Устройство записи данных на носитель из стекла

Полезная модель относится к области записи и воспроизведения информации с помощью оптических средств, в частности, к устройству записи данных на носитель из стекла на основе фемтосекундного (ФС) лазера, электрооптических вращателей поляризации, резонатора и трехкоординатного прецизионного стола и предназначена для записи информации.
Проблема создания долговечных носителей информации, устойчивых к внешним воздействиям (экстремальным климатическим условиям, высокой температуре, электромагнитным полям, УФ излучению, радиации, космическим лучам) сегодня стоит особенно остро с учетом тенденций к информатизации всех сфер жизни и деятельности человека и стремительного роста объемов цифровой информации, требующей долговременного хранения. Кварцевое и ряд других оксидных стекол позволяют реализовать многослойную запись информации с многоуровневым кодированием, которая может храниться неограниченно долго и обладает исключительной устойчивостью к перечисленным выше факторам.
2
Уже предложено несколько способов и установок, которые позволяют записывать информацию в носитель из стекла, в основном, из кварцевого. В работе [R. Imai, М. Shiozawa, Т. Shintani, Т. Watanabe, S. Mori, Y. Shimotsuma, M. Sakakura, K. Miura, and K. Watanabe. 100-Layer recording in fused silica for semi permanent data storage. Jpn. J. Appl. Phys. 54, 09MC02 (2015)] для кодирования информации использовалось локально наведенное ФС лазерным пучком изменение показателя преломления. Кодировка проводилась в однобитном формате: есть или нет изменения показателя преломления. Основными узлами устройства записи являлись ФС лазер и пространственный модулятор света (ПМС). Среди достоинств метода и установки можно отметить относительную простоту установки, высокое соотношение сигнал/шум записанной информации, одновременно нескольких бит с помощью ПМС. Среди недостатков следует отметить относительно низкую плотность записи, обусловленную однобитной кодировкой, и составляющей 15 Мбит/дюйм, низкую частоту работы ПМС - 1 кГц, что существенно ограничивает скорость записи, которая составляет 0,08 Кбит/сек.
Другая группа ученых в своей работе [J. Zhang, М. Gecevicius, М. Beresna, P.G. Kazansky. Seemingly unlimited data storage in nanostructured glass. Phys. Rev. Lett. 112, 033901 (2014)] для записи информации использовали так называемые нанорешетки. Нанорешетки - это вид модификации в стекле, создаваемый под действием ФС импульсов и оптически характеризующийся наличием двулучепреломления формы, параметры которого (фазовый сдвиг и ориентация медленной оси) жестко привязаны к параметрам лазерного излучения. Особенностью их использования для записи информации является возможность кодирования нескольких бит в одну нанорешетку. В работе [J. Zhang, М. Gecevicius, М. Beresna, P.G. Kazansky. Seemingly unlimited data storage in nanostructured glass. Phys. Rev. Lett. 112, 033901 (2014)] была представлена трехбитная кодировка (1 бит приходился на фазовый сдвиг и 2 бита на угол ориентации медленной оси). Основными узлами устройства записи являлись ФС лазер, ПМС и матрица полуволновых пластин. Достоинствами является многобитная кодировка информации, одновременная запись нескольких нанорешеток при помощи ПМС. К недостаткам можно отнести низкую скорость записи, 6 КБ/сек.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для записи, представленное в работе [S.S. Fedotov, A.G. Okhrimchuk, A.S. Lipatiev, A.A. Stepko, K.I. Piyanzina, G.Yu. Shakhgildyan, M. Yu. Presniakov, I.S. Glebov, S.V. Lotarev, V.N. Sigaev. 3-bit writing of information in nanoporous glass by single sub-microsecond burst of femtosecond pulses. Optics Letters, 43, 851, 2018], состоящее из ФС лазера, резонатора и электро-оптической ячейки Поккельса. Принцип работы состоит в развертывании ФС импульса в гребенку импульсов следующих с частотой превышающей частоту следования исходных ФС импульсов. В работе было показано, что воздействием одной гребенки в объеме нанопористого стекла можно создать анизотропную полость, обладающую двулучепреломлением формы. Достоинствами прототипа являются высокая скорость записи (до 3,3 Мбит/сек). К недостаткам можно отнести метод генерации гребенки импульсов, основанный на резонаторе Фабри-Перо, что приводит к высоким потерям энергии (~90%).
Задачей настоящей полезной модели является увеличение скорости записи до 12 Мбит/сек, уменьшение потерь при генерации гребенки импульсов, и создание возможности управления распределением энергии между импульсами в гребенке.
Поставленная задача решается устройством записи данных на носитель из стекла, отличающимся тем, что для записи используется четыре параллельных канала записи, в каждом из которых состояние поляризации гребенок фемтосекундных импульсов контролируется независимо друг от друга, устройство для генерации гребенки импульсов из одного импульса состоит из линейного резонатора длиной 13 м и ячейки Фарадея, ячейки Поккельса, двух пленочных поляризаторов и двух четвертьволновых пластин.
Отказ от традиционной оптической схемы, характерной для резонатора Фабри-Перо в пользу оптической схемы, представленной на фиг. 1 позволяет значительно уменьшить потери за счет использования зеркал с коэффициентом отражения, приближенным к 1, и пленочных поляризаторов вместо полупрозрачных зеркал. Монтаж внутри резонатора высоковольтной электрооптической ячейки Поккельса позволяет управлять коэффициентом отражения пленочных поляризаторов за счет изменения поляризации падающего лазерного импульса, что дает возможность контроля распределения энергии между импульсами внутри гребенки. Скорость записи в одном канале составляет 3 Мбит/сек, а использование 4 каналов увеличивает скорость до 12 Мбит/сек.
На фиг. 1 представлена оптическая схема резонатора (поз. 31 на фиг. 2). Лазерное излучение с горизонтальной поляризацией выходит из лазера 1, проходит через ослабитель энергии 2. Далее, отразившись от зеркала 3 оно проходит через телескоп 5 для согласования моды лазерного излучения и моды резонатора. Далее излучение проходит через полуволновую пластинку 15, в результате чего происходит поворот плоскости поляризации на 45°, при прохождении через ячейку Фарадея 8 вектор поляризации вращается на -45°. Далее излучение через пленочный поляризатор 6 попадает в устойчивый линейный резонатор, образованный 2-мя плоскими конечными зеркалами 16, 18 и 4-мя ломающими вогнутыми зеркалами 4. Двойной проход через четвертьволновую пластину 7 обеспечивает вращение плоскости поляризации на 90°, таким образом, она становится вертикальной. На ячейку Поккельса 10 подается напряжение, происходит преобразование линейной поляризации в эллиптическую. Вертикальная компонента эллиптической поляризации отражается от пленочного поляризатора 6 и уходит на зеркало 18, чтобы потом повторить весь путь заново. Горизонтальная компонента проходит через ячейку Фарадея 8 и полуволновую пластинку 15, в результате чего происходит вращение на 90 градусов. Полученная вертикальная поляризация отражается от пленочного поляризатора 19, а далее от зеркала 17, проходит через призму Глана 11 для чистки поляризации. Далее на оптическом пути установлена ячейка Поккельса 12 и четвертьволновая пластина 7 для модуляции направления линейной поляризации записывающего пучка. Делительная пластинка 13 на оптическом пути лазерного луча и фотодетектор 14 позволяют наблюдать распределение энергии между импульсами внутри гребенки. Все диафрагмы 9 предназначены для юстировки оптической схемы.
На фиг. 2 представлена оптическая схема четырехканальной системы записи. Гребенка фемтосекундных импульсов, полученная в резонаторе 31, последовательно проходит через ряд зеркал с коэффициентами отражения 25% поз. 20, 33% поз. 21, 50% поз. 22, 100% поз. 23. На этом этапе происходит разведение лазерного излучения на четыре канала. Далее излучение в каждом из каналов проходит через ослабитель энергии, состоящий из полуволновой пластины и призмы Глана 24. Контроль направления поляризации излучения в каждом из каналов осуществляется с помощью ячейки Поккельса 25. Далее излучение всех четырех каналов с помощью зеркал 26, 27 заводится в объектив 28, который фокусирует его в диск, изготовленный из нанопористого стекла 29, установленный на трехкоординатном столе 30.
Пример 1.
Создана установка для записи информации в объеме нанопористого стекла, состоящая из устройства для генерации гребенок, включающего линейный резонатор длиной 13 м и ячейки Фарадея, ячейки Поккельса, 2 пленочных поляризатора и 2 четвертьволновые пластины, и системы разделения лазерного пучка на четыре канала. Скорость записи 12 Мбит/сек, что более чем в три раза превысило скорость записи у прототипа (3,3 Мбит/с). Потери мощности лазерного пучка в оптической схеме составили около 50%, тогда как в прототипе они достигали 90%.