DE2803121C3 - Optische Datenspeichervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, wie sie dem

ίο Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu entnehmen ist

Durch die amerikanische Patentschrift 38 96 420 ist eine optische Speichervorrichtung bekannt geworden, welche neben Raumdimensionen als weitere Dimension die Frequenz verwendet und so die Speicherkapazität erheblich vergrößert. Die Speichervorrichtung enthält ein Material, das optisch gesättigt werden kann und dabei eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie aufweist Beispiele von Materialien, welche in diesem System verwendet werden können, sind mit Chrom dotierter Rubin, mit Chrom dotiertes Magnesiumoxid, O2, S2, Se2 und SeS in KJ und andere. Informationsbits werden durch selektive optische Sättigung gespeichert, die durch einen schmalbandigen Laser hoher Intensität verursacht wird. Diese selektive Sättigung einer inhomogen verbreiterten Absorptionslinie durch ein schmalbandiges monochromatisches Signal bestimmter Frequenz nennt man in der englischsprachigen Literatur »hole burning«, was man etwa mit »ein Loch fressen« übersetzten könnte. Die optische Sättigung ist ein physikalischer Effekt, welcher nur bei hohen Intensitäten des Lichtes auftritt und der angeregte Zustände gleichartiger Atome betrifft, die sich in etwas unterschiedlicher Wirtsumgebung befinden. Die so erzeugten Informationsbits sind so lange nicht flüchtig, als das Material der intensiven Strahlung eines breitbandigen Lasers ausgesetzt ist. Sobald diese Einstrahlung aus irgendeinem Grunde aufhört, ist die Lebensdauer der gespeicherten Information in dem Material nur noch in der Größenordnung von etwa 10~² Sekunden. Weil der Speicherinhalt verloren geht, wenn die Energieversorgung unterbrochen ist oder die Lichteinstrahlung aufhört, läßt sich die bekannte Speichervorrichtung als nicht-permanentes, energieabhängiges Speichersystem bezeichnen.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine optische Speichervorrichtung unter Ausnutzung des photochromischen Effekts zu schaffen, die frequenzselektiv beeinflußt werden kann und deren gespeicherte Information permanent oder semipermanent zu handhaben ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen.

Die optische Speichervorrichtung und das Verfahren zu ihrem Betrieb machen also ebenfalls Gebrauch von der Lichtfrequenz als weiterer Dimension. Das Speichermedium besteht dabei aus einem Material, beispielsweise in der Form eines Blocks, in welchem eine strahlungsinduzierte photochromische Reaktion im Ansprechen auf elektromagnetische Strahlung bestimmter Frequenz ausgelöst wird. Dieses Speichermediumsmatenal zeigt dabei eine inhomogene Verbreiterung der Absorptionslinie. Beispiele solcher Speichermediumsmaterialien sind Wasserstoff-Porphyrin als freie Base (H2-Porphyrin) und Tetrazin. Informationsbits werden durch selektive strahlungsinduzierte pho- tochromische Reaktionen gespeichert, die durch einen schmalbandigen Laser bei gewissen Frequenzen innerhalb der verbreiterten inhomogenen Linie eingeschrieben werden. Die Speicherdaüer von solchen strahlungs-

induzierten Datenbits liegt in der Größenordnung von Jahren, so daß die Speichervorrichtung in dieser Beziehung als permanent bezeichnet werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Frfindung kann dieses Material für das Speichermedium auch so gewählt sein, daß die strahlungsinduzierte photochromische Reaktion wieder rückgängig gemacht werden kann, wodurch das Löschen gespeicherter Daten ermöglicht wird, also eine semipermanente Speichervorrichtung vorliegt-

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 ist eine schematische Übersicht der Speichervorrichtung einschließlich der Mittel zum Einschreiben is und Auslesen der Information,

F i g. 2 veranschaulicht ein Beispiel der Ausgangssi- _gnale eines Lasers als monochromatische Signale bei drei verschiedenen Frequenzen,

F i g. 3 veranschaulicht die inhomogene Absorption bei langsamen thermischen Ausgleich des Materials, bevor es der Strahlung des Lasers gemäß der Fig.2 ausgesetzt wird,

F i g. 4 zeigt die Absorption des Materials nach der Belichtung mit den Lasersignalen gemäß F i g. 2,

F i g. 5 zeigt die Ausgangssignale einer Abfühlvorrichtung, die man erhält, wenn man den Laser über den Frequenzbereich von A bis B variabel abstimmt

In der F i g. 1 ist schematisch eine optische Speichervorrichtung dargestellt, welche als weitere Dimension die Dimension der Frequenz benutzt. Die Speichervorrichtung 10 enthält einen Laser 14, der mit einer Abtastvorrichtung 12 versehen ist. Außer der Steuerung des Laserstrahl kann auch dessen Frequenz verändert werden. Die Strahlung des Lasers 14 durchläuft einen Verschluß 16, der während des Durchstimmens der Frequenzen des Lasers bei entsprechenden ausgewählten Frequenzen geöffnet wird. Ein spezielles Beispiel von Laserfrequenzen, die an der Stelle 18 aus dem Verschluß 16 austreten, ist in der F i g. 2 dargestellt Drei to monochromatische Signale sind als Spektrallinien M, N und P innerhalb des Frequenzbereiches A bis B als Spitzenwerte der Lichtintensität / bei entsprechenden Werten der Frequenz / dargestellt. Während des Schreibzyklus werden das Filter 20 und die Abfühleinrichtung 24 nicht gebraucht. Ihre Verwendung wird unten bei der Beschreibung des Lesezyklus berücksichtigt.

Der Laser 14 muß in seiner Frequenz stabilisiert sein, er muß über den ganzen Frequenzbereich der inhomogen verbreiterten Linie abstimmbar sein und er muß in einem schmalbandigen Modus arbeiten. Durch Fokussieren des Laserstrahls kann ein minimaler Strahldurchmesser in der Größenordnung von 1 μπι erzielt werden. Damit liegt die erreichbare Speicherdichte von Lichtpunkten in der Größenordnung von 10⁸/cm². Die Einrichtungen für die räumliche Ablenkung des Laserstrahls sind nicht dargestellt, sie sind von gebräuchlicher Bauart.

Das Speichermedium 22 ist eine Schicht oder ein Block aus einem Material, das fähig ist, bei Belichtung eine strahlungsinduzierte Reaktion auszuführen. Diese photoinduzierte Reaktion ist eine photochemische Reaktion oder eine photochromische Reaktion, d. h. eine durch die Belichtung verursachte Veränderung der optischen Eigenschaften des Materials. Das Material erfährt daher eine Reaktion von Atomen, Molekülen oder MolekülkomDlexen, die reversibel oder irreversibel sein kann. Auch mu3 das Material eine inhomogene Absorptionslinienverbreiterung in einer inhomogenen, als Grundstruktur dienenden Matrix aufweisen, wie es in F i g. 3 als Funktion der Absorption A von der Frequenz /■dargestellt ist wobei diese inhomogene Absorptionsiinie sich im wesentlichen über einen Frequenzbereich von A bis B erstreckt Ein Beispiel eines Materials, welches einer reversiblen photochromischen Reaktion fähig ist, ist Porphyrin als freie Base, wie Hj-Porphyrin, zu nennen, das in einer vorgegebenen Grundstruktur geeigneten Materials eingebettet ist. Ein Beispiel eines Materials, welches eine irreversible oder permanente photochromische Reaktion erfährt ist Tetrazin.

Andere Beispiele von Materialien sind analog deuteriertes Porphyrin, D2- Porphyrin, Phtalocyanin und Tetraphenyl-Porphyrin. Auch alle anderen Materialien, welche inhomogene Linienverbreiterung in einer inhomogenen Matrix als Grundstruktur aufweisen und bei Belichtung eine photoinduzierte Reaktion erfahren, können bei der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung verwendet werden.

Wenn im Bereich der ultra violetten, sichtbaren oder infraroten elektromagnetischen Strahlung das Laserlicht beispielsweise eine Frequenz M (F i g. 2) hat und in das Speichermedium 22 einfällt welches eine inhomogen verbreiterte Absorptionslinie mit der Bandbreite A — B autweist, dann bleicht der Laser einen engen Spektralbereich oder eine Spektrallinie M'(Fig.4) aus, was einem gespeicherten Informationsbit entspricht. Dieser Effekt kann optisches photoreaktives Ausbleichen genannt werden, und sein Mechanismus ist völlig verschieden von der eingangs erwähnten selektiven optischen Sättigung, welche an hohe Strahlungsintensitäten gebunden ist. Bei dem selektiven optischen photoreaktiven Ausbleichen erfahren einige Moleküle strukturelle oder chemische Veränderungen, die zu nicht-flüchtigen Reaktionsprodukten führen, welche optische Eigenschaften aufweisen, die unterschiedlich von den Eigenschaften des Ausgangsmatenals sind. Dieser Effekt kann sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Intensitäten der Strahlung beobachtet werden. Er verwendet den Grundzustand von Atomen oder Molekülen im Gegensatz zu der oben erwähnten optischen Sättigung, die angeregte Zustände ausnutzt. Die Lichtintensität hat nur Einfluß auf die Schreibgeschwindigkeit. Der photochemische Prozeß dieser Art optischen Ausbleichens wirkt nur bei solchen Molekülen, die bei einer bestimmten Frequenz absorbieren, in diesem Falle also bei der Frequenz M. Die anderen Moleküle in dem Material, welche bei anderen Frequenzen absorbieren, bleiben unverändert, weil sie nicht an der photoinduzierten Reaktion teilnehmen.

Nach Ausbleiben des Materials bei der Frequenz M werden der Laser 14 und der Verschluß 16 so eingestellt, daß Laserlicht mit der Frequenz N (Fig.2) in das Material 22 einfällt, um das Loch N' (Fig.4) auszubleichen. Andere Moleküle des Materials, welche bei anderen Frequenzen absorbieren, bleiben unverändert, weil sie nicht an der photoinduzierten Reaktion teilnehmen.

In gleicher Weise reagieren nun solche Moleküle, welche bei der Frequenz P absorbieren, um ein Loch P' (Fig.4) auszubleichen, wenn das einfallende Laserlicht die Frequenz Phat

Wenn einmal diese sogenannten Löcher bei den Frequenzen M, N und P ausgebleicht sind und damit entsprechende Informationsbits M, N und P eingeschrieben sind, dann liegt ein permanentes, energieun-

abhängiges Ergebnis vor, da diese so ausgebleichten Stellen unverändert bestehen bleiben, auch wenn das Licht des Lasers nicht weiter einwirken kann. Die Lebensdauer solcher Informationsbits entspricht der Lebensdauer des strahlungsinduzierten Reaktionsproduktes, welche in der Größenordnung von Jahren liegt.

Das wesentliche des erfindungsgemäßen Speicherverfahrens liegt in der Abstimmung der Frequenz der Laserstrahlung, um eine Anzahl von Löchern innerhalb der inhomogen verbreiterten Absorptionslinie A—B auszubleichen. Die Anzahl von in der Dimension der Frequenz speicherbaren Informationsbits hängt von dem Verhältnis der Bandbreite des inhomogen verbreiterten Absorptionslinie zu der Breite des engen Spektralbereiches oder der Spektrallinie eines ausgebleichten Loches ab. Diese Anzahl kann ausgedruckt werden durch N= '/2 (Δ Wj IA Wh). Aus der Literatur ist bekannt, daß Δ Wh einen sehr engen Spektralbereich umfaßt, der bei gewissen Systemen und tiefen Temperaturen in der Größenordnung von 10 MHz liegt. Δ W, kann für gewisse Systeme die Größenordnung von 10³GHz erreichen. Eine Speichervorrichtung, welche beide Extremwerte erreicht, kann innerhalb einer Absorptionsbande 10⁴ bis 10⁵ Datenbits speichern. Weil in den meisten Fällen AWh bei tiefen Temperaturen wesentlich kleiner ist, und weil Δ W, praktisch Temperaturunabhängig ist, ist die Speicherkapazität einer solchen Speichervorrichtung bei tiefen Arbeitstemperaturen höher, was in vorteilhafter Weise bei Realisierung einer Speichereinrichtung ausgenutzt werden kann.

Das Auslesen der Daten kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist in der F i g. 1 dargestellt, wo der gleiche Laser und die gleichen optischen Einrichtungen, die für das Schreiben benutzt wurden, auch für das Auslesen verwendet werden. In diesem Falle muß jedoch die Intensität des Lichtes des Lasers 14 durch ein in den Strahlengang eingefügtes Filter 20 erheblich reduziert werden, um zu verhindern, daß ein weiteres Ausbleichen erfolgt. Das Licht des Lasers muß über einen Frequenzbereich durchgestimmt werden, der größer als der Frequenzbereich von A bis B ist. Gedämpft durch das Filter 20 passiert das Laserlicht das Speichermedium 22 und fällt auf eine Abfühleinrichtung 24. Das Ausgangssignal D des Detektors 24 hat dann etwa die Form, wie sie in der F i g. 5 dargestellt ist Das Ausgangssignal D der Abfühleinrichtung 24 zeigt einzelne Spitzenwerte M", N" und P". Das sind die Frequenzen f, wo vorher durch den Schreibzyklus sogenannte Löcher ausgebleicht wurden. Solche Signale wie M", N"und /"'mögen den Datenbits einer binären Eins entsprechen und das Fehlen eines Ausgangssignals die binäre Null verkörpern. In der F i g. 5 sind solche Datenbits längs der Frequenzachse eingetragen.

Zum Auslesen und Einschreiben von Information in das Speichermedium können auch optische Einrichtungen verwendet werden, die anders angeordnet sind, als in dem Blockschema der F i g. 1 angedeutet. Beispielsweise kann eine Einrichtung zum Modulieren der Lichtintensität anstelle des Verschlusses 16 und des Filters 20 verwendet werden, welche sowohl die Funktion des Ein- und Ausschaitens des Lichtes als auch die Dämpfung oder Verdunkelung während des Auslesens der Information ausführt.

Ein anderes mögliches Leseverfahren verwendet verschiedene angeregte Zustände eines Moleküls. Beispielsweise kann ein Speichermaterial sowohl einen angeregten Singulett-Zustand als auch einen Tripplett-Zustand aufweisen. Angenommen, daß nur einer der beiden angeregten Zustände photoreaktiv ist, beispielsweise das Singulett, dann kann man die Information im Singulett-Modus einschreiben und zerstörungsfrei im Tripplett-Modus auslesen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen beim Einschreiben von Information zu verwenden und einen Laser beim Auslesen.

Auch kann man beim Auslesen anstelle der Absorptionseigenschaften des Materials andere optische Eigenschaften verwenden, wie beispielsweise das Refleklionsvermögen oder die Fluoreszenz.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet eine Schicht des Speichermediums, um entsprechend in zwei Dimensionen einzuschreiben und dann als dritte Dimension der Speicherung die Frequenz heranzuziehen. Man kann jedoch auch eine vier-dimensionale Speichereinrichtung dadurch schaffen, daß man die Laserstrahlung dazu ausnutzt, in einem Block des Speichermaterials Volumenhologramme zu erzeugen, also drei-dimensionale Darstellungen zur Speicherung vorsieht wozu in diesem Falle als vierte Dimension ebenfalls der Bereich der Frequenz tritt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Speicheranordnung unter Ausnutzung des photochromischen Effektes mit einem absorbierenden Speichermedium zur Bitspeicherung, welches bei Dateneinschreibung mittels eines ablenkbaren Schreibstrahls wahlweise in örtlich scharf definierten Bereichen in Lichtdurchlässigkeit umwandelbar ist, so daß zum Auslesen der Daten eine im Strahlengang liegende Abtasteinrichtung durch über das Speichermedium gelangende, entsprechend den örtlich durchlässigen Bereichen mit Information beaufschlagte, jedoch gegenüber dem Schreibvorgang reduzierte Intensität aufweisende Laserstrahlung erregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens eine inhomogen verbreiterte Absorpti&nsbande (F i g. 4) aufweisendes, innerhalb dieser frequenzselektiv (M', N', P') photochemisch ausbleichbares Speichermedium (22; Fig. 1) im zur Ablenkung steuerbaren Strahlengang (18) eines in der Frequenz seiner Ausgangsstrahlung zur Bereitstellung der jeweiligen Schreibfrequenz abstimmbaren Lasers (14) liegt, dem im Strahlengang (18) zum Speichermedium (22) ein I.ichtmodulator (16) zur einstellbaren Lichtdurchlässigkeit für die verschiedenen Schreibfrequenzen (M', N', P'\ Fig.4) zugeordnet ist.

2. Speicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der in einer Absorptionsbande ausgenutzten, frequenzselektiv ausgebleichten Spektrallinien (M', N', P') mindestens der Größenordnung der durch die Beziehung N= V₂ (W₁IWh) definierten Maximalanzahl entspricht, wobei Wi den ausnutzbaren Bereich der Absorptionsbande und VV/, die Halbwertbreite einer der Spektrallinien (M', N', P') darstellt.

3. Speicheranordnung nach Anspruch 1 und/oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur auf eine möglichst niedrige, vorzugsweise auf die Temperatur eines verflüssigten Gases eingestellt ist.

4. Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium (22; Fig. 1) zu reversibler photochromischer Reation eine eine freie Porphyrinbase enthaltende, organische Substanz dient.

5. Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium zu irreversibler, photochromischer Reaktion eine Tetrazin enthaltende, organische Substanz dient.

6. Speicheranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mittels einer Frequenzverstelleinrichtung (12; F i g. 1) abstimmbaren Laser (14) im Strahlengang (18) zum Speichermedium (22) ein nur für die jeweilige Schreibfrequenz durchlässiges Spektralfilter als Lichtmodulator (16) angeordnet ist.

7. Speicheranordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur dreidimensionalen Speicherung das Speichermedium (22) aus einer Schicht besteht.

8. Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium (22) zur vierdimensionalen Speicherung in Form von Volumen-Hologrammen bei jeweils zugeordneter Schreibfrequenz (M', N', P'; F i g. 4) aus einem Block besteht.

9. Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines einzigen Läsers (14) zum Schreiben und Lesen der Lichtmodulator (16) zusätzlich zur wahlweisen Lichtabschwächung eingerichtet ist