Трехмерная голографическая память

Среди зарождающихся технологий записи и хранения информации едва ли не наибольший интерес представляет голографическая память, которая уже выходит на рынок из стадии лабораторных разработок. Принципы технологии голографической памяти заключаются в следующем.

Голография (от греч. hólos — весь, полный) - это метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея была впервые высказана англичанином Д. Габором (1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и голография не получила практического распространения. Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г. (рис. 16). Однако, только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования этого явления.

Рис. 16. Принцип получения и считывания голографического изображения.

Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) материала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 17). Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный — соответствующие числа.

Аналогично, страница с цифровой информацией формируется первоначально в виде двумерного изображения. Она создается с помощью устройства, называемого пространственным модулятором света (Spatial Light Modulator - SLM). На втором этапе создается голограмма изображения. Лазерный луч, попадая на дефлектор - систему отклоняющих полупрозрачных зеркал (от лат. deflecto - отклоняю, отвожу), расщепляется на два луча. Один из лучей, называемый объектным, освещает информационную страницу; второй луч, называемый опорным, создает интерференционную картину. Далее происходит наложение двух лучей, которые создают голограмму. Голограмма сохраняется в запоминающей среде. Для чтения информации используется только опорный луч, которым освещается голограмма для воспроизведения страницы. Отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром около 2 мм. Изображение считывается с помощью матрицы ПЗС (прибор с зарядной связью).

К достоинствам голографической памяти можно отнести то, что голограммы хранятся не в виде изображений, а в виде волновых интерференционных кодограмм. Если разделить такую голограмму на две части, то получатся не две части одного изображения, а два идентичных изображения. Это означает, что случайный дефект носителя данных не приведет к потере части информации. Это свойство проявляется за счет избыточности информации, характерной для всей голограммы.

Рис. 17. Голографическое трехмерное запоминающее устройство.

Для характеристики голографической памяти используется понятие объемной плотности записи. Используемая в трехмерной голографии процедура заключения нескольких страниц с данными в один и тот же объем называется мультиплексированием. Традиционно используются следующие методы мультиплексирования: по углу падения опорного пучка, по длине волны и по фазе, но, к сожалению, они требуют сложных оптических систем и толстых (толщиной в несколько миллиметров) носителей, что делает их непригодными для коммерческого применения, по крайней мере, в сфере обработки информации. Однако совсем недавно Bell Labs были изобретены три новых метода мультиплексирования: сдвиговое, апертурное и корреляционное, основанные на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное - пучок еще более сложной формы. Кроме того, поскольку при корреляционном и сдвиговом мультиплексировании задействованы механические движущиеся элементы, время доступа при их применении будет примерно таким же, как и у обычных оптических дисков. Bell Labs удалось построить экспериментальный носитель на основе ниобата лития LiNbO₃, использующий технику корреляционного мультиплексирования с плотностью записи около 226GB на квадратный дюйм.

Другой сложностью, возникшей на пути создания устройств голографической памяти, стал поиск подходящего материала для носителя. Большинство исследований в области голографии проводились с использованием фотореактивных материалов (главным образом, упоминавшегося выше ниобата лития), однако если они годятся для записи голографических изображений ювелирных украшений, то этого никак нельзя сказать в отношении записи информации, да еще в коммерческих устройствах: они дороги, имеют слабую чувствительность и ограниченный динамический диапазон (частотная полоса пропускания). Поэтому был разработан новый класс фотополимерных материалов, обладающих неплохими перспективами с точки зрения коммерческого применения. Фотополимеры представляют собой вещества, в которых под действием света происходят необратимые изменения, выражающиеся во флуктуациях состава и плотности. Созданные материалы имеют более продолжительный жизненный цикл (в плане хранения записанной на них информации) и устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками, в общем, подходят для однократной записи данных (WORM).

Многие характеристики голограмм зависят от параметров пространственно-временных модуляторов света (SLM). Пространственно-временные модуляторы света изготавливаются в виде электрически либо оптически управляемых оптических транспарантов и характеризуются следующими параметрами:

- размеры линейной апертуры, мм;

- число элементарных ячеек;

- разрешающая способность, линии мм;

- рабочие и управляющие (ОУТ) длины волн, нм;

- величина управляющего напряжения (ЭУТ), В;

- коэффициент контраста (равен отношению разности максимального и ми­нимального пропусканий транспаранта к их сумме);

- быстродействие (время релаксации ПВМС);

- нелинейность передаточной характеристики;

- шумы.

В основе действия современных ПВМС лежат различные температурные, электрооптические, магнитооптические, акустооптические и др. явления – эффекты Поккельса, Керра, Фарадея, дифракция Брэгга и др. Типичные раз­меры линейной апертуры ПВМС составляют 20-30 мм. В качестве примера ПВМС с электрическим управлением световым потоком рассмотрим пьезокерамический модулятор (рис. 18). ПВМС на основе электрооптической керамики обладают преимуществами пе­ред большинством других ПМВС благодаря сравнительно низкой стоимости. Рабочим материалом здесь является пластина из поликристалла цирконата-титаната свинца легированного лантаном, толщиной около 100 мкм. В такой пьезокерамике образуются области спонтанной метрической поляриза­ции (домены), вектора ориентации которых в отсутствие внесшего доля рас­положены хаотично. При прохождении света через такую пьезокерамическую пластину состояние поляризации света изменяется незначи­тельно, так как средняя величина двулучепреломления при этом близка к нулю. При действии внешнего электрического поля, что обеспечивается соз­данием потенциального рельефа решеткой прозрачных электродов на по­верхности ЭУТ, направления векторов спонтанной поляризации доменов керамики выстраиваются вдоль вектора внешнего поля. Вследствие продоль­ного электрооптического эффекта Поккельса в разных участках пластины средняя величина двулучепреломления становится отличной от нуля, что приводит к изменению поляризации света, проходящего через данный уча­сток ЭУТ (рис. 3б). Пьезокерамические ЭУТ содержат до 10 000 ячеек размерами 0,3×0,3 мм, прозрачны в широком диапазоне длин волн 0,6 – 6,0 мкм, характеризуются высоким (1:500) контрастом и высокой (до 0,1 мс) ско­ростью срабатывания.

Рис. 18. Принцип действия пьезокерамического пространственного модулятора света: а – произвольная ориентация доменов в отсутствие внешнего поля, б – ориентирующее действие электрического поля на вектор поляризации световой волны.

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 Гб 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).

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.

Компания InPhase Tech пришлось находить новый носитель информации, который обладал бы высокой фоточувствительностью, стабильностью, оптической чистотой, возможностью лёгкого производства, который бы не разрушался при считывании, не подвергался воздействию внешних факторов и при этом оставался бы лёгким и тонким. Таким носителем стал фото-полимер, из которого стали изготавливать диски, заключённые в специальном картридже. Диск имеет диаметр 130 мм, чуть больше, чем стандартный компакт-диск или DVD. Когда свет попадает на этот материал, происходит химическая реакция, вырабатываются фотоны, записывающие данные. Этот процесс нельзя обратить, поэтому потребовалось создать дополнительные средства защиты, гарантирующие целостность записи как в процессе, так и после. Каждый диск Tapestry имеет встроенный чип, используемый для хранения карты данных, чем-то напоминающей FAT жёсткого диска. В этой библиотеке хранятся все данные о партициях, формате и положении данных. При установке диска в устройство, прежде всего, производится считывание информации с этого чипа. Если эти данные утеряны, считать информацию будет очень сложно, практически невозможно. Эти карты данных могут быть зашифрованы методом криптографии, так что доступ к ним получит только владелец информации. Ещё одно средство защиты - изменение длины волны лазера. Малейшее изменение длины волны лазера позволит защитить данные от считывания другими приводами, на которых установлена другая длина волны. Не зная длины волны, считать данные не получится. Длина волны лазера может изменяться от 403 до 407 нм. Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска потребуется как при записи, так и при считывании данных. После применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её не удастся.

Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гб диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года компания InPhase Tech обещает достигнуть ёмкости 1,6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения данных на одном диске составляет не менее 50 лет, то есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными картриджами.

Компания NTT продемонстрировала прототип принципиально иного накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных. Емкость носителя (100 слоев) размерами с почтовую марку – 1 Гб. 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. Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Гб ($1–2) уже появились на рынке. В планах компании – выпуск Info-MICA ROM емкостью 10 Гб и разработка устройств записи и перезаписи носителей.

Наконец, разработка фирмы Optware отличается тем, что если для других систем требуются два отдельных луча – данных и опорного, в Optware лучи коллинеарные, что значительно упрощает конструкцию системы чтение/запись, повышает ее надежность, а также снижает стоимость. Эта коллинеарная система может использовать предварительно форматированные диски с адресными метками на поверхности гальванического покрытия, подобно технологиям CD и DVD. В то время как зелено-голубой лазер читает и записывает данные, лазер, генерирующий в красной области спектра, гарантирует прецизионное позиционирование. Система позиционирования сервопривода настолько подобна стандартному DVD, что дисководы Optware способны работать с дисками обоих типов. Коллинеарная технология также удобна для физического кодирования дисков, что позволит значительно повысить степень защиты авторских прав.

В заключении отметим, что Optware и InPhase выпустили свои устройства на коммерческий рынок. Стоимость дисководов приблизительно 15 000 долларов, а дисков – $120. Архивный ресурс гарантируется в течение 50 лет.