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ホログラフィックメモリ再生装置およびホログラフィックメモリの再生方法、復調装置および復調方法、ならびに観測装置および観測方法 新技術説明会

国内特許コード P150011184
掲載日 2015年1月26日
出願番号 特願2012-539600
登録番号 特許第5862896号
出願日 平成23年10月19日(2011.10.19)
登録日 平成28年1月8日(2016.1.8)
国際出願番号 JP2011005841
国際公開番号 WO2012053198
国際出願日 平成23年10月19日(2011.10.19)
国際公開日 平成24年4月26日(2012.4.26)
優先権データ
  • 特願2010-234640 (2010.10.19) JP
発明者
  • 岡本 淳
  • 九里 佳祐
  • 高林 正典
出願人
  • 国立大学法人北海道大学
発明の名称 ホログラフィックメモリ再生装置およびホログラフィックメモリの再生方法、復調装置および復調方法、ならびに観測装置および観測方法 新技術説明会
発明の概要 本発明は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができるホログラフィックメモリの再生装置に関する。本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、第1の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第1のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、前記第1のホログラムの回折光と干渉しうる第2の参照光の位相を変化させるとともに、前記第1のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第2の参照光とから第2のホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第2のホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、を有する。
従来技術、競合技術の概要



これまで、光メモリは、CDやDVD、ブルーレイディスクなどの2次元記録方式の光ディスクを中心に発展してきた。しかし、2次元記録方式の光メモリはすでに回折限界に到達しており、これ以上の大容量化は困難である。そこで、近年、3次元記録方式の光メモリの開発が活発に行われている。3次元記録方式を採用すれば2次元記録方式よりも記録容量を100~1000倍以上に大きくできる可能性がある。理論上は100TB級の光ディスクメモリも実現可能である。





光メモリの大容量化に向けた技術としては、1)近接場光記録方式、2)2光子吸収メモリ、3)ホログラフィックメモリの3つが挙げられる。1)近接場光記録方式は、光の波長サイズ以下の光である「近接場光」を用いる記録方式である。近接場光記録方式は、基本的に2次元記録方式の技術であるが、近接場光を用いることで回折限界を超える高密度記録を実現できる可能性がある。また、2)2光子吸収メモリは、非線形効果の強度依存性を利用することで記録媒体に対して3次元的にアクセスを行うことができる3次元記録方式の光メモリである。これらの技術に対し、3)ホログラフィックメモリは、信号光と参照光との干渉により生成されるホログラムを多重記録することによって、記録媒体を多層化することなく3次元的に記録を行うことができる光メモリである。





上記1)~3)の光メモリは、現時点においていずれも約500GB~1TB程度の記録容量を達成している。したがって、記録容量の観点からは、上記1)~3)の光メモリの間に優劣の大きな差はない。しかしながら、データ転送速度の観点からは、上記1)~3)の光メモリの中でも空間的に2次元の超並列型入出力機能を有するホログラフィックメモリに大きな優位性がある。最近では、マイクロ秒を超える高速応答の空間光変調器(Spatial Light Modulator;以下「SLM」と略記することもある)なども開発されている。このような高速応答のSLMをホログラフィックメモリに適用することで、100Gbpsを超える転送速度を実現できる可能性がある。





ホログラフィックメモリは、高密度記録と高データ転送レートの両方を実現することができることから、次世代の光メモリとして実用化が期待されている。現在開発されているホログラフィックメモリの記録容量は、600GB~1TB/ディスク程度である(例えば、非特許文献1参照)。HDD(3.5インチ、記憶容量2TB)の1枚のプラッタの片面の記録容量は333GBであることから、ホログラフィックメモリは、実用化されている磁気記録媒体と比較すると記録容量の観点からは2~3倍程度の優位性がある。また、ホログラフィックメモリは、理論的にはさらに10~100倍まで記録容量を拡大できると考えられている。このような状況下において、ホログラフィックメモリの記録容量を増大させることを目的として、これまでの強度変調方式だけでなく、位相変調方式のホログラフィックメモリも検討されている。しかしながら、位相変調方式のホログラフィックメモリには、光検出器では位相変調信号を直接検出することができないため、何らかの方法で位相変調信号を強度信号に変換してから検出しなければならないという問題があった。





強度変調方式は最も一般的な変調方法であって、これまでに多くの事例が報告されている(例えば、非特許文献1~3参照)。ホログラフィを用いて情報の記録が可能であると初めて示唆された文献(非特許文献2)から、製品化を視野に入れた最近の文献(非特許文献1,3)に至るまで、ホログラフィを利用した記録方式の多くは、2値(0および1)の強度変調を用いたものである。しかしながら、強度変調は簡易な光学系でシステムを構築できるという利点がある一方で、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、記録効率が悪いという問題を有している。この問題は、一般的なフーリエ変換ホログラムにおいて、フーリエ変換像の中央付近の強度がすべてのピクセルの振幅の和に比例するため、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が大きくなってしまうことが原因で起こる(例えば、非特許文献4参照)。





この強度変調方式の問題を緩和するための手法としては、2値情報をブロックと呼ばれる複数のピクセルに分散してコード化し、ブロック内の一部のピクセルのみを光らせることでデータを表現する変調コードを用いる方法がある。このように変調コードを用いることで、ピクセル間クロストークによるエラーを減らすことができる。また、変調コードを用いることで、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差を小さくして多重記録数を増大させることで、効率的な記録も可能となる(例えば、非特許文献5,6参照)。しかしながら、変調コードを使うと、「(1ブロックあたりの記録ビット数)/(1ブロックあたりのピクセル数)」で定義されるコードレートが1を下回ってしまう。このことは、変調コードを用いた場合のブロックあたりの記録容量が、変調コードを用いない場合の記録容量を原理的に下回ることを意味している。





ホログラフィックメモリの記録容量を拡大するためには、1つのピクセルあたりに複数の情報を記録する、すなわちコードレートが1を超える手法が必要となる。1を超えるコードレートを実現するためには、0,1の2値を超える多値信号を用いることが必要となる。多値信号は光強度を数段階に分けることによって実現でき、それによってコードレートを飛躍的に向上させることができる。しかしながら、現状の直接検波方式においては、検出系の精度や雑音のため、多値数の増大により再生光の信号対雑音比が大きく劣化してしまう(例えば、非特許文献7参照)。





強度変調方式において、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうという問題は、位相変調方式によっても解決することができる。位相変調方式は、光波の位相を用いて変調を行う方式であり、近年注目を集めている。たとえば、位相変調方式では、あるピクセルの光波の位相を0としたとき、別のピクセルの光波の位相をπとして情報を表現する。空間光変調器(SLM)で生成される2次元のページデータに含まれるピクセルのうち、0とπのピクセルが同数である場合、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が生じず、記録媒体のダイナミックレンジの無駄な消費を抑えることができる。この点は、多重記録数の増大に大きく寄与する。しかしながら、CCDなどの光電変換デバイスは光の強度にのみ感度を有するため、位相情報を直接検出することはできない。したがって、位相情報を検出するためには、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならない。位相変調方式では、この点が大きな問題点となる。





位相変調型ホログラフィックメモリを実現するための位相検出手法はこれまでにいくつか提案されている(例えば、非特許文献4,8,9参照)。





非特許文献4では、ホログラフィックメモリに用いる位相検出手法として、エッジ検出(Edge-Detection)法が提案されている。エッジ検出法は、位相変調型ホログラフィックメモリの特長をうまく利用した手法である。位相変調型ホログラフィックメモリでは、フーリエ変換像の中央の強度(直流成分)が欠落するため、再生はその他の交流成分でのみ行われる。これは、再生像(実空間分布)における0とπのピクセルの境界部分の強度が強調されることを意味する。言い換えれば、ある既知のピクセルを基準として、強度が強調されている境界を辿っていけば全てのピクセルの位相を決定できるということである。この手法は、強度変調型ホログラフィックメモリと何ら変わらない光学系で位相変調型ホログラフィックメモリを実現可能であるという利点がある一方で、多値位相変調信号の検出には不向きであるという問題を有している。





非特許文献8では、複屈折媒質を用いた位相検出法が提案されている。この手法は、再生光をπ/4波長板を用いて円偏光にし、その後複屈折媒質を通過させる。それによってわずかにずれた再生光同士が干渉し、強度パターンが得られる。予め設計した複屈折媒質によってずらすピクセル数を決定できるため、得られた強度パターンから位相情報を捨てて決定することができる。この手法は、文献内の実験により高い位置ずれ耐性を有するということが分かっており、ずれに敏感な位相検出にとって非常に魅力的な手法である。しかしながら、この手法も、多値信号の検出は難しく、さらに複屈折媒質の高精度な設計が求められるという問題を有している。





非特許文献9では、一光束記録方式として注目されるコリニア光学系に特化した位相変調型ホログラフィックメモリとして、光フェーズロック方式コリニアホログラムが提案されている。この方式は、コリニアホログラムの再生時に、記録されたホログラムに対して通常のコリニア参照光の他に、位相が既知のフェーズロック光を同時に照射することで、記録した位相情報を強度情報として読み取る方式である。この方式では、フェーズロック光が記録ホログラムを透過するため、その位相分布が位相回折格子を有するホログラム内の伝搬による影響を受ける。このことは、検出面において位相誤差が生ずる原因となりうる。この手法も、高精度に位相情報を記録再生することは難しく、位相多値数も2~4値に留まっている。

産業上の利用分野



本発明は、ホログラフィックメモリの再生装置および再生方法に関する。また、本発明は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置および復調方法に関する。また、本発明は、光強度分布および光位相分布の観測装置および観測方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第1のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって、
第1の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第1のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、
前記第1のホログラムの回折光と干渉しうる第2の参照光の位相を変化させるとともに、前記第1のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第2の参照光とから複数の第2のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数の第2のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、ホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項2】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第1の参照光と前記第2の参照光に分離するレーザ光分離部と、
をさらに有する、請求項1に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項3】
前記ホログラム生成部は、前記第2の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第1のホログラムの回折光がその第1の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第2の参照光がその第2の面に入射するビームスプリッタとを有する、請求項1に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項4】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第1のホログラムの回折光の偏光角を45度回転する半波長板と、
第2の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ/4波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第1のホログラムの回折光がその第1の面に入射し、前記λ/4波長板により偏光状態を変えられた前記第2の参照光がその第2の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第2の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第1の偏光ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第2の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第2の偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項2に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項5】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第1のホログラムの回折光の偏光角を45度回転する半波長板と、
第2の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ/4波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第1のホログラムの回折光がその第1の面に入射し、前記λ/4波長板により偏光状態を変えられた前記第2の参照光がその第2の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第2の参照光の一部の光がその第1の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第2の参照光の一部の光がその第2の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項2に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項6】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第1のホログラムの回折光の偏光角を45度回転する半波長板と、
第2の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ/4波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第1のホログラムの回折光がその第1の面に入射し、前記λ/4波長板により偏光状態を変えられた前記第2の参照光がその第2の面に入射する第1のビームスプリッタと、
前記第1のビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第1のビームスプリッタを透過した前記第2の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第1の偏光ビームスプリッタと、
前記第1のビームスプリッタを透過した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第1のビームスプリッタで反射した前記第2の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第2の偏光ビームスプリッタと、
前記第1の偏光ビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第2の参照光の一部の光、ならびに前記第1の偏光ビームスプリッタを透過した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第2の参照光の一部の光がその第1の面に入射し、前記第2の偏光ビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第2の参照光の一部の光、ならびに前記第2の偏光ビームスプリッタを透過した前記第1のホログラムの回折光の一部の光および前記第2の参照光の一部の光がその第2の面に入射する第2のビームスプリッタと、
を有する、
請求項2に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項7】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第1のホログラムの回折光の偏光角を45度回転する半波長板と、
第2の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ/4波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第1のホログラムの回折光がその第1の面に入射し、前記λ/4波長板により偏光状態を変えられた前記第2の参照光がその第2の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第1のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第2の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項2に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項8】
レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と、
前記信号光と参照光とから生成される第1のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と、
をさらに有する、請求項1に記載のホログラフィックメモリ再生装置。

【請求項9】
前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第1の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第2の空間光変調器とを有し、
前記ビームスプリッタと前記第1の空間光変調器との間の光路長LI、および前記ビームスプリッタと前記第2の空間光変調器との間の光路長LQは、以下の式(1)を満たす、
請求項8に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【数1】


(ここで、λは前記レーザ光の波長である。)

【請求項10】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第1のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって、
第1の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第1のホログラムの回折光を生成するステップと、
前記第1のホログラムの回折光と干渉しうる第2の参照光の位相を変化させるとともに、前記第1のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第2の参照光とから複数の第2のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数の第2のホログラムのそれぞれの強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有するホログラフィックメモリの再生方法。

【請求項11】
レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第1の参照光と前記第2の参照光に分離するステップをさらに有する、請求項10に記載のホログラフィックメモリの再生方法。

【請求項12】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。

【請求項13】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布の強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。

【請求項14】
観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。

【請求項15】
観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
産業区分
  • 電子応用機器
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2012539600thum.jpg
出願権利状態 登録
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