Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації
Розглянуто можливість запису та зчитування цифрових даних за допомогою ближнього поля. Подано визначення ближнього поля. Наведено приклад побудови оптоволоконних зондів для ближньопольової системи запису інформації. Рассмотрена возможность записи и считывания цифровых данных с помощью ближнего поля....
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
2004
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50700 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації / Є.Є. Голдаєвич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2004. — Т. 6, № 1. — С. 23-28. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-50700 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Голдаєвич, Є.Є. 2013-10-28T19:04:09Z 2013-10-28T19:04:09Z 2004 Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації / Є.Є. Голдаєвич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2004. — Т. 6, № 1. — С. 23-28. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 1560-9189 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50700 004.085 Розглянуто можливість запису та зчитування цифрових даних за допомогою ближнього поля. Подано визначення ближнього поля. Наведено приклад побудови оптоволоконних зондів для ближньопольової системи запису інформації. Рассмотрена возможность записи и считывания цифровых данных с помощью ближнего поля. Дано определение ближнего поля. Приведен пример построения оптоволоконных зондов для ближнеполевой системы записи информации. A possibility of near-field recording and reading of digital data is considered. Near-field definition is given. An example of constructing optical fiber probes for near-field information recording system is described. uk Інститут проблем реєстрації інформації НАН України Реєстрація, зберігання і обробка даних Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації Ближнее поле и его применение для сверхплотной записи информации Near-Field and Its Application for Superdense Information Recording Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| spellingShingle |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації Голдаєвич, Є.Є. Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| title_short |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| title_full |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| title_fullStr |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| title_full_unstemmed |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| title_sort |
ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації |
| author |
Голдаєвич, Є.Є. |
| author_facet |
Голдаєвич, Є.Є. |
| topic |
Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| topic_facet |
Фізичні основи, принципи та методи реєстрації даних |
| publishDate |
2004 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Реєстрація, зберігання і обробка даних |
| publisher |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Ближнее поле и его применение для сверхплотной записи информации Near-Field and Its Application for Superdense Information Recording |
| description |
Розглянуто можливість запису та зчитування цифрових даних за допомогою ближнього поля. Подано визначення ближнього поля. Наведено приклад побудови оптоволоконних зондів для ближньопольової системи запису інформації.
Рассмотрена возможность записи и считывания цифровых данных с помощью ближнего поля. Дано определение ближнего поля. Приведен пример построения оптоволоконных зондов для ближнеполевой системы записи информации.
A possibility of near-field recording and reading of digital data is considered. Near-field definition is given. An example of constructing optical fiber probes for near-field information recording system is described.
|
| issn |
1560-9189 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50700 |
| citation_txt |
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації / Є.Є. Голдаєвич // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2004. — Т. 6, № 1. — С. 23-28. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT goldaêvičêê bližnêpoletaiogozastosuvannâdlânadŝílʹnogozapisuínformacíí AT goldaêvičêê bližneepoleiegoprimeneniedlâsverhplotnoizapisiinformacii AT goldaêvičêê nearfieldanditsapplicationforsuperdenseinformationrecording |
| first_indexed |
2025-11-26T01:46:01Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:46:01Z |
| _version_ |
1850606881881456640 |
| fulltext |
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2004, Т. 6, № 4 23
УДК 004.085
Є. Є. Голдаєвич
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
вул. М. Шпака, 2, 03113 Київ, Україна
Ближнє поле та його застосування
для надщільного запису інформації
Розглянуто можливість запису та зчитування цифрових даних за до-
помогою ближнього поля. Подано визначення ближнього поля. Наведе-
но приклад побудови оптоволоконних зондів для ближньопольової сис-
теми запису інформації.
Ключові слова: лазер, компакт-диск, універсальний цифровий диск,
дифракція, нанооптика, ближньопольова оптика, ближньопольовий
скануючий оптичний мікроскоп, оптоволокно, плазмон.
Вступ
Ще зовсім нещодавно вважалось, що межу можливому в оптиці ставить реле-
євський критерій роздільної здатності оптичних приладів. Він полягає в тому, що
мінімальний розмір розрізнюваного об’єкта дещо менший за довжину хвилі вико-
ристовуваного світла і принципово обмежений дифракцією випромінювання. Те-
хнічне підтвердження роботи звичайних оптичних систем у наш час можна знайти
повсюди, популярними стали носії інформації на компакт-дисках (CD) та нових
універсальних цифрових дисках (DVD), що пропонують підвищену щільність ін-
формації на носії — кілька Гбіт на кв.дюйм [1]. Проте останнім часом з’явилась і
викликає все більшу увагу можливість вивчення та формування оптичними мето-
дами різноманітних структур нанометрових розмірів, які у багато разів менші за
довжину світлової хвилі l. Така можливість виникла у зв’язку з розвитком ближ-
ньопольової оптики (БПО) — нового та надзвичайно перспективного напрямку
фізичної та прикладної оптики. З фізичної точки зору вона базується на присутно-
сті в дальній зоні випромінювання цілком ідентифіковних слідів взаємодії світла з
мікрооб’єктом, що знаходиться у ближньому світловому полі, яке локалізоване на
відстанях набагато менших за l. У технічному сенсі БПО поєднує елементи зви-
чайної оптики та скануючої зондової мікроскопії.
© Є. Є. Голдаєвич
Є. Є. Голдаєвич
24
Фізичні принципи ближньопольової оптики
Основним елементом ближньопольових приладів є оптичний зонд (див. рис.)
у вигляді загостреного оптичного волокна 1. Конусна поверхня зонда частково
вкрита непрозорим шаром металу 2, так, що в результаті на кінці зонда формуєть-
ся отвір дуже малого розміру (l/20 – l/40).
Схема оптоволоконного ближньопольового зонда: 1 — загострене оптичне волокно; 2 — металеве
покриття; 3 — лазерне випромінювання, що проходить крізь зонд; 4 — вихідна апертура зонда,
2a << l; 5 — поверхня досліджуваного зразка (носія); 6 – відстань між досліджуваною поверхнею
та апертурою зонда, z << l. Штрихами позначена область ближньопольового контакту
Частина світлового потоку, який розповсюджується волокном, проходить
крізь вихідний переріз зонда як крізь діафрагму в металевому екрані та досягає
зразка, розташованого у ближньому полі джерела. Якщо відстань z до поверхні
зразка і радіус a діафрагми задовольняють умові а, z << l, то розмір світлової
плями на зразку близький до розміру діафрагми. Переміщуючи зонд поверхнею,
можна реалізувати роздільну здатність, що не обмежена дифракцією. Теоретично
показано і експериментально підтверджено [4], що для алюмінієвої діафрагми
гранична роздільна здатність складає біля 13 нм, що майже в 30 разів менше за
довжину хвилі синього лазера.
Подібна ідея була запропонована ще в 1928 р. Сингхом (E.H. Syngh). Вона
набагато випередила технічні можливості свого часу і залишилася практично не
поміченою. Її перше підтвердження було отримане Ешем (E.A. Ash) у дослідах з
мікрохвилями в 1972 р. На початку 80-х років 20-го століття група дослідників з
Цюріхської лабораторії фірми IBM на чолі з Дітером Полем (D.W. Pohl) проникли
всередину дифракційної межі та продемонстрували роздільну здатність l/20 на
приладі, який працює у видимому оптичному діапазоні і отримав назву ближньо-
польового скануючого оптичного мікроскопа (БСОМ) [2]. Трохи раніше в тій же
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2004, Т. 6, № 4 25
лабораторії був створений перший скануючий тунельний мікроскоп, завдяки яко-
му вона стала відома в усьому світі [2].
На відміну від тунельного та атомно-силового мікроскопів, які одразу завою-
вали визнання, БСОМ деякий час залишався в тіні. Унікальні можливості БСОМ
були переконливо продемонстровані лише на початку 90-х років 20-го століття,
коли вдалось вирішити дві важливі технічні проблеми: істотно підвищити енерге-
тичну ефективність зондів та забезпечити надійний контроль відстані між вістрям
і зразком. Останніми роками в десятках лабораторій успішно ведуться роботи з
використання БСОМ у вирішені широкого кола задач фізики поверхні, біології,
техніці запису та зчитування інформації тощо.
Критерій Релея є однією з ілюстрацій принципу невизначеності Гейзенберга,
згідно з яким кожна спроба підвищити ступінь локалізації чи точність визначення
положення Dx джерела світла призводить до зростання невизначеності Dpx спря-
женого імпульсу фотонів. За умови розсіювання фотонів у максимальному діапа-
зоні кутів –p/2 £ j £ p/2, Dpx = hDkx = 4ph/l (h — стала Планка, kx — x-а компоне-
нта хвильового вектора k) і Dx ³ l/2. Можливість реалізації розв’язання Dx<<l/2,
здавалось би, суперечить одному з основних фізичних принципів. Слід, проте, ма-
ти на увазі, що співвідношення невизначеності в самому загальному вигляді від-
носиться до положення частки в імпульсно-координатному просторі. Тому, обме-
жуючи одну з компонент хвильового вектора, воно дозволяє варіювати інші. Мо-
жна покласти, наприклад,
ky = 0, kz = ig,
де g — дійсне додатне число. Тоді kkkkk zx >+=-= )()( 2222 g . При g ® ¥
область допустимих значень kx необмежено зростає, а Dx може бути скільки за-
вгодно малим.
Уявним kz відповідають затухаючі хвилі. Отже, за умови реалізації субхви-
льового розв’язання антена-зонд повинна розташовуватись у межах затухаючого
поля поблизу поверхні зразка (носія), тобто заздалегідь при z << l.
Можна тепер уточнити поняття ближнього поля [3], асоціюючи його з облас-
тю існування затухаючих і, отже, нерадіаційних хвиль, амплітуда яких змінюється
з відстанню z від границі розділу середовищ чи малого розсіючого об’єкта за зако-
ном E(z) = E(0)exp(–gz), де g > 0. Величина g–1 характеризує глибину проникнення
затухаючої хвилі й за порядком сумірна з розмірами субхвильового розсіювача.
Зокрема, для діафрагми радіуса а в тонкому проводжуючому екрані g–1 » 2а. Для
поверхні зі складним рельєфом величина g–1 визначається сумарним внеском
компонент спектру просторових частот, причому m-а компонента з періодом
dm << l може бути виявлена на відстані z £ 1-
»dmmg /2p. (В режимі збирання фотонів
точність відтворення профілю поверхні зростає з підвищенням кількості m ком-
понент затухаючого поля, які беруть участь у створенні зображення, а отже, із
зменшенням z). У дальньому полі при z ³ l присутні тільки хвилі, що розповсю-
джуються, до яких можна застосовувати закони та обмеження звичайної оптики.
Звісно, що вони також роблять свій внесок до результуючого поля в ближній хви-
льовій зоні. Структуру ближнього поля можуть також визначати і різного роду
Є. Є. Голдаєвич
26
поверхневі резонансні електромагнітні моди, що збуджуються світлом поблизу
вихідного розрізу зонда (наприклад, поверхневі плазмони) [3].
Зважаючи на вищесказане, можна зауважити, що методи БПО цікаві для на-
ноелектроніки, де вони дозволяють досліджувати поверхню і топологію елементів
з високою локальністю. Разом з тим можна створювати на поверхню та тонкий
шар «силовий» вплив (зокрема, модифікувати їх структуру), якщо ближнє поле
характеризується високою напруженістю. Цей напрямок застосування БПО, який
до того ж називається нанооптикою, також інтенсивно розвивається. Прикладом
може служити нанесення за допомогою БСОМ різноманітних малюнків, характе-
рний розмір яких складає 50–70 нм.
Аналіз можливості застосування БПО в системах оптичного
та магнітного запису інформації
Можливість у кілька разів покращити роздільну здатність при фотолітографії,
а також на порядок і більше підвищити щільність запису інформації (наприклад,
на магнітооптичних середовищах, фоточутливих полімерних матеріалах) є над-
звичайно привабливою і стимулює велику кількість робіт, які спрямовані на ви-
рішення цих задач та складнощів, яке супроводжується винайденням нових аналі-
тичних та технічних методів фізико-математичного опису проблеми та конструю-
вання компактних, недорогих, швидкодіючих систем ближньопольового запису та
зчитування інформації.
Наприклад, одним із складнощів у використанні зонда у вигляді металізова-
ного загостреного волокна в пристроях зберігання даних є неможливість скану-
вання на великих швидкостях. Здається очевидним, що пристрої, які базуються на
одному гнучкому зонді, не будуть мати достатньої пропускної спроможності при-
водного механізму для підтримки необхідної відстані між кінцем зонда та носієм,
забезпечуючи при цьому високу швидкість запису (зчитування) даних та короткі
за часом переходи. Великий, паралельно працюючий, масив зондів міг би виріши-
ти цю проблему [5]. Не тільки тому, що це могло би збільшити швидкість обробки
даних пристроєм, але й, якби кожен зонд сканував би тільки невелику ділянку,
тоді також були б можливі короткі за часом переходи до обробки інших блоків
даних. Масиви такого роду зіштовхуються з серйозними проблемами, не остан-
ньою з яких є зношення зондів.
Підхід до вирішення такої проблеми включає виготовлення хвильоводів на
зворотному боці повзуна (схожого до того, що використовується в жорстких маг-
нітних дисках) з отворами, меншими за довжину хвилі, зробленими в металічному
покритті, яким закінчується хвильовід. Невеликі апертури (менше 10 нм) разом з
низькою висотою переміщення над поверхнею (нижче 20 нм), могли б створити
дуже малі за розміром плями та вирішити проблему механізму переміщення апер-
тури над носієм. Це було підтверджене одним із досліджень [1], в якому було
отримано щільність інформації в 60 Гбіт/кв.дюйм зі швидкістю її обробки
0,25 кбіт на секунду. Нажаль, крихітна відстань, яка необхідна для ближньопо-
льового запису може не спрацьовувати для змінних носіїв. Також маленькі апер-
тури пропускають мало світла; більшість світла відбивається та являє собою ве-
лике джерело фотонового шуму.
Ближнє поле та його застосування для надщільного запису інформації
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2004, Т. 6, № 4 27
Ще одна можливість використання БПО для надщільного запису інформації
виходить із дослідження французьких і японських вчених [6], які розробили напі-
впровідниковий поверхнево-випромінюючий лазер, виготовлений з матеріалу з
високим коефіцієнтом переломлення. Матеріал відбиває безпосередньо згенеро-
ване світло таким чином, що випромінювання за межами пристрою є дуже слаб-
ким. Проблема вирішувалась розташуванням металевої плівки з наноотворами
між цим матеріалом та зовнішнім середовищем. Механізм проходження світла
через ці отвори (розміри яких набагато менші за довжину хвилі випромінювання
z << l) роз’яснюється плазмонами, що виникають на поверхні металевої плівки
довкола субхвильового наноотвору за умови її опромінювання лазером, і які утво-
рюють малі магнітні диполі, які в, свою чергу, вишикуються вздовж напрямку по-
ляризації падаючого світлового опромінювання. Ці дослідження показують також,
що збільшення кількості випромінюваного світла поза наноотворами залежить
також від форми самих отворів, а саме, найбільший результат був досягнутий з
наноотворами прямокутної форми з розмірами 75 нм на 225 нм, ніж з наноотво-
рами круглої форми діаметром 190 нм [6]. Таким чином, за допомогою такої стру-
ктури можна створювати нанорозмірні світлові плями більшої інтенсивності на
поверхні носія інформації, що дозволить збільшити відношення сигнал-шум (від-
ношення інтенсивності світла плями до інтенсивності розсіяного світла), а, отже,
дасть можливість записувати інформацію з більшою щільністю, розрізнювати за-
писану інформацію при зчитуванні, зменшити витрати на побудову відповідних
приладів, а також дасть поштовх для подальшого ущільнення зберігання інфор-
мації.
Висновки
Підсумовуючи сказане, можна стверджувати, що даний напрямок розвитку
науки та техніки, а саме ближньопольовий запис інформації, є надзвичайно важ-
ливим для сучасного інформаційного суспільства з його зростаючими потребами
в збільшенні об’ємів носіїв інформації та зменшенні їх розмірів, чи, принаймні,
збільшенні щільності інформації на носіях з незмінними розмірами (як, напри-
клад, збільшення місткості інформації на компакт-дисках із збереженням їх стан-
дартизованих розмірів). Про це свідчать отримані результати [1, 2, 4, 6], а саме:
— розмір світлової плями може бути створеним набагато меншим за довжину
хвилі випромінюваного світла;
— сконструйовані прилади для сканування нанорозмірної області поверхні,
наприклад, БСОМ;
— за допомогою БСОМ можна записувати інформацію на поверхню носія;
— винайдено модифікації зондів ближньопольових записуючих пристроїв,
які прискорюють процедуру запису/зчитування інформації, а також покращують
процедуру їх заміни у випадку виходу з ладу;
— перевірено на практиці, що інтенсивність вихідного випромінювання через
наноотвори залежить від їх геометричних розмірів.
Слід також зазначити, що ближньопольовий запис ще не має повного, чіткого
наукового апарата для свого опису, а, здебільшого, базується на практичних дос-
Є. Є. Голдаєвич
28
лідженнях науковців, які ставлять експерименти, базуючись на теоретичних знан-
нях нанооптики, а також знаннях попередніх експериментаторів у цій області.
1. Kim J., Song K.B., Park K.H., Lee H.W. and Kim E. Simple Near-Field Optical Recording Using
Bent Cantilever Probes // ETRI J. — 2002. — Vol. 24, N 3. — Р. 205–209.
2. Pohl D.W., Denk W., Lanz M. // App. Phys. Lett. — 1984. — Vol. 44. — P. 651–664.
3. Либенсон Н.М. Преодоление дифракционного предела в оптике // Соросовский образова-
тельный журнал. — 2000. — Т. 6, № 3. — С. 99–104.
4. Wang W.J., Hong M.H., Wu D.J., Goh Y.W., Luk’yanchuk B.S., Chong T.C. Ultrafast Laser
Recording in Optical Near-Field for High-Density Optical Storage // Proc. SPIE. — Vancouver. — 2003.
— Vol. 5069. — Р. 330–334.
5. Seigler M., Lambeth D. Will Near-Field Recording Give MO More Byte // DATA Storage. —
1999.
6. Hellemans A. Nanoholes Permit Remarkable Light Transmission // IEEE Spectrum. — 2004. —
Vol. 41, N 7. — Р. 18.
Надійшла до редакції 17.11.2004
УДК 004.085
Є. Є. Голдаєвич
Ближнє поле та його застосування
для надщільного запису інформації
для надщільного запису інформації
Вступ
Фізичні принципи ближньопольової оптики
Аналіз можливості застосування БПО в системах оптичного
та магнітного запису інформації
Висновки
|