JP4820400B2 - 酸化アルミニウム単結晶媒体を利用するビット方式光学データ記憶 - Google Patents
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Description
用語の定義が、通常使用される用語の意味から逸脱する場合、出願人は、特に指示しない限り、以下に提供される定義を利用することを意図する。
大量データ記憶のための高容量および高転送速度のコンピュータデバイスの必要性は、2以上の安定な配置で存在し得る新しいタイプの媒体の検討を促進している。1つの配置からもう一方へ記憶媒体を転送することによって、情報のビットを書き込みそして消去し得るが、媒体の配置を分析することによってビットの読み取りが認識される。データ記憶およびデータ処理についての多くの材料および技法が示唆されているが、これらの2〜3の技法のみで実際の適用が見られている。多くの必要性のため、好ましくはこれらのすべての必要性を満たす光学データ記憶デバイス用の媒体を開発することは非常に困難である。以下の文献(これらの内容および開示は、本明細書に参考として援用される)は、試みられているいくつかの技法を記載している:E.P. Walkerら, 3-D Parallel Readout in a 3-D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEEカタログ番号02EX552, 147-149頁, (2002年7月);Optical Data Storage 2001, Proceedings of SPIE, 4342巻 (2001);Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE, 4090巻 (2000);International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 1999, SPIE, 3864巻 (1999);Advanced Optical Data Storage: Materials, Systems, and Interfaces to Computers, Proceedings of SPIE, 3802巻 (1999);およびK. Schwartz, The physics of optical recording, 第4章, 89-111頁, Springer-Verlag, Germany (1993);これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
F2 2+(2Mg)* + hν1 = F2 3+(2Mg) + e−
図1に示すタイプの光学データ記憶装置を用いて、本発明の方法を説明する。「書き込み」および「読み取り」の両方のレーザービームを、Nichiaレーザーダイオードを用いて構築したそれぞれの半導体レーザーによって生じさせた。2つのタイプの書き込みレーザーをテストした:405nmで18mWの出力を生じるPower TechnologyのCW変調レーザー、および411nmで1.5mWを発生するPicoQuantパルスレーザー(20MHz、60psパルス幅、400mWのピーク出力)。Power Technologyの「読み取り」レーザーの出力(440nm、3mW)を、中性密度フィルタを用いて制御した。2つのレーザービームを、フリッピングミラー、ダイクロイックミラー、およびNikon CFI PLAN FLUOR(0.85NA、60×)対物レンズを介してAl2O3:C,Mg結晶質記憶媒体上に向けた。この無限共役対物レンズは、マニュアルの球面収差補償のための光学部品を有する。
直径45mmの結晶ブールから、1.8mm厚のAl2O3:C,Mg結晶プレートを切り出した。両側を研磨し、そしてレーザービームの偏光に平行な結晶光学c軸を有する対物レンズの光学軸に垂直に、実施例Iに記載の試験台に設置した。435nmの青色吸収帯および520nmの緑色ルミネセンスの原因である色中心の濃度を、マイクロ立方当たり17,000中心であると見積もった。
実施例Iに記載の装置を利用する高密度記録およびタイプ1または「負」の読み出しモードを証明した。XおよびY方向における1μmの増分を有する100×100ビット画像(図18)を、3Dピエゾアクチュエータを用いて書き込んだ。各ビットを、パルスPicoQuantダイオードレーザー(1ビット当たり1000パルス)によって生じた15nJのエネルギーで書き込んだ。緑色520nm発光の蛍光コントラストにおけるビットパターンの読み取りを、変調CWレーザービーム(440nm、15μW)を用いて、200nmの線間を有するラスターを走査することによって行った。500×500ピクセルを有する画像を得た。1μm離れて間隔の開いた数ビットの空間的プロファイルを図19に示し、そしてこれは12%の変調深さを証明する。
「書き込み」操作中に生じそして335nmおよび620nm吸収帯ならびに750nm蛍光発光帯を有する色中心を利用する「正の」または「タイプ2」モードの読み取り操作を、実施例Iの最初に記載しそして図1に記載の装置をいくつか改変して用いてテストした。632.8nmの波長を有する赤色He−Neレーザーを、読み取りレーザーとして用いた。405または473nmの「書き込み」波長で透明かつ750nmの蛍光に対して反射する異なるダイクロイックミラーを設置した。装置の他の改変は、既述の実施例で使用した緑色感受性光検出器の代わりに、近赤外感受性アバランチ光検出器およびその前面に設置した665長流路フィルタを含む。実施例IIに記載の同様のAl2O3:C,Mg結晶プレートをテストに用いた。結晶媒体の作動を、静止テスターの3Dピエゾアクチュエータまたは動的テスターの2Dステッパーステージの上部に設置した空気スピンドルのいずれかによって行った。書込み操作を、コンピュータ制御した405nmレーザーダイオードを用いて行った。蛍光シグナルを、アバランチ光検出器によって共焦点ジオメトリで検出し、そしてオシロスコープおよびコンピュータによって記録した。側方(XY)平面において得られたビットの画像を図20に示す。100×60ビットのマトリクスを、473nm青色レーザーで結晶の容積中に10μm深さで書き込み、そして赤色633nm He−Neレーザーを用いてXY平面で読み取った。記録して読み取ったビットは、側方に0.8μmおよび軸方向に2.5μmの半値幅を有する。このモードの操作において、読み出し蛍光シグナルは、小さい(ほぼ0)レベルのバックグラウンドシグナルで測定されるため、「正の」モードの操作により、より良好な信号対雑音比が可能になるが、「負の」タイプの読み取り操作においては、読み出しシグナルは、高い初期レベルの緑色蛍光の負の変調として測定される。
さらに他のテストにおいて、多層記録の可能性を証明した。Al2O3:C,Mg結晶媒体の容積において、2μmの側方および7mの軸並進増分を有する5層の記録したビットを得た(図21)。結晶の容積において2PAを用いて書き込んだ単一ビットは、レーザービーム伝播方向に対して側方および軸方向に異なる寸法を有する。ビットの理論的な軸サイズは、側方ビットサイズよりも3〜4倍大きいべきである。軸方向(XZ平面)に書き込まれたビットのサイズを決定するために、データのビットを、上記実施例IIIのように、XZ平面において3D並進ステージの段階増分作動を用いて書き込み、次いで蛍光コントラストにおけるビットの画像を、633nmレーザービームを用いるXZ平面における結晶のラスター走査によって得た。各層のビットを記録し、そして対物レンズの球面収差補償(SAC)のマニュアル制御で読み取った。これは、蛍光画像のいくつかのゆがみを説明する。自動化SACは、2mmの厚みを有する結晶の容積において300以上の層のデータビットを得ることを可能にするべきである。
赤色レーザー刺激を利用するデータの光学安定性および光学消去を証明した。最初に、Al2O3:C,Mg単結晶媒体の容積に書き込んだデータビットの安定性を、図1に記載の装置および実施例IIIに記載の書き込み/読み取り技法を用いてテストした。データビットを、青色473nmレーザーを用いて書き込んだ。次いで、記憶媒体におけるデータのトラックを、3mWの出力を有する633nm He−Neレーザーを用いて複数回走査して、データシグナルの蛍光振幅の依存性を、読み取りサイクル数および総照射時間の関数として得た。図13は、総照射時間の関数としての蛍光シグナルの減少を示す。高集束レーザービームでの総照射の1秒(これは、1MHzのデータ速度での1×106読み取りサイクルに等価である)において、データシグナルは5%のみ低下した。
本発明のデータの光学消去の好適な方法を、パルス赤色(620nm)レーザー刺激を用いることによって本実施例で説明する。まず、Al2O3:C,Mgの単結晶を、435nm波長の単一ビームに同調したContinuum Panther光パラメトリック発振器(OPO)の435nmパルスレーザー照射によって、「書き込み」状態に変換し、そして結晶の光吸収スペクトルを記録した。次いで、結晶を、同じOPOからの620nmパルスレーザー光での1セットの照射に供し、そしてすべての吸収帯の強度を、各サイクルの照射後に記録した。335、435、および620nm帯の強度を、光吸収スペクトルの数値デコンボルーション後に得た。結果を図14に示し、そして高ピーク出力密度の赤色レーザー照射を用いることによって、335nmおよび630nm帯を消去し、そして435nm帯を回復し、この方法が、媒体を元の書き込まれていない状態に変換できることを証明する。
図15および16は、Al2O3:C,Mg光学記憶媒体を利用する多重レベルデータ記憶の可能性を説明する。多重レベル記憶は、書き込まれたビットの蛍光強度と書き込みパルスの数との間の逆比例性に基づく。Al2O3:C,Mg結晶に、「書き込み」レーザーパルスの増数を用いて10ビットを書き込んだ。生成したビットの変調深さは、レーザーパルスの数の非線形関数であるが、それにもかかわらずいくつかのデータ値上にディジタル化され得、そして本発明の方法および媒体を利用してデータ記憶密度がさらに増加され得る。
本発明のテストに利用したAl2O3:C,Mg結晶の光学特性を、ここで説明する。45mmの直径を有するブールの形状のAl2O3:C,Mg結晶を得た。次いで、結晶を、1.8mm厚のディスクにカットし、そして両側を研磨して光学品質表面を得た。本発明で利用したAl2O3:C,Mg結晶質材料および公知のAl2O3:C結晶の光吸収スペクトルを、Shimadzu UV-2104PC分光光度計を用いて得、そして図2に示す。230および255nmでのF+−帯の強度は、Mgでドープした結晶のほうが顕著に高い。これは、Mg2+イオンによって電荷補償されたF+−中心のより高い濃度を示す。435nmの青色吸収帯は、本発明で使用した集合F2 2+(2Mg)欠損の生成を示す。成長した結晶は、205nmのF−中心帯で30cm−1の吸収および255nmのF+−中心吸収帯で10cm−1の吸収係数およびF2 2+(Mg)−中心の吸収に対応する435nmで1.2cm−1の吸収を有した(図2および3を参照のこと)。すべての吸収係数を、バックグラウンドペデスタルを差し引いた後に示す。スマキュラ(Smacula)の式に従って、吸収係数を、8.6×1017cm−3のF−中心の濃度、および2.6×1017cm−3のF+−中心の濃度および1.7×1016cm−3のF2 2+(Mg)−中心の濃度に変換し得る。後者の数は、記憶媒体のマイクロ立方当たり17,000の蛍光中心があることを示す。
本発明の「書き込み」、「読み取り」、および「消去」操作に適切な波長範囲を正当化するために、2つの異なる状態においてMgおよびCでドープしたAl2O3の集合中心の発光−励起スペクトルを得た(図4および図7)。パルスEG&G Xeランプを装着した分光蛍光計、2つの走査Acton Researchスペクトログラフ、およびPrinceton Instrumentsの冷却CCDを用いて、スペクトルを得た。新鮮な(または消去した)結晶が、435nmの青色吸収帯に対応する励起帯とともに520nmの領域の強い緑色ルミネセンス帯を示すことを示した(図2および3)。430nmパルスレーザーでの書込み操作後、青色435nm吸収帯(図3を参照のこと)および対応する520nm緑色発光帯はほとんど完全に消失し、そして結晶は、すべてがF2 +(2Mg)−中心に対応する260nm、355nm、および620nmの励起帯(図7)とともに750nmの領域の強い発光帯を示す。F2 2+(2Mg)−およびF2 +(2Mg)−中心に対応する両発光帯である520nmの緑色帯および750nmのIR帯は、それぞれ約9および80nsの短い寿命を有する(図5および8を参照のこと)。
データを記録および消去するために利用したAl2O3:C,Mgにおける色中心の光誘導変換を証明した。酸素空格子点欠損を有するAl2O3:C,Mg結晶を適切な波長の高強度レーザー光に曝露することにより、1つの荷電状態から他の状態への同じ構造欠損の光誘導変換を生じ得る。例えば、F2 2+(2Mg)−中心は、430nm照射でF2 +(2Mg)−中心に変換され(図3および6)、そして335nmパルスレーザー光で変換されて戻り得る。青色レーザー光によって誘導されるフォトクロミック遷移の後、Al2O3:C,Mg結晶は、335nmおよび620nmで吸収/励起帯(図3、6、および7)、ならびに750nmで対応する広い蛍光発光を示す(図7)。
集合酸素空格子点欠損における好適な2光子吸収の証拠を、これらの中心対レーザー光強度の光イオン化断面積の二次従属性によって提供する(図9を参照のこと)。薄い380μmのAl2O3:C,Mg結晶を照射しそしてレーザーエネルギー密度の関数として蛍光の減衰定数を記録するテストを、光パラメトリック発振器の415nm、4.5nsレーザーパルスを用いて行った。次いで、光イオン化断面積をこの減衰定数に対して逆比例すると算出した。
本発明の可能なデータ転送速度および非破壊的読み出し操作をテストした。タイプ1(すなわち、いわゆる「負の」操作)で書き込んだ領域の読み取りを、PicoQuantからの青色レーザーダイオードで行った(0.6mWの平均出力、60psパルス、および20MHzで繰返し速度)。520nmでの蛍光を、長流路ガラスフィルタOG515、高速ThorLabs DET210シリコン光検出器、およびTektonix TDS-3045オシロスコープを用いて検出した。9nsの減衰時間を有する蛍光シグナルを図5に示し、そして100Mビット/秒までのデータ転送速度を達成することの可能性を示す。結晶の書き込まれていない領域の蛍光シグナルは、強い520nm蛍光を示す。このパルスシグナルの振幅は、数時間にわたり減少せず、これは「読み取り」操作中に1光子吸収のみがあることを示す。比較のために、「書き込み」パルス435nmレーザー光に供した結晶の領域は、書き込まれていない結晶からのシグナルの10%のみと等しい蛍光シグナルを示す。
タイプ2または「正の」蛍光プロセスを利用する読み出し操作をテストした。「書き込み」操作を、実施例IIに記載と同じ結晶試料および実施例VIIに記載のContinuum Panther OPOレーザーシステムを用いて行った。タイプ2(または「正の」タイプの操作)で書き込んだ領域の読み取りを、同じOPOレーザーシステム(100nJ/パルス、4.5nsパルス幅、および10Hz繰返し速度)からの335nm UVビームで行った。750nmでの蛍光を、長流路ガラスフィルタRG610およびThorLabs, Inc.のシリコン光ダイオードDET-110、およびTektonix TDS-3054オシロスコープを用いて検出した。80±10nsの減衰時間を有する蛍光シグナルを図8に示す。漂白した(書き込んだ)結晶の750nmの赤外蛍光帯は、消去した結晶媒体の520nmの緑色蛍光よりも長い寿命を有するが、これでも、10Mb/秒までのデータ転送速度操作に対してはなお十分に速い。
図6は、435と335nmとの間の吸収帯強度の逆比例およびそれらの書き込み時間の依存性に基づく、利用した光学記憶方法の多重レベルデータ記憶能力の他の例として使用され得る。実施例IIに記載のAl2O3:C,Mg結晶を、実施例VIIに記載のOPOレーザーシステムの430nm「書き込み」レーザーパルスの増数に供した。各秒の照射は10レーザーパルスに対応する。520nm蛍光シグナルに関連する435nm帯での吸収は、書き込みレーザーパルスの数の関数として減少するが、F2 +(2Mg)に関連する335nm帯および750nmの赤外ルミネセンスの吸収は同時に増加する。
Al2O3:C,Mg結晶におけるフォトクロミック変換の非常に重要な特徴は、その高い熱安定性である。この記録した情報の高い熱および光安定性は、結晶成長中に生じた深いトラップのためであり、そしてAl2O3:C,Mg結晶における光吸収帯のステップアニーリングテストによって証明される(図11)。高い強度の青色レーザー光での記録中、430nm帯は335nmおよび620nm帯に変換する[2F2 2+(2Mg)+2hν→F2 +(2Mg)+F2 3+(2Mg)]。光吸収帯の逆変換[F2 +(2Mg)+F2 3+(2Mg)→F2 2+(2Mg)]は、約650℃で起こる。
435nm吸収帯の逆フォトクロミック変換および回復を、パルス335±20nm照射、またはより効率的なFおよびF2 +(2Mg)中心の吸収に対応する215nm次いで335nmレーザー光での結晶の連続照射のいずれかによって達成した。435nmでの元の強い吸収および520nmでの蛍光が回復した。F2 +(Mg)−中心をF2 2+(Mg)−中心に変換する逆フォトクロミックプロセスは、335nm吸収帯内のレーザー光の2光子吸収によって行われ得る。記録したデータの完全消去およびAl2O3:C,Mgの元の緑色の着色の回復は、結晶を650℃まで加熱することによって達成され得る(図11)。
Claims (3)
- データ記憶媒体に情報を書き込む方法であって、
Al2O3:C,Mgを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程;および
該情報を光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程
を含み、
該情報が、2光子吸収技法および光イオン化技法を用いて、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定なトラップに移動させることによって、該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込まれ、そして
該ルミネセンスデータ記憶媒体が、単結晶Al 2 O 3 :C,Mg材料である、方法。 - 前記2光子吸収技法が、連続的2段階2光子吸収技法である、請求項1に記載の方法。
- 前記2光子吸収技法が、中間レベルのない同時直接2光子吸収技法である、請求項1に記載の方法。
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