Способ многослойной оптической записи и воспроизведения двоичной информации

 

Способ многослойной оптической записи и воспроизведения двоичной информации относится к области информатики и вычислительной техники и может быть использован преимущественно в цифровых оптических системах памяти. При записи двумя пучками оптического излучения облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют цуг ультразвуковых колебаний, частота которого меняется по пилообразному закону. Дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на адресуемом слое объемного материала и производят запись образовавшейся интерференционной картины. Направление сканирования выбирают так, чтобы строка интерференционных картин, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя информации. При считывании частоту света одного из пучков сдвигают относительно частоты другого. Обоими воспроизводящими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют вышеупомянутый цуг ультразвуковых колебаний. Каждый последующий цуг вводят с задержкой относительно предыдущего, а длительность задержки регулируют. Дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на адресуемом слое материала объемного носителя информации, полученную интерференционную картину совмещают с предварительно записанной интерференционной картиной, а сигнал воспроизведения получают выделением высокочастотной составляющей из электрического сигнала на выходе фотоприемника. Технический результат - увеличение скорости записи и считывания двоичной информации. 1 ил.

Изобретение относится к области информатики и вычислительной техники и может быть использовано в цифровых оптических системах памяти.

Известен способ записи информации [1], основанный на формировании пучка света, освещении им зеркального барабана, фокусировании сканирующего пучка движущимся микрообъективом, облучении сфокусированным пучком многослойной регистрирующей среды и образовании обнаружимых изменений в произвольном заданном слое.

Нерешенной задачей в этом способе является ограничение скорости записи и считывания, связанные с наличием механического сканера.

Известен также способ записи информации [2], основанный на формировании по крайней мере двух сфокусированных пучков света: информационного и опорного, облучении ими объемного материала, носителя информации, и образовании обнаружимых изменений в области их пересечения. Увеличение скорости записи в этом способе достигается применением многоканальной записи. При этом информационный пучок освещает одномерный модулятор света и уменьшенное изображение модулятора переносят в требуемый слой объемного носителя информации.

Однако данный способ характеризуется тем, что при переходе от записи единичного информационного пита к параллельной записи целой строки плотность записи падает. Это падение обусловлено тем, что для проведения однородной по всей строке записи размер перетяжки опорного пучка и размер элемента информационной строки необходимо увеличить по сравнению с размером, определяющим максимальную плотность записи. Таким образом, увеличение скорости записи сопровождается уменьшением плотности регистрации информации.

Известен наиболее близкий по технической сущности способ многослойной записи и воспроизведения информации [3], основанный на формировании двух сфокусированных когерентных оптических пучков, пространственном совмещении их на адресуемом слое объемного носителя информации. Для проведения записи в других слоях производят относительное перемещение зоны пересечения пучков и объемного носителя по его глубине.

Нерешенной задачей этого способа является то, что в нем не разработаны средства, обеспечивающие высокую скорость записи и считывания в каждом адресуемом слое.

Целью предлагаемого способа является увеличение скорости записи и считывания двоичной информации.

Поставленная цель достигается тем, что при записи формируют два пучка оптического излучения, модулируют их в соответствии с информационным содержанием, облучают обоими пучками акустооптическую ячейку, в которой формируют цуг ультразвуковых колебаний, частота которого меняется по пилообразному закону. Дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на адресуемом слое материала объемного носителя информации и производят запись образовавшейся интерференционной картины. Направление сканирования выбирают так, чтобы строка интерференционных картин, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя информации. При считывании частоту света одного из пучков сдвигают относительно частоты другого. Обоими воспроизводящими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют вышеупомянутый цуг ультразвуковых колебаний. Каждый последующий ультразвуковой цуг вводят с задержкой относительно предыдущего, причем длительность задержки регулируют.

Дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на требуемом слое материала объемного носителя информации, а полученную интерференционную картину совмещают с предварительно записанной интерференционной картиной. Сканирование интерференционной картины, образовавшейся при пересечении воспроизводящих пучков, производят так, чтобы строка, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя информации.

Новыми предложенными признаками являются следующие: двухпучковую интерференционную запись в адресуемом слое производят на движущийся носитель, записывающими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют цуг ультразвуковых колебаний, частота которых меняется по пилообразному закону, дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на адресуемом слое носителя информации, причем направление сканирования выбирают так, чтобы строка интерференционных картин, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя. При считывании, которое производится с адресуемого слоя движущегося носителя, воспроизводящими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют вышеупомянутый цуг ультразвуковых колебаний, каждый последующий ультразвуковой цуг вводят с задержкой относительно предыдущего, причем длительность задержки регулируют, сканирование интерференционной картины, образованной в результате совмещения дифрагированных на ячейке пучков на требуемом слое материала носителя информации, производят так, чтобы строка, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя информации.

Предлагаемый способ проиллюстрирован с помощью чертежа (а, б).

На чертеже (а, б) приведена в двух проекциях оптическая блок-схема устройства, реализующего заявленный способ. (а представляет проекцию блок-схемы в плоскости XZ; б представляет проекцию блок-схемы в плоскости YZ).

Поясним способ на примере работы устройства, реализующего этот способ. Устройство содержит лазерный источник света 1, объектив 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, объектив 4, цилиндрическую линзу 5, акустооптическую ячейку (АОЯ) 6, цилиндрическую линзу 7, объектив 8, объектив 9, объемный материал - носитель информации 10, устройство поперечного перемещения материала 11, устройство продольного перемещения объектива (9) 12, фотоприемник 13.

Запись информации предлагаемым способом осуществляется в следующей последовательности. Световой пучок, генерируемый лазером 1, фокусируется объективом 2 в АОМ 3. Синусоидальный электрический сигнал с частотой ω_г возбуждает в АОМ бегущую ультразвуковую волну. Световой пучок, освещающий АОМ, дифрагирует на этой волне, и на выходе модулятора получают два световых пучка. Объектив 4 формирует из них два параллельных пучка, а цилиндрическая линза 5 фокусирует их в плоскости XZ в зону акустооптического взаимодействия АОЯ 6 (чертеж, а). В АОЯ формируют цуг ультразвуковых колебаний, частота которых меняется по пилообразному закону. АОЯ ориентируют таким образом, чтобы ультразвуковой цуг распространялся в ячейке в плоскости XY под небольшим углом относительно оси Y. Ультразвуковой цуг с линейной частотной модуляцией, распространяющийся в ячейке, по действию на световой пучок подобен цилиндрической линзе и при своем движении по апертуре ячейки последовательно формирует в фокальной плоскости растр перетяжек (чертеж, б). Телескопическая система, состоящая из объектива 8 и объектива 9, переносит с уменьшением этот растр в адресуемый слой объемного носителя информации 10. В плоскости XZ (чертеж, а) цилиндрическая линза 7 и объектив 8 формируют два параллельных пучка, которые падают на объектив 9. Один из этих пучков соответствует нулевому, а второй - дифрагированному в АОМ световому пучку. В задней фокальной плоскости объектива 9 в области пересечения двух сфокусированных пучков формируется интерференционная решетка. Далее производят запись этой решетки. Следует отметить, что при записи информации лазер работает в импульсном режиме излучения, причем длительность импульса выбирается такой, чтобы за время экспозиции решетка не успела переместиться более чем на четверть своего периода. Таким образом, за один цикл сканирования в адресуемом слое регистрирующей среды формируется в направлении оси Y дорожка-растр таких микрорешеток. Устройство 11 производит перемещение среды в направлении оси X. Затем осуществляется новый цикл сканирования и запись следующей дорожки микрорешеток. Ориентация дорожки перпендикулярно направлению перемещения среды осуществляется выбором такого направления сканирования, чтобы Х-компонента вектора скорости сканирования оказалась равной по величине и противоположной по направлению вектору скорости перемещения среды. Сканирование с помощью АОЯ приводит к увеличению скорости записи без увеличения скорости движения носителя. Выбор адресуемого слоя производится путем перемещения объектива 9 при помощи устройства 12 вдоль оптической оси. При этом зона пересечения световых пучков перемещается относительно регистрирующей среды и производится запись в других по глубине областях регистрирующей среды.

При считывании используется та же, что и при записи, оптическая схема. Лазер 1 переключается в непрерывный режим работы. Синусоидальный электрический сигнал с частотой ω_г возбуждает в АОМ 3 бегущую ультразвуковую волну. Световой пучок освещает модулятор. Продифрагировавший пучок получает частотный сдвиг ω_г. После прохождения объективов 4, 5 оба пучка освещают АОЯ 6, в которой также распространяется цуг ультразвуковых колебаний, частота которых меняется по пилообразному закону. Процесс образования в адресуемом слое объемной регистрирующей среды интерференционной решетки такой же, как и при записи. Эта решетка взаимодействует с зарегистрированной в слое интерференционной решеткой. Если на оптический вход фотоприемника 13 направить один из световых пучков, например, соответствующий нулевому пучку на выходе АОМ 3, то в этом же направлении будет распространяться еще один пучок - дважды дифрагированный: на АОМ и на зарегистрированной в слое решетке. Частота этого пучка будет сдвинута относительно нулевого. Фотоприемник 13 произведет гетеродинное детектирование и на его выходе будет зарегистрирован сигнал с разностной частотой. Так как вектор скорости движения носителя имеет тоже направление, что и вектор скорости бегущей решетки, то сигнал на выходе фотодетектора вследствие доплеровского сдвига будет отличен от ω_г. Этот сдвиг частоты будет существенным при высоких скоростях записи/считывания. Высокая же достоверность гетеродинного считывания обеспечивается при разностной частоте, достаточно близкой к ω_г. Поэтому, чтобы скомпенсировать частотный сдвиг, направление сканирования выбирают так, что Х-компонента вектора скорости сканирования равна по величине и противоположна по направлению вектору скорости перемещения среды. В процессе распространения ультразвукового цуга в АОЯ 5 воспроизводящая интерференционная решетка будет соответственно перемещаться и производиться считывание других элементов предварительно зарегистрированной дорожки-растра. После завершения одного цикла сканирования лазер выключается, текущий ультразвуковой цуг выходит из световой апертуры АОЯ, а следующий цуг входит. Когда цуг полностью войдет в световую апертуру АОЯ, лазер включается и происходит следующий цикл сканирования. При увеличении времени задержки между двумя ультразвуковыми цугами и соответственной задержки времени включения лазера начальное и соответственно конечное положение элементов растра будет смещено. Уменьшение времени задержки приведет к возврату элементов растра в следующем цикле сканирования в исходное положение. Таким образом, введение управляемой задержки между последовательными ультразвуковыми цугами позволяет использовать АОЯ в качестве исполнительного механизма скоростной системы слежения за дорожкой и тем самым повысить предельную скорость считывания.

Скорость перемещения среды выбирают такой, что за время цикла сканирования среда перемещается на расстояние, равное размеру интерференционной картины в направлении движения среды. Этим обеспечивается плотное заполнение поверхности адресуемого слоя.

Описываемый способ был реализован в лаборатории оптических компьютерных систем Института автоматики и электрометрии СО РАН.

В АОМ 3 была использована ячейка из кристалла TeO₂. На АОМ подавался электрический синусоидальный сигнал с частотой ω_г = 280 МГц. АОЯ 6 также была изготовлена из TeO₂. Апертурное время ячейки 1,64 мкс. Управляющий ЛЧМ импульс имеет полосу частот 200 МГц (300-500 МГц) и длительность T = 0,64 мкс. Время сканирования - 1 мкс. Экспериментально определенный размер интерференционной решетки-пита составляет 1,5-2 мкм², где размер в направлении движения среды составляет 2 мкм. Пространственная частота ≈ 1000 л/мм. В строке записывается 134 пита и ее длина 1,5·134 = 201 мкм. Скорость развертки составляет 201 мкм/1 мкс = 201 м/с и скорость записи/считывания 134/1 мкс =134 Мбит/с. Предельная скорость записи/считывания у систем, основанных на механическом движении носителя, значительно меньше. Например, если диск, записанный в формате CD, вращать со скоростью 60 об/с, то скорость считывания с наружной дорожки составит 17 Мбит/с, а скорость движения носителя 23 м/с. Скорость эта почти на порядок меньше полученной с помощью АОЯ и не может быть значительно повышена.

Скорость движения среды составляет 2 мкм/1 мкс = 2 м/с, а скорость бегущей решетки - 1 мкм/(1/280 МГц) = 357 м/с. Следовательно, относительное изменение частоты, обусловленное доплеровским сдвигом, составляет (2/357)·100%= 0,56%. Однако при увеличении скорости движения носителя этот сдвиг будет пропорционально возрастать. Для компенсации сдвига АОЯ необходимо повернуть на 2/201 ≈ 0,01 ≈ 0,6^o.

Наличие системы слежения за дорожкой с микросекундным быстродействием позволяет повысить предельную скорость перемещения среды и тем самым повысить скорость считывания.

Литература 1. Патент США N 4219704, кл. G 11 В 7/00, 1980.

2. Патент США N 5325324, кл. G 11 C 11/42, 1994.

3. Авторское свидетельство СССР N 17629233, кл. G 11 В 7/00, 1990.

Формула изобретения

Способ многослойной оптической записи и воспроизведения двоичной информации, при котором при записи формируют два когерентных друг другу сфокусированных пучка оптического излучения, модулируют их в соответствии с информационным содержанием, пространственно совмещают их на адресуемом слое материала объемного носителя информации, производят запись образовавшейся интерференционной картины путем экспонирования материала носителя информации, причем глубину интерференционной картины устанавливают меньше, чем толщина объемного носителя информации, а для записи информации в других слоях носителя производят относительное перемещение зоны пересечения записывающих пучков и объемного носителя по его глубине, при воспроизведении информации формируют два сфокусированных пучка, частота излучения одного из которых отлична от частоты излучения другого, пучки воспроизведения пространственно совмещают на адресуемом слое объемного носителя информации, совмещают записанную интерференционную картину с интерференционной картиной, полученной от совмещения воспроизводящих пучков, а сигнал воспроизведения получают выделением высокочастотной составляющей из электрического сигнала на выходе фотоприемника, отличающийся тем, что двухпучковую интерференционную запись производят на движущийся носитель, записывающими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют цуг ультразвуковых колебаний, частота которых меняется по пилообразному закону, дифрагированные на ячейке пучки фокусируют и совмещают на адресуемом слое носителя информации, причем направление сканирования выбирают так, чтобы строка интерференционных картин, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя, а при считывании, которое производится с движущегося носителя, воспроизводящими пучками облучают акустооптическую ячейку, в которой формируют вышеупомянутый цуг ультразвуковых колебаний, каждый последующий ультразвуковой цуг вводят с задержкой относительно предыдущего, причем длительность задержки регулируют, сканирование интерференционной картины, образованной в результате совмещения дифрагированных на ячейке пучков на требуемом слое материала носителя информации, производят так, чтобы строка, сформированная в результате сканирования и движения носителя, была ориентирована перпендикулярно направлению движения носителя информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1