Úložiště holografických dat - Holographic data storage

Holografické ukládání dat je potenciální technologií v oblasti velkokapacitního ukládání dat . Zatímco magnetická a optická zařízení pro ukládání dat spoléhají na to, že jednotlivé bity jsou ukládány jako odlišné magnetické nebo optické změny na povrchu záznamového média, úložiště holografických dat zaznamenává informace v celém objemu média a je schopné zaznamenávat více obrazů ve stejné oblasti s využitím světlo v různých úhlech.

Kromě toho, zatímco magnetické a optické úložiště dat zaznamenává informace po jednotlivých lineárním způsobem, holografické úložiště je schopné zaznamenávat a číst miliony bitů paralelně, což umožňuje vyšší rychlost přenosu dat, než jaké dosahuje tradiční optické úložiště .

Záznam dat

Úložiště holografických dat obsahuje informace využívající vzor optického rušení v tlustém fotocitlivém optickém materiálu. Světlo z jednoho laserového paprsku je rozděleno na dva nebo více samostatných optických obrazců tmavých a světlých pixelů. Nastavením úhlu referenčního paprsku, vlnové délky nebo polohy média lze na jeden svazek uložit množství hologramů (teoreticky několik tisíc).

Čtení dat

Uložená data jsou čtena reprodukcí stejného referenčního paprsku použitého k vytvoření hologramu . Světlo referenčního paprsku je zaměřeno na fotocitlivý materiál, osvětluje příslušný interferenční obrazec , světlo se na interferenčním obrazci rozptyluje a promítá jej na detektor. Detektor je schopen číst data paralelně, více než jeden milion bitů najednou, což vede k rychlé rychlosti přenosu dat. K souborům na holografické jednotce lze přistupovat za méně než 0,2 sekundy.

Dlouhověkost

Úložiště holografických dat může společnostem poskytnout metodu uchovávání a archivace informací. Přístup k ukládání dat jednorázově a mnohokrát ( WORM ) by zajistil zabezpečení obsahu a zabránil přepsání nebo úpravám informací. Výrobci se domnívají, že tato technologie může poskytovat bezpečné úložiště obsahu bez degradace po dobu více než 50 let, což výrazně převyšuje současné možnosti ukládání dat . Kontrapunktem tohoto tvrzení je, že vývoj technologie čtečky dat se za posledních několik desetiletí změnil každých deset let. Pokud bude tento trend pokračovat, bude z toho plynout, že možnost ukládat data po dobu 50–100 let v jednom formátu je irelevantní, protože data byste do nového formátu přenesli již po deseti letech. Tvrdená životnost úložiště se však v minulosti ukázala jako klíčový indikátor krátkodobé spolehlivosti paměťových médií. Současné optické formáty - například CD - do značné míry splnily původní požadavky na životnost (kde se používají renomovaná média) a ukázaly se jako spolehlivější krátkodobé datové nosiče než disketa a média DAT , která přemístili.

Použité termíny

Citlivost označuje rozsah modulace indexu lomu produkovaný na jednotku expozice. Účinnost difrakce je úměrná druhé mocnině modulace indexu krát efektivní tloušťka.

Dynamický rozsah určuje, kolik hologramy mohou být multiplexovány v datech jediném svazku.

Modulátory prostorového světla (SLM) jsou pixelová vstupní zařízení (panely z tekutých krystalů), která se používají k otisku dat, která mají být uložena na paprsek objektu.

Technické aspekty

Stejně jako ostatní média je holografické médium rozděleno na zápis jednou (kde paměťové médium prochází nevratnou změnou) a přepisovatelná média (kde je změna reverzibilní). Přepisovatelné holografické úložiště lze dosáhnout pomocí fotorefrakčního efektu v krystalech:

Vzájemně koherentní světlo ze dvou zdrojů vytváří interferenční obrazec v médiích. Tyto dva zdroje se nazývají referenční paprsek a signální paprsek .
Tam, kde dochází ke konstruktivní interferenci, je světlo jasné a elektrony mohou být povýšeny z valenčního pásma na vodivé pásmo materiálu (protože světlo dalo energii elektronů k přeskočení energetické mezery). Pozitivně nabitá volná místa, která opouštějí, se nazývají díry a musí být nepohyblivá v přepisovatelných holografických materiálech. Tam, kde dochází k destruktivní interferenci, je méně světla a je podporováno jen málo elektronů.
Elektrony ve vodivém pásmu se mohou v materiálu volně pohybovat. Zažijí dvě protichůdné síly, které určují, jak se pohybují. První síla je coulombova síla mezi elektrony a kladnými otvory, ze kterých byly propagovány. Tato síla povzbuzuje elektrony, aby zůstaly na místě nebo se vrátily tam, odkud pocházejí. Druhým je pseudo-síla difúze, která je povzbuzuje k přesunu do oblastí, kde jsou elektrony méně husté. Pokud coulombovy síly nejsou příliš silné, elektrony se přesunou do temných oblastí.
Ihned po povýšení existuje šance, že se daný elektron rekombinuje s dírou a přesune se zpět do valenčního pásma. Čím vyšší je rychlost rekombinace, tím menší je počet elektronů, které budou mít šanci se přesunout do temných oblastí. Tato rychlost ovlivní sílu hologramu.
Poté, co se některé elektrony přesunuly do tmavých oblastí a rekombinovaly se s otvory, je mezi elektrony, které se přesunuly do tmavých skvrn a otvorů ve světlých bodech, permanentní pole náboje . To vede ke změně indexu lomu v důsledku elektrooptického efektu .

Pokud mají být informace načteny nebo načteny z hologramu , je nutný pouze referenční paprsek. Paprsek je vyslán do materiálu přesně stejným způsobem, jako když byl zapsán hologram. V důsledku změn indexu v materiálu, které byly vytvořeny během psaní, se paprsek rozdělí na dvě části. Jedna z těchto částí obnovuje signální paprsek, kde jsou uloženy informace. K převodu těchto informací do použitelnější podoby lze použít něco jako CCD kameru.

Hologramy mohou teoreticky ukládat jeden bit na kubický blok o velikosti vlnové délky světla při psaní. Například světlo z helium – neonového laseru je červené, vlnové délky 632,8 nm . Při použití světla této vlnové délky by dokonalé holografické úložiště dokázalo uložit 500 megabajtů na kubický milimetr. Na extrémním konci laserového spektra mohl fluorový excimerový laser při 157 nm uložit 30 gigabajtů na kubický milimetr. V praxi by hustota dat byla mnohem nižší, a to alespoň ze čtyř důvodů:

Nutnost přidat opravu chyb
Potřeba přizpůsobit se nedokonalostem nebo omezením v optickém systému
Ekonomická výplata (dosažení vyšších hustot může stát nepoměrně více)
Omezení návrhové techniky - problém, kterému v současnosti čelí magnetické pevné disky, kde konfigurace magnetické domény brání výrobě disků, které plně využívají teoretické limity této technologie.

Přes tato omezení je možné optimalizovat kapacitu úložiště pomocí technik zpracování všeoptického signálu.

Na rozdíl od současných technologií úložiště, které zaznamenávají a čtou jeden datový bit najednou, holografická paměť zapisuje a čte data paralelně v jediném záblesku světla.

Dvoubarevný záznam

Nastavení pro holografický záznam

U dvoubarevného holografického záznamu je referenční a signální paprsek fixovaný na konkrétní vlnovou délku (zelená, červená nebo IR) a senzibilizační / hradlovací paprsek je samostatná, kratší vlnová délka (modrá nebo UV). Senzibilizační / hradlovací paprsek se používá k senzibilizaci materiálu před a během procesu záznamu, zatímco informace se zaznamenává do krystalu prostřednictvím referenčních a signálních paprsků. Přerušovaně svítí na krystal během procesu záznamu pro měření intenzity rozptýleného paprsku. Odečtu se dosáhne osvětlením samotným referenčním paprskem. Čtenářský paprsek s delší vlnovou délkou by tedy během čtení nebyl schopen excitovat rekombinované elektrony z center hluboké pasti, protože k jejich vymazání potřebují senzibilizující světlo s kratší vlnovou délkou.

Pro dvoubarevný holografický záznam jsou obvykle zapotřebí dvě různá příměsi k podpoře pastových center, která patří přechodným kovům a prvkům vzácných zemin a jsou citlivá na určité vlnové délky. Použitím dvou dopantů by se v krystalu lithium niobátu vytvořilo více center pastí . Byla by vytvořena mělká a hluboká past. Koncept nyní spočívá v použití senzibilizujícího světla k excitaci elektronů z hluboké pasti dále od valenčního pásma k vodivému pásmu a poté k rekombinaci v mělkých pasti blíže k vodivému pásmu. Referenční a signální paprsek by pak byly použity k excitaci elektronů z mělkých pastí zpět do hlubokých pastí. Informace by proto byly ukládány do hlubokých pastí. Čtení by se provádělo referenčním paprskem, protože elektrony již nemohou být buzeny z hlubokých pastí dlouhým paprskem vlnové délky.

Účinek žíhání

Pro dvakrát dopovaný krystal lithia niobátu ( LiNbO ₃ ) existuje optimální oxidační / redukční stav pro požadovaný výkon. Toto optimum závisí na dopingových úrovních mělkých a hlubokých pastí, jakož i na podmínkách žíhání vzorků krystalů. K tomuto optimálnímu stavu obvykle dochází, když je naplněno 95–98% hlubokých pastí. U silně oxidovaného vzorku nelze hologramy snadno zaznamenat a difrakční účinnost je velmi nízká. Je to proto, že mělká pasti je zcela prázdná a hluboká pasti je také téměř bez elektronů. Ve vysoce redukovaném vzorku jsou naopak hluboké pasti zcela zaplněny a mělké pasti jsou také částečně zaplněny. Výsledkem je velmi dobrá citlivost (rychlý záznam) a vysoká difrakční účinnost díky dostupnosti elektronů v mělkých lapačích. Během odečtu se však všechny hluboké pasti rychle naplní a výsledné hologramy se nacházejí v mělkých pasti, kde jsou dalším odečtem zcela vymazány. Po rozsáhlém odečtu tedy difrakční účinnost klesne na nulu a uložený hologram nelze opravit.

Vývoj a marketing

V roce 1975 společnost Hitachi představila systém video disků , ve kterém byly holograficky zakódovány informace o chrominanci, jasu a zvuku. Každý snímek byl zaznamenán jako hologram o průměru 1 mm na disk 305 mm, zatímco laserový paprsek přečetl hologram ze tří úhlů.

Vyvinut z průkopnické práce na holografii ve fotorefrakčních médiích a ukládání holografických dat Gerarda A. Alphonse , společnost InPhase uspořádala veřejné demonstrace prototypu komerčního paměťového zařízení na konferenci National Association of Broadcasters 2005 (NAB) v Las Vegas, v Maxell Stánek Corporation of America.

Tři hlavní společnosti podílející se na vývoji holografické paměti byly od roku 2002 společnosti InPhase a Polaroid spinoff Aprilis ve Spojených státech a Optware v Japonsku. Přestože se o holografické paměti hovoří již od 60. let a pro krátkodobé komerční použití je uváděna přinejmenším od roku 2001, dosud nepřesvědčila kritiky, že dokáže najít životaschopný trh. Od roku 2002 neměly plánované holografické produkty za cíl soutěžit přímo s pevnými disky, ale najít mezeru na trhu založenou na ctnostech, jako je rychlost přístupu.

Společnost InPhase Technologies po několika oznámeních a následných zpožděních v letech 2006 a 2007 oznámila, že brzy představí stěžejní produkt. Společnost InPhase ukončila činnost v únoru 2010 a její aktiva byla zabavena státem Colorado za účelem vrácení daní. Společnost údajně prošla 100 miliony dolarů, ale hlavní investor nebyl schopen získat další kapitál.

V dubnu 2009 společnost GE Global Research předvedla svůj vlastní holografický úložný materiál, který by umožňoval disky, které využívají podobné mechanismy čtení jako ty, které se nacházejí v přehrávačích disků Blu-ray .

Trh s videohrami

Společnost Nintendo podala v roce 2008 s InPhase společnou výzkumnou dohodu o holografickém ukládání.

Společnost Nintendo je v patentu zmíněna také jako společný přihlašovatel: „... je zveřejněno, že nárokovaný vynález byl vyroben na základě dohody o společném výzkumu definované v 35 USC 103 (c) (3), která byla účinná ve nebo před datem, kdy byl nárokovaný vynález vyroben, a v důsledku činností prováděných v rámci rozsahu dohody o společném výzkumu společností Nintendo Co. nebo InPhase Technologies, Inc. nebo jejím jménem. "

V beletrii

Ve Star Wars , se Jedi použití holocrons a holografickými krystaly pro uložení dat o jejich historii.

V roce 2010: The Year We Make Contact musel být k vymazání holografické paměti HAL použit tasemnice, protože „chronologické mazání nebude fungovat“.

V Robotovi a Frankovi má Robot holografickou paměť, kterou lze napůl vymazat, ale bude v polovině rozlišení.

Languages

In other projects