JPH0834003B2 - 光導波路記憶媒体及び光再生装置 - Google Patents

光導波路記憶媒体及び光再生装置

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JPH0834003B2
JPH0834003B2 JP2059533A JP5953390A JPH0834003B2 JP H0834003 B2 JPH0834003 B2 JP H0834003B2 JP 2059533 A JP2059533 A JP 2059533A JP 5953390 A JP5953390 A JP 5953390A JP H0834003 B2 JPH0834003 B2 JP H0834003B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、複数の異なる振幅と位相遅れを持つ反射導
波光を生じる屈折率不連続部を配列し設けた光導波路記
憶媒体を用い、発光素子からの光ビームを導波し、その
一部の反射導波光とドップラー周波数変移した光ビーム
とを光ヘテロダイン検波し、記録された情報を時系列信
号波形として再生する光導波路記憶媒体及び光再生装置
に関するものである。
［従来技術］ 従来の光記憶媒体は第３図に示すように構成されてい
る。ここで光記憶媒体100は、記憶媒体を基板として、
基板面に記録された光反射率の低い凹部101と光反射率
の高い平坦部102を線上に配列し、矢印103の方向に記憶
媒体を移動しつつ、再生を行うように構成されている。
かかる平坦部102と凹部101よりの光反射率の比は、高々
１対0.3〜0.5程度であり光強度の信号対雑音比は決して
よくなく改良も困難である。また、このような記憶媒体
100では、再生時には各凹部101あるいは平坦部102毎に
半導体レーザを集束照射して、反射光を検出し、記憶媒
体100の移動によってのみ時系列信号が再生され、記憶
媒体100の移動速度によって再生さらには記録のアクセ
ス時間が制限されて、高速アクセスが困難であった。ま
た、平坦部からの反射光に依って再生する方式のため、
面密度には限度があり、３次元積層は全く不可能であっ
た。
従来の光再生装置は第４図に示すように構成されてい
る。ここで11は半導体レーザ、12〜15はレンズ、16はフ
ォーカスアクチュエータに設置された集光レンズ、17お
よび18はハーフミラー、19は1/2波長板、20は整形プリ
ズム、21〜23は光検出器、24は記憶媒体、たとえばディ
スク、25はプリズムによるビームスプリッタである。
半導体レーザ11からの光は、レンズ12、整形プリズム
20、ハーフミラー17および集光レンズ16を介して記憶媒
体24に入射して、再生が行われる。
ここで、レーザビーム記憶媒体24が穴あけ記録媒体や
相変態形媒体などのように、反射率変化として情報を記
録する媒体である場合には、ディスク24からの反射光が
光検出器21で検出される。
他方、レーザビーム記憶媒体24が光磁気ディスクなど
のように磁化反転として情報を記録する媒体では、記録
部による反射光偏光面の回転をアナライザであるプリズ
ムビームスプリッタ25で分離し、その分離された光を光
検出器22および23の差動出力で検出する。
このような再生時には、以上の装置をレーザビーム記
憶媒体24の面振れに追随させるために、フォーカス誤差
信号に従って集光レンズ16等を光軸方向に移動させて合
焦させている。
このような従来方式では、（ｉ）ビットにより光反射
方式を用いているため記憶媒体の一点の記録部毎に合焦
を必要とし、光信号の信号対雑音比が悪く、振幅変調も
容易ではなく、信頼性に劣る。
（ii）平坦部に記録されたビット面からの反射に依る再
生のため、記憶情報の面密度には限度があり、３次元積
層は全く不可能である。
（iii）記憶媒体の一点の記録部毎に光信号を再生する
ため、記憶媒体の移動によってのみ時系列信号が再生さ
れ、記憶媒体の移動速度によってサイクル時間が制限さ
れるなどの問題点があった。
［目的］ 本発明はこれらの欠点を解決し、高密度３次元メモリ
ーを構成でき、所定の情報を超高速で一括に、かつ大き
い信号対雑音比で読み出すことが可能な光導波路記憶媒
体及び光再生装置を提供するため、複数の異なる振幅と
位相の反射導波光が生じる微小な屈折率不連続部を、記
録すべき情報に応じて光導波路に複数個配列し、発光素
子からの光ビームを２分割し、一方を該光導波路に入射
し、その一部の振幅と位相が変調されて反射した信号光
と、他方のドップラー周波数変移を与えた光とを干渉
し、光ヘテロダイン出力を得ることにより時系列信号波
形として記憶された情報を再生するものであり、以下図
面について詳細に説明する。
［発明の構成］ 第１図は本発明を説明する原理図であって、30は光導
波路の光結合部、31は光導波路のコア部、32は光導波路
のクラッド層となる基盤、33は空気またはクラッド層と
なる膜、34は入射導波光に対し光結合部よりの相対位置
及び形状に基ずく複素反射率に依って複数の異なる振幅
及び位相を持つ反射導波光（即ち、振幅と位相が変調さ
れた信号光）を生ずる微小な屈折率不連続部である。屈
折率不連続部の形状と位置は、記憶されるべき情報に応
じて所定の複素反射率を得るよう記録される。図では、
その形状が例えば半円あるいは半楕円埋め込み型で大き
さは光波長の数分の１〜数倍である。埋め込み部は例え
ば空気または屈折率の低い透明材質（クラッド層と同質
でも良い）で満たす。この様な屈折率不連続部は光導波
路のコア部あるいはクラッド層にあっても同じ効果が実
現できる。何故なら導波光の電界分布は、コア部を中心
としてクラッド層まで分布しており、クラッド層でも反
射部があれば反射導波光が生じるためである。光導波路
記憶媒体はこの様に要素30、31、32、33、34より構成さ
れる。構成材料は例えばコア部31には光に透明なポリカ
ーボネイトを用い、クラッド部にはより屈折率の低いポ
リメタクリル酸メチル等の高分子材料が用いられる。
図に示すように、該光導波路記憶媒体の光結合部30に
対向して配置した発光素子35よりの光ビームはレンズ41
で概ね平行光束にし、ハーフミラー36により２分割す
る。一方の直進する光ビームは、更にレンズ42で集光し
光結合部30より導波し、その一部は複数の屈折率不連続
部34により複数の異なる振幅と位相を持った反射導波光
となり光結合部より戻る光ビームとする。図に示すよう
に、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、・・・と記した各々の屈折率不連
続部の形状と相対位置が記録すべき情報（図では、アナ
ログ情報で説明されている）に応じて、光導波路中に複
数個配置することにより、その形状と伝搬距離の関数と
して異なる振幅と位相情報を持った変調信号光ビームを
作ることが出来る。ハーフミラー36で反射された他方の
光ビームは、レンズ43で集光しミラー38で進行波形の音
響光学変調器37を往復させ、あるいは可動ミラーで反射
し、ドップラー周波数変移を受け戻る参照光ビームとす
る。該音響光学変調器37への入射角θ（回折角に等し
い）は、変調周波数と光波長に応じて決められるが、例
えばθ＝±90度とすることが出来、その場合はミラー38
は不用になる。これら変調信号光ビームと参照光ビーム
との両光ビームは、ハーフミラー36で合波し、レンズ44
で集光して光検出器38に光ヘテロダイン干渉入力させ
る。該入力光は光電変換され、電気信号となり周波数フ
ィルター40を経て、図に示すように発光素子35からの一
定強度の光入力linに対して、時系列信号波形の電気的
出力ｌ（ｔ）が得られる。
本原理を物理的に以下に説明する。発光素子35からの
光ビームの各周波数成分が一つの屈折率不連続部で同時
に反射され一定の振幅と伝搬距離に比例した位相遅れを
受けた反射信号光となる。その反射信号光はドップラー
周波数変移した参照光とヘテロダイン干渉する。
各ヘテロダインビート周波数（この場合はドップラー
周波数）は、同一の位相遅れを有するので、これら周波
数成分の重畳光は、振幅一定の場合sinc関数となりパル
スを形成し、時間軸上で位相遅れに対応する位置に出現
する。光電界や電気信号の有限なスペクトル（周波数）
拡がりについて合成すると、各周波数成分の位相が同相
の時、時間軸上でパルスになるというフーリエ変換関係
に等しい。さらに位相が遅れる次に屈折率不連続部から
の反射成分については、時間的に遅れた位置につぎのパ
ルスが出現する。各パルス幅は屈折率不連続部のｚ軸方
向の長短に、各振幅は屈折率不連続部のｘ軸及びｙ軸方
向の大きさにそれぞれ依存する。
かくして、該光再生装置の構成により、該光導波路記
憶媒体に記録された複数の屈折率不連続部（図ではａ、
ｂ、ｃ、ｄ、で示してある）が、時系列信号波形の電気
的出力に対応し（図では、ａ′、ｂ′、ｃ′、ｄ′、が
それぞれ対応する）、再生される。各パルスはsinc
（Ｆ）＝sin（Ｆ）/Fのナイキストのサンプリング形を
しており、信号波形はこれらの連なりである。上記sinc
（Ｆ）のＦは、発光素子35の発光スペクトル幅をΔｆ、
音響変調器の音波の速度あるいは可動ミラーの速度を
ｖ、光導波路の屈折率分散をｎ、光導波路媒体中の屈折
率不連続部の長さをΔＺ、結合部からの距離をＺ、光速
をｃとすると次式の関数で与えられる。
これらの値を適宜選択することにより、数KHzから数十M
Hzまでも、信号変調周波数を設定出来る。各パルス幅も
数十ミリ秒から数十ナノ秒まで設定可能である。発光素
子35には、必ずしもスペクトル幅の狭い半導体レーザを
必要とせず、むしろスペクトル幅の広い低コヒーレント
光の半導体発光素子の方が、sinc（Ｆ）の式から判る様
にパルス幅を狭く、従って該変調周波数を高く設定でき
る。また、光ヘテロダイン干渉法により、これら時系列
信号波形は102〜104の高い信号対雑音比で再生できる特
徴がある。
［実施例］ 第２図は本発明の実施例であって、50は、前記要素3
0、31、32、33、34で構成された光導波路記憶媒体51を
チャネル型に多数並置してドラム状に巻いて、積層ドラ
ム型の立体光ディスクを形成したもの、42はフーカスア
クチュエータに設置された光導波路への結合用集光レン
ズ、51はトラッキングのために反射ビームの一部を取り
出すビームスプリッター、53はトラッキング用光ビーム
を分離する凹レンズ、54と55はトラッキング用光検出器
である。発光素子35からの光ビームの楕円状断面の長軸
方向両端部を、前記コア部端面光結合部を挟んでクラッ
ド層端面に当て、その反射光をトラッキング用光ビーム
とする。54と55の光検出器は光ヘテロダイン検出により
高感度かつ高信号対雑音比でトラッキング用光ビームを
捕捉する。さらに両者の誤差検出に従って集光用マイク
ロレンズ42等を光軸方向に移動させて光導波路の光結合
部に合焦し、かつ立体光ディスク50の面振れに光再生装
置ヘッド56を追従させている。
本実施例では、断面２×２μｍで導波路長10mmの光導
波路記憶媒体51を、２μｍ間隔で厚み3.2μｍのクラッ
ド層に埋め込み並置し、ドラム状に巻き積層し、トラッ
キングピッチ幅3.2μｍの立体光ディスク50が形成され
ている。記録された屈折率不連続部のｚ軸方向の長さは
10〜30μｍ、ｘ軸方向の深さは0.1〜0.5μｍで、ｙ軸方
向の幅は約0.7μｍで、各光導波路毎に平均500個の該不
連続部が記録されている。各該屈折率不連続部の光反射
率は高々10-6〜10-8としてあるので、それらの反射損失
があっても最後の戻り光ビームの減衰率は10％程度であ
る。図では立体光ディスク50の下側の端面に各光導波路
の断面が開口しており光結合部となっている。光結合部
の面は厚み2mmのポリカーボネイト保護膜がついてお
り、光導波路の屈折率と整合させ光結合度を高くしてあ
る。また、該光導波路の終端の端面も同様に保護してあ
り、同時に該光導波路中を伝搬して来た光が逃げるよう
にしてある。この様な立体光ディスク50は直径80インチ
で、コンパクトディスク（CD）と同様に回転しつつ記憶
情報が再生される。
再生装置は、［発明の構成］の欄で説明したように、
構成されている。発光素子35からの光ビームが、該光導
波路記憶媒体51へ導波され、その一部が振幅と位相が変
調された信号反射光ビームとなり戻り、他の光ビームは
音響光学変調器37を往復し戻り、ハーフミラー36で合波
され、信号光のみを通過させるアイリス58を経て、光検
出器39で光ヘテロダイン検波し、周波数フィルター40を
経て、電気出力端子57より、第１図のｌ（ｔ）で示した
時系列信号波形の電気的出力を得る。１つの光導波路記
憶媒体からの再生信号は、バッファーメモリーに一時蓄
積し、任意のクロックタイムで転送する。１つの光導波
路の記憶している情報を読みだしたのち、立体光ディス
ク50の回転と光再生装置ヘッド58のトラッキングによ
り、次のチャネルの光導波路の記憶情報を逐次読み出
す。
本実施例の諸元は、例えば典型的には、発光中心波長
1.3μｍで発光スペクトル幅約2x1012HzのSLD（Super Lu
minescent Diode）を発光素子35に用い、音響変調周波
数355MHzを用い、さらに、屈折率分散0.14の光導波路に
屈折率不連続部の長短と相対位置を平均20μｍで記録し
た本実施例の光導波路記憶媒体の場合、記憶再生周波数
およそ30MHzが実現できる。このとき最小パルス幅は約3
5ナノ秒である。発光素子35の光出力は約1mwで、各該屈
折率不連続部からの反射光と参照光に基づく光ヘテロダ
イン干渉出力の信号対雑音比は104と大きくとれる。総
記憶容量をデジタル量で換算すると現在のコンパクトデ
ィスク（1Gbyt:ギガバイト）の500倍で、ビット当りの
機械的アクセスタイムは500分の１、ビットサイクルタ
イムは約14倍が実現できる。
本実施例では、光導波路記憶媒体のメモリー部を長短
大小の屈折率不連続部で構成し、アナログ信号を記憶再
生する例について説明したが、屈折率不連続部を同じ大
きさでかつ等間隔にそれらの屈折率不連続部の有無を記
録すれば、デジタル信号の記憶再生も可能なことは明か
である。また、光導波路記憶媒体を立体ディスクに形成
する実施例を説明したが、テープに並置したり、カード
型に並置し積層したものも実現できる。さらに、本実施
例では光導波路長を10mmとしたが、記憶媒体である光導
波路長は必要なメモリー容量に応じて長くも短くも作成
できる。
［効果］ 以上説明したように、本発明の光導波路記憶媒体及び
光再生装置はスペクトル幅の広いインコヒーレントな一
定の光ビームを入射するのみで大量の情報が超高速で読
み出せる利点をもち、また３次元の高密度メモリーが実
現できる利点をもつ光メモリー及び光再生技術を発現で
き、コンピューター対応大容量高速光記憶媒体及び光再
生装置として、あるいは大容量３次元コンパクトディス
クとして、また、ハイビジョン対応大容量高速３次元光
ビデオディスク及び光再生装置として、さらには大容量
積層光カードと高速再生装置等として、極めて有用な光
記憶媒体及び光再生装置を提供できる特徴がある。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の原理を説明する図、 第２図は本発明の実施例、 第３図は従来の光記憶媒体の例、 第４図は従来の光再生装置の構成例、 30……光導波路の結合部、31……光導波路のコア部、32
……光導波路のクラッド部（基盤）、33……光導波路の
クラッド部、34……屈折率不連続部、35……発光素子、
36……ハーフミラー、37……音響光学変調器、38……ミ
ラー、39……光検出器、40……周波数フィルター、41〜
44……レンズ、50……積層ドラム型の立体光ディスク、
51……光導波路記憶媒体、52……ビームスプリッタ、53
……凹レンズ、54、55……トラッキング用光検出器、56
……光再生装置ヘッド、57……電子出力端子、58……ア
イリス、100……光記憶媒体、101……光反射率の低い凹
部、102……光反射率の高い平坦部、103……移動方向矢
印、11……半導体レーザ、12〜15……レンズ、16……集
光レンズ、17,18……ハーフミラー、19……1/2波長板、
20……整形プリズム、21〜23……光検出器、24……記憶
媒体、25……ビームスプリッター、

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光を入出力する光結合部を有した光導波路
    と、前記光導波路に配列された複数の屈折率不連続部と
    を有する光導波路記録媒体であって、各屈折率不連続部
    の形状の相違、及び、基準となる位置と設置位置との距
    離が、記録すべき情報の変数となるように、記録すべき
    情報に応じて各屈折率不連続部の形状及び設置位置を変
    化させるようにしたことを特徴とする光導波路記録媒
    体。
  2. 【請求項２】前記光導波路はチャネル型光導波路である
    ことを特徴とする請求項１記載の光導波路記録媒体。
  3. 【請求項３】前記光導波路はリッジ型光導波路であるこ
    とを特徴とする請求項２記載の光導波路記録媒体。
  4. 【請求項４】前記屈折率不連続部は前記光導波路の境界
    面に形成された凹部であることを特徴とする請求項１記
    載の光導波路記録媒体。
  5. 【請求項５】前記光結合部は前記光導波路の端面である
    ことを特徴とする請求項１記載の光導波路記録媒体。
  6. 【請求項６】前記光導波路を所定長さとし、前記光導波
    路を平行に複数並置した板状体であることを特徴とする
    請求項１記載の光導波路記録媒体。
  7. 【請求項７】前記板状体を前記光導波路の端面を主面に
    配置するように巻回してなる円盤であることを特徴とす
    る請求項６記載の光導波路記録媒体。
  8. 【請求項８】光を入出力する光結合部を有した光導波路
    と、前記光導波路に配列された複数の屈折率不連続部と
    を有する光導波路記録媒体であって、各屈折率不連続部
    の形状の相違、及び、基準となる位置と設置位置との距
    離が、記録すべき情報の変数となるように、記録すべき
    情報に応じて各屈折率不連続部の形状及び設置位置を変
    化させるようにしたことを特徴とする光導波路記録媒体
    から記録情報を再生する光再生装置であって、光ビーム
    を発生する発光手段と、該光ビームを２分割して第１及
    び第２光ビームを生ぜしめる分割手段と、第１光ビーム
    を受光しこれに周波数変移を与えて変調し参照光を発生
    する参照光発生手段と、第２光ビームを前記光結合部へ
    導出する照射手段と、前記屈折率不連続部により反射さ
    れ振幅と位相が変調された前記光結合部を経て戻る反射
    信号光と参照光とを重畳して干渉光となす光重畳手段
    と、干渉光を光電変換し電気的出力を生ぜしめる光検出
    手段とを有することを特徴とする光再生装置。
  9. 【請求項９】前記光検出手段に接続され、電気的出力か
    らビート出力成分を検出することにより、前記屈折率不
    連続部の形状及び設置位置に応じ反射される反射信号光
    の振幅を、振幅電気信号として出力する処理手段をさら
    に有することを特徴とする請求項８記載の光再生装置。
  10. 【請求項１０】前記光検出手段に接続され、電気的出力
    からビート出力成分を検出することにより、屈折率不連
    続部の形状及び設置位置に応じ遅延反射される反射信号
    光の振幅と遅延時間とを、時系列電気信号として出力す
    る処理手段をさらに有することを特徴とする請求項８記
    載の光再生装置。
  11. 【請求項１１】前記発光手段はスーパールミネッセント
    ダイオードを有することを特徴とする請求項８記載の光
    再生装置。
  12. 【請求項１２】前記分割手段はハーフミラー又はビーム
    スプリッターを有することを特徴とする請求項８記載の
    光再生装置。
  13. 【請求項１３】前記照射手段は対物レンズを有すること
    を特徴とする請求項８記載の光再生装置。
  14. 【請求項１４】前記参照光発生手段は音響光学変調器を
    有することを特徴とする請求項８記載の光再生装置。
  15. 【請求項１５】前記参照光発生手段はミラーを有するこ
    とを特徴とする請求項14記載の光再生装置。
  16. 【請求項１６】前記参照発生手段は移動する可動ミラー
    を有することを特徴とする請求項８記載の光再生装置。
  17. 【請求項１７】前記光重畳手段はハーフミラー又はビー
    ムスプリッターを有することを特徴とする請求項８記載
    の光再生装置。
  18. 【請求項１８】前記光検出手段は光検出器を有すること
    を特徴とする請求項８記載の光再生装置。
  19. 【請求項１９】前記光導波路記録媒体の光結合部と対物
    レンズとの距離を変化させる駆動手段をさらに有するこ
    とを特徴とする請求項８記載の光再生装置。
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