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CN1894745B - 具有多个存储层的光数据存储器 - Google Patents

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CN1894745B CN2004800376368A CN200480037636A CN1894745B CN 1894745 B CN1894745 B CN 1894745B CN 2004800376368 A CN2004800376368 A CN 2004800376368A CN 200480037636 A CN200480037636 A CN 200480037636A CN 1894745 B CN1894745 B CN 1894745B
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Abstract

光数据存储器具有多个上下重叠布置的存储层(1，2，3)，所述层中的每层都具有一反射层、优选地是金属层(12，22，32)，所述金属层在预定的光波长范围中具有至少为5％、优选地至少为10％的初始吸收、以及至少为5％、优选地至少为10％的初始透射，并且其透射或者反射可以通过热处理选择性地被改变。在用于用信息写这种光数据存储器的方法中，所述信息利用写激光器(40)通过局部地改变光特性而被储入相应的存储层(1，2，3)中，而且优选地从最接近于写激光器(40)的聚焦光学系统的存储层(1)开始，并且从那里开始从存储层向存储层继续，其中所述透射或者反射在相应的存储层(1，2，3)中通过热处理(41)被调整。

Description

具有多个存储层的光数据存储器
本发明涉及一种光数据存储器、一种用于写这种光数据存储器上的方法、以及一种用于从这种光数据存储器中读出信息的方法。
在WO 00/17864A1中描述了一种具有光信息载体的数据存储器，所述光信息载体包含被构造为存储层的聚合物膜。聚合物膜例如由双轴定向的聚丙烯组成。在先前公知的数据存储器中，聚合物膜在多个层中螺旋式地缠绕在卷盘心上，其中粘附层分别位于相邻的层之间。通过借助于数据驱动器的写激光器的写光束局部地加热聚合物膜可以将信息写入数据存储器中，由此聚合物膜的折射率、厚度和/或形态以及在聚合物膜的界面上的反射率局部地发生变化。该效应可以通过被添加在粘附层(或者附加的吸收层，例如参见WO 02/103689A1)的颜料被加强；该吸收颜料至少部分地吸收写光束，并且局部地向聚合物膜放出在此所产生的热量。聚合物膜的变化可以借助于该驱动器中的读光束被检测，因为读光束根据所写入的信息局部地或多或少强烈地在聚合物膜的界面上被反射。通过使写光束或者读光束聚焦可以有针对性地将信息写入信息载体的预选的层中，或者从中读出。
如果涉及在所有层中保证快速的写和访问时间，则可写的多层光数据存储器是一个挑战。
待写入的层的高吸收以及在相应的层中可用的高激光强度对于快速写时间是必要的。另外，相应的层的高反射(镜面化)对于可靠的写和读过程是必要的。但是，这相互排斥，因为上面的层的高反射和高吸收使下层的激光强度减弱。
在基于考虑相应的层的反射信号的读操作时，上面的层对读信号的影响是双倍强烈的，因为激光在往返行程上必须经过上面的层。
根据CD和DVD技术，光数据存储器也是公知的。DVD目前以单层可写和双层可读的形式存在。但是，在写或者读光束的减弱方面，双层性仍是不成问题的。蓝光光盘(Blu-ray Disc)可以被称为未来的下一种光存储介质。
通过二光子激发已经成功地研制了对应于10层CD的光数据存储器(Call/Recakk公司，San Diego/Irvine，加利福尼亚，美国)。
薄金属膜可以吸收电磁波是公知的。近似地，也已经成功地计算了薄金属膜的光特性(尤其Y.Yagil、M.Yosefin、D.J.Bergmann和G.Deutscher的“半连续金属膜的光特性用的伸缩理论”，Phys.Rev.B43，号13(1991))。
其他公开已经建议了薄金属层(尤其银、铝、铜和金)作为光存储介质的吸收层(尤其K.Baba等人的“具有金属岛膜的大反射率变化的一次性写入光数据存储介质”，应用光学，第36卷，号11(1997))。
在DE 101 28 901A1中描述了一种方法，其中在每个存储层具有一个吸收层的多层光数据存储器中，所述方法在输入数据之后使相应的吸收层褪色，并且因此为接下来的在下面层中的写和读过程提供更多能量。数据存储器的这种类型对于每个存储层都要求一个具有吸收颜料的吸收层。
本发明的任务是在简单建立的多层光数据存储器中为所有存储层创造有利的写和读条件。
该任务通过具有权利要求1所述的特征的光数据存储器和具有权利要求9所述的特征的用于写入这种数据存储器的方法来解决。权利要求16涉及一种用于从这种数据存储器中读出信息的方法。本发明有利的改进方案从从属权利要求中得出。
按照本发明的光数据存储器具有多个上下重叠布置的存储层，所述层中的每层都具有一反射层、优选地是金属层，所述金属层在预定的光波长范围中具有至少为5％、优选地至少为10％的初始吸收、以及至少为5％、优选地至少为10％的初始透射，并且其透射或者反射可以通过热处理选择性地被改变。如果下面使用概念“金属层”，则这不排斥非金属反射层的使用，所述非金属反射层此外具有所要求的特性。反射层或者金属层优选地薄于100nm，尤其薄于50nm。例如银、铝、铜、金或者钛适合作为金属；混合物或者合金也是可设想的。
薄金属膜(金属层)在其光特性(除了随着增加的层厚而降低的透射和增加的反射之外)中表示强吸收的区域。因此在确定的层厚时，金属膜可以达到30％或者更多的吸收。光特性极大地依赖于金属层的镀敷方式(溅射、气相沉积等)。在按照本发明的多层光数据存储器中，采用比组合的反射和吸收层具有更高的吸收的薄金属膜。由此，提供一种数据载体，其中在用于储入信息的写操作时通过给定的存储层的高反射和吸收保证快速的和可靠的写过程。
但是，在将金属膜用作吸收层和反射层时存在矛盾，因为具有(如用于写入数据所必需的)适当高的吸收的金属膜一般也具有相对高的反射率(反射)，使得由于所引起的相对少的透射而使写或者读光束不能以足够的强度到达较深层的存储层。
为了解决该矛盾而利用以下事实，即相应金属层的透射(或者与透射相互关联的反射)可以通过热处理(例如通过光的照射)选择性地被改变。也即通过供应热能可以影响金属层的光特性。此外，其原因可能是金属粒子的形式和大小的变化、以及金属膜的等离子体的由此所引起的变化了的谐振条件。
在用于用信息写前述类型的光数据存储器的本发明方法中利用这种效应。在此，所述信息利用写激光器通过局部地改变光特性而被储入相应的存储层中，而且优选地从最接近于写激光器的聚焦光学系统的存储层开始，并且从那里开始从存储层向存储层继续。在相应的存储层中的所述透射或者反射通过热处理(优选地通过激光的照射)来调整。
这能够实现一种写策略，其首先在朝向聚焦光学系统(例如写透镜)的侧写多层光数据存储器，并且然后持续工作直到最后的层为止。首先，所有存储层的反射层或者金属层具有高的吸收和高的反射。因此，可以快速且可靠地用所期望的数据写入第一层。随后，可以例如连贯地以较弱的强度第二次使第一层曝光，这引起所属金属层的热处理，使得该层的反射被减低到所期望的反射/层概况(见下)的值上。在此，同时使层的吸收被减弱，由此在接下来的存储层中可用更多的激光强度用于写数据。于是，该写策略在写每个存储层时保证了写激光器的足够的强度。
最后，写完的数据存储器可以具有反射/层概况，其对于可读的多层光数据存储器是最佳情况。在此，各个存储层的透射或者反射被如此设定，使得在读取数据时由所述各个存储层所反射的读信号对于所述各个存储层具有最大的可能且近似相同大小的强度，所述读信号优选地利用读激光器产生。其他反射/层概况也是可能的。
在本发明的优选实施形式中，每个存储层邻近于所述反射层或者金属层都具有一个聚合物层，其物理特性(优选地是光学特性)可以局部地通过加热被改变。优选地，所述聚合物层是延伸的、尤其是双轴延伸的，并且可以例如包含聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚酰亚胺和/或聚烷基丙烯酸甲酯。在这种聚合物层中，能量在制造、尤其在延伸时被存储，所述能量在局部加热时导致局部重构，由此例如折射率、厚度和反射率局部地发生变化。这例如可以被用于存储信息。用于一个比特的存储位置的典型尺寸大约为1μm2或者(尤其在写或者读激光器的短波长的情况下)更少。在所述实施形式中，在被分配给所给定的存储层的反射层或者金属层中的吸收可以被用于加热聚合物层，其中热量从金属层被传输到邻近的聚合物层上，并且在那里局部地导致光特性的变化。但是，原则上也可以设想(例如在聚合物层中)提供吸收颜料(例如参见WO02/103689A1)。另外，存储层也可以包含其他层，例如粘附层。
在使用这种聚合物层时，所输入的信息被存储在聚合物层中。但是，因为金属层的透射或者反射可以通过热处理选择性地被改变，所以也能够利用金属层自身作为存储位置。
按照本发明的光数据存储器可以以不同的基本形状(例如作为圆盘或者(具有存储层的同心布置的)圆筒)存在。另一可能性是具有存储层的螺旋形布置的圆柱状的基本形状(例如参见WO 00/17864A1)；通过缠绕存储层(或者多个上下重叠布置的存储层)并且固定在缠绕的状态中来产生这种基本形状。
已经介绍了一种写策略，其中所述透射或者反射在最后所写入的存储层中通过以下方式被设定，即在储入信息之后使所有存储层都经受热处理。
在可代替的方法中，所述透射或者反射特性在最后所写的存储层中通过以下方式被设定，即在写数据之后立即利用激光束照射存储层的刚刚被写入的区域。在前述写策略中，这避免了相对冗长的处理过程，其中如果存储层被完全写满，则每次都必须进行这种相对冗长的处理过程。
一种方法更快地工作，其中所述透射或者反射在最后所写的存储层中通过以下方式被设定，即在写数据时利用激光束、优选地利用写激光器照射数据结构之间的间隙。通常以比用于产生数据结构自身的照射弱的强度进行间隙的照射。但是，因为数据结构和空隙的位置在控制写光束之前是已知的，所以利用该策略可以完全节省用于设定透射或者反射的附加的工作过程。在产生数据结构时，金属层通常在所期望的方向上改变其反射性能，使得在该策略时不只是有利地设定间隙的透射或者反射。所述数据结构不必被储入金属层，而是也可以在邻近的聚合物层中产生(见上)。
为了改善写过程，如果所述写激光器在不同的波长范围中工作和/或设有多个写激光器，所述多个写激光器在不同的波长范围中工作，其中预定的波长范围被分配给预定的存储层，则可能是有利的。
如果为了产生读信号，读激光器的光束在被聚焦的存储层处被反射并且所述读信号被检测，那么，为了从光数据存储器中读出信息，相应地有利的是，所述读激光器在不同的波长范围中工作和/或设有多个读激光器，所述多个读激光器在不同的波长范围中工作，其中预定的波长范围被分配给预定的存储层。
本发明也提供一种可写的多层光数据存储器，其在每个存储层中都具有一个(或者多个)功能层，所述功能层在写操作时负责写激光的吸收和反射，而在读操作时负责反射。在写操作和读操作时，对功能层的光特性的要求可能大大彼此不同。因此本发明提供以下可能性，即通过使用适当的功能层(尤其是金属层)和相应的写策略来创造最佳的读和写条件。在写操作时，可使用保证了快速且可靠的写过程的强吸收和反射的层，而在读操作时，弱吸收的和在层数方面最佳反射的层能够实现快速的访问时间和最佳的信号效率。
下面根据实施例进一步描述本发明。附图中：
图1示出薄银膜的作为层厚函数的光特性(透射、反射、吸收)的图形表示(波长为633nm)，
图2示出在通过利用激光脉冲式地照射不同的脉冲持续时间之后(平均厚度约为10nm的)银层的作为波长函数的透射频谱的图形表示。
图3示出在利用激光脉冲式照射之后穿过(平均厚度约为10nm的)银层的光透射的作为脉冲持续时间函数的变化的图形表示，以及
图4示出用于写按照本发明的光数据存储器的写策略的示意性图示。
如果在其光特性方面研究薄金属膜，则薄金属膜(除了随着层厚增加而降低的透射和增加的反射之外)表明是一强吸收的区域。因此，在确定的层厚时，金属膜可以达到30％或者更多的吸收。光特性极大地依赖于金属层的镀敷方式(溅射、气相沉积等)。在图1中示出了薄膜与层厚有关的光特性的变化曲线。
具有高吸收的金属膜可以被用作多层光数据存储器的组合的反射和吸收层。根据试验已经表明，当在大约1μm2的面积上激光功率大约为12mW时利用大约100ns的脉冲持续时间已经可以获得明显可见的曝光效果。因此，快速的写时间得到了保障。
曝光效果的更精确研究揭示：通过激光器供给热能来改变金属层的光特性。此外，其原因可能是金属粒子的形状和大小的变化、以及金属膜的等离子体的由此所引起的变化了的谐振条件。在图2中示出在可见和近红外波长范围中的被不同强烈地曝光的银层的光谱。
因此，利用激光通过不同强度的曝光可以有针对性地改变薄金属膜的透射。在所考虑的三种不同的波长中，对于示意性银层得出在图3中所示的透射变化。对于一波长范围的透射增加，而对于另一范围的透射可能降低。
对于多层存储器，可以确定光反射/层概况，其能够使所有层的所反射的信号在读出时是相同强度并且最大。对于具有理想(无吸收的)反射层的五层系统来说，该概况如下所示：
-1.层：12％反射
-2.层：16％反射
-3.层：23％反射
-4.层：38％反射
-5.层：100％反射
该概况从大约为12％的每层中得出一反射信号。
反射/层概况依赖于层数以及单个层的吸收，并且因此看起来可能各不相同。另外，可以期望不从每层中获得相同强度的信号，这同样导致改变的概况。
原则上，所期望的反射率可以通过使表面金属化来实现，因为可以经由金属膜的层厚极其精确地调整反射率。
但是，因为具有适当高的吸收的金属膜不一定具有(更低的)反射率，其中该反射率对应于多层光数据存储器的最佳反射/层概况，所以将金属膜用作吸收层和用作反射层之间存在矛盾。
写策略可以被用作该矛盾的解决方案，所述写策略首先在朝向写激光器的写透镜的侧写入多层光数据存储器，并且然后持续工作直到最后的层为止。首先，所有层都具有相对高的吸收和相对高的反射。因此，可以快速且可靠地用数据写第一层。随后，可以例如连贯地以较弱的强度第二次使第一层曝光，使得该层的反射被减弱到反射/层概况的期望的值上。在此，同时层的吸收被减弱，由此在接下来的层中可用更多的激光强度用于写数据。
现在，多层光数据存储器的所有后来的层可以以类似的方式被写入并且以所定义的方式被“消除反射”，使得最后存在写满的数据存储器，其具有所期望的反射/层概况。在图4中也再次示出了示例性三层的写策略。层依次被写并且以所定义的方式被消除反射。
图4以图示的方式示出具有第一存储层1、第二存储层2和第三存储层3的光数据存储器。在实施例中，第一存储层1包含聚合物层11以及金属层12，其中待存储的信息的数据结构被储入所述聚合物层11中。第二存储层2和第三存储层3相应地具有聚合物层21和金属层22或者聚合物层31和金属层32。在实施例中，聚合物层11、21、31分别由35μm厚的双轴延伸的聚丙烯组成，金属层分别由大约10nm厚的银组成。
首先，数据被储入第一存储层1中(图4，左上方)。在金属层11上聚焦并且被吸收到金属层11中的激光束(写激光器的写光束40)用于此。金属层11在该时刻仍具有相对高的吸收(和反射)，使得写光束40的相对高的部分被吸收到金属层11中，并且只有相对少的部分到达更深的存储层2和3。通过吸收所产生的热被传递到聚合物层11上，该热在那里引起折射率的局部变化(见上)，所述折射率代表所存储的数据(数据结构)。
在第一存储层1被配备数据之后，写光束40被轻微地散焦，并且作为照射光束41通过扫射金属层11(图4，右上方)而大面积地加热金属层11。由此，在金属层11中的反射和吸收被减少，使得此后对于第二存储层2和第三存储层3可使用写光束(或者用于读出数据的读光束)的更大强度。
在图4的中下方区域中示出了针对第二存储层2和第三存储层3的相应的过程。如果金属层31属于数据存储器的最下面的存储层，则其反射已经在制造数据存储器时就被如此设定，使得通过照射光束的以后调整是不必要的。
在此，在没有将聚合物层用作数据结构的载体的情况下，也可能直接将信息写入金属层中。但是，在这种情况下，聚合物层可以用作相邻存储层的金属层之间的隔离物。
因此，例如可以利用写激光器直接使数据结构曝光到金属层中，使得该数据结构可以以反射的方式被读出。随后，所写入的区域可以利用轻微散焦的激光束被部分消除反射。在以反射方式读出时，表现出反射的减弱，但是为此写光束或者读光束的较高强度可用于随后的存储层。
所述的写策略只是多种可能性中的一种。在变型中，消除反射可以在写数据之后立即通过第二轻微移位的激光点来进行，并且因此不要求附加的写时间。另一方面，代替在写操作时不写数据结构之间的间隙，可以以较弱的脉冲写该间隙，并且因此完全避免附加的消除反射过程。
层的消除反射基于热效应。添加热能的每种其他形式都同样可以被用作消除反射措施。
如上进一步所述的那样，在确定的波长范围中，存储层的金属层的反射可以通过热处理来增强。因此，代替在写入数据之后使存储层的金属层消除反射，而以所定义的方式使该金属层(至少一个或多个)镜面化可能是有意义的。
在写以及读操作时可能有利的是：在(优选地由多于一个激光器所产生的)不同的波长范围中工作，并且如此利用以下事实，即功能层(金属层)根据波长更强地或者更弱地反射。例如可以在读操作时以405nm的波长读取上面的层，因为所述上面的层在该范围中在消除反射之后更强地反射，而可以以658nm的波长读取下面的层，因为所述下面的层在该范围中被上面的层较少地减弱。
另外，如果分级地使功能层消除反射或者镜面化对写策略或者信号效率是有利的，则这可以被考虑。

Claims (22)

1.光数据存储器，具有多个上下重叠布置的存储层(1，2，3)，所述层中的每层都具有一反射层，所述反射层在预定的光波长范围中具有至少为5％的初始吸收，以及至少为5％的初始透射，并且其透射或者反射可以通过热处理选择性地被改变。
2.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，所述反射层的透射或者反射可以通过利用光(41)的照射选择性地被改变。
3.按照权利要求1或者2所述的光数据存储器，其特征在于，所述反射层在从20％至90％的范围中具有透射。
4.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，每个存储层(1，2，3)邻近于所述反射层都具有一个聚合物层(11，21，31)，其光学特性可以局部地通过加热被改变。
5.按照权利要求4所述的光数据存储器，其特征在于，所述聚合物层(11，21，31)是延伸的。
6.按照权利要求5所述的光数据存储器，其特征在于，所述聚合物层(11，21，31)是双轴延伸的。
7.按照权利要求4或者5所述的光数据存储器，其特征在于，所述聚合物层(11，21，31)具有由从以下组中所选出的材料的至少一种：聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚酰亚胺、聚烷基丙烯酸甲酯。
8.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，所述反射层是金属层(12，22，32)。
9.按照权利要求8所述的光数据存储器，其特征在于，所述金属层(12，22，32)具有从以下组中所选出的金属的至少一种：银、铝、铜、金、钛。
10.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，数据存储器具有从以下组中所选出的基本形状之一：圆盘形、具有存储层的同心布置的圆筒形、具有存储层螺旋式布置的圆柱状。
11.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，所述初始吸收至少为10％。
12.按照权利要求1所述的光数据存储器，其特征在于，所述初始透射至少为10％。
13.用于用信息写按照权利要求1至12之一所述的光数据存储器的方法，其中所述信息利用写激光器(40)通过局部地改变光特性而被储入相应的存储层(1，2，3)中，而且从最接近于写激光器(40)的聚焦光学系统的存储层(1)开始，并且逐个存储层地继续，其中透射或者反射在每个存储层(1，2，3)中通过热处理被调整。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述热处理通过利用激光(41)的照射来进行。
15.按照权利要求13或者14所述的方法，其特征在于，所述透射或者反射在最后所写入的存储层(1，2，3)中通过以下方式被设定，即在储入信息之后使所有存储层经受热处理。
16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，所述透射或者反射在最后所写入的存储层中通过以下方式被设定，即在写数据之后立即利用激光束照射存储层的刚刚被写入的区域。
17.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，所述透射或者反射在最后所写入的存储层中通过以下方式被设定，即在写数据时利用激光束照射、优选地利用写激光器照射在数据结构之间的间隙。
18.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，各个存储层(1，2，3)的透射或者反射被如此设定，使得在读出数据时由所述各个存储层(1，2，3)所反射的读信号对于所述各个存储层(1，2，3)具有最大的且相同大小的强度。
19.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述写激光器在不同的波长范围中工作和/或设有多个写激光器，所述多个写激光器在不同的波长范围中工作，其中向每个存储层分配不同的波长范围，使得该存储层的反射层根据波长更强或更弱的反射。
20.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，所述读信号通过读激光器产生。
21.用于从按照权利要求1至12之一所述的光数据存储器中读出信息的方法，其中为了产生读信号，读激光器的光束在被聚焦的存储层(1，2，3)处被反射，并且所述读信号被检测。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于，所述读激光器在不同的波长范围中工作和/或设有多个读激光器，所述多个读激光器在不同的波长范围中工作，其中向每个存储层分配不同的波长范围，使得该存储层的反射层根据波长更强或更弱的反射。
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