专利名称：用于读取光子衍射存储器的固态微型光机电系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种光子衍射存储器。本发明特别涉及一种用于从光子衍射存储器读取信息的装置。
背景技术：
大存储容量和相对低成本的CD-ROM和DVD已经产生了对更大和更便宜的光学存储介质的更强烈的需求。全息存储器已经被提出用于取代光盘，作为一种大容量的数字存储介质。全息存储器的高密度和高速度来自于三维记录和数据的整个分组在一个时间同时读出。全息存储器的主要优点是更高的信息密度(≥1011比特/厘米2)、更短的随机存取时间(≤100微秒)和高信息传输率(109比特/秒)。
在全息记录中，来自相干单色光源的光束(例如，激光)被分为基准光束(reference beam)和目标光束(object beam)。目标光束经过空间光调制器(SLM)，然后进入存储介质。SLM形成一个代表二元数据分组的光闸矩阵。目标光束经过SLM，SLM利用在SLM上显示的二元数据调制目标光束。然后，调制后的目标光束通过一种与基准光束相交的寻址机制，指向存储介质上的一个点以创建代表数据分组的全息图。
由透镜和镜片组成的光学系统被用来精确地将以数据分组编码的光束指向存储介质的特定地址区域。厚密(thick)存储介质的容量的最佳使用是通过空间和角度的复用来实现的。在空间复用中，通过改变光束在平面的x轴和y轴的指向，将一组分组存储在成形为该平面的存储介质中，该平面如在空间分开并均匀排列的亚全息图的阵列。每个亚全息图以矩形坐标被形成在存储介质中的一个点上，该矩形坐标代表记录在存储介质中的各个分组地址。在角度复用中，通过保持x-和y-坐标相同，同时改变在存储介质中基准光束的照射角度来执行记录。通过重复递增照射角度，多个分组信息作为一组亚全息图被记录在同一x-和y-空间位置。
用于将信息记录在高复用体积(volume)的全息存储器中，并用于读出该信息的以前的全息设备需要具有很大尺寸的元件和容积，而这限制了小型化这些系统的能力。因为以前的全息设备使用发动机(motor)和诸如透镜和镜片的大规模元件，这些以前的设备的寻址系统非常缓慢。而且，这些以前的设备的机械元件需要经常维护以校正误差和例如来自磨损和摩擦(即，摩擦作用)的机能障碍。而且，以前的寻址系统因为使用非常复杂的系统来控制，所以很昂贵。因此，它们的价格不能通过大量生产来降低。此外，以前的设备在它们的能量消耗上并不经济。即使以前的寻址设备在新的时候是精确的，相对运动的相互作用的表面的磨损也会随着时间而降低其精确度。
从前述的观点，需要提供一种或多种技术来克服上述被提议的解决方案的上述不足和缺点。
发明目的从前述观点，本发明的一个目的是提供在更高速和更小尺寸的光子衍射存储器读取系统方面的改进。
本发明的另一个目的是提供光子衍射存储器读取系统的小型化。
本发明的另一个目的是将光子衍射存储器读取系统的寻址系统减小到火柴盒大小。
本发明的另一个目的是设计一种能够迅速大量生产，并降低现存资源开支的固态读取系统。
发明内容
为了达到上述目的，本发明包括用于从光子衍射存储器读取信息的固态系统。相干光源产生会聚光束，然后会聚光束由声光偏转器偏转。多个微型镜片在微型镜片之一从声光偏转器接收偏转的光束。光子衍射存储器具有多个点，在一个点接收从微型镜片反射的反射光束。检测器具有多个光检测单元。至少该单元的一个接收通过该点传输的一部分反射的光束。
在本发明的另一个方面，微型镜片被配置为一个矩阵。
在本发明的另一个方面，存在从光源形成会聚光束的透镜。
在本发明的另一个方面，会聚光源是从由低功率激光器和发光二极管组成的组选择的。
在本发明的另一个方面，检测器是CCD检测器阵列。
在本发明的另一个方面，多个点的每一个存储一个或多个衍射图。
在本发明的另一个方面，光子衍射存储器包括存储在其中的位于存储器的多个点，以及在每一个点的多个角度的信息，以便形成在每一个点的多个分组的信息。
在本发明的另一个方面，每一个微型镜片是振荡扫描微型镜片。
在本发明的另一个方面，计算机被配置来协调声光偏转器和振荡微型镜片的同步，以便将反射的光束在足够的时间以特定角度指向一个点来从该点检索信息。
在本发明的另一个方面，每一个微型镜片都是振荡微型镜片，而该微型镜片的振荡周期与声光偏转器的扫描协调一致，以便将所述反射的光束指向存储介质的一个点。
为了容易全面理解本发明，现在将参考附图。这些附图不能被理解为限制本发明，而只是作为示例。
图1示出根据本发明的微型镜片组件。
图2示出根据本发明的微型镜片组件的透视图。
图2a示出根据本发明的微型镜片组件的执行器的特写图。
图3a示出根据本发明的将外延层加到晶片，作为MEMS制造过程的一部分。
图3b示出根据本发明的起动电极的形成和金属层的镀膜，作为MEMS制造过程的一部分。
图3c示出根据本发明的各向异性蚀刻以去除在设计的镜面的下面的衬底，作为MEMS制造过程的一部分。
图3d示出根据本发明的微型镜片芯片的横截面。
图4a示出根据本发明的微型镜片组件的起动电极。
图4b示出根据本发明的被锯齿形信号驱动的微型镜片的操作。
图5示出根据本发明的固态读取系统。
图6示出根据本发明的声光偏转器。
图7示出根据本发明的衍射光记录过程的示意表示。
图8示出根据本发明的形成存储介质的点的矩阵。
图9示出根据本发明的固态读取系统的镜片的同步。
具体实施例方式
根据本发明的衍射光学系统的紧凑结构结合了许多元件到紧凑的封装(package)中，包括声光偏转器和微型光机电(microoptoelectrmechanical)系统(MOEMS)器件，其将用于光子衍射存储器的读取系统的寻址元件减小到火柴盒大小。该读取系统用固态元件做成。以CMOS技术建造的镜片带来的优点是读取系统能够以低成本进行大规模的生产。
各种衍射记录/读取处理已经在本领域进行了开发，更详细的内容记载在由H.J.Coufal，D.Psaltis，和G.T.Sincerbox所编的Holographic Data Storage，Springer(2000)。在这个说明书中，术语“衍射”始终被用来区分产生3-D图像的全息技术的现有技术和产生存储介质的所需的衍射技术。例如，衍射效率对将被用作衍射存储器的任何材料的耐用性是关键的。与实现存储介质所需要的质量相比较，构成3-D全息图干扰的质量很简单就能达到。此外，存储衍射图还能够通过使用除了基准和目标光束的干扰以外的其它技术来实现，诸如使用在材料上蚀刻的e-光束以产生衍射图。由于所有这些原因，在这里说明书介绍了更宽的(broader)衍射光技术的概念。
图1示出扫描微型镜片元件100的顶视图，该扫描微型镜片元件100包括由将镜面102分别连接到支撑物120a、102b的两个或者四个扭转弹簧122a、122b悬挂的镜面102。支撑物120a、120b附着在衬底110。两个梳状驱动电极105a、105b产生扭矩以移动镜面102。图1的镜面102是微型光电机械系统(MOEMS)的一个例子。MEOMS是将电子元件，机械元件包括光学元件组合到物理上很小的尺寸的系统。
图2示出微型镜片元件100的透视图，该微型镜片元件100包括插入在其上镀有反射薄膜的硅衬底上的镜面102，典型的铝薄膜一般有50纳米的厚度。该镜面102根据是否想在一个方向或两个方向旋转，来决定由两个或四个扭曲点(twisting point)120a、120b悬挂，和由两个或四个驱动电极105a、105b启动。偏转角度理论上是不受限制的，但实际上为大约60°。
在镜面102和梳状驱动电极105a、105b之间的电容C125的变化(C随着角度φ变化)被用来产生镜面旋转移动。如果能源(未示出)将电压U施加到驱动电极105a、105b，则产生的静电扭矩M为
M＝1/2dC/dφU2其中φ是镜面(plate)的偏转角度。
镜面的尺寸可以从.5×.5毫米到3×3毫米。致动器(actuator)(在镜面102和电极105之间的移动由能源驱动)被谐振地激活，即，它们连续的振荡。扫描频率依赖于镜片的尺寸(0.14KHz到20KHz)而定，而机械扫描角度±15°仅仅由20V的驱动电压能够达到。
当致动器以同步模式工作时，能够通过控制最大偏转幅度和振荡周期来控制镜面102的角度位置。这些镜片的优点是偏转的幅角可以由驱动电压U来监控。对很大的扫描角度，偏转角度随着激励电压线性地变化。
如图2A所示，在镜面102和驱动电极105a、105b之间的空间形成了可变电容。因此，施加电压以便产生在镜面上作用的静电扭矩，并导致它旋转和/或振荡。一方面这些微型镜片的尺寸特别的小，另一方面它们的操作模式也使得显著地减小读取设备400(见图5)的尺寸成为可能，并因而达到了非常高水平的集成度。
图3a-3d示出用起动电极210a、210b在衬底230上制造微型镜片元件200的过程。制造通过使用CMOS兼容技术来实现。参考图3a，晶片(wafer)230用作基底材料。埋入的氧化(BOX)层221在SIMOX(通过注入氧而分离，Separation by Implantation of Oxygen)过程中制作。在BOX221上的200纳米厚的硅层205通过20微米厚的外延层来得到加强。参考图3b，镀上氧化物和金属层并构成图案(patterned)，以形成起动电极210a、210b。该金属层由附加的氧化物保护。在下一步骤，镀上AI的50纳米厚的层206以形成在镜片区域中的反射涂层。参考图3c，通过在四甲基铵氢氧化物(TMAH)溶液中的各向异性的蚀刻，去除在设计的扭转弹簧和镜面205下面的衬底，留下剩余部分230。TMAH是一种化学溶液，用于各向异性的蚀刻其中微型镜片被蚀刻的晶片衬底。之后，利用先进的硅蚀刻(Advanced Silicon EtchTM)处理，去除BOX层和对外延层构成图案，形成了沟槽207。图3d示出在处理的结束时微型镜片芯片200的横截面。
图4a说明微型镜片元件100的操作。图4a表示用来启动镜面205的运动的起动电极210a。固定频率的电压被施加在产生不对称(yield asymmetries)的起动电极210a。假设致动器具有理想的对称性，可能在没有外部感应力的情况下开始振荡。因此，存在附加的起动电极210a、210b，位于每个驱动电机的顶部，并通过氧化物209与其隔离。这些电极210a、210b能够个别地接触，并打破了配置的对称性。一旦开始振荡，镜片活动(actuation)以同步模式工作，其中镜面205和由能源产生的电压U的驱动激励(excitation)同相进行振荡。
图4b示出由锯齿形信号300驱动的镜面102的同步。锯齿形信号300包括以每秒预定的频率施加的电压U。当镜面102由在驱动电极105a、105b那里施加的锯齿形波300驱动时，在五个不同位置301-305示出镜面102的操作(见图1)。在一个完整循环里，包括从正角度到零角度、到负角度的移动，镜片元件102从位置301移动到304(完整循环)，并开始在位置305再次开始循环。
表1示出作为镜片尺寸功能的微型镜片元件100的本征频率(谐振频率)。该本征频率随微型镜片元件100的机械的和电的特征而定。在同步的模式中，镜片以两倍于本征频率进行振荡。
表1图5示出的读取系统400包括在支持声光偏转器430的平台470上的分离单元；微型光电机械系统(MOEMS)矩阵440；矩阵存储器450；以及图像感测器460，诸如CCD(电荷耦合器件)检测系统或其它这样的图像检测系统。位于平台470上或平台470下的附加器件包括光源410(例如，激光、激光二极管)和会聚透镜420。
读取系统的操作继续进行光源410发射光束480a，该光束通过会聚透镜420从平面波聚焦为球面波480b。球面波480b为会聚光束。该会聚光束480b通过声光偏转器430偏转，以形成光束480c，该光束照射(impinges)MEOMS矩阵440的微型镜片元件之一。MEOMS镜片矩阵440具有符合存储器矩阵寻址系统的限制的尺寸。微型镜片的矩阵440被用来对存储器450的点的矩阵进行寻址，在其中数据通过空间和角度的复用来进行记录。来自声光偏转器430的光束480c形成一个区域，该区域的直径能够在MEOMS矩阵440的镜片元件的每一个的范围内。此外，存储器矩阵450以这样一种方式进行空间调整，即激光光束480d的尺寸严格地符合存储器矩阵450的每个点的尺寸。
图6更详细地示出声光偏转器430。声光(AO)偏转器430以一个角度将激光光束480b指向微型镜片阵列440。当声光晶体受到压力，特别是依靠通常由压电式晶体组成的传感器，一般它们改变光折射的角度和通过它们的电磁波的角度，以便改变能量束480c的衍射角度的值。因此，改变压电式传感器的启动频率，偏转了光束480b，以便在多个角度之一形成光束480c。
因此，如图6所示，通过把入射读取光束经过两个声光元件121、122，获得从低功率激光器410发射(emanate)的这个光束480b在沿着OX和OY(参考图2的直线坐标)方位上的变化。从而能够理解，通过改变与声光元件相关的压电式晶体的振荡频率，有可能迅速地改变在载有数据的矩阵450的行和列中的光栅(grating)的所期望的方位。从而限制因素为MEOMS矩阵440的镜片元件的响应时间，该MEOMS矩阵按照读取光束的入射角度行动。
图7和图8描述了衍射存储介质的内容。参考图7，在形成衍射图案(pattern)或者全息图时，基准光束1与目标光束4相交，形成亚全息图8a(或者指一个点)扩展到存储介质8的体积(volume)。分离的亚全息图或点8a伸长到基准光束1的每个角度和空间位置。目标光束4用信息分组6调制。分组6包含多个比特的形式的信息。分组6的信息的来源可以是计算机、因特网或任何其它信息产生源。全息图照射存储介质8的表面8a，并伸长到存储介质8的体积。分组6的信息通过空间复用和角度复用被调制到存储介质8。角度复用是通过改变基准光束1和存储介质8的表平面的角度α来达成的。分离的分组6信息被记录在存储介质8中，作为对选择的角度α和空间位置的一个亚全息图。空间复用是通过相对存储介质8的表面移动基准光束1，以便点8a移动到在存储介质8的表面上的另一个空间位置，例如点8a′来达成的。
存储介质8典型的是一种三维体，由对目标光束4和基准光束1的相交产生的光能的空间分布敏感的材料构成。全息图可以被记录在介质中作为吸收(absorption)的变化或相位的变化或两者都有的变化。存储材料必须响应于导致在其光学特性上的变化入射光图案。在体积全息图中，大量分组数据能够被重叠，所以每个分组数据能够被没有失真的进行重建。体积(厚的)全息图可以被看作是记录在记录介质的层的深度中的三维光栅的重叠，每个满足布拉格定律(Bragg law)(例如，体相格栅)。在体积全息图中的光栅平面在折射和/或吸收上产生改变。
因为固有优点，若干种材料被考虑作为用于光学存储系统的存储介质。这些优点包括自我开发能力、干式处理、良好的稳定性、粘稠感光乳剂(thick emulsion)、高敏感性和非易失性存储。一些被考虑为体积全息图的材料有光折射晶体、光敏聚合物材料和多肽材料。现在参考图8，更详细地表示了排列在平板形式中的存储介质8，这里平板形式是指矩阵。在这个例子中，矩阵为1平方厘米。在矩阵上的多个点的每个是由它的直线坐标(x，y)定义的。图像形成系统(未示出)将目标光束4减小到在矩阵的一个x，y点具有最小采用尺寸的亚全息图8a。在物理空间的一个由其直线坐标定义定义的点包括多个分组8b。
在这种情况下，1平方毫米图像8a通过将目标光束4在存储介质8上聚焦在该图像坐标的中心。由于在两个光束1、4之间的相交，尺寸为1平方毫米的衍射图像8a被记录在存储材料8中该矩阵坐标的中心。通过连续地改变直线坐标来执行空间复用。目标光束4聚焦在存储材料8上，以便分开的图像8a记录在通过其坐标(x，y)定义的平面上的唯一位置。这个空间复用导致10×10的衍射图像8a的矩阵。通过依靠MEOMS矩阵440的镜片元件连续地改变基准光束1的角度来执行角度复用。角度复用被用来创建对应于入射基准光束的角度的15离散变化，创建信息8b的15-20分组。此外，通过简单复用能够达到20-25分组，而通过使用双重对称角度复用(doublesymmetrical angular multiplexing)能够达到40-50组。通过将基准光束1照亮在记录数据分组(packed)的同一角度和空间位置来重构数据分组。由存储材料8衍射的基准光束1的一部分形成该重构，其被典型地由检测阵列检测。存储材料8可以被机械的移动，以便通过坐标(x，y)在不同的点存储数据分组。
图9示出微型镜片440的同步。因为微型镜片440不断地振荡，需要同步声光偏转器(AOD)430和微型镜片440，以便实现对存储器450的数据分组的寻址。通过获知镜片参数，如偏转幅度和振荡周期，有可能控制AOD430的切换时间。这样，微型镜片之一能够被访问(access)，其指向存储器450上的期望位置。AOD430在给定时间将激光光束指向一个选择的镜片。
图5的微型镜片阵列440的两个代表的微型镜片440a、440b被表示在每一个微型镜片都处于不同的位置。为了微型镜片440a示出静止位置(restposition)441a。为微型镜片440b示出静止位置441b。相干激光光束在不同时间被AOD430指向微型镜片440a、440b之一，该微型镜片440a、440b以预定位置和角度将光束反射到存储器450。透镜455将光能聚焦在CCD阵列460上。诸如计算机、微型控制器或其它这样的控制设备的CPU(未示出)控制AOD430、微型镜片440和CCD检测器460。CPU(未示出)接收来自感测器的指示微型镜片440a、440b的位置的输入，并接收关于AOD430的状态的输入。CPU(未示出)然后控制微型镜片440的镜片位置，和AOD430的偏转角度。需要微型镜片440与AOD430的同步，以达到最大偏转角度。最大偏转角度是通过处理的光束所能达到的最大角度。这意味着声光设备的输出光束能够达到最大值。在这个最大值的正值和负值之间就是声光设备的角度范围。同步的另一个优点是最大偏转能够被驱动电压控制来监控。即，偏转随着驱动激励电压U线性的变化。
图9说明在微型镜片440、AOD 430和CCD相机460之间的同步。对微型镜片阵列440的两个微型镜片440a、440b示出了同步。因为微型镜片440a、440b不断地以低频率振荡(即200Hz)，和AOD的切换时间(10到100微秒)相比，微型镜片440a、440b能够被看作固定的镜片。在切换时间T，能够监控微型镜片位置以便决定怎样访问来自存储器450的信息的特定分组。在本发明中，CPU(未示出)控制镜片同步，并计算AOD430的切换时间和CCD460以读取存储器450的给定分组。计算微型镜片440的位置以寻址存储器450的每个分组。在时间T1，AOD430被切换寻址微型镜片440a，以读取存储器450的分组。在另一个时间T2，AOD430被切换以寻址微型镜片440b，以读取存储器450的分组。微型镜片440a被示出与正常位置441a成α1角度。微型镜片440b被示出与正常位置441b成α2角度。透镜455将载有数据分组的输出波形聚焦在CCD相机阵列460上。
本发明不局限于这里描述的特定实施例的范围。而且除了这里描述的那些实施例以外，从前面的描述和附图，本发明的各种改变对本领域的技术人员来讲是明显的。因此，这样的改变是旨在属于权利要求的范围内的。
权利要求
1.一种用于从光子衍射存储器读取信息的固态装置，包括相干光源，配置来产生会聚光束；声光偏转器，配置来偏转所述会聚光束；多个微型镜片，配置来在所述微型镜片之一接收来自所述声光偏转器的所述偏转的光束；光子衍射存储器，其具有多个点，配置来在所述的点之一接收从所述微型镜片反射的所述反射的光束；检测器，其具有多个光检测单元，至少所述单元之一接收通过所述点传输的所述反射的光束的一部分。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述微型镜片被配置成一个矩阵。
3.如权利要求1所述的装置，还包括透镜，其用于从所述光源形成所述会聚光束。
4.如权利要求1所述的装置，还包括所述会聚光源是从由低功率激光器和发光二极管组成的组中选择的。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述检测器是CCD检测器阵列。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述多个点的每一个存储一个或多个衍射图案。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述光子衍射存储器包括存储在其中的位于所述存储器的所述多个点和在每一个所述点的多个角度的信息，以便在每一个所述点形成多个分组信息。
8.如权利要求1所述的装置，其中每个所述微型镜片是振荡扫描微型镜片。
9.如权利要求8所述的装置，还包括计算机，配置来调整所述声光偏转器和所述振荡微型镜片的同步，以便使所述反射的光束在一段足够的时间内指向所述点之一，以便从该点取得信息。
10.如权利要求1所述的装置，其中每个所述振荡微型镜片都是振荡微型镜片，并且所述微型镜片的振荡周期与所述声光偏转器的扫描协调一致，以便将所述反射的光束指向所述存储介质的所述点之一。
11.一种用于从光子衍射存储器读取信息的固态方法，包括产生光束；会聚所述光束；把所述会聚光束偏转以指向多个微型镜片；将从所述声光偏转器接收的所述会聚光束从所述多个微型镜片之一反射到包括多个点的光子衍射存储器；以及检测携带信息的所述反射的光束的一部分，所述信息来自由所述反射的光束照亮的所述点之一。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述偏转是用声光偏转器来完成的。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述微型镜片被配置来形成一个矩阵。
14.如权利要求11所述的方法，还包括透镜，用于形成来自所述光源的所述会聚光束。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述会聚光源是从由低功率激光器和发光二极管组成的组中选择的。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述检测是用CCD检测器阵列来完成的。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述多个点的每一个存储至少一个衍射图案。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述光子衍射存储器包括存储在其中的位于所述存储器的所述多个点和在每一个所述点的多个角度的信息，以便在每一个所述点形成多个分组信息。
19.如权利要求11所述的方法，其中每个所述微型镜片都是振荡扫描微型镜片。
20.如权利要求19所述的方法，还包括调整所述声光偏转器和每个所述振荡微型镜片的同步，以便使所述反射的光束在一段足够的时间内指向所述点之一，以便从该点取得信息。
21.如权利要求11所述的方法，其中每个所述振荡微型镜片都是振荡微型镜片，并且所述微型镜片的振荡周期与所述声光偏转器的扫描协调一致，以便将所述反射的光束指向所述存储介质的所述点之一。
全文摘要
本发明包括一种用于从光子衍射存储器读取信息的固态系统。声光偏转器将会聚光束指向微型镜片阵列，然后该微型镜片阵列在预定点和以预定角度将光束反射到光子衍射存储器，以便访问分组信息。根据本发明的这个衍射光学系统的紧凑结构结合了许多元件到紧凑的封装中，包括声光偏转器和微型光机电系统(MOEMS)镜片阵列，其元件以适合于声光偏转器的同步频率进行振荡。这个结构使用于光子衍射存储器的读取系统的寻址部件减小到火柴盒大小。
文档编号G11B7/135GK1599927SQ01823864
公开日2005年3月23日 申请日期2001年12月7日 优先权日2001年12月7日
发明者雷诺·基弗, 伊德里斯·埃尔哈菲迪, 高仓雅建, 乔尔·方丹, 罗马尔达·格齐马格, 帕特里克·梅鲁伊斯 申请人:研究投资网络公司