Принципы работы голографической памяти

Принцип голографической записи показан на рис. 3. Луч одного лазера (на рисунке не изображен) расщепляется на два луча. Один из них используется как опорный, а другим освещается объект (или его пропускают через пространственный оптический модулятор, в котором помещена прямоугольная таблица данных) – это луч, содержащий данные. При пересечении в определенной области пространства эти лучи создают

интерференционную картину (рис. 7,1). Если в эту область поместить прозрачный фоточувствительный носитель (рис. 7,2), то в нем сохранится интерференционная картина (голограмма) (рис. 7,3) – данные будут записаны. Для чтения достаточно осветить носитель опорным лучом, и после их взаимодействия мы получим луч с точной копией записанных данных. В отличие от обычной фотографии информация содержится в большом объеме носителя. Если этот объем разделить, например, на пять частей, то выйдет пять идентичных копий записанной информации. Это свойство значительно повышает надежность хранения данных. Детальная схема устройства голографической записи/чтения представлена на рис. 8.

Технология голографической памяти не имеет ограничений обычных оптических за счет применения трехмерной записи данных, а не двумерных чтения и записи лазерным лучом на плоскости. Это означает, что теоретически для записи данных в голографической памяти может использоваться полный объем кристалла, хотя есть и практические ограничения. Однако и с ограничениями трехмерный носитель – существенное преимущество для технологии голографической памяти. Его возможности достаточны, чтобы оставить далеко позади DVD и Blu-ray. Скорости передачи данных могут достигать 1 GBps и более. Это намного быстрее любой другой оптической технологии типа CD, DVD, HD DVD и Blu-ray, где максимальная скорость передачи не превышает 11 MBps.

Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Gb в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).

Рисунок 9. Фотополимер запоминает информацию при освещении лучом лазера

Одна из главных проблем в области хранения голографической информации – создание подходящих материалов для записи. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фоточувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену. Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве – фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние (рис. 9).

Рисунок 10. Варианты применения голографической памяти: голографические запоминающие устройства

Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и наконец приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.

4.1 Info-MICA

рисунок 11

рисунок 12

Рисунок 13. Голографическая карта Info-MICA (сверху), устройство чтения (по середине) и относительный размер (снизу)

Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных (рис. 10). Емкость носителя (сто слоев) размерами с почтовую марку – 1 Gb. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.

Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации.

В NTT полагают, что Info-MICA вследствие их дешевизны и малых размеров могут заменить другие устройства ROM. Рассматривают их и как заменитель бумаги в качестве носителя информации. Эти карты будут полезны при массовом распространении игр, музыки, кинофильмов и электронных изданий, поскольку клонирование их пиратами затруднено. Предполагаются и многие другие применения новой технологии.

Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Gb ($1–2) уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Gb и разработка устройств записи и перезаписи носителей.

InPhase Technology

Рисунок 14. Схема оптики для голографической записи/чтения данных фирмы InPhase Technology

Рисунок 15. Голографический накопитель HDS-300R фирмы InPhase Technology

Схема голографического устройства фирмы InPhase показана на рис. 8. Как видим, здесь применена классическая схема с двумя неколлинеарными лучами.

 Скачать реферат