JP2003016657A

JP2003016657A - 書き込み可能多層光記録媒体及びその情報書き込み方法

Info

Publication number: JP2003016657A
Application number: JP2001198827A
Authority: JP
Inventors: Shinji Aramaki; 晋司荒牧
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【課題】多層光記録媒体の光導波路層にホログラム
（情報）をそれぞれ容易に書き込む（記録する）ことが
できるようにする。【解決手段】光導波路層２を複数有する多層光記録媒
体１において、光導波路層２の近傍に、光を吸収して熱
を発生する色素を含有する層４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、書き込み可能多層
光記録媒体及びその情報書き込み方法に関し、詳しく
は、クラッド層に挟まれて形成される光導波路層（コア
層）を複数有し各光導波路層に対する光照射により情報
を多重に書き込むことのできる記録媒体及びその記録媒
体への情報の書き込み方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】（１）体積ホログラムメモリの説明光メモリ（光記録媒体）は、従来、媒体表面層のレーザ
照射による変化により情報を記録するものが一般的であ
り、その変化としては形状変化，磁区変化，相変化等を
利用するものが実用化されている。これらはレーザ光を
レンズで絞りその焦点で記録を行なうため、回折限界に
よる焦点の広がりによりレーザ光の波長程度にスポット
系が制限されるため、記録密度の限界が存在する。

【０００３】そのため、レーザ光を短波長化することに
よりスポット径を小径化して情報記録媒体の記録密度を
高密度化しようとする試みが進められてはいるが、レー
ザを短波長化するのにも限界があり、大幅な高密度化に
は限界がある。また、情報記録媒体の記録密度は、情報
記録媒体に対して書き込み速度／読み出し速度に関連し
ており、上述したように記録密度を十分に高密度化でき
ないことから、情報記録媒体に対する書き込み速度／読
み出し速度を十分に高速化できない。即ち、かかる書き
込み速度／読み出し速度を所定速度以上に保持しようと
すれば、記録密度が低いほど、かかる一定情報量が記録
された部分の面積が大きくなって、この一定情報量に対
する書き込み／読み出しを行なうためのヘッドの移動速
度を高速にしなければならない。

【０００４】しかし、このようなヘッドには一般にレー
ザ光源や光学系等が取り付けられており比較的重量があ
ることから、ヘッドの移動速度を高速化することにも限
界があり、したがって、記録密度を十分に高密度化でき
なければ、情報記録媒体に対する書き込み速度／読み出
し速度を十分に高速化することができないのである。そ
こで、このような記録密度の限界を打破する光記録媒体
として、「体積（３次元）ホログラムメモリ」と呼ばれ
る光メモリが種々開発・検討されている。この「３次元
ホログラムメモリ」は、非常に狭い回折角度依存性を利
用して、参照光の角度を変えながら情報を情報記録媒体
の同一体積中に多重に記録でき、非常に高い記録密度を
実現できるもので、例えば、ニオブ酸リチウム単結晶の
フォトリフラクティブ効果を利用したものや、フォトポ
リマーの光重合反応や光架橋反応を利用したもの、フォ
トクロミズムを利用したもの等がある。

【０００５】この「３次元ホログラムメモリ」では、記
録層の内部に、物体からの反射光や信号等の情報を表す
信号光（物体光）と参照光とを照射して干渉させ、この
干渉により光強度分布に応じて記録層の光学的性質（屈
折率や吸光度等）が変化するので、このような光学的性
質の三次元分布という形で干渉縞を３次元的に記録する
ことができる。

【０００６】また、記録に使用した参照光と同じ波長の
光を同じ角度で「３次元ホログラムメモリ」に対して照
射することにより（このように情報再生を目的に「３次
元ホログラムメモリ」に照射する光を「読出光」とい
う）、回折光として信号光（即ち情報）が再生されるが
（このようにして再生される信号光を「再生光」とい
う）、情報の再生に際しては、読出光の角度に非常に敏
感となり、参照光の角度や位相分布を変えて記録するこ
とで多重記録が可能となっている。

【０００７】ここで、「３次元ホログラムメモリ」にお
ける情報の記録／読み出し方法には、主に、「角度多重
方式」と「シフト多重方式」とがある。前者の「角度多
重方式」では、参照光を平面波とし、参照光の照射角度
を少しずつ変化させていくことにより、参照光と信号光
との干渉縞を多重に記録することが行なわれる。これに
対し、後者の「シフト多重方式」では、参照光を、レン
ズを用いて球面波とし、参照光と信号光との角度は変え
ず、例えば参照光と情報記録媒体とを相対的に平行にシ
フトさせることにより（被記録部分を少しずつずらして
いくことにより）、参照光と信号光との干渉縞を多重に
記録することが行なわれる。

【０００８】つまり、「シフト多重方式」では、参照光
が球面波なので、入射角度の異なる多数の参照光が同時
に記録媒体に照射されていることと等価となる。このた
め、参照光が照射された記録媒体の特定の位置に着目す
ると、参照光と記録媒体とをシフトさせると、シフト前
後ではこの特定位置に対する参照光の照射角度が異なる
こととなる。

【０００９】したがって、参照光と記録媒体とを少しず
つシフトさせることで、参照光の照射角度を少しずつ変
化させることができ、「角度多重方式」と同様に参照光
と信号光との干渉縞を多重に記録することができるので
ある。そして、この際のシフト距離を照射スポット径よ
り十分小さく（１／１００程度）することで、同一体積
中に高密度の多重記録を行なうことができる。なお、本
「シフト多重方式」は、特にディスク状の記録媒体の記
録／読み出しに適している。

【００１０】しかしながら、「３次元ホログラムメモ
リ」は、記録密度は非常に高いものとなるが、その一方
で記録／読み出しの光学系がかさばり、装置の小型化が
難しい。また、記録媒体自体も、安定性，信頼性，取り
扱い易さの面で十分に実用的なものは得られておらず、
さらに複製も容易でないことから、実用化までには至っ
ていないのが現状である。

【００１１】（２）カード型（平板状）ホログラムメモ
リの説明そこで、このような３次元ホログラムメモリの難点を補
い、且つ、体積記録の利点を活かすために、カード（平
板）形状を有する多層２次元ホログラム型の記録媒体
（以下、多層２次元光メモリという）が提案されている
（例えば、特開平１１−３４５４１９等参照）。これ
は、コア層とクラッド層とを有する多層の光導波路層の
各層に、光散乱要因によるホログラムを形成（記録）し
たものである。

【００１２】このような多層２次元光メモリでは、一つ
の（コア）層（情報が記録された層）に光を結合して伝
播させることで、その伝播光の散乱により記録情報（ホ
ログラフィー情報）が散乱光として外部に取り出され、
その散乱光を例えば２次元画像検出器（以下、単に「検
出器」ともいう）で検出することで記録情報の読み出し
（再生）が行なわれる。

【００１３】そして、近年、このような多層２次元光メ
モリは、平板状の光導波路層を多数積層する（１００層
程度の積層が可能である）ことにより、その記録容量も
向上しており、単一面に情報を記録する通常の２次元メ
モリと、上述した体積ホログラムメモリのような３次元
メモリとの中間に位置付けられる。また、多層２次元光
メモリの場合は、上記検出器の面上に再生された記録情
報（散乱光）が結像するようにホログラムを設計してお
けば、情報読み取りのための光学系も簡素な構成で済
む。

【００１４】さらに、多層２次元光メモリは、計算機で
作成したホログラムの型を作れば、それを用いて各層を
エンボス加工等により作製したものを積層して製造する
ことができるので、複製も容易である。また、ホログラ
ムメモリを多層にするメリットは、そのクロストークの
小ささにある。即ち、通常のビットバイビットでの情報
記録を多層で行なおうとすると、１ビットの記録情報を
読み出すためには、記録部分の光散乱や屈折，吸収現象
を用いるため光学定数の大きな変化が必要であるが、ホ
ログラムの場合は光の回折現象を利用するので、屈折率
の変化が小さく回折効率が小さくても記録情報を読み出
す際のＳ／Ｎ比を大きくできる。特に、１層ではほとん
ど透明な層になるので、層間の干渉が小さくなるという
メリットがある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、多層２次元
光メモリは、カード形状の各光導波路（以下、光導波路
層ともいう）にホログラム（情報）を膜の凹凸等の光散
乱性加工により予め書き込んでおき、再生のみに利用す
る（つまり、ＲＯＭとして用いる）ものが数多く提案さ
れているが、このような媒体に情報を書き込むことは容
易ではない。例えば、特開平９−１０１７３５号公報に
は、光導波路層にバクテリオロドプシンのようなフォト
クロミック材料〔光感光（硬化）性の材料〕を用いて、
導波光（参照光）と物体光（信号光）の干渉縞により媒
体に情報を書き込む方法が開示されているが、光感光性
の材料を多層に形成することは容易ではなく、且つ、情
報の記録部分が光導波路部分であるために記録材料（フ
ォトクロミック材料）の光吸収の調節が難しく、高感度
化も難しい。

【００１６】また、光強度に対して線形に応答する現象
（通常の光反応やフォトクロミズム）は、弱い光の蓄積
で変化が起こること、干渉縞による書き込みでは書き込
む光（参照光）と読み出す光とが同じ波長である必要が
あること等から、追記型記録媒体としては、一度書き込
んだ情報を読み出す際に、まだ情報が書き込まれていな
い部分が読出光により変化してしまうといった課題もあ
る。

【００１７】このため、多層構造の光メモリでは、ビッ
ト毎に情報を書き込む方法については、これまで多くの
検討，提案がなされてきたものの、各光導波路層にホロ
グラムを書き込む（多重記録する）ことのできるタイプ
のものはこれまで知られていないのが現状である。本発
明は、このような課題に鑑み創案されたもので、媒体の
熱変化を利用して多層の光導波路層にホログラム（情
報）をそれぞれ容易に書き込む（記録する）ことのでき
る、多層光記録媒体及びその情報記録方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の書き込み可能多層光記録媒体は、光導波
路層を複数有する媒体において、上記光導波路層の近傍
に、光を吸収して熱を発生しうる色素を含有する層が設
けられていることを特徴としている（請求項１）。

【００１９】また、本発明の書き込み可能多層光記録媒
体は、光導波路層を複数有する媒体において、上記光導
波路層内に、光を吸収して熱を発生しうる色素を含有す
る微粒子が分散して混入されていることを特徴としてい
る（請求項２）。なお、上記の微粒子の粒径は１００ｎ
ｍ（ナノメートル）以下であるのが好ましい（請求項
３）。

【００２０】さらに、本発明の書き込み可能多層光記録
媒体の情報書き込み方法は、パルスレーザを用いて参照
光と信号光とを生成し、上記の請求項１〜３のいずれか
１項に記載の多層光記録媒体に対して、上記の参照光及
び信号光を照射し、これらの参照光と信号光との干渉縞
によって信号光の有する情報の書き込みを行なうことを
特徴としている（請求項４）。

【００２１】また、本発明の書き込み可能多層光記録媒
体の情報書き込み方法は、記録すべき情報を有する信号
光を集光し、この集光した信号光の焦点を、上記の請求
項１〜３のいずれか１項に記載の書き込み可能多層光記
録媒体における情報書き込み対象の光導波路層に合わ
せ、その焦点位置で上記信号光を照射することにより、
上記情報の書き込みを行なうことを特徴としている（請
求項５）。

【００２２】なお、上記の情報書き込み位置での光強度
は、１×１０¹⁰Ｗ／ｍ²（ワット／平方メートル）以上
であるのが好ましい（請求項６）。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。（１）本発明の概要説明まず、光照射により吸収された光を熱エネルギーに変換
し、その熱エネルギーによる媒体の屈折率変化を利用し
て（つまり、ヒートモードで）ホログラム（情報）を書
き込めるようにした、カード形状の多層２次元ホログラ
ム型メモリ（以下、単に「多層光メモリ」ということが
ある）について説明する。

【００２４】熱エネルギーを利用してホログラムの書き
込みを行なうためには、例えば、色素が光を吸収して色
素自体やその周辺の温度が上昇して分解や相変化等の何
らかの変化を起こすことを利用できる。ここで、１０℃
以下の温度上昇では何らかの変化を引き起こすことが難
しいし、仮に可能であっても安定性の面で問題がある。
少なくとも５０℃以上の温度変化（熱量）があれば、分
解等の化学変化を容易に引き起こすことができ、媒体の
材料によっては、さらに、その発熱を増幅させることも
可能である。

【００２５】また、色素がポリマー等に希釈された系で
は、単位体積当たりに生成する熱エネルギーが少なく、
温度を上げる為には極端に高いパワーをもつ光を照射す
る必要があり、現実的ではない。このため、少ない色素
添加量で吸収された光エネルギーを有効に用いて温度の
変化として利用するためには、色素濃度を高くする必要
がある。

【００２６】そこで、溶解するのではなく、例えば図１
に示すように、純粋な色素あるいは色素を高濃度に含有
する固体を薄膜状にしたものを色素層４（以下、「薄膜
色素層４」もしくは「薄膜４」と表記する場合がある）
として、クラッド層３に挟まれて形成される光導波路層
（コア層）２の近傍にそれぞれ設ける（図１ではコア層
２の一方の面部に積層されている）、もしくは、例えば
図２に示すように、純粋な色素の微粒子あるいは色素を
高濃度に含有する微粒子（以下、単に「色素微粒子」と
もいう）をコア層２内にそれぞれ分散して混入するのが
よい。

【００２７】即ち、光導波路層（コア層）２を複数有す
る多層光メモリ（多層光記録媒体）１又は１′におい
て、コア層２の近傍に、色素を含有する層４を設ける、
もしくは、コア層２内に、色素を含有する微粒子を分散
して混入するのである。なお、図１及び図２では、３層
分の光導波路層２しか図示していないが、実際には、１
００層程度までの積層が可能である。

【００２８】ここで、「色素」材料としては、例えば、
アゾ色素，シアニン色素，インジゴ系色素，縮合環色
素，フタロシアニン系色素，キナクリドン，ポルフィリ
ン，トリフェニルメタン，スチルベン，カロテノイド，
ペリレン色素，スクアリリウム系色素，共役高分子等が
適用できるが、使用レーザ波長で吸収帯を有するもので
あればどのようなものを適用してもよい。

【００２９】また、上記のコア層２の膜厚については、
１０μｍ（マイクロメートル）以下、好ましくは、１μ
ｍ〜５μｍ程度にするのがよく、クラッド層３について
は、５μｍ以上、好ましくは、７μｍ〜１００μｍ程度
にするのがよい。さらに、色素層４は、例えば、コア層
２の近傍に色素を塗布あるいは蒸着することにより形成
することができる。この色素層４の膜厚は、１μｍ以
下、好ましくは、０．０５μｍ〜０．５μｍ程度に選定
するのがよい。

【００３０】また、コア層２に混入する色素微粒子とし
ては、例えば、顔料を微粒子にしたものや、微粒子状に
重合した高分子に色素を高濃度で溶解したもの、あるい
は、色素を含むモノマーを重合して微粒子状に重合した
もの等が挙げられる。ただし、これらの場合は、コア層
２に混入された色素微粒子による参照光（導波光）やホ
ログラムを書き込むための光（信号光）の散乱が問題に
ならない程度に色素微粒子の粒径を選定するのが好まし
い。また、各層２〜４を多層に積層する場合には、書き
込み光が最下層の情報記録層まで十分な光強度で透過す
る必要もある（これは後述する色素微粒子の吸光係数α
に関係する）。したがって、色素微粒子の粒径として
は、一般に１００ｎｍ（ナノメートル）以下、好ましく
は、５ｎｍ〜１００ｎｍ程度、より好ましくは、２０ｎ
ｍ〜８０ｎｍ程度に選定するのがよい。

【００３１】以上のようにすると、多層光メモリ１又は
１′内において局所的に色素濃度が高くなるため、光吸
収による発熱量を高くして温度変化を大きくすることが
可能である。ただし、色素層４の膜厚が薄くなったり、
コア層２に混入する色素微粒子の粒径が小さくなったり
すると、それだけ熱拡散速度が速くなり、発生した熱が
温度上昇に用いられる前に周りの媒体に拡散してしま
い、有効に温度上昇に用いられにくくなる。

【００３２】そこで、光エネルギーを高くするために
は、熱拡散速度よりも速く加熱することが必要になる。
これを実現するには、例えば、パルスレーザを用いて高
いエネルギーの光を短時間で照射、あるいは、光を細く
絞って（集光して）、焦点近傍の高パワー部分を利用す
ることが考えられる。また、図１又は図２に示すよう
に、複数の光導波路層２が積層されている場合、ホログ
ラムを書き込むための光が最下層の色素層４（光導波路
層２）まで有効に到達するためには、各層２〜４の光吸
収の上限が制限として存在する。

【００３３】以下、光吸収の制限の範囲で、局所的に５
０℃以上に加熱できる条件について、熱拡散方程式を用
いた熱シミュレーションを利用して定量的に検証する。（２）熱シミュレーション (2.1)シミュレーションモデルの説明熱拡散方程式を系に合った初期条件及び境界条件で解い
て、最高到達温度を計算することが熱シミュレーション
の主要目的である。方程式には、次式（１）に示す熱拡
散方程式を用いる。

【００３４】

【数１】

【００３５】ここで、この式（１）において、Ψは温
度、Ａは単位体積あたり発熱量、Ｋは熱伝導率、κは熱
拡散係数（＝Ｋ／ρｃ）をそれぞれ表す。本モデルでの
発熱量Ａ（Ｗ／ｍ＾３）は、吸収される光エネルギーが
瞬時にその場で１００％熱エネルギーに変換されるとし
て、単位体積当たりの吸収される光パワーで代替する。
これは以下のように計算される。

【００３６】即ち、図３に示すように、光（光強度
Ｉ₀）の進行方向に平行な、面積ds、長さzでの物質の熱
吸収量ｑは、物質中を光はＩ₀Exp（−αｚ）（αは物質
の吸光係数である）で減衰することから、

【００３７】

【数２】

【００３８】と表される。したがって、物質の全熱吸収
量Ｑは、その物質の射影された面積Ｓで積分して求めら
れるので、

【００３９】

【数３】

【００４０】と表すことができる。ここで、本実施形態
では、光エネルギーを吸収する物質として色素の薄膜４
あるいは微粒子を考えるので、その光吸収による光減衰
は小さいものとして、次式（４）のように、指数関数を
１次の項まで展開する。

【００４１】

【数４】

【００４２】つまり、吸収される光のパワー（エネルギ
ー）は、光強度（Ｉ₀），体積（Ｖ）及び吸光係数
（α）の乗算により求められることになる。この吸収さ
れた光エネルギーが瞬時に熱エネルギーに変換されると
すると、上記の熱拡散方程式（１）におけるＡは、

【００４３】

【数５】

【００４４】と表すことができる。材料パラメータとし
ては、有機物の代表的な値、即ち、Ｋ＝０．２８（Ｗ／
ｍＫ）、比熱ρｃ＝１．７（Ｊ/ｃｍ³Ｋ）を用いること
にする。なお、パラメータの温度依存性は考慮しておら
ず、適用範囲は材料の分解、相転移等の変化が起こらな
い範囲である。

【００４５】そして、式（１）に示す熱拡散方程式は、
以下の式（６）〜（８）に示すように、変数変換する
と、式（９）に示すようにパラメータを含まない方程式
に変換できる。この関係を利用して、得られる結果をス
ケーリングできる。ただし、下記の式（８）において、
ｒは座標（ｘ，ｙ，ｚ）を表す。

【００４６】

【数６】

【００４７】

【数７】

【００４８】ここで、この式（９）において、∇_s ²はｓ
座標による２階変微分の和を表す。すなわち、ある条件
で計算された温度分布は、光強度（Ｉ₀），吸光係数
（α）を変化させるとそれに比例して変化したものにな
る。また、座標のスケールをａ倍すると、時間のスケー
ルをａ²倍にしたものになり、温度もａ²にスケーリング
したものになる。

【００４９】（2.2）光吸収，散乱に対する制限条件ところで、上述したような積層光導波路タイプの記録媒
体に対しては、光吸収に対する制限条件が存在する。即
ち、媒体に光照射して情報を書き込む際に、多層構造の
ため、最下層の情報記録層（コア層２）に書き込みを行
なうためには他の層を通して光照射することになる。そ
のため、一層当たりの光吸収が強すぎると最下層の情報
記録層に到達するまでに光強度が減衰してしまい記録に
十分な光強度が得られないことになる。

【００５０】例えば、導波光との干渉縞により情報を記
録する（これを、以下、「干渉縞露光」という）場合、
書き込み光パワーを媒質が変化する閾値Ｗに設け、参照
光のパワーをＸ、信号光のパワーをＹとすると、干渉縞
の明部と暗部のパワーはそれぞれＸ＋Ｙ、｜Ｘ−Ｙ｜で
与えられる。ここで、干渉縞のコントラストのためにパ
ワーの比を２以内に設定すると、Ｘ＋Ｙ＞Ｗ＞｜Ｘ−Ｙ｜ …（１０）０．５＜Ｘ／Ｙ＜２ …（１１）であるから、媒体内至る所で、Ｗ＞Ｘ、Ｙ＞Ｗ／２を満
足することが必要になる。つまり、媒体内の最大の損失
を５０％以内に押さえる必要がある。

【００５１】従って、一層あたりの吸光度Ａの層をＮ層
重ねた場合、Ａ×Ｎ＜−ｌｏｇ（０．５）＝０．３の制
限が課せられる。例えば１０層の場合、Ａ＜０．０３
（７％の吸収率）、１００層でＡ＜０．００３（０．７
％の吸収率）である。また、干渉縞露光の際には光導波
路層２を伝播する参照光に対する吸収の制限もある。こ
れは、ホログラムを記録する範囲に５０％以内の減衰で
光が導波路層２内を伝播することが必要条件となる。色
素層４を設けた多層光メモリ１（図１参照）の場合は、
色素層４の占める部分に存在する光パワーの部分が吸収
されるので、光導波路層２に対する色素層４の厚みの割
合で実質的な吸光係数（α）は小さくなる。

【００５２】即ち、色素層４を設けた多層光メモリ１
（図１参照）の場合、図８に模式的に示すように、伝播
光（参照光）はクラッド層３に対して屈折率の大きなコ
ア層２及び色素層４に主に存在し、エバネッセント（ev
anescent）波がクラッド層３に存在するが、このうち、
光吸収するのは色素層４であるので、上記伝播光は、近
似的に、吸光係数αにこの部分に存在する光強度の割合
（Ｐ）を掛けた吸光係数α′（＝α×Ｐ）で減衰するこ
とになる。従って、この場合、コア層２のｚ軸方向の伝
播光強度をＩ₀とすると、この伝播光は、次式（１２）
により減衰することになる。

【００５３】

【数８】

【００５４】なお、干渉縞でなく、集光した光でホログ
ラムを書き込む（後述）際には、上記のような光導波特
性に対する制限は無い。さらに、ホログラム記録媒体で
は、媒体の透過率が高い必要があるため、色素微粒子を
光導波路層２に分散混入した多層光メモリ１′（図２参
照）の場合には、前述したように、色素微粒子の粒径
を、光の散乱を防止するために光の波長よりも小さくす
る必要がある。そこで、以下では、可視光を用いる際の
一つの目安として波長の１／１０程度の５０ｎｍ（ナノ
メートル）を例にとって解析する。また、色素の薄膜層
４を利用する場合には、その厚みが厚ければ色素の吸光
係数の小さい波長を選ぶ必要があり、加熱には不利にな
る。これについても膜厚５０ｎｍを例にとって解析す
る。

【００５５】なお、一般の系では、熱拡散方程式の数値
解を求める必要があるが、解析解の存在する球の系と無
限に広がる平面を代表例として説明する。（2.3）微粒子分散系（図２）の場合半径ａの球の内部が一定の速度（Ａ）で発熱するときの
温度分布の時間変化は、球内部も外部も一様な熱伝導率
Ｋ及び熱拡散係数κであるとして、次式（１３）（０＜
ｒ＜ａの場合），次式（１４）（ｒ＞ａの場合）に示す
ような解析解で表される。

【００５６】

【数９】

【００５７】この解を利用して、温度分布の挙動を調べ
る。この系中、温度が最も高くなるのは、球の中心ｒ＝
０の点である。また、球の系が小さくなるほど、熱の拡
散が速くなり、時間が短いときは温度はκＡｔ／Ｋと時
間に比例して上昇するが、長時間経過後飽和し、ａ²Ａ
／２Ｋに近づく。この様子を図４に示す。

【００５８】この飽和が始まる時間は、次式（１５）に
示す中心の温度の時間変化ψ（０，ｔ）を３階微分して
０になる時間で求められる。

【００５９】

【数１０】

【００６０】これを計算すると、ｔ＝ａ²／（１０κ）
となり、この時間から熱拡散の影響が始まる。ただ、こ
の時間で飽和温度の２０％程度に到達し、ｔ＝ａ²／κ
では６０％程度にまで達する。従って、半径ａの球を加
熱する時間は、ａ²／κ程度に集中すべきであり、これ
よりも加熱時間が長くなると熱は拡散してしまい、有効
に球を加熱することに使われない。

【００６１】また、到達温度はａ²Ａ／２Ｋで決まるた
め、加熱速度Ａに比例する。先に述べたように、加熱速
度は、照射光パワーと体積当たりの吸光度の積に比例す
る。例えば、色素微粒子の径を前述したように５０ｎｍ
（つまり、ａ＝２５ｎｍ）とし、熱拡散係数を有機物の
値を用いて１．７×１０^-7（ｍ²／ｓ）とすると、ａ²／
κ＝４×１０^-9となり、４ナノ秒以下で効率よく加熱す
る必要がある。

【００６２】一方、必要な温度変化を５０℃以上と仮定
すると、ａ²／κ秒の発熱で０．６＊（ａ²Ａ／２Ｋ）ま
で温度が上がることから、０．６＊（ａ²Ａ／２Ｋ）＞
５０とすると、発熱速度Ａ＞１．５×１０¹⁷（Ｗ／
ｍ³）が必要になる。従って、光強度Ｉ₀と材料の吸光係
数αでα×Ｉ₀＞７×１０¹⁶となるように吸光係数αに
対する光強度Ｉ₀を選ぶ必要がある。

【００６３】また、色素材料を利用すると、吸収の強い
ところでも吸光係数αは１０⁷（ｍ^- ¹）程度であるか
ら、情報記録（書き込み）位置での光強度としては１×
１０¹⁰Ｗ／ｍ²（ワット／平方メートル）以上が必要に
なる。これは、既存の連続発振（ＣＷ）レーザのレーザ
光を強く集光して達成できるぎりぎりのパワーである。
したがって、短時間で有効に色素微粒子の温度を上げる
ためには、パルスレーザが非常に有効であることが分か
る。パルスレーザを用いれば、デフォーカスした干渉縞
（ホログラフィー）の記録も可能になる。

【００６４】（2.4）薄膜色素層４（図１）の場合 −ａ＜ｘ＜ａに発熱体がある場合の温度上昇に対する解
は、次式（１６）（｜ｘ｜＜ａの場合），次式（１７）
（｜ｘ｜＞ａの場合）のように表される。

【００６５】

【数１１】

【００６６】この場合も、やはり、ｘ＝０の中心部分が
最も温度が高くなるので、この部分の温度に注目する
と、３階微分して０になる時間は、ａ²／６κとなり、
この時間までは熱拡散速度よりも速く加熱できるため、
発熱量に比例して温度が上昇する。この後は熱拡散のた
め温度上昇速度は減少するが、前述した球の場合とは異
なり、飽和温度は存在せず、速度は遅くなりながらもど
こまでも上昇して行く。

【００６７】従って、加熱効率からみれば上述した粒状
の加熱媒体よりも層状の加熱媒体の方が優れている。た
だし、これは無限に広がる面での発熱の場合であり、レ
ーザ光の焦点付近での変化はこの層状の場合と球の場合
との中間になり、飽和する傾向が強くなる。このため、
図１に示す薄膜色素層４の場合も、図２に示す色素微粒
子を分散混入した場合と同様に、ａ²／κ程度が有効に
局所的な加熱を行なうための時間であると考えることが
できる。

【００６８】従って、この場合も、例えば、色素層４の
膜厚を５０ｎｍ（ａ＝２５ｎｍ）とし、熱拡散係数を有
機物の値を用いて１．７×１０^-7（ｍ²／ｓ）とする
と、ａ²／κ＝４×１０^-9となり、４ナノ秒以下で効率
よく加熱する必要がある。一方、必要な温度変化を５０
℃以上と仮定すると、この場合も、吸収の強いところで
もαは１０⁷（ｍ^-1）程度であるから、情報書き込み位
置での光強度としては１×１０¹⁰Ｗ／ｍ²以上が必要に
なる。

【００６９】（３）材料および媒体の形態の説明これまで熱シミュレーションにより述べたのは、色素あ
るいはその周りの材料が熱的な変化を起こすのに必要な
程度に加熱するための条件であるが、含有する色素の量
が少なければ記録に十分な変化を引き起こすことが難し
いと考えられる。そのため、色素の加熱に伴い分解等の
化学変化が引き起こされるような材料を混合しておき、
色素の発生する熱を増幅させることが望ましい。そのよ
うな材料としては、５０℃以上の温度変化で分解して大
量の熱を発生するようなものを用いるのがよい。具体的
には、分解するものであれば基本的にどのようなものを
適用してもよいが、例えば、ジアゾ化合物，ニトロ化合
物等が、比較的、分解感度が高いものと考えられるので
好適である。

【００７０】（４）書き込み方法の説明 (4.1)ホログラム書き込み（干渉縞露光）ホログラムを多層光メモリ１又は１′に書き込む一手法
としては、参照光と信号光との干渉縞により信号光が有
する情報（ホログラム）を記録する干渉縞露光がある。
この場合、参照光は光導波路層２の伝播光（導波光）と
する必要があり、信号光はそれに垂直方向に照射される
ようにすれば、ＲＯＭとして用いられる多層光メモリの
読み出しとコンパチビリティーのあるものにできる。

【００７１】なお、この場合、記録されるホログラムは
数μｍ以下という薄いものになるので、波長や角度の条
件は厳密に読出光と一致しなくてもよい。ただし、その
場合、読み出す画像の出射角が若干ずれることがあるの
で、これが問題にならない程度の範囲に収める必要はあ
る。図５に干渉縞露光の書き込み光学系の一例を示す。
この図５に示す書き込み光学系７は、例えば、シリンド
リカルレンズ５，パルスレーザ８，ビームスプリッタ
９，ミラー１０ａ，１０ｂ，空間変調素子１１及びレン
ズ１２をそなえて構成されている。

【００７２】そして、パルスレーザ８から出射された光
は、ビームスプリッタ９で２分岐されたのち、それぞれ
対応するミラー１０ａ，１０ｂで曲げられて、一方はシ
リンドリカルレンズ５で多層光メモリ１又は１′の情報
記録（書き込み）対象の光導波路層２の端面付近に集光
される。他方の光は空間変調素子１１に入射されて書き
込みデータが画像として表示され（信号光が生成さ
れ）、これをレンズ１２で画像読取装置の画像検出器の
検出位置１３に結像するように調整する（図６参照）。
これにより、多層光メモリ１又は１′に入射された参照
光と信号光とが書き込み対象の光導波路層２において交
差する（干渉縞が発生する）ことになる。

【００７３】この際、レーザパワーを、媒体（コア層
２）が色素層４又は色素微粒子の光吸収によって発生す
る熱によって変化するパワーよりも少し弱くしておけ
ば、信号光及び参照光の一方のみの光パワーでは熱変化
が生じないので、これらの光が重なった部分、つまり、
干渉縞の生じる部分のみに熱変化が生じて他の部分には
影響を与えることなく情報（ホログラム）を記録できる
ことになる。

【００７４】なお、異なるホログラムを記録する場合に
は、シリンドリカルレンズ５及びミラー１０ｂを多層光
メモリ１又は１′の膜厚方向（図５では上下方向）に平
行移動させて、別の光導波路層２に結合させるととも
に、空間変調素子１１に別のホログラムを用意すればよ
い。また、この干渉縞露光では、集光した光を用いない
ので、記録に必要なレーザパワーを得るのは、ＣＷレー
ザでは難しい。従って、パルス幅が例えば１０ｎｓ（ナ
ノ秒）以下のパルスレーザを用いることが望ましい。こ
のようなレーザとしては、Ｑスイッチレーザやモードロ
ックレーザ、これらを増幅したパルスレーザ等が適用で
きる。

【００７５】(4.2)逐次書き込みホログラムを書き込むもう一つの方法は、計算機ホログ
ラムを逐一書き込んでゆく方法である。即ち、例えば図
７に模式的に示すように、記録すべき情報を有するレー
ザ光（信号光）を例えば対物レンズ等の高い開口率を有
するレンズ１４によって強く絞り、その焦点を書き込み
（情報記録）対象の光導波路層２に合わせ、その状態
で、レーザ光もしくは多層光メモリ１又は１′をその面
内方向に（記録層内で）移動させながら、且つ、レーザ
光を強度変調させながらホログラムを書き込んでゆくの
である。

【００７６】つまり、この場合は、信号光の焦点位置で
の高パワー部分を利用して光導波路層２に熱変化を生じ
させることによって、ホログラム（情報）の記録を行な
うのである。この方法では参照光が必要なく、また、レ
ーザ光を強く集光することにより、記録層（コア層２）
に隣接する層に照射される光強度は、記録層に照射され
ている光強度の１／１０以下にすることは容易であり、
他の層へ影響を与えることなく正確に目的の層にのみホ
ログラムの書き込みを行なうことが可能である。なお、
この逐次書き込みの場合には、対物レンズ等のレンズ１
４でレーザ光を集光して光強度を強くするので、既存の
連続発振レーザを用いることができる。ただし、熱拡散
によるスポット径の増大等を防ぐために、この場合も、
短時間で効率良く光照射の可能な前記パルスレーザを用
いることが好ましい。

【００７７】（５）その他なお、図１に示す光多層メモリ１では、色素層４が光導
波路層（コア層）２の一方の面部にのみ積層されている
が、両面に積層されていてもよい。そして、本発明は上
述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
多層光記録媒体において、光導波路層の近傍に、光を吸
収して熱を発生する色素を含有する層を設ける、あるい
は、光導波路層内に、光を吸収して熱を発生する色素を
含有する微粒子を分散して混入しているので、ヒートモ
ードによる情報の書き込みを容易に実現することができ
る。特に、情報書き込みの際、パルスレーザ光を用いれ
ば、上記の色素を熱拡散速度よりも速く効率良く加熱す
ることができるので、情報書き込みに必要な熱量（媒体
の温度変化）を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての多層２次元ホログ
ラム型メモリ（多層光記録媒体）の構造を示す模式的側
面図である。

【図２】本発明の一実施形態としての多層２次元ホログ
ラム型メモリ（多層光記録媒体）の他の構造を示す模式
的側面図である。

【図３】本実施形態に係る熱シミュレーションを行なう
系を示す模式図である。

【図４】本実施形態に係る熱シミュレーションによる熱
拡散速度を説明するための図である。

【図５】本実施形態の多層２次元ホログラム型メモリに
対する書き込み光学系の一例を示すブロック図である。

【図６】図５に示す書き込み光学系によるホログラムの
書き込み方法を説明するための模式図である。

【図７】本実施形態の多層２次元ホログラム型メモリに
対する他の書き込み方法を説明するための模式図であ
る。

【図８】本実施形態の多層２次元ホログラム型メモリに
おける伝播光（参照光）の光吸収（減衰）を説明するた
めの模式図である。

【符号の説明】

１，１′ 多層２次元ホログラム型メモリ（多層光記録
媒体）２コア層（光導波路層）３クラッド層４色素層５シリンドリカルレンズ７書き込み光学系８パルスレーザ９ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂミラー１１空間変調素子１２，１４レンズ１３検出位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2K008 AA04 BB04 BB05 BB06 DD02 DD11 FF07 FF17 FF27 HH01 HH06 HH18 HH26 5D029 JB13 JC03 JC11 5D090 AA01 BB12 BB16 CC01 DD01 KK02 KK11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路層を複数有する多層光記録媒体
において、該光導波路層の近傍に、光を吸収して熱を発生する色素
を含有する層が設けられていることを特徴とする、書き
込み可能多層光記録媒体。
【請求項２】光導波路層を複数有する多層光記録媒体
において、該光導波路層内に、光を吸収して熱を発生する色素を含
有する微粒子が分散して混入されていることを特徴とす
る、書き込み可能多層光記録媒体。
【請求項３】該微粒子の粒径が１００ｎｍ（ナノメー
トル）以下であることを特徴とする、請求項２記載の書
き込み可能多層光記録媒体。
【請求項４】パルスレーザを用いて参照光と信号光と
を生成し、請求項１〜３のいずれか１項に記載の書き込み可能多層
光記録媒体に対して、該参照光及び該信号光を照射し、
該参照光と該信号光との干渉縞によって該信号光の有す
る情報の記録を行なうことを特徴とする、書き込み可能
多層光記録媒体の情報書き込み方法。
【請求項５】記録すべき情報を有する信号光を集光
し、上記の集光した信号光の焦点を、請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の書き込み可能多層光記録媒体における情
報書き込み対象の光導波路層に合わせ、その焦点位置で該信号光を照射することにより、該情報
の書き込みを行なうことを特徴とする、書き込み可能多
層光記録媒体の情報書き込み方法。
【請求項６】上記の情報書き込み位置での光強度が１
×１０¹⁰Ｗ／ｍ²（ワット／平方メートル）以上である
ことを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載の書き
込み可能多層光記録媒体の情報書き込み方法。