| Оптические диски |
|---|
 |
Хранение голографических данных - это потенциальная технология в области хранения данных большой емкости . В то время как магнитные и оптические устройства хранения данных полагаются на отдельные биты, сохраняемые как отдельные магнитные или оптические изменения на поверхности носителя записи, голографическое хранилище данных записывает информацию во всем объеме носителя и способно записывать несколько изображений в одной и той же области, используя свет под разными углами.
Кроме того, в то время как магнитное и оптическое хранилище данных записывает информацию постепенно линейно, голографическое хранилище способно записывать и считывать миллионы битов параллельно, обеспечивая более высокую скорость передачи данных, чем у традиционных оптических хранилищ . [1]
Запись данных [ редактировать ]
Хранение голографических данных содержит информацию с использованием оптической интерференционной картины в толстом светочувствительном оптическом материале. Свет от одного лазерного луча делится на два или более отдельных оптических рисунка из темных и светлых пикселей. Путем регулировки угла опорного пучка, длина волны, или положение средств массовой информации, множество голограмм (теоретически, несколько тысяч) могут быть сохранены на одном томе.
Чтение данных [ править ]
Хранятся данные считываются посредством воспроизведения одного и того же опорного пучка , используемого для создания голограммы . Свет опорного пучка ориентирована на светочувствительный материал, освещающий соответствующую интерференционную картину , свет дифрагирует на интерференционной картине , и проецирует рисунок на детекторе. Детектор может считывать данные параллельно, более миллиона бит за один раз, что обеспечивает высокую скорость передачи данных. Доступ к файлам на голографическом диске занимает менее 0,2 секунды. [2]
Долголетие [ править ]
Хранение голографических данных может предоставить компаниям метод сохранения и архивирования информации. Подход к хранению данных с однократной записью и многократным чтением ( WORM ) обеспечит безопасность содержимого, предотвращая перезапись или изменение информации. Производители [ кто? ] полагают, что эта технология может обеспечить безопасное хранение контента без ухудшения качества в течение более 50 лет, что намного превосходит существующие варианты хранения данных [ сомнительно ] . Противоположностью этому утверждению является то, что эволюция считывателя данныхтехнологии - в последние пару десятилетий - менялись каждые десять лет. Если эта тенденция сохранится, то из этого следует, что возможность хранить данные в течение 50–100 лет в одном формате не имеет значения, потому что вы бы перенесли данные в новый формат только через десять лет. Однако заявленная долговечность хранилища в прошлом оказалась ключевым показателем более краткосрочной надежности носителей. Современные оптические форматы, такие как CD , в значительной степени соответствуют первоначальным требованиям к долговечности (где используются носители известных производителей) и оказались более надежными носителями краткосрочной информации, чем дискеты и носители DAT, которые они вытеснили. [2]
Используемые термины [ править ]
Чувствительность относится к степени модуляции показателя преломления, производимой на единицу экспозиции. Эффективность дифракции пропорциональна квадрату модуляции показателя преломления, умноженному на эффективную толщину.
Динамический диапазон определяет , сколько голограмм может быть мультиплексирована в одном данных тома.
Пространственные модуляторы света (SLM) представляют собой пиксельные устройства ввода (жидкокристаллические панели), используемые для запечатления данных, которые должны быть сохранены на объектном луче.
Технические аспекты [ править ]
Как и другие носители, голографические носители делятся на носители с однократной записью (где носитель данных претерпевает некоторые необратимые изменения) и перезаписываемые носители (где изменение является обратимым). Перезаписываемая голографическая память может быть достигнута с помощью фоторефрактивного эффекта в кристаллах:
- Взаимно когерентный свет от двух источников создает в носителе интерференционную картину . Эти два источника называются опорным лучом и сигнальным лучом .
- Там, где есть конструктивная интерференция, свет становится ярким, и электроны могут перемещаться из валентной зоны в зону проводимости материала (поскольку свет дал электронам энергию для перехода через энергетическую щель). Положительно заряженные вакансии, которые они оставляют, называются дырами, и они должны быть неподвижными в перезаписываемых голографических материалах. Там, где есть деструктивная интерференция, меньше света и мало электронов продвигается.
- Электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться в материале. Они столкнутся с двумя противоборствующими силами, которые определяют их движение. Первая сила - это кулоновская сила между электронами и положительными дырками, из которых они вышли. Эта сила побуждает электроны оставаться на месте или возвращаться туда, откуда они пришли. Вторая - псевдосила диффузии, которая побуждает их перемещаться в области с меньшей плотностью электронов. Если кулоновские силы не слишком велики, электроны переместятся в темные области.
- Начиная сразу после продвижения по службе, есть шанс, что данный электрон рекомбинирует с дыркой и вернется в валентную зону. Чем выше скорость рекомбинации, тем меньшее количество электронов будет иметь возможность перейти в темные области. Эта скорость повлияет на силу голограммы.
- После того, как некоторые электроны переместились в темные области и воссоединились там с дырками, между электронами, которые переместились в темные пятна, и дырками в ярких пятнах возникает постоянное поле пространственного заряда . Это приводит к изменению показателя преломления из-за электрооптического эффекта .
Когда информация должна быть получена или считана с голограммы , необходим только опорный луч. Луч направляется в материал точно так же, как при написании голограммы. В результате изменения индекса материала, созданного во время записи, луч разделяется на две части. Одна из этих частей воссоздает сигнальный луч, в котором хранится информация. Что-то вроде камеры CCD можно использовать для преобразования этой информации в более удобную форму.
Голограммы теоретически могут хранить один бит на кубический блок размером с длину волны света при записи. Например, свет гелий-неонового лазера красный, длина волны 632,8 нм . Используя свет этой длины волны, идеальное голографическое хранилище может хранить 500 мегабайт на кубический миллиметр. На крайнем конце лазерного спектра фтор- эксимерный лазер с длиной волны 157 нм может хранить 30 гигабайт на кубический миллиметр. На практике плотность данных будет намного ниже, по крайней мере, по четырем причинам:
- Необходимость добавления исправления ошибок
- Необходимость учитывать недостатки или ограничения оптической системы.
- Экономическая отдача (достижение более высокой плотности может стоить непропорционально дороже)
- Ограничения методики проектирования - проблема, с которой в настоящее время сталкиваются магнитные жесткие диски, когда конфигурация магнитного домена препятствует производству дисков, которые полностью используют теоретические пределы технологии.
Несмотря на эти ограничения, можно оптимизировать емкость запоминающего устройства, используя полностью оптические методы обработки сигналов. [3]
В отличие от современных технологий хранения, которые записывают и читают по одному биту данных за раз, голографическая память записывает и считывает данные параллельно за одну вспышку света. [4]
Двухцветная запись [ править ]
Для двухцветной голографической записи опорный и сигнальный луч, привязанный к определенной длине волны (зеленый, красный или инфракрасный), и сенсибилизирующий / стробирующий луч являются отдельной, более короткой длиной волны (синей или УФ). Сенсибилизирующий / стробирующий луч используется для сенсибилизации материала до и во время процесса записи, в то время как информация записывается в кристалле через опорный и сигнальный лучи. Во время процесса записи он периодически светится на кристалл для измерения интенсивности дифрагированного луча. Считывание достигается за счет освещения только опорным лучом. Следовательно, считывающий луч с большей длиной волны не сможет возбуждать рекомбинированные электроны. из глубоких центров ловушек во время считывания, так как им нужен сенсибилизирующий свет с более короткой длиной волны, чтобы стереть их.
Обычно для двухцветной голографической записи требуются две разные легирующие примеси для продвижения центров захвата, которые принадлежат переходным металлам и редкоземельным элементам и чувствительны к определенным длинам волн. При использовании двух примесей в кристалле ниобата лития могло бы быть создано больше центров захвата . А именно будет создана мелкая и глубокая ловушка. Теперь идея состоит в том, чтобы использовать сенсибилизирующий свет для возбуждения электронов из глубокой ловушки дальше от валентной зоны к зоне проводимости.а затем рекомбинировать на мелких ловушках ближе к зоне проводимости. Затем опорный и сигнальный луч будут использоваться для возбуждения электронов из мелких ловушек обратно в глубокие ловушки. Таким образом, информация будет храниться в глубоких ловушках. Считывание будет производиться с помощью эталонного луча, поскольку электроны больше не могут быть выведены из глубоких ловушек длинноволновым лучом.
Эффект отжига [ править ]
Для кристалла дважды легированного ниобата лития ( LiNbO 3 ) существует оптимальная степень окисления / восстановления для желаемых характеристик. Этот оптимум зависит от уровней легирования мелких и глубоких ловушек, а также от отжига.условия для образцов кристаллов. Это оптимальное состояние обычно возникает при заполнении 95–98% глубоких ловушек. В сильно окисленном образце голограммы не могут быть легко записаны, а дифракционная эффективность очень низкая. Это связано с тем, что мелкая ловушка полностью пуста, а глубокая ловушка также почти лишена электронов. С другой стороны, в сильно восстановленном образце глубокие ловушки заполнены полностью, а мелкие ловушки также частично заполнены. Это приводит к очень хорошей чувствительности (быстрая запись) и высокой дифракционной эффективности благодаря наличию электронов в мелких ловушках. Однако во время считывания все глубокие ловушки быстро заполняются, и результирующие голограммы остаются в мелких ловушках, где они полностью стираются при дальнейшем считывании.Следовательно, после обширного считывания дифракционная эффективность падает до нуля, и сохраненная голограмма не может быть зафиксирована.
Разработка и маркетинг [ править ]
В 1975 году Hitachi представила систему видеодисков , в которой информация о цветности, яркости и звуке кодировалась голографически. Каждый кадр записывался в виде голограммы диаметром 1 мм на диске диаметром 305 мм, а лазерный луч считывал голограмму с трех углов. [5]
Разработанная на основе новаторской работы Джерарда А. Альфонса по голографии в фоторефрактивных средах и хранению голографических данных , InPhase провела публичные демонстрации прототипа коммерческого запоминающего устройства на съезде Национальной ассоциации вещателей 2005 (NAB) в Лас-Вегасе, в здании Maxell. Стенд корпорации Америки.
По состоянию на 2002 год тремя основными компаниями, занимавшимися разработкой голографической памяти, были InPhase и Polaroid, дочерние компании Aprilis в США и Optware в Японии. [6] Хотя голографическая память обсуждается с 1960-х годов [7] и рекламируется для краткосрочного коммерческого применения, по крайней мере, с 2001 года [8], она еще не убедила критиков в том, что она может найти жизнеспособный рынок. [9] По состоянию на 2002 год запланированные голографические продукты не были нацелены на непосредственную конкуренцию с жесткими дисками, а вместо этого были нацелены на поиск рыночной ниши, основанной на таких достоинствах, как скорость доступа. [6]
InPhase Technologies после нескольких анонсов и последующих задержек в 2006 и 2007 годах объявила, что скоро представит флагманский продукт. InPhase прекратил свою деятельность в феврале 2010 года, а ее активы были арестованы штатом Колорадо в счет уплаты налогов. Сообщается, что компания потратила 100 миллионов долларов, но ведущий инвестор не смог привлечь дополнительный капитал. [10] [11]
В апреле 2009 года GE Global Research продемонстрировала свой собственный голографический запоминающий материал, который позволяет использовать диски, использующие механизмы чтения, аналогичные тем, которые используются в проигрывателях дисков Blu-ray . [12]
Рынок видеоигр [ править ]
Nintendo подписала с InPhase соглашение о совместных исследованиях в области хранения голографических изображений в 2008 году [13].
Nintendo также упоминается в патенте как совместный заявитель: «... здесь раскрывается, что заявленное изобретение было сделано в соответствии с Соглашением о совместных исследованиях, как определено в 35 USC 103 (c) (3), которое действовало на или до даты, когда заявленное изобретение было сделано, и в результате действий, предпринятых в рамках Соглашения о совместных исследованиях Nintendo Co. и InPhase Technologies, Inc. или от их имени ». [14]
В художественной литературе [ править ]
В Star Wars , в джедаях используют голокроны и голографические кристаллы для хранения данных об их истории.
В 2010 году: в год, в который мы вступаем в контакт , пришлось использовать ленточного червя, чтобы стереть голографическую память HAL, поскольку «хронологическое стирание не сработало».
В « Роботе и Фрэнке» у робота есть голографическая память, которую можно стереть наполовину, но разрешение будет вдвое меньше.
См. Также [ править ]
- Голографическая универсальная карта
- Голографический универсальный диск
- Голографическая ассоциативная память
- 3D оптическое хранилище данных
- 5D оптическое хранилище данных
- Список новых технологий
- Голография
- Система хранения голографических данных
Ссылки [ править ]
- ^ Эшли, Дж .; Бернал, М.-П; Burr, GW; Coufal, H .; Guenther, H .; Hoffnagle, JA; Джефферсон, CM; Marcus, B .; Макфарлейн, РМ; Шелби, РМ; Sincerbox, GT (май 2000 г.). «Технология хранения голографических данных» . Журнал исследований и разработок IBM . 44 (3): 341–368. DOI : 10.1147 / rd.443.0341 . Архивировано из оригинала на 2000-08-17 . Проверено 7 января 2015 .
- ^ a b Робинсон, Т. (2005). «Гонка за космосом» . NetWorker . 9 (2): 24–29. DOI : 10.1145 / 1065368.1065370 . S2CID 41111380 .
- ^ NC Pégard и JW Fleischer, "Оптимизация хранения голографических данных с помощью дробного преобразования Фурье", Опт. Lett. 36, 2551–2553 (2011) [1].
- ^ "Макселл США" . 28 сентября 2007 года Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 8 апреля 2018 года .
- ^ «В поисках домашнего видео: видеодиски, часть 2» . www.terramedia.co.uk . Проверено 8 апреля 2018 года .
- ^ a b «Обновление: Aprilis представляет голографические дисковые носители» . 2002-10-08.
- ^ «Диски с голографической памятью могут посрамить DVD» . Новый ученый . 2005-11-24. Архивировано из оригинала на 2005-12-03.
- ^ «Априлис продемонстрирует технологию голографических данных» . 2001-09-18. Архивировано из оригинала на 2012-02-14 . Проверено 5 ноября 2007 .
- ^ Сандер Олсон (2002-12-09). «Голографическая память еще не умерла» .
- ^ «InPhase откладывает решение для хранения голографических изображений Tapestry до конца 2009 года» . Engadget. 3 ноября 2008 г.
- ^ «Фирма голографического хранения InPhase Technologies закрывается» . Телетрансляция. 8 февраля 2010 г.
- ^ GE представляет технологию хранения голографических дисков емкостью 500 ГБ, заархивированную 30 апреля 2009 г. на Wayback Machine . CRN. 27 апреля 2009 г.
- ^ «Может ли голография вылечить блюз пространства хранения Nintendo? Новости» . 30 июля 2008 г.
- ^ Inphase Technologies, Inc. (Лонгмонт, Колорадо, США) и Nintendo Co., Ltd. (Киото, Япония) (26 февраля 2008 г.). «Патент на миниатюрные сканеры на основе изгиба для углового мультиплексирования» .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки [ править ]
- Daewoo Electronics разрабатывает первую в мире высокоточную систему управления движением с сервоприводом для голографического хранения цифровых данных (виртуальный прототип, созданный с помощью LabView)
- GE Global Research разрабатывает терабайтные диски и плееры, которые будут работать со старыми носителями.
| vтеНовые технологии | |||
|---|---|---|---|
| Поля |
| ||
| Темы |
| ||
| |||
Категория
Список