(57)【要約】【課題】  システムの集積化、低コスト化、および光学配置の簡素化を実現できる、データ修復機能を備えたホログラムメモリ装置と方法を提供する。【解決手段】  フォトリフラクティブ結晶（結晶）１１に、全反射端面５に向けて斜めの方向から信号光１を入力し、全反射端面５で斜め方向に反射して結晶１１を通過させる。信号光１との干渉用の参照光２１を全反射端面５に沿って結晶１１に入力し、信号光１と参照光２１との交差領域に、信号光の持つデータを書き込み記録する第１、第２のホログラム記録領域７，８を形成する（図１（ａ））。データ読み出し時には、信号光１を非入力状態として参照光２１と逆向きの読み出し光３１を入力し、一方のホログラム領域から発生した回折光を他方のホログラム領域に入射し、常時データの再書き込みを行うことにより（図１（ｂ））、全光学的なデータの維持と障害発生時の修復を可能にする。【選択図】        図１
2005189845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光を全反射する全反射端面を有するフォトリフラグティブ媒質と、該フォトリフラクティブ媒質に前記全反射端面に対して斜めの方向から前記全反射端面に向けて信号光を入力する信号光入力部と、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介して前記フォトリフラクティブ媒質の一端側から他端側に向けて前記信号光との干渉用の参照光を入力する参照光入力部とを有し、前記信号光入力部から前記フォトリフラクティブ媒質に入力された信号光は前記全反射端面で斜め方向に反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過し、前記フォトリフラクティブ媒質に入力された参照光が前記全反射端面に向かって前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と交わることにより、該交差領域に前記信号光の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域が形成され、かつ、前記全反射端面で反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記参照光とが交わることにより、該交差領域に前記第１のホログラム記録領域と同一のデータを書き込み記録する第２のホログラム記録領域が形成されることを特徴とするホログラムメモリ装置。
【請求項２】
全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介してフォトリフラクティブ媒質の他端側から一端側に向けて参照光と逆向きの読み出し光を入力する読み出し光入力部を有し、第１と第２のホログラム領域形成後に信号光を非入力とした状態で前記読み出し光を前記フォトリフラクティブ媒質に入力することによって、該読み出し光を第１のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第１の回折光を第２のホログラム記録領域に入力して前記第１のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第２のホログラム記録領域に再書き込みし、前記読み出し光を第２のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第２の回折光を第１のホログラム記録領域に入力して前記第２のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域に再書き込みする構成としたことを特徴とする請求項１記載のホログラムメモリ装置。
【請求項３】
信号光を全反射する全反射端面を有するフォトリフラグティブ媒質に、前記全反射端面に対して斜めの方向から前記全反射端面に向けて信号光を入力すると共に、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介して前記フォトリフラクティブ媒質の一端側から他端側に向けて前記信号光との干渉用の参照光を入力し、前記フォトリフラクティブ媒質に入力した信号光を前記全反射端面で斜め方向に反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過させ、前記全反射端面に向かって前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記フォトリフラクティブ媒質に入力された参照光とを交差させて該交差領域に前記信号光の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域を形成し、かつ、前記全反射端面で反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記参照光とを交差させて該交差領域に前記第１のホログラム記録領域と同一のデータを書き込み記録する第２のホログラム記録領域を形成することを特徴とするホログラム記録方法。
【請求項４】
第１と第２のホログラム領域形成後に信号光を非入力とした状態で、全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介してフォトリフラクティブ媒質の他端側から一端側に向けて参照光と逆向きの読み出し光を前記フォトリフラクティブ媒質に入力し、該読み出し光を第１のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第１の回折光を第２のホログラム記録領域に入力して前記第１のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第２のホログラム記録領域に再書き込みし、前記読み出し光を第２のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第２の回折光を第１のホログラム記録領域に入力して前記第２のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域に再書き込みすることを特徴とする請求項３記載のホログラム記録方法。
【請求項５】
第１のホログラム記録領域に障害が生じたときには第２の回折光と読み出し光とによるデータの再書き込みにより第１のホログラム記録領域にてデータの修復を行い、第２のホログラム記録領域に障害が生じたときには第１の回折光と参照光とによるデータの再書き込みにより第２のホログラム記録領域にてデータの修復を行うことを特徴とする請求項４記載のホログラム記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的制御あるいは機械的な制御を用いず、光のみでデータの書き込みと読み出しを行うホログラムメモリ装置、および、ホログラム装置内におけるデータの記録および記録したデータの維持ならびに修復を行うホログラム記録方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光記録のさまざまな分野においてホログラムメモリが注目されているが、データの消去および再記録が難しい通常のホログラムメモリと異なり、フォトリフラクティブ効果を用いたホログラムメモリは、データの変更・消去・再記録が容易であるという特長を有するため特に注目されてきている。
【０００３】
フォトリフラクティブ効果とは、光の照射により媒質の空間電界が発生し、ポッケルス効果を介し、媒質の屈折率が変化する現象であり、この効果を用いたホログラムメモリでは、通常のホログラムメモリと同様、データの記録において互いにコヒーレント(可干渉)な、信号光(例えば物体光)と該信号光の参照光とをともに媒質に入射する。
【０００４】
２つの光波は媒質中で干渉し、周期的な光の明暗が形成されるため、周期的な屈折率変化がホログラムとして記録される。この屈折率の周期的な分布は回折格子としてはたらくため、形成された回折格子に対して外部から読み出し光を入射し、そのホログラムによる回折光を検出することで記録されたデータを読み出すことができる。
【０００５】
フォトリフラクティブ媒質以外にも、ホログラムメモリに用いられる媒質としてはハロゲン化銀感光材料やフォトポリマーなどがあるが、これらの媒質を用いた場合にはホログラムの書き換えは不可能である。一方、フォトリフラクティブ媒質は、光の照射により記録されたホログラムを消去することができ、書き換え可能なホログラムメモリを実現することができる。
【０００６】
しかしながら、フォトリフラクティブ媒質においてホログラムの消去が可能である特性により、データ読出し時の読み出し光の照射によってもデータの消去が引き起こされ、これが記録されたホログラムデータを徐々に減衰させてしまうという問題の原因となっている。また、外部からの不要な光の入射や振動などの原因によって装置の光軸がずれた場合には、メモリ装置内で部分的にデータの欠損(ドロップアウト)が起こる可能性がある。
【０００７】
これらの問題点を解決するため、フォトリフラクティブ効果を用いたホログラムメモリ装置において、読み出し時のデータ維持、および障害発生の自動検出とデータの自動修復を光による制御のみによって行う手段がこれまでに提案されている。例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、２つの結晶（フォトリフラクティブ結晶）１１，１２を用いてホログラムメモリ装置を構成したものがある（例えば、非特許文献１、２参照。）。
【０００８】
この提案のホログラムメモリ装置は、図５（ａ）に示すように、ホログラム記録時（データ書き込み時）には、結晶１１に、入力信号光（信号光）１と、該信号光１との干渉用の参照光２１とを入射し、結晶１２には、結晶１１を透過した信号光１と、該信号光１との干渉用の参照光２２とを入射することにより、各結晶１１，１２に、常時、同一のデータを持つホログラムを記録している。
【０００９】
また、この提案のホログラムメモリ装置は、図５（ｂ）に示すように、データ読み出し時には、信号光１を非入力状態として、結晶１１に読み出し光３１を入射し、かつ、結晶１２に読み出し光３２を入射することにより、各結晶１１，１２内のホログラムから回折光を発生させる。なお、読み出し光３１，３２は、参照光２１，２２と完全に対向入射する必要がある。これらの回折光（図５では出力光３ａ，３ｂ）の和が出力光３として得られる。この出力光３は、信号光の情報（データ）を有している。
【００１０】
ここで、読み出し光３１，３２の入射と同時に参照光２１，２２も結晶１１，１２へ同時に入射することによって、２つの結晶１１，１２内で記録されているホログラムの再書き込みが行われる。
【００１１】
すなわち、参照光２１が結晶１１内のホログラムによって回折されてフィードバック光４１が発生し、同時に読み出し光３２が結晶１２内のホログラムによって回折されてフィードバック光４２が発生する。これらのフィードバック光４１，４２は、それぞれの領域に記録されているホログラムと同一のデータを持っているため、フィードバック光４１と参照光２２によって結晶１２内のホログラムの再書き込みが、フィードバック光４２と読み出し光３１によって結晶１１内のホログラムの再書き込みがそれぞれ行われる。
【００１２】
このように２つの結晶１１，１２中のホログラムに対する再書き込みが相補的に行われることによりデータは維持され、一方の記録媒質内でホログラムが失われた場合にも、特別な操作や手段を用いる必要なく、同一データを有する他方の結晶からのフィードバック光によりそのホログラムが再書き込みされるため、失われたデータを自動的に復元することが可能である。
【００１３】
図５に示した装置における実際の光学系の一例を図６に示す。図中のＰＲＣ１１、ＰＲＣ１２は図５におけるフォトリフラクティブ結晶（結晶）１１，１２に対応しており、符号３６，３７，３８は、それぞれレンズを示す。また、この光学系は、ビームスプリッタ２６，２７、半波長板４４〜４７、偏光ビームスプリッタ４８〜５０、ミラー５１〜５６を有しており、光源（レーザ）１５から発信されるレーザ光を、偏光分離、反射等して、信号光１、参照光２１，２２、読み出し光３１，３２をそれぞれ形成している。
【００１４】
この光学系において、画像などの二次元情報をフォトリフラクティブ結晶１１に入力する場合には、信号光(物体光)は入力マスク３５によって変調し、２つのフォトリフラクティブ結晶１１，１２に入射する。それぞれの読み出し光が結晶１１，１２内のホログラムにより回折し、これら回折光の和が出力光３となる。この出力光をビームスプリッタ（ＢＳ）２７で反射し、ＣＣＤカメラ２５によって検出する。
【００１５】
両方の結晶１１，１２内のホログラムからフィードバック光４１，４２を効率良く発生させるためには、参照光２１の回折光と読み出し光３２の回折光が以下で説明する二波混合により共に増幅されるように、結晶固有軸（ｃ軸）の方向を設定することが極めて重要である。ここで、ｃ軸の向きと光波の増幅方向の関係について明らかにするため、フォトリフラクティブ効果と二波混合について説明する。
【００１６】
フォトリフラクティブ効果とは、光の照射によりフォトリフラクティブ媒質内に空間電界が発生し、ポッケルス効果を介し、媒質の屈折率が変化する現象である。例えばフォトリフラクティブ媒質の一つであるフォトリフラクティブ結晶は、非点対称な光伝導体であり、光励起により結晶中を自由に移動できる電荷を含んでいる。これらの電荷は、結晶格子中の不純物や欠損から生じている。
【００１７】
図７に示すように、結晶に照射された二光波（ここでは、ビームＡ１とビームＡ２）の干渉により、干渉縞ができ、結晶内に周期的な光の強度分布I(x)が発生する。ここで、光が強めあう所（明の部分）と、光が打ち消しあう所（暗の部分）が存在し、明の部分では、光エネルギーにより電子が、ドナーから伝導体に励起される。励起されたキャリアは、拡散によりキャリア密度の大きい明部から、励起がほとんど起こらずキャリア密度が小さい暗部へと移動する。明るい部分ほど多くのキャリアが励起されるので、明の部分では励起が再結合を上回り、次第にイオン化されたドナーの密度が増加する。一方、暗の部分ではその逆のことが起きるため、干渉縞の明暗に応じた電荷密度分布ρ(x)が生じる。
【００１８】
よって、結晶内で電気的平衡が崩れ、空間電界ＥＳＣ(x)が発生する。ポッケルス効果により、空間電界ＥＳＣ(x)に伴い非線形分極ＰＮＬが生じ、空間屈折率変化Δｎ(x)を引き起こす。この空間屈折率変化は、周期的構造をなしており、回折格子として機能する。
【００１９】
フォトリフラクティブ結晶中にコヒーレントな二光波が入射されたとき、上記のフォトリフラクティブ効果を介し、結晶中に形成される屈折率格子により、その二光波自身が回折される。
【００２０】
図８は、フォトリフラクティブ二波混合のエネルギー移動の概念図である。同図において、Λは周期的な屈折率格子の波長、ｎ、ｎ’はそれぞれΛ／２ごとの平均屈折率、ｒ１、ｒ２、ｔ１、ｔ２は光波Ａ１、Ａ２の振幅反射率及び透過率である。光波Ａ１、Ａ２の入射角及び回折角はθとする。ｎ＞ｎ’の場合、屈折率の大きな領域を進行し、屈折率の小さな領域との境界により回折されたr1Ａ１と、回折格子を透過したｔ２Ａ２の位相差は２ｍπである。
【００２１】
よって、これらの振幅はｒ１Ａ１+ｔ２Ａ２と和で表され、格子通過後のＡ１は増幅する。一方、屈折率の小さな領域を進行し、屈折率の大きな領域との境界により回折されたｒ２Ａ２と、回折格子を透過したｔ１Ａ１の位相差は(２ｍ＋１）πである。よって、これらの振幅はｔ１Ａ１−ｒ２Ａ２と差で表され、格子通過後のＡ２は減衰する。ｎ＜ｎ’の場合はこの増幅は反対となる。この増幅及び減衰の方向および程度はフォトリフラクティブ媒質の特性、結晶方位角、各光波の入射角度等の光学配置により決定される。以上のような現象を二波混合と呼ぶ。
【００２２】
上記の二波混合による光波の増幅の向きと強さは光波の入射方向とc軸の方向によって決定される。ここで光波の入射角度θとc軸の角度ψの基準として、図９のように２つの光波の伝搬方向がなす角の二等分線を始線（0度）とし、それぞれの角度はこの始線とそれぞれの光波のなす角度(-180゜＜ψ、θ1、θ2＜180゜)として定義する。時計回りを正、反時計回りを負とした。
【００２３】
例えば、フォトリフラクティブ媒質としてチタン酸バリウムを用いた場合には、図９のようにc軸の角度ψと光波Ａ１の入射角θ1がともに正の値(0゜＜ψ＜180゜、0゜＜θ1＜180゜)、光波Ａ２の入射角度θ2が負の値(-180゜＜θ2＜0゜)であるとき、屈折率格子による光波Ａ１の回折光は光波Ａ２と同位相となるため互いに強め合い、屈折率格子による光波Ａ２の回折光は光波Ａ１に対して逆位相となるため互いに弱めあう。
【００２４】
その結果、図９に示すように光波Ａ２は増幅し、光波Ａ１は減衰する。これに対し、-180゜＜ψ＜0゜の範囲ではこの関係が逆になり、光波Ａ１は増幅し、光波Ａ２は減衰する。すなわち、始線を対称軸とした場合に、光波の伝搬方向とｃ軸の向きが同じ側である（ψとθが同符号である）光波に対して増幅が起こることになる。
【００２５】
以上のことから、図６に示したような向きにｃ軸を設定することにより、参照光２１が結晶１１内のホログラムで回折されて結晶１２にフィードバックされる成分と、読み出し光３２が結晶１２内のホログラムで回折されて結晶１１にフィードバックされる成分は、それぞれの入射角がｃ軸の角度と同符号であるため増幅され、両方の結晶１１，１２中で読み出し光照射による消去作用以上の再書き込みを行い、ホログラムを維持することができる。
【００２６】
【非特許文献１】M.Esselbach, G.Cedilnik, A.Kiessling  and R.Kowarschik : "Mathematical simulationof a dynamic storage process", J.mod.Optics,Vol.46, No.14, pp.1977-1984(1999).
【非特許文献２】Mitsuru Toishi, Atsushi Okamoto, Kunihiro Sato and HisatoshiFunakoshi : "Experiment on automatic data duplication in all optical  holographic memory", Proceeding  of SPIE (ISPA 2001), Vol.4598-28, pp.200-207(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、図６に示したように、上記のようなシステムを構成する場合には、ミラー、ビームスプリッタなどの光学素子が多数必要になるため光学系が複雑化すること、複数の記録媒質を用いるため高コストであること、メモリシステム全体のサイズが大きくなるなどの問題点がある。
【００２８】
また、２つの記録媒質（上記例ではフォトリフラクティブ結晶１１，１２）に対して信号光１と２つの参照光２１，２２のコヒーレンスを合わせる必要があるため、コヒーレンス長の大型のレーザ１５が必要になったり、記録媒質と光学素子の配置に関する制約が多くなったりすることも問題となる。
【００２９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムの集積化、低コスト化、および光学配置の簡素化を実現することができるホログラム記録装置およびホログラム記録方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明のホログラムメモリ装置は、信号光を全反射する全反射端面を有するフォトリフラグティブ媒質と、該フォトリフラクティブ媒質に前記全反射端面に対して斜めの方向から前記全反射端面に向けて信号光を入力する信号光入力部と、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介して前記フォトリフラクティブ媒質の一端側から他端側に向けて前記信号光との干渉用の参照光を入力する参照光入力部とを有し、前記信号光入力部から前記フォトリフラクティブ媒質に入力された信号光は前記全反射端面で斜め方向に反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過し、前記フォトリフラクティブ媒質に入力された参照光が前記全反射端面に向かって前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と交わることにより、該交差領域に前記信号光の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域が形成され、かつ、前記全反射端面で反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記参照光とが交わることにより、該交差領域に前記第１のホログラム記録領域と同一のデータを書き込み記録する第２のホログラム記録領域が形成される構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３１】
また、第２の発明のホログラムメモリ装置は、上記第１の発明の構成に加え、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介してフォトリフラクティブ媒質の他端側から一端側に向けて参照光と逆向きの読み出し光を入力する読み出し光入力部を有し、第１と第２のホログラム領域形成後に信号光を非入力とした状態で前記読み出し光を前記フォトリフラクティブ媒質に入力することによって、該読み出し光を第１のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第１の回折光を第２のホログラム記録領域に入力して前記第１のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第２のホログラム記録領域に書き込み、前記読み出し光を第２のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第２の回折光を第１のホログラム記録領域に入力して前記第２のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域に書き込む構成としたことを特徴としている。
【００３２】
さらに、第３の発明のホログラム記録方法は、信号光を全反射する全反射端面を有するフォトリフラグティブ媒質に、前記全反射端面に対して斜めの方向から前記全反射端面に向けて信号光を入力すると共に、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介して前記フォトリフラクティブ媒質の一端側から他端側に向けて前記信号光との干渉用の参照光を入力し、前記フォトリフラクティブ媒質に入力した信号光を前記全反射端面で斜め方向に反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過させ、前記全反射端面に向かって前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記フォトリフラクティブ媒質に入力された参照光とを交差させて該交差領域に前記信号光の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域を形成し、かつ、前記全反射端面で反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記参照光とを交差させて該交差領域に前記第１のホログラム記録領域と同一のデータを書き込み記録する第２のホログラム記録領域を形成する構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３３】
さらに、第４の発明のホログラム記録方法は、上記第３の発明の構成に加え、前記反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介してフォトリフラクティブ媒質の他端側から一端側に向けて参照光と逆向きの読み出し光を入力し、第１と第２のホログラム領域形成後に信号光を非入力とした状態で前記読み出し光を前記フォトリフラクティブ媒質に入力し、該読み出し光を第１のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第１の回折光を第２のホログラム記録領域に入力して前記第１のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第２のホログラム記録領域に書き込み、前記読み出し光を第２のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第２の回折光を第１のホログラム記録領域に入力して前記第２のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域に書き込む構成をもって課題を解決する手段としている。
【００３４】
さらに、第５の発明のホログラム記録方法は、上記第４の発明の構成に加え、前記第１のホログラム記録領域に障害が生じたときには第２の回折光と読み出し光とによるデータの再書き込みにより第１のホログラム記録領域にてデータの修復を行い、第２のホログラム記録領域に障害が生じたときには第１の回折光と参照光とによるデータの再書き込みにより第２のホログラム記録領域にてデータの修復を行う構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、信号光の全反射端面に向けて斜めの方向から信号光をフォトリフラグティブ媒質に入力すると共に、前記全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介して前記フォトリフラクティブ媒質の一端側から他端側に向けて前記信号光との干渉用の参照光を入力し、前記全反射端面に向かって前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記フォトリフラクティブ媒質に入力された参照光とを交差させて前記信号光の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域をフォトリフラクティブ媒質中に形成し、前記全反射端面で反射して前記フォトリフラクティブ媒質を通過する信号光と前記参照光とを交差させて、前記第１のホログラム記録領域と同一のデータを書き込み記録する第２のホログラム記録領域を前記フォトリフラクティブ媒質中に形成するので、１つのフォトリフラクティブ媒質中の第１と第２のホログラム記録領域に同一のデータを書き込み記録できる。
【００３６】
このように、本発明によれば、同一のデータを書き込み記録できる第１と第２のホログラム記憶領域を１つのフォトリフラクティブ媒質中に形成できるので、装置の構成にフォトリフラクティブ媒質を複数用いる必要がないため、安価に本発明を実現できる。
【００３７】
また、本発明によれば、データ記録時の信号光や参照光の光源として適用されるレーザ等のコヒーレンスについては、１つのフォトリフラクティブ媒質に入力される信号光と参照光のコヒーレンスを合わせるだけでよく、従来のように、２つのフォトリフラクティブ媒質にそれぞれ入力する参照光と信号光とのコヒーレンスを合わせなくてはいけない場合と異なり、光学配置の制約が少ないメモリシステムを実現できる。
【００３８】
また、本発明において、第１と第２のホログラム領域形成後に、信号光を非入力とした状態で、全反射端面に沿って該全反射端面と間隔を介してフォトリフラクティブ媒質の他端側から一端側に向けて参照光と逆向きの読み出し光をフォトリフラクティブ媒質に入力する構成によれば、データの再書き込みができる。
【００３９】
つまり、この構成によれば、読み出し光を第１のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第１の回折光を第２のホログラム記録領域に入力して前記第１のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第２のホログラム記録領域に書き込み、前記読み出し光を第２のホログラム記録領域で回折させることにより発生する第２の回折光を第１のホログラム記録領域に入力して前記第２のホログラム記録領域に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域に書き込むので、第１と第２のホログラム記録領域において、それぞれ一方側のホログラム記録領域で発生する回折光を他方側のホログラム記録領域に入力して、互いに、他方側のホログラム記録領域へのデータの再書き込みができる。
【００４０】
ここで、もし、仮に、第１と第２のホログラム記録領域に入射する光線の入射方向（信号光、参照光、読み出し光のそれぞれの入射方向）とｃ軸との角度の関係が、第１のホログラム記録領域と第２のホログラム記録領域とで互いに同じであるとすると、同方向の光波の増幅が起こり、第１と第２のホログラム記録領域のうち一方側のホログラム記録領域へのデータの再書き込みは行われても、他方側のホログラム記録領域へのデータの再書き込みは十分に行われない。
【００４１】
そして、読み出しを続けることにより、他方側のホログラム記録領域内のホログラムは読み出し光の照射による消去作用により徐々に減衰し、最終的には消失してしまう。また、他方側のホログラム記録領域内のホログラムの減衰により、このホログラム記録領域側から発生する回折光の強度も低下するため、前記一方側のホログラム記録領域内のホログラムに関しても十分な再書き込みが行われず、最終的には消失してしまう。
【００４２】
それに対し、本発明では、データを持つ信号光の光路をフォトリフラクティブ媒質の全反射端面で全反射させて、信号光が第１のホログラム記録領域に入射する角度の符号と信号光が第２のホログラム記録領域に入射する角度の符号とを互いに反転させることにより、増幅される光波の関係を逆転させ、いずれのホログラム記録領域においても、フィードバックされる回折光が増幅されるような構成とする。これにより、２つのホログラム記録領域で回折光による再書き込みの効果が読み出し光の入射による消去作用を上回り、読み出し時のデータの維持および障害発生時のデータの自動修復が可能となる。
【００４３】
つまり、この構成によれば、データの修復機能が常時働いているため、データ破損の検出が不要であり、データの維持と修復の機能が１つの記録媒質内に集約されているため、装置の集積化が実現できる。
【００４４】
そして、第１のホログラム記録領域に障害が生じたときには第２の回折光と読み出し光とによるデータの再書き込みにより第１のホログラム記録領域にてデータの修復を行い、第２のホログラム記録領域に障害が生じたときには第１の回折光と参照光とによるデータの再書き込みにより第２のホログラム記録領域にてデータの修復を行うことにより、第１と第２のホログラム記録領域のいずれかに障害が生じたときに、読み出し光と他方側のホログラム記録領域から発生する回折光とによるデータの修正により、データの維持を行うことができる。
【００４５】
また、本発明において、データの修復の動作においては、光学系の切り替えなどのメカニカルな操作、および電子的な制御が一切不要である。
【００４６】
さらに、本発明は、ホログラムメモリをベースにしているため、二次元データの記録再生することにより、高速なデータアクセスおよびデータ転送が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００４８】
図１には、本発明に係るホログラムメモリ装置の一実施形態例が示されている。図１（ａ）に示すように、本実施形態例のホログラムメモリ装置は、フォトリフラグティブ媒質としてのフォトリフラクティブ結晶１１を有しており、フォトリフラクティブ結晶１１は、信号光を全反射する全反射端面５を有している。このフォトリフラクティブ結晶１１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、結晶固有軸（ｃ軸）を有する４５度カット結晶により形成されている。
【００４９】
また、本実施形態例では、フォトリフラクティブ結晶１１に、前記全反射端面５に対して斜めの方向から前記全反射端面５に向けて信号光（信号光）１を入力する信号光入力部２を有している。信号光入力部２は、フォトリフラクティブ結晶１１の一端側１３に設けられ、信号光１は、フォトリフラクティブ結晶１１の一端側１３からフォトリフラクティブ結晶１１に斜めに入力される。また、本実施形態例は、前記全反射端面５に沿って該全反射端面５と間隔を介して前記フォトリフラクティブ結晶１１の一端側１３から他端側１４に向けて前記信号光１との干渉用の参照光２１を入力する参照光入力部４を有している。
【００５０】
前記信号光入力部２から前記フォトリフラクティブ結晶１１に入力された信号光１は、前記全反射端面５で斜め方向に反射してフォトリフラクティブ結晶１１を通過する。また、本実施形態例では、この信号光１と前記参照光２１との交差領域に、第１、第２のホログラム記録領域７，８が形成されることにより、１つのフォトリフラクティブ結晶１１に、２つのホログラム記録領域７，８が形成されることを特徴とする。
【００５１】
つまり、フォトリフラクティブ結晶１１に入力された参照光２１が、前記全反射端面５に向かって前記フォトリフラクティブ結晶１１を通過する信号光１と交わることにより、該交差領域に前記信号光１の持つデータを書き込み記録する第１のホログラム記録領域７が形成される。また、全反射端面５で反射してフォトリフラクティブ結晶１１を透過する信号光１と、第１のホログラム記録領域７を通過した前記参照光２１とが交わることにより、該交差領域に第２のホログラム記録領域８が形成される。この第２のホログラム記録領域８は、前記第１のホログラム記録領域７と同一のデータを書き込み記録する。
【００５２】
なお、第１のホログラム記録領域７側で信号光１と参照光２１との光路長が一致していれば、第１のホログラム記録領域７を透過した参照光２１と信号光１との光路差はたかだか数ミリ程度であるから、第２のホログラム記録領域８に入射する光波についてもコヒーレンス(可干渉性)を容易に確保できる。
【００５３】
また、本実施形態例は、図１（ｂ）に示すように、前記全反射端面５に沿って、該全反射端面５と間隔を介してフォトリフラクティブ結晶１１の他端側１４から一端側１３に向けて参照光と逆向きの読み出し光３１を入力する読み出し光入力部９を有している。そして、第１と第２のホログラム領域７，８の形成後に、信号光１を非入力とした状態で前記読み出し光３１を前記フォトリフラクティブ結晶１１に入力することによって、以下のようにすることも特徴的な構成としている。
【００５４】
つまり、前記読み出し光３１を第２のホログラム記録領域８で回折させることにより発生する第２の回折光１８を第１のホログラム記録領域７に入力し、前記第２のホログラム記録領域８に記録されていたデータを前記第１のホログラム記録領域７に再書き込みする。
【００５５】
なお、読み出し光３１は、第２のホログラム記録領域８に記録されたホログラムによって回折されて、第２のホログラム記録領域８から第２の回折光１８が発生し、この発生した第２の回折光１８（読み出し光の回折光）は、信号光の伝搬方向を逆方向にたどり、全反射端面５で全反射して第１のホログラム記録領域７に入射する。
【００５６】
この第２の回折光１８と、前記第２のホログラム記録領域８を透過した残りの読み出し光３１が第１のホログラム記録領域７に入射する。このことにより、第１のホログラム記録領域７内のホログラムに対し、第２のホログラム記録領域８内に記録されたデータと同一のデータが再書き込みされる。
【００５７】
つまり、第２のホログラム記録領域８に記録されたデータは、第１のホログラム記録領域７に記録されたデータと同一のデータであるため、第１のホログラム記録領域７には、そのデータ（信号光１の持つデータ）が重ねて記録される、いわゆるデータの再書き込みが行われる。
【００５８】
また、前記第２のホログラム記録領域８を通過した前記読み出し光３１を第１のホログラム記録領域７で回折させることにより第１の回折光１７が発生する。この発生した第１の回折光１７は、信号光の伝搬方向を順方向にたどり、全反射端面５で全反射して第２のホログラム記録領域８に入射する。この第１の回折光１７が前記第２のホログラム記録領域８に入力すると、第１の回折光１７と第１のホログラム記録領域７を透過した参照光２１とによって、第１のホログラム記録領域７に記録されていたデータが前記第２のホログラム記録領域８に再書き込みされる。
【００５９】
このように、第１と第２の各ホログラム記録領域７，８からの回折光１７，１８が、相補的に、他方側のホログラム記録領域８，７へのホログラムの再書き込みを行うことにより、その効果がホログラムの消去作用よりも大きいときには、読み出し時において、両ホログラム記録領域７，８でホログラムの維持と修復の機能が実現される。
【００６０】
そして、この構成により、本実施形態例では、例えば、第１のホログラム記録領域７に障害が生じ、この障害発生により第１のホログラム記録領域７のデータが失われても、第２のホログラム記録領域８からフィードバックされる前記第２の回折光１８と読み出し光３１によるデータの再書き込みによって、第１のホログラム記録領域７にてホログラムが再書き込みされ、自動的にデータの修復が行われる。
【００６１】
また、第２のホログラム記録領域８に障害が生じたときには、第１のホログラム記録領域７からフィードバックされる第１の回折光１７と、第１のホログラム記録領域７を透過した参照光２１とにより、第２のホログラム記憶領域８にホログラムが再書き込みされ、自動的にデータの修復が行われる。特に、これらの機能は外部からの光学設定の変更することなく、常時自動的に働く。
【００６２】
なお、例えば、１つのフォトリフラクティブ結晶１１中に２つのホログラム記録領域を形成する場合、図１０のような配置が考えられるが、同図に示すように、信号光１の入射方向とｃ軸との角度の関係が、第１と第２のホログラム記録領域７，８において互いに同じであるとすると、同方向の光波（ここでは、図１０（ｂ）における第２の回折光１８と出力光３）のみ増幅が起こり、第１と第２のホログラム記録領域７，８のうち一方側のホログラム記録領域（ここでは第１のホログラム記憶領域７側）へのデータの再書き込みは行われても、他方側（ここでは第２のホログラム記憶領域８側）のホログラム記録領域へのデータの再書き込みは行われない。
【００６３】
つまり、この場合、図１０（ａ）に示すように、信号光１と参照光２１，２２との交差によって、第１と第２のホログラム記録領域７，８がそれぞれ形成された後、読み出し光を入射する場合は、図１０（ｂ）に示すように、第１のホログラム記録領域７に読み出し光３１を入射し、第２のホログラム記録領域８に読み出し光３２を入射することになるため、以下のようになる。
【００６４】
すなわち、第２のホログラム記録領域８に読み出し光３２を入射すると、第２のホログラム記録領域８のホログラムから第２の回折光１８が発生し、この第２の回折光１８と読み出し光３１とが第１のホログラム記録領域７に入射することにより、第１のホログラム記録領域７でホログラムの再書き込みが行われるため、第１のホログラム記録領域７におけるホログラムの再書き込みは、本実施形態例と同様に行われる。
【００６５】
また、これと同時に、第１のホログラム記録領域７に読み出し光３１を入射すると、第１のホログラム記録領域７のホログラムから第１の回折光１７が発生し、この第１の回折光１７と参照光２２が第２のホログラム記録領域８に入射することにより、第２のホログラム記録領域８でもホログラムの再書き込みが行われるが、第１のホログラム記録領域７で発生する第１の回折光１７が、参照光２１と回折光１７自身との２波混合の結果、減衰してしまうことから、第２のホログラム記録領域８に殆ど入射せず、再書き込みが十分には行われない。
【００６６】
よって、読み出しを続けることにより、第２のホログラム記録領域８内のホログラムは、前記２波混合による消去作用により徐々に減衰し、最終的には消失する。そして、第２のホログラム記録領域８内のホログラムの減衰により第１の回折光１７の強度も低下するため、第１のホログラム記録領域７内のホログラムに関しても十分な再書き込みが行われなくなり、最終的には消失してしまう。
【００６７】
そこで、本実施形態例では、信号光１の光路を結晶端面の全反射端面５で全反射させて、図９で定義した光波の入射角度の符号を反転させることにより、増幅される光波の関係を逆転させ、第１のホログラム記録領域７にフィードバックされる第２の回折光１８の増幅と、第２のホログラム記録領域８にフィードバックされる第１の回折光１７の増幅とが共に十分に行われる構成とした。
【００６８】
これにより、２つのホログラム記録領域７，８でそれぞれ発生する第１、第２の回折光１７，１８による再書き込みの効果が、読み出し光３１の入射による消去作用を上回り、読み出し時のデータの維持および障害発生時のデータの自動修復が可能となる。
【００６９】
また、本実施形態例のホログラムメモリ装置において、その出力光３は、第１のホログラム記録領域７での読み出し光３１の回折光である第３の回折光１９と、第２のホログラム記録領域８のホログラムから発生する第２の回折光１８が第１のホログラム記録領域７を透過した光との、振幅の和として検出される。このため、障害が発生し、第１と第２のホログラム記録領域７，８に記録されたホログラムのうち、どちらかのホログラムが失われた場合にも出力は途絶えることなく得られる。
【００７０】
また、第１と第２の両方のホログラム記録領域７，８のホログラムが同時に減衰した場合にも、両方のホログラムが完全に失われない限り、ホログラムに残留した回折格子からの互いの回折光を他方のホログラム記録領域８，７にフィードバックし、上記の相補的な再書き込みを続けることにより、データの修復を自動的に行うことができる。なお、ここでいうホログラムの減衰は、振動や雑光などによる何らかの予期せぬ障害によるものである必要はなく、読み出し光自体の消去作用によるホログラムの減衰に対しても自動修復は有効に機能する。
【００７１】
なお、本実施形態例は、上記のホログラムの維持および修復を行うために、一定量以上の回折光強度を必要とする。本発明者は、高い回折効率を得るための検討を実験等により行い、例えば、立方体のフォトリフラクティブ結晶１１を用いる場合は、結晶固有軸が図１（ａ）、図１（ｂ）に示すような向きであるもの（４５度カット結晶）を用いればよいことを確認した。
【００７２】
そして、この検討に基づき、本実施形態例では、フォトリフラクティブ結晶１１に、４５度カット結晶を適用しており、上記効果を発揮できる。また、フォトリフラクティブ結晶１１は、フォトリフラクティブ結晶１１中で光波の混合が起こる相互作用領域を長くとれる形状（例えば、図１においては、横方向に長い形状等）の結晶を用いることが望ましい。
【００７３】
図２には、本実施形態例のホログラムメモリ装置を実現するための光学系の一例が示されている。同図に示すように、この例においては、１つのレーザ１５から発信されるレーザ光を用い、半波長板４４，４５、偏光ビームスプリッタ４８，４９、ビームスプリッタ２６，２７、ミラー５１〜５３を用いて、信号光１、参照光２１、読み出し光３１を得ており、信号光１は、入力マスク３５で二次元データをのせた入力光としている。
【００７４】
この信号光１を参照光２１とともにフォトリフラクティブ結晶１１に入射し、信号光１が全反射端面５で全反射するような角度で入射する。そして、図２の破線枠Ｂに示すように、図１のホログラムメモリ装置を実現し、第１と第２のホログラム領域７，８を形成する。
【００７５】
本実施形態例によれば、以上のように、１つのフォトリフラクティブ結晶１１内に第１と第２のホログラム記録領域７，８を形成することができ、かつ、読み出し光３１を第１のホログラム記録領域７で回折させることにより発生する第１の回折光１７を第２のホログラム記録領域８に入力して第２のホログラム記録領域８にデータの再書き込みを行い、読み出し光３１を第２のホログラム記録領域８で回折させることにより発生する第２の回折光１８を第１のホログラム記録領域７に入力して第１のホログラム記録領域７にデータの再書き込みを行うことができる。
【００７６】
そして、本実施形態例では、データ入出力の光路を全反射端面５で全反射させて光波の入射角度の符号を反転させることにより、増幅される光波の関係を逆転させ、第１と第２のいずれのホログラム記録領域７，８においても、フィードバックされる回折光１７，１８が増幅されるような構成とすることにより、２つのホログラム記録領域７，８で回折光１８，１７による再書き込みの効果が読み出し光の入射による消去作用を上回り、読み出し時のデータの維持および障害発生時のデータの自動修復を常時行うことができる。
【００７７】
つまり、本実施形態例は、データ破損の検出が不要であり、しかも、データの維持と修復の機能が１つの記録媒質（フォトリフラクティブ結晶１１）内に集約されているため、用いる光学素子の数を少なくすることができ、装置の集積化が実現できる。
【００７８】
また、本実施形態例において、光路長を一致させるべき光波は入力信号光１と参照光２１だけであるため、システムの集積化、光学配置の簡素化を図ることが可能となり、しかも、データの修復の動作においては、光学系の切り替えなどのメカニカルな操作、および電子的な制御が一切不要であるので、簡単で、低コストのホログラムメモリを形成できる。
【００７９】
（実施例）
以下では本実施形態例の具体的な実施例について述べる。図２に示す実験系を用い、波長５１４．５ｎｍのレーザ１５を光源として、信号光１、参照光２１、読み出し光３１を得、フォトリフラクティブ１１は、４５度カットのＢａＴｉＯ３結晶を適用し、第１と第２のホログラム記録領域７，８での相互作用長（２つの光線が交差する領域の長さ）をそれぞれ２ｍｍとした場合について説明する。
【００８０】
この実施例のホログラムメモリ装置は、ビームスプリッタ２６，２７、半波長板４４，４５、偏光ビームスプリッタ４８，４９、ミラー５１〜５３を有しており、図６に示した従来例に比べて、装置構成は、非常に簡素化している。本実施例でも、光源（レーザ）１５から発信されるレーザ光を、偏光分離、反射等して、信号光１、参照光２１，２２、読み出し光３１，３２をそれぞれ形成している。
【００８１】
本実施例において、データの維持および修復を行うためには、第１と第２のホログラム記録領域７，８からそれぞれ発生する第１と第２の回折光１７，１８が十分に発生することが条件となる。そのためには、読み出し時の参照光２１と読み出し光３１の強度比と、高い回折効率を得るための光線入射角度を適切に設定すればよい。
【００８２】
図３は、参照光２１に対する読み出し光３１の光強度比をパラメータとしたときの、出力効率の入力光入射角度特性を示している。ここで出力効率は、読み出し時に入射する参照光２１と読み出し光３１の光強度比をIR、出力光強度をIOとしたときのIO／IRと定義し、入力光入射角度θは、結晶内部における入力光と参照光とのなす角度として定義している。
【００８３】
ここで、入力信号光１の光強度は１ｍＷ、参照光２１の光強度は１０ｍＷとした。特性線ａ〜ｆは、それぞれ、参照光２１に対する読み出し光３１の光強度比が、順に、０．１、０．５、０．７５、１．０、２．０、３．０の場合の特性を示す。図３において、出力は十分な時間連続で読み出しを続けたときのものを検出しており、出力効率が０でなければ、読み出しに伴う消去作用よりも再書き込みによる修復作用の方が強く、ホログラムの維持がなされていることを意味する。
【００８４】
図３より、各ホログラム記録領域７，８の相互作用長が２ｍｍであるときは、参照光と読み出し光の入射光強度比は０．７５（特性線ｃ）が最適であることが分かる。また、この場合、フォトリフラクティブ結晶１１の内部で信号光１と参照光２１とのなす角θが２．５度から１０．５度の範囲で読み出し時にもホログラムは維持され、θが５．８度付近で最大の出力効率が得られることが分かる。
【００８５】
なお、これらの値はフォトリフラクティブ結晶１１等のフォトリフラクティブ媒質中における光線の相互作用長によって変わってくる。例えば、光波の相互作用長が２ｍｍよりも大きい場合には、同じ光線入射角度であっても高い回折効率が得られるため、ホログラムの維持が可能な入力光入射角度の範囲は広くなる。
【００８６】
また、図４は、読み出し時に、第１と第２のホログラム記録領域７，８の両方に、障害によりホログラムに損失があった場合のホログラム深さの時間応答特性を示す。ここで言う、ホログラム深さとは、媒質中の空間電界に比例する関数である。同図において、縦軸は、横軸に示す応答時間における、すべての相互作用領域でのホログラム深さの総和を規格化したものとする。また、障害は観測開始から１０秒後に発生し、ホログラム深さ関数にホログラム損失割合分だけの減衰が起こるものとする。
【００８７】
ここで、光の入射条件は、参照光強度４０ｍＷ、読み出し光強度３０ｍＷ、光線入射角度θ =５．８度、相互作用長は２．０ｍｍ、フォトリフラクティブ効果の応答時定数は1秒とした。図４の特性線ａはホログラム損失割合１０％を示しており、特性線ｂ〜ｆは、順に、ホログラム損失割合２５％、５０％、７５％、９０％、９９％を示している。
【００８８】
同図より、ホログラム修復に要する時間は障害発生時のホログラム損失割合にともない長くなるが、両方のホログラムが完全に失われないかぎりホログラムは修復される。例えば、障害発生によるホログラム損失が５０％である場合には、障害発生から約２０秒後に（特性線ｃ参照）、ホログラム損失割合が９９％の場合は、障害発生から約５０秒後に（特性線ｆ参照）、それぞれほぼ完全に修復される。
【００８９】
なお、本発明は上記実施形態例およびその実施例に限定されるものではなく、さまざまな形態を採り得る。例えば、フォトリフラクティブ媒質はフォトリフラクティブ結晶１１に限定されず、フォトリフラクティブ効果を示す有機媒質や液晶を用いて構成してもかまわない。
【００９０】
また、信号光１、参照光２１、読み出し光３１の光源、波長、強度等は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００９１】
さらに、上記例では、全反射端面５を有する構成とし、信号光１を全反射端面５で反射させるようにしたが、データ入出力の光路を全反射端面５で全反射させるかわりに、媒質に反射膜をとりつけて内部反射させる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に係るホログラムメモリ装置の一実施形態例を、ホログラム記録動作（ａ）と、ホログラム読み出し動作（ｂ）と共に示す説明図である。
【図２】上記実施形態例を実現するための光学系の一例を示す説明図である。
【図３】参照光に対する読み出し光の光強度比をパラメータとしたときの、出力効率の入力光入射角度特性を示すグラフである。
【図４】読み出し時に両方のホログラム記録領域で、障害により両方の領域においてホログラムに損失があった場合のホログラム深さの時間応答特性を示すグラフである。
【図５】２つのフォトリフラクティブ結晶を用いて構成したホログラムメモリ装置例の説明図である。
【図６】図５に示した装置における実際の光学系の一例を示す説明図である。
【図７】フォトリフラクティブ二波混合の説明図である。
【図８】フォトリフラクティブ二波混合のエネルギー移動の概念図である。
【図９】光波の入射方向とc軸の方向によって決定される、二波混合による光波の増幅の向きと強さの関係を示す説明図である。
【図１０】１つの結晶中に２つのホログラム記録領域を形成する場合の配置例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  信号光
２  信号光入力部
３，３ａ，３ｂ  出力光
４  参照光入力部
５  全反射端面
７  第１のホログラム記録領域
８  第２のホログラム記録領域
９  読み出し光入力部
１１，１２  フォトリフラクティブ結晶
１３  一端側
１４  他端側
１７  第１の回折光
１８  第２の回折光
２１，２２  参照光
３１，３２  読み出し光
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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