2.2 Оптическая память

2.2.1 Оптические запоминающие устройства

Оптическое ЗУ представляет собой устройство, пригодное для записи, хранения, произвольной выборки, неразрушающего считывания и стирания информации, представленной в оптической форме. Это устройство, подобно другим видам ЗУ, но оперирующее с битами оптической информации. Соответственно среду, на которую осуществляется запись (носитель информации), называют оптической запоминающей средой. Устройства оптической памяти базируются на двух принципах записи и выборки информации: последовательном и параллельном.

Оптические ЗУ последовательного типа основаны на поразрядной, последовательно бит за битом, записи (и считывании) информации. Запись осуществляется путем воздействия остросфокусированного луча лазера на поверхность носителя, где в результате воздействия остается тот или иной след или метка; при считывании лазерный луч уменьшенной интенсивности сканирует по поверхности носителя и измененный характер отраженного луча от метки фиксируется фотоприемником.

Хотя первые оптические ЗУ использовали носители ленточного типа, наибольшее промышленное распространение получили устройства на дисковых носителях - оптические дисковые накопители (CD/DVD). При их создании успешно сочетались достижения лазерной техники, обеспечивающие высокую плотность записи информации, и накопителей па магнитных дисках, для которых разработаны многочисленные прецизионные системы точной механики.

Типичная схема ОДН (рисунок 2.13) в качестве принципиальной основы включает носитель информации (оптический диск) и оптоэлектронные элементы: полупроводниковый инжекционный GaAIAs-гетеролазер и фотоприемник (обычно кремниевый p-i-n-фотодиод или фотодиодную матрицу). В системах записи используют также газовые лазеры, такие как Не-Ne (λ=0,63 мкм), Аг⁺ (λ=0,49 мкм), Не-Cd (λ=0,44 мкм). Благодаря меньшей, чем у полупроводниковых, длине волны и лучшей фокусировке в этом случае достигается большая плотность записи и меньший уровень шумов. Однако записывающее устройство становится более громоздким, кроме того, в схему приходится вводить электрооптиче­ский модулятор с устройством управления.

Рисунок 2.13 - Схема оптического дискового накопителя

1 - лазер; 2 - модулятор; 3 -детектор; 4 - коллимнрующая оптическая система; 5 - датчик фокуса: 6 - фокусирующая линза и преобразователь; 7 - следящее зеркало; 8 - оптический диск; 9 - сервомеханизм слежения за фокусом; 10 - каретка перемещения головки; 11 - сервомеханизм слежения за дорожкой; 12 - электродвигатель; 13 - тахометр; 14 - серворегулятор скорости вращения; 15 - обработка сигнала записи; 16 - обработка считанного сигнала; 17 - управление режимом

Качественные характеристики ОДН определяются также оптическими узлами и блоками, электромеханическими устройствами, электронными блоками управления и обработки сигналов. В оптической системе (рисунок 2.14) высокоапертурный микрообъектив коллимирует большую часть лазерной мощности. Цилиндрические линзы по-разному расширяют луч в боковом и вертикальном направлениях и тем самым выравнивают пространственную асимметрию, присущую лучу полупроводникового лазера; поляризационный светоделитель разделяет (в пропорции 10:1) лучи записи и считывания; следящее зеркало и микрообъектив фокусируют лазерный луч в нужной точке поверхности диска. Имеются и более сложные оптические системы, содержащие, например, устройство для распараллеливания лазерного потока (при использовании мощных аргоновых лазеров) с целью одновременной записи информации по нескольким дорожкам или включающие дополнительные оптические подсистемы слежения за дорожкой, контрольного считывания в процессе записи и т. п.

Рисунок 2.14 - Оптическая система ЗУ с инжекционным лазером

1 - лазер; 2 - микрообъективы; 3 - цилиндрическая линза; 4 - поляризационный светоделитель; 5 - четвертьволновая пластина; 6 - сферическая линза; 7 - фотоприемник; 8 - оптический диск; 9- следящее зеркало

Электромеханические устройства осуществляют такие функции, как вращение диска, перемещение в радиальном направлении каретки с головкой записи - считывания, корректировку положения фокуса луча на поверхности диска и др. Сервомеханизмы должны обладать высокой точностью позиционирования; именно характеристики оптической системы и сервомеханизмов в большей степени, чем оптоэлектронные приборы, ограничивают возможности оптических дисковых накопителей.

Используемые оптические диски имеют диаметр от 130 до 300 мм, причем накопительное устройство может включать до нескольких десятков дисков. Характерный размер метки около 1 мкм, расстояние между дорожками не превышает 2 мкм; таким образом, емкость одного диска достигает 2-4 Гбайт, а емкость накопителя (размером в одну стандартную стойку) — до 50-100 Гбайт. Типичные скорости записи и считывания (2-5) -107 бит/с (при распараллеливании до 10е бит/с), время доступа в пределах одного диска может быть менее 100 мс.

Оптические ЗУ параллельного типа или ЗУ с постраничной записью и считыванием основываются на использовании голографии; типичная схема такого устройства представлена на рисунке 2.15. Во время цикла записи луч лазера с помощью светоделителя (полупрозрачное зеркало) расщепляется на сигнальный и опорный. Сигнальный луч направляется на оптический транспарант, содержащий страницу информации, это может быть либо один из видов управляемых транспарантов, либо фотопластинка (т.е. оптический транспарант без управления). Пройди транспарант и корректирующую оптическую систему, сигнальный луч попадает на поверхность запоминающей среды. В ту же точку приходит и опорный луч - образуется микроголограмма. Синхронное переключение дефлектора и транспаранта позволяет последовательно заполнить всю поверхность носителя страницами информации.

Рисунок 2.15 - Схема голографического ЗУ

1 - лазер; 2 - затвор 1; 3 - дефлектор; 4 - устройство управления; 5 - расщепитель; 6 - затвор 2; 7, 8 - зеркала; 9 - транспарант; 10 - фотопластинка; 11 - фотоприемник

При считывании дефлектор настраивается на определенное положение опорной волны и таким образом выбирается нужная страница. Сигнальный луч при этом перекрывается затвором. Выбранный массив данных отображается на матрицу фотоприемников, с которой по обычным электронным цепям передается на выход устройства. Углы падения сигнального и опорного лучей на носитель подбираются так, чтобы считывание любой микроголограммы осуществлялось одной и той же фотоприемной матрицей.

В описанном процессе транспарант и матричный фотоприемник выступают в качестве промежуточных, временных носителей информации одной записываемой (считываемой) страницы; к этим элементам предъявляются высокие требования по разрешающей способности, контрастности (отношению сигнал-шум), скорости срабатывания.

Если, например, записываются стандартные страницы текста (непосредственно без предварительного цифрового кодирования), то для хорошего воспроизведения на занимаемое одной буквой поле должно приходиться 10X7 элементов разложения. Для абсолютной разборчивости чтения это число возрастает до 20X15, т. е. до 10е элементов разложения на всю страницу. Отношение сигнал-шум должно быть не хуже 35 дБ - лишь тогда после восстановления голограммы текст хорошо читается. Предельная механическая скорость смены записываемых странна 0,3-0,5 с, поэтому транспарант и фотоприемник должны иметь времена срабатывания. на порядок меньше чем 30-50 мс.

К числу элементов, наиболее подходящих для использования в голографических ЗУ, относятся гелий-неоновые лазеры, электрооптические модуляторы, акустооптические дефлекторы, управляемые транспаранты, фотодиодные матрицы с МДП-ключами (или ФПЗС).

Постраничная запись (считывание) информации определяет одно из важнейших преимуществ голографического ЗУ по сравнению с ЗУ последовательного типа. Даже при столь медленной смене кадра, которая характерна для ЖК-трапспараптов, эквивалентная скорость записи (считывания) составляет около 3∙10⁷ бит/с.

Если же оценивать эту скорость исходя из предельных значений времени переключения, достижимых для транспарантов, то получаем 10¹⁰-10¹¹ бит/с. Заметим, что это относится лишь к предварительно закодированному в цифровом виде потоку данных.

При сопоставлении с ОДН следует иметь в виду, что в голографических ЗУ информация всегда извлекается в виде страницы; поиск же внутри страницы ведется обычным электронным методом, что затягивает процесс считывания. Второе важное преимущество голографических ЗУ по сравнению с ОДН заключается в надежности, помехозащищенности записи и хранения информации. Избыточность, свойственная голографической записи, делает ее невосприимчивой к локальным дефектам типа царапин и пылинок. Это объясняется тем, что каждый бит информации записывается на всей площади микроголограммы, которая может достигать 10⁴-10⁶ мкм² (тогда как в ОДН один бит занимает лишь 1 мкм²). Если часть площади голограммы пострадает, то это приведет к ослаблению интенсивности и контрастности считываемого текста, но не к его утрате.

Выделяя это принципиальное достоинство голографических ЗУ, нельзя не сделать некоторых замечаний. Во-первых, это перенесение в носитель ошибок и сбоев (из-за тех же пылинок и царапин) из транспаранта и фотоприемника, размеры элементов, разложения которых могут составлять 5-10 мкм. Во-вторых, появляется ряд неидеальностей, не существенных для ОДН, таких, в частности, как разбаланс интенсивностей, углов падения, пространственного положения сигнального и опорного лучей; дисторсия изображения голограммы в плоскости фотоприемника, наличие паразитных изображений от соседних микроголограмм; разброс коэффициентов усиления электронных устройств считывания информации с фотоприемника.

Третье преимущество голографических ЗУ заключается в том, что в них возможно сочетание функций хранения и обработки информации, в частности аналоговой. Это позволяет реализовать ассоциативную выборку, что приводит к резкому увеличению экви­валентной скорости извлечения данных.

Наконец, имея в виду перспективу, следует обратить внимание на возможность записи голограмм не только на поверхности, но и в объеме фоточувствительной среды. Это существенно расширяет выбор материалов и позволяет рассчитывать на увеличение плотности записи. Однако электродинамический анализ показывает, что распределение поля в восстановленном изображении при трехмерной записи определяется, как и ранее, амплитудно-фазовыми соотношениями на поверхности носителя, поэтому ожидать значительного увеличения плотности записи не приходится.

Перечисленные достоинства голографических ЗУ фактически носит характер потенциальных возможностей: многочисленные технические трудности (главным образом конструктивно-технологическая гибридность, сложность оптической и электромеханической систем, высокие требования к когерентности и стабильности потоков).