elektro-optische Zusammensetzung enthält.
    10. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Material eine photochromische Zusammensetzung enthält,
    11. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium wenigstens eine erste Schicht (32) aus dem ersten Material und wenigstens eine zweite Schicht (31) aus dem zweiten Material aufweist, wobei die beiden unterschiedlichen Schichten räumlich so aufeinander bezogen sind, daß das in der zweiten Schicht erzeugte elektrische Feld die erste Schicht beeinflußt.
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    12, Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (12) mehrere erste (42) und zweite (40) Schichten aufweist, wobei jede der ersten Schichten (42) zwischen zwei der zweiten Schichten (40) angeordnet ist.
    109851/1554
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