專利名稱：光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)多維存儲數(shù)據(jù)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
由于對高容量數(shù)據(jù)存儲持續(xù)和快速增長的需求，人們長期以來對光學(xué)多維存儲數(shù)據(jù)的技術(shù)給予了極大地關(guān)注。與光學(xué)兩維平面存儲技術(shù)，例如CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc or Digital Video Disc)和藍(lán)光光盤(Blu-ray Disc)等不同，光學(xué)三維存儲糸統(tǒng)是將數(shù)據(jù)記錄在三維立體空間，并進(jìn)而增加存儲容量的。多層數(shù)據(jù)存儲和全息數(shù)據(jù)存儲是已提出的光學(xué)立體存儲的兩種主要方法(例如參見G.ff.Burr,Three-dimensionaloptical storage，Proceedings of SPIE，Vol.5225，20 0ctober2003，San Diego, CA，USA)。一般的多層數(shù)據(jù)存儲是使用盤狀存儲介質(zhì)，其中含有位于不同深度的多層數(shù)據(jù)存儲層。但因?yàn)榧す夤馐诘竭_(dá)某一數(shù)據(jù)存儲層并隨后從其返回的過程中需穿過路途中其它的數(shù)據(jù)存儲層，因而光束會與這些其它的數(shù)據(jù)存儲層發(fā)生相互作用。這些相互作用會產(chǎn)生層間干擾光噪聲，存儲層越多干擾就越大，從而限制了數(shù)據(jù)存儲層的數(shù)量也限制了可存數(shù)據(jù)的總?cè)萘?。全息?shù)據(jù)存儲是將數(shù)據(jù)儲存在存儲介質(zhì)的整個體積中，在全息存儲介質(zhì)中，數(shù)據(jù)是由包含待記錄數(shù)據(jù)的物光束和參考光束的干涉而被記錄的，但是，因干涉作用所產(chǎn)生的花樣是由非常精細(xì)的干涉條紋所組成，在物光束與參考光束之間，以及物光束或參考光束與記錄介質(zhì)之間的任何位置移動都會導(dǎo)致干涉條紋的移動，這種移動即使小到幾分之一波長(幾分之一微米)也會使全息圖的寫讀變模糊。通常存儲介質(zhì)盤的旋轉(zhuǎn)速度是每分鐘幾千轉(zhuǎn)，如此快速的存儲盤旋轉(zhuǎn)會使干涉條紋在記錄期間產(chǎn)生不可避免地移動，從而使在存儲盤中形成一個清晰的全息圖成為一個根本性的困難。除了利用立體空間的三個維度外，能儲存數(shù)據(jù)的其它“維度”也已經(jīng)被利用來增加數(shù)據(jù)存儲的容量。一般來說，被利用的“維度”越多，能被存儲的數(shù)據(jù)就越多。在已提出的四維光學(xué)存儲技術(shù)中，一個是利用三個空間維度再加上一個光學(xué)“波長”維度(例如參見
S.Kawata and Y.Kawata,Three-dimensional optical data storage using photochromicmaterials，Chem.Rev.，100 (5)，2000，pp.1777-1788);另一個是利用三個空間維度再加上一個光學(xué)“偏振”維度(例如參見 R.Hagen and Τ.Bieringer，Photoaddressable polymersfor optical data storage, Advanced Materials, Vol.13，N0.23，2001，pp.1805-1810)。在巳提出的五維光學(xué)存儲技術(shù)中，一個是利用三個空間維度再加上一個光學(xué)“波長”維度和一個光學(xué)“偏振”維度(見 P.Zi jlstra，J.Chon and M.Gu, Five-dimensional opticalrecording mediated by surface plasmons in gold nanorods, Nature，459，2009，pp.410-413);另一個是利用三個空間維度再加上一個光學(xué)“波長”維度和一個光學(xué)“強(qiáng)度”維度(見加拿大專利，S.Liu，Opticalvolumetric storage method and apparatusutilizing multipletiny Bragg reflectors as storage cell，Application number:2734440，F(xiàn)iling date:10ΜβιχΛ2011)。這些光學(xué)四維和五維的存儲技術(shù)都允諾比一般的光學(xué)三維存儲技術(shù)具有更大的或至少相等的存儲能力，也就是每片光盤可存I兆兆到10兆兆比特(1TB 到 10TB,也即 ITerabytes 到 IOTerabytes, ITerabyte = IOOOGigabytes)，并具有更快的數(shù)據(jù)寫入、讀出和擦除速度，然而，這些技術(shù)中的大多數(shù)仍然基于或包含上述的多層存儲或全息存儲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，因而仍難避免層間干擾光噪聲或存儲盤旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的寫讀模糊問題。光學(xué)存儲具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):例如儲存介質(zhì)的易置換性，數(shù)據(jù)讀寫時(shí)的非接觸性(因而讀寫頭不會被磨損)，以及潛在的巨大存儲容量，因此，人們?nèi)匀黄诖滦偷牟⒁讓?shí)現(xiàn)的高容量光學(xué)存儲技術(shù)的出現(xiàn)。顯然，如果數(shù)據(jù)能用六個維度去存儲，也就是說，三個空間維度再加上“強(qiáng)度”、“波長”和“偏振”三個光學(xué)維度(這樣光束的幾乎所有的物理維度都被利用了)，存儲容量應(yīng)能進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)的寫入、讀出和擦除速度也應(yīng)更快?？墒牵O(shè)計(jì)出這樣一個光學(xué)存儲糸統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰驯姸嗟奈锢韰?shù)同時(shí)存入一個微小的體積中，并且還要避免層間干擾光噪聲和儲存介質(zhì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的寫讀模糊問題，此外，這種糸統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還應(yīng)該相對簡單，以便具有適宜的尺寸和合理的價(jià)格，從而能被普及使用，據(jù)我所知，到目前為止，還沒有人設(shè)計(jì)出這樣一種光學(xué)存儲糸統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，以及設(shè)計(jì)出一種基于該方法的裝置，其最大存儲容量為每片光盤10兆兆比特(10TB)以上，并能快速地寫入，讀出和擦除數(shù)據(jù)。該方法還不產(chǎn)生層間干擾光噪聲和光盤旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)寫讀品質(zhì)的下降，此外，該方法及裝置還應(yīng)與現(xiàn)有的CD及DVD光盤技術(shù)具有良好的的兼容性，從而儲存在大量的CD和DVD光盤中的海量數(shù)據(jù)仍能被基于該方法而制作的裝置讀取和編輯。所說的本發(fā)明方法是這樣實(shí)現(xiàn)的:使用多個具有不同波長、并且光強(qiáng)度和偏振方向被編碼的線性偏振光束，在每一個短小期間內(nèi)在光折變、且偏振和波長敏感的光學(xué)存儲介質(zhì)中形成一組平行或準(zhǔn)平行的光學(xué)駐波；所說的光束強(qiáng)度和偏振方向的編碼是所說的多個線性偏振光束的波長、光束強(qiáng)度和偏振方向在每一個短小期間內(nèi)按照一個彩色明度和偏振方向編碼的規(guī)則與某一組數(shù)據(jù)相對應(yīng)；再通過光學(xué)駐波和存儲介質(zhì)之間的光學(xué)相互作用而改變介質(zhì)的折射率和偏振特性從而在介質(zhì)中的每一個微小體積內(nèi)產(chǎn)生多個波長選擇性的、反射率特定的和偏振敏感的平行或準(zhǔn)平行的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)組而作為每一個存儲單元；并且通過存儲介質(zhì)的波長敏感性使所生成的每一個存儲單元位于一層的存儲介質(zhì)中，或分段地的位于多層的存儲介質(zhì)中；然后使用多個非偏振光束去照射所需要的存儲單元去產(chǎn)生具有被選擇的波長、相對應(yīng)的光強(qiáng)度和特定的偏振方向的反射光束組；最后經(jīng)由一個彩色明度和偏振方向解碼過程對該反射光束組的波長、光束強(qiáng)度和偏振方向進(jìn)行解碼而再生該存儲單元所儲存的數(shù)據(jù)；此外，可以使用具有所需波長的行波在所需的期間內(nèi)去擦除一個或多個存儲單元中的一層或多層介質(zhì)層中的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)(組)去消除部分或全部的儲存數(shù)據(jù)，或者也可以使用具有所需波長的駐波在所需的期間內(nèi)去改變一個或多個所需要的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)(組)，使它(們)具有一個代表著“無數(shù)據(jù)”的特定的反射率和偏振方向的合成狀態(tài)來消除部分的或全部的儲存數(shù)據(jù)。下面，將會說明上述的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)與布拉格反射鏡非常相似，因此為了簡化敘述，以下描述中的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)將被簡稱為布拉格反射鏡。
為實(shí)施本發(fā)明方法，所說的多個線性偏振光束是2到90個或者更多個的激光光束，它們的波長是在可見光區(qū)域，也可擴(kuò)展到紫外光或/和紅外光區(qū)域。這些線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向是按照一個預(yù)先規(guī)定的彩色明度和偏振方向的編碼規(guī)則在每一個短小期間內(nèi)分別被選擇、被調(diào)制和被旋轉(zhuǎn)到與某一個所需要的數(shù)據(jù)組相對應(yīng)的合成狀態(tài)去生成每一個存儲單元，也就是說，用一個線性偏振光束組的波長、強(qiáng)度和偏振方向的某一個合成壯態(tài)來代表某一個數(shù)據(jù)組，并產(chǎn)生某一個存儲單元。為實(shí)施本發(fā)明方法，所說的彩色明度和偏振方向的編碼規(guī)則是:所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的所有可能的合成狀態(tài)中的每一個或者每一個中的特定的一部分都預(yù)先按照現(xiàn)有的數(shù)字編碼知識被規(guī)定與一個適宜的數(shù)字編碼系統(tǒng)中的某一個特定的基本符號相對應(yīng)(根據(jù)符號的長度和可能的合成狀態(tài)的總數(shù)目，在選擇或設(shè)計(jì)編碼系統(tǒng)時(shí)并且在需要時(shí)，可以縮短符號的長度以減少所需要的基本符號的總數(shù)目)，這樣所需要的基本符號中的每一個都可以由一個相對應(yīng)的合成狀態(tài)或一個相對應(yīng)的合成狀態(tài)中的特定一部分來表達(dá)，因此由于任何一個含有有限和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)組都能被一個基本符號或者一個基本符號組來表達(dá)，任何一個數(shù)據(jù)組，只要它的數(shù)據(jù)總量不超過某一有限范圍并且是適當(dāng)?shù)?，就能夠由一個合適的相對應(yīng)的基本符號，或者一個合適的相對應(yīng)的基本符號組并經(jīng)適當(dāng)?shù)姆柵帕卸伤f的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的某一個合成狀態(tài)來表達(dá)。在由存儲介質(zhì)中射出的光束路徑中放置或打開一面反射鏡，使所說的多個線性偏振光束被垂直地反射回存儲介質(zhì)中，這些反射光束將與隨后入射的光束發(fā)生光學(xué)干涉而生成光學(xué)駐波，這些光學(xué)駐波使存儲介質(zhì)產(chǎn)生光折變從而生成布拉格反射鏡。因?yàn)槊恳粋€被生成的布拉格反射鏡只反射波長與它的生成光束相同的光束，并且每一個被生成的布拉格反射鏡的反射率是與它的生成光束的強(qiáng)度成正比，當(dāng)每一個布拉格反射鏡組隨后被多個非偏振的并且強(qiáng)度被衰減的光束照射時(shí)，因照射光束光強(qiáng)度變?nèi)踅橘|(zhì)不再光折變，其中的每個布拉格反射鏡將會選擇性地反射具有與其相匹配的波長的光束，并且反射光束的強(qiáng)度也是與其生成光束的強(qiáng)度成正t匕。此外，由于存儲介質(zhì)的特性，被形成的布拉格反射鏡還是偏振敏感的，也就是說，當(dāng)被反射的光束的偏振方向是與生成該布拉格反射鏡的光束的偏振方向相同時(shí)，被反射的光束將會有最大的光強(qiáng)度。于是隨后通過測量被反射光束在不同方向的光強(qiáng)度，每個反射光束的偏振方向，并進(jìn)而產(chǎn)生該反射光束的布拉格反射鏡的生成光束的偏振方向便可被得知，因此每個存儲單元的生成光束組的波長、(相對)強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)便被再生，然后，通過一個與上述的彩色明度和偏振方向編碼過程相反的彩色明度和偏振方向解碼的過程，每一個被儲存的數(shù)據(jù)組便被讀出。用同樣的方式，所有的數(shù)據(jù)組便都可通過編碼和解碼過程經(jīng)由先生成和后照明它們各自所對應(yīng)的布拉格反射鏡組而被寫入和讀出。更具體地說，所說的本發(fā)明方法是通過建立光學(xué)整形、準(zhǔn)直、會聚、發(fā)散、反射、分束、匯集、強(qiáng)度調(diào)制、偏振方向旋轉(zhuǎn)、截取過濾、光束偏振分離、自動對焦、自動尋跡和光學(xué)探測的光路，并與數(shù)據(jù)編碼和解碼電子線路相結(jié)合而實(shí)施。所說的具有不同波長的多個線性偏振光束被分成一個或多個子光束組，并且每一個子光束組的波長是在一個特定的波長區(qū)段內(nèi)。每一個子光束組內(nèi)的光束被引導(dǎo)成為共線、同心并平行或者準(zhǔn)平行的光束，并在存儲介質(zhì)的特定深度形成可能的最小的光束直徑。在每一個短小期間內(nèi)，所有子光束組內(nèi)的線性偏振光束的強(qiáng)度和偏振方向都按照所說的彩色明度和偏振編碼規(guī)則被調(diào)制和旋轉(zhuǎn)到一個與某個數(shù)據(jù)組相對應(yīng)的合成狀態(tài)，這些光束垂直地照射含有一層或者多層(2到90層或更多)存儲介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)光盤片，而且每一個子光束組內(nèi)所有光束的焦深區(qū)都位于一個相對應(yīng)的存儲層內(nèi)，這些存儲層是用光折變、偏振和波長敏感的光學(xué)介質(zhì)制成，而且不同的存儲層是對不同的波長區(qū)段敏感。所說的光學(xué)存儲介質(zhì)包括光子定域聚合物(例如參見R.Hagen and T.Bieringer, Photoaddressable polymers for optical data storage,Advanced Materials, Vol.13, N0.23,2001, pp.1805-1810)、被起偏的全息術(shù)用光敏聚合物(例如參見 L.Dhar, and et cetera, Photopolymer medium forddigital holographicdata storage, SPIE, Vol.3401，1998，pp.217-220)、納米金屬柱摻雜物(見 P.Zijlstra,J.Chon andM.Gu,Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmonsin gold nanorods, Nature, 459, 2009, pp.410-413)、半導(dǎo)體納米晶體量子點(diǎn)材料(見 Li,J.Chon,Evans and M.Gu,Quantum-rod dispersed photopolymers for multidimensionalphotonic application, Opt.Express, 17, 2009, pp.2954-2961)等。上述這些光學(xué)存儲介質(zhì)并不是所有的可被用于本發(fā)明方法的光學(xué)存儲材料，本發(fā)明方法中所說的光學(xué)存儲介質(zhì)應(yīng)該包括所有的光折變、偏振和波長敏感的光學(xué)材料，也就是說，本發(fā)明方法中所說的光學(xué)存儲介質(zhì)應(yīng)該包括具有下述一類光學(xué)特征的材料:它們的光學(xué)折射率在被光強(qiáng)大于介質(zhì)折射率變化閾值的光束照射時(shí)能改變，并且它們的折射率分布也能隨照射光束的偏振方向或狀態(tài)的不同而不同，或者既隨照射光束的偏振方向或狀態(tài)的不同而不同，又隨照射光束的波長的不同而不同，這些材料既包括現(xiàn)有成熟的材料，也包括現(xiàn)在正被研制的材料。當(dāng)處于數(shù)據(jù)書寫狀態(tài)時(shí)，把一面反射鏡放置到由存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中，或者在由存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中打開一面反射鏡，由存儲介質(zhì)中射出的光束將被垂直地反射回存儲介質(zhì)中，書寫光束的最小強(qiáng)度應(yīng)被調(diào)制到大于存儲介質(zhì)折射率的光致變化的閾值以上，因此多個平行或準(zhǔn)平行的光學(xué)駐波，進(jìn)而多個平行或準(zhǔn)平行的布拉格反射鏡便在一層或者多層的存儲介質(zhì)中沿著照射光束共同的軸線方向被生成，也就是在每一個短小期間內(nèi)，一組微小的代表著相對應(yīng)的一組數(shù)據(jù)的平行或準(zhǔn)平行的布拉格反射鏡在穿越一層或者多層存儲層的一個微小體積中被生成，而且不同波長的光束生成的布拉格反射鏡都位于一個存儲層中，或者依據(jù)它們的波長分布分別地位于多個不同的存儲層中。按照同樣的方式，隨著存儲介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)和書寫光束的照射光斑點(diǎn)沿著存儲介質(zhì)旋轉(zhuǎn)的徑向方向的移動，不同的數(shù)據(jù)組便被寫入到存儲介質(zhì)內(nèi)的不同位置。隨后使用多個“非偏振”光束去閱讀寫入的數(shù)據(jù)，每一個“非偏振”光束是由二個偏振方向相互垂直的線性偏振光束所組成，“非偏振”光束的數(shù)目和波長分布是與上面所說的多個線性偏振光束的數(shù)目和波長分布相同，所有的“非偏振”光束的強(qiáng)度都被減小到存儲介質(zhì)折射率的光致變化閾值以下，并且所有“非偏振”光束的強(qiáng)度都被調(diào)制成相等。位于由存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中的反射鏡被移走或者被關(guān)閉，因此，閱讀光束只能由存儲介質(zhì)中生成的布拉格反射鏡組反射，被反射光束的強(qiáng)度取決于各個布拉格反射鏡的反射率和各個布拉格反射鏡的偏振敏感特性，被反射光束的偏振方向可用光學(xué)差分探測器測量，光學(xué)差分探測器是通過分析具有相同波長的反射光束的兩個垂直相交的偏振分量的信號強(qiáng)度而判別偏振方向的。最后對被探測到的從每一個存儲單元反射回來的光束組的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)進(jìn)行解碼，從而每一個儲存的數(shù)據(jù)組便被讀出。擦除被儲存的數(shù)據(jù)有兩種方法，在這兩種方法中，擦除光束都是使用與書寫光束相同的多個線性偏振光束。一種方法是使用行波:把具有所需波長的光束的強(qiáng)度提高到存儲介質(zhì)的折射率的光致變化閾值之上，并旋轉(zhuǎn)這些光束的偏振方向使其變?yōu)橥粋€方向或者變成圓偏振光，移走或者關(guān)閉位于由存儲介質(zhì)射出的光束的路徑中的反射鏡，因此當(dāng)這些擦除光束照射各存儲層時(shí)，它們就成了行波，這些高強(qiáng)度的行波將再次通過光和介質(zhì)的相互作用而消除以前生成的布拉格反射鏡，通過用具有所需波長的光束在所需的期間去照射存儲介質(zhì)，位于一個或多個存儲單元中的一個或者多個存儲介質(zhì)層中被生成的布拉格反射鏡(組)就被消除，從而部分的或者全部的儲存數(shù)據(jù)就被擦除。另外一種方法是使用駐波:也是把具有所需波長的光束的強(qiáng)度提高到存儲介質(zhì)折射率的光致變化閾值之上，且所有這些光束的強(qiáng)度都被調(diào)諧到一個相同的特定值，而它們的偏振方向則都被旋轉(zhuǎn)到一個相同的特定方向，在由存儲介質(zhì)射出的光束的路徑中放置或者打開一面反射鏡，并且由這些具有特定強(qiáng)度值和特定偏振方向的光束而生成的布拉格反射鏡都被預(yù)先在所說的彩色明度和偏振方向編碼和解碼規(guī)則中被規(guī)定代表著一個“無數(shù)據(jù)”的狀態(tài)，且不管生成它們的光束的波長是何值，于是通過選擇具有所需波長的光束在所需的期間去照射存儲介質(zhì)，一個或多個所需要的布拉格反射鏡就被改寫成一種特殊的信息含意是“無數(shù)據(jù)”的布拉格反射鏡，從而部分的或者全部的儲存數(shù)據(jù)也就被擦除。在每個存儲單元中，可被存儲的數(shù)據(jù)容量依賴于可能得到的書寫光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)的總數(shù)目，如果波長的數(shù)目是W，強(qiáng)度等級的數(shù)目是I，偏振方向的數(shù)目是P，則可能得到的合成狀態(tài)的總數(shù)目C = (IP)W(解釋見下)，因此即使W、I和P的數(shù)目是適中的，數(shù)目C的值也會很大。如果有多層的存儲層，而每層存儲層又足夠的厚，那么在每一個存儲單元中就可以儲存很多的布拉格反射鏡。另外，當(dāng)每層存儲層足夠厚時(shí)，因?yàn)槠渲械拿總€布拉格反射鏡都可由更多的周期性反射界面所組成，因此每個布拉格反射鏡的反射率就可以很高，這樣，每個布拉格反射鏡的反射率的動態(tài)變化范圍就可以很大，因而可以提供更多的可以分辯的反射光強(qiáng)度等級的數(shù)目。通過使用具有大的各向異性的光學(xué)介質(zhì)，并因?yàn)楣鈱W(xué)差分探測器具有精細(xì)的分辯能力，所以可以被分辯的偏振方向的數(shù)目也可以很多，因此可能得到的合成狀態(tài)的總數(shù)目可以很大，這使每一個存儲單元都可儲存大量的數(shù)據(jù)。因?yàn)槊恳粋€存儲單元的體積很小，因而整張光盤片的存儲容量將會極其巨大。在本發(fā)明方法中，數(shù)據(jù)是用多個光束在多個物理維度中同時(shí)轉(zhuǎn)換，因此數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換速率，也即寫讀擦的速率非?？?。更進(jìn)一步，本發(fā)明方法是通過立體的方式在每一個存儲單元的各個存儲層中同步地書寫或者閱讀數(shù)據(jù)，每一個存儲層只對某一個波長區(qū)段內(nèi)的光束起反應(yīng)，而每一個存儲層中的每一個布拉格反射鏡又只對一個波長起反應(yīng)，因此本發(fā)明方法不產(chǎn)生層間干擾光噪聲。最后，因?yàn)楸簧傻鸟v波是平行或準(zhǔn)平行的，被生成的布拉格反射鏡的各反射界面便與各存儲介質(zhì)層的平面平行或者準(zhǔn)平行，由于各存儲介質(zhì)層都是與其旋轉(zhuǎn)平面平行，因此存儲介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)對于生成和探測布拉格反射鏡的影響被減至最小(見下進(jìn)一步描述)，從而數(shù)據(jù)的記錄和再現(xiàn)質(zhì)量沒有或者只有非常小的因存儲光盤的旋轉(zhuǎn)而造成的損失。


用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置的優(yōu)選實(shí)施例將在下面描述，顯然，這些實(shí)施例并不是基于本發(fā)明方法而能設(shè)計(jì)出的所有的裝置?；诒景l(fā)明方法的核心思想并利用現(xiàn)有公知的光學(xué)設(shè)計(jì)知識，所說的本發(fā)明方法和裝置的實(shí)施例可以被修改或變換，因此本發(fā)明專利的申請人保留所有的將在下面描述的本發(fā)明方法和裝置的實(shí)施例的修改和變換的權(quán)利(注意因?yàn)檠b置中某些部件的實(shí)際尺寸差別很大，為了顯示必要的細(xì)節(jié)，以下的某些圖中部分器件未按實(shí)際比例畫出)。從以下的本發(fā)明裝置的優(yōu)選實(shí)施例和附圖的說明中可理解本發(fā)明的上述內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)，其中:圖1是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的帶光盤的存儲裝置的第一個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1內(nèi)的方框2中的激光光源和光探測系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中所示光學(xué)結(jié)構(gòu)的按點(diǎn)劃線6-6截取的底側(cè)視圖。圖4是圖2中所示偏振旋轉(zhuǎn)器陣列16的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖4中所示偏振旋轉(zhuǎn)器陣列按點(diǎn)劃線20-20截取的頂側(cè)視圖。圖6是圖1中所示致動器90的第一個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是圖1中所示致動器90的第二個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是單面存儲光盤的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，該光盤用于根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的裝置的第一個優(yōu)選實(shí)施例，圖8也示出處于數(shù)據(jù)書寫狀態(tài)時(shí)的位于出射光束的路徑中的小反射鏡及光路。圖9是根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的帶光盤的存儲裝置的第二個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是另一個單面存儲光盤的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，該光盤用于根據(jù)本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的裝置的第二個優(yōu)選實(shí)施例，圖10也示出處于數(shù)據(jù)書寫狀態(tài)時(shí)的光束路徑。
具體實(shí)施例方式一個基于本發(fā)明方法而設(shè)計(jì)的光學(xué)存儲裝置被描述如下，它包括:一個含有一層或多層的光折變、偏振和波長敏感的光學(xué)存儲介質(zhì)的光盤片，數(shù)據(jù)儲存在與該盤片平面平行的同心圓形或螺旋形的軌跡里；由多個激光器發(fā)出多個不同波長的線性偏振或非偏振光束，這多個線性偏振或非偏振光束被引導(dǎo)成為共線、同心、平行或者準(zhǔn)平行的光束并在盤片內(nèi)垂直于盤片平面方向的不同深度處形成可能的最小光束直徑，這些光束將數(shù)據(jù)寫入存儲單元中，或在存儲單元中將數(shù)據(jù)讀出或擦除；一個或多個光束強(qiáng)度調(diào)制器；一個或多個偏振方向旋轉(zhuǎn)器；一個依照所說的彩色明度和偏振方向編碼規(guī)則在每一個短小期間內(nèi)對所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)進(jìn)行編碼使其與某一個數(shù)據(jù)組相對應(yīng)的電子處理器；一個使所說的線性偏振或非偏振光束的焦深區(qū)依照它們的波長分布分別位于一個或多個處于盤片內(nèi)不同深度的光學(xué)存儲層的手段；多個能對從每一個所需要的存儲單元反射回來的光束的強(qiáng)度和偏振方向進(jìn)行測量的光學(xué)探測器；一個依照所說的彩色明度和偏振方向解碼規(guī)則在每一個短小期間內(nèi)對從每一個所需要的存儲單元反射回來的光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)進(jìn)行解碼的電子處理器；一個當(dāng)使用駐波書寫或擦除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中放置或啟開一面反射鏡的光學(xué)手段；或一個當(dāng)使用行波閱讀或擦除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中移除或關(guān)閉一面反射鏡的光學(xué)手段；一個使所說的多個線性偏振或非偏振光束的焦深區(qū)能分別地保持在各個所需要的光學(xué)存儲介質(zhì)層里的光學(xué)自動對焦手段；一個使所說的線性偏振或非偏振光束的光斑中心能保持在所說的同心圓形或螺旋形的軌跡內(nèi)的光學(xué)自動尋跡手段；一個在需要時(shí)能對存儲盤片中不同存儲單元內(nèi)的布拉格反射鏡的反射率畸變進(jìn)行校正的光學(xué)手段；一個在需要時(shí)能對因存儲盤片材質(zhì)的不同、或因生成光束波長的不同而造成的布拉格反射鏡反射率的偏差進(jìn)行校正的光學(xué)手段；和一個在需要時(shí)能使所發(fā)明的裝置能與CD和DVD激光光盤相兼容的光學(xué)手段。
圖1是根據(jù)本發(fā)明方法而設(shè)計(jì)的帶光盤的存儲裝置的第一個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中的方框2內(nèi)是激光光源和光探測器系統(tǒng)部分，其結(jié)構(gòu)示于圖2，在圖2中，激光器陣列4由多個(2到90個或更多)半導(dǎo)體激光器組成，它們依照波長的順序排成一列，為了清楚地顯示光束的光路，在圖2中只畫出三個光束。由于半導(dǎo)體激光器的尺寸可以很小，例如 300 微米 X 50 微米 X 10 微米(參見 M.Bass and et cetera, eds., Handbookof Optics, Vol.1, McGraw-Hi 11,1995, p.31.7),這樣的激光器陣列尺寸也可以很小。從激光器陣列4出射的激光光束是線性偏振光,它們的偏振方向與XY平面內(nèi)的X軸方向夾45°角。圖3是圖2中所示光學(xué)結(jié)構(gòu)按圖2中點(diǎn)劃線6-6截取的底側(cè)視圖。為了減少裝置尺寸和制作費(fèi)用，這些激光器可以被集成制作在一塊或幾塊半導(dǎo)體基片上。如果激光光束有畸變，可以采取措施去修正，另外，也可能需要采取措施來穩(wěn)定這些激光光束的頻率從而減少它們波長的漂移，例如激光陣列4可以放置在-個良好的熱沉散熱器上或者使用閉環(huán)反饋的光電機(jī)構(gòu)等。因?yàn)檫@些修正和改進(jìn)可利用現(xiàn)有公知的技術(shù)，這里不詳細(xì)敘述，有關(guān)這些修正和改進(jìn)的光電部件也未在圖2和圖3中畫出。激光器陣列4中激光器的出射光束強(qiáng)度由位于處理器8中的電子控制器直接地調(diào)制，這些光束在通過一個光軸方向與X軸方向夾45°角的偏振光束分束器10之后,再穿過一個光學(xué)隔離器陣列12,此時(shí)它們的偏振方向被旋轉(zhuǎn)-45°從而與X軸方向平行。14也是一個偏振光束分束器,它讓偏振方向與X軸平行的光束全部通過，然后這些通過的光束到達(dá)光束偏振方向旋轉(zhuǎn)器陣列16，該旋轉(zhuǎn)器陣列由處理器8控制而改變通過光束的偏振方向。
光學(xué)隔離器是用來防止不希望的光反饋重新進(jìn)入激光陣列4，這些光反饋可能引起輸出功率的起伏和頻率飄移等干擾。光學(xué)隔離器的工作原理是基于法拉第效應(yīng)(參見M.Bass and et cetera, eds., Handbook of Optics, Vol.TV, McGraw-Hill,2001, p.10.9),由于各光束的波長是不同的，陣列12中的隔離器的長度也必須是不同的，或者需要施加不同的磁場強(qiáng)度來產(chǎn)生相同的-45°旋轉(zhuǎn)。考慮到法拉第隔離器的尺寸和制作成本，以及半導(dǎo)體激光器的噪聲亦可通過驅(qū)動電流的高頻調(diào)制被有效減少(例如參見M.Bass and etcetera, eds.，Handbook of Optics, Vol.1, McGraw-Hi 11,1995, pp.31.8-31.13)，在需要時(shí)，可以去除隔離器陣列12。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流注入可以非常快，如用脈沖其持續(xù)時(shí)間可短至幾個納秒，由于數(shù)據(jù)的寫入和擦除都是以脈沖方式進(jìn)行，而且數(shù)據(jù)的閱讀也可用脈沖方式完成，因此如果脈沖速度很快，陣列4中的激光器就能用高頻調(diào)制的方式注入驅(qū)動電流(也許這時(shí)陣列4中的所有激光器需要同步地工作)，如果去除隔離器陣列12，從激光器陣列4中出射的光束的偏振方向應(yīng)該一開始就與X軸平行。光學(xué)隔離器是不需要電調(diào)節(jié)的，因此它們不與電子處理器8連結(jié)。
圖4是偏振旋轉(zhuǎn)器陣列16的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4中所示偏振旋轉(zhuǎn)器陣列的按圖4中點(diǎn)劃線20-20截取的頂側(cè)視圖。在圖4和5中，32、34和36是三片薄玻璃片，在玻璃片32、34的內(nèi)表面，和玻璃片36的兩側(cè)表面鍍有相互分割的多個透明電極層，例如鍍層40、42、44和46，這些電極層被校直層，例如50、52、54和56所覆蓋。在玻璃薄片之間填充向列型液晶分子而形成液晶層60和62，這樣，多個子液晶池被制成并排成一列，在每一個子液晶池上施加電壓去改變其內(nèi)的液晶偶極子的排列方向，也就是說，去改變每一個子液晶池的雙折射性質(zhì)，這樣，每一個子液晶池就成為一個可調(diào)諧的光學(xué)延遲器。由于玻璃片32和34分別是來自激光器陣列4的光束的入射和出射窗口，因此每一個含有窗口 32或34的一部分的子液晶池就分別成為一個“輸入”和“輸出”光學(xué)延遲器。在偏振旋轉(zhuǎn)器陣列16中，每一個偏振旋轉(zhuǎn)器是有一個“輸入”光學(xué)延遲器和一個“輸出”光學(xué)延遲器所組成，通過選擇校直層50、52、54和56的校直方向，可以使“輸入”和“輸出”光學(xué)延遲器的快光軸方向分別與X軸和X軸平行，“輸入”光學(xué)延遲器將產(chǎn)生可調(diào)的光學(xué)相位延遲從而決定偏振方向的旋轉(zhuǎn)角度，而“輸出”光學(xué)延遲器將作為一個可變的四分之一波片。通過改變施加到每一對“輸入”和“輸出”光學(xué)延遲器上的電壓，入射線性偏振光束的偏振方向可被旋轉(zhuǎn)到任何一個所需要的角度(見0.Aharon and 1.Abdulhalim, Liquid crystalwavelength-1ndependent continuous polarization rotator, Optical Engineering,Vol.49(3)，2010，pp.034002.1-034002.4)。在幾伏特的電壓下，液晶光學(xué)延遲器的旋轉(zhuǎn)速度一般是毫秒量級，通過增加施加到子液晶池上的電壓，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)幾微秒。因?yàn)橥ㄟ^在三片玻璃薄片上鍍多個分離的電極就可制作出多個偏振旋轉(zhuǎn)器，所以液晶偏振旋轉(zhuǎn)器陣列的體積可以很小，制作成本也低，并且它們是波長獨(dú)立的。
為了增加旋轉(zhuǎn)速度，也可以使用響應(yīng)時(shí)間為納秒量級的固體泡克耳思或者克爾電光晶體來代替液晶池(例如參見 M.Bass and et cetera, eds.,Handbook of Optics, Vol.1I, McGraw-Hill, 1995, pp.13.6-13.10),通過在每一個電光晶體的兩端或兩側(cè)表面涂制兩個電極層，并沿著光束行進(jìn)的方向或垂直于光束行進(jìn)的方向施加電壓，每一個電光晶體也就變成一個可調(diào)諧的光學(xué)延遲器，把每兩個這樣的光學(xué)延遲器組合并且讓它們的兩個感生快光軸方向夾45°角，于是多個電光晶體偏振旋轉(zhuǎn)器就和上述的液晶偏振旋轉(zhuǎn)器一樣地被制成，以電光晶體制成的偏振旋轉(zhuǎn)器有高速和可承受高光功率的優(yōu)點(diǎn)，可是這些旋轉(zhuǎn)器是波長依賴的，并且它們的體積也較大。
在圖3中，80是一個具有固定的光強(qiáng)反射率(例如10%至40% )，并且非偏振和非波長選擇性的光束分束器，所以光強(qiáng)度和偏振方向被編碼的光束的大部分能量能通過這個分束器，非偏振的光束分束器分離光束時(shí)是沒有偏振效應(yīng)的。然后這些光束被一個透鏡82會聚并由一個色散棱鏡84匯集而成為平行、共線和同心的光束，再入射到一個非偏振和波長選擇性的光束分束器86 (見圖1)，該分束器是由兩個直角三角棱鏡合成，在分束器的對角線界面上鍍有一個截止濾波片或一個窄帶反射鏡。截止濾波片透射波長低于某一波長值，并反射波長高于該波長值的光束，或反之亦然，而窄帶反射鏡則僅反射波長在其反射帶內(nèi)的光束，并透射所有波長在其反射帶外的光束(例如參見M.Bass and et cetera,eds., Handbook of Optics, Vol.1, McGraw-Hill,1995，pp.42.45-42.46，p.42.54 和PP.42.63-42.66)。使來自激光器陣列4的光束的波長落在截止濾波片的透射區(qū)段內(nèi)，或落在窄帶反射鏡的反射波長區(qū)段外，于是這些光束都能通過分束器86，然后進(jìn)入致動器90。
圖6是圖1中致動器90的第一個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。在圖6中，92是一個非偏振和波長選擇性的反射鏡，它讓來自激光陣列4的光束通過，然后這些光束被一個非偏振反射鏡94反射而進(jìn)入一個會聚透鏡96和一個發(fā)散透鏡98，從而成為光束直徑很小的共線、同心并會聚或者準(zhǔn)平行的光束，這些光束具有足夠長的焦深并在焦深區(qū)間內(nèi)具有可能的最小的光束直徑。焦深是從焦點(diǎn)平面算起一個緊湊的焦點(diǎn)能被保持的距離，也即光束的最小可能的直徑能被保持的距離(下面將進(jìn)一步解釋)。會聚和發(fā)散透鏡96和98或它們的其中之一是利用軸向色像差材料做成，它們的光軸和會聚透鏡100的光軸是共線和同心的，軸向色像差透鏡能把不同波長的光束會聚在光軸線上的不同位置，即不同的深度(參見 M.Bass and et cetera, eds.,Handbook of Optics, Vol.11, McGraw-Hi 11,1995,PP.1.23-1.28)。通過選擇適當(dāng)?shù)妮S向色像差材料，并選擇激光陣列4的光波長使它們分別屬于多個不同的波長區(qū)段，這些光束就可以被聚焦到不同的深度，并因此它們的焦深區(qū)就可以落入不同的儲存層內(nèi)。為了達(dá)到更好地效果，會聚和發(fā)散透鏡96和98或它們的其中之一可以被特別地設(shè)計(jì)，例如一個透鏡可含幾層不同的軸向色像差材料，來使波長在同一個波長區(qū)段內(nèi)的光束又能聚焦在一個近似相同的深度，使用軸向色像差透鏡可以簡化致動器的結(jié)構(gòu)、尺寸和重量。在這個實(shí)施例中，來自激光陣列4的光束被分成三個子光束組1、2和3，它們分別具有三個不同的波長區(qū)段δ δ入2和δ λ3，三個子光束組1、2和3垂直地照射光學(xué)儲存介質(zhì)層，也就是光學(xué)儲存盤片119 (見圖1)。在圖6中δρ 62和63是子光束組1、2和3中的光束的焦深，61、62和63將會位于光學(xué)儲存盤片119中不同的深度。為了減少對子光束組1、2和3的聚焦的影響，透鏡100的中心圓形區(qū)域的兩側(cè)表面是平面，這個中心圓形區(qū)域的直徑很小而僅僅能讓三個子光束組1、2和3通過，也可以在透鏡100的中心鉆一個小圓孔而讓三個子光束組1、2和3通過。該致動器的結(jié)構(gòu)也可以基于現(xiàn)有公知的光學(xué)設(shè)計(jì)知識被修改或變換。
圖7是圖1中所示致動器90的第二個優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。在圖7中，110是一個非偏振和波長選擇性的反射鏡，它讓來自激光陣列4的光束通過，然后這些光束被一個非偏振反射鏡116反射而進(jìn)入一組截止濾波反射鏡，在這個實(shí)施例中，這一組截上濾波反射鏡是由三個反射鏡118、120和122所組成，它們具有三個不同的透射波長區(qū)段AA1, Λ λ 2和Λ λ 3。來自激光陣列4的光束被分成三個子光束組1、2和3，它們分別具有三個不同的波長區(qū)段δ δ入2和δ λ 3，通過選擇使δ入2和δ入3在Λ A1E段內(nèi)，使δ入1在Λ X1區(qū)段外，使δ入3在Λ λ 2區(qū)段內(nèi)，使δ入2在Λ λ 2區(qū)段外，和使δ入3在Δ λ 3區(qū)段外，于是子光束組1、2和3將分別地被反射鏡118、120和122反射。隨后，子光束組1、2和3被三個透鏡124、126和128會聚，并被三個透鏡125、127和129發(fā)散變成具有可能的最小直徑的會聚或者準(zhǔn)平行的光束。在這之后，它們又被波長選擇性地由三個非偏振和截止濾波反射鏡130、132和134所反射。反射鏡130、132和134的透射波長區(qū)段是Δλ' ρΔλ' 2和A入'3，3入'J是在Δ λ ' j區(qū)段外和Δ λ ' 2區(qū)段內(nèi)，δ λ 2是在Δ λ ' 2區(qū)段外，δ λ工和δ λ 2是在Δ λ ' 3區(qū)段內(nèi)，而δ λ 3是在Δ λ ' 3區(qū)段外,于是子光束組1、2和3便可垂直地照射儲存光盤片119 (見圖1)。在圖7中，δ” 62和δ3是子光束組1、2和3中的光束的最小直徑可保持的距離，也就是它們分別是三個透鏡對124和125、126和127、128和129的合成焦深。一般而言，根據(jù)存儲盤片中儲存介質(zhì)層的數(shù)目和光學(xué)參數(shù)，例如儲存介質(zhì)層中干涉條紋的分辯率和可能得到的存儲單元的最小長度等，來自激光陣列4的光束可被分成多個子光束組(2到90個或更多)，對于每一個這樣的子光束組，都可使用二個非偏振截止濾波反射鏡，一個會聚透鏡和一個發(fā)散透鏡，并用類似于圖7中所示的光路安排，使每個子光束組在照射存儲盤片時(shí)，這些光束的焦深區(qū)能落在所期待的儲存層內(nèi)。
在圖7中顯示的致動器結(jié)構(gòu)，或者上述的為更多個子光束組而設(shè)計(jì)的致動器結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)一步地被修正或變換，例如當(dāng)書寫光束有三個子光束組時(shí)，可以使用三個拋物面反射鏡，這些反射鏡分別地具有與平面反射鏡118、120、122相同的非偏振截止濾波功能而用來代替反射鏡118、120和122，這樣，會聚和發(fā)散透鏡124、125、126、127、128和129可被除去以減輕致動器的重量。
圖8是單面存儲光盤的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，該光盤用于根據(jù)本發(fā)明方法而設(shè)計(jì)的裝置的第一個優(yōu)選實(shí)施例，圖8也示出處于數(shù)據(jù)書寫狀態(tài)時(shí)的位于由存儲光盤出射的光束的路徑中的小反射鏡及光路(所示結(jié)構(gòu)未按實(shí)際比例畫出)。一般而言，該光盤片的形狀是圓形的薄片，其直徑是從5毫米到2000毫米，其厚度是從0.1毫米到20毫米，特別地是，它具有和CD和DVD光盤相同的形狀和尺寸，從而可充分地利用現(xiàn)有CD和DVD光盤工業(yè)的設(shè)備和基礎(chǔ)，在制造、儲存、運(yùn)輸和使用等方面得到便利。該光盤片被放置在一個可旋轉(zhuǎn)軸上并因此是可旋轉(zhuǎn)和易置換的，或者是可旋轉(zhuǎn)但固定的。該光盤片中有一層或多層的存儲層(2到90層或更多)，每層存儲層的厚度是從0.3微米到3毫米。在這個實(shí)施例中，光盤片是可旋轉(zhuǎn)和易置換的，它的形狀和尺寸與⑶和DVD光盤相同，并且具有三層存儲層，每層存儲層的厚度是從3微米到100微米。該光盤片包含一個透明的片基140，三層光學(xué)儲存介質(zhì)層142、144和146，它們的波長敏感區(qū)段是δ λ” δ入2和δ λ 3，二個透射波長區(qū)段是δ λ1+δ λ2+δ λ 3的截止濾波片或者窄帶反射鏡層148和150，和兩個透明的覆蓋層152和154。在透明片基140的底部表面上通過或蝕刻，或壓印，或模鑄等工藝而制出連續(xù)性的溝槽從而形成同心圓形或螺旋形的軌跡。透明的片基140和二層覆蓋層152和154是用聚碳酸酯、或玻璃或其它透明的塑料和光學(xué)材料等所制成，覆蓋層是用來保護(hù)儲存介質(zhì)層的底部表面和透明片基上表面免受刮擦和臟污等，同時(shí)也為減少不必要的光反射。通過選擇片基、截止濾波片或窄帶反射鏡層、儲存介質(zhì)層和覆蓋層的折射率使每一個兩相鄰介質(zhì)接觸的界面的光反射盡可能地小，從而各界面產(chǎn)生的光反射可以忽略，比如可選擇使每兩個相接觸的介質(zhì)層的折射率相等或接近，或者在每兩個相接觸的介質(zhì)層中插入一個折射率漸變的介質(zhì)層，并使其一側(cè)的折射率和與該側(cè)接觸的介質(zhì)層的折射率相等，而使其另一側(cè)的折射率也和與其另一側(cè)相接觸的介質(zhì)層的折射率相等(例如參見M.Bass and et cetera,eds.，Handbook of Optics, Vol.1, McGraw-Hi11,1995，pp.pp.42.19-42.34)。
為了快速地移除位于出射光束的路徑中的小反射鏡，一個小反射鏡156被放置在致動器190的上部(見圖1)，該小反射鏡是由一個非偏振反射層158，一個透明的覆蓋層162和一個由塑料或玻璃或金屬制成的基片164所組成(見圖8)。致動器190被一個電動音圈似裝置192驅(qū)動，從而可在垂直于光盤片平面的方向，即沿著X軸方向來回地移動，從而可在小反射鏡156的上表面與光盤片119的下表面之間始終保持一個微小的固定距離。這是因?yàn)楣獗P片平面一般不可能是理想地平坦，在旋轉(zhuǎn)中光盤片平面也不可能總是保持著理想地剛性，因此在每一個旋轉(zhuǎn)周期，光盤片平面都會若干次地移近或移遠(yuǎn)致動器190，所以致動器190需要在垂直于光盤片平面的方向來回移動從而能和光盤片表面之間保持一個固定的距離。通過將在下面描述的自動對焦技術(shù)，致動器190和光盤片下表面之間的距離變化可被保持到小于2微米(參見M.Bass and et cetera, eds.,Handbook of Optics,Vol.1, McGraw-Hill, 1995, pp.31.13-31.14)。反射鏡156的反射面是平面，或者是一個具有適當(dāng)半徑(例如10微米到10毫米)的球面，使用球面反射鏡可方便反射鏡反射方向的調(diào)整，減少機(jī)械振動的影響和減少反射光束直徑的擴(kuò)張等。致動器190經(jīng)過電動音圈似裝置192被另一個電動音圈似裝置194所驅(qū)動而能沿著光盤片旋轉(zhuǎn)的徑向方向，即沿著Z軸方向來回運(yùn)動。當(dāng)使用駐波書寫或者擦除數(shù)據(jù)時(shí)，小反射鏡被移動到由光盤片中出射的光束的路徑中，當(dāng)使用行波閱讀或者擦除數(shù)據(jù)時(shí)，小反射鏡被從由光盤片中出射的光束的路徑中移走。電動音圈具有可達(dá)幾十毫米的總運(yùn)動距離和幾個微米的運(yùn)動精確性，它們的運(yùn)動速度也很快(例如參見互聯(lián)網(wǎng)站http://www.moticont.com)。
小反射鏡是圓形的，其直徑為幾毫米，故其直徑遠(yuǎn)大于所說的書寫，閱讀和擦除光束的焦深區(qū)附近的直徑。在非工作狀態(tài)，小反射鏡位于一個“等待”位置，該位置應(yīng)離開從光盤片中出射的光束幾毫米遠(yuǎn)，保持小反射鏡位于“等待”位置是通過調(diào)整電動音圈似裝置195 (它也是致動器90的支撐基座)相對于電動音圈似裝置194的位置而實(shí)現(xiàn)的(見圖1)，并且這個相對位置是經(jīng)由支撐基座195和電動音圈似裝置194的剛性連接并同步地運(yùn)動而被保持著。雖然致動器90在抵達(dá)光盤片上不同的軌跡時(shí)，支撐基座195需跟隨致動器90而移動，支撐基座195卻不需要跟隨致動器90的自動尋跡運(yùn)動(也就是使光束的光斑點(diǎn)總是保持在所抵達(dá)的溝槽軌跡中心線的運(yùn)動)，因?yàn)橹聞悠?0的沿著光盤片平面方向的自動尋跡運(yùn)動的范圍遠(yuǎn)小于I毫米(見下述)，把小反射鏡保持在“等候”位置而不與由光盤片中出射的光束相遇是很容易實(shí)現(xiàn)地。在數(shù)據(jù)書寫狀態(tài)，小反射鏡156經(jīng)由音圈裝置194的驅(qū)動被移動到一個“工作”位置，也就是被移動到從光盤片中出射的光束的路徑中，因?yàn)橹聞悠?0的自動尋跡運(yùn)動范圍和出射光束的直徑都遠(yuǎn)小于小反射鏡156的直徑，從光盤片中出射的光束便很容易總是照射在小反射鏡上。經(jīng)由致動器90的自動對焦和自動尋跡，照射光束的光斑中心便落在給定的溝槽軌跡的中心，并且三個子光束組1、2和3的焦深區(qū)間，也即最小光束直徑的保持距離δ P δ 2和δ 3則分別地落在儲存層142、144和146內(nèi)(見下進(jìn)一步描述)。在圖8中，為能清楚地顯示，只有一個落在儲存層144內(nèi)的焦深為32的子光束組被畫出，170和172是該子光束組的外邊緣光線。照射光束被小反射鏡垂直地反射，然后返回各儲存層并與隨后入射的光束發(fā)生干涉，每個被反射的光束只與波長和偏振方向與其相同的光束發(fā)生干涉，因此每一對相互干涉的光束都具有相同的頻率、相同的偏振方向、幾乎相等的振幅和相反的傳播方向，每一個反射光束和與它相干涉的照射光束之間的位相差在小反射鏡反射面上是零，并且在它們的相干長度距離內(nèi)是固定的并不隨時(shí)間而改變。因此，在干涉區(qū)域內(nèi)，每一個照射光束都導(dǎo)致生成一個平行或準(zhǔn)平行的駐波(參見Μ.Bass andet cetera, eds.，Handbook of Optics, Vol.1I, McGraw-Hi 11,1995, p.6.8, p.6.28)，并且每一個駐波都位于其生成光束的焦深區(qū)的直徑范圍內(nèi)(注意，即使反射光束的直徑有所擴(kuò)展也是這樣)。在每一個駐波中，光場的強(qiáng)度是以多個周期性的平面或準(zhǔn)平面的層結(jié)構(gòu)方式分布著，周期的間隔是對應(yīng)波長的一半。為了避免反射光束直徑過于擴(kuò)展，小反射鏡156應(yīng)靠近光盤片，上已述，經(jīng)由致動器190的自動對焦，小反射鏡上表面和光盤片下表面之間的距離可被保持到不大于2微米。[
在這個實(shí)施例中，存儲層是用光子定域聚合物制成，這些聚合物是用偶氮苯發(fā)色基和介晶側(cè)基功能化的側(cè)鏈共聚物系統(tǒng)(side-chain copolymer systems functionalizedwith azobenzene chromophores and mesogenic side groups)。具有高強(qiáng)度的線性偏振光會把每個含氮發(fā)色基(azo-chromophore)的長軸轉(zhuǎn)向與光的偏振方向垂直,于是通過光的吸收可使塊狀材料產(chǎn)生雙折射。改變光的偏振方向或狀態(tài)，該種聚合物材料能被可逆地在兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，在這兩個狀態(tài)中，材料分子的取向分布是極大地不同，這包括從在某一平面內(nèi)各向同性的取向變到在同一平面內(nèi)高度各向異性的取向，從在某一平面內(nèi)高度各向異性的取向變到在同一平面內(nèi)另一個不同的高度各向異性的取向，和從在某一平面內(nèi)高度各向異性的取向變到在同一平面內(nèi)各向同性的取向。通過線性偏振光的照射，介質(zhì)的平行于光偏振方向的折射率η//將會被減少,而介質(zhì)的垂直于光偏振方向的折射率ηΤ將會被增加，這種光子可感生和可消除的雙折射率的變化值Λη = η〃-ητ取決于照射光的強(qiáng)度，并且可以大于0.5。此外，通過改變材料的結(jié)構(gòu)，例如分子長度，這些聚合物能分別對不同的波長區(qū)段起響應(yīng)，例如綠-黃色波段、綠色波段和藍(lán)色波段等(見R.Hagen and T.Bieringer,Photoaddressable polymers for optical data storage, Advanced Materials, Vol.13,N0.23,2001, pp.1805-1810)，于是通過選擇材料的結(jié)構(gòu)，可以使不同的儲存介質(zhì)層分別對不同的波長區(qū)段敏感。
在這個實(shí)施例中，就是通過選擇材料的結(jié)構(gòu)，使存儲層142、144和146分別地只對三個子光束組1、2和3的波長區(qū)段δ λ” δ入2和δ λ3敏感。每一個子光束組中的光束在其對應(yīng)的存儲層中形成駐波，在每個駐波中，光場的強(qiáng)度在波場反節(jié)點(diǎn)(ant1-nodes)處增加到原照射光束強(qiáng)度的大約4倍，而在波場節(jié)點(diǎn)(nodes)點(diǎn)處強(qiáng)度減少到幾乎為零，由于每一個波場節(jié)點(diǎn)到與其相鄰的波場反節(jié)點(diǎn)的距離僅為四分之一波長，這就形成一個極大的光場強(qiáng)度梯度，又由于這些光束是會聚在一個微小的體積內(nèi)，高光強(qiáng)和極大的光強(qiáng)梯度便會顯著改變儲存介質(zhì)的折射率，在儲存介質(zhì)中形成多個周期性的平面或準(zhǔn)平面形的層結(jié)構(gòu)。這種多層結(jié)構(gòu)的周期厚度是半個波長，這種結(jié)構(gòu)與由N個AB型周期性層結(jié)構(gòu)組成的的布拉格反射鏡非常相似，其中A、B分別代表折射率為\和nb的兩種介質(zhì)層，AB的周期長度是入1]1/2(入111是介質(zhì)中的波長)。因?yàn)檎凵渎实淖兓刂叫杏诤痛怪庇谡丈涔馐穹较虻膬蓚€方向是不同的，每個被生成的布拉格反射鏡似結(jié)構(gòu)將會選擇性地反射具有相對應(yīng)波長和相匹配偏振方向的光束，也就是說，只反射其波長和偏振方向是與原生成該布拉格反射鏡似結(jié)構(gòu)的光束相同的光束，并且其反射率也是與它的原生成光束的強(qiáng)度成正比(見M.Bass and et cetera，eds.，Handbook of Optics，Vol.1I，McGraw-Hill，1995，p.6.8,p.6.28)。在照射光束消失后，該種布拉格反射鏡似結(jié)構(gòu)將繼續(xù)存在，于是隨著光盤片的旋轉(zhuǎn)和致動器90和190沿著光盤片的徑向方向的移動，不同的布拉格反射鏡似結(jié)構(gòu)組將在位于光盤片平面不同位置的含有三層存儲層的微小體積中生成。
眾所周知，如果一個布拉格反射鏡的兩種相互交疊的介質(zhì)層的折射率差值大，以及/或者其所含的周期數(shù)目大，這個布拉格反射鏡就可以有很高的反射率。對于一個有兩種折射率均勻的介質(zhì)組成的周期性多層反射鏡，只要nada和nbdb分別等于λ m/4的奇數(shù)倍，該反射鏡便具有最大的反射率(其中da和db分別是折射率為na和nb的兩種介質(zhì)層的厚度)。當(dāng)光束正入射時(shí)，布拉格反射鏡的最大光強(qiáng)反射率有下式給出
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，該方法包括: 使用多個具有不同波長、并且光強(qiáng)度和偏振方向被編碼的線性偏振光束，在每一個短小期間內(nèi)在光折變、且偏振和波長敏感的光學(xué)存儲介質(zhì)中形成一組平行或準(zhǔn)平行的光學(xué)駐波； 所說的光束強(qiáng)度和偏振方向的編碼是所說的多個線性偏振光束的波長、光束強(qiáng)度和偏振方向在每一個短小期間內(nèi)按照一個彩色明度和偏振方向編碼的規(guī)則與某一組數(shù)據(jù)相對應(yīng)； 再通過光學(xué)駐波和存儲介質(zhì)之間的光學(xué)相互作用而改變介質(zhì)的折射率和偏振特性從而在介質(zhì)中的每一個微小體積內(nèi)產(chǎn)生多個波長選擇性的、反射率特定的和偏振敏感的平行或準(zhǔn)平行的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)組而作為每一個存儲單元； 并且通過存儲介質(zhì)的波長敏感性使所生成的每一個存儲單元位于一層的存儲介質(zhì)中，或分段地的位于多層的存儲介質(zhì)中； 然后使用多個非偏振光束去照射所需要的存儲單元去產(chǎn)生具有被選擇的波長、相對應(yīng)的光強(qiáng)度和特定的偏振方向的反射光束組； 最后經(jīng)由一個彩色明度和偏振方向解碼過程對該反射光束組的波長、光束強(qiáng)度和偏振方向進(jìn)行解碼而再生該存儲單元所儲存的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，其特征在于:所說的彩色明度和偏振方向的編碼規(guī)則是所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的所有可能的合成狀態(tài)中的每一個或者每一個中的特定的一部分都預(yù)先被規(guī)定與一個適宜的數(shù)字編碼系統(tǒng)中的某一個特定的基本符號相對應(yīng)，并且所需要的基本符號中的每一個都可以由一個相對應(yīng)的所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)或一個相對應(yīng)的合成狀態(tài)中的特定一部分來表達(dá)，因此任何一個含有有限的和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)組都能經(jīng)由一個基本符號或者一組對應(yīng)的基本符號的組合和排列而由所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的某一個合成狀態(tài)來表達(dá)；所說的彩色明度和偏振方向解碼過程是一個與所說的彩色明度和偏振方向編碼過程相反的過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，其特征在于:所說的形成每一組平行或準(zhǔn)平行的光學(xué)駐波是在由存儲介質(zhì)中射出的光束路徑中放置或打開一面反射鏡，使所說的多個線性偏振光束被垂直地反射回存儲介質(zhì)中，這些反射光束與隨后入射的光束發(fā)生光學(xué)干涉而生成光學(xué)駐波；所說的使用多個非偏振光束去照射所需要的存儲單元去產(chǎn)生具有被選擇的波長、相對應(yīng)的光強(qiáng)度和特定的偏振方向的反射光束組和所說的行波是所說的位于由存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中的反射鏡被移走或者被關(guān)閉，因此當(dāng)光束照射各存儲層時(shí)，它們就成了行波，并只能由存儲介質(zhì)中生成的布拉格反射鏡組式結(jié)構(gòu)組反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，其特征在于:所說的光折變、且偏振和波長敏感的光學(xué)存儲介質(zhì)是其光學(xué)折射率在被光強(qiáng)大于介質(zhì)折射率變化閾值的光束照射時(shí)能改變，并且其折射率分布也能隨照射光束的偏振方向或狀態(tài)的不同而不同，或者既隨照射光束的偏振方向或狀態(tài)的不同而不同，又隨照射光束的波長的不同而不同的光學(xué)材料，這些材料包括光子定域聚合物、被起偏的全息術(shù)用光敏聚合物、納米金屬柱摻雜物、半導(dǎo)體納米晶體量子點(diǎn)材料等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法，其特征在于:可以使用具有所需波長的行波在所需的期間內(nèi)去擦除一個或多個存儲單元中的一層或多層介質(zhì)層中的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)(組)去消除部分或全部的儲存數(shù)據(jù)，或者也可以使用具有所需波長的駐波在所需的期間內(nèi)去改變一個或多個所需要的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)(組)，使它(們)具有一個代表著“無數(shù)據(jù)”的特定的反射率和偏振方向的合成狀態(tài)來消除部分的或全部的儲存數(shù)據(jù)，所說的一個代表著“無數(shù)據(jù)”的特定的反射率和偏振方向的布拉格反射鏡式結(jié)構(gòu)是生成該反射鏡式結(jié)構(gòu)的光束的強(qiáng)度都被調(diào)諧到一個相同的特定值，而這些光束的偏振方向都被旋轉(zhuǎn)到一個相同的特定方向，且不管這些光束的波長是何值，由這些具有特定強(qiáng)度值和特定偏振方向的光束而生成的布拉格反射鏡都被預(yù)先在所說的彩色明度和偏振方向編碼和解碼規(guī)則中被規(guī)定代表著一個“無數(shù)據(jù)”的狀態(tài)。
6.一種實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的方法的裝置，該裝置包括: 一個含有一層或多層的光折變、偏振和波長敏感的光學(xué)存儲介質(zhì)的光盤片，數(shù)據(jù)儲存在與該盤片平面平行的同心圓形或螺旋形的軌跡里； 由多個激光器發(fā)出多個不同波長的線性偏振或非偏振光束，這多個線性偏振或非偏振光束被引導(dǎo)成為共線、同心、平行或者準(zhǔn)平行的光束并在盤片內(nèi)垂直于盤片平面方向的不同深度處形成可能的最小光束直徑，這些光束將數(shù)據(jù)寫入存儲單元中，或在存儲單元中將數(shù)據(jù)讀出或擦除； 一個或多個光束強(qiáng)度調(diào)制器；一個或多個偏振方向旋轉(zhuǎn)器；一個依照所說的彩色明度和偏振方向編碼規(guī)則在每一個短小期間內(nèi)對所說的多個線性偏振光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)進(jìn)行編碼使其與某一個數(shù)據(jù)組相對應(yīng)的電子處理器； 多個能對從每一個所需要的存儲單元反射回來的光束的強(qiáng)度和偏振方向進(jìn)行測量的光學(xué)探測器；一個依照所說的彩色明度和偏振方向解碼規(guī)則在每一個短小期間內(nèi)對從每一個所需要的存儲單元反射回來的光束的波長、強(qiáng)度和偏振方向的合成狀態(tài)進(jìn)行解碼從而再生所對應(yīng)的每一個數(shù)據(jù)組的電子處理器； 一個當(dāng)使用駐波書寫或擦 除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中放置或打開一面反射鏡的光學(xué)手段；或一個當(dāng)使用行波閱讀或擦除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中移走或關(guān)閉一面反射鏡的光學(xué)手段； 一個使所說的多個線性偏振或非偏振光束的焦深區(qū)能分別地保持在各個所需要的光學(xué)存儲介質(zhì)層里的光學(xué)自動對焦手段； 一個使所說的線性偏振或非偏振光束的光斑中心能保持在所說的同心圓形或螺旋形的軌跡內(nèi)的光學(xué)自動尋跡手段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于:所說的一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)是被制作在一個可旋轉(zhuǎn)和易置換的，或者是可旋轉(zhuǎn)但固定的光盤片中，該光盤片的形狀一般是圓形的薄片，其直徑是從5毫米到2000毫米，其厚度是從0.1毫米到20毫米，特別包括和CD和DVD光盤相同的形狀和尺寸，每層存儲介質(zhì)層的厚度是從0.3微米到3毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于:所說的發(fā)出多個線性偏振光束的激光器是一個或者多個激光器陣列，每一個這樣的陣列由2到90個或者更多個的半導(dǎo)體激光器組成并依照波長的順序排成一列，或者是一個或者多個的多波長激光器或者頻率可調(diào)諧激光器；所說的發(fā)出多個非偏振光束的激光器是兩個或者多個(偶數(shù)個)激光器陣列，每一個這樣的陣列由2到90個或者更多個的半導(dǎo)體激光器組成并依照波長的順序排成一列，并且這些激光器陣列中總有兩個陣列具有相同的激光器數(shù)目和波長，或者是兩個或者多個(偶數(shù)個)多波長激光器或者頻率可調(diào)諧激光器；在閱讀數(shù)據(jù)時(shí)，所說的這些激光器陣列，多波長激光器和頻率可調(diào)諧激光器的偏振方向總是被旋轉(zhuǎn)到這樣一種狀態(tài):在每一個短小期間總有兩個偏振方向相互垂直的線性偏振光束具有相同的波長。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于:所說的一個當(dāng)使用駐波書寫或擦除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中放置或啟開一面反射鏡的光學(xué)手段，或一個當(dāng)使用行波閱讀或擦除數(shù)據(jù)時(shí)能快速地在從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中移除或關(guān)閉一面反射鏡的光學(xué)手段是使用電動音圈似裝置推入一面小反射鏡到從一層或多層的光學(xué)存儲介質(zhì)中射出的光束的路徑中，或從該光束路徑中拉出該面小反射鏡，在該小反射鏡位于射出的光束的路徑中時(shí)，通過攜帶有該小反射鏡的致動器的自動對焦而使該小反射鏡緊靠光盤片；或者使用兩個或嵌入光盤片之內(nèi)或放置于光盤片之外的可調(diào)諧的液晶池并與一片高反射的片基組合構(gòu)成一個可變的非偏振寬帶反射鏡和吸收片，通過開關(guān)施加于液晶池的電壓而使液晶偶極子的方向旋轉(zhuǎn)到與電場方向平行或垂直，而使光束通過兩層液晶層，然后被反射基片或鏡子反射返回，或者被兩個液晶池吸收。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于:所說的一個使所說的多個線性偏振或非偏振光束的焦深區(qū)能分別地保持在各個所需要的光學(xué)存儲介質(zhì)層里的光學(xué)自動對焦手段是用一個特別附加的光束作為一個調(diào)整光束，該調(diào)整光束被引導(dǎo)而和所說的多個線性偏振或非偏振光束成為共線、同心的光束，該調(diào)整光束的焦點(diǎn)和所說的多個線性偏振或非偏振光束中的每一個子光束組的焦點(diǎn)保持不同的并且不變的間隔從而位于光盤片中不同的深度，并且該調(diào)整光束的焦點(diǎn)通過一自動對焦機(jī)構(gòu)而保持位于溝槽軌跡的表面上；所說的一個使所說的線性偏振或非偏振光束的光斑中心能保持在所說的同心圓形或螺旋形的軌跡內(nèi)的光學(xué)自動尋跡手段是所說的自動對焦調(diào)整光束也同時(shí)作為自動尋跡的調(diào)整光束，該調(diào)整光束被引導(dǎo)而和所說的多個線性偏振或非偏振光束成為共線、同心的光束，并且該調(diào)整光束的焦點(diǎn)通過一自動尋跡機(jī)構(gòu)而保持位于溝槽軌跡中心線上。
11.根據(jù)權(quán)利要求6和權(quán)利要求10所述的光學(xué)六維存儲數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于:使用所說的調(diào)整光束同時(shí)作為CD或者DVD光盤的書寫、閱讀和擦除光束，被儲存的數(shù)據(jù)可以通過分享被接收到的自動對焦或自動尋跡光信號而閱讀，不論接收到的光強(qiáng)度如何分布，當(dāng)所接收到的總的光功率大于某一特定值時(shí)，則被接收的數(shù)據(jù)值便被認(rèn)為是1，而當(dāng)所接收到的總的光功率小于該特定值時(shí)，則被接收的數(shù)據(jù)值便被認(rèn)為是0，而數(shù)據(jù)的書寫、閱讀和擦除可以通過調(diào)制調(diào)整光束的輸出光功率而實(shí)施，從而使所發(fā)明的裝置能兼容CD和DVD激光光盤。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光學(xué)六維數(shù)據(jù)存儲的方法和基于該方法的裝置，其特征是使用具有不同波長且光強(qiáng)度和光偏振方向被編碼的多個光束在含有多層光學(xué)存儲介質(zhì)的每一個微小體積內(nèi)生成多個平行或準(zhǔn)平行的布拉格反射鏡，每一個布拉格反射鏡的光反射是波長選擇性的、反射率是特定的并對光的偏振方向是敏感的，由在每一個微小體積內(nèi)生成的布拉格反射鏡組構(gòu)成每一個存儲單元，本發(fā)明裝置能高速寫讀和擦除數(shù)據(jù)，其每片光盤的存儲容量可達(dá)10兆兆比特(10TeraBytes)以上，此外，本發(fā)明方法和裝置沒有多層光學(xué)存儲方法和裝置中產(chǎn)生的層間光學(xué)干擾，也沒有全息存儲方法和裝置中因存儲介質(zhì)的快速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的寫讀品質(zhì)下降，并能與現(xiàn)有的CD和DVD光盤良好地兼容。
文檔編號G11B7/09GK103137146SQ201210445098
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者柳尚青 申請人:李忠奇