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JP2001522119A - Multilayer photochromic optical data disk - Google Patents

Multilayer photochromic optical data disk

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Publication number
JP2001522119A
JP2001522119A JP2000519427A JP2000519427A JP2001522119A JP 2001522119 A JP2001522119 A JP 2001522119A JP 2000519427 A JP2000519427 A JP 2000519427A JP 2000519427 A JP2000519427 A JP 2000519427A JP 2001522119 A JP2001522119 A JP 2001522119A
Authority
JP
Japan
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data storage
optical data
information
photochromic
medium
Prior art date
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Pending
Application number
JP2000519427A
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Japanese (ja)
Inventor
コロティーフ、ニコライ・アイ
マグニツキー、セルゲイ・エー
クリクノフ、セルゲイ・エー
シュビン、ウラジミール・ブイ
マラコフ、ディミトリー・エー
レビチ、ユージン・ブイ
マルキン、ヤコブ・エヌ
Original Assignee
トリディー・ストア・アイピー・エルエルシー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by トリディー・ストア・アイピー・エルエルシー filed Critical トリディー・ストア・アイピー・エルエルシー
Publication of JP2001522119A publication Critical patent/JP2001522119A/en
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Abstract

(57)【要約】 2.5次元光記憶媒体101は、透明分離層107で分離されたポリマーマトリクス中に埋め込まれた多層フォトクロミック分子から形成されている。前記媒体101は3次元内の位置に移動して、2光子・単一ビーム情報書込みされる。このように書込まれた情報はビット単位またはページ単位で読み出される。後者の場合は、領域が照射され、その蛍光がCCDカメラで検出される。 (57) Abstract The 2.5-dimensional optical storage medium 101 is formed from multilayer photochromic molecules embedded in a polymer matrix separated by a transparent separation layer 107. The medium 101 moves to a position in three dimensions and is written with two-photon / single-beam information. The information written in this way is read out in bit units or page units. In the latter case, the area is illuminated and its fluorescence is detected by a CCD camera.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【関連出願の参照】[Reference of related application]

本出願は、1997年10月31日に出願された米国仮出願第60/063,
797号に基づく利益を主張し、その開示は参照して、その全体をここに組み込
まれる。
This application is related to US Provisional Application No. 60/063, filed October 31, 1997.
No. 797, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.

【0002】[0002]

【発明の分野】FIELD OF THE INVENTION

本発明は、3次元(3D)光メモリ、WORM(追記型)ドライブ、WER(
書込み、消去、読み出し)ドライブなどの、光データ記憶システムに使用する方
法とシステムに関するものであり、具体的には、単一レーザーを使用して多層デ
ィスクまたはその他の媒体に情報を書込む方法とシステムに関するものである。
The present invention provides three-dimensional (3D) optical memory, WORM (write-once) drive, WER (
The present invention relates to methods and systems for use in optical data storage systems, such as write, erase, and read) drives, and more specifically to methods for writing information to multi-layer discs or other media using a single laser. It is about the system.

【0003】[0003]

【関連技術の説明】[Description of Related Technology]

光データ記憶に関する公知技術の1つには、3Dフォトクロミック媒体への2
−ビームの2光子書込み/蛍光読出しがある。この技術は主にPeter M.
Rentzepisと彼の共同研究者により開発され、たとえば米国特許第5,
268,862号および第5,325,324号と、彼および下に記載したその
他の者の引用中に述べられている。情報は2本の交差ビーム、つまりピコセカン
ドYAG:Ndレーザー放射光の基本ビームおよび第2高調波で記録される。固
有のパルス持続時間は約30ピコ秒で、そのパルスエネルギーは数ミリジュール
である。この方法はページ単位で記録できるが、既存のコンピュータアーキテク
チャを大幅に変更する必要がある。
One of the known techniques for optical data storage is to use 2D to 3D photochromic media.
There is a two-photon writing / fluorescence reading of the beam. This technology is mainly described in Peter M.
Developed by Rentzepis and his co-workers, see for example US Pat.
Nos. 268,862 and 5,325,324, and in his and others cited below. The information is recorded in two crossed beams: a fundamental beam of picosecond YAG: Nd laser radiation and a second harmonic. The inherent pulse duration is about 30 picoseconds and its pulse energy is a few millijoules. This method can be recorded on a page-by-page basis, but requires significant changes to existing computer architectures.

【0004】 別の公知技術には、多層フォトクロミックマトリクス、感光性ポリマーおよび
光屈折結晶中の単一光子書込みおよび位相差読出し、がある。この技術は主にS
.Kawataとその他の者により開発され、例えば下に記載した者の引用中に
述べられている。この技術は空間分解能に劣り、エネルギーコストが高い欠点が
ある。
[0004] Another known technique includes single-photon writing and retardation reading in multilayer photochromic matrices, photopolymers and photorefractive crystals. This technology is mainly S
. Developed by Kawata and others, and is described, for example, in the citations of those listed below. This technique has disadvantages of poor spatial resolution and high energy cost.

【0005】 次の参照資料は既存技術を示す。[0005] The following references show existing technology.

【0006】 S.Hunter,F,Kiamilev,S.Esener,D.Part
henopoulos,およびP.Rentzepis,Appl.Opt.,
Vol.29(14),pp.2058〜2066、1990年 A.S.Dvornikov,J.MalkinおよびP.M.Rentze
pis,J.Phys.Chem.,Vol.98(27),pp.6746〜
6752、1994年 A.S.Dvornikov,P.M.Rentzepis,Opt.Com
m.,Vol.136,pp.1〜6、1997年 peter M.Rentzepis:米国特許第5,268,862号、1
993年;Peter M.Rentzepis,Sadik Esener:
米国特許第5,325,324号、1994年 A.Toriumi,J.M.Herrmann,S.kawata,Opt
.Lett.,Vol.22(8),pp.555〜557、1997年 Y.Kawata,R.Jusckaitis,T.Tanaka,T.Wi
lson,S.Kawata,Appl.Opt,Vol.35(14),pp
.2466〜2470、1996年 Weaver,L.A.Houston,K.Iwata,T.L.Gust
afon,J.Phys.Chem.,Vol.96,pp.8956,199
2年 C.Xu,W.W.Webb,J.Opt.Soc.Am.B.,Vol.1
3(3),pp.481〜491、1996年 G.S.He,L.Y.Ning Cheng,J.D.Bhawalkar
,P.N.Prasad,JOSA B,Vol.14(5),pp.1079
〜1087、1997年 D.E.Spence,P.N.Kean,W.Sibett,Opt.Le
tt、Vol.16(1),pp42〜44、1991年 M.J.P.Dymott,A.I.Ferguson,Opt.Lett.
Vol.19(23),pp.1988〜1990、1994年 K.Tamura,C.R.Doerr,L.E.Nelson,H.A.H
aus,E.P.Ippen,Opt.Lett,Vol.19(1),pp.
46〜48、1994年 P.J.Delfyett,L.Florez,N.Stoffel,T.G
mitter,N.Andreadakis,G.Alphonse,W.Ge
islik,Opt.Lett,Vol.17(9),pp.670〜672、
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的統計≫、モスクワ、高等教育、1982年、p.227 N.I.Koroteev,S.A.Magnitskii,V.V.Shu
binおよびN.T.Sokolyuk,Jpn.Appln.Phys.,V
36,pp.423〜425、1997年
[0006] Hunter, F, Kiamilev, S .; Esener, D.A. Part
henopoulos, and P.C. Rentzepis, Appl. Opt. ,
Vol. 29 (14) pp. 2058-2066, 1990 S. Dvornikov, J .; Malkin and P.M. M. Rentze
pi, J .; Phys. Chem. , Vol. 98 (27) pp. 6746-
672, 1994 S. Dvornikov, P .; M. Rentzepis, Opt. Com
m. , Vol. 136 pp. 1-6, 1997, Peter M. Rentzepis: U.S. Pat. No. 5,268,862, 1
993; Peter M. Rentzepis, Sadik Esener:
U.S. Patent No. 5,325,324, 1994. Toriumi, J .; M. Herrmann, S .; Kawata, Opt
. Lett. , Vol. 22 (8), p. 555-557, 1997 Kawata, R .; Juskaitis, T .; Tanaka, T .; Wi
lson, S.M. Kawata, Appl. Opt, Vol. 35 (14), pp
. 2466-2470, 1996. Weaver, L. et al. A. Houston, K .; Iwata, T .; L. Gust
afon, J .; Phys. Chem. , Vol. 96 pp. 8956,199
2 years C. Xu, W.C. W. Webb, J. et al. Opt. Soc. Am. B. , Vol. 1
3 (3), pp. 481-491, 1996 S. He, L .; Y. Ning Cheng, J .; D. Bhawalkar
, P. N. Prasad, JOSA B, Vol. 14 (5), p. 1079
-1087, 1997 E. FIG. Spence, P.M. N. Kean, W.C. Sibett, Opt. Le
tt, Vol. 16 (1), pp 42-44, 1991 J. P. Dymott, A .; I. Ferguson, Opt. Lett.
Vol. 19 (23), p. 1988-1990, 1994 Tamura, C.I. R. Doerr, L .; E. FIG. Nelson, H .; A. H
aus, E .; P. Ippen, Opt. Lett, Vol. 19 (1), p.
46-48, 1994; J. Delfyett, L .; Florez, N.M. Stoffel, T .; G
Mitter, N.M. Andrewakis, G .; Alphanse, W.C. Ge
islik, Opt. Lett, Vol. 17 (9), p. 670-672,
1992 I. N. Kovalenko, A .; A. Filippova, {Establishment Theory and Mathematical Statistics}, Moscow, Higher Education, 1982, p. 227 N.R. I. Korotev, S.M. A. See Magnitskii, V .; V. Shu
bin and N.I. T. Sokolyuk, Jpn. Appln. Phys. , V
36, pp. 423-425, 1997

【発明の概要】Summary of the Invention

前述の点から、当技術分野においては、既存のコンピュータシステム内で適正
なエネルギーコストで高い情報密度を提供する光データ記憶用の方法とシステム
が現在でも要望されているのは明らかである。
In view of the foregoing, it is apparent that there remains a need in the art for a method and system for optical data storage that provides high information density at a reasonable energy cost within existing computer systems.

【0007】 したがって、本発明の第1の目的は、書込みに単一レーザー(単一波長の書込
み放射光)を使用する光情報記憶の方法とシステムを提供することである。
Accordingly, it is a first object of the present invention to provide a method and system for optical information storage using a single laser (single wavelength writing radiation) for writing.

【0008】 本発明の別の目的は、情報記録の単純なスキームを提供する方法とシステムを
提供することである。
Another object of the present invention is to provide a method and system that provides a simple scheme for recording information.

【0009】 本発明の別の目的は、フェムト秒(最短)レーザーパルスを使用して高い空間
分解能を得る方法とシステムを提供することである。
Another object of the present invention is to provide a method and system for obtaining high spatial resolution using femtosecond (shortest) laser pulses.

【0010】 本発明の別の目的は、既存のコンピュータアーキテクチャ、特にCD−ROM
およびDVD−ROM標準を使用する方法とシステムを提供することである。
[0010] Another object of the present invention is to provide an existing computer architecture, especially a CD-ROM.
And a method and system using the DVD-ROM standard.

【0011】 これらおよびその他の目的を達成するために、本発明では、フォトクロミック
媒体から、単一ビームで2光子書込みおよび蛍光読出しを使用する2.5次元(
以後2.5Dとする)光データ記憶の方法とシステムを提供する。読出しは、順
次(ビット単位)または並列(ページ単位)のいずれでも実行できる。媒体に使
用される有機フォトクロミック分子は、無色型Aと励起または着色型Bを持つ。
分子はポリマーマトリクス中に埋め込まれ、優れた光学的特性を持ち、分子寸法
によってのみ制限される高い空間分解能を発揮する。情報は、フォトクロミック
分子の初期型Aに、2光子吸収により記録される。一方、その情報は、励起型B
の励起フォトクロミック分子から放射される蛍光を読出して再生できる。
To achieve these and other objectives, the present invention provides a method for generating 2.5-dimensional images from a photochromic medium using two-photon writing and fluorescence reading with a single beam.
A method and system for optical data storage will be provided. Reading can be performed either sequentially (bit-wise) or in parallel (page-wise). The organic photochromic molecule used for the medium has a colorless type A and an excited or colored type B.
The molecules are embedded in a polymer matrix, have excellent optical properties, and exhibit high spatial resolution limited only by molecular size. Information is recorded on the early form A of the photochromic molecule by two-photon absorption. On the other hand, the information
Can be read out and reproduced from the excited photochromic molecule.

【0012】 本発明では、媒体が多層蛍光ディスクなどの多層フォトクロミック構造を有す
る3D光データ記憶の変形形態を提供する。媒体は不活性(光活性で無い)ポリ
マー層で分離された感光層を有している。この構造は単一ビーム、2光子、ビッ
ト単位書込み可能で、その高分解能は光活性層の厚さが薄いことと2光子法の非
直線性から得られる。多層構造は、既存のCDおよびDVD技術と互換性のある
2.5次元光メモリを提供する。
The present invention provides a variant of 3D optical data storage in which the medium has a multilayer photochromic structure, such as a multilayer fluorescent disk. The media has a photosensitive layer separated by an inert (non-photoactive) polymer layer. This structure is single beam, two-photon, bit-wise writable, and its high resolution is derived from the small thickness of the photoactive layer and the non-linearity of the two-photon method. The multilayer structure provides a 2.5 dimensional optical memory compatible with existing CD and DVD technologies.

【0013】 記録に2−ビームでなく単一ビームを使用すると、極端に短い、つまりフェム
ト秒オーダーの光パルスを使用できる。10MHzから10GHzの繰返し率を
持つフェムト秒レーザーを発生可能な、モードロックされたフェムト秒CWレー
ザーは本発明で使用するのに適している。読出しは、単一または2光子吸収のい
ずれかで発生する蛍光を読出して実行できる。単一光子吸収により、情報のペー
ジ単位の読出しが可能になる。
The use of a single beam instead of a two beam for recording allows the use of extremely short, ie, femtosecond-order, light pulses. Mode-locked femtosecond CW lasers capable of generating femtosecond lasers with repetition rates from 10 MHz to 10 GHz are suitable for use in the present invention. Reading can be performed by reading out the fluorescence generated by either single or two-photon absorption. Single-photon absorption allows for page-by-page reading of information.

【0014】[0014]

【好ましい実施形態の詳細な説明】[Detailed description of preferred embodiments]

好ましい実施形態を、図を用いて詳細に説明する。すべての図において、同一
要素は同一参照符号で示している。
A preferred embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In all the figures, the same elements are denoted by the same reference numerals.

【0015】 記憶媒体は、透明な多層ポリマー・フォトクロミック・マトリクスを有し、そ
のマトリクスは平坦な基板の表面に、たとえばスピンコーティング法によって配
置されている。2.5Dマトリクスの断面を図1に示している。図に示すように
、2.5Dマトリクス101は、交互に重なっている感光層105と分離層10
7を支持する基板103を備える。感光層105は約1μm厚さにでき、分離層
107は約30μm厚さにすることができる。感光層105は、フォトクロミッ
ク分子を埋込むポリマーを含んでいる。たとえば、フォトクロミック物質の感度
を上げるのにナフタセンピリドンを使用してもよい。もちろん、本発明による性
能が維持される限り、他のどのような構造を使用してもよい。分離層107は、
任意の透明ポリマーまたはその他の材料で製作可能である。ここでの「透明」と
は、次に詳細に説明する、読出しおよび書込みに使用する波長に対して透明であ
ることを意味する。
[0015] The storage medium comprises a transparent multilayer polymer photochromic matrix, which is disposed on a flat substrate surface, for example, by spin coating. A cross section of the 2.5D matrix is shown in FIG. As shown in the figure, the 2.5D matrix 101 is composed of alternating photosensitive layers 105 and separating layers 10.
7 is provided. The photosensitive layer 105 can be about 1 μm thick, and the separation layer 107 can be about 30 μm thick. The photosensitive layer 105 contains a polymer in which photochromic molecules are embedded. For example, naphthacenepyridone may be used to increase the sensitivity of a photochromic substance. Of course, any other structure may be used as long as the performance according to the present invention is maintained. The separation layer 107 is
It can be made of any transparent polymer or other material. Here, "transparent" means transparent to a wavelength used for reading and writing, which will be described in detail below.

【0016】 媒体101上の情報記録は、フォトクロミック媒体内で細く絞られたレーザー
光の2光子吸収による光着色反応を基本にしている。情報記録に使用するフォト
クロミック作用を次に説明する。
The information recording on the medium 101 is based on a photo-coloring reaction by two-photon absorption of a laser beam narrowed down in a photochromic medium. Next, the photochromic effect used for information recording will be described.

【0017】 複合有機分子の励起状態にある分子の標準的緩和時間を考慮すると、緩和時間
はピコ秒〜ナノ秒の範囲にあり、連続レーザーパルス間の時間間隔は、フォトク
ロミック分子の一重の励起状態を完全に解消するのに十分である。つまり、この
ような励起は、着色光反応を発生させるために必要である。このように、光吸収
と化学反応は時間的に分離しており、したがって光吸収と化学反応作用は、別個
に説明できる。最も簡単な場合は、2−準位モデルを使用して光化学反応の励起
を説明できる。
Considering the standard relaxation time of a molecule in the excited state of a complex organic molecule, the relaxation time is in the range of picoseconds to nanoseconds, and the time interval between successive laser pulses is determined by the single excited state of the photochromic molecule. Is enough to completely eliminate. That is, such excitation is necessary to cause a colored photoreaction. Thus, light absorption and chemical reaction are temporally separated, so that light absorption and chemical reaction can be described separately. In the simplest case, the excitation of the photochemical reaction can be explained using a two-level model.

【0018】 この他の、ポリマーホストと反応生成物による逆光化学反応作用、分解、エネ
ルギー移送、光吸収などのプロセスは無視する。光反応量子効率を一定と仮定す
ると、光パルス伝播中には型A濃度は変化せず、その後に量子効率ψに従って励
起された分子の一部が型Bに変わる。一方、残りの分子は次の光パルスが入射さ
れた瞬間に初期状態に戻る。
Other processes such as reverse photochemical reaction, decomposition, energy transfer, and light absorption by the polymer host and the reaction product are ignored. Assuming that the photoreaction quantum efficiency is constant, the type A concentration does not change during the light pulse propagation, and then some of the excited molecules change to type B according to the quantum efficiency ψ. On the other hand, the remaining molecules return to the initial state at the moment when the next light pulse is incident.

【0019】 すべての光パルスが同一でかつ媒体の光密度が大きくないと仮定したときの、
kパルスの伝播後に型Aから型Bに変換される分子数を求めると次のようになる
Assuming that all light pulses are the same and the light density of the medium is not large,
The number of molecules converted from type A to type B after propagation of k pulses is obtained as follows.

【数1】 (Equation 1)

【0020】 ここで、∫Фdtは、パルスエネルギーとパルス時間プロファイルが既知の
場合は、計算できる。
Here, ∫Ф 2 dt can be calculated when the pulse energy and the pulse time profile are known.

【数2】 (Equation 2)

【0021】 ここで、τはパルス持続時間、I(t/τ)はパルス強度のプロファイル、g
は型係数である。ガウスプロファイルに対しては、g=0.664、I(t/τ
)=sech(t/τ)g=0.533である。したがって、式(1)は次の
ように書き直すことができる。
Where τ is the pulse duration, I (t / τ) is the pulse intensity profile, g
Is a type coefficient. For a Gaussian profile, g = 0.664, I (t / τ
) = Sech 2 (t / τ) g = 0.533. Therefore, equation (1) can be rewritten as:

【数3】 (Equation 3)

【0022】 ここで、n(k)は、同一光パルス作用後のフォトクロミック物質の着色型
Bの局部的濃度、nは全体のフォトクロミック物質濃度(n=n+n
、nはフォトクロミック物質の型Aの初期濃度、Фは単一パルス伝播中の局部
的光子フラックス密度、δは2光子断面である。これらの式では、数量変化を考
慮している。これより、これらの式はパルスの任意のエネルギーに対しても成立
する。
Here, n B (k) is the local concentration of the colored type B of the photochromic substance after the same light pulse action, and n 0 is the overall photochromic substance concentration (n 0 = n A + n B ).
, N A is the initial concentration of type A of the photochromic material, Ф is the local photon flux density during single pulse propagation, and δ is the two-photon cross section. These equations take into account quantity changes. Thus, these equations hold for any pulse energy.

【0023】 式(3)と単一光子励起された光化学反応に対する式を比較すると、実効断面
を定義でき、式(3)をその式と同様な形式で書き直しできる。
By comparing equation (3) with the equation for a photochemical reaction excited by a single photon, the effective cross section can be defined, and equation (3) can be rewritten in the same format as the equation.

【数4】 (Equation 4)

【0024】 ここで、単一光子励起の場合はσeff=σ、2光子励起の場合は、σeff =δgE/τである。Here, σ eff = σ for single-photon excitation, and σ eff = δgE / τ for two-photon excitation.

【0025】 単一パルス伝播後、型Bの濃度は次式で定義される。After a single pulse propagation, the concentration of type B is defined by:

【数5】 (Equation 5)

【0026】 2σeffE≪1の場合は、数量変化は無視でき、式(4)は簡単になる。In the case of 2σ eff E≪1, the quantity change can be ignored, and the equation (4) becomes simple.

【数6】 (Equation 6)

【0027】 単一パルス励起光反応の場合は、In the case of a single pulse excitation light reaction,

【数7】 (Equation 7)

【0028】 となる。[0028]

【0029】 パルス数が大きい場合は、式(6)は指数形式に変形できる。If the number of pulses is large, equation (6) can be transformed into an exponential form.

【数8】 (Equation 8)

【0030】 照射光線量kEをФで置きかえると、式(8)を用いて、定常照射における
光化学反応の動力学を説明できる。
If the irradiation light amount kE is replaced by Δt , the kinetics of the photochemical reaction in the steady irradiation can be explained by using equation (8).

【0031】 例として、3D光メモリデバイスの特性を予測できる。(これらのCD標準に
従って)フェムト秒レーザー放射光の平均パワーが15mW、パルス繰返し率が
1GHz(S.D.Yakubovichらの開示を参照)、パルス持続時間1
00fs、フォトクロミック分子の2光子断面が10−47cms(正確には
、Rh−6G色素に対する値であり、感度を上げるために使用し、色素AF−5
0より20倍以上小さい)、光反応の量子効率と型係数が1に近く、書込みビー
ム径が0.8μmであると仮定する。これらのパラメータを使用すると、次のよ
うになる。
As an example, the properties of a 3D optical memory device can be predicted. The average power of the femtosecond laser radiation is 15 mW (according to these CD standards), the pulse repetition rate is 1 GHz (see the disclosure of SD Yakubovich et al.), The pulse duration is 1
00fs, the two-photon cross section of the photochromic molecule is 10 −47 cm 4 s (exactly a value for Rh-6G dye, used to increase sensitivity, and dye AF-5
It is assumed that the quantum efficiency and the type coefficient of the photoreaction are close to 1 and the writing beam diameter is 0.8 μm. Using these parameters:

【数9】 (Equation 9)

【0032】 式(6)によると、単一パルスの伝播後、分子のわずか約1%だけが型Bに変
換される。フォトクロミック物質の着色型の蛍光量子効率がかなり大きい場合は
、蓄積された型Bのこのパーセンテージは、情報を信頼性よく読出すのに十分で
ある。これにより、このようなパラメータを持つ3Dメモリデバイスでは、情報
を1Gbit/sの速度で書込むことができる。情報1ビットの書込みに必要な
エネルギーは15pJに等しい(次を参照)。
According to equation (6), after propagation of a single pulse, only about 1% of the molecules are converted to type B. If the fluorescence quantum efficiency of the colored form of the photochromic material is quite large, this percentage of the stored form B is sufficient to reliably read the information. As a result, in a 3D memory device having such parameters, information can be written at a speed of 1 Gbit / s. The energy required to write one bit of information is equal to 15 pJ (see below).

【0033】 前記のエネルギーは、パルス持続時間τの平方根に反比例して変化するので、
できるだけ短いパルスを使用すべきである。さらに、パルス持続時間を短くする
と、媒体の光破壊のスレショルドを高くすることができる。τが約100fsに
対して、PMMAなどのポリマーのスレショルドは、約10TW/cmの値に
達する。
Since the energy varies inversely with the square root of the pulse duration τ,
The shortest possible pulse should be used. In addition, shortening the pulse duration can increase the threshold for photodisruption of the medium. For τ of about 100 fs, the threshold for polymers such as PMMA reaches a value of about 10 TW / cm 2 .

【0034】 短いパルスを使用して、フォトクロミック分子の光着色の2光子励起により情
報を記録できのは明らかである。しかし、τ<50fsのパルスを使用すると、
どの媒体中でも屈折率散乱のために特有の困難性が発生する。したがって、本発
明では50〜100fs範囲のパルスを発生するレーザーが最適であると考える
。つまり、Ti:サファイアレーザー、Cr:LiSAFレーザー、Erドープ
ファイバレーザー、半導体レーザーシステムまたはCPM色素レーザーである。
本発明では、Ti:サファイアレーザーを使用して、3D光データ記憶デバイス
のプロトタイプを開発した。
Obviously, short pulses can be used to record information by photochromic two-photon excitation of photochromic molecules. However, using a pulse of τ <50fs,
Difficulties arise in any medium due to refractive index scattering. Therefore, in the present invention, a laser that generates a pulse in the range of 50 to 100 fs is considered to be optimal. That is, Ti: sapphire laser, Cr: LiSAF laser, Er-doped fiber laser, semiconductor laser system or CPM dye laser.
In the present invention, a prototype of a 3D optical data storage device was developed using a Ti: sapphire laser.

【0035】 パルスエネルギーが0.5σeff値を越える場合は、共振による飽和が発生
して上・下準位の数量がほぼ等しくなり、パルスエネルギーをさらに増加させて
も、光反応生成物の無意味な増加を招くだけである。最初のパルスのこの増加限
界は、式(4)から、(n/nsmax=0.5ψに等しくなる。したが
って、多量の着色型を蓄積する必要がある場合で、さらに着色の量子効率が十分
高くない場合は、単一パルスで情報ビットを記録するのは不可能である。書込み
パルス数を増加して、式(3、6)になるように、分子の制限されない部分を着
色型に変換できる。1つまたはいくつかのレーザーパルスの伝播後のパルス放射
光の実効密度およびパルスの異なる実効放射光密度における書込みパルス数、に
対する関連する型Bの濃度依存性は、それぞれ図2(A)と(B)に示されてい
る。2光子吸収の共振飽和(図2(A))により、関連する型Bの濃度限界は、
パルスk:(n/nmax=1−(1−0.5ψ)の数で定義される。
したがって、着色型蓄積の増加は、kの増加によってだけ達成される(図2(B
))。
When the pulse energy exceeds the 0.5σ eff value, saturation occurs due to resonance, and the number of upper and lower levels becomes substantially equal, and even if the pulse energy is further increased, there is no light reaction product. It only causes a significant increase. This increase limit of the first pulse is, from equation (4), equal to (n B / n 0 ) smax = 0.5 °. Therefore, when it is necessary to accumulate a large amount of coloring patterns and the quantum efficiency of coloring is not sufficiently high, it is impossible to record information bits with a single pulse. By increasing the number of write pulses, the unrestricted portion of the molecule can be converted to a colored form, as in equations (3, 6). The concentration dependence of the associated type B on the effective density of the pulsed radiation after the propagation of one or several laser pulses and the number of writing pulses at different effective radiation densities of the pulses are shown in FIGS. B). Due to the resonant saturation of two-photon absorption (FIG. 2A), the relevant type B concentration limit is:
Pulse k: (n B / n 0 ) max = defined by 1- (1-0.5ψ) Number of k.
Therefore, an increase in the accumulation of colored mold is achieved only by an increase in k (FIG. 2 (B)
)).

【0036】 逆光化学反応作用、ポリマー主材料に埋め込まれたフォトクロミック分子の動
力学的不等価と励起分子と非励起分子間の共振エネルギー移送を考慮することは
重要である。これにより、図2(A)と(B)に示され、式(3)、(4)およ
び(5)で表された書込み作用の真の動力学的作用は修正が必要になる。関連式
のずれの修正は、関連する型Bの濃度に対する量子効率の関係を計算に入れるこ
とで可能になる。(実験的に確実に得られた、型Bの相対濃度に対する光化学反
応の量子効率の依存性は、後に説明する。) 書き換え可能な2.5D光データ記憶の実用的デバイスの開発において、1ビ
ット情報書込み当りのエネルギー消費を最小に抑える努力がなされた。基本的フ
ォトクロミック材料パラメータ、ページ当りのデジタル情報密度、および情報書
込み速度と、情報の読出し感度が明示されるのは当然である。デジタル情報のフ
ォトクロミックデータ記憶への2光子書込みの間に実行したプロセスの上記のよ
うに開発された簡単なモデルで、適正な書込み条件を評価できる。
It is important to consider the reverse photochemical reaction, the dynamic inequality of photochromic molecules embedded in the polymer main material and the resonance energy transfer between excited and non-excited molecules. This requires correction of the true dynamic action of the writing action shown in FIGS. 2A and 2B and represented by equations (3), (4) and (5). The correction of the deviation of the relational expression is made possible by taking into account the relation of the quantum efficiency to the concentration of the relevant type B. (The dependence of the quantum efficiency of the photochemical reaction on the relative concentration of type B, which was reliably obtained experimentally, will be described later.) In the development of a practical device for rewritable 2.5D optical data storage, one bit is used. Efforts have been made to minimize energy consumption per information write. It is natural that the basic photochromic material parameters, digital information density per page, and information writing speed, and information reading sensitivity are specified. The above described simple model of the process performed during the two-photon writing of the digital information into the photochromic data store allows the evaluation of the appropriate writing conditions.

【0037】 次に1ビットの記録基準を紹介する。回折限界レーザービーム・フォーカルス
ポットで維持される体積内の最小検出可能な型B濃度(n/nminが蓄
積される場合は、ビットは記録されると考える。
Next, a 1-bit recording standard will be introduced. A bit is considered to be recorded if the smallest detectable type B concentration (n B / n 0 ) min in the volume maintained at the diffraction-limited laser beam focal spot is accumulated.

【0038】 1ビット当りのエネルギー消費の最小化は、全エネルギーW=kESの簡単
な最小化によって達成される(ここで、kはエネルギーEとSの密度で特性を表
すパルス数であり、ピット領域である)。この全エネルギーは、2光子光吸収作
用の非直線性によって、フォトクロミック物質部分(n/nminを型A
から型Bに変換するのに必要である。明らかに、W値は2光子書込みパルスパ
ラメータに対しては重要でない。短いレーザーパルス列による光化学反応の非直
線2光子励起における型B蓄積の動力学を説明する式(3)と(4)の分析は、
情報ビット書込み当りの「キャストエネルギー消費」の無次元パラメータの導入
が必要である。このパラメータは、パルス光子フラックス密度、情報の1ビット
書込みに必要なパルス数k、2光子光吸収断面δ、パルス持続時間τおよびパル
ス型係数gによって定義され、次のような関係になる。
The minimization of the energy consumption per bit is achieved by a simple minimization of the total energy W s = kES, where k is the number of pulses characterized by the density of the energies E and S, Pit area). The total energy is nonlinearities in the 2-photon absorption, the photochromic material portion (n B / n 0) min type A
Required to convert from to type B. Obviously, W s value is not important for the two-photon write pulse parameters. Equations (3) and (4), which explain the kinetics of type B accumulation in non-linear two-photon excitation of photochemical reactions with short laser pulse trains, are:
It is necessary to introduce a dimensionless parameter of "cast energy consumption" per information bit writing. This parameter is defined by the pulse photon flux density, the number of pulses k required for writing one bit of information, the two-photon light absorption cross section δ, the pulse duration τ, and the pulse type coefficient g, and has the following relationship.

【数10】 (Equation 10)

【0039】 このように、パラメータWの最小化は、2光子書込みの最適化方法を規定する
As described above, minimization of the parameter W defines an optimization method of two-photon writing.

【0040】 Wの値に関する式(4)の解により、Wと(n/nminの間の関係が
得られる。
The solution of equation (4) for the value of W yields a relationship between W and (n B / n 0 ) min .

【数11】 [Equation 11]

【0041】 2光子励起条件において、着色型蓄積の結果生じる直接光化学作用A→Bの量
子効率は、最後の関係式でパラメータとして表れる。
Under the two-photon excitation condition, the quantum efficiency of the direct photochemical action A → B resulting from the color-type accumulation is expressed as a parameter in the last relational expression.

【0042】 明らかに、式(9)はパラメータψに依存する非単調関数W(k)、すなわち
、直接光化学反応の量子効率を示す。しかし、各種の(n/nminとψ
に対するWの最小値の解析式を見出す可能性はない。画像形式で式(9)に従っ
て、情報の1ビット書込み当りの適正エネルギー消費の計算を実行すると、図3
に示すような曲線になる。この曲線は、特定のパルス数に対してWの値が最小に
なる(n/nminとψの組合せを定義する。このように、座標(n
minとψ内の領域はいくつかの小部分に分割され、その中で書込みパル
ス数の最適数が定義される。別に、式(6)(W/k)=(σeffE)1/2に 従って説明できる。最適W/k式は大きく変化することは明らかであり(図2(
A)参照)、最適記録におけるすべてのパルスに対し式(4)σeffEに従う
と情報形態は0.5から大きく異なることは当然予測される。正確な計算では、
最適記録形態のW/kは、低レベルの量子効率ψと低い値の型B分子(n/n minの必要な相対蓄積に対し、0.8に等しい。また、W/kは、ψと(
/nminが限界値1に近付くに従いわずかに増加するバイアスを持つ
。したがって、図3は、パルスの必要数だけでなく、各種の値のψと(n/n minに対する情報の1ビット書込み当りのキャストエネルギー消費値も定
義する可能性を与える。
Clearly, equation (9) is a non-monotonic function W (k) that depends on the parameter ψ,
Shows the quantum efficiency of direct photochemical reactions. However, various (nB/ N0)minAnd ψ
There is no possibility to find an analytical expression for the minimum value of W for. According to equation (9) in image format
Then, when the calculation of the appropriate energy consumption per 1-bit writing of information is executed, FIG.
It becomes a curve as shown in FIG. This curve shows the minimum value of W for a specific number of pulses.
Becomes (nB/ N0)minDefine the combination of and ψ. Thus, the coordinates (nB/
n0)minThe area inside and ψ is divided into several small parts,
The optimal number of resources is defined. Separately, equation (6) (W / k) = (σeffE)1/2Can be explained according to It is clear that the optimum W / k equation changes greatly (see FIG. 2 (
A)), Equation (4) σ for all pulses in the optimal recordingeffObey E
It is naturally expected that the information format is significantly different from 0.5. For accurate calculations,
The W / k of the optimal recording mode has a low level of quantum efficiency ψ and a low value of the type B molecule (nB/ N 0 )minEqual to 0.8 for the required relative accumulation of. Also, W / k is represented by ψ and (
nB/ N0)minHas a bias that increases slightly as it approaches threshold 1.
. Therefore, FIG. 3 shows that not only the required number of pulses, but also ψ and (nB/ N 0 )minAlso determines the cast energy consumption per bit of information written to
Give the possibility to justify.

【0043】 情報記録速度が、式(9)から得られるかまたは図3により予測される情報の
1ビット書込み当りのキャストエネルギー消費の既知の値から与えられる場合は
、必要なレーザーパワーPとパルス繰返し率fは容易に導き出される。
If the information recording speed is obtained from equation (9) or given from the known value of the casting energy consumption per bit of information predicted by FIG. 3, the required laser power P and pulse The repetition rate f is easily derived.

【数12】 (Equation 12)

【0044】 ここで、dは絞られたレーザービームのウエスト径であり、λは真空中の放射
光の波長である。
Here, d is the waist diameter of the focused laser beam, and λ is the wavelength of the emitted light in vacuum.

【0045】 必要レーザーパワーを最小化するのに最も確実な方法は、大きい値の2光子吸
収断面を特徴とするフォトクロミック材料を使用することである。たとえば、1
00fs当り10pJのレーザーを使用する場合は、回折限界光ビーム径の場合
の単一光子吸収断面に近い有効断面σeffを得るのに、δ=10−47cm sが必要である。このようにして2光子光吸収の飽和が生じる。新しフォトクロ
ミック材料は増感剤を利用して性能を向上させる。明らかに、高い値の光異性化
量子効率を持つ物質が適している。
The most reliable way to minimize the required laser power is to use a photochromic material that features a large value two-photon absorption cross section. For example, 1
When using a laser of 10 pJ per 00 fs, δ = 10 −47 cm 4 s is required to obtain an effective cross section σ eff close to a single photon absorption cross section in the case of a diffraction-limited light beam diameter. In this way, saturation of two-photon light absorption occurs. New photochromic materials use sensitizers to improve performance. Clearly, materials with high values of photoisomerization quantum efficiency are suitable.

【0046】 書込み最適化の重要点は、所定の持続時間と時間プロファイルを持つレーザー
パルスの最適数を確定して、書込みエネルギーを分割してパルス全体のエネルギ
ーを最小化することである。すなわち、我々は情報ビット書込み当りのキャスト
エネルギー消費Wを定義し、1情報ビットkを書込むためのパルスの最適数と、
記録放射光Eopt
An important aspect of write optimization is to determine the optimal number of laser pulses having a given duration and time profile to divide the write energy and minimize the energy of the entire pulse. That is, we define the cast energy consumption W per information bit write, the optimal number of pulses to write one information bit k,
Recording radiation E opt ,

【数13】 (Equation 13)

【0047】 の単一パルスの最適エネルギーを見出した。しかし、情報の書込みに使用される
レーザーが計算したEoptよりかなり小さいエネルギーのパルスしか発生しな
い場合は、1つの情報ビットを書込むためのパルス必要数は多くなり、情報ビッ
ト書込み当りのキャストエネルギー消費は最適値と大きく異なる。この場合、式
(6)に従うと、情報ビット書込み当りのキャストエネルギー消費は、必要パル
ス数の平方根に比例して大きくなる。
The optimal energy of a single pulse of was found. However, if the laser used to write the information produces only pulses with energy significantly less than the calculated E opt, the number of pulses required to write one information bit will be high, and the cast energy per information bit write will be large. Consumption is very different from the optimal value. In this case, according to equation (6), the consumption of cast energy per writing of information bits increases in proportion to the square root of the required number of pulses.

【数14】 [Equation 14]

【0048】 記録−読出し−消去のプロセスは、対応する光化学反応の量子効率で特性が決
まる。量子効率の値は、光化学反応プロセスで変化する可能性がある。ポリマー
マトリクスの場合、量子効率に異なった変化が生じるが、その原因は、1)逆光
化学反応、2)ポリマー主材料との相互作用による異質性に起因する分子の動力
学的不均一、3)フォトクロミック分子の高濃度光異性体間のエネルギー移送、
4)高い光密度を有するサンプル中の、光吸収に起因する膜深さに沿った光反応
速度の差、である。
The recording-reading-erasing process is characterized by the quantum efficiency of the corresponding photochemical reaction. Quantum efficiency values can change during the photochemical reaction process. In the case of a polymer matrix, different changes in quantum efficiency occur due to: 1) reverse photochemical reaction, 2) molecular dynamic inhomogeneity due to heterogeneity due to interaction with the polymer main material, 3). Energy transfer between high concentration photoisomers of photochromic molecules,
4) The difference in photoreaction rate along the film depth due to light absorption in a sample with high light density.

【0049】 重要な点は、WER光データ記憶デバイスを実現するには、書込みと同一の方
法(光化学的消去反応を発生する2光子)で情報を消去することを必要とするこ
とである。
Importantly, realizing a WER optical data storage device requires erasing information in the same manner as writing (two photons that generate a photochemical erasure reaction).

【0050】 2.5D光メモリデバイスの情報読出しは、単一または2光子吸収で励起され
た蛍光を読み出して実行できる。単一光子読出しでは、「ペ−ジ単位」(並列)
読出しを使用できる。両方の場合共に、読出しプロセスは、フォトクロミック分
子の着色型の光消去によって、情報消去と同時に実行される。ページ単位の読出
しはCCDカメラで行われる。読出しビームがブルースター角で試料を照射すれ
ば、反射光による干渉を避けることができる。
The information reading of the 2.5D optical memory device can be performed by reading the fluorescence excited by single or two-photon absorption. In single photon readout, "page unit" (parallel)
Reading can be used. In both cases, the readout process is performed simultaneously with the information erasure, by colored erasure of the photochromic molecules. Reading in page units is performed by a CCD camera. If the read beam irradiates the sample at Brewster's angle, interference due to reflected light can be avoided.

【0051】 定常照射では、式の解はフォトクロミック物質の着色型の分子数を規定する。
この分子は、データ記憶媒体の有効層の単位体積中で、時間tの間に一定の光子
フラックス密度Фを持つ読出し放射光によってサンプルを照射した後に消去され
る。また、上記の時間中に上記の体積から放出される蛍光光子の全数は次式にな
る。
For steady-state irradiation, the solution of the equation defines the number of colored molecules of the photochromic material.
This molecule is erased in the unit volume of the effective layer of the data storage medium after illuminating the sample with readout radiation having a constant photon flux density の 間 に during a time t. Also, the total number of fluorescent photons emitted from the volume during the time period is:

【数15】 (Equation 15)

【0052】 ここで、n(0)は初期の着色型濃度、ψとψはそれぞれ蛍光と消去量
子効率であり、σは、着色型分子の読出し波長における光吸収断面である。
Here, n B (0) is the initial concentration of the coloring type, ψ A and B B are the fluorescence and erasing quantum efficiency, respectively, and σ B is the light absorption cross section of the coloring type molecule at the readout wavelength.

【0053】 1cmから放出される光子の全数は、次式になる。The total number of photons emitted from 1 cm 3 is given by:

【数16】 (Equation 16)

【0054】 蛍光の単一光子励起においては、情報の部分消去は、読出しされる層だけでな
く、媒体の全層に渡ってなされる。式(16)から、逆光反応B→Aを受けて放
出される蛍光光子と「消去」される分子の比率は、量子効率の比率(蛍光と光消
去)に等しい。このことから、この読出し方法は本質的に読出しサイクル数に限
界がある。
In single-photon excitation of fluorescence, partial erasure of information is performed not only on the layer to be read but also on all layers of the medium. From equation (16), the ratio of the fluorescent photons emitted after undergoing the backlight reaction B → A to the molecules to be “erased” is equal to the quantum efficiency ratio (fluorescence to photoquenching). For this reason, this read method inherently has a limit on the number of read cycles.

【0055】 すべての読出しシステムには、着色情報ピットの存在を検出するに必要な読出
し時間中に、単位体積から放出される最小光子数で定まる固有の検出限界がある
。ΔFminを、システムによって読出して弁別可能な信号(検出限界)を得る
ことができる最小光子数とする。読出しサイクルの最大数Nmaxは、型Bの最
初の濃度に対して、次式の整数部分として予測できる。
All readout systems have an inherent detection limit determined by the minimum number of photons emitted from a unit volume during the readout time required to detect the presence of colored information pits. Let ΔF min be the minimum number of photons that can be read by the system to obtain a discriminable signal (detection limit). The maximum number of read cycles, N max , can be predicted for the initial concentration of type B as the integer part of the following equation:

【数17】 [Equation 17]

【0056】 ここで、NAは読出し対象物の数値で表した開口径である。Here, NA is the aperture diameter of the object to be read out expressed in numerical values.

【0057】 明らかに、最大数の読出しサイクルを得るためには、全読出しサイクル中の照
射密度を変更して、全サイクルにおいて検出限界に等しい一定した蛍光光子数を
提供すべきである。しかし、実際には、最も簡単な方法は、情報読出しの全サイ
クルにおいて照射密度を一定に維持することである。この場合、単一層中の読出
しサイクルの最大数は次式で定義される。
Obviously, to obtain the maximum number of read cycles, the illumination density during all read cycles should be varied to provide a constant number of fluorescent photons equal to the detection limit in all cycles. However, in practice, the simplest method is to keep the irradiation density constant during the entire cycle of reading information. In this case, the maximum number of read cycles in a single layer is defined by:

【数18】 (Equation 18)

【0058】 大きいNmaxでは、最適読出し密度Eoptにおける読出し数は概略次式に
なる。
At a large N max , the number of reads at the optimum read density E opt is approximately given by the following equation.

【数19】 [Equation 19]

【0059】 さらに、最適読出し照射密度はEopt=eF/Nmaxになる。Further, the optimum read irradiation density is E opt = eF 0 / N max .

【0060】 ページ単位の読出し中の、他の層の蛍光の影響を分析するには、マトリクスが
M層を持つと仮定する。記録情報を有するすべての層中の読出し照射の積分吸収
量は小さいと仮定する。単一層中の情報密度は、パラメータη=Srec/Sの
特性を持つ。ここでSrecは情報記録中に着色する領域、Sは全ページ領域で
ある。イメージ定数kは、着色ピットの内外の信号強度の差と、着色ピットの外
側の信号強度に比、k=(I−I)/Iで定義される。
To analyze the effect of the fluorescence of other layers during a page-by-page read, assume that the matrix has M layers. Assume that the integrated absorption of readout radiation in all layers with recorded information is small. The information density in a single layer has the property of the parameter η = S rec / S. Here, S rec is an area colored during information recording, and S is an entire page area. Image constant k, the difference between the inside and outside of the signal intensity of the colored pit ratio outside of the signal intensity of the colored pit is defined by k = (I p -I 0) / I 0.

【0061】 対象物の定義深さが、情報層間の距離よりかなり小さいとする。この場合の、
蛍光イメージ形成は図4で示される。記号J−1、J、J+1は、ターゲットパ
ネル403を持つCCDカメラ401で形成される多層マトリクス101の3つ
の連続層105のイメージを表す。イメージは微小対象物405により形成され
る。情報層間の距離は等しいと仮定する。ピットイメージを形成する光ビームは
、角度のある対象物開口αで定義される円錐内に配置される。対象物寸法が大き
い場合は、αは全イメージ層でほぼ同一になる。図4において、ターゲットパネ
ル403に配置されたCCDカメラ401の表面上の層Jに結像したイメージが
表れる。同時に全層が照射されていることを、再度記しておく。
It is assumed that the defined depth of the object is considerably smaller than the distance between the information layers. In this case,
Fluorescence imaging is shown in FIG. Symbols J-1, J, and J + 1 represent images of three continuous layers 105 of the multilayer matrix 101 formed by the CCD camera 401 having the target panel 403. An image is formed by the minute object 405. It is assumed that the distance between the information layers is equal. The light beams forming the pit image are arranged in a cone defined by an angled object aperture α. If the object size is large, α will be substantially the same for all image layers. In FIG. 4, an image formed on the layer J on the surface of the CCD camera 401 arranged on the target panel 403 appears. It is noted again that all layers are irradiated at the same time.

【0062】 次に、J層中の光軸上の配置されたピットに対するイメージコントラストを計
算する。図4により、考察するピットから正確に放出された放射光の他に、ピッ
トイメージの点に放射光が入り、近接層のイメージ領域Sと、マトリクスの他の
層からの放射に対応する領域から放出された放射の対象部分により集光される。
イメージ領域Sは、円錐αと、考察するピットイメージの点および対応する近接
層のイメージ平面の頂点とが交差する円によって限定される。対応するビームは
、図4中に実線407で示されている。読出し層に近接して配置されている全ピ
ットが、CCDカメラターゲットの面にある領域Sと同様に、1つの領域を照射
する(この場合、ビームは図4の点線409で表されている)。
Next, the image contrast for the pits arranged on the optical axis in the J layer is calculated. According to FIG. 4, in addition to the radiation emitted exactly from the pits considered, the radiation enters the point of the pit image, from the image area S of the adjacent layer and from the area corresponding to the radiation from the other layers of the matrix. The emitted radiation is collected by the target portion.
The image area S is defined by a circle where the cone α intersects the pit image point under consideration and the corresponding vertex of the image plane of the adjacent layer. The corresponding beam is indicated by the solid line 407 in FIG. All pits located close to the readout layer illuminate one area, similar to area S on the surface of the CCD camera target (in this case, the beam is represented by dashed line 409 in FIG. 4). .

【0063】 ピットイメージがパワーPの蛍光放射で形成されているとする。ピットイメー
ジの輝度は、I=P/Sである。ここで、Sは単一ピットイメージの領域
である。近接層イメージの表面のこのピットからの放射輝度はS/S倍低い。
ここで、すべての近接層ピットからの放射輝度は、Ipn=ηIとなる。同様
に近接層の背面(着色ピットを含まない領域からのもの)からの放射は、I0n =I−ηIとなる。幾何学的相似性よりすべてのマトリクス層からの放射レベ
ルは、近接層の考察している放射レベルに等しい。ここで、層Jのイメージ面上
の全層からの全エリアス放射Itaは次式になる。
It is assumed that a pit image is formed by fluorescence emission of power P. The brightness of the pit image is an I p = P / S p. Here, Sp is an area of a single pit image. The radiance from this pit on the surface of the adjacent layer image is Sp / S times lower.
Here, the radiance from all the adjacent layer pits is I pn = ηI p . Similarly, the radiation from the back surface of the adjacent layer (from the region not containing the colored pits) is I 0n = I−ηI 0 . The radiation levels from all matrix layers due to geometric similarity are equal to the considered radiation levels of the neighboring layers. Here, the total alias emission Ita from all layers on the image plane of the layer J is expressed by the following equation.

【数20】 (Equation 20)

【0064】 したがって、M層を有するマトリクスからの情報読出し中に得られる、ピット
イメージのコントラストは次式になる。
Accordingly, the contrast of the pit image obtained during reading of information from the matrix having the M layer is expressed by the following equation.

【数21】 (Equation 21)

【0065】 ここで、M=1のときは、k=kで、k→∞では式(21)は次式に変わる
Here, when M = 1, k M = k, and for k → ∞, equation (21) changes to the following equation.

【数22】 (Equation 22)

【0066】 次に、多層マトリクス読出しエラーの確率を予測する。必要ノイズレベルはパ
ターン認識方法に依存する。情報の2−レベル符号化を使用すると仮定し、さら
に情報記録が、任意の層の表面のピット配置を認識する方法でなされると仮定す
る。この場合各ピットからの信号は、情報の1ピットに対応するCCDマトリク
ス上の全ピクセル数(n)に渡って平均できる。この場合のサンプルサイズはn
に等しい。
Next, the probability of a multilayer matrix read error is predicted. The required noise level depends on the pattern recognition method. Suppose that a two-level encoding of information is used, and that the information recording is done in a way that recognizes the pit placement on the surface of any layer. In this case, the signal from each pit can be averaged over the total number of pixels (n) on the CCD matrix corresponding to one pit of information. The sample size in this case is n
be equivalent to.

【0067】 信号と音の強度は一般に分布した値であり、平均値がそれぞれ次のようになり
The signal and sound intensities are generally distributed values, and the average values are as follows,

【数23】 (Equation 23)

【0068】 この値の分布分散は同一でσに等しい。The distribution variance of this value is the same and equal to σ.

【0069】 音レベルとその分散の定義は、大きな領域、したがって数多くのCCDピクセ
ルについてなされる。これらの値の定義の統計的確実性が、信号レベル定義の統
計的確実性に勝る理由である。なぜなら、後者は単一ピット領域の情報で定義さ
れているからである。また、信号レベル計算またはその最小値の計算の精度が高
いと仮定する。
The definition of the sound level and its variance is made for a large area and thus for a large number of CCD pixels. This is why the statistical certainty of the definition of these values outweighs the statistical certainty of the signal level definition. This is because the latter is defined by the information of the single pit area. It is also assumed that the accuracy of the signal level calculation or the calculation of the minimum value is high.

【0070】 ノイズが存在する状態において、ピット容積弁別基準に含まれる情報を取出す
ことができる。情報読出しのコントラストが既知で、kに等しいとする。ノイ
ズ値を考慮に入れない場合は、ピット信号は音レベルをΔIだけ越える。
In a state where noise is present, information included in the pit volume discrimination criterion can be extracted. The contrast of the information read is known, and is equal to k M. If the noise value is not taken into account, the pit signal exceeds the sound level by ΔI.

【数24】 (Equation 24)

【0071】 ここで、サンプルサイズで平均された信号Iを実例で示す。記号は次の通りで
ある。
Here, the signal I averaged by the sample size is shown as an actual example. The symbols are as follows.

【数25】 (Equation 25)

【0072】[0072]

【数26】 (Equation 26)

【0073】 およびσが既知であるため、読出しエラー発生確率は、着色ピットから得られ
る読出し信号がI1/2以下になる確率と等しくなる。この確率は次式で定義さ
れる。
Since σ and σ are known, the read error occurrence probability is equal to the probability that the read signal obtained from the colored pit becomes I 1/2 or less. This probability is defined by the following equation.

【数27】 [Equation 27]

【0074】 ここで、Here,

【数28】 [Equation 28]

【0075】 ここで、上式は標準正規分布関数である。Here, the above equation is a standard normal distribution function.

【0076】 情報記録の間、着色されていないピットが式(24)で定義されたものと同一
値になるときは、読出しエラー発生確率は次式になる。
During the information recording, when the uncolored pits have the same value as defined by the equation (24), the read error occurrence probability becomes the following equation.

【数29】 (Equation 29)

【0077】 先に説明した信号と音の散乱の相似性を仮定することは、読出しシステムノイ
ズがデータ記憶媒体のノイズより大きい場合にも対応する。原理的には、ランダ
ムな不均一媒体特性が大きい場合にも、逆状態は生じる。単一層マトリクスに固
有の信号と音の相対的分散は相互に等しく、その信号分散は多層マトリクスの音
分散より明らかに大きい。この場合の最小エラー発生率は、信号定義基準(23
)を用いても算出できない。したがって、この基準を変更する。しかし、低レベ
ル信号読出しが、読出しサイクル数を増加するのを必要とするためおよび、デー
タ記憶媒体の均一性が、最重要ではない、技術的パラメータであるために、考察
する事例は現実的である。
The assumption of the similarity between the signal and the sound scattering described above also corresponds to the case where the readout system noise is greater than the data storage medium noise. In principle, the reverse situation also occurs when the random non-uniform media properties are large. The relative variance of signal and sound inherent in a single-layer matrix is equal to each other, and the signal variance is clearly greater than the sound variance of a multi-layer matrix. The minimum error occurrence rate in this case is based on the signal definition standard (23
) Cannot be calculated. Therefore, this criterion is changed. However, the case considered is realistic because low-level signal reading requires increasing the number of read cycles and because the uniformity of the data storage medium is the least important, technical parameter. is there.

【0078】 情報読込みが順次方式、たとえばCDまたはDVDドライブと同様な機構を基
本にするデバイスで構成される場合は、読出しレーザー放射光の強度が選択した
有効層中に正確に焦点を合わせるため、読出し信号コントラスト上の近接層の蛍
光の影響は小さくなる。レーザーパルスのフェムト秒連続列により、着色型内の
フォトクロミック分子の蛍光の2光子励起を使用すると、さらに近接有効層から
のノイズ信号を減少できる。
If the information reading consists of a device based on a sequential method, for example a mechanism similar to a CD or DVD drive, the intensity of the reading laser radiation is precisely focused in the selected effective layer, The influence of the fluorescence of the adjacent layer on the read signal contrast is reduced. The use of two-photon excitation of the fluorescence of the photochromic molecules in the colored mold with a femtosecond continuous train of laser pulses can further reduce the noise signal from the nearby effective layer.

【0079】 媒体中に記録されたすべての情報を消去する場合は、情報消去は、2光子励起
光消去によるデータ記憶媒体の選択した層中の情報の空間位置確認消去、または
単一光子励起光消去のどちらかで実行される。第1の消去の変形形態は情報記録
と同様であり、第2の変形形態の特徴は、情報読出しに伴なうプロセスとしてす
でにできあがっている。
When erasing all information recorded in the medium, information erasing can be performed by two-photon excitation light erasing to confirm the spatial position of information in a selected layer of the data storage medium, or by single-photon excitation light. Performed by either erasure. The modification of the first erasure is the same as that of the information recording, and the feature of the second modification is already completed as a process accompanying the information reading.

【0080】 製作した上記の2.5D光メモリデバイスのプロトタイプは、図5のテーブル
トップセットアップ501であり、基本構成要素として、記録用レーザー、情報
の消去と読出し、光変調器、イメージの書込み・読出し用のユニバーサルモジュ
ール、フォトクロミック・マトリクス・ホルダーを持つ精密3D位置決めステー
ジ、および制御コンピュータ(概略図には示していない)を有している。セット
アップの概略図は図5に示されている。
The prototype of the manufactured 2.5D optical memory device is the table top setup 501 shown in FIG. 5, and includes, as basic components, a recording laser, information erasing and reading, an optical modulator, and image writing / reading. Module, a precision 3D positioning stage with a photochromic matrix holder, and a control computer (not shown in the schematic). A schematic diagram of the setup is shown in FIG.

【0081】 記録は、多層ポリマーマトリクス505の選択した感光層上に焦点を合わせた
cwフェムト秒Ti:サファイアレーザー(λ=800−860nm)503の
放射光でなされる。このレーザーは、平均パワー150mW、繰返し率100M
Hzの100fsパルスを発生する。アルゴン−イオン5.6−W「Innov
a−316≫」レーザー(「コヒーレント」)507がポンピング用に使用され
ている。記録ビームは、ユニバーサルヘッド511で支持されている顕微鏡対物
レンズ(x40、N.A.=0.65)509を用いて焦点を合わせる。ユニバ
ーサルヘッドはプリンストン・インストルメンツのCCDカメラ513にも取り
付けられている。マトリクス505を保持して、ステップドライバ515で3次
元に移動させる。セットアップ501は電気−光ゲート517、音響−光ゲート
519および必要に応じてミラー521も備えている。
Recording is made with radiation of a cw femtosecond Ti: sapphire laser (λ = 800-860 nm) 503 focused on a selected photosensitive layer of the multilayer polymer matrix 505. This laser has an average power of 150 mW and a repetition rate of 100 M
Generate a 100 fs pulse in Hz. Argon-ion 5.6-W "Innov
a-316} laser ("coherent") 507 is used for pumping. The recording beam is focused using a microscope objective lens (x40, NA = 0.65) 509 supported by the universal head 511. The universal head is also attached to Princeton Instruments CCD camera 513. The matrix 505 is held, and is moved three-dimensionally by the step driver 515. The setup 501 also includes an electro-optical gate 517, an acousto-optical gate 519, and optionally a mirror 521.

【0082】 記録形態におけるユニーバーサルヘッドの概略を図6に示す。電気−光ゲート
517通過後の記録放射光は、レンズ系601により平行光線になり、1本のビ
ームになる。このビームは、顕微鏡対物レンズ509の口径の大部分をふさぎ、
対物レンズ収差を最小にする適当なビームの開きを有する。ユニバーサル(記録
と読出し)ヘッド511の内側で、Ti:サファイアレーザー放射光がダイクロ
イックミラー603で反射し、顕微鏡対物レンズ509の方向に向かう。
FIG. 6 schematically shows a universal head in a recording mode. The recording radiation light after passing through the electro-optical gate 517 becomes a parallel light beam by the lens system 601 and becomes one beam. This beam covers most of the aperture of the microscope objective lens 509,
It has adequate beam divergence to minimize objective lens aberrations. Inside the universal (recording and reading) head 511, the Ti: sapphire laser radiation is reflected by the dichroic mirror 603 and directed toward the microscope objective lens 509.

【0083】 記録放射光のパルスエネルギーは、1パルス当り10〜500pJに変化する
。一方、フォトクロミック層内部の最大ピークパワー密度は100GW/cm に達する。単一ドットを記録するための露光時間は、100〜1000000パ
ルスのパルス列に対応して1〜10000μsの範囲にある。情報ページを読込
むには、記録で使用したものと同じ顕微鏡対物レンズ509で、選択した層のイ
メージをCCDカメラ513のマトリクス上に焦点を合わせる。蛍光は、波長5
14nmのアルゴン−イオンレーザー放射光で励起される。読出し形態でのユニ
バーサルヘッドの概略を図7に示す。放射光は、ドライバー515の透明水晶板
701を通して、反対側からブルースター角で試料に照射される。ビームは、1
20×160μmのページ面を均一に照射するのに十分な直径を有する。
The pulse energy of the recording radiation changes from 10 to 500 pJ per pulse. On the other hand, the maximum peak power density inside the photochromic layer reaches 100 GW / cm 2 . The exposure time for recording a single dot is in the range of 1 to 10000 μs corresponding to a pulse train of 100 to 1,000,000 pulses. To read the information page, the image of the selected layer is focused on the matrix of the CCD camera 513 with the same microscope objective 509 used in the recording. Fluorescence is wavelength 5
Excited with 14 nm argon-ion laser radiation. FIG. 7 schematically shows the universal head in the reading mode. The emitted light is applied to the sample at the Brewster's angle from the opposite side through the transparent quartz plate 701 of the driver 515. The beam is 1
It has a diameter sufficient to uniformly illuminate a 20 × 160 μm page surface.

【0084】 ユニバーサルヘッド511は静止しており、選択される層を選ぶのは、3Dに
試料を移動させて行う。移動は3台のステップモーターつまりドライバー515
により実行し、精密プラテンを駆動する。空間移動精度は全軸共に0.22μm
である。
The universal head 511 is stationary, and a layer to be selected is selected by moving the sample to 3D. Movement is by three step motors, driver 515
To drive the precision platen. Spatial movement accuracy is 0.22μm for all axes
It is.

【0085】 書込み放射光は、電気−光ゲートで制御されるパルス列持続時間を持つ。一方
、読出し時間は音響−光ゲートで制御される。
The writing radiation has a pulse train duration controlled by an electro-optical gate. On the other hand, the read time is controlled by the acousto-optical gate.

【0086】 試料移動、ゲート切換えおよびCCDカメラ操作はコンピュータ制御されてい
る。
[0086] Sample movement, gate switching and CCD camera operation are computer controlled.

【0087】 記憶媒体試料は透明多層ポリマー・フォトクロミック・マトリクスであり、ス
ピンコーテキング法により円形(直径20mm、厚さ5mm)水晶板の表面上に
配置されている。感光層の厚さは約1μmであり、分離層厚さは約30μmであ
る。本発明では、感光層の主材料として、ポリスチレンおよびアクリロミトレル
と共にPMMAまたはそのコポリマーを使用している。分離層は、ポリエチレン
テレフタレートで製作した。この明細書では、フォトクロミック物質としてナフ
タセンピリドン(NP)を使用して得られた結果を報告している。ほとんどの結
果はNP No.10で得られたものである。無色および着色型の吸光係数など
の主は光化学特性、トルエン溶液中のこの物質の蛍光および光反応量子効率は引
用論文に示されている。
The storage medium sample is a transparent multilayer polymer photochromic matrix, and is disposed on the surface of a circular (diameter 20 mm, thickness 5 mm) quartz plate by a spin coating method. The thickness of the photosensitive layer is about 1 μm, and the thickness of the separation layer is about 30 μm. In the present invention, PMMA or a copolymer thereof is used together with polystyrene and acrylomitrel as a main material of the photosensitive layer. The separation layer was made of polyethylene terephthalate. This specification reports the results obtained using naphthacenepyridone (NP) as the photochromic material. Most results are in NP No. 10 obtained. The main photochemical properties, such as colorless and colored extinction coefficients, the fluorescence and photoreaction quantum efficiency of this substance in toluene solution are given in the cited papers.

【0088】 NP No.10を含む厚さ1μmのポリマーフィルムの代表的な吸収スペク
トルを図8に示す。
NP No. FIG. 8 shows a typical absorption spectrum of a polymer film having a thickness of 1 μm and containing 10.

【0089】 NPを含むポリマーフィルムは、近赤外線領域で透明である。このため、2.
5D光マトリクス体のすべての層への2光子書込みが可能である。可視領域の型
Aと型Bの吸収帯は、明確に分離している(450nmおよび530nm)。こ
のため、両方の型は選択的に励起される。
The NP-containing polymer film is transparent in the near infrared region. Therefore, 2.
Two-photon writing to all layers of the 5D light matrix body is possible. The absorption bands of type A and type B in the visible region are clearly separated (450 nm and 530 nm). For this reason, both types are selectively excited.

【0090】 両方のNP No.10型の代表的な正規化蛍光スペクトルを図9に示す。For both NP Nos. A representative normalized fluorescence spectrum of type 10 is shown in FIG.

【0091】 2つの型のNP No.10の蛍光スペクトルは重なるが、型Aと型Bの吸収
帯の位置およびそれらの量子効率の大きな差異により、情報を正確かつ効率的に
読み出すことができる。
The two types of NP Nos. Although the 10 fluorescence spectra overlap, information can be read accurately and efficiently due to the large difference between the positions of the absorption bands of type A and type B and their quantum efficiency.

【0092】 2.5Dメモリデバイスの数多い特性の1つは、記録と読出しの全サイクルで
の空間分解能である。水平方向に1μm間隔(単一ドット径以下)で移動する3
ドットで書込まれた情報ピットのイメージを図10に示す。ピットの横寸法は約
1.7μmであり、縦寸法は(想定されているように)2μmだけ大きい、つま
り約3.7μmである。したがって、ピットの横寸法は、書込みビームのウエス
ト径より0.2μm大きい。2光子書込みプロセスの非直線性のため、書込まれ
るピットの寸法は書込みビームのウエスト径より小さくすべきである。ピット寸
法を目に見えて拡大することには、記憶媒体に大きな制約はない、しかし書込み
プロセス飽和効果と関係すると考えられる。飽和レベルは光破壊、逆光反応、他
のレベルの分子による光吸収、ポリマー主材料に埋め込まれた分子の異質性によ
る光反応量子効率その他により大きく影響される。
One of the many characteristics of 2.5D memory devices is the spatial resolution in all recording and reading cycles. Move horizontally at 1 μm intervals (less than single dot diameter) 3
FIG. 10 shows an image of an information pit written by dots. The lateral dimensions of the pits are about 1.7 μm and the vertical dimensions are 2 μm larger (as expected), ie about 3.7 μm. Therefore, the lateral dimension of the pit is 0.2 μm larger than the waist diameter of the writing beam. Due to the non-linearity of the two-photon writing process, the size of the pit to be written should be smaller than the waist diameter of the writing beam. Visible enlargement of the pit size does not impose any significant restrictions on the storage medium, but is believed to be related to the write process saturation effect. Saturation levels are greatly affected by photodisruption, backlight reactions, light absorption by other levels of molecules, photoreaction quantum efficiency by heterogeneity of the molecules embedded in the polymer main material, and the like.

【0093】 これらの効果の大部分は、分解能の減少だけでなく情報の記録と消去の速度と
エネルギー変化に大きく影響する。さらに、これらの効果は、記録−消去サイク
ルの達成数などの光メモリデバイスその他の重要な特性に影響する。
Most of these effects not only decrease the resolution but also greatly affect the speed and energy change of information recording and erasing. In addition, these effects affect optical memory devices and other important properties, such as the number of record-erase cycles achieved.

【0094】 上述の理論的予測は、記録および読出しの理想状態に対してなされた。現実の
プロセスを説明するために、さらに詳しい分析をすべきである。逆光反応の影響
、光反応中の量子効率低下、酸素効果、および単一および2光子吸収スペクトル
間の差異を考慮すべきである。これらの要因すべてが、情報の記録、読出しおよ
び消去のパラメーターを著しく低下させる。
The above theoretical predictions have been made for ideal recording and reading conditions. A more detailed analysis should be done to explain the real process. The effects of the backlight reaction, reduced quantum efficiency during the photoreaction, oxygen effects, and differences between the single and two-photon absorption spectra should be considered. All of these factors significantly reduce the parameters of recording, reading and erasing information.

【0095】 上述のように、説明したセットアップは、情報の2光子記録および蛍光記録を
基にした2.5D光メモリデバイスのパイロットプロトタイプだけでなく、フォ
トクロミック材料試験器としても使用できる。フォトクロミック分子の2光子励
起以外に、フェムト秒レーザーパルスによる非固定の単一光子励起も有効であり
、このセットアップを使用して研究できる。
As described above, the described setup can be used as a photochromic material tester as well as a pilot prototype of a 2.5D optical memory device based on two-photon and fluorescence recording of information. In addition to two-photon excitation of photochromic molecules, non-fixed single-photon excitation with femtosecond laser pulses is also effective and can be studied using this setup.

【0096】 設計したセットアップは、原理的に情報の書込み、読出しおよび消去が可能で
ある。つまり、2光子単一ビーム「ビット単位」書込み、および蛍光「ページ単
位」単一光子読出し2.5Dフェムト秒光データ記憶ができる。2.5Dデータ
記憶プロトタイプは安定に動作し、1、2、3および5層ポリマーフォトクロミ
ックナフタセンピリドンマトリクス中に情報書込みを実行できた。
In the designed setup, information can be written, read and erased in principle. That is, two-photon single-beam “bit-by-bit” writing and fluorescent “page-by-page” single-photon reading 2.5D femtosecond optical data storage are possible. The 2.5D data storage prototype ran stably and was able to perform information writing in 1, 2, 3 and 5-layer polymer photochromic naphthacenepyridone matrices.

【0097】 NP誘導体はいくつかの理由で選択した。3D光データ記憶に使用するフォト
クロミック材料はいくつかの厳格な要求条件に適合する必要がある。現在まで、
適当なフォトクロミック物質は見出されていない。NPは光着色および型B蛍光
の高い量子効率と、低い消去定数を有する。一方、これらの物質は高い光破壊量
子効率と低い2光子吸収断面の特徴を有している。光消去反応は、情報記録中の
型B蓄積と読出しサイクル数を制限する。一方、NPを基本にしたデータ記憶媒
体は、有効な2.5D光メモリデバイスを提供する。
The NP derivative was chosen for several reasons. Photochromic materials used for 3D optical data storage must meet some stringent requirements. to date,
No suitable photochromic material has been found. NP has high quantum efficiency of photocoloring and type B fluorescence and low extinction constant. On the other hand, these materials have high photodisruption quantum efficiency and low two-photon absorption cross section. The light erasure reaction limits the type B accumulation and the number of read cycles during information recording. On the other hand, NP-based data storage media provide an efficient 2.5D optical memory device.

【0098】 5層光マトリクスでの高プロット分解能を有するグラフィックイメージの書込
みおよび読出し結果を図11に示す。感光PMMA層は約1μm厚さで、NPの
0.1Mを含み、ポリエチレンテレフタレートの30μm層と交互に重ねられて
いる。記録は50mWのTi:サファイアレーザー放射光を用いて、波長860
nm、各ドット当り1msの露光時間で実行される。情報読込みでは、ページは
約100mW/cm放射光で照射される。CCDカメラのイメージ蓄積時間は
1sであった。得られた空間分解能は1.7μmで、イメージコントラストは約
2である。上述のセットアップにおいては、読出し速度は、低い読出しビーム強
度(100mW)により制限された。
FIG. 11 shows the results of writing and reading a graphic image having a high plot resolution in a five-layer optical matrix. The photosensitive PMMA layer is about 1 μm thick, contains 0.1 M of NP, and alternates with a 30 μm layer of polyethylene terephthalate. The recording was performed at a wavelength of 860 using a 50 mW Ti: sapphire laser radiation.
nm and an exposure time of 1 ms for each dot. For information reading, the page is illuminated with about 100 mW / cm 2 radiation. The image accumulation time of the CCD camera was 1 s. The obtained spatial resolution is 1.7 μm and the image contrast is about 2. In the above set-up, the read speed was limited by the low read beam intensity (100 mW).

【0099】 本発明による好ましい実施形態では次の構成を備えている。フォトクロミック
材料および適正なフェムト秒レーザーを選択して、情報の2光子書込みを実現し
ている。多層データ記憶媒体は図1に従って製作でき、2.5D光データ記憶デ
バイスは基本的に図3に概要を示したプロトタイプと同一にできる。本発明を開
示された当業者は、容易にソフトウェアを開発して、情報をコード化し、情報記
録を制御し、CCDカメラを使用して実行する読出しプロセスを制御し、情報を
デコードすることが可能である。
The preferred embodiment according to the present invention has the following configuration. Photochromic materials and appropriate femtosecond lasers are selected to achieve two-photon writing of information. The multilayer data storage medium can be made according to FIG. 1, and the 2.5D optical data storage device can be basically the same as the prototype outlined in FIG. Those skilled in the art who have disclosed the present invention can easily develop software to encode information, control information recording, control a reading process performed using a CCD camera, and decode information. It is.

【0100】 好ましい実施形態による多層データ記憶媒体は、その中に埋め込まれたフォト
クロミック分子を有するポリマーの薄い(約1μm厚さ)層を含むマトリクスと
して形成される。適正なレーザーを使用して、情報の2光子記録および蛍光読出
しを実現する。セットアップには、データ記憶媒体ホルダー、書き込みおよび読
出しレーザービーム、書込みビームを絞ってCCDカメラ上の情報の読出し中に
ページイメージを転写するための微小対物レンズ、を備えたコンピュータ制御3
D精密移動台を含んでいる。
A multilayer data storage medium according to a preferred embodiment is formed as a matrix comprising a thin (about 1 μm thick) layer of a polymer having photochromic molecules embedded therein. Using the right laser, two-photon recording of information and fluorescence readout are achieved. The setup includes a computer controlled 3 comprising a data storage medium holder, a write and read laser beam, a micro objective lens for focusing the write beam and transferring the page image during reading of information on the CCD camera.
D Includes precision carriage.

【0101】 上に、本発明による好ましい実施形態を詳しく説明してきたが、本発明を開示
された当業者には、本発明の範囲内で、次のようなその他の実施形態を実現でき
ることは容易に理解できるであろう。記憶媒体の感度を上げて、記録プロセス中
にフォトクロミック分子を励起するエネルギー移送による光着色反応の増感剤と
して、大きな2光子吸収断面を有する分子(たとえばAF−50)を使用できる
。2.5D光メモリのWORM(追記型)タイプを実現するために、特定のフォ
トクロミック媒体中に非可逆性着色反応物を使用こともできる(たとえば、有機
色素のラクトン型の着色)。半可逆性WORMドライブは、光化学反応で不可逆
的に着色されてはいるが加熱で無色型に戻る、ポリマー分子と結合したスピロピ
ランの着色を基本にしている。したがって、本発明は、添付の請求範囲によって
のみ限定されると解釈すべきである。
Although the preferred embodiment according to the present invention has been described above in detail, it is easy for those skilled in the art who have disclosed the present invention to realize the following other embodiments within the scope of the present invention. You will understand. A molecule having a large two-photon absorption cross section (eg, AF-50) can be used as a sensitizer for a photo-coloring reaction by energy transfer that excites photochromic molecules during the recording process by increasing the sensitivity of the storage medium. To achieve a WORM (write-once) type of 2.5D optical memory, irreversible coloring reactants can also be used in certain photochromic media (eg, lactone-type coloring of organic dyes). Semi-reversible WORM drives are based on the coloration of spiropyran bound to polymer molecules, which are irreversibly colored by a photochemical reaction but return to a colorless form upon heating. Therefore, the present invention should be construed as limited only by the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の好ましい実施形態による光情報記憶媒体の断面図を示す図。FIG. 1 is a sectional view showing an optical information storage medium according to a preferred embodiment of the present invention.

【図2】 パルスエネルギー密度値およびいくつかのパルスの効果後の実効断面と、パル
ス数に対する着色型蓄積の関係を示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the pulse energy density value and the effective cross section after the effect of some pulses, and the relationship between the number of pulses and the accumulation of the coloring type.

【図3】 光着色の量子効率と必要な関連型Bの蓄積に対する、1ビット情報を書込む適
正なレーザーパルス数の関係を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the quantum efficiency of photo-coloring and the required number of laser pulses for writing 1-bit information with respect to the accumulation of a required type B;

【図4】 読出しにおける多層蛍光マトリクスからのイメージ情報を示す概略図。FIG. 4 is a schematic diagram showing image information from a multilayer fluorescent matrix in reading.

【図5】 本発明のプロトタイプの構造を示す概略図。FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of a prototype of the present invention.

【図6】 書込みモードにおけるユニバーサルヘッドを示す概略図。FIG. 6 is a schematic diagram showing the universal head in a write mode.

【図7】 読出しモードにおけるユニバーサルヘッドを示す概略図。FIG. 7 is a schematic diagram showing the universal head in a read mode.

【図8】 青色光を使用して媒体を照射中の、型B蓄積に対するナフタセンピリディン
No.10を含むポリマー薄膜の吸収スペクトルを示す図。
FIG. 8: Naphthacenepyridin on type B accumulation while illuminating the medium using blue light.
No. The figure which shows the absorption spectrum of the polymer thin film containing 10.

【図9】 型Aと型B中のナフタセンピリドン No.10の標準化した蛍光スペクトル
を示す図。
FIG. 9. Naphthacenepyridone No. in type A and type B The figure which shows 10 standardized fluorescence spectra.

【図10】 約1マイクロメートル離して水平に配置された3点で描かれたピット(穴)の
イメージを示す図(ピット寸法は縦1.7マイクロメートル、横3.7マイクロ
メートルである。)。
FIG. 10 is a view showing an image of a pit (hole) drawn at three points horizontally arranged at a distance of about 1 μm (pit dimensions are 1.7 μm long and 3.7 μm wide). ).

【図11】 2.5D光媒体の5層から得られた5つの蛍光イメージを示す図(そのイメー
ジは相互に直接記録されており、感光層の厚さが1マイクロメートル、その層間
が30マイクロメートルの間隔で離れているものである)。
FIG. 11 shows five fluorescent images obtained from five layers of a 2.5D optical medium (the images are recorded directly on each other, the thickness of the photosensitive layer is 1 μm and the distance between the layers is 30 μm) Meters apart).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP, KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,L V,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI, SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,U S,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 シュビン、ウラジミール・ブイ ロシア共和国、117192 モスクワ、ミシュ リンスキー・ピーアール、54−3−143 (72)発明者 マラコフ、ディミトリー・エー ロシア共和国、モスクワ (72)発明者 レビチ、ユージン・ブイ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、10036 ニューヨーク、330 ウエスト・45・ス トリート、アパートメント・9エル (72)発明者 マルキン、ヤコブ・エヌ イスラエル国、77461 アシュドッド、ハ ナビー・ハバコーク 13/2 Fターム(参考) 4F100 AK01A AK01C AK01E AT00A AT00C AT00E BA05 BA06 BA07 GB41 JL14B JL14D JN01B JN01D JN17 JN17A JN17C JN17E YY00A YY00C YY00E 5D029 JA04 JB13 JB35 LB07 LC08 5D090 AA01 BB12 BB18 BB19 CC01 CC04 CC14 DD01 FF08 FF11 KK01 KK05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP , KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor Shuvin, Vladimir Voy Russia, 117192 Moscow, Michlinsky PI, 54-3-143 (72) Inventor Malakoff, Dmitry A. Moscow, Russia (72) Inventor Levich, Eugene Buoy United States of America, New York, 10036 New York, 330 West 45 Street, Apartment 9 El ( 72) Inventor Markin, Jacob N, Israel, 77461 Ashdod, Hanabie Habakok 13/2 F-term (reference) 4F100 AK01A AK01C AK01E AT00A AT00C AT00 E BA05 BA06 BA07 GB41 JL14B JL14D JN01B JN01D JN17 JN17A JN17C JN17E YY00A YY00C YY00E 5D029 JA04 JB13 JB35 LB07 LC08 5D090 AA01 BB12 BB18 BB19 CC01 CC04 CC14 DD01 FF08 FF08 FF01

Claims (26)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 各々の感光層がフォトクロミック分子を埋め込まれたベース
材料を含む複数の感光層と、 前記感光層を相互に分離するための複数の分離層と を具備することを特徴とする光データ記憶媒体。
1. A light, comprising: a plurality of photosensitive layers each including a base material in which photochromic molecules are embedded; and a plurality of separation layers for separating the photosensitive layers from each other. Data storage medium.
【請求項2】 前記ベース材料がポリマーを具備することを特徴とする請求
項1に記載の光データ記憶媒体。
2. The optical data storage medium according to claim 1, wherein said base material comprises a polymer.
【請求項3】 前記分離層が、前記フォトクロミック分子をフォトクロミッ
クする光波長において透明であることを特徴とする請求項1に記載の光データ記
憶媒体。
3. The optical data storage medium according to claim 1, wherein the separation layer is transparent at a light wavelength at which the photochromic molecules are photochromic.
【請求項4】 前記フォトクロミック分子がナフタセンピリドン分子を具備
することを特徴とする請求項1に記載の光データ記憶媒体。
4. The optical data storage medium according to claim 1, wherein said photochromic molecule comprises a naphthacenepyridone molecule.
【請求項5】 前記フォトクロミック分子が、スピロピラン、フルギド、チ
オンジゴイド カラー、フェノキシナフタセンキノンからなるグループから選択
されていることを特徴とする請求項1に記載の光データ記憶媒体。
5. The optical data storage medium according to claim 1, wherein the photochromic molecule is selected from the group consisting of spiropyran, fulgide, thiondigoid color, and phenoxynaphthacenequinone.
【請求項6】 前記感光層が0.1〜1マイクロメートル厚さで、前記分離
層が1〜50マイクロメートル厚さであることを特徴とする請求項1に記載の光
データ記憶媒体。
6. The optical data storage medium according to claim 1, wherein said photosensitive layer is 0.1-1 micrometer thick and said separation layer is 1-50 micrometer thick.
【請求項7】 前記感光層の数が少なくとも20であることを特徴とする請
求項6に記載の光データ記憶媒体。
7. The optical data storage medium according to claim 6, wherein the number of the photosensitive layers is at least 20.
【請求項8】 コヒーレント放射光の2光子吸収で変化する光特性を有する
フォトクロミック材料の3次元マトリクスを設け、 前記マトリクスを3次元中に配置して、そのマトリクスの一部を所定の位置に
配置し、 さらに前記マトリクスに記憶する情報に従って、前記コヒーレント光を用いて
所定の位置を照射して、前記マトリクスの前記部分の光特性を変化する方法を設
けたことを特徴とする光データ記憶の方法。
8. A three-dimensional matrix of a photochromic material having optical characteristics that are changed by two-photon absorption of coherent radiation light, the matrix is arranged in three dimensions, and a part of the matrix is arranged at a predetermined position. A method of irradiating a predetermined position with the coherent light according to the information stored in the matrix to change a light characteristic of the portion of the matrix. .
【請求項9】 前記光特性が蛍光であることを特徴とする請求項8に記載の
光データ記憶の方法。
9. The method of claim 8, wherein the light characteristic is fluorescence.
【請求項10】 前記蛍光が異方性であることを特徴とする請求項9に記載
の光データ記憶の方法。
10. The method according to claim 9, wherein the fluorescence is anisotropic.
【請求項11】 さらに、前記部分の光反応によって、読出し放射光を吸収
して発生する前記蛍光を検出することにより、前記情報を再生するステップを具
備することを特徴とする請求項9に記載の光データ記憶の方法。
11. The apparatus according to claim 9, further comprising a step of reproducing the information by detecting the fluorescence generated by absorbing the readout radiation light by the photoreaction of the portion. Optical data storage method.
【請求項12】 前記吸収が2光子吸収であることを特徴とする請求項11
に記載の光データ記憶の方法。
12. The method according to claim 11, wherein the absorption is two-photon absorption.
3. The method of optical data storage according to 1.
【請求項13】 前記吸収が単一光子吸収であることを特徴とする請求項1
1に記載の光データ記憶の方法。
13. The method of claim 1, wherein the absorption is a single photon absorption.
2. The method for optical data storage according to item 1.
【請求項14】 前記読出し放射光が偏光されていることを特徴とする請求
項11に記載の光データ記憶の方法。
14. The method of optical data storage according to claim 11, wherein said readout radiation is polarized.
【請求項15】 前記再生ステップが、2光子吸収で発生する前記蛍光の異
方性の有・無の検出を設けていることを特徴とする請求項14に記載の光データ
記憶の方法。
15. The method for optical data storage according to claim 14, wherein said reproducing step comprises detecting whether or not anisotropy of said fluorescence generated by two-photon absorption is present.
【請求項16】 前記再生ステップが、2光子吸収で発生する前記蛍光の異
方性の正・負の検出を設けていることを特徴とする請求項14に記載の光データ
記憶の方法。
16. The method of optical data storage according to claim 14, wherein said reproducing step comprises a positive / negative detection of anisotropy of said fluorescence generated by two-photon absorption.
【請求項17】 前記読出し放射光が単一光子吸収に対し変調された偏光を
有することを特徴とする請求項14に記載の光データ記憶の方法。
17. The method of optical data storage according to claim 14, wherein said readout radiation has a polarization modulated for single photon absorption.
【請求項18】 前記再生のステップが、前記媒体の複数部分を同時に照射
して、前記複数部分からの蛍光を同時に検出するページ単位の読出しを設けてい
ることを特徴とする請求項11に記載の光データ記憶の方法。
18. The method according to claim 11, wherein said reproducing step comprises a page-by-page readout for simultaneously irradiating a plurality of portions of said medium and simultaneously detecting fluorescence from said plurality of portions. Optical data storage method.
【請求項19】 前記複数部分からの前記蛍光をCCDカメラで検出するこ
とを特徴とする請求項18に記載の光データ記憶の方法。
19. The method according to claim 18, wherein the fluorescence from the plurality of portions is detected by a CCD camera.
【請求項20】 前記読出し放射光が偏光されていることを特徴とする請求
項18に記載の光データ記憶の方法。
20. The method of optical data storage according to claim 18, wherein said readout radiation is polarized.
【請求項21】 前記フォトクロミック材用を、前記フォトクロミック材料
内の分子の磁気双極子モーメントを配向させているフィールド方向に配向するこ
とを特徴とする請求項8に記載の光データ記憶の方法。
21. The method of claim 8, wherein the photochromic material is oriented in a field direction that orients a magnetic dipole moment of a molecule in the photochromic material.
【請求項22】 前記媒体を支持および3次元に移動して、記録する情報に
従って前記媒体の一部を所定の位置に配置する駆動手段と、 前記媒体の光特性を変化させるコヒーレント光を放射するレーザー手段と、 情報に従って、前記コヒーレント放射光を変調する変調手段と を具備することを特徴とするフォトクロミック媒体中に情報を記録する装置。
22. A driving means for supporting and moving the medium three-dimensionally and arranging a part of the medium at a predetermined position according to information to be recorded, and emitting coherent light for changing optical characteristics of the medium. An apparatus for recording information in a photochromic medium, comprising: laser means; and modulation means for modulating the coherent radiation according to the information.
【請求項23】 前記レーザー手段が、実質的に50〜100fsのパルス
持続時間を有するフェムト秒レーザーであって、繰返し率が実質的に100MH
z、前記フォトクロミック媒体の吸収および蛍光波長の範囲外の波長を有してい
ることを特徴とする請求項23に記載の装置。
23. The laser means, wherein the laser means is a femtosecond laser having a pulse duration of substantially 50-100 fs, wherein the repetition rate is substantially 100 MHz.
24. The device of claim 23, wherein the device has a wavelength outside the range of absorption and fluorescence wavelengths of the photochromic medium.
【請求項24】 前記駆動手段が、前記媒体を移動して情報をの多層記録す
る手段を備えたことを特徴とする請求項23に記載の装置。
24. The apparatus according to claim 23, wherein said driving means comprises means for moving said medium to record information in a multilayer manner.
【請求項25】 前記レーザー手段が、前記コヒーレント放射光を絞って前
記媒体の前記部分内に楕円形を形成する手段を備えたことを特徴とする請求項2
3に記載の装置。
25. The laser of claim 2, wherein the laser means comprises means for focusing the coherent radiation to form an ellipse in the portion of the medium.
An apparatus according to claim 3.
【請求項26】 前記変調手段が、前記コヒーレント放射光の持続時間およ
び強度を調整して、前記情報を記録しているピットの幅を制御する手段を備えた
ことを特徴とする請求項23に記載の装置。
26. The apparatus according to claim 23, wherein said modulating means comprises means for adjusting the duration and intensity of said coherent radiation to control the width of a pit recording said information. The described device.
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