(57)【要約】【課題】ホログラムをコピーメディアに高速で複製し、かつファニングノイズの発生を抑制することができる簡素な構成のホログラム複製装置およびこれを用いたホログラム複製方法を提供する。【解決手段】光源３１からのレーザ光をビームスプリッタ３２によりマスターホログラムデータ再生用のマスター参照光とフォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とに分割し、マスター参照光をマスター媒質２２に記録されたマスターホログラムに照射し、回折光を発生させる。得られた回折光と、この回折光に対して可干渉なポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質３７に入射させ、回折光を増幅させる。フォトリフラクティブ媒質３７で増幅された回折光をレンズ３８で集光してコピー媒質３９に照射して、ホログラムデータを転写する。【選択図】図２
2008287107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
この光源からのレーザ光を、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光と、フォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とに分割する分割手段と、
前記マスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射するマスター参照光照射手段と、
前記マスター参照光が照射された前記マスターホログラムから発生する信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光と、前記ポンプ光とが入射され、前記回折光を増幅するフォトリフラクティブ媒質と、
このフォトリフラクティブ媒質から出射される増幅された前記回折光を集光して前記複製用媒質に照射する集光レンズと
を備えることを特徴とするホログラム複製装置。
【請求項２】
マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製装置であって、
レーザ光を出射する光源と、
この光源からのレーザ光を、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光と、フォトリフラクティブ増幅用の前進ポンプ光と、この前進ポンプ光に対して位相共役な後進ポンプ光とに分割する分割手段と、
前記マスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射するマスター参照光照射手段と、
前記マスター参照光が照射された前記マスターホログラムから発生する信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光と、前記前進ポンプ光と、前記後進ポンプ光とが入射され、前記回折光と同一の空間位相を有する位相共役光を発生するフォトリフラクティブ媒質と、
このフォトリフラクティブ媒質から出射される前記位相共役光を集光して前記複製用媒質に照射する集光レンズと
を備えることを特徴とするホログラム複製装置。
【請求項３】
マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製方法であって、
マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射し、信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光を発生するステップと、
前記回折光とフォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質に照射して前記回折光を増幅するステップと、
前記フォトリフラクティブ媒質から出射される増幅された前記回折光を集光して前記複製用媒質に照射するステップと
を含むことを特徴とするホログラム複製方法。
【請求項４】
マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製方法であって、
マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射し、信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光を発生するステップと、
前記回折光と、フォトリフラクティブ増幅用の前進ポンプ光と、この前進ポンプ光に対して位相共役な前記後進ポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質に入射し、前記回折光と同一の空間位相を有する位相共役光を発生するステップと、
前記フォトリフラクティブ媒質から出射される前記位相共役光を集光して前記複製用媒質に照射するステップと
を含むことを特徴とするホログラム複製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量・高速データ転送可能な体積型ホログラフィック記録におけるホログラム記録媒体の複製のためのホログラム複製装置およびホログラム複製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィック記録は、青色光ディスクに続く次世代の高速・大容量光記録方式として期待されている技術である。ホログラフィック記録では、２次元のデータページ情報（現状では数百ｋｂｉｔから数Ｍｂｉｔ程度の空間強度情報）を持つホログラムを同一空間に多重記録することができ、それぞれのデータページは一度の光照射で並列に記録、再生されるため、ＴＢｙｔｅオーダの記録容量とＧｂｐｓオーダの高速データ転送とを達成できる（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００３】
ＤＶＤや青色レーザ光ディスクなどの従来の再生専用メディア（ＲＯＭ）における複製は物理的な成型によって行われるが、体積型の再生専用ホログラフィックメモリ（ホログラフィックＲＯＭ）の複製は、成型によってではなく、マスターメディアに記録された多数のホログラムデータパターンをコピーメディアへ露光転写することによって行われる。
【０００４】
一例として、最も一般的な記録方式である角度多重方式のホログラフィックＲＯＭメディアを複製する場合は、まず信号データパターンと平面参照光とを用いてマスターホログラムを多重記録し、その後マスターホログラムに再度参照光を照射することによって信号パターンを再生し、回折光として得られた信号パターンと平面参照光とをコピーメディア内で干渉させることでホログラムを転写する（例えば、非特許文献３，４参照）。
【０００５】
別の例として、同軸型記録方式のホログラフィックＲＯＭメディアを複製する場合は、信号パターンと参照パターンの両方を含めたデータパターンを、マスター参照光と呼ばれる別の参照光を用いてマスターホログラムに記録する。この場合、複製時にはマスター参照光を記録時と同一角度で照射して信号パターンと参照パターンの両方を再生し、再生された２つのパターンをコピーメディア内で干渉させることでホログラムを転写する（例えば、非特許文献５参照）。
【０００６】
上記いずれの方式においても、データ複製時には、マスターホログラムを広い面積の平面参照光で再生することにより、１回の光照射で、空間的に重複しない（記録メディアの外部で分離可能な）多数のホログラムデータを同時に転写することができる。
【０００７】
また、同一空間に多重記録されたホログラムを転写する場合は、ホログラム間のクロストークを回避するための工夫が必要である。具体例として、特定の露光スケジュールを用いて逐次転写する手法（例えば、非特許文献４，５参照）が知られている。また、互いに干渉しない参照光を用いて並列転写する手法も知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００８】
上記技術以外にも、ホログラムの転写に関しては様々な提案がなされている（例えば、非特許文献６〜９参照）。
【非特許文献１】L.Hesselink,S.S.Orlov,and M.C.Bashaw,“Holographic Data Storage Systems”, Proc. IEEE 92,no.8,pp.1231-1280(2004).
【非特許文献２】H.Horimai,X.Tan,and J.Li,“Collinear holography”,Appl.Opt.44,no.13,pp.2575-2579(2005).
【非特許文献３】F.Mok,G.Zhou,and D.Psaltis,“Holographic read-only memory”,in Holographic Data Storage,H.Coufal,D.Psaltis,and G.T.Sinoerbox,Eds.Berlin,Germany.Springer-Verlag,2000,pp.399-407.
【非特許文献４】E.Chuang,K.Curtis,Y.Yang,and A.Hill,“Consumer Holographic read-only memory reader with mastering and replication technology”,Opt.Lett.31,pp.1050-1052(2006).
【非特許文献５】H.Horimai,and X.Tan,“Duplication technology for secured read-only holographic versatile disc”,Tech.Dig.ISOM/ODS2005,no.M-B7(2005).
【非特許文献６】F.H.Mok,G.W.Burr,and D.Psaitis,“System metric for holographic memory systems”,Opt.Lett.21,no.12,pp.896-898(1996).
【非特許文献７】S.Campbell,Y.Zhang,and P.Yeh,“Writing and copying in volume holographic memories;approaches and analysis”,Opt.Commun.123,pp.27-33(1996).
【非特許文献８】高橋伸弘、岡本  淳、佐野貴之、伊藤輝将、“２光波混合を用いたホログラフィックメモリの高速複製手法”、平成１８年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会講演論文集、no.96,pp.138(2006).
【非特許文献９】P.Yeh,“Introduction to photorefractive nonlinear optics”,(John Wlley＆Sons,Inc.1993).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のホログラフィックＲＯＭ転写システムにおける問題点は、光学系のエネルギー効率が低いために、コピーメディアの複製に要する時間が長い、すなわち転写速度が遅くなることである。
【００１０】
ホログラフィックＲＯＭ複製時のデータ転写速度は、基本的には通常のホログラフィック記録の場合と同様に、記録メディアの感度とコピーメディアに対する露光パワー（使用するレーザ光源のパワーと転写光学系の光利用効率の積）によって決まる。したがって、基本的には高出力レーザを用いて転写を行うことにより、高速なＲＯＭメディアの複製が可能である。
【００１１】
しかしながら、体積ホログラムの回折効率は多重数の２乗に反比例して低下することが一般的に知られており（例えば、非特許文献６参照）、このことが転写光学系の光利用効率を大きく制限している。
【００１２】
通常のライトワンス型ホログラフィック記録では、ノイズレベル以上の回折効率が得られればデータページを比較的低いエラー率で再生可能であるため、１ホログラム当りの回折効率が１０-３から１０-５程度の低い値になるまで多重数を増加させることが可能である。
【００１３】
それに対し、ホログラフィックＲＯＭ複製システムでは、マスターメディアの多重数を増加させると、回折効率の低下によって転写時の光利用効率も低下する結果、転写速度が遅くなるという問題が生じる。すなわち、従来のＲＯＭ複製システムでは、マスターメディアのホログラム多重数（すなわち大容量化）と高速な転写速度とを両立させることが困難であった。
【００１４】
例えば、５０ｍＷのレーザ使用時に１ＴＢｙｔｅの容量、および１Ｇｂｐｓの書込み速度を達成できる記録材料に対して、５０Ｗのハイパワーレーザを用いてホログラムを転写したとしても、光利用効率が１０-３の場合では、達成可能なコピー速度は１Ｇｂｐｓ程度に制限される。このスループットの低さは、テラバイト級の容量を持つホログラフィックＲＯＭの大量生産にとって致命的な問題である。
【００１５】
より高出力なレーザを用いることによって、より高速にＲＯＭを複製することは原理上可能である。しかし、使用するレーザ出力が高くなるほど、熱によるホログラフィックメディアの膨張や、その他の非線形効果等が起こることが懸念される。また、高出力レーザの使用は装置コスト、作成コスト面から考えても望ましくない。したがって、実用的なホログラフィックＲＯＭ転写システムを実現するには、光利用効率をいかに高くするかが最も重要な課題である。
【００１６】
従来提案されている転写時の光利用効率の改善方法の一例として、マスターを複数のサブマスターに分割し、マスターのホログラム多重数を少なくすることで回折効率の低下を抑える２ステップマスタリング方式がある（例えば、非特許文献４参照）。ただし、この方法では、１枚のＲＯＭメディア作成につき、複数のサブマスターメディアを使用しなくてはならないので、機械的なメディア交換作業が必要になる。特に、ホログラフィック記録では波長の数倍程度の位置精度が要求されるため、メディア交換作業時間は必然的に長くなり、その結果、転写のスループットが大きく制限される。
【００１７】
また、光利用効率の改善のための別の方法として、マスターメディアの回折効率の低下自体を抑えるのではなく、光増幅器を用いてマスターからの小さな回折信号光を増幅する方法がこれまでに検討されている（例えば、非特許文献７，８参照）。ここで用いる光増幅器としては、例えば、準光型の光アドレス空間光変調器を用いた増幅システムや、全光型のフォトリフラクティブ増幅器などが挙げられる。
【００１８】
空間光変調器や撮像素子などを介した準光型の増幅システムを用いる場合、一度、光−電気変換を行う必要があるために、その動作速度以上の転写速度は達成できない。つまり、どんなに高出力なレーザを用いても、転写速度はライトワンス型ホログラムの書込み速度と同程度に制限される。さらに、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子が検出できる情報は基本的に光強度だけであるので、複数ホログラムの並列の転写は困難である。したがって、超高速に動作する空間光変調器や撮像素子が開発されない限り、高速複製は原理上困難である。
【００１９】
一方、全光型のフォトリフラクティブ増幅器を用いる場合は、十分な材料の感度があれば、光−電子デバイスの応答速度を越える転写速度を達成できる。
【００２０】
ここで、フォトリフラクティブ増幅器を用いたホログラムの転写について説明する。まず、図６を参照して、マスターホログラムの記録手順について説明する。
【００２１】
図６において、空間変調器（図示せず）により信号パターンが空間変調されたビームが対物レンズ１によって集光され、対物レンズ１の焦点付近に配置されたマスター媒質（マスターメディア）２に入射する。一方、光源３で発生した可干渉なマスター参照光もディフレクタ４を介してマスター媒質２に入射し、信号パターンが空間変調されたビームとマスター参照光とがマスター媒質２内で干渉することによりマスターホログラムが記録される。
【００２２】
このようにマスター媒質２に記録されたマスターホログラムを、図７に示すフォトリフラクティブ増幅器によりコピー媒質（コピーメディア）に転写する。図７において、光源１１で発生し、エキスパンダ・ディフレクタ部１２により光束径を広げられたレーザ光を、マスター参照光としてマスター媒質２に記録されたマスターホログラムに照射し、信号パターンを含む回折信号光を発生させる。
【００２３】
マスター媒質２から発生した回折信号光は、レンズ１３を介してフォトリフラクティブ媒質１４に入射する。そして、ディフレクタ１５によって進行方向を変えられたレーザ光をポンプ光としてフォトリフラクティブ媒質１４に照射することにより回折信号光を増幅し、増幅された回折信号光をレンズ１６で集光してコピー媒質１９に照射する。
【００２４】
そして、ディフレクタ１７により進行方向を変えられた後、可変光減衰器１８により光強度を調節されたレーザ光をコピー参照光としてコピー媒質１９に照射して、増幅された回折信号光とコピー参照光とをコピー媒質１９内で干渉させることで、ホログラムデータパターンを転写する。
【００２５】
このようなフォトリフラクティブ増幅器の持つ最大の利点は、フォトリフラクティブ媒質に並列に入射した信号光情報を位相情報も含めて増幅、転写できることであり、すなわち、一度の照射で増幅できる信号光の情報量が大きいということである。
【００２６】
しかし、従来のフォトリフラクティブ増幅器を用いたホログラム転写システムでは、１つの空間に記録されたホログラムからの回折信号光に対して増幅、転写する用途だけに利用範囲が限定されており、フォトリフラクティブ増幅器が持つ潜在能力が最大限に生かされていなかった（例えば、非特許文献７，８参照）。
【００２７】
また、従来のフォトリフラクティブ増幅器を用いた転写システムでは、増幅対象となるものが信号パターンだけであったために、回折効率の高いホログラムを記録することが困難であった。すなわち、ホログラムの回折効率を最大にするためには、メディア内で干渉させる信号パターンと参照パターンとの光強度比を１：１に調節し、干渉パターンのコントラストを大きくする必要があるが、通常、フォトリフラクティブの増幅率は時間が経過するにつれて増加する。そのため、時間変化する信号パターンと強度一定の参照光とを干渉させると、常に１：１の光強度比とはならず、必然的に干渉パターンのコントラストが低下し、その結果、回折効率も低下する。これを補償するためには、強度調節用の装置、例えば、増幅器外部の参照パターンの光路上に可変光減衰器を設置するなどの工夫が必要であった（例えば、非特許文献８参照）。
【００２８】
さらに、フォトリフラクティブ増幅器では、材料中に発生する散乱光等が徐々に増幅されることによって生じるファニングノイズと呼ばれる特有のノイズが存在する。特に、増幅利得が飽和してファニング光が発生する時間領域では（フォトリフラクティブ光波混合の時定数よりも長い時間露光した場合）、ファニングノイズ光が信号情報のデータパターンとともにコピーメディアに転写されることにより再生時のＳ／Ｎ比が低下していた。さらに、増幅ゲインの時間的なゆらぎも起こるために、コピーメディアに対応する露光量が不安定になり、この結果コピーホログラムの回折効率がデータページ毎に不均一になることがあった。
【００２９】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、ホログラムをコピーメディアに高速で複製し、かつファニングノイズの発生を抑制することができる簡素な構成のホログラム複製装置およびこれを用いたホログラム複製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記目的を達成するため、本発明のホログラム複製装置は、マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製装置であって、レーザ光を出射する光源と、この光源からのレーザ光を、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光と、フォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とに分割する分割手段と、前記マスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射するマスター参照光照射手段と、前記マスター参照光が照射された前記マスターホログラムから発生する信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光と、前記ポンプ光とが入射され、前記回折光を増幅するフォトリフラクティブ媒質と、このフォトリフラクティブ媒質から出射される増幅された前記回折光を集光して前記複製用媒質に照射する集光レンズとを備えることを特徴とする。
【００３１】
また、本発明のホログラム複製装置は、マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製装置であって、レーザ光を出射する光源と、この光源からのレーザ光を、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光と、フォトリフラクティブ増幅用の前進ポンプ光と、この前進ポンプ光に対して位相共役な後進ポンプ光とに分割する分割手段と、前記マスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射するマスター参照光照射手段と、前記マスター参照光が照射された前記マスターホログラムから発生する信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光と、前記前進ポンプ光と、前記後進ポンプ光とが入射され、前記回折光と同一の空間位相を有する位相共役光を発生するフォトリフラクティブ媒質と、このフォトリフラクティブ媒質から出射される前記位相共役光を集光して前記複製用媒質に照射する集光レンズとを備えることを特徴とする。
【００３２】
また、本発明のホログラム複製方法は、マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製方法であって、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射し、信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光を発生するステップと、前記回折光とフォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質に照射して前記回折光を増幅するステップと、前記フォトリフラクティブ媒質から出射される増幅された前記回折光を集光して前記複製用媒質に照射するステップとを含むことを特徴とする。
【００３３】
また、本発明のホログラム複製方法は、マスター媒質にホログラフィックに記録されているマスターホログラムを複製用媒質に複製するホログラム複製方法であって、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光を前記マスター媒質に記録されている前記マスターホログラムに照射し、信号パターンと参照パターンとを含む回折パターンを有する回折光を発生するステップと、前記回折光と、フォトリフラクティブ増幅用の前進ポンプ光と、この前進ポンプ光に対して位相共役な前記後進ポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質に入射し、前記回折光と同一の空間位相を有する位相共役光を発生するステップと、前記フォトリフラクティブ媒質から出射される前記位相共役光を集光して前記複製用媒質に照射するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ホログラムをコピーメディアに高速で複製し、かつファニングノイズの発生を抑制することができる簡素な構成のホログラム複製装置およびこれを用いたホログラム複製方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
【００３６】
（第１の実施の形態）
まず、マスターホログラムの記録手順について、図１を参照して説明する。ここでは例として、同軸型記録方式を用いる場合のマスタリングについて説明する。なお、以下に図１を用いて説明するマスターホログラムの記録方法は、基本的に図６を用いて説明した記録方法と同様である。
【００３７】
図１において、まず、レーザ光源（図示せず）から出射したビームがデータパターン生成手段である空間光変調器（図示せず）に入射し、空間変調器により信号パターンと参照パターンとが変調される。
【００３８】
次に、データパターンが空間変調されたビームは対物レンズ２１によって集光され、対物レンズ２１の焦点付近に配置されたマスター媒質（マスターメディア）２２に入射する。
【００３９】
ここで、光源２３で発生した可干渉なマスター参照光もディフレクタ２４を介してマスター媒質２２に入射し、データパターンが空間変調されたビームとマスター参照光とがマスター媒質２２内で干渉することによりマスターホログラムが記録される。なお、図１に示す例ではマスター参照光が平面波である角度多重を想定している。
【００４０】
ホログラムに多重記録を行う場合は、マスター参照光の角度をマスターホログラムに対するブラッグ条件から十分に外れる程度までずらし、次以降のホログラムを記録する。
【００４１】
ここで、空間的に重なっていない、または空間的には重なっていても再生回折光が空間フィルタ等を用いて分離可能であるホログラムの組については、同一のマスター参照光で記録しておく。このようにしておくことで、１つの参照光の角度に対して、多数の空間分離可能なホログラムが割り当てられるため、広い参照光を照射することによって多数のホログラムを一括再生することが可能である。
【００４２】
通常の多重記録の際は、適当な露光時間のスケジュールを行い、記録完了後に各ホログラムの回折効率が等しくなるようにすることが一般的であるが、本発明では、光増幅、転写後のコピーホログラムの回折効率が等しくなるように設定すればよいので、マスターホログラムを記録した時点では回折効率は揃っていなくてもよい。
【００４３】
ここでは、図１に示す同軸記録方式について説明したが、本発明では増幅、転写対象となるデータパターンに信号パターンとそれに対応する参照光との両方の情報が含まれていればよく、参照光は図１に示しているようなデータパターンに限定されない。すなわち、図１の参照光は角度多重用の単一平面波、シフト多重用の球面波、あるいはスペックル多重用のランダム空間位相変調された光波などであっても構わない。
【００４４】
また、ここではマスター参照光が平面波である角度多重の場合を想定したが、マスター参照光の形状は特に平面波に限定されず、上記のような多重記録が可能な空間強度、位相分布を有していればよい。
【００４５】
また、データパターンの変調方式は強度変調であるものとしているが、本発明は信号パターン、参照パターンのどちらかまたは両方が位相変調されたホログラフィック記録光学系にも適用可能である。
【００４６】
次に、第１の実施の形態に係るホログラム複製装置について説明する。図２は第１の実施の形態に係るホログラム複製装置を示す概略構成図である。
【００４７】
図２に示すように第１の実施の形態に係るホログラム複製装置は、二光波フォトリフラクティブ増幅器を構成しており、光源３１と、ビームスプリッタ３２と、エキスパンダ・ディフレクタ部３３，３４と、ミラー３５と、レンズ３６，３８と、フォトリフラクティブ媒質３７と、コピー媒質３９と、マスター媒質２２とを備える。
【００４８】
光源３１はレーザ光を発生する。光源３１で発生するレーザ光の波長は、増幅用のフォトリフラクティブ媒質３７に対して感度を持つ波長帯である必要がある。
【００４９】
ビームスプリッタ３２は、光源３１からのレーザ光を２方向に分割し、一方の光をエキスパンダ・ディフレクタ部３３に入射させ、他方の光をミラー３５を介してエキスパンダ・ディフレクタ部３４に入射させる。
【００５０】
エキスパンダ・ディフレクタ部３３は、エキスパンダとディフレクタとを有し、ビームスプリッタ３２からの光の光束径を広げるとともに、光の進行方向を変えて、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光としてマスター媒質２２に照射する。
【００５１】
エキスパンダ・ディフレクタ部３４は、ビームスプリッタ３２からミラー３５を介して入射される光の光束径を広げるとともに、光の進行方向を変えて、フォトリフラクティブ増幅用のポンプ光としてフォトリフラクティブ媒質３７に照射する。
【００５２】
マスター媒質２２には、図１を用いて説明した手順によりマスターホログラムが記録されており、マスター参照光が照射されることにより、マスターホログラムから回折光が発生する。
【００５３】
フォトリフラクティブ媒質３７には、マスター媒質２２からの回折光がレンズ３６を介して照射される。また、フォトリフラクティブ媒質３７には、エキスパンダ・ディフレクタ部３４からのポンプ光も照射され、マスター媒質２２からの回折光が増幅される。
【００５４】
レンズ３８は、フォトリフラクティブ媒質３７で増幅された回折光を集光してコピー媒質（コピーメディア）３９に照射する。
【００５５】
なお、フォトリフラクティブ媒質３７は、コピー媒質３９と同じ波長帯に感度を持つことが必要である。また、ブラッグ回折が支配的である厚いホログラムとして扱える程度の厚さ（数十μｍ以上）を有し、かつ低吸収、低散乱であり、屈折率変化の空間分解能が使用波長と同程度またはそれ以上であることが望ましい。
【００５６】
また、フォトリフラクティブ媒質３７の厚さが大きいほど光学収差も大きくなるので補正のための光学設計が重要になる。光学系の簡素化のためには、なるべく薄く、結合係数が大きいものを用いることが望ましい。
【００５７】
次に、図２に示すホログラム複製装置を用いたホログラムの転写手順を説明する。
【００５８】
まず、光源３１からのレーザ光をビームスプリッタ３２によりマスターホログラムデータ再生用のマスター参照光とフォトリフラクティブ増幅用のポンプ光とに分割する。本例ではマスター参照光とポンプ光とがともに平面波であるが、いずれも平面波以外でも構わない。
【００５９】
次に、エキスパンダ・ディフレクタ部３３により光束径を広げられたマスター参照光を、マスター媒質２２に記録されたマスターホログラムに照射し、一度に複数のホログラムから回折光を発生させる。ここで、それぞれの回折光パターンは信号パターンと参照パターンの両方を含んでいる。
【００６０】
次に、得られたすべての回折光と、回折光に対して可干渉なポンプ光とをフォトリフラクティブ媒質３７に入射すると、フォトリフラクティブ二波混合過程により回折光が増幅される。そして、フォトリフラクティブ媒質３７で増幅された回折光をレンズ３８で集光してコピー媒質３９に照射することで、ホログラムデータが転写される。なお、フォトリフラクティブ二波混合過程については、非特許文献９に詳述されている。
【００６１】
図２に示した例では、回折光のデータパターンが結像する位置にフォトリフラクティブ媒質３７を配置している（像面配置）。像面配置の場合、広いマスター参照光をマスターホログラムに照射すると、複数位置から再生された回折光がすべてフォトリフラクティブ媒質３７上の同じ位置に結像する。また、別の配置例として、回折効率のデータパターンのフーリエ変換面にフォトリフラクティブ媒質３７を配置して光増幅してもよい（フーリエ面配置）。
【００６２】
マスターホログラムからの回折光に対するポンプ光の強度が十分に大きく、ポンプ光の減衰が無視できる場合、二波混合による光増幅利得の大きさは、フォトリフラクティブ結合係数の実部γ，吸収係数α，およびフォトリフラクティブ媒質３７の厚さＬの値によって決定され、特に、十分時間経過した時の飽和利得ｇ２ＷＭは、以下の（数式１）で表される。
【数１】
2008287107.tif 000003
【００６３】
ここで、フォトリフラクティブ複素結合係数Γとその実部γ、虚部κは、以下の（数式２）で定義される。
【数２】
2008287107.tif 000004
【００６４】
ここで、λはレーザ光の波長、Δｎは材料の最大屈折率変化量、θはビーム交差角の半角である。また、φＰＲはフォトリフラクティブ位相シフト量である。フォトリフラクティブ位相シフト量とは、干渉パターンに対するフォトリフラクティブホログラムの空間的な位相ずれ量である。例えば、電子の拡散で動作するＢａＴｉＯ３結晶での位相シフト量ではφＰＲ＝π/２であり、通常のホログラフィック媒質ではφＰＲ＝０である。有機フォトリフラクティブポリマー材料などの多くのフォトリフラクティブ媒質では、ΔｎやφＰＲは印加する外部直流電界の大きさによって変更可能である。
【００６５】
二波混合で最も重要な材料パラメータである結合係数γには、強い角度依存性があることに注意する必要がある。像面配置で光増幅を行う場合、フォトリフラクティブ材料の結合係数の角度依存性が、同時に転写するデータページ間の増幅効率の違いや転写パターンの空間周波数分布のばらつきに反映される。一方、フーリエ面配置の場合は、結合係数の角度依存性が信号パターンの空間強度分布のばらつきに反映される。どちらの配置を用いる場合でも、結合係数の角度依存性がなるべく平坦になるようにビーム入射角等を設定する必要がある。
【００６６】
多重記録されたホログラムを転写する場合は、１回の転写ごとにマスター参照光の入射角とポンプ光の入射角をそれぞれのブラッグ条件から十分外れる程度まで変更しながら、順次転写を行う。このとき、図３（ａ），（ｂ）に示すように、多重数がＭであればＭ回の露光を行う必要がある。
【００６７】
図３（ａ）は増幅時のマスターホログラムからの回折光強度の時間変化を示す図、図３（ｂ）は増幅を用いない場合の回折光強度の時間変化を示す図である。図３（ａ），（ｂ）において、斜線部分の面積は、目標とする回折効率を達成するために必要な転写露光量を示している。
【００６８】
このとき、フォトリフラクティブ光増幅の露光時間のスケジュールは、以下の（数式３）によって決定される。
【数３】
2008287107.tif 000005
【００６９】
ここで、Ｔ０（ｍ）は通常の多重記録におけるｍ番目のホログラムに対する露光時間、ＴＰＲＡ（ｍ）は光増幅を用いた場合のｍ番目のホログラムに対する露光時間、ｇ２ＷＭ（t)はフォトリフラクティブ二波混合による増幅利得の時間変化である。
【００７０】
例えば、コピー媒質３９が指数関数の応答曲線を持つフォトポリマーである場合、各Ｔ０（ｍ）の値は、以下の（数式４）で与えられる。
【数４】
2008287107.tif 000006
【００７１】
ここで、ＩＳはマスターホログラムから再生されるすべての回折光強度の和、ＳＰＰ，Ｍ# ，Ｍはコピー媒質３９のバルク感度、ダイナミックレンジ（エムナンバー）、およびターゲットとする多重数である。ｆはダイナミックレンジの消費率（ｆ＜１）である。フォトポリマーの感度とダイナミックレンジは以下の（数式５）で定義される。
【数５】
2008287107.tif 000007
【００７２】
ここで、Ｉ０はフォトリフラクティブ媒質３７に入射する全光強度（マスターホログラムからの回折光強度とポンプ光強度との和）、ηＰＰ（ｔ）はコピーホログラムの回折効率の時間変化、ηＰＰｍはｍ番目に多重記録されるコピーホログラムの回折効率である。
【００７３】
フォトリフラクティブ二波混合の時定数程度の露光時間が経過して増幅利得が飽和し始めると、徐々にファニングノイズと呼ばれるフォトリフラクティブ特有の増幅ノイズが発生する。ファニングノイズが転写するデータパターンに重なると、コピーホログラムの再生像のＳ／Ｎ比が低下し、さらに増幅利得の時間的なゆらぎも起こる。したがって、これらのファニングノイズの悪影響を最小限に抑えるためには、図３のようにフォトリフラクティブ増幅器の利得が飽和する前の時間領域（増幅後の光強度の時間変化ＩＳｇ２ＷＭ（t）が２次関数で近似できる領域）だけを用いて増幅を行えばよい。
【００７４】
転写性能の改善効率を表す増幅スピード利得Ｇは、以下の（数式６）で定義される。
【数６】
2008287107.tif 000008
【００７５】
転写スピード利得Ｇは、主として転写スピードの指標となる以下の（数式７）の無次元のパラメータσだけの関数になる。
【数７】
2008287107.tif 000009
【００７６】
ここで、ｒＰは回折光とポンプ光との強度比である。Ｓ２ＷＭは二波混合のバルク感度であり、以下の（数式８）で定義される。
【数８】
2008287107.tif 000010
【００７７】
すなわち、転写スピードを決める重要なパラメータσは、以下の（１）〜（３）の３つの積である。（１）フォトリフラクティブ媒質３７に入射するマスターホログラムからの回折信号光とポンプ光との強度比（２）コピー媒質３９の記録感度とフォトリフラクティブ光波混合の感度との比（３）コピーホログラム１枚あたりのダイナミックレンジ（回折効率の平方根）
【００７８】
図４に示すグラフは、二光波増幅器におけるスピード利得Ｇ２ＷＭに関する数値計算結果の一例である（Kogelnikの結合方程式とKukhtarevのフォトリフラクティブ時間応答モデルを使用、パラメータ：γ＝４０ｃｍ-1，α＝０，Ｌ＝１．０ｍｍ）。σが高くなるほどフォトリフラクティブ飽和利得ｅｘｐ｛（γ−α）Ｌ｝に漸近する。本発明による転写速度の改善効果を大きくするためには、ｅｘｐ｛（γ−α）Ｌ｝およびσの両方が大きな値であることが望ましい。
【００７９】
上記説明のように、第１の実施の形態によれば、メディア交換時に機械的な操作を用いることなく、大きなホログラム多重度のマスターメディア１枚からＲＯＭメディアを高速に複製することが可能となる。
【００８０】
また、マスターメディアの多くの記録スポットから同時に再生される多重信号光を並列に増幅できるために、潜在的に通常のライトワンス記録光学系のような空間変調器ベースのシステムでは到達不可能なコピー速度を達成できる。仮に、転写時の光利用効率が１００倍〜１０００倍だけ改善されると、転写速度も原理上１００倍〜１０００倍となる。
【００８１】
また、光増幅後にも信号パターンと参照パターンとの光強度比は自動的に１：１の最適比になるため、強度調整のための特別な外部装置は不要となり、従来のフォトリフラクティブ増幅システムよりも光学系が簡素化される。
【００８２】
さらに、光増幅の際、時定数に達する前に増幅を止め、次データページの増幅、転写を始めることにより、ファニングノイズが大幅に抑制されるとともに、時間的に安定した増幅利得を得ることが可能となる。
【００８３】
なお、フォトリフラクティブ媒質３７の配置は、像面配置とフーリエ面配置の２通りに限定されるわけではなく、例えば像面とフーリエ面の中間程度の位置でもよい。また、像面配置、フーリエ面配置に関わらず、フォトリフラクティブ媒質３７の面積（入射面の断面積）は、最低でもマスターホログラム記録時に使用する空間光変調器と同程度またはそれ以上の大きさであることが望ましい。
【００８４】
（第２の実施の形態）
図５は第２の実施の形態に係るホログラム複製装置を示す概略構成図である。
【００８５】
図５に示すように第２の実施の形態に係るホログラム複製装置は、四光波フォトリフラクティブ増幅器を構成しており、光源４１と、ビームスプリッタ４２，４３と、エキスパンダ・ディフレクタ部４４，４５，４６と、ミラー４７と、レンズ４８，４９，５０と、フォトリフラクティブ媒質５１と、コピー媒質５２と、マスター媒質２２とを備える。
【００８６】
光源４１はレーザ光を発生する。光源４１で発生するレーザ光の波長は、増幅用のフォトリフラクティブ媒質５１に対して感度を持つ波長帯である必要がある。
【００８７】
ビームスプリッタ４２は、光源４１からのレーザ光を２方向に分割し、一方の光をエキスパンダ・ディフレクタ部４４に入射させ、他方の光をビームスプリッタ４３に入射させる。
【００８８】
ビームスプリッタ４３は、ビームスプリッタ４２からの光を２方向に分割し、一方の光をエキスパンダ・ディフレクタ部４５に入射させ、他方の光をミラー４７を介してエキスパンダ・ディフレクタ部４６に入射させる。
【００８９】
エキスパンダ・ディフレクタ部４４は、ビームスプリッタ４２からの光の光束径を広げるとともに、光の進行方向を変えて、マスターホログラムデータ再生用のマスター参照光としてマスター媒質２２に照射する。
【００９０】
エキスパンダ・ディフレクタ部４５は、ビームスプリッタ４３からの光の光束径を広げるとともに、光の進行方向を変えて、フォトリフラクティブ増幅用の前進ポンプ光としてフォトリフラクティブ媒質５１に照射する。
【００９１】
エキスパンダ・ディフレクタ部４６は、ビームスプリッタ４３からミラー４７を介して入射される光の光束径を広げるとともに、光の進行方向を変えて、後進ポンプ光としてフォトリフラクティブ媒質５１に照射する。
【００９２】
マスター媒質２２には、図１を用いて説明した手順によりマスターホログラムが記録されており、マスター参照光が照射されることにより、マスターホログラムから回折光が発生する。
【００９３】
フォトリフラクティブ媒質５１には、マスター媒質２２からの回折光がレンズ４８を介して照射される。また、フォトリフラクティブ媒質５１には、エキスパンダ・ディフレクタ部４５からの前進ポンプ光およびエキスパンダ・ディフレクタ部４６からの後進ポンプ光も照射される。これらの３光波が入射されると、フォトリフラクティブ媒質５１は、フォトリフラクティブ四波混合過程を介して、マスターホログラムの情報を有する第四の光波である位相共役光を発生する。
【００９４】
レンズ５０は、レンズ４８、マスター媒質２２、およびレンズ４９を通過して入射するフォトリフラクティブ媒質５１からの位相共役光を集光してコピー媒質５２に照射する。
【００９５】
なお、第１の実施の形態と同様に、フォトリフラクティブ媒質５１は、コピー媒質５２と同じ波長帯に感度を持つことが必要である。また、ブラッグ回折が支配的である厚いホログラムとして扱える程度の厚さ（数十μｍ以上）を有し、かつ低吸収、低散乱であり、屈折率変化の空間分解能が使用波長と同程度またはそれ以上であることが望ましい。
【００９６】
また、第１の実施の形態では、前述のように、厚さがなるべく薄く、結合係数が大きいフォトリフラクティブ媒質を用いることが光学系の簡素化のために望ましいが、第２の実施の形態では、位相共役再生によって光学収差が自動的に補償されるため、フォトリフラクティブ媒質５１は厚くても構わない。
【００９７】
また、フォトリフラクティブ媒質５１の配置は、第１の実施の形態と同様に、像面配置とフーリエ面配置の２通りに限定されるわけではないが、特に、第２の実施の形態の場合は、マスター媒質２２とフォトリフラクティブ媒質５１との間にレンズ以外の光学素子（例えばプリズムや回折光学素子等）が入っていてもよい。
【００９８】
次に、図５に示すホログラム複製装置を用いたホログラムの転写手順を説明する。
【００９９】
図５に示すホログラム複製装置の基本的な動作原理は、フォトリフラクティブ四光波混合で動作することを除いては、上記第１の実施の形態で説明したホログラム複製装置と同様である。
【０１００】
まず、光源４１からのレーザ光をビームスプリッタ４２，４３によりマスター参照光と前進ポンプ光と後進ポンプ光とに分割する。
【０１０１】
次に、マスター媒質２２に記録されたマスターホログラムに広いマスター参照光を照射して得られる回折光（複数のホログラムデータパターンの重ね合わせ）、前進ポンプ光、後進ポンプ光をフォトリフラクティブ媒質５１に入射する。ここで前進ポンプ光と後進ポンプ光の空間位相は互いに共役な関係である必要がある。特にポンプ光が平面波である場合は、図５に示すように、後進ポンプ光は前進ポンプ光の対向伝搬光でよい。
【０１０２】
上記の３光波を入射すると、フォトリフラクティブ四波混合過程を介して、マスターホログラムの情報を有する第四の光波である位相共役光が発生する。最も一般的な透過型ホログラムによる四波混合の場合は、マスターホログラムから再生された回折光と前進ポンプ光との干渉によってフォトリフラクティブホログラムが誘起され、それと同時に、前進ポンプ光に対して位相共役な後進ポンプ光がフォトリフラクティブホログラムに対してブラッグ回折条件を満たし、後進ポンプ光の回折光が位相共役光となる。この位相共役光は、マスターから再生された回折光と全く同一の空間位相を持ちながら逆方向に伝搬する。
【０１０３】
このように発生した位相共役光を、図５に示すようにデータパターン入力面に対するフーリエ変換面（ホログラム記録面に対しては像面）に配置されたコピー媒質５２に照射することで、ホログラムデータが転写される。本例では、位相共役光がマスター媒質２２を透過しているが、マスター媒質２２を透過することは必須ではなく、例えばマスター媒質２２とフォトリフラクティブ媒質５１との間にビームスプリッタを配置して、ビームスプリッタで反射した位相共役光をコピー媒質５２に照射してもよい。
【０１０４】
四光波増幅器を用いてホログラムを転写する場合、位相共役光の持つ位相補正作用により、マスター媒質２２とフォトリフラクティブ媒質５１との間で発生する光学収差やその他の位相歪みは自動的に補償される。したがって、光波増幅器を用いる場合よりも、光学配置の自由度は高くなる。例えば、有機フォトリフラクティブポリマー材料を用いる場合、様々な光学配置（チルト配置、プリズム配置、多層構造など）が収差なしに実現できるので、材料の持つ最大の結合係数を利用することができる。
【０１０５】
四波混合で高い増幅効率を達成するには、媒質中でマスターホログラムからの回折光と前進ポンプ光との干渉によって形成される透過型フォトリフラクティブホログラムが支配的になっていることが望ましい。具体的には、前進ポンプ光とマスターホログラムからの回折光とを可干渉であり、かつ後進ポンプ光とは可干渉でなくなるように光路差を設定すればよい。
【０１０６】
四波混合の飽和増幅利得（または位相共役反射率）ｇ４ＷＭは、以下の（数式９）で表される。
【数９】
2008287107.tif 000011
【０１０７】
ここで、ρＰは前進ポンプ光と後進ポンプ光との強度比である。四光波増幅器を用いる場合、本発明に適用可能なフォトリフラクティブ媒質は、光照射によって屈折率が動的に変化する材料であればよく（複素結合強度ΓＬの値が重要である）、フォトリフラクティブ位相シフトを介したエネルギー移動（結合係数の実部γ）は必ずしも必要ない（すなわちφＰＲ＝０であってもよい）ので、材料選択の幅が広がる。
【０１０８】
また、四光波増幅器の場合は、高い屈折率変調量と小さなフォトリフラクティブ位相シフト量とを有するフォトリフラクティブ材料を用いることで、ファニングノイズを低減しながら高い光増幅効率を達成できる。
【０１０９】
多重記録されたホログラムの転写における露光スケジュールの設定方法は、第１の実施の形態の場合と同様であり、以下の（数式１０）から決定される。
【数１０】
2008287107.tif 000012
【０１１０】
ここで、ｇ４ＷＭ(t)はフォトリフラクティブ四波混合による増幅利得の時間変化である。
【０１１１】
四光波増幅器による増幅スピード利得Ｇは、複素結合強度ΓＬとパラメータσによって決定される。ただし、四光波増幅器の場合のσを決定する際には、材料パラメータとして、二波混合の感度Ｓ２ＷＭの代わりに、（数式１１）の四波混合の感度Ｓ４ＷＭが用いられる。
【数１１】
2008287107.tif 000013
【０１１２】
上記説明のように、第２の実施の形態によれば、フォトリフラクティブ位相シフト量が０に近い媒質を用いることによって、より効果的にファニングノイズを抑制することが可能となる。その結果、高い信号増幅効率とコピーホログラムの再生信号の高いＳ／Ｎ比を両立させることができ、ＲＯＭ転写性能が大幅に向上する。
【０１１３】
また、位相共役による光学歪み補正が可能であるので、増幅媒体の厚みによって起こる光学収差を補正する必要はなく、従来のフォトリフラクティブ増幅を用いたホログラム転写システムよりも高い解像度の再生信号が得られる。また、四波混合増幅器とマスターメディアとの間に結像光学系は必要ないので、光学配置や材料選択の自由度が大きく広がる。
【０１１４】
（ホログラムデータの再生）
本発明の第１および第２の実施の形態において転写したコピーホログラムを再生する手段は、基本的に従来のホログラフィック記録再生と同様であり、転写したデータパターンのうち、参照パターンのみを該当するコピーホログラムに照射すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるマスターホログラム記録手順を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るホログラム複製装置を示す概略構成図である。
【図３】図２に示すホログラム複製装置において目標とする回折効率を達成するために必要な転写露光量を示す図である。
【図４】二光波増幅器におけるスピード利得に関する数値計算結果の一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るホログラム複製装置を示す概略構成図である。
【図６】従来のマスターホログラム記録手順を説明するための図である。
【図７】従来のフォトリフラクティブ増幅器を用いたホログラム複製装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１１６】
２２  マスター媒質
３１，４１  光源
３２，４２，４３  ビームスプリッタ
３３，３４，４４，４５，４６  エキスパンダ・ディフレクタ部
３５，４７  ミラー
３６，３８，４８，４９，５０  レンズ
３７，５１  フォトリフラクティブ媒質
３９，５２  コピー媒質
【図１】
2008287107.tif 000014
【図２】
2008287107.tif 000015
【図３】
2008287107.tif 000016
【図４】
2008287107.tif 000017
【図５】
2008287107.tif 000018
【図６】
2008287107.tif 000019
【図７】
2008287107.tif 000020