Shizuoka University

3次元パターンド媒体を用いた高密度3次元光メモリの開発

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背景・目的

 現在、CDやDVDに代表される光メモリは、ハードディスクに比べ、携帯性、コストパフォーマンスに優れているため多くの分野で欠かすことができないデバイスとなっている。光メモリの記録密度は光の持つ波動性で決まり、既に実用化されている光メモリにおいて、ほぼ理論的限界が実現されている。そこで、近接場光記録、ホログラムメモリ、3次元光メモリ等が、多くの研究者によって研究されている。

 図1に3次元光メモリの概念図を示す。多くの高密度化手法の中で、ビットを多層に記録する3次元光メモリは、データを平面に記録するだけでなく、厚さ方向へも多層に記録するため、100層以上のデータを記録すれば記録密度を現在の光メモリより2桁以上向上できる。また、記録ビットを多光子吸収過程でフォトンモード記録するため、分子レベルでの制御が可能となり高感度・高速な光メモリの開発が期待できる。さらに、3次元光メモリは厚さ方向に記録領域を拡張しただけであり、現在市販されている光ディスクの技術を用いることができ、最も実用化に近い技術と考える。

 本研究では、記録媒体内部に3次元的な周期構造を有する3次元パターンド記録媒体を作製し、その記録媒体にデータを記録・再生することによって光波を制御し、高コントラスト再生・高密度記録可能な多層光メモリを実現することを目指す。

原理

 3次元パターンド記録媒体は感光層の面内に記録ビット以下の微細周期構造を有し、面内方向に対する記録ビットの拡がりを制限する。また、光軸方向に対して波長程度に薄膜化した感光層と非感光層を積層した構造を持ち、光軸方向に対する記録ビットの拡がりを制限できる。

図2に示すように3次元的に記録ビットの拡がりを制限することにより、ビット間隔を狭くすることができ記録密度を向上できる。

 さらに、記録ビットの拡がりを制御することにより、ビットの持つ空間周波数分布の制御も可能となる。再生光学系の光学的伝達関数に対し、この空間周波数分布を最適化することで高コントラストなビット再生が可能となる。

結果

 3次元パターンド記録媒体を作製し、3次元記録・再生を行った。図3に記録層8層に記録・再生した結果を示す。ビット間隔は面内方向に0.5 mm、厚さ方向に2.0 mmである。高密度記録したにもかかわらずクロストークなく鮮明に記録・再生できていることがわかる。

ファイバーレーザーによるレーザー発振

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ファイバーレーザーについて

 シングルモンなどの増幅媒体をドープしたものは光ファイバー増幅器として働く。この光ファイバーに適当な波長の励起光を与えることで光を増幅できる。光ファイバー増幅器にフィードバックを与えることでレーザー光を得る装置がファイバーレーザーである。図1に従来のチタンサファイアレーザーをはじめとするバルク型レーザー、図2にファイバーレーザーの構成を示す。ファイバーレーザーは共振器中における光の伝播媒体が空気ではなく、光ファイバーであるため、種々の利点が生じる。

ファイバーレーザーの利点
(1)大幅な小型化が可能

 バルク型のレーザーでは光が通る直線空間が必要である。これに対し、ファイバーレーザーはファイバーを巻いて使用することで、光の行路長はそのままに保ちながら、レーザー発振に必要な空間を大幅に小型化できるようになる。

(2)安定性

 レーザー発振のためには、共振器に定在波が生じ、かつ、ミラーの位置が定在波の節の位置でなければならない。そのため、バルク型レーザーの場合、温度変化、振動による光学部品の位置ズレが問題となる。バルク型レーザーの光学系調整には高度な技術と知識が必要とされる。それに対し、ファイバーレーザーはファイバーカップラーや融着などの接続技術を用いることで位置ズレの問題が解決でき、安定してレーザー発振を得られる。

(3)光通信技術を利用できる

 国際通信に用いられる海底光ファイバーは、深海に沈んでいるため容易に修理することができない。そのため光ファイバーには過酷な条件にも耐えうる高い信頼性が要求される。また、長距離にわたり光を伝播するには低損失であるほうがよい。ファイバーレーザーは、光ファイバー通信によりもたらされた高信頼性、低損失といった既製品の光ファイバーを用いることができる。

目的

 ファイバーレーザーを作ることで、前述したような小型、安定、高信頼性といった性質を持つレーザー発振装置を得る。

原理

 図2にファイバーレーザーの構成を示す。我々が用いる光ファイバーは、増幅媒体Erをドープした光ファイバー(EDF)である。EDFには高利得、広帯域、低雑音といった優れた性質がある。Erイオンは図3に示すようなエネルギー準位を持つ。励起光として980nmの光を励起光として入射することで、1550nmの光を増幅させることができる。励起光源には半導体レーザー(LD)を用い、WDMカプラでカップリングする。1550nmの光を一対のミラー間で共振させ、偏光ビームスプリッター(PBS)にて出力光(レーザー)を得ている。

目標

ファイバーレーザーは簡素で安定レーザー発振を行い、さらに超短パルスを発生させることができる有効な装置である。ファイバーレーザーの放つ高出力のフェムト秒パルスは精密加工、トモグラフィー(断層写真)、医療等の分野への応用が期待されている。そのためファイバーレーザーの研究は高出力化、そして短パルス化がメインとなっている。これらの研究に倣い、我々はErドープファイバーを用いて高出力、フェムト秒パルス発生のファイバーレーザーの製作を目指す。