Створення оптичної пам’яті на основі плівок з металів та діелектриків

Сучасна оптоелектроніка вирішує завдання, пов'язані з дослідженням процесів обробки, передачі, зберігання, відтворення інформації й конструюванням відповідних функціональних систем. До числа найважливіших елементів таких систем відносяться оптичні модулятори, дефлектори, дисплеї, елементи довгострокової й оперативної пам'яті та ін.

В оптичних інформаційних системах перераховані процеси реалізуються шляхом взаємодії світлових пучків із середовищем. Ця взаємодія здійснюється за допомогою відповідних матеріалів, що володіють властивостями які можуть змінюватися під впливом світла, механічним впливом, а також під дією електричних і магнітних полів.

У цей час значна частина радіоелектронних приладів конструюється на основі монокристалічних елементів з певною сукупністю фізичних властивостей. Складні кисневі сполуки Bi(вісмуту) силенитів типу (mBi2O3nMexOy) викликають великий інтерес, будучи пьезоэлектриками, володіють электрооптичними й магнітооптичними властивостями, що в сполученні з фотопровідністю висуває їх у число перспективних матеріалів для створення электро- і магнітооптичних модуляторів лазерного випромінювання, запам'ятовувальних пристроїв і т.д.

Найбільшу популярність серед сполук цього класу отримали силікати й германати вісмуту, для яких розроблена технологія вирощування великих монокристалів і досить повно вивчені фізико-хімічні властивості й структура.

Останнім часом питання створення оптоэлектронних елементів методами інтегральної технології стають усе більш нагальними. У зв'язку з вищевказаними перевагами силенітів в останні роки проводилося багато досліджень плівок зі структурою силеніту, у яких відзначалася перспективність їхнього використання в оптоелектроніці й п'езотехніці.

У зв'язку з помітним впливом природи структуроутворюючого іона на властивості, що дозволяє розширити області застосування, а точніше заміна р-элементів (Ge, [] ns2np2) в Bi12ЭO20 іонами перехідних металів, що мають неспарені 3dn-електрони здобуваються нові властивості (зміна кольору, розширення області пропускання в довгохвильовій частині спектру)

1. ОПТИЧНА ЦИФРОВА ПАМ'ЯТЬ

Для більш тісного зв'язку між обробкою даних, тексту й зображення необхідно застосовувати нові методи запису інформації, до яких пред'являються наступні вимоги:

більш висока ємність запам'ятовувального пристрою;

більш висока ефективність зберігання архівних матеріалів,

краще співвідношення між ціною й продуктивністю.

Це може бути досягнуте за допомогою запису й зчитування цифрової інформації.

Принцип дії. Інформація (мова, музика, зображення, дані), що зберігається у вигляді електричних сигналів, перетворюється в цифрові величини й виражається тим самим у вигляді послідовності імпульсів, записується в різній формі (у вигляді поглиблень чи отворів різної довжини й відстаней між ними або магнітним способом) на диску запам'ятовувального пристрою.

При зчитуванні світло, що зчитує, відбите (розсіяне у зворотному напрямку) від цих поглиблень (отворів), модулюється й за допомогою фотоприймача перетворюється у відповідний електричний сигнал.

Мал.1. Схематичне зображення мікропоглиблень на лазерному диску; ширина поглиблень 0,4 мкм, відстань між доріжками 1,6 мкм.

Лазерно-оптичне зчитування інформації. За допомогою цього способу в приладі, аналогічному програвачу, відтворюється неконтактним способом записана на диску інформація (діаметр дисків до 30 см), причому застосовуються лазерні диски тільки для зчитування, наприклад відеодиски, компакт-диски.

Принцип дії. Кодування інформації відбувається шляхом створення інформаційних мікропоглиблень, що мають різну довжину й різні відстані між ними. Інформація на диску зберігається, таким чином, у цифровій формі, записаній по спіралі, що складається з інформаційних ямок (мал.1).

Лазерний відеодиск характеризується наступними параметрами:

відстань між двома профілюючими доріжками 1,6 мкм;

ширина поглиблення 0,4 мкм;

максимальна довжина поглиблення 3,3 мкм;

Мал.2. Переріз відеодиска й грамплатівки з лазерним записом:

1 - фокальна пляма (1 мкм); 2 - структура мікропоглиблень;

3 - дзеркальне покриття; 4 - подряпина; 5 - частка пилу;

6 - прозорий захисний шар; 7 - промінь від лазера

мінімальна довжина поглиблення 0,9 мкм;

максимальна відстань між поглибленнями 3,3 мкм;

мінімальна відстань між поглибленнями 0,9 мкм.

При виготовленні відеодисків нанесений попередньо на підкладку зі скла фотолак експонується за допомогою спеціальної оптичної системи випромінюванням короткохвильового лазера (криптоновий лазер, 0,35 мкм). Після цього слідує багатоступінчастий процес прояву, у результаті якого утвориться зразковий диск, що використається потім для виготовлення інших дисків шляхом відбитка. На отримані після відділення від зразкового диска відбитки наноситься дзеркальне покриття й шар лаку, так що отримані при записі мікропоглиблення не можуть бути закриті частками пилу. Пил і подряпини на захисному шарі не заважають, оскільки вони перебувають поза площиною фокусування оптики, що зчитує (мал.2).

При зчитуванні мікроскопічно маленьких структур використовуються ефекти дифракції й інтерференції світла. Оптична система, що зчитує, для відеодисків складається з:

He-Ne-лазера (потужність мВт), що випромінює лінійно поляризоване світло;

дільника пучка, що розділяє світло на три пучки зі співвідношеннями інтенсивностей 1: 3: 1 (дифракційна решітка, працююча на просвіт з мінус першим, нульовим і плюс першим порядками дифракції);

Мал.3. Оптична схема голівки, що зчитує, для зчитування інформації, записаної на відео диску.

1 - He-Ne-лазер; 2 - решітка; 3 - узгоджувальна оптика;

4 - призма Волластона; 5 - пластинка (/4;

6 - об'єктив, що зчитує; 7 - відеодиск;

8 - циліндрична лінза; 9 - площина приймача.

призми Воластона (оптична довжина шляху залежить від напрямку поляризації);

пластинки (/4;

об'єктива, що зчитує, переміщуваного за принципом котушки з рухомим сердечником у напрямку оптичної осі (обмежений дифракцією мікрооб'єктив дуже малої маси);

системи фотоприймачів (квадратних приймачів), а також циліндричної лінзи.

Розсіяне у зворотному напрямку від диска світло лазерного пучка відображається на квадратному приймачі. Промені, використані для спостереження за доріжкою, попадають на приймачі (мал.3)

Таким чином, стає можливим формування керуючих сигналів для коректного фокусування променів, що зчитують, на інформаційній доріжці й забезпечення спостереження за доріжкою.

Оптична голівка, що зчитує, для цифрового лазерного програвача. Зворотньо розсіяне від лазерної пластинки світло попадає на фотодіоди F1-F4. Виникаючі при цьому фотоструми комбінуються один з одним таким чином, що стає можливим одержання як керуючих сигналів для радіальної корекції, так і керуючого сигналу для установки різкості оптики, що зчитує (мал.4).

Радіальний керуючий сигнал формується комбінацією струмів фотодіодів (F1+F2) - (F3+F4). Якщо об'єктив, що зчитує, сфокусований на інформаційну площину диска, то після призм 4 з'являються два різких зображення між фотодіодами F1, F2, а також F3, F4. Якщо фокальна площина об'єктива, що зчитує, перебуває за або перед інформаційною площиною, то зображення стають нерізкими й рухаються один до одного або один від одного. Тоді за допомогою комбінації струмів фотодіодів (F1+F2) - (F3+F4) може бути отриманий керуючий сигнал для установки різкості голівки, що зчитує.

Мал.4. Схема оптичної голівки, що зчитує, для лазерних пластинок:

1 - пляма, що зчитує; 2 - об'єктив, що зчитує; 3 - оптична система для перетворення випромінюваного напівпровідниковим лазером хвильового поля в плоске хвильове поле; 4 - призма; 5 - напівпрозоре дзеркало; 6 - напівпровідниковий лазер; F1 - F4 - фотоприймачі.

Одноразовий запис інформації. Цей принцип дозволяє здійснити одноразовий запис і багаторазові зчитування інформації. Для цього на нижній стороні дуже плоскої скляної пластини наноситься шар телуру. Дві круглі скляні пластини юстуються один відносно одного таким чином, що шари телуру захищені зовні скляними пластинами.

На шарах телуру, що перебувають на внутрішніх сторонах пластин, записується інформація. Пластини мають спіральну доріжку (спіральну канавку, що служить для юстування променя, що зчитує або записує. При записі одного біта інформації в шарі телуру імпульсно підвищується потужність напівпровідникового лазера за час 50 нс до 12 мвт, при цьому в шарі виникає отвір діаметром приблизно 1 мкм. Запис і зчитування здійснюються за допомогою однакового пристрою, причому при зчитуванні потужність напівпровідникового лазера зменшується до 1 мвт (мал.5).

Мал.5. Схема голівки, що записує і зчитує, для одноразового запису:

1 - лазерний диск; 2 - об'єктив, що зчитує; 3 - пластинка (/4;

4 - залежний від поляризації дільник пучка;

5 - циліндрична лінза; 6 - напівпровідниковий лазер;

7 - оптична система; 8 - приймач для радіального контролю доріжки; 9 - призма Френеля;

10 - приймач для одержання сигналу й контролю положення фокальної плями.

За допомогою таких методів запису й зчитування досягаються ємності запам'ятовувального пристрою (діаметр диска 30 см) 1010 біт інформації (передня й задня сторони); вільний час доступу становить 150 мс.

Лазери, що застосовуються:

He-Ne-лазер;

напівпровідниковий лазер (все частіше).

Області застосування:

запам'ятовувальний пристрій для зберігання банку даних із частим доступом;

запам'ятовувальний пристрій для зберігання архівних даних з відстроченим доступом;

зовнішній додатковий запам'ятовувальний пристрій з вільно обираною адресацією в ЕОМ;

відеодиски для навчання;

відеодиски для бібліотек й архівів;

запам'ятовувальні диски для керування й канцелярської справи;

аудіодиски з високоякісним відтворенням звуку.

Оптичний цифровий запис інформації в магнітних шарах. Як носій інформації використовується тонкий магнітооптичний шар (перевага: повторний запис даних).

Принцип дії. Запис інформації відбувається завдяки тому, що маленькі області магнітного шару нагріваються за допомогою сфокусованого лазерного променя, причому одночасно накладається магнітне поле, напруженість якого менша, ніж коерцитивна сила. У нагрітих у такий спосіб при накладеному магнітному полі областях зникає намагніченість (запис точки Кюрі). Зчитування здійснюється таким же лазером при зменшеній потужності, причому площина поляризації відбитого від диска світла залежно від напрямку намагнічування маленьких областей повертається на величину 0,5 - 8 градусів (залежно від магнітооптичного шару) (магнітооптичний ефект Керра).

Оптичний пристрій голівки, що записує і зчитує, аналогічний системам, які використовуються в описаних вище пристроях зчитування й запису інформації.

Додатково варто звернути увагу на мал.6.

Мал.6. Схема одержання сигналу за допомогою поляризаційного ефекту Керра:

1 - магнітний диск; 2 - відбите світло;

3 - мікрооб'єктив; 4 - фазова пластинка;

5 - дільник пучка; 6 - приймач Nr2;

7 - приймач Nr1;

8 - диференціальний підсилювач.

Світло, відбите від маленьких перемагнічених областей, є еліптично поляризованим і за допомогою відповідної фазової пластинки перетворюється в лінійно поляризоване. Лінійно поляризоване світло розділяється на дві складові, які можуть реєструватися окремо. Обидва прийнятих сигнала подаються на диференціальний підсилювач і підсилюються. Посилений сигнал прямо пропорційний поляризаційному ефекту Керра.

Магнітооптичний запис дозволяє на сьогоднішній день мати:

ємність пам'яті запам'ятовувального пристрою 105 біт/см2;

число циклів (запис, зчитування, стирання) 106;

вільний час доступу 150 мс;

застосування в якості оперативної пам'яті в ЕОМ.

Оптичний цифровий метод запису вимагає максимальної оптичної й механічної точності, а також:

гранично малого обмеженого дифракцією об'єктива, що зчитує;

об'єктива, що зчитує (мікрооб'єктива) дуже малої маси (0,6 г і менше)

радіальних відхилень об'єктива, що зчитує, з точністю 1 мкм;

ширини розподілу інтенсивності плями, що зчитує, по половині інтенсивності приблизно 1 мкм.

Цифровий оптичний запам'ятовувальний пристрій дозволяє робити неруйнуюче зчитування накопиченої інформації.

Основні принципи функціонування носіїв оптичної пам'яті: Звичайний процес виготовлення компакт-диску складається з декількох етапів. Як правило, вони містять у собі наступні операції: підготовку інформації для запису на мастер-диск (перший зразок), виготовлення самого мастер-диска й матриць (негатив мастер-диска), тиражування компакт-дисків. Закодована інформація наноситься на мастер-диск лазерним променем, що створює на його поверхні мікроскопічні западини, поділювані плоскими ділянками. Цифрова інформація представляється тут чергуванням западин (невідображаючих плям) і острівців, що відбивають світло. Копії негатива мастер-диска (матриці) використовуються для пресування самих компакт-дисків. Сформовані лазерним променем западини дуже малі за розміром. Приблизно 30-40 западин відповідають товщині людського волосся, а це приблизно 50 мкм.

У приводі компакт-дисків можна виділити кілька базових елементів: лазерний діод, сервомотор, оптичну систему (що включає в себе призму, що розщеплює) і фотодетектор.

Отже, зчитування інформації з компакт-диску, так само як і запис, відбувається за допомогою лазерного променя, але, зрозуміло, меншої потужності. Сервомотор по команді від внутрішнього мікропроцесора приводу переміщає дзеркало, що відбиває. Це дозволяє точно позиціювати лазерний промінь на конкретну доріжку. Такий промінь, потрапляючи на світло, що відбиває, острівець, через лінзу, що розщеплює, відхиляється на фотодетектор, що інтерпретує це як двійкову одиницю. Промінь лазера, що попадає в западину, розсіюється й поглинається - фотодетектор фіксує двійковий нуль. Як відбиваюча поверхня компакт-дисків звичайно використовується алюміній. Зрозуміло, вся поверхня компакт-диска покрита прозорим захисним шаром.

На відміну, наприклад, від вінчестерів, доріжки яких являють собою концентричні кола, компакт-диск має всього одну фізичну доріжку у формі безперервної спіралі, що йде від зовнішнього діаметра диска до внутрішнього. Проте одна фізична доріжка може бути розбита на кілька логічних.

У той час як всі магнітні диски обертаються з постійним числом обертів у хвилину, тобто з незмінною кутовою швидкістю (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск обертається звичайно зі змінною кутовою швидкістю, щоб забезпечити постійну лінійну швидкість при зчитуванні (CLV, Constant Linear Velocity). Таким чином, читання внутрішніх доріжок здійснюється зі збільшеним, а зовнішніх - зі зменшеним числом обертів. Саме цим обумовлюється досить низька швидкість доступу до даних для компакт-дисків у порівнянні, наприклад, з вінчестерами.

За принципами дії розрізняють диски лазерно-оптичні та магнітооптичні, а також одноразового та багаторазового запису.

У магнітооптичних дисках, на відміну від лазерно-оптичних, запис інформації здійснюється магнітною головкою, а зчитування - лазерним променем.

Неперезаписувані лазерно-оптичні диски звичайно називають CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory - компакт-диск тільки для читання). Пере-записувані лазерно-оптичні диски можуть бути з одноразовим записом (CD-R -

CD-Recordable - такий, що допускає запис), або багаторазовими (CD-RW -

Rewriteable - такий, що допускає повторний запис). Ємність лазерно-оптичних ком-пакт-дисків складає 1 Гбайт. Носії типу CD-R можуть бути записані самим користувачем на спеціальному CD-R-приводі. В основному тут застосовуються технології, засновані на зміні властивостей, відбиваючої речовини підкладки компакт-диску під дією променя лазеру. До речі, перезаписувані компакт-диски в кілька разів дорожче звичайних. Справа в тому, що в якості світловідбиваючого шару в них використовується вже не алюміній, а золото. Між іншим, подібні компакт-диски звичайно служать як мастерні для подальшого тиражування. Проте в ряді випадків CD-R-диски можна використати й для довгострокового архівування якої-небудь коштовної інформації. Помітимо, що читати CD-R-диск можна й на звичайному приводі, але, зрозуміло, тільки перший сеанс запису. Коли дивишся на не повністю записаний CD-R, область із інформацією виглядає більше темної й вона легко помітна. Писати інформацію привід починає від внутрішніх логічних доріжок до зовнішніх (від менших по діаметру до більших).

Варто відзначити основну різницю між аудіокомпакт-дисками й компакт-дисками із цифровими даними. Зрозуміло, що пропуск (неправильне читання) будь-якої западини на поверхні диска може призвести до втрати цілісності записаних даних. Це у свою чергу веде до відтворення невірної інформації або неможливості запуску.

Інша справа аудіокомпакт-диски. Тут пропуск декількох западин на диску практично не позначається на якості звучання. Справа в тому, що в цьому випадку рятує принцип інтерполяції. Як відомо, інтерполяція дозволяє відшукувати значення проміжних величин по вже відомих значеннях. Наприклад, припустимо, що на аудіодиску було записано три послідовних значення 10, 13 й 20. Допустимо, що друге число з деяких причин не прочиталося (наприклад, через забруднення або ушкодження поверхні диска). Лінійна інтерполяція для чисел 10 й 20 дає 15 [(10+20) /2]. Зрозуміло, отримане значення не збігається з вихідним, що, однак, у цьому випадку для кодування аналогового сигналу (музики) не має особливого значення, оскільки слухаючи музику це не відчується на слух.

Таким чином, зрозуміло, що привід для CD-ROM із цифровою інформацією - пристрій більше прецизійний, ніж плеєр, призначений тільки для аудіодисків.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ