Системи голографической памяти

Системы голографической  памяти

Насущная необходимость  увеличения объема хранимой информации и увеличения скорости адресного доступа к ней обусловливают перманентное совершенствование запоминающих устройств, в том числе и наиболее распространенных из них - оптических дисковых систем памяти. Так до середины 90-х годов на рынке безраздельно господствовали действующие в ближнем ИК диапазоне системы памяти на CD-RW дисках, позволяющие на диске диаметром 120 мм записать до 1 Гбайта информации. Им на смену пришли системы на дисках DVD-RAM и DVD-RW, работающие практически в том же диапазоне длин волн и позволяющие за счет болем совершенных оптической системы и алгоритма обработки сигнала увеличить объем хранимой информации до 4 Гбайт. В настоящее время рынок завоевывает третья генерация оптических дисковых систем памяти, называемая DVD BR "blue – ray" (голубой луч). Она отличается от предыдущего поколения существенно более короткой длиной волны используемого излучения, составляющей 405 нм, что позволяет, сохранив все преимущества используемых в DVD системах алгоритмов обработки сигналов, довести объем информации, сохраняемой на одностороннем диске диаметром 120 мм, до 100 Гбайт. Конкурирующей с DVD BR разновидностью этой генерации систем оптической памяти является HD-DVD (DVD система повышенной плотности), позволяющая на одном оптическом диске стандартного размера хранить до 45 Гбайт.

На этом практически исчерпываются  все возможности повышения плотности записи информации в однослойном и многослойном рельефно-фазовом виде. Правда фирма Iomega недавно объявила о создании 800-гигабайтного формата оптических дисков, названного ими"Articulated Optical DVD", однако образцов использующих этот формат систем памяти пока представлено не было, не были опубликованы и принципы построения подобных систем.

Израильская компания Mempile разработала  технологию TeraDisc, которая позволяет записать на диск, изготовленный из полимера, сходного с плексигласом, до терабайта данных. Об этом пишет издание Computerworld. На новых дисках можно будет хранить до 250 тысяч песен в формате mp3, 40 фильмов в HD- или 115 в DVD-качестве. Для работы с информацией в технологии TeraDisc используются два лазера, один из которых отслеживает местонахождение нужных данных, а другой производит чтение и запись. Ожидается, что дисководы TeraDisc появятся в продаже в ближайшее время и будут стоить от трех до четырех тысяч долларов. Они смогут читать 500-гигабайтные болванки. Болванка объемом в 700 гигабайт будет стоить 30 долларов. Еще через несколько лет разработчики обещают уместить на диске 5 терабайт данных. Разработать новые, гораздо более вместительные носители информации пытаются не только в Mempile. Японская компания TDK работает над технологией, которая позволит уместить на болванке до 200 гигабайт данных. Британская Plasmon активно разрабатывает технологию UDO, благодаря которой на диски помещается 60 гигабайт.

Дальнейший прогресс в  разработке дисковых систем оптической памяти разработчики связывают с использованием метода оптической голографии, позволяющего использовать не только поверхность, но и весь объем диска. По теоретическим оценкам использование объемной голографической записи позволит довести плотность хранения информации на дисках до величины в 1 Тбит/см3.

Идея использования метода голографии для создания систем хранения информации была опубликована Питером ван Херденом, сотрудником компании Поляроид, еще в 1963 году. В качестве физического предела плотности хранения информации в голографических системах им была определена плотность в 1 бит/λ3.

Голографические запоминающие устройства (ГЗУ) записывают и считывают информацию, представляемую в виде двумерных растров битов – масок с отверстиями, называемых страницами. Последние представляют собой высококачественные бинарные оптические изображения. Такой параллельный способ представления информации позволяет реализовывать высокие скорости при ее обмене, достигающие гигабита в секунду, при малом времени доступа, не превышающем 1 мс.

Данные в ГЗУ, как правило, распределяются по объему регистрирующей среды, в то время, как в магнитных и простых оптических системах памяти они хранятся на поверхности носителя. Потенциально достижимая при использовании всего объема регистрирующей среды плотность хранения информации в ГЗУ превышает 1011 бит/см3.

Принцип действия ГЗУ состоит  в следующем. Битовая информация, т.е. 0 или 1, с помощью пространственного модулятора света вводится в объектный пучок, падающий на поверхность регистрирующей среды, на которую направляется также и опорный пучок. Так регистрируется голограмма. При ее освещении параллельным пучком на обращении она формирует копию объектного пучка, распространяющегося в обратном направлении, и, тем самым, восстанавливает изображение зарегистрированной страницы информации. Воспроизведенная таким образом цифровая информация считывается с помощью матрицы фотоприемников, располагаемых в плоскости фокусировки страницы. При этом высокая угловая селективность объемных голограмм, достигающая для сред толщиной в 1 см величины порядка 0,0010, позволяет осуществлять их мультиплексирование, т.е. позволяет записывать множество не зависимо восстанавливаемых голограмм в одном объеме регистрирующей среды.

Смена страниц информации может осуществляться различными способами, например, изменением угла падения восстанавливающего пучка лучей или изменением положения этого пучка на поверхности регистрирующей среды. Комбинированные способы смены страниц, содержащие оба указанных варианта, обычно используются в системах памяти, выполняемых на основе трехмерных голографических дисков.

Основным сдерживающим фактором в развитии голографических систем памяти долгие годы являлось отсутствие регистрирующие среды, пригодной для мультиплексной объемной голографической записи. Ситуация изменилась в конце девяностых годов с разработкой объемных фотополимерных сред для объемной голографической записи. Наиболее перспективной из них в настоящее время считается фотополимер Aprilis, разработанный Aprilis Inc., США.

Фотополимерные регистрирующие среды фирмы Aprilis в настоящее время являются практически единственными средами, пригодными для промышленного внедрения в системах голографической памяти. Более 15 компаний в мире вели до последнего времени разработку голографических систем памяти, базирующихся на этих фотополимерах.

На сегодняшний день победителями этой гонки стали американская компания InPhase Technologies и японская Optware. Так, американская компания InPhase Technologies сообщила о совместной разработке с японской фирмой Hitachi Maxell Ltd голографического диска, раз мером с диск DVD, способного хранить 300 Гбайт информации, что примерно в 60 раз превышает емкость диска DVD, и обладающего скоростью доступа к информации в 10 раз превышающую скорость, реализуемую в DVD системах. Скорость записи информации составляет 23 Мб в секунду при времени экспонирования 1 страницы 2,7 мс. При этом__плотность хранения информации достигает 515 Гбит на квадратный дюйм. Диск может содержать 320 страниц информации, содержащих 1,3 миллиона бит каждая, что соответствует 20 художественным фильмам, записанным на одном и том же диске. Информация записывается во всей толщи диска, составляющей примерно 1,5 мм, методом углового мультиплексирования. Шаг мультиплексирования составляет 0,067 градуса. Рабочая длина волны записи и считывания информации составляет 407 нм. Запись и считывание информации в системе осуществляются двумя разными лазерными чипами с одинаковыми характеристиками. Модуляция опорной волны в устройстве осуществляется с помощью мегапиксельного микроэлектромеханического зеркального устройства. InPhase Technologies обещает выпустить диски и соответствующие системы памяти в свободную продажу. По словам Ron Tarasoff, вице-президента фирмы Turner Entertainment – дистрибьютора голографических систем памяти, розничная цена дисков не будет превышать 100 долларов. Сначала предполагается выпуск в продажу дисков емкостью 400 Гб. В дальнейшем, в течение ближайших 5 лет, компания предполагает выпускать линейку систем голографической дисковой памяти с емкостями от 800 Гб до 1,6 Тб при скоростях доступа к информации 120 Мбит в секунду.

Рассмотрим поподробнее  используемую в указанных системах дисковой памяти оригинальную коллинеарную голографическую технологию записи и считывания информации, основанную на использовании традиционного для систем оптической памяти предварительно отформатированного отражающего слоя и пространственного мультиплексирования информации.

Предназначенные для использования  в системе диски выполняются  на прозрачной пластиковой подложке, на поверхность которой спірально нанесена дорожка пит, используемых для адресации точно так же, как это делается в обычных CD и DVD дисках. Поверхность дорожки пит. покрыта отражающим слоем из алюминия. Поверх слоя алюминия на диск нанесен прозрачный слой полимера, полностью закрывающий питы и имеющий плоскую верхнюю поверхность. На нее нанесено многослойное диэлектрическое зеркало, отражающее излучение сине-зеленой области спектра и пропускающее излучение красной области спектра. На диэлектрическое покрытие нанесен тонкий защитный слой полимера. Поверх него нанесен слой голографической фотополимерной регистрирующей среды, защищенный сверху еще одним защитным полимерным слоем. Сервоинформация с диска считывается на отражение через регистрирующую среду и многослойное диэлектрическое зеркало с помощью сфокусированного излучения лазерного диода, излучающего в красной области спектра. Реализуемыев системе принципы адресации и фокусировки оптической головки совершенно идентичны тем, что реализуются в CD системах, и потому не требуют каких-либо устройств дополнительной юстировки и защиты от вибраций.

Запись информации на диске  осуществляется с помощью излучения лазерного диода, работающего в синей области спектра. Это излучение проходит через расширитель пучка, после чего направляется на работающий на отражение микрозеркальный пространственный модулятор света. В центральной области апертуры модулятора отображается фазовое изображение страницы записываемой информации, а на ее периферии – изображение кольцевой зоны радиальной дифракционной решетки, предназначаемой для формирования опорного пучка лучей. При этом каждая из страниц информации отображается в виде совокупности субстраниц, пространственное расположение которых и объем хранящейся в них информации определяется аберрационными свойствами основного высокоапертурного объектива оптической головки. Сформированные с помощью пространственного модулятора света опорный и объектный пучки лучей пропускаются через четвертьволновую пластинку, изменяющую состояние их поляризации с линейной на круговую. Затем они проходят через основной объектив головки, отражаются от находящегося на диске многослойного диэлектрического зеркала и фокусируются в объеме регистрирующей среды. Там они формирую объемную пропускающую голограмму страницы информации.

Считывание информации осуществляется аналогичным образом. Отличие процедур считывания и записи информации состоит лишь в том, что на стадии считывания информации на пространственном модуляторе света отображается лишь кольцеобразная радиальная дифракционная структура, формирующая восстанавливающий пучок лучей. Считывание восстановленных страниц информации осуществляется с помощью высокоскоростного CMOS приемника. При этом число пикселей фотоприемного устройства выбирается примерно в три раза большим, чем число пикселей пространственного модулятора света. Это позволяет существенно упростить алгоритм распознавания бит информации. Изменение пространственной частоты дифракционной структуры, формирующей опорный пучок лучей, позволяет осуществлять мультиплексирование регистрируемых страниц информации. При этом динамический диапазон используемой в системе регистрирующей среды позволяет осуществлять запись до 20 страниц информации на одном и том же ее участке.

Такой вариант технологии голографической записи информации назван разработчиками коллинеарной технологией, поскольку в ней все пучки лучей, используемые на стадиях адресации, записи и считывании информации практически сосны и фокусируются в толщу диска одним и тем же объективом.

По заключению разработчиков, технология коллинеарной голографической записи информации будет принята в качестве основной при создании следующих поколений относительно простых и недорогих систем голографической дисковой памяти.