DE69116210T2 - System für optische Aufnahme von Daten auf Scheiben und entsprechende Verfahren zum Lesen und Schreiben - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein neues System zur Speicherung digitaler Daten in optischer Form.
• Bei der digitalen optischen Informationsspeicherung ist die maximal erreichbare Speicherdichte durch die Lichtbeugung bei der Schreib- oder Lesewellenlänge begrenzt. Für die im Handel verfügbaren Lichtquellen in Form von Laserdioden kann man beispielsweise diese Grenze der Speicherdichte bei etwa einem Bit je um² ansetzen. Unter dieser Grenze wird das Laserlicht durch die Molekularstruktur des Materials gebeugt, in dem die Information eingespeichert ist, und man kann benachbarte Elementarpunkte nicht mehr voneinander unterscheiden.
• Um die Dichte der digitalen Informationsspeicherung auf einer Scheibe zu erhöhen, d.h. die Menge der zu speichernden Informationen ohne Vergrößerung der Scheibenoberfläche, oder um die Scheibenfläche zu verkleinern, ohne die Informationsmenge zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen, eine Stapelung von lichtempfindlichen Schichten zu verwenden, die auf unterschiedliche Wellenlängen ansprechen (ähnlich den übereinanderliegenden fotographischen Schichten). Informationen werden in jeder Schicht gespeichert und sind jeweils nur durch einen spezifischen Laser einer genau bestimmten Wellenlänge lesbar, die sich von den Wellenlängen unterscheidet, die zum Lesen der Informationen aus der anderen Schicht verwendet werden.
• Die Absorptionsmaxima der verschiedenen Schichten müssen bei deutlich unterschiedlichen Wellenlängen liegen, damit die Informationen voneinander unterschieden werden können. Die oberen Schichten müssen für die Wellenlänge transparent sein, für die die unteren Schichten empfindlich sind. Die Schwierigkeit besteht daher darin, für die verschiedenen Schichten Materialien mit den gewünschten Eigenschaften der spektralen Selektivität, der Empfindlichkeit (beim Schreiben), der Transparenz und der Dauerhaftigkeit der Informationsspeicherung zu finden.
• Es wurde auch in dem Patent US-A-3 987 421 vorgeschlagen, mehrere Informationen in einer gemeinsamen Zone zu speichern, indem oberflächliche Beugungsgitter verwendet werden, wobei mehrere Beugungsgitter für unterschiedliche Frequenzen an der Oberfläche einer gemeinsamen Zone vermischt werden.
• Die Erfindung schlägt eine originelle Lösung vor, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen 1, 14 und 15 definiert ist, um die Menge der je Oberflächeneinheit verfügbaren digitalen Informationen zu vervielfachen, wobei diese Lösung auf einem Prinzip beruht, das sich von dem der Überlagerung von Schichten unterscheidet.
• Gemäß dieser Lösung verwendet man eine Schicht aus transparentem Material, in deren Dicke optische Beugungsgitter gebildet werden können. In jeder Elementarzone der Schicht sind mehrere unterschiedliche Beugungsgitter vermischt, wobei die digitale Information durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Beugungsgitters einer bestimmten Wellenlänge in einer bestimmten Elementarzone definiert ist und jedes Gitter selektiv eine elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge beugen kann, ohne Strahlungen mit Wellenlängen zu beugen, die stark von anderen Gittern gebeugt werden. Unter einer Elementarzone versteht man eine Zone von seitlichen Abmessungen, die gerade ausreichen, um ein digitales Informationsbit in Form eines Beugungsgitters mit zur Oberfläche parallelen Beugungsstreifen zu speichern. Es ist also klar, daß die Erfindung vorschlägt, in dieser gleichen Elementarzone mit Abmessungen, die normalerweise für die Speicherung eines einzigen Informationsbits geeignet sind, mehrere Bits zu speichern, die je durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Beugungsgitters für eine entsprechende Wellenlänge in dieser Zone definiert sind. Die Gitter sind eng miteinander vermischt und liegen in der Dicke der Schicht, wobei die Beugungsstreifen im wesentlichen parallel zur Oberfläche verlaufen.
• Die Schicht ist vorzugsweise eine Schicht aus einem transparenten Material mit einer mittels Licht induzierten Veränderung des Brechungsindex. Mehrere Informationsbits werden in einer gemeinsamen Elementarzone der Schicht in Form von vorhandenen oder nicht vorhandenen Beugungsgittern unterschiedlicher Gitterabstände eingeschrieben, wobei jedes Bit einem bestimmten Gitterabstand entspricht, der sich von dem der anderen Bits unterscheidet.
• In den üblichen optischen Speichersystemen müssen die verschiedenen Informationsbits in unterschiedlichen geographischen Elementarzonen gespeichert werden. Die Erfindung schlägt ein neues System vor, bei dem mehrere unterschiedliche Bits an der gleichen Stelle eingeschrieben werden können. Die Information entsprechend diesen verschiedenen Bits wird durch die Gitterabstände der übereinanderliegenden (gemischten) Beugungsgitter in einer gemeinsamen Elementarzone definiert.
• Außerdem kann man aufgrund der Tatsache, daß die Beugungsgitter vertikal gespeichert werden, d.h. mit Beugungsstreifen parallel zur Schichtoberfläche, die seitlichen Abmessungen jeder elementaren Informationsspeicherzone verringern, so daß die digitale Informationsspeicherdichte deutlich erhöht werden kann.
• Wenn man mehrere verschiedene Beugungsgitter in einer gemeinsamen Zone einander überlagern kann und die Gitterabstände aller übereinanderliegenden Netze in dieser Zone unterscheiden kann, läßt sich offensichtlich die Speicherdichte bezüglich aller bekannter Systeme erhöhen, in denen nur ein Bit in einer Elementarzone gespeichert werden kann.
• Ein Beugungsgitter mit konstantem Gitterabstand ist selektiv nur für bestimmte Wellenlängen des das Gitter durchquerenden Lichts wirksam. Man kann daher mit Hilfe von Strahlen geeigneter Wellenlängen feststellen, ob Beugungsgitter bestimmter Wellenlängen vorliegen oder nicht, selbst wenn mehrere Gitter an derselben Stelle übereinanderliegen, sofern die von jedem Gitter gebeugten Wellenlängen sich deutlich von den Wellenlängen unterscheiden, die von anderen Gittern gebeugt werden.
• Man verwendet also als Informationsträger eine Schicht eines Materials mit einer durch Licht induzierten Variation des Brechungsindex, d.h. ein Material, dessen Brechungsindex örtlich und dauerhaft unter der Wirkung einer Lichtenergie variiert, die örtlich auf das Material angewandt wird. Die Energie wird so angewandt, daß man permanente Veränderungen des Brechungsindex gemäß einem Beugungsgittermotiv mit zur Oberfläche der Schicht parallelen Beugungsstreifen in der Dicke dieser Schicht speichert.
• Für das Einschreiben eines Beugungsgitters verwendet man vorzugsweise einen senkrecht zur Dicke der Schicht in einer begrenzten Elementarzone dieser Schicht fokussierten Laser. Am einfachsten ist es, den Laserstrahl mit seiner eigenen Reflexion in einem Spiegel zu kombinieren, um Interferenzen in der Zone der Vermischung der Strahlen zu erzeugen (diese Zone wird so angeordnet, daß sie in der Dicke der Speicherschicht liegt). Die Mischung der Strahlen erzeugt ein Netz von Interferenzen mit einem geometrischen Gitterabstand, der unmittelbar von der Wellenlänge des Lasers abhängt (der Gitterabstand ist gleich der Wellenlänge geteilt durch zweimal den Brechungsindex des Materials). Die in den kombinierten Strahlen verfügbare Lichtenergie wird ausreichend groß gewählt, damit das Netz von Interferenzen eine örtliche Veränderung des Brechungsindex der Schicht gemäß der Verteilung der Lichtenergie hervorruft, d.h. gemäß dem Motiv des Netzes von Interferenzen. Damit ergibt sich eine dauerhafte Speicherung eines optischen Gitters mit genau bestimmtem Gitterabstand in der Schicht abhängig von der Wellenlänge des Lasers nach Art eines Hologramms, aber in der Dicke der Schicht.
• Wiederholt man diese Operation mit einem Laser einer anderen Wellenlänge an derselben Stelle, dann kann man ein anderes Beugungsgitter mit anderem Gitterabstand einschreiben. Mehrere Gitter können so an derselben Stelle übereinandergelegt sein. Ihre Unterscheidung besteht im Gitterabstand in Dickenrichtung, während man sie nicht durch ihre Lage in der Ebene der Schicht unterscheiden kann, denn sie besetzen die gleiche Zone der Schicht.
• Um die Information zu lesen, muß man feststellen können, ob in einer bestimmten Elementarzone ein Gitter eines bestimmten Gitterabstands existiert oder nicht. Hierzu verwendet man erfindungsgemäß Leselaser der gleichen Frequenz wie die Schreiblaser (ein abstimmbarer Laser oder mehrere Laser). Das Überstreichen eines Beugungsgitters, das in der Materialschicht durch einen Schreiblaser einer bestimmten Wellenlänge eingeschrieben wurde, mit einem Leselaser führt, wenn der Leselaser die gleiche Wellenlänge wie der Schreiblaser hat, zu einer allgemeinen Beugung des Strahls und ruft insbesondere eine partielle Rückbeugung hervor. Wenn der Leselaser dagegen eine andere Wellenlänge besitzt als die, welche zum Einschreiben des Gitters verwendet wurde, durchquert er das Gitter ohne Beugung. Man kann so das Vorliegen dieser Beugung und damit eines Beugungsgitters mit einem bestimmten Gitterabstand erfassen. Die Selektivität ist gut und umso besser, je größer die Anzahl von räumlichen Perioden des Beugungsgitters ist.
• Die erfindungsgemäße Scheibe, die digitale Informationen in optischer Form speichert, enthält also eine Schicht aus einem Material mit einer durch Licht induzierten Veränderung des Brechungsindex sowie mehrere in der Dicke der Schicht gemischte Beugungsgitter in jeder elementaren Informationsspeicherzone.
• Das Leseverfahren gemäß der Erfindung läßt sich allgemein durch folgende Schritte ausdrücken:
• - Man wählt einen Leselaser mit einer bestimmten Lesefrequenz unter mehreren möglichen Frequenzen.
• - Man erfaßt in jeder Elementarzone einer oberflächlichen Schicht der Scheibe das Vorliegen eines physischen Musters, das für diese Frequenz beugend und für andere Frequenzen nicht-beugend wirkt. Die Beugungsmuster bestehen aus periodischen räumlichen Veränderungen des Lichtbrechungsindex innerhalb der Elementarzone in Richtung der Dicke der Schicht, d.h im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche.
• Das Verfahren kann darin bestehen,
• - entweder einen Leselaser einer genau bestimmten Wellenlänge zu wählen und die aufeinanderfolgend benachbarten Zonen zu lesen, um nur die Gitter mit einem dem gewählten Laser entsprechenden Gitterabstand zu erfassen, und dann ggf. die Lesewellenlänge zu ändern,
• - oder jede Zone mit mehreren aufeinanderfolgenden Lesewellenlängen abzutasten, ehe auf die nächste Zone übergegangen wird.
• Man kann ggf. in besonderen Fällen vorsehen, daß die Scheibe zwei oder mehrere Schichten eines Materials mit einer durch Licht induzierten Veränderung des Brechungsindex enthält, die beim Schreiben für sehr unterschiedliche Wellenlängen empfindlich sind und je für die Wellenlängen transparent sind, für die andere Schichten empfindlich sind. Übereinanderliegende Netze sind dann in jeder Schicht vorhanden. Man kann so die Dichte der übereinanderliegenden Informationen in einer oberflächlichen Zone der Scheibe weiter erhöhen. Man kann beispielsweise eine Überlagerung einer Bildinformation und einer Toninformation auf einer optischen Scheibe in Betracht ziehen, wobei die Toninformation in einer unteren Schicht enthalten ist, die mit einem Laser einer größeren Wellenlänge gelesen werden kann, dessen Auflösung damit geringer als die der Bildinformation ist. Diese beiden Informationen können dann gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig gelesen werden. Für jede Schicht überlagert man dann mehrere Lesespuren, die sich voneinander nicht durch ihre physische Lage, sondern durch die Laserwellenlänge unterscheiden, die für das Auslesen erforderlich ist.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt das allgemeine Prinzip der optischen Einspeicherung gemäß der Erfindung.
• Figur 2 zeigt ein Prinzipschema für den Lesevorgang der gespeicherten Information.
• Figur 3 zeigt die allgemeine Form der Kurven für die Beugungs selektivität.
• In Figur 1 ist das allgemeine Prinzip der Erfindung dargestellt. Ein Laserstrahl 10 einer Wellenlänge L wird durch Linsen 12 auf eine sehr enge Oberflächenzone 14 einer Schicht eines Materials fokussiert, dessen Brechungsindex N örtlich durch Lichtenergie verändert werden kann, die örtlich in die Schicht eingebracht wird. Aus Gründen der einfacheren Darstellung berücksichtigt die Zeichnung keinen realistischen Maßstab. Beispielsweise kann die Dicke der Schicht mindestens einige zehn um oder sogar 100 bis 200 um dick sein. Die Oberfläche der Zone 14, d.h. der Brennfleck des Laserstrahls, kann etwa 1 um² betragen. Die Wellenlänge L liegt bei etwa 1 um oder weniger (Wellenlänge des sichtbaren Lichts). Der Abstand zwischen den Fokussiermitteln 12 und der Oberfläche der Schicht beträgt einige Millimeter.
• Der Laserstrahl durchquert also die Schicht in einer Art zylindrischem Kanal, dessen Höhe die Dicke der Schicht bildet und dessen Querschnitt von etwa 1 um² eine Elementarzone der Oberfläche der Scheibe bildet, in der mehrere Binärinformationen gespeichert werden sollen.
• Die Schicht ist vorzugsweise eben (und ist auf eine ebene Trägerscheibe aufgebracht), damit die Oberfläche durch Drehung der Scheibe unter dem Laserstrahl leicht abgetastet werden kann.
• Für das Einschreiben von Informationen in die Scheibe geht man folgendermaßen vor: Die Schicht wird auf einer reflektierenden Oberfläche 18 (reflektierend für die Wellenlänge L des Lasers) ausgebildet. Man kann beispielsweise vorsehen, daß die Schicht ursprünglich auf eine transparente Scheibe aufgebracht ist und daß dieses Substrat dann umgedreht wird, um die Schicht mit der reflektierenden Oberfläche eines Trägers in Kontakt zu bringen, der nicht mit der Scheibe fest verbunden ist. Dies erleichtert es, die Scheibe von der reflektierenden Schicht zu trennen; wenn dies erforderlich ist. Man könnte aber auch vorsehen, daß die Schicht unmittelbar auf dem reflektierenden Träger ausgebildet wird und daß sie später durch bekannte Mittel davon getrennt wird, wenn man das wünscht.
• Der Laserstrahl durchquert die Schicht und kombiniert sich mit seinem eigenen am Spiegel 18 reflektierten Strahl. Daraus ergeben sich Interferenzen im Maßstab der Wellenlänge innerhalb der Dicke der Schicht. Diese Interferenzen ent sprechen Maxima und Minima der Lichtenergie, wie dies in der Wellentheorie des Lichts bekannt ist.
• Die Schicht 16 reagiert auf die vom Laserstrahl induzierte Energie und verändert örtlich ihren Brechungsindex umso mehr, je größer die zugeführte Energie ist. Der Brechungsindex wird daher gemäß einem Muster verändert, das dem des Interferenznetzes entspricht. Es gibt Maxima und Minima der Veränderung des Brechungsindex gemäß dem gleichen Muster wie die Maxima und Minima des Interferenznetzes. Diese Veränderungen des Brechungsindex sind dauerhaft. Sie werden in Figur 1 durch ein Netz von Linien eines veränderten Brechungsindex N+dN symbolisch angedeutet, aber in der Praxis ist dieses Netz komplexer als ein einfaches Netz von nebeneinanderliegenden Streifen.
• Die Einspeicherung ist also eine Art Hologramm in der Dicke der Schicht 16.
• Die für die Schicht 16 geeigneten Materialien sind dieselben wie für Hologramme. Geeignete Photopolymere werden beschrieben von Booth in Applied Optics, Vol. 14, 1975, Seite 593 oder von Monroe, Smothers, Krebs, Mickish in SPIE Symposium on Hybrid Imaging Systems, Rochester, New York, 1988. Materialien wie Lithiumniobat LiNbO&sub3;, Wismutgermanat Bi&sub1;&sub2;GeO&sub2;&sub0; oder Wismutsilikat Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0; können auch verwendet werden.
• Die Größenordnung der Indexveränderung ist gering. Sie beträgt beispielsweise höchstens 1%, aber das ist wesentlich mehr, als für das Lesen erforderlich wäre, wie weiter unten erläutert wird, sofern die Dicke der Schicht ausreicht, um eine große Anzahl von räumlichen Perioden des Interferenznetzes unterzubringen.
• In Wirklichkeit setzt man eine Laserstrahlenergie ein, die wesentlich geringer als die ist, die für die Erzeugung dieser Veränderung des Index um 1% notwendig wäre, nämlich eine Gesamtenergie derart, daß die Maxima der Interferenznetze örtliche Veränderungen des Brechungsindex in der Größenordnung von 0,02% hervorrufen.
• Auf diese Weise sättigt man die Schicht nicht durch eine einzige Einspeicherung eines Interferenznetzes. Es bleibt also noch ein großer Bereich für die Einspeicherung anderer Netze mit Hilfe von Lasern anderer Wellenlängen an derselben Stelle verfügbar. Mit maximalen Indexveränderungen von 0,02% für jedes Netz kann man in einer gleichen Elementarzone 14 mehrere zehn oder sogar hundert unterschiedliche Netze einschreiben, ohne die Schicht zu sättigen.
• Zusammengefaßt wird festgestellt, daß jedes Netz einzeln etwa einer Veränderung des Brechungsindex von X/K% entspricht, wenn die maximal mögliche Veränderung des Brechungsindex X% des ursprünglichen Index beträgt und wenn man K Netze an ein- und derselben Stelle übereinanderlegen will.
• Die in Figur 1 gezeigte Schreiboperation wird also mit verschiedenen Laserwellenlängen an jedem Punkt der Oberfläche der Schicht 16 wiederholt. Weiter unten sieht man, wie man die Wellenlängen wählt. Dies ist ein Problem für die Unterscheidung in der Lesephase.
• Die Schreibenergie in dem Fotopolymer kann beispielsweise 100 mJ/cm² betragen, um eine Indexveränderung von 0,02% zu erzielen. Diese Energie entspricht 1 nJ für 1 um². Die Dauer des Schreibvorgangs für einen Punkt kann 100 ns betragen und die für das Einschreiben erforderliche Laserleistung beträgt dann 10 mW. Diese Leistung kann unter Berücksichtigung des Gesamtwirkungsgrads des optischen Systems von einem Laser mit 50 oder 100 mW erzeugt werden.
• Für den Lesevorgang ist es günstig (aber nicht unbedingt erforderlich), daß die Schicht 16 nicht mehr auf einer reflektierenden Oberfläche, sondern vorzugsweise auf einen transparenten oder absorbierenden Träger ruht. In jedem Fall erfolgt das Lesen nicht unbedingt auf der eigentlichen Schicht 16, die ursprünglich beschrieben wurde, sondern meist auf einer Scheibe, die durch Verdopplung des Hologramms erhalten wurde. Für diese Replik besteht kein Grund für das Vorhandensein einer reflektierenden Schicht.
• Das Auslesen einer Binärinformation, die in einem gegebenen Punkt gespeichert ist, besteht darin, einen Laser strahl der gleichen Wellenlänge, wie die beim Einschreiben verwendete Wellenlänge mit jedoch geringerer Energie auf diesen Punkt zu fokussieren. Entweder hat ein Schreibvorgang stattgefunden und ein holographisches Interferenznetz ist in Form eines Musters von Veränderungen des optischen Brechungsindex des Materials vorhanden, oder es hat keine Beschreibung stattgefunden und es gibt kein solches Netz, zumindest nicht ein Netz entsprechend der gleichen Wellenlänge, da Netze anderer Wellenlängen vorhanden sein können.
• Liegt ein Muster vor, dann wird der Laserstrahl stark gebeugt, da der Gitterabstand des Musters dem der Interferenzen gleicht, die mit derselben Wellenlänge erzeugt worden sind. Ein Teil des gebeugten Lichts wird nach rückwärts gebeugt (Retrodiffusion) und kann von einem Photodetektor erfaßt werden.
• Liegt kein Muster (bei dieser Wellenlänge) vor, dann durchquert der Laserstrahl die Schicht ohne Beugung und es ergibt sich keine Retrodiffusion. Dies gilt auch, wenn Muster am gleichen Punkt mit anderen Wellenlängen eingetragen wurden. Der Laserstrahl durchquert diese Muster ohne Beugung und es ergibt sich keine Retrodiffusion.
• Figur 2 zeigt das Prinzip dieser Laser-Lesevorrichtung. Natürlich ist die Energie des Lese-Laserstrahls deutlich geringer als die des Schreibstrahls, damit nicht beim Lesen Indexvariationen in das Material induziert werden.
• Die Schicht 16 liegt auf einem Träger 20, der vorzugsweise transparent ist (scheibenförmiges Substrat). Der Lese-Laserstrahl 22, der durch einen schrägliegenden halbreflektierenden Spiegel 24 verläuft, wird durch eine Optik 26 auf eine begrenzte Zone 14 der Oberfläche der Schicht 16 fokussiert und auf die ganze Dicke dieser Schicht unter dieser Oberfläche. Licht 28 wird ggf. retrodiffundiert aufgrund eines Beugungsgitters 30 in der Schicht 16, wenn dieses Gitter mit der gleichen Wellenlänge wie die des Leselasers 22 erzeugt worden ist. Dieses Licht wird durch die Optik 26 zum Spiegel 24 reflektiert. Der Spiegel 24 lenkt dieses Licht zu einem optischen System 32, das es auf einen Photodetektor 34 fokussiert. Der Photodetektor liefert die gewünschte Binärinformation über das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Beugungsgitters entsprechend der Wellenlänge des Leselasers an der gegebenen Stelle.
• Der Laser ist abstimmbar, um die Scheibe mit unter schiedlichen Wellenlängen entsprechend den verschiedenen Schreibwellenlängen auslesen zu können. Alternativ kann man auch unterschiedliche Laser verwenden und nacheinander einsetzen.
• Die Verschiebung des Lasers bezüglich der Oberfläche der Scheibe erfolgt beim Lesen wie beim Schreiben genauso wie für die üblichen optischen Speicherplatten. Am besten verwendet man eine ebene Scheibe als Träger für die Schicht 16 und läßt sie bezüglich eines ortsfesten Laserstrahls drehen, der senkrecht auf die Oberfläche der Scheibe gerichtet ist. Die Lage des Strahls bezüglich der Scheibe wird beispielsweise in bekannter Weise gemäß einer in die Scheibe eingravierten Spur nachgeregelt.
• Figur 3 zeigt die Wirksamkeit der Beugung eines Laserstrahls durch ein Beugungsgitter, das in der Schicht 16 durch eine von Licht induzierte Veränderung des Brechungsindex erzeugt wird. Diese Wirksamkeit ist das Verhältnis zwischen der Intensität des nach rückwärts gebeugten Lichts und der des einfallenden Strahls. Auch wenn diese Wirksamkeit gering ist (nur ein kleiner Anteil des einfallenden Strahls tritt nach rückwärts aus und kann vom Photodetektor erfaßt werden), ist diese Wirksamkeit sehr selektiv abhängig von der Wellenlänge, und es ergibt sich ein sehr scharfes Maximum für die Wellenlänge, die genau der Wellenlänge des Schreiblasers für das Beugungsgitter entspricht.
• Wie in Figur 3 gezeigt, ist die Wirksamkeit der Beugung abhängig von der Wellenlänge eine Kurve des Typs (sinx/x², d.h. sie besitzt ein deutliches Maximum bei der Wellenlänge L und zu beiden Seiten dieses Maximums einen Wechsel von sekundären Minima und Maxima, deren Amplitude deutlich geringer als die des Hauptmaximums sind.
• Die spektrale Selektivität kann durch das Verhältnis d10/LO zwischen dem Abstand d10 der Wellenlänge in halber Höhe (entsprechend einem Abfall der Kurve um 50%) und der Wellenlänge LO im Zentrum des Hauptmaximums ausgedrückt werden.
• Die Wirksamkeit besitzt Minima zwischen den Maxima der Kurve und der Wellenlängenabstand zwischen einem Maximum und einem Minimum beträgt gerade etwa d10 für eine Kurve gemäß der Formel (sinx/x)².
• Für eine Unterscheidung zwischen mehreren Beugungsgittern bei unterschiedlichen Wellenlängen muß man die Wellenlängen entsprechend den verschiedenen Gittern um einen Wert gegeneinander verschieben, der ausreicht zu verhindern, daß die Wirksamkeitskurven entsprechend diesen verschiedenen Wellenlängen sich vermischen.
• Dies zeigt Figur 3. Es ist günstig, die zweite Wellenlänge L1 in einem Abstand von 2d10 von der ersten Wellenlänge LO zu zentrieren und dann die dritte Wellenlänge L2 in einem Abstand 2d11 vom Hauptmaximum der zweiten Wellenlänge usw.
• Wenn die spektrale Selektivität ausreicht (d10/LO ist ausreichend klein), kann man eine große Zahl von Gittern mit einander benachbarten Wellenlängen voneinander unterscheiden, beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von ±10 oder 20% um eine zentrale Wellenlänge. Jenseits dieses Bereichs muß man darauf achten, daß die Gitter Oberwellen der Laserfrequenzen beugen können, die beim Einschreiben verwendet worden sind, so daß die Gefahr einer schlechten Auswertung eines Lesesignals besteht.
• Beispielsweise kann man die Verwendung von mehreren zehn unterschiedlichen Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts von 0,73 um bis 0,87 um in Betracht ziehen, wobei die Wellenlängen gegenseitig durch Abstände in der Größenordnung von 0,05 um getrennt sind. Vorausgesetzt, daß die Selektivität ausreicht, d.h. daß der Wert d10 der Kurve in Figur 3 unter 0,002 oder 0,003 um liegt. So ergibt sich ein Speichersystem mit überlagerten Gittern, die beispielsweise zwischen einem Wert P-p1 und einem Wert P+p2 verteilt sind, wobei p1 und p2 höchstens 10 oder 20% von P betragen.
• Für die gewünschte Selektivität muß man die Beugungsgitter über eine große Anzahl von räumlichen Perioden ausbilden. Dies ist der Grund, warum die Einschreibung der Gitter in eine Schicht einer großen Dicke erfolgt, beispielsweise etwa 100 bis 150 um. Für sichtbares Licht von 0,8 um und einen Brechungsindex von etwa 1,5 beträgt der Gitterabstand etwa 0,3 um. Man kann also etwa 300 bis 500 Gitterlinien in einer Dicke von 100 bis 150 um unterbringen. Diese Anzahl ergibt eine ausgezeichnete Wirksamkeit und Selektivität der Beugungsgitter.
• Man kann außerdem berechnen, daß die spektrale Selektivität d10/LO sich umgekehrt zur Anzahl der räumlichen Perioden des Beugungsgitters verhält und daß man daher für eine Anzahl von 500 Perioden und eine Wellenlänge LO von etwa 0,8 um die Schreibwellenlängen durch Abstände von mindestens 2 d10 voneinander trennen muß, d.h. mindestens 0,003 um.
• Die Wirksamkeit der Beugung beim Maximum der Selektionskurve kann auch berechnet werden. Dies ist das Verhältnis zwischen der Intensität der gebeugten Welle und der Intensität der einfallenden Welle. Sie ist proportional zum Quadrat er Anzahl von räumlichen Perioden des Gitters (daher ist es wichtig, eine ausreichende Dicke zu haben) und zum Quadrat der Veränderung des Brechungsindex dN, die das Beugungsgitter erzeugt. Man kann abschätzen, daß diese Wirksamkeit etwa 1% oder einige Prozent mit den oben angegebenen Größenordnungen beträgt, was ausreicht, um eine Erfassung des Vorliegens eines Beugungsgitters zu erlauben.
• Hinsichtlich des praktischen Aspekts des Auslesens von der optischen Scheibe sei bemerkt, daß man eine klassische Verschiebung eines Lesekopfes oberhalb von Spuren verwendet, die die aufeinanderfolgenden Elementarzonen mit den gespeicherten Daten enthalten. Der Lesekopf enthält den Laserstrahl und das Fokussierobjektiv mit großem Öffnungswinkel, der den Strahl auf eine sehr kleine Elementarzone (1 um²) konzentriert. Die Nachregelung gemäß einer vorgegebenen Spur erfolgt beispielsweise, indem Führungsrinnen in die Oberfläche der Scheibe eingraviert werden, genau wie dies bei den derzeit im Handel befindlichen CD-Platten geschieht. Die Rinnen können auf dem Substrat der Scheibe unter der transparenten Schicht mit der durch Licht induzierten Veränderung des Brechungsindex liegen.
• Hinsichtlich des Leselasers sei bemerkt, daß abstimmbare Laser hergestellt werden können. Die Frequenzabstimmung kann insbesondere durch Veränderung der Temperatur der Sendekavität erfolgen und eine Feinabstimmung kann durch Veränderung des Speisestroms für die Laserdioden erreicht werden.

Claims (15)

1. System zur optischen Speicherung digitaler Informationen mit einer Schicht (16) aus einem transparenten Material, in dem optische Beugungsgitter erzeugt werden können, wobei die Information durch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Beugungsgitters in einer Elementarzone (14) der transparenten Schicht definiert ist, das selektiv eine elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge beugen kann, ohne durch Strahlungen anderer Wellenlängen wesentlich beeinflußt zu werden, die von anderen Netzen gebeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter in der Dicke der transparenten Schicht ausgebildet sind und daß die Beugungsgitter, die selektiv für unterschiedliche Wellenlängen wirksam sind, in der Dicke der Schicht in mindestens einer Elementarzone (14) der transparenten Schicht gemischt sind.

2. Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Material mit einer durch Licht induzierten Veränderung des Brechungsindex besteht, wobei in diese Schicht die gemischten Beugungsgitter durch örtliche Veränderung des Brechungsindex gemäß einem Beugungsmuster mit zur Oberfläche parallelen Beugungslinien eingeschrieben werden.

3. Speichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem Fotopolymer besteht, das holographische Bilder speichern kann.

4. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster der verschiedenen Beugungsgitter Abstände besitzen, die zwischen einem Wert Pp1 und P+p2 verteilt sind, wobei p1 und p2 in der Größenordnung von 10 bis 20% von P liegen und P ein Gitterabstandswert ist.

5. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des von einem ersten Gitter gebeugten Lichts von der der ersten am nächsten liegenden Wellenlänge sich um einen Wert unterscheidet, der im wesentlichen gleich 2d1 ist, wobei d1 der Abstand zwischen der ersten Wellenlänge, für die die Beugung durch das erste Gitter einen Maximalwert hat, und einer benachbarten Wellenlänge ist, für die die Beugung durch dasselbe erste Gitter einen Mindestwert hat.

6. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Licht induzierte Veränderung des Brechungsindex für jedes Gitter einer Veränderung des Brechungsindex entspricht, die unter einigen Prozent der maximalen Indexveränderung liegt, die in dem Material hervorgerufen werden kann.

7. Optisches Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (16) mindestens einige zehn um beträgt.

8. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) auf einer ebenen Scheibe (20) gebildet ist.

9. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Spiegel (18) unter der Schicht sowie einen Schreiblaser (10) aufweist, der einen Strahl zur Schicht und durch sie hindurch schickt, so daß der Strahl sich mit seinem eigenen reflektierten Strahl im Inneren der Dicke der Schicht kombiniert und dort Interferenzmuster erzeugt, in denen die Maxima der Lichtenergie ausreichen, um in der Schicht bleibende örtliche Veränderungen des Brechungsindex hervorzurufen.

10. Speichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (12) zur Fokussierung des Laserstrahls (10) auf eine kleine Elementarzone der Schicht aufweist, wobei diese Zone eine Oberfläche von etwa 1 um² und eine Tiefe von etwa der Dicke der Schicht besitzt.

11. Speichersystem nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein abstimmbarer Laser ist.

12. Speichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Leselaser (22), ein Mittel (26), um den Leselaser auf eine kleine Elementarzone (14) der Schicht zu fokussieren, und ein Mittel (34) zur Erfassung einer eventuell von der Schicht rückdiffundierten Strahlung enthält.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es einen halbreflektierenden Spiegel (24) besitzt, durch den der Laserstrahl (22) übertragen wird, wobei der Spiegel dazu dient, eine von der Schicht (16) rückdiffundierte Strahlung zu reflektieren und zu einem Fotodetektor (34) zu lenken.

14. Leseverfahren für eine optische Scheibe, bei dem eine bestimmte Lese-Laserfrequenz unter mehreren möglichen Fre quenzen ausgewählt und in jeder Elementarzone der Scheibe das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines physischen Musters erfaßt wird, das beugend für diese Frequenz und nicht-beugend für die anderen Frequenzen wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter aus einer örtlichen Veränderung des Brechungsindex im Inneren der Elementarzone gebildet werden, wobei diese Veränderung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Schicht periodisch ist.

15. Verfahren zum Einschreiben von Informationen in eine optische Scheibe, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Dicke einer oberflächlichen Schicht der Scheibe aus einem Material mittels durch Licht induzierter Veränderung des Brechungsindex an einer gegebenen Stelle der Schicht mehrere übereinanderliegende Netze von Indexvariationen realisiert, wobei jedes Netz durch Interferenz eines Laserstrahls mit seinem eigenen an einem Spiegel reflektierten Strahl erzeugt wird und jedes Netz einer entsprechenden Laserfrequenz entspricht, die sich von anderen Netzen entsprechenden Frequenzen unterscheidet.