KR101211845B1 - 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법 - Google Patents

고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치는, 빔을 조사하는 광원수단과, 빔을 디스크의 기록층에 포커싱하는 대물렌즈계가 구비되는 광학수단과, 광원수단과 광학수단 사이의 광경로를 형성하는 광로형성수단이 구비되는 홀로그래픽 기록장치에 있어서, 광로형성수단에 구비되며, 광학수단 및 디스크측으로 입사중인 하나의 빔을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator); 및 광학수단에 구비되며, 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 증가시켜 디스크의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시키는 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens);를 포함한다.

Description

고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법{holographic storage device using solid immersion lens, storage method and recording method using the same }
본 발명은 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법에 관한 것이다.
광정보를 처리하는 광정보 처리장치로서 CD(compact disc), DVD(digital versatile disc), HD-DVD, 블루레이디스크(BD, Blu-ray Disc) 등이 사용되고 있으며, 대용량 저장 능력을 갖는 차세대 저장 시스템에 대한 요구가 증대되면서, 근접장 기록장치(NFR, Near Field Recording), 홀로그래피(holography)를 이용한 광정보 처리 장치가 주목받고 있다.
홀로그래피를 이용한 광정보 처리장치는 이미지 정보의 기록 및 재생의 원리상 페이지 지향적인 메모리(page-oriented memory)로써, 병렬 신호 처리 방식의 입출력 방식을 사용하여, 도트 단위 방식의 CD나 DVD에 비해 근본적으로 데이터 전송률을 고속화할 수 있다.
홀로그래피를 이용한 광정보 처리장치는 원본 데이터의 이미지 정보를 포함하는 신호광(information beam)과 기준광(reference beam)을 광정보 기록매체(recording medium)로 중첩시켜 조사하고, 이로 인한 간섭패턴(interference pattern)을 광정보 기록매체에 기록한다.
그리고 기록된 광정보를 재생하기 위해서는, 기준광을 광정보 기록매체로 조사하면, 기준광이 상기 간섭패턴에 의해 회절되어 재생광이 발생한다. 기록용 기준광과 재생용 기준광이 동일하면 기록시 신호광에 포함된 광정보와 동일한 광정보가 포함된 재생광이 발생한다.
한편, 재생광을 통해 재생되는 데이터 페이지의 이미지는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 또는 CCD(charge coupled device)와 같은 수광소자를 통해 검출되며, 검출된 데이터 페이지는 일련의 신호 처리 및 디코딩 과정을 거쳐 원본 데이터로 복원된다.
홀로그래피를 이용한 광정보 처리장치는 이미지 정보를 기록매체의 동일 장소에 중첩 기록하는 다중화 기법을 통해 저장밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있으나, 기록 및 재생에 사용되는 렌즈의 개구수가 1이하의 광학시스템을 사용함으로써 기록된 스폿의 사이즈가 마이크로 단위로 기록되었다.
홀로그래피를 이용한 광정보 처리장치 중, 컬리니어 홀로그래피(collinear holography)의 경우, 중첩기록이 적용되고 있으나, 기록용 대물렌즈의 낮은 개구수로 인해 면적밀도가 낮으며, 마이크로 홀로그래피(micro holography)의 경우, 다층(75층)으로 기록하고 있으나 포인팅 위치를 정밀하게 이동시키기 위해 복잡한 서보기술이 요구된다는 어려움이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 기록된 스폿의 사이즈를 나노 단위로 축소시켜 중첩기록하는 것에 의해, 기록매체의 저장밀도를 보다 향상시킴으로써, 단층 기록에 의해서도 일반적인 홀로그래피 이상의 저장용량을 구현가능하도록 하는 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 빔을 조사하는 광원수단(10)과, 빔을 디스크(90)의 기록층에 포커싱하는 대물렌즈계가 구비되는 광학수단(30)과, 상기 광원수단(10)과 광학수단(30) 사이의 광경로를 형성하는 광로형성수단(20)이 구비되는 홀로그래픽 기록장치에 있어서, 상기 광로형성수단(20)에 구비되며, 상기 광학수단(30) 및 디스크(90)측으로 입사중인 하나의 빔을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22); 및 상기 광학수단(30)에 구비되며, 상기 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 증가시켜 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시키는 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32);를 포함하여 구성되는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 광원수단(10)은, 데이터 기록 시, 파장λ= 532nm인 녹색 레이저를 조사하는 녹색광조사기(11);를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 공간 광 변조기(22)는, 빔이 통과하는 경로상에, 빔의 단면을 중앙부와 둘레부로 분리하여 구획하는 폐쇄 고리형상의 광소거부(22a)를 디스플레이할 수 있다.
또한, 상기 공간 광 변조기(22)는, 폐쇄 고리형상을 가지는 상기 광소거부(22a) 내측의 영역을 선택적으로 생성 또는 소멸시거나, 상기 광소거부(22a) 자체를 소멸시키는 다수의 모드로 전환될 수 있다.
그리고, 상기 광소거부(22a) 내측에 위치하는 빔의 중앙부는 신호빔이 되고, 상기 광소거부(22a) 외측에 위치하는 빔의 둘레부는 기준빔이 될 수 있다.
또한, 상기 광로형성수단(20)은, 상기 공간 광 변조기(22)에 의해 분리된 선형편광(linear polarization)상태의 신호빔과 기준빔에 1/4 파장만큼의 위상차를 주어 원형편광(circular polarization)으로 변환하여 상기 광학수단(30)측으로 입사시키는 1/4파장판(QWP, guarter wave plate, quarter wave length plate)(24);을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 디스크(90)에서 포커싱된 후, 반사되어 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 빔에서 S편광을 분리하여 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device)와 같은 수광소자측으로 반사시키는 제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23);를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 고체침지렌즈(32)는, 상기 대물렌즈계의 대물렌즈(31)와 디스크(90) 사이에서 상기 디스크(90)의 기록층과 0nm 이상 내지 20nm 이하의 간격을 두고 설치될 수 있다.
그리고,상기 고체침지렌즈(32)는, 상기 대물렌즈계를 포함한 광학계의 개구수가 1을 초과하도록 하는 굴절율을 가질 수 있다.
또한, 상기 광원수단(10)은, 파장λ= 633nm인 적색 레이저를 빔을 조사하는 적색광조사기(12);를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 광로형성수단(20)은, 상기 적색광조사기(12)에서 조사되는 적색 레이저가 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로로 진행되도록 반사시키는 제2광선 분할기(BS, Beam splitter)(21);를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22)를 이용하여, 상기 광원수단(10)에서 조사된 하나의 빔을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하여, 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 진행시키는 빔분리단계; 상기 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32)를 이용하여, 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 1이상으로 증가시켜, 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시키는 빔축소단계; 및 상기 빔축소단계에서 사이즈가 축소된 신호빔, 기준빔을 상기 디스크(90) 기록층상의 동일지점에 포커싱하며 데이터를 기록하되, 스폿의 일부를 중첩하며 기록하는 중첩기록단계;를 포함하여 구성되는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 기록방법을 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 적색광조사기(12)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로측으로 적색 레이저를 조사하는 적색광조사단계; 데이터 기록을 위한 광경로상에 설치된 상기 제2광선 분할기(BS, Beam splitter)(21)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로상에서 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 적색 레이저의 진행방향을 전환시키는 적색광조정단계; 및 상기 적색광조정단계를 거쳐 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 입사되는 적색 레이저를 상기 디스크(90)상의 기록위치에 포커싱하며 기록위치를 확인, 조정하는 초점위치확인단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22)가 제공하는 상기 광소거부(22a)의 형상을, 폐쇄 고리형상의 선형에서, 폐쇄 고리형상의 내측 영역이 소멸된 면형으로 전환하여 신호빔을 소거시키는 신호빔 소거단계; 제1항에 의한 상기 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32)를 이용하여, 상기 모드전환단계를 거쳐 잔류된 기준빔을, 1이상의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)로 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱시키는 기준빔 포커싱단계; 상기 제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23)를 이용하여, 상기 디스크(90)의 기록위치로 포커싱된 후, 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 기준빔에서, S편광을 분리하는 기록데이터 추출단계; 및 상기 기록데이터 추출단계에서 추출된 S편광을 수광소자로 입사시켜, 상기 디스크(90)에서 반사된 기준빔으로부터 재생신호를 출력하는 데이터 재생단계;를 포함하여 구성되는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 재생방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 고체침지렌즈(SIL : Solid Immersion Lens)를 이용하여 기록 스폿의 사이즈를 축소시키면서도, 공간 광 변조기(SLM:Spatial Light Molulator)로 하나의 레이저 빔을 신호빔과 기준빔으로 분리하여 기록 스폿을 중첩하며 기록 가능하도록 한다.
고체침지렌즈를 이용하여 개구수를 1이상으로 증가시킴으로서, 기록 스폿의 사이즈를 나노 사이즈로 축소시켜 중첩기록할 수 있으며, 기록 스폿를 중첩하여 기록하는 다중화기법을 적용하는 것에 의해, 기록매체의 저장밀도를 보다 향상시켜, 단일 기록층에 보다 많은 정보를 기록할 수 있다.
또한, 단일 광경로상에서 기록, 재생 및 디스크 위치제어를 구현함으로써, 기존의 복잡한 광학시스템을 단순화하여 소형 광학계를 구축할 수 있으며, 단일 기록층의 저장용량을 향상시키는 것에 다층 기록을 위한 광학부품의 미세 이동 등에 소요되던 기계적인 구동을 최소화함으로써, 포인팅 위치를 정밀하게 이동시키기 위해 따르던 서보제어의 어려움을 해결할 수 있다.
그리고, 기존의 홀로그래피(holography) 기록장치, 근접장 기록장치(NFR : Near Field Recording)에 비해 보다 우수한 기록밀도를 구현할 수 있으면서도, 기존의 홀로그래피 기록장치, 근접장 기록장치와 호환가능하여, 차세대 광 정보저장장치로서 고해상도 영화 및 데이터 백업분야에 광범위하게 적용할 수 있다.
도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 도시한 개념도
도 2 - 공간 광 변조기와 고체침지렌즈를 이용하여 녹색 레이저를 신호빔과 기준빔으로 분리, 축소하여 디스크상에 포커싱하며 기록하는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도
도 3 - 적색 레이저를 이용하여 포커싱하는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도
도 4 - 신호빔, 기준빔이 디스크에 포커싱되는 상태와, 신호빔, 기준빔의 사이즈와 빔의 진행상태에 따른 광도를 표시한 사진
도 5 - 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 데이터 기록장치에 의해 수광소자로 입사되는 광정보 재생광의 위치 선택성을 도시한 그래프
도 6 - 공간 광 변조기와 고체침지렌즈를 이용하여 신호빔을 소거하고 기준빔만을 디스크상에 포커싱하며 재생하는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도
도 7 - 도 4의 집속된 빔 스폿의 재생신호를 나타내는 그래프
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 도시한 개념도이다.
본 발명은, 빔을 조사하는 광원수단(10)과, 빔을 디스크(90)의 기록층에 포커싱하는 대물렌즈계가 구비되는 광학수단(30)과, 상기 광원수단(10)과 광학수단(30) 사이의 광경로를 형성하는 광로형성수단(20)이 구비되는 홀로그래픽 저장 장치를 기술분야로 한다.
본 발명은, 상기 광로형성수단(20)에 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22)가 구비되며, 상기 광학수단(30)에 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32)가 구비되는 구성을 가진다.
상기 공간 광 변조기(22)는, 상기 광학수단(30) 및 디스크(90)측으로 입사중인 하나의 빔(beam)을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하며, 상기 고체침지렌즈(32)는, 상기 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 증가시켜 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시킨다.
도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에서, 상기 광원수단(10)은 녹색광조사기(11), 적색광조사기(13)가 구비되며,상기 광로형성수단(20)은 상기 광원수단(10)측으로부터 제2광선 분할기(21), 상기 공간 광 변조기(22), 상기 제1광선 분할기(23), 1/4파장판(24)이 순차적으로 구비되고, 상기 광학수단(30)은 대물렌즈(31), 상기 고체침지렌즈(32)가 구비된 구조를 가진다.
데이터 기록 시, 상기 녹색광조사기(11)에서는 파장λ= 532nm인 녹색 레이저를 조사하며, 녹색 레이저는 상기 공간 광 변조기(22)와 고체침지렌즈(32)를 통과하며 상기 디스크(90)측으로 진행하게 된다.
홀로그래피를 이용한 광정보 처리장치는, 원본 데이터의 이미지 정보를 포함하는 신호빔(signal beam)과 기준빔(reference beam)을 광정보 기록매체(recording medium)로 중첩시켜 조사하고, 이로 인한 간섭패턴(interference pattern)을 광정보 기록매체에 기록한다.
도 2의 (a), (b)는 상기 공간 광 변조기(22)를 이용하여 녹색 레이저를 신호빔(signal beam)과 기준빔(reference beam)으로 분리하고, 상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여 빔 사이즈를 축소하여 상기 디스크(90)상에 포커싱하며 기록하는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도이다.
공간 광변조기(SLM, spatial light modulator)는 전지, 빛 등의 입력신호에 의해 광파의 진폭, 위상, 편광상태, 진행 방향 등을 공간적으로 제어하는 소자로서, 도 2의 (a), (b)에 도시된 본 발명의 실시예에서, 상기 공간 광 변조기(22)는, 하나의 녹색 레이저가 통과하는 단일의 광경로상에 광소거부(22a)를 디스플레이함으로써, 동일한 광경로상에서 다수의 빔을 분리형성한다.
상기 광소거부(22a)는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 폐쇄 고리형상으로 형성되어 빔의 단면을 중앙부와 둘레부로 분리하여 구획하며, 상기 광소거부(22a) 내측에 위치하는 빔의 중앙부를 신호빔으로 하고, 상기 광소거부(22a) 외측에 위치하는 빔의 둘레부를 기준빔으로 하여, 신호빔과 기준빔를 동일 광경로를 따라 진행시킨다.
상기 공간 광 변조기(22)는, 폐쇄 고리형상을 가지는 상기 광소거부(22a) 내측의 영역을 선택적으로 생성 또는 소멸시거나, 상기 광소거부(22a) 자체를 소멸시키는 다수의 모드로 전환된다.
데이터 기록 시에는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 광소거부(22A)를 폐쇄 고리형상으로 디스플레이하여 하나의 빔을 내측의 신호빔과 외측의 기준빔으로 분리하여 동일 광경로 진행시킨다.
데이터 기록을 위한 포커싱 과정(이하 설명)에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광소거부(22a) 자체를 소멸시켜 빔이 그대로 진행될 수 있도록 하고, 데이터 재생 시(이하 설명)에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 광소거부(22a)를 폐쇄 고리형상 내측까지 확장 생성하여 신호빔을 제거하여 기준빔만을 진행시킬 수 있다.
상기 공간 광 변조기(22)에 의해 분리된 선형편광(linear polarization)(일반적으로 레이저는 선형편광이다)상태의 신호빔과 기준빔은, 1/4 파장만큼의 위상차를 형성하는, 상기 1/4파장판(QWP, guarter wave plate, quarter wave length plate)(24)을 통과하면 원형편광(circular polarization)으로 변환된 후, 상기 광학수단(30)측으로 입사된다.
파(wave)의 궤적이 선형적으로 진동하는 경우를 선형편광(linear polarization)이라 하며, 어떠한 이유에 의해서 한 파(wave)의 두 축 성분이 서로 다른 위상을 가지되, 크기가 같은 두 성분이 90°의 위상차를 갖는다면, 파(wave)의 정점은 시계방향으로 또는 반시계방향으로 돌게 되는데, 이러한 경우를 원형편광(circular polarization)이라 한다.
이와 같이, 선형편광을 원형편광으로 변환시키는 매질, 소자를 1/4 파장만큼의 위상차를 주는 소자라 하여 1/4파장판(QWP, guarter wave plate)이라 하며, 자연계에 존재하는 빛의 일반적인 형태는 두 축 성분의 크기도 다르고 위상차도 임의의 값을 가짐에 다라, 진행방향의 반대편에서 바라본 파(wave)의 정점의 궤적은 임의의 형태를 가지는 타원형이 되는데, 이를 타원편광(elliptical polarization)이라 한다.
상기 고체침지렌즈(32)는, 상기 대물렌즈계의 대물렌즈(31)와 디스크(90) 사이에서 상기 디스크(90)의 기록층과 0nm 이상 내지 20nm 이하의 간격을 두고 설치되며, 본 발명의 실시예에서 상기 고체침지렌즈(32)는 20nm의 간격을 두고 설치된다.
기존의 마이크로 홀로그래픽 기록장치에 의한 기록 대상이 되는 디스크는, 300~400㎛ 두께의 기록층 외측에 600㎛정도 두께의 커버가 형성된 구조를 가지나, 본 발명의 실시예를 적용되는 디스크는, 기존의 홀로그래픽 기록용 디스크를 대상으로 하지 않고, 기록층과 상기 고체침지렌즈(32)간의 거리가 최대 30nm 이내가 될 수 있도록 30nm 이내의 두께를 가지는 커버가 형성되거나, 커버없이 기록층이 노출된 구조를 가진다.
일반적으로 대물렌즈계를 구성하는 상기 대물렌즈계의 대물렌즈(31)는 0.66의 개구수를 가지며, 상기 고체침지렌즈(32)는 2.266의 높은 굴절률을 가지고 광학시스템은 1.50의 개구수를 가진다. 신호빔의 영역은 0.0 < NA < 0.95의 개구수를 가지며, 보조빔의 영역은 1.0 < NA < 1.5의 개구수를 가진다.
해상력은 식별가능한 두 지점의 최소거리 d로 표시가능하며, 조명광의 파장을 λ, 대물렌즈의 개구수를 a라고 하면, d＝λ/a로 주어진다. 식별가능한 두 지점의 최소거리 d는, 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈와도 비례하므로, 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈는 λ/NA에 비례한다.
즉, 개구수NA가 1미만인 상태에서 1을 초과하게 되면, 빔 스폿의 사이즈가 비약적으로 축소되므로, 상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여 개구수를 1이상으로 증가시킴으로서, 기존에 마이크로 단위를 가지던 기록 스폿의 사이즈를 나노 사이즈로 축소시킬 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서는, 개구수가 1 이하의 영역을 신호빔으로 사용하고 1이상의 영역을 기준빔으로 사용하며, 상기 디스크(90) 기록층과의 간격 20nm, 대물렌즈의 개구수 0.66인 경우, 굴절율 계수(index)N 2.266의 상기 고체침지렌즈(32)를 적용함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 입사각이 큰 기준빔 영역에서 1.50의 유효 개구수(effective NA)를 구현할 수 있다.
도 4는 신호빔, 기준빔이 상기 고체침지렌즈(32)를 통해 상기 디스크(90)에 포커싱되는 상태와, 신호빔, 기준빔의 사이즈와 빔의 진행상태에 따른 상대적인 광도를 표시한 사진이다.
중앙에 종방향으로 연속형성된 20nm 공기층(air-gap)(흰색 점선 형태로 나타나 있음)을 기준으로 하여, 좌측 영역이 상기 고체침지렌즈(32), 우측 영역이 상기 디스크(90)에 해당된다.
신호빔(signal beam)과, 그 외측(도 4상의 상, 하측)의 기준빔(reference beam)이 상호 분리된 상태로 좌측에서 상기 고체침지렌즈(32)에 입사되고, 우측으로 진행되면서 축소되는 것을 확인할 수 있으며, 상기 디스크(90)의 좌측단부상에 신호빔과 기준빔이 중첩(간섭)되어 포커싱되며 홀로그램(hologram)을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 상기와 같은 과정에 의해 상기 디스크(90)상에 데이터를 기록하기 이전에, 적색 레이저를 이용하여 포커싱하며, 신호빔과 기준빔의 포커싱 위치에 해당되는 기록위치를 확인, 조정하는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도이다.
상기 적색광조사기(12)에서는 파장λ= 633nm인 적색 레이저를 데이터 기록을 위한 녹색 레이저의 광경로측으로 조사하며, 상기 적색광조사기(12)에서 조사된 적색 레이저는, 녹색 레이저의 광경로상에 설치된 상기 제2광선 분할기(BS, Beam splitter)(21)에 의해, 반사되어 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로로 진행하게 된다.
광선 분할기(BS, Beam splitter)는, 입사 광선 다발을 강도나 분광선을 이용하여 2개 이상으로 나누는데 사용되는 광학 소자로, 강도로 나누기 위해서는 하프 미러를, 분광적으로 나누기 위해서는 색 선별 거울이 일반적으로 사용되고 있다.
데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로상에 진입하게 된 적색 레이저는, 상기 광소거부(22a)가 소멸된 상태의 상기 공간 광 변조기(22)를 변형없이 그대로 통과하고, 상기 고체침지렌즈(32)를 통과하여 상기 디스크(90)측으로 진행된다.
상기 디스크(90)에서 포커싱된 후, 반사되어 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 적색 레이저는, 상기 제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23)에 의해 S편광이 분리되고, 기록위치에 관한 신호, 정보를 검출하는 (complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device)와 같은 수광소자(electro-optical detector)측으로 반사된다.
데이터 기록을 위한 포커싱을 수행할 경우, 데이터 기록 시 사용되는 녹색 레이저와는 다른 파장을 가지는 적색 레이저를 사용함으로써, 상기 디스크(90)의 손상을 방지하며, 위치에 따른 반사신호를 검출하기 위하여, 상기 광소거부(22a)에 의한 영향 없이, 전체 개구수의 영역을 상기 고체침지렌즈(32)의 입사면으로 정의시킨다.
홀로그래픽 기록장치에 의하면, 하나의 빔 포커싱 포인트 영역에 해당되는 기록 스폿을 일부 중첩시키며 기록하는 다중화 중첩 기록방식을 적용할 수 있으며, 도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 데이터 기록장치에 의해 수광소자로 입사되는 광정보 재생광의 위치 선택성(shifting selectivity)를 도시한 그래프이다.
위치 선택성(shifting selectivity)은 수광소자로 입사하는 빛의 강도를 나타내는 것으로, 그래프의 가로축은 거리(파장λ에 대한 비율), 세로축은 위치 선택성의 상대적 크기를 나타낸다.
하나의 기록스폿에 대한 빛의 강도가 가장 센 지점(세로축의 1)을 기준으로, 빛의 감지가 무효가 되는 지점(first null)(예를 들어, 세로축의 0.2 이하)까지의 거리는 0.32λ에 해당되는 지점이며, 녹색 레이저 파장λ=532nm이므로, 본 발명에 의하면 170nm라는 좁은 간격을 두고 중첩 기록이 가능함을 확인할 수 있다.
기준빔을 광정보 기록매체로 조사하면, 기록 시 신호빔과 기준빔에 의해 기록매체상에 생성된 간섭패턴에 의해, 기준빔이 회절되어 재생광이 발생하게 되며, 기록용 기준빔과 재생용 기준빔이 동일하면 기록 시 신호빔에 포함된 광정보와 동일한 광정보가 포함된 재생광이 발생한다.
본 발명의 실시예를 이용한 재생 시에는 녹색 레이저를 사용하되 개구수 1이상의 영역, 즉 기준빔을 사용하며, 도 6은 기준빔만을 상기 디스크(90)상에 포커싱하며, 기록 데이터를 재생시키는 과정의 일례를 설명하고자 도시한 개념도이다.
폐쇄 고리형상 내측까지 상기 광소거부(22a)가 확장 생성된 상태의 상기 공간 광 변조기(22)를 통과하면서, 내측의 신호빔이 제거된 상태로, 외측의 기준빔만이 상기 고체침지렌즈(32)를 통과하여 상기 디스크(90)측으로 진행된다.
상기 디스크(90)상에 포커싱된 후, 데이터 페이지의 이미지 정보를 포함한 상태로, 반사되어 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 기준빔은, 상기 제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23)에 의해, 빛의 진행방향에 수직으로 전기장이 형성된 S편광이 분리되고, 기록위치에 관한 신호, 정보를 검출하는 (complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device)와 같은 수광소자측으로 반사된다.
데이터 페이지의 이미지는, 상기 수광소자에 입사된 기준빔을 통해 검출되며, 검출된 데이터 페이지는 일련의 신호 처리 및 디코딩 과정을 거쳐 원본 데이터로 복원된다.
도 7은, 도 4의 기록된 홀로그램의 재생된 이미지 신호가, 수광소자를 통하여 구현된 상태를 나타내는 그래프로, 반사형 재생방법을 사용하여 수광소자로 입사되는 신호빔의 이미지가 출력되는 형상(중간의 원형부분)이 나타나 있다.
이하에서는, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 기록방법, 재생방법에 대해 설명하기로 하며, 상기 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치에 관한 설명과 중복되는 내용에 대해서는 그 중복 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 기록방법의 일실시예는, 적색광조사단계, 적색광조정단계, 초점위치확인단계를 거쳐 기록 위치를 포커싱한 후, 빔분리단계, 빔축소단계, 중첩기록단계를 거쳐 사기 디스크(90)상에 중첩 기록한다.
상기 적색광조사단계에서는, 상기 적색광조사기(12)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로측으로 적색 레이저를 조사한다.
상기 적색광조정단계에서는, 데이터 기록을 위한 광경로상에 설치된 상기 제2광선 분할기(21)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로상에서 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 적색 레이저의 진행방향을 전환시킨다.
상기 초점위치확인단계에서는, 상기 적색광조정단계를 거쳐 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 입사되는 적색 레이저를 상기 디스크(90)상의 기록위치에 포커싱하며 기록위치를 확인, 조정한다.
상기 빔분리단계에서는, 상기 녹색광조사기(11)를 이용하여 녹색 레이저를 조사하고, 상기 공간 광 변조기(22)를 이용하여 하나의 녹색 레이저를 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하여, 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 진행시킨다.
상기 빔축소단계에서는, 상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여, 대물렌즈계의 개구수(NA=nsinθ)를 1이상으로 증가시켜, 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시킨다.
상기 중첩기록단계에서는, 상기 빔축소단계에서 사이즈가 축소된 신호빔, 기준빔을 상기 디스크(90) 기록층상의 동일지점에 포커싱하며 데이터를 기록하되, 스폿의 일부를 중첩하며 기록한다.
본 발명에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 재생방법의 일실시예는, 신호빔 소거단계, 기준빔 포커싱단계, 기록데이터 추출단계, 데이터 재생단계를 거쳐 이루어진다.
상기 신호빔 소거단계에서는, 상기 공간 광 변조기(22)가 제공하는 상기 광소거부(22a)의 형상을, 폐쇄 고리형상의 선형에서, 폐쇄 고리형상의 내측 영역이 소멸된 면형으로 전환하여 신호빔을 소거한다.
상기 기준빔 포커싱단계에서는, 상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여, 상기 모드전환단계를 거쳐 잔류된 기준빔을, 1이상의 개구수(NA=nsinθ)로 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱한다.
상기 기록데이터 추출단계에서는, 상기 제1광선 분할기(23)를 이용하여, 상기 디스크(90)의 기록위치로 포커싱된 후, 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 기준빔에서, S편광을 분리한다.
상기 데이터 재생단계에서는, 상기 기록데이터 추출단계에서 추출된 S편광을 수광소자로 입사시켜, 상기 디스크(90)에서 반사된 기준빔으로부터 재생신호를 출력한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법에 의하면, 상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여 기록 스폿의 사이즈를 축소시키면서도, 상기 공간 광 변조기(22)로 하나의 레이저 빔을 신호빔과 기준빔으로 분리하여 기록 스폿을 중첩하며 기록 가능하도록 한다.
상기 고체침지렌즈(32)를 이용하여 개구수를 1이상으로 증가시킴으로서, 기록 스폿의 사이즈를 나노 사이즈로 축소시켜 중첩기록할 수 있으며, 기록 스폿을 중첩하여 기록하는 다중화기법을 적용하는 것에 의해, 기록매체의 저장밀도를 보다 향상시켜, 단일 기록층에 보다 많은 정보를 기록할 수 있다.
또한, 단일 광경로상에서 기록, 재생 및 디스크 위치제어를 구현함으로써, 기존의 복잡한 광학시스템을 단순화하여 소형 광학계를 구축할 수 있으며, 단일 기록층의 저장용량을 향상시키는 것에 다층 기록을 위한 광학부품의 미세 이동 등에 소요되던 기계적인 구동을 최소화함으로써, 포인팅 위치를 정밀하게 이동시키기 위해 따르던 서보제어의 어려움을 해결할 수 있다.
한편, 구면수차(球面收差 spherical aberration)란, 주상수차(珠狀收差)라고도 하며, 한 점에서 나간 광선이 구면 거울에서 반사되거나 구면 렌즈를 통과할 때 한 점에 모이지 않아 그림자가 흐릿하게 보이는 현상으로, 축 위의 한 점에서 나온 광선이 한 점에 모이지 않고 축에 대한 경사각에 따라 교점의 위치가 다른 현상을 뜻하기도 한다.
상기 디스크의 기록층의 두께가 증가할수록, 즉, 상기 고체침지렌즈(32)와 인접한 기록층의 일면으로부터 이격된 지점일수록 구면수차가 증가하게 되어 광학적 성능이 감소하게 되는데, 단일 기록층에 기록하는 것에 의해 우수한 광학적 성능을 신뢰성 있게 구현할 수 있다.
그리고, 기존의 홀로그래피(holography) 기록장치, 근접장 기록장치(NFR : Near Field Recording)에 비해 보다 우수한 기록밀도를 구현할 수 있으면서도, 기존의 홀로그래피 기록장치, 근접장 기록장치와 호환가능하여, 차세대 광 정보저장장치로서 고해상도 영화 및 데이터 백업분야에 광범위하게 적용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
10 : 광원수단 11 : 녹색광조사기
12 : 적색광조사기 20 : 광로형성수단
21 : 제2광선 분할기 22 : 공간 광 변조기
22a : 광소거부 23 : 제1광선 분할기
24 :1/4파장판 30 : 광학수단
31 :대물렌즈 32 : 고체침지렌즈
90 : 디스크

Claims (14)

  1. 빔을 조사하는 광원수단(10)과, 빔을 디스크(90)의 기록층에 포커싱하는 대물렌즈계가 구비되는 광학수단(30)과, 상기 광원수단(10)과 광학수단(30) 사이의 광경로를 형성하는 광로형성수단(20)이 구비되는 홀로그래픽 기록장치에 있어서,
    상기 광로형성수단(20)에 구비되며, 상기 광학수단(30) 및 디스크(90)측으로 입사중인 하나의 빔을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하는 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22); 및
    상기 광학수단(30)에 구비되며, 상기 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 증가시켜 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시키는 고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32);
    를 포함하되,
    상기 공간 광 변조기(22)는,
    빔이 통과하는 경로상에, 빔의 단면을 중앙부와 둘레부로 분리하여 구획하는 폐쇄 고리형상의 광소거부(22a)를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원수단(10)은,
    데이터 기록 시, 파장λ= 532nm인 녹색 레이저를 조사하는 녹색광조사기(11);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(22)는,
    폐쇄 고리형상을 가지는 상기 광소거부(22a) 내측의 영역을 선택적으로 생성 또는 소멸시키거나, 상기 광소거부(22a) 자체를 소멸시키는 다수의 모드로 전환되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광소거부(22a) 내측에 위치하는 빔의 중앙부는 신호빔이 되고, 상기 광소거부(22a) 외측에 위치하는 빔의 둘레부는 기준빔이 되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광로형성수단(20)은,
    상기 공간 광 변조기(22)에 의해 분리된 선형편광(linear polarization)상태의 신호빔과 기준빔에 1/4 파장만큼의 위상차를 주어 원형편광(circular polarization)으로 변환하여 상기 광학수단(30)측으로 입사시키는 1/4파장판(QWP, guarter wave plate, quarter wave length plate)(24);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 디스크(90)에서 포커싱된 후, 반사되어 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 빔에서 S편광을 분리하여 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device)와 같은 수광소자측으로 반사시키는 제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고체침지렌즈(32)는,
    상기 대물렌즈계의 대물렌즈(31)와 디스크(90) 사이에서 상기 디스크(90)의 기록층과 0nm 초과 20nm 이하의 간격을 두고 설치되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  9. 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 고체침지렌즈(32)는,
    상기 대물렌즈계를 포함한 광학계의 개구수가 1을 초과하도록 하는 굴절율을 가지는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원수단(10)은,
    파장λ= 633nm인 적색 레이저를 빔을 조사하는 적색광조사기(12);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광로형성수단(20)은,
    상기 적색광조사기(12)에서 조사되는 적색 레이저가 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로로 진행되도록 반사시키는 제2광선 분할기(BS, Beam splitter)(21);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치.
  12. 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22)를 이용하여, 광원수단(10)에서 조사된 하나의 빔을 동일한 광경로상에서 신호빔과 기준빔으로 분리하여, 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 진행시키는 빔분리단계;
    고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32)를 이용하여, 대물렌즈계의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)를 1이상으로 증가시켜, 상기 디스크(90)의 기록층에 포커싱되는 빔 스폿의 사이즈(d=λ/NA)를 축소시키는 빔축소단계; 및
    상기 빔축소단계에서 사이즈가 축소된 신호빔, 기준빔을 상기 디스크(90) 기록층상의 동일지점에 포커싱하며 데이터를 기록하되, 스폿의 일부를 중첩하며 기록하는 중첩기록단계;
    를 포함하되,
    상기 공간 광 변조기는,
    빔이 통과하는 경로상에, 빔의 단면을 중앙부와 둘레부로 분리하여 구획하는 폐쇄 고리형상의 광소거부(22a)를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 기록방법.
  13. 제12항에 있어서,
    적색광조사기(12)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로측으로 적색 레이저를 조사하는 적색광조사단계;
    데이터 기록을 위한 광경로상에 설치된 제2광선 분할기(BS, Beam splitter)(21)를 이용하여, 데이터 기록을 위한 광경로와 동일한 광경로상에서 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 적색 레이저의 진행방향을 전환시키는 적색광조정단계; 및
    상기 적색광조정단계를 거쳐 상기 광원수단(10) 및 디스크(90)측으로 입사되는 적색 레이저를 상기 디스크(90)상의 기록위치에 포커싱하며 기록위치를 확인, 조정하는 초점위치확인단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 기록방법.
  14. 공간 광 변조기(SLM, Spatial Light Modulator)(22)가 제공하는 광소거부(22a)의 형상을, 폐쇄 고리형상의 선형에서, 폐쇄 고리형상의 내측 영역이 소멸된 면형으로 전환하여 신호빔을 소거시키는 신호빔 소거단계;
    고체침지렌즈(SIL, Solid Immersion Lens)(32)를 이용하여, 상기 신호빔 소거단계를 거쳐 잔류된 기준빔을, 1이상의 개구수(NA, numerical aperture)(NA=nsinθ)로 디스크(90)의 기록층에 포커싱시키는 기준빔 포커싱단계;
    제1광선 분할기(BS, Beam splitter)(23)를 이용하여, 상기 디스크(90)의 기록위치로 포커싱된 후, 입사경로와 동일한 경로로 평행하게 되돌아 진행되는 기준빔에서, S편광을 분리하는 기록데이터 추출단계; 및
    상기 기록데이터 추출단계에서 추출된 상기 S편광을 수광소자로 입사시켜, 상기 디스크(90)에서 반사된 기준빔으로부터 재생신호를 출력하는 데이터 재생단계;
    를 포함하는 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치를 이용한 재생방법.

KR1020100114400A 2010-11-17 2010-11-17 고체침지렌즈를 사용한 홀로그래픽 데이터 기록장치, 이를 이용한 기록방법 및 재생방법 KR101211845B1 (ko)

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US20010001607A1 (en) * 1997-11-25 2001-05-24 Yasushi Miyauchi Information recording and reproducing apparatus and method of recording and reproducing information using solid immersion lens having super resolution film deposited thereon

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