Спосіб багатошарового оптичного запису та відтворення інформації

Винахід належить до галузі обчислювальної техніки, зокрема, до технології створення багатошарових компакт-дисків високої ємності. Підвищення щільності запису інформації, а також ємності носіїв оптичними методами здійснюється шляхом зменшення діаметра лазерного променя запису при застосуванні принципів ближньопольової оптики чи твердотільної фокусуючої системи, а також внаслідок переходу від запису на площині до запису в об‘ємі. До найбільш реалізуємого способу високощільного запису інформації та створення носіїв великої ємності належить багатошаровий (багаторівневий) запис інформації. Фізичний принцип запису інформації на багатошаровому (багаторівневому) реєструючому середовищі базується на записі інформації на кожному окремому шарові (рівні), який являє собою систему, переважно, шарів, що чергуються та мають відповідно товщини λ / 2 та λ / 4, де λ – довжина хвилі, на якій проводиться відтворювання інформації. Реєструюче середовище складається із плівок, які зберігають інформацію та мають характерні товщини шарів від 0,1 до 0,3мкм, та полімерних шарів поміж реєструючими плівками, товщина яких досягає 40мкм. Відомий спосіб запису інформації на багатошаровому реєструючому середовищі [1], де реєстрація інформації ведеться по черзі на кожному окремому шарові шляхом перефокусування лазерного випромінювання, за допомогою рухомого оптичного об‘єктива на відповідний реєструючий (активний) шар. Реєструючі шари (рівні) поділені між собою шаром полімеру. Відтворення інформації ведеться також по черзі з кожного реєструючого шару при відповідному фокусуванні лазерного випромінювання значно меншої потужності, чим та, що була при запису на відповідному реєструючому шарі. Недоліком цього способу-аналога багатошарового запису інформації є те, що верхній реєструючий шар є шаром, який поглинає лазерне світло, що веде до того, що до другого реєструючого шару дійде тільки частина лазерного випромінювання, що складає приблизно 30 відсотків початкової потужності. Під час відтворення інформації, внаслідок поглинання лазерного випромінювання верхнім (у напрямку розповсюдження лазерного випромінювання) реєструючим шаром, значно послаблюється сигнал від другого реєструючого шару, таким чином, цей спосіб може реально реалізувати тільки двошаровий запис інформації. Відомий також спосіб запису інформації на багатошарове середовище [2], за яким носій інформації складається із прозорої основи (підкладки) з відштампованими спіральними канавками для забезпечення системи слідкування, а також з двох реєструючих шарів, що мають задані коефіцієнти відбиття, поглинання та пропускання. Спосіб запису та відтворення інформації засновано на зміні інтенсивності світла, що є сумою світла відбитого від границі між першим (за ходом променя) шаром та підкладкою, та світла відбитого від границі між другим шаром та повітрям. Реєструючими шарами є органічні барвники, верхній шар має коефіцієнт пропускання 10 – 50% та поглинання – 40% в спектральній області, що використовується для запису. Нижній реєструючий шар має більш низький коефіцієнт поглинання – 30% та коефіцієнт відбиття 25%, що забезпечує більший контраст в порівнянні з верхнім шаром. Цей спосіб запису інформації забезпечує ємність приблизно 7,4Гбайт. Недоліком цього способу-прототипа є те, що він обмежує кількість реєструючих шарів двома, що, в свою чергу, обмежує ємність носія інформації. Недоліком цього способу є й зменшення відношення розміру сигнал/шум при відтворюванні інформації з нижнього реєструючого шару, що погіршує надійність відтворення інформації з другого реєструючого шару. Завданням цього винаходу є збільшення ємності носія інформації та збільшення надійності відтворення інформації з нижніх реєструючих рівнів (шарів). Це завдання вирішується таким чином: запропоновано спосіб запису інформації на багатошаровий носій інформації, що має більше двох шарів, що значно підвищує ємність носія, використовують полікарбонатні підкладки, на яких формують концентричні чи спіральні доріжки (канавки), ширина яких ступінчасто зменшується у напрямку заглиблення в глибину підкладки, при цьому розміри ширини двох поряд розташованих східців (рівнів запису) відрізняються на 0,05 – 0,1мкм, висота східців визначається товщиною реєструючих шарів та складає величину 0,1 – 0,3мкм. Завдання цього винаходу вирішується тим, що у ролі реєструючих шарів багатошарового носія інформації використовують плівки органічного барвника, що має властивість більш інтенсивно поглинати світло визначеної поляризації чи селективно поглинати випромінювання на визначених довжинах хвиль, при чому шари, що чергуються, на підкладці носія заповнюються органічними барвниками, що мають відмінні оптичні властивості. В запропонованому способі запис інформації ведеться променем однієї довжини хвилі лазерного випромінювання, яке поляризоване в площині, що відповідає максимальному поглинанню для даного реєструючого шару, де проходить процес запису; з переходом на наступний шар відбувається зміна поляризації світлової хвилі відповідно до оптичних властивостей реєструючого шару чи запис інформації здійснюють декількома лазерними довжинами хвиль, для кожного шару довжиною хвилі, на якій фіксується максимальне поглинання випромінювання відповідним реєструючим шаром. Завдання цього винаходу вирішується таким чином, що в запропонованому способі запису інформації відтворення інформації здійснюють лазерним випромінюванням лінійної чи кругової поляризації, при цьому сигнал відтворення інформації являє собою не інтенсивність відбитого випромінювання, а зміну середовищем поляризаційних характеристик лазерного променя, що надає можливість реалізувати багатошаровий запис інформації з кількістю шарів більшим за два, що збільшує ємність носія інформації у 1,5 – 5 разів в порівнянні з прототипом, а реєстрація записаної інформації ведеться шляхом виміру поляризаційних характеристик відбитого лазерного випромінювання, які мають більш високу чутливість до стану реєструючої плівки у порівнянні з відбивною здатністю плівок, що дозволяє з високою надійністю відтворювати інформацію з самих глибоких рівнів її зберігання. Даний винахід пояснюється ілюстраціями, де на фіг. 1 наведена структура багатошарового реєструючого середовища та підкладки носія інформації, що пояснює фізичну суть запропонованого способу запису/відтворення інформації для прикладу 4-х шарового носія інформації; на фіг. 2 зображена еквівалентна схема багатошарового реєструючого середовища (4 – реєструючі шари); на фіг. З зображено комірку пам'яті багатошарового носія інформації. Вибір барвників у ролі матеріалів світлочутливих шарів зумовлений тим, що: а) можливо одержати технологічними методами термічного напилення чи поливу за допомогою центрифуги аморфні плівки товщиною d = 0,01 – 0,3мкм, які є хімічно стійкими; б) існують класи барвників, переважно азо-барвники, плівкові структури яких володіють достатньо великою селективністю до поглинання випромінювання визначеної поляризації; в) в основній полосі поглинання барвників видимого спектрального діапазону величина відношення здатності поглинання світла з поляризацією електричного вектора перпендикулярної площині падіння (так званої s- поляризації) у 30 – 50 разів більша за величину для світла з коливанням вектора електричної напруженості в площині падіння світла та навпаки; г) технологічний процес нанесення барвника на підкладку характеризується простотою та дешевизною; д) органічний барвник має високу адгезію до скляної та полікарбонатної підкладок. Спосіб запису інформації передбачає структуру носія, наведену на фіг. 1 для прикладу 4-х шарового носія. Реєструючі шари 1, 2, 3, 4 на фіг. 1, 3 характеризуються виборчим поглинанням по відношенню до поляризації падаючого лазерного випромінювання. Можливий варіант, коли шари, що чергуються, наприклад 1 та 2, поглинають максимально лазерне випромінювання, поляризоване у sплощині та р- площині, відповідно, (шар 3 у s- площині) та р- площині (шар 4). Другий варіант, коли крайні 1 та 4 шари мають максимальне поглинання для s- та р- світлових хвиль, відповідно, а шари 2 та 3 характеризуються поглинанням для поляризації світла проміжної орієнтації, наприклад, під кутами 30 градусів (2 шар) та 60 градусів (шар 3) по відношенню до площини падіння світла. Таким чином, запис інформації на кожному окремому шарові буде здійснюватися лазерним випромінюванням визначеної поляризації, при цьому використовується один і той самий фокусуючий об‘єктив. Можлива реалізація запропонованого способу запису інформації шляхом нанесення на підкладку носія інформації, зображеного на фіг.1 з геометрією відштампованих доріжок слідкування, шарів органічних матеріалів, що чергуються (переважно барвників), що мають високу селективність щодо поглинання лазерного випромінювання визначеної довжини хвилі. У цьому випадку запис інформації на окремому реєструючому шарові буде проводитися лазерним випромінюванням, спектральний склад якого буде ефективно поглинатися цим шаром. Для запису інформації на іншому реєструючому шарові буде використано лазер з іншою довжиною хвилі і так далі. Можливий варіант використання лазерного джерела випромінювання з перестроюванням довжини хвилі. Відтворення інформації у запропонованому способі провадиться однією довжиною хвилі лазерного випромінювання. Для демонстрації процесу відтворення інформації даного способу запису реєструюче багатошарове середовище (фіг.1) можливо навести у еквівалентному вигляді, як це зображено на фіг. 2, що спрощує проведення аналізу відбитого від середовища випромінювання. Зазначені на фіг. 2 комплексні показники заломлення відповідних шарів ñ12 , ñ22 , ñ32 , ñ42 (для 4-х шарового середовища) є ефективними показниками, які визначаються реальними nij та kij (nij – показники заломлення та kij – показники поглинання) реєструючого шару 1, 2, 3, 4..., а також структурою (формою) та геометричними розмірами комірок пам‘яті, що зображені на фіг. 3. В разі нормального падіння світла на комірку пам‘яті, зображену на фіг. 3, інтенсивність відбитої хвилі залежить як від поляризації падаючого випромінювання, так і від геометричних параметрів комірок пам‘яті та оптичних властивостей середовищ, що заповнюють її. Під час запису інформації відбувається зміна оптичних характеристик середовища, що взаємодіє із світлом. Коміркою пам’яті є реєструюча структура, що складається з наведених у прикладі 4-х реєструючих середовищ, які по черзі нанесені на спіральні чи концентричні доріжки, ширина яких залежить від номера шару та збільшується приблизно на 0,05 – 0,1мкм по мірі віддалення від підкладки компакт-диска. Вирішення поставленої задачі базується на встановлені ефекту поляризаційної селективності пропускання та відбивання світла ступінчатою структурою діелектрика та слабопоглинаючих матеріалів [3,4]. Електромагнітна хвиля, яка падає на ступінчату структуру, буде дифрагувати на кожній профільній плівці реєструючого середовища. Зміна ширини реєструючих комірок пам'яті, які знаходяться одна під другою на величину 0,05 – 0,1мкм, приведе до зміни поляризаційних характеристик відбитого лазерного променя. Принцип роботи приведеної поляризаційної структури для зчитування лазерного променя полягає в наступному. При падінні, електромагнітна хвиля буде дифрагувати на кожній комірці пам'яті, яка складається із чотирьох накладених структур(фіг. 3). В наслідок дифракції, наприклад на структурі 1, крім хвиль нульового порядку будуть виникати хвилі ± 1 порядків дифракції. При дифракції на наступній дифракційній структурі, наприклад 2, хвилі дифракційних порядків будуть вносити вклад у хвилю нульового порядку як в прохідну, так і відбиту від двох шарів (фіг. 3). При виборі типа реєструючих середовищ їх товщини та ширини інформаційних доріжок одержимо для відбитого лазерного променя 16 значень станів поляризації для 4-ох шарового носія інформації (фіг. 1,3). Ці стани поляризації будуть відповідати комбінаціям 1000, 0100, 0010, 0001, 1100, 0110, 0011, .. 1111, де 1 – означає, що на даному шарі, наприклад першому, відбувся запис інформації, 0 – запису інформації не відбулося. Стан поляризації відбитого лазерного променя буде залежати також від стану поляризації падаючої електромагнітної хвилі, що дає змогу підібрати поляризацію зчитуючого світла для одержання максимальної різниці між ближніми значеннями поляризаційних параметрів. Результати, наведені в [3, 4] показують, що для електричного поля, поляризованого у площині записаної інформаційної доріжки ( в площині падіння), для кожної реєструючої плівки показник заломлення, за нормального падіння світла, буде мати вигляд: Коли електричне поле перпендикулярне до площини доріжки (s- поляризація): де функція f і (ñij, di, si) враховує фактор заповнення комірки пам‘яті реєструючим середовищем, що має показник заломлення ñij, висоту di та ширину доріжки si. Така залежність комплексних величин ñijp та ñijs від оптичних параметрів середовища та геометричної структури частини концентричних чи спіральних доріжок веде до того, що під час відтворення інформації у поляризованому світлі різноманітна комбінація та черговість заповнення шарів комірок пам‘яті приводить до суттєвих змін поляризаційних характеристик відбитого світла. Реєстрація сигналу відтворення здійснюється шляхом фіксації повороту площини поляризації відбитого випромінювання по відношенню до площини падаючого випромінювання, подібно реєстрації сигналу відтворення інформації з магнітооптичних носіїв інформації. Поворот площини поляризації буде визначатися комбінацією реєструючих шарів з записаною та незаписаною інформацією. Можливий варіант фіксації поляризаційних характеристик випромінювання в процесі відтворення інформації шляхом аналізу повороту площини поляризації при коливанні швидкодіючими п‘єзодатчиками площини пропускання аналізатора чи шляхом виміру відношення інтенсивності світла, поляризованого в р- та sплощинах відповідно, tg Ψ = I p / Is, де Ψ – азимут поновленої лінійної поляризації. Сигнал відтворення проходить через призму Волластона, зорієнтовану під кутом 45° по відношенню до площини падіння. Поділений призмою Волластона на два променя, поляризованих у р- та s- площинах відповідно, лазерний промінь відтворення фіксується двома ідентичними фотоприймачами. Потім беруть відношення амплітуд цих сигналів, яке є набагато чутливішим, за кожний окремий сигнал, по відношенню до зміни оптичних характеристик середовища, фізичним перетворенням в оптичному середовищі під час запису інформації, а також геометричних параметрів комірок пам‘яті. 1. Пат. ЕР 0 477 535 А2, МКП6 B42D 15/10 Multilayered data carrier and its method of manufacture. 21.08.91. Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, Munchen. 2. Пат. ЕР 289352 МКИ4 , G11В 7/26 Оптический носитель и способ его получения. (30) Япония 29.04.88. (71) Mitsui Toatsu Chemical Corp. 3. Т.К. Gaylord, W.E. Baird, M.G. Moharar. Appl. Opt. – 1986. – v. 25. – p.4562-4567. 4. M.E. Motamedi, W.H. Southwell, W.J. Gunning. Appl. Opt. – 1992. – v. 31. – N 22. – p. 4371-4376.