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産総研、1枚の光ディスクにBD 400枚相当10TB記録実現の可能性
～超多層を実現する高速光記録材料を開発
2016年12月1日 14:35
国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下産総研)は、大幅な多層化と高速な記録が可能な、長期間保存用光ディスク向け記録材料を開発したと発表した。
光ディスクの大容量化には、ディスクの厚み方向に多数の記録層を持ち記録容量を増やした「超多層光ディスク」が、従来の光ディスク技術の資産を活用できるため有望視されている。
超多層光ディスクでは、特定の深さの記録層に光記録を形成する必要があり、二光子吸収を用いて特定の深さの記録層を選択する手法が一般的だが、従来の二光子吸収を用いた超多層光ディスク向け記録材料では、感度不足のため、光記録の形成に、ピコ秒単位の極めて短いレーザーパルスを繰り返し100ナノ秒間照射し続ける必要があり、これが記録速度を制限する要因となっていた。
そこで、産総研無機機能材料研究部門 機能調和材料グループ 神哲郎研究グループ長の鎌田賢司上級主任研究員と、ダイキン工業株式会社は共同で、多段階多光子吸収とホログラム技術を用いて、ナノ秒単位のレーザーパルスを1度照射するだけで記録ピットを形成できる技術を開発。従来の光ディスクの問題であった記録速度を大幅に向上できたという。
同技術は、実効的に二光子吸収の強度を増加させる多段階多光子吸収を用いて高感度化し、あらかじめ記録材料にホログラムを形成しておくことで、記録信号の再生のコントラストを高め、光記録形成に必要な照射時間を短く、高速な記録を実現した。
従来の技術ではピコ秒、フェムト秒レーザーなど、ごく短い時間幅を持つレーザーパルスを何回も連続照射していたが、今回開発した技術では、それらよりも長い時間幅のナノ秒パルスを1回だけ照射する。ピコ秒、フェムト秒レーザーパルスでは二光子吸収だけが起こり、その後に発生する熱量が限られているため、何度も繰り返し照射が必要となり、照射時間が長くなっていたが、ナノ秒パルスでは、二光子吸収の後に一光子吸収である励起状態吸収が起こる、多段階多光子吸収が生じるという。
励起状態吸収と、熱を発生する緩和とが繰り返し起こるため、実効的な二光子吸収の強度が増加し、発熱量は桁違いに増加し、今回の技術では、記録材料中にあらかじめ再生用のレーザー光を高効率で反射するようにホログラムが形成されており、多段階多光子吸収で発生する熱によりこのホログラムを乱すことで記録が形成されるという。
ホログラムはわずかに乱されただけでも反射光の強度が大きく低下するため、高コントラストの再生ができ、記録に必要な時間をさらに短縮できる。結果、8ナノ秒パルスの1回照射でも光記録を形成でき、これはBlu-rayディスクの3.5倍に相当する100Mbpsの書き込み速度を実現したという。
この原理に基づき、Blu-rayに用いられる波長405nmのレーザーで記録と再生を行なった結果、記録材料にあらかじめホログラムを作成してあるため、再生光を照射すると強い反射光が得られるが、8ナノ秒のレーザーパルス照射により記録を形成すると、反射光の強度が低下。材料中の観測する位置を変えながら反射光を測定すると、記録が形成された場所では反射光の強度が低下し、反射光強度の差として、実用的なレベルのシグナル-ノイズ比(15db)で記録を再生できたとする。
形成された記録ピットのサイズは深さ方向で2.7μmとなり、100μm厚の記録層では20層の多層化が可能である。面内方向のサイズは0.7μmで、現状ではDVD程度の記録密度だが、Blu-rayディスクのレベルまで記録密度を向上できれば、100μm厚の記録層で50層1.25TBの記録が可能となる。さらに今回開発した記録材料の透過特性から、800μm厚の記録層が可能と考えられており、産総研では、実現できれば1枚でBlu-rayディスク400枚分相当の、400層10TBの保管記録向け超多層光ディスク記録が可能になると見込む。
超多層光ディスクを長期保存記録に用いることで、HDDや磁気テープなどの従来の記録媒体で必要な、空調や定期的なデータの移行が不要になり、約4割の消費電力削減と二酸化炭素排出量低減への貢献が期待されるとして、今後は高密度記録と超多層化の実証を進めるとともに、無機材料との複合化による耐久性向上も含めた、ディスクとしての実用耐久性の評価、光源の小型化、ドライブ開発など、他企業の参画も募り実用化に向けた研究開発を進めるとしている。