JPH04502225A - 強誘電体を主体とする媒体に情報を書き込み、また該媒体から情報を読み出す方法及び装置 - Google Patents

強誘電体を主体とする媒体に情報を書き込み、また該媒体から情報を読み出す方法及び装置

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JPH04502225A JP2513931A JP51393190A JPH04502225A JP H04502225 A JPH04502225 A JP H04502225A JP 2513931 A JP2513931 A JP 2513931A JP 51393190 A JP51393190 A JP 51393190A JP H04502225 A JPH04502225 A JP H04502225A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ! 体を主 と る に を書き込み また1 か ”み ゛ び 本発明は、強誘電体を主体とする媒体に情報を記憶させること、及び該媒体から 情報を読み出すことに係わる。記憶は電気的アドレス指定または光学的アドレス 指定によって実現し得る。読み出しは光学的方法で行なう。
光学的方法で読み出され得るデータがデジタル方式で記録される光デジタルディ スクは、今や良く知られている。
光ディスクの主な魅力はその大きい記憶容量に有る。現在市販されているモデル はCD−ROM(Compact Dise Read OnlyMe+5or y)型のディスク、及び1回だけ書き込めるディスク(WORN)である、任意 に再書き込み可能なRIIIN(Read Write)4any)ディスクは まだ存在しないので、最も進んだ技術はWORN型に対応する技術である。
現在性なわれている光ディスクへの書き込みの原理は、感光層から成るトラック を局所的に焼くことであるamみ出しはレーザビームをトラック上で単に反射さ せることによって行なわれ、この反射は焼かれた領域が情報ビットとして認識さ れることを可能にする1通常得られる情報密度は1011ビツト/lll2(即 ち1ビツト当たり10μm2)であり、また読み出しスループットは約10メガ ビツト/Sである。
再書き込み可能な光ディスクの開発は、主に磁気光学的に進められている。レー ザビームが稀土類元素を主成分とする磁性体を局所的に加熱し、加熱された磁性 体は可変磁場内で冷却され、それによって所与の分極状態が“凍結”される、読 み出し法にはファラデー効果、即ち磁性体中でのiN光回転の原理が用いられる 。レーザビームで非常に局所的に加熱することによって分解能が保証される。し かし、この技術ではまだ商業的に用いられるまでに至り得ない。
記憶装置の製造に強誘電体が用いられ得ることも公知である。しかし、2つの不 揮発性の分極状態を用いるメモリの適用は、分極の切り替えが困難であるために きわめて限られる。従って、強誘電体は磁性体メモリの電気的対応物となり得な い。上記のような欠点を有しない強誘電体メモリを得るための様々な方法が提案 されている。フランス特許第2,595,025号が提案する、情報の読み出し を焦電的に行なう方法、及びフランス特許第2,604,805号が提案する、 情報の読み出しを誘電的に行なう方法などを挙げることができる。
強3MT、体ポリマーを光メモリの材料として用いる可能性が、T、 R,0G DEN及びり、 M、 GOOKINの論文” Ferroelectricp olymer as an optical 輸ateriaじ(Materi als LeLLers。
Vol、 3. No、 3. January 1985)に示されている。
この論文によれば、電場を印加しつつレーザビームで選択的に加熱することによ り、上記のような材料の点領域に書き込みを行なうことができる。このように書 き込まれたことの読み出しは、強誘電体の双極子の電場配向によって誘起される 複屈折効果を用いて光学的に行なわれる。この読み出し方法は、その効率が非常 に低い点で不利である。実際、上記論文の筆者は、厚み30μ−のPVDF[ポ リ(フッ化ビニリデン)]膜の場き読み出し光波の偏光回転は6°でしかないと 述べている。信号対雑音比が非常に小さく、読み出し光波検出器の発する電流の 強度に関する、0ビツトに対応する股領域と1ビツトに対応する股領域との差は 2%でしかない。
本発明は、任意に再書き込み可能な媒体に情報を書き込み、かつ該媒体から情報 を読み出すシステムを設計することを目的とする。上記媒体は強誘電体から成る 。情報の記憶は、電気的アドレス指定または光学的アドレス指定によって実現さ れ得る。読み出しは光信号の第2高調波発生を用いて光学的に行なわれ、これは 非常に選択的な方法である。
即ち本発明は、二値方式で記憶される情報を強誘電体を主体とする情報媒体に書 き込み、また該媒体から読み出す方法であって、 情報の書き込みを、媒体の情報ビットに対応する領域を分極させることによって 行ない、書き込みが行なわれた領域は第1の分極状態かまたは第2の分極状態と なり、情報の読み出しは光学的に行ない、情報媒体は入射光ビームに応答して第 2高調波の光信号を発生し、この信号の振幅は読み出しの行なわれる領域が第1 の分極状態と第2の分極状態とのいずれに有るかに従って変化し得ることを特徴 とする方法を提供する。
本発明はまた、二値方式で記憶される情報を強誘電体を主体とする情報媒体に書 き込み、また該媒体から読み出す装置であって、情報媒体の1領域は各一方の情 報ビットに対応し、 強誘電体に分極電場を印加して媒体の全領域を第1の分極状態とする手段と、 媒体の所与の領域を第2の分極状態とし、それによって書き込みを行なう手段と 、 情報媒体領域によって発生された第2高調波信号を検出し得る、媒体に書き込ま れた情報を読み出す光学的手段とを含むことを特徴とする装置も提供する。
更に本発明は、情報を強誘電体の領域に記憶する強誘電体主体の情報媒体であっ て、強誘電体領域への電場印加を可能にする少なくとも1つの電極を含むことを 特徴とする媒体も提供する。
図面の簡単な説明 添付図面と関連付けた以下の非限定的具体例の説明を読めば、本発明はより良く 理解され、本発明の上記以外の利点も明らかとなろう、添付図面の 第1図は強誘電体の分極に関するしステリシスループを表すグラフであり、 第2図は強誘電体の分極の大きさを温度の関数として示すグラフであり、 第3図及び第4図は本発明による情報媒体を示す説明図であり、 第5図は本発明による装置の、書き込みを電気的手段によって行なう例の横道を 概略的に示す説明図であり、第6図は本発明による装置の、書き込みを熱的手段 によって行なう例の構造を概略的に示す説明図であり、第7図は本発明による読 み出し装置を示す説明図である。
誘電体に電場Eが印加されると、誘電体物質を構成する荷電粒子(電子、イオン 化原子)はその平衡位置から、電場Eの強度と、該粒子が受けた静電的回復力と 、印加電場の周波数と、誘電体分子の配列とのいずれの関数でもある距離だけ変 位する。その結果誘電体に分極が生じ、この分極は、変位した電荷の密度と電荷 の変位を表すベクトルとのの行列関係が成り立つ。媒体が等方性である場合、1 1χ11はスカラーに還元する0通常、媒体は異方性であり、その場合11χ1 1はテンソルである。
しかし、光周波数を有する強い電磁場が誘電体に印加されると、誘起される分極 はもはや印加された光電磁場に比例せず、印加された場の2乗及び3乗に比例す る非線形項を呈示する。このような非線形分極がもたらす効果は総て、ルビーレ ーザからの放射を照射された石英結晶が第2高調波を発生するというFRANK ENの発見(P、^、 FRANKEN、^、E。
111LL、C,H,PETERS、 G、 IIErMREICH,Phys 、 Rev、 Left、。
Vol、 7.1961. p・、 11B)以来綿密に研究されている。
媒体の電磁場印加に対する応答は、誘起される分極を印加電場の幕級数にに関す ることによってと表記でき、式中P′は誘電体が強誘電体である場合ゼロでない 。
誘起される分筆の上記展開の第1項は線形分極を表し、一方第2項以降の第0項 は媒体の、印加された場に対するn次の非線形応答を反映している。係数χ11 は、n次非線形が有する様々な項は次数+1が高くなるにつれて非常に急速に減 小し、2次感受率に対応する非線形電気光学効果が利用できるようになったのは レーザビームに代表される強力な光源が出現してからである。
一定の条件下で成る種の誘電体では、入射光ビームにより誘起される、蓄積され るエネルギの量に対応する分極は入射光ビームの周波数の2倍の周波数で振動す る波の放射をもたらし、このことはM積されたエネルギの一部回復に相当する。
任意の誘電体が入射光ビームの第2高調波に相当する波を非線形効果により発生 し得るために必要な条件の1つは、該誘電体の2次感受率テンソルがゼロでない ことである。
テンソルχ′1は結晶特性に基づいて規定され、独立のテンソル係数χ11の数 は媒体の対称性を用いて3”−成分に厳密に限定され得る。即ち、χ′わがゼロ でないのは非中心対称の媒体においてのみである。このことから、薄膜光学で通 常用いられるアモルファス媒体(ガラス、通常のポリマー)は総て除外される。
現在、非線形光学で第2高調波発生現象を生起させるのに最も普通に用いられる 物質は、リチウムニオベートやカリウムジヒドロゲノポスフェート(KDP)の ような無機単結晶である。しかし、この分野では無機塩より有機化合物の方が幾 つかの点で優っている。実際、光学の分野に係わる周波数1こおいて有機化合物 が発揮する非線形効果は純粋に電子に山来し、従って有機化合物の応答は実質的 に瞬間的であり、該化合物は超高速光信号処理の分野に用いるのに適当である。
そのうえ、有機化合物が有する(“光屈折性”という話でも示される)光損傷の しきい値は比較的大きい。
最後に、有機化合物は分子工学における多大の可能性を呈示し、このことは比較 的高い2次感受率を有する物質の取得を可能にする。
光学的機能(周波数倍加、ポッケルス効果、パラメトリック発振、光混合)を有 する有機物質は、様々な種類の物質を用いて様々な技術で製造され得る。
電磁波の第2高調波を発生し得る非常に大きい非線形応答を有する有機分子の規 則構造の1種に、ポリマーが有る。
ポリマー膜が特に好ましく、なぜならポリマー膜は(単結晶の寸法からすれば) 非常に大きい面積に適用され得、かつ様々な特性の基板に適用され得るからであ る。しがち、ポリマー膜は低コストで単結晶よりはるかに迅速に製造され得る。
大きい非線形係数を有することが知られている有機分子の殆ど(約80%)の結 晶は中心対称系で、そのχ+21はゼロである。χf21がゼロとならないため には、分子が非線形光学的に活性であるように配向しなければならない。
強誘電体は、自発分極を持つので非中心対称系である。
強誘電体は、電磁波を通し、しかも(屈折率が高いと仮定して)非線形であれば 、高調波発生に用いられ得る。上記条件は、先に述べたKDPやリチウムニオベ ートのような多くの強誘電体において共に満たされている。
本発明によれば、強誘電体を主体とする情報媒体が、二値方式での情報記憶を可 能にするべく用いられる0強誘電体は基板上にデポジットされた層の形態を取り 得る。このような構造は、強誘電体ポリマーを回転被覆法でデポジットすること により容易に得られる。情報媒体は、強誘電体層への分極電場印加を可能にする 電極も含む。
本発明によれば、書き込みは強誘電体の所与の領域を所定の分極状態に置くこと によって行なわれ、その際第1の分極状磨はOビットに対応し、第2の分極状態 は1ビツトに対応する。書き込みは2通りに行なわれ得る。
第1の書き込み法は、電場の印加によって所定の分極状態を得るものである。第 1図に、個々の領域が巨視的分極を有する分極Pのヒステリシスループを(印加 電場Eに対応する)Trj、圧Vの関数として示す、電圧V次第で、一方は0ビ ツトに対応し、他方は1ビツトに対応する2つの分極状態(−P。
から−1−4oまで)が実現され得る。
第2の書き込み法は、熱的手段によって所定の分極状態を得るものである。第2 図に、分極Pを強誘電体の温度の間数として示す、領域は付与された温度に応じ て一定の太きさの分極を保持し、または、付与された温度がキュリ一温度T2以 上であった場合は分極しない。
本発明によれば、情報の読み出しは、書き込みの行なわれた領域における入射レ ーザビームに応答しての第2高調波発生を用いて光学的に行なわれる0強誘電体 が発する第2高調波光線束の強度!+xulはI+2−+=KXP2(Kは比例 定数)として得られるもので、(一方が0ビツトを表し、他方が1ビットを表す )2つの異なる分極状態にそれぞれ対応する2つの読み出し信号は可能なかぎり 互いに異なることが有利である。このことは本発明の方法によって達成され得、 なぜなら分極Poの領域とゼロ分極の領域とに書き込みが行なわれ得、るからで ある、即ち、例えばゼロ分極の領域が0ビツトに対応し、分極Poの領域が1ビ ツトに対応し得る。
従って、書き込みが電気的手段によって行なわれる場合は次のような手順が好ま しい。
第3図及び第4図に示したように、情報媒体は、基板2上にデポジットされた( 好ましくはポリマー膜である)強誘電体の層1から成る。基板はガラス製であり 得る。層1は、行3と列4とのマトリクス配列を成すように配置された2組の透 明電極間に設けられている。電極は混合スズーインジウム酸化物から成り得る( TTO電極)0行と列との交叉部が、書き込みが行なわれ得る記憶領域を規定す る。
書き込みは次のように行なわれる。メモリの全領域が−Poの分極状態に有るも のとする。メモリの行3は0またはvLに等しい電圧でアドレス指定され、−右 列4は電圧+vcまたは一■。でアドレス指定される。電圧VL及びvcは、第 1図に示したヒステリシスループに従いVt、Vcでゼロ分極となり、vL+v cでトPoの分極が起こるように選択される。成る行に書き込むためには、その 行にVt、を印加し、その他の行にゼロ電圧を印加し、かつ列に、所望の分極状 態に応じて+voまたは−vCを印加しなければならない、電圧VL+VCを印 加された強誘電体領域は状qPoとなり、電圧V、−VCを印加された領域は状 態0となる。vLが印加されなかった行に属する領域には電圧ト■。または−V 。しか印加されず、その結果これらの領域の状態−Poに変化は無い、このよう に、書き込みは行毎に行なわれ得る。総ての行に−vLが印加され、かつ総ての 列に+■cが印加されることにより、全部のメモリai域が電圧−(V、+−V t、)を印加されて状態−Poに戻る。
それによってシステムへの再書き込みが可能となる。
書き込みが熱的手段によって行なわれる場合は、次のような手順が好ましい、情 報媒体は、先に述べたのと同様基板上にデポジットされた強誘電体層から成る0 強誘電体層には分極電場が印加できなければならない、そのために、基板と強誘 電体層との間に連続電極が配置され得、分極はコロナ効果で実現され得る。
書き込みは次のように行なわれる。まず、強誘電体層をコロナ効果で分極させて 、例えば状11+Poとする0次に、レーザビームで強誘電体層の所与の領域を 局所的に加熱してキュリ一温度より高温にし、ゼロ分極を実現する。即ち、例え ば加熱されず、従って分極したままである領域が1と・/トに対応し、加熱され 、従って分極状態を解消された領域がOビットに対応する。
強誘電体層としては厚み10μ−のポリ(フッ化ビニリデン−トリフルオロエチ レン)即ちP (VDF−TrFE)層が用いられ得、このコポリマーのキュリ 一温度はTrFE含量に従って55℃から140″Cまで変化する。キュリ一温 度カ月10℃である比率70/30 (VDF70%にTrFE30%)のコポ リマーの場合、30.uJ/12のエネルギを100ns間付与しなければなら ず、即ち30011/饋n”の出力密度が必要であり、この出力密度は波長0. 6μ錆の30m’14レーザ光源からのビームを(害き込みができる領域の面積 である)約10μm7の面積に集束することに相当する。こうして、ゼロ分極の 実現による書き込みが10メガビツト/sの速度で行なわれ得る。
書き込み装置の実現に、当業者はいかなる問題点も特に見いださないであろう、 実際、書き込みが電気で行なわれるにせよ熱で行なわれるにせよ、書き込み装置 の様々な要素の構成方法は公知である。
第5図に、書き込みを電気で行なう装置の構造を概略的に示す。メモリ10に書 き込まれるべき情報は電気的形態で回路11に付与され、回路11は(電気的接 続部14を介して)行を制御する回路12及び(電気的接続部15を介して)列 を制御する回路13に向けて対応するアドレス指定信号を分割出力する。この種 の装置は液晶画面の制御にも用いられる。
第6図に、書き込みを熱で行なう装置の構造を概略的に示す。この例では透明基 板21と、透明電極22と、強誘電体ポリマー層23とによって構成された情報 媒体に参照符号20を付す。基板はガラス製であり得、その最大厚みは1.wm である。電極22は例えばJTOから成る。層23の厚みは約10μ階である。
コロナ効果によって分極を生起させるシステムが、参照符号24をfすして概略 的に示しである。書き込みを行なうには、まず強誘電体層23をコロナ効果で分 極させ、その除電[i22は接地しておく0分極は、上記分極システムを固定し ておき、情報媒体を変位させることによって実現され得る。媒体を固定しておき たい場合は強誘電体層23上に第2の電極が設置され、分極は層23を両側から 挟む2つのIC極間への単なる電場印加により実現される。0ビツトの書き込み はレーザビーム25によって行なわれ、レーザビーム25は、基板21及び電8 i22が透明であるので、領域26を加熱してキュリ一温度より高温にする。レ ーザビームを面上で急速に変位させる装置はやはり公知であり、詳細に説明する 必要は無い。
情報の光学的読み出しは、波長1.55μ−から0.8μ−のレーザビームで行 なわれ得る。
第7図に、本発明による読み出し装置の原理を示す、ここに図示した記録媒体は 第6図にも示した、熱的手段による書き込みに関連する媒体であるが、電気的手 段によって書き込まれた記録媒体の読み出しも全く同様に行なわれる。
読み出しレーザビーム30は、符号27で示したような読み出されるべき領域を 連続的に調べる。 Poに分極した領域は、入射ビームの周波数の2倍の周波数 を有する(即ちこの例では波長0.8771+sから0.4μ−の)光ビーム3 1を発生する。ビーム31はレンズ32によって光検出器33上へと集束され、 光検出器33は図示しない処理回路に信号■、21を送る。この信号の振幅はP a”に比例する1分極していない領域は2ω光ビームを発生しない、n大振幅の 信号を集めるためには、軸線35(書き込みビームの軸線)と軸線36(発生さ れるビームの軸線)とが成す角度αが54〜57゛であることが好ましい。
読み出し速度は、強誘電体層が発生する第2高調波光線束の強度によって制限さ れる0強誘電体層の厚みが10μ−である場合、10μm2の面積に集束される 波長0.96μ−の30Iレーザ光源ビームは波長が0.48μ−である20μ mの光出力をもたらし、即ち出力率は約101となる。この出力は、100ns 間に発生される107の光子に対応する。光検出器として用いられるシリコンホ トダイオードにおいて生じる電子の数は約107である。この数は、約4.10 ’eに対応する容量結合雑音<Q’> −C,x kT(C,は約10pFに等 しい)と比較されるべきである。信号対雑音比は104となり、1ビツトと0ビ ツトとの間の読み出しコントラストは十分である。この計算から、第2高調波信 号が速度10メガビツト/Sでの読み出しのための信号として用いられ得ること は明らかである。
記憶された情報の一部または全部を消去するには、情報媒体を局所的にかまたは 全体的にキュリ一温度まで加熱すれば足りる。
本発明は、低コストで、しかもかなり大きい記憶密度を有する情報媒体を提供す るという利点も有する。このような媒体であれば、WORM(WriLe 0n ce Read Many)型のメモリとして用いることさえ可能である。
分極した領域と分極していない領域との間の読み出しコントラストを更に改善す るため、強誘電体に、大きい非線形係数を有する分子を幾分かく0.1〜10重 量%)含有させ得る1例えば、濃度10!!t1%の4−(4’−シアノフェニ ルアゾ)−N、N−ビス(メ)・キシカルボニルメチル)アニリンは第2高調波 発生効率I2゜/I、を100倍に改善する(J、 R,IIILL、 P、  L。
DtlNN、 に、 J、 DAVIES、 S、 N、 0LIVER,P、  PAN置IS、 J、 D。
IIUSH,ELECTRONICS LETTERS 23.1987. p p、 700−701参照)。
国際調査報告 一7r53 (!l”l/M’l凸、ギーベ ゴマゝ)々−ルーシュマンOデ嗜 ポテ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.二値方式で記憶される情報を強誘電体を主体とする情報媒体に書き込み、ま た該媒体から読み出す方法であって、情報の書き込みを、媒体の情報ビットに対 応する領域を分極させることによって行ない、書き込みが行なわれた領域は第1 の分極状態かまたは第2の分極状態となり、情報の読み出しは光学的に行ない、 情報媒体は入射光ビームに応答して第2高調波の光信号を発生し、この信号の振 幅は読み出しの行なわれる領域が第1の分極状態と第2の分極状態とのいずれに 有るかに従って変化し得ることを特徴とする方法。
  2. 2.媒体領域への書き込みを外部電場の印加によって行なうことを特赦とする請 求項1に記載の方法。
  3. 3.印加する外部電場の大きさによって最大分極に対応する第1の分極状態が得 られることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 4.印加する外部電場の大きさによってゼロ分極に対応する第2の分極状態が得 られることを特徴とする請求項2または3に記載の方法。
  5. 5.媒体領域への書き込みを熱的手段によって行ない、電場を印加して記録媒体 の全領域を非ゼロ分波極状態もしくは第1の分極状態とし、続いて 第2の分極状態とするべき媒体領域をキュリー温度以上の温度まで加熱する ことを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 6.領域の加熱をレーザビームで行なうことを特徴とする請求項5に記載の方法 。
  7. 7.二値方式で記憶される情報を強誘電体を主体とする情報媒体に書き込み、ま た該媒体から読み出す装置であって、情報媒体の1領域は各一方の情報ビットに 対応し、強誘電体に分極電場を印加して媒体の全領域を第1の分極状態とする手 段と、 媒体の所与の領域を第2の分極状態とし、それによって書き込みをマテなう手段 と、 情報媒体領域によって発生された第2高調波信号を検出し得る、媒体に書き込ま れた情報を読み出す光学的手段とを含むことを特徴とする装置。
  8. 8.媒体の所与の領域を第2の分極状態とする手段が媒体の個々の領域に分極電 場を印加し得る電気回路(12、13)であることを特徴とする請求項7に記載 の装置。
  9. 9.媒体の所与の領域を第2の分極状態とする手段が媒体(20)の領域(26 )をキュリー温度以上の温度とし得る光ビーム(25)であることを特徴とする 請求項7に記載の装置。
  10. 10.媒体に書き込まれた情報の一部または全部をキュリー温度以上の温度への 加熱によって消去する手段も含むことを特徴とする請求項7から9のいずれか一 項に記載の装置。
  11. 11.情報を強誘電体の領域に記憶する強誘電体主体の情報媒体であって、強誘 電体領域への電場印加を可能にする少なくとも1つの電極を含むことを特徴とす る媒体。
  12. 12.強誘電体が層(1)の形態を有し、この繰は行(3)と列(4)とのマト リクス配列を成すように配置された2組の電極間に位置し、前記行と列との交叉 部は強誘電体の前記領域を規定することを特徴とする請求項11に記載の媒体。
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