2.2.2 Оптические запоминающие среды
По своей способности к выполнению функций запись - считывание - стирание выделяют носители трех видов: носители однократной записи, «чистые» до употребления, пригодные для записи информации пользователем и последующего ее считывания любое количество раз без разрушения записанного; постоянные носители, в которых информация заложена одновременно с их изготовлением, предназначенные только для неразрушающего считывания; реверсивные или стираемые носители, пригодные для многократного повторения цикла запись - считывание - стирание.
К числу основных параметров оптических запоминающих сред относятся порог чувствительности, разрешающая способность, дифракционная эффективность (относительное превышение сигнала лог. 1 над сигналом лог. 0 при считывании информации с носителя), а также такие характеристики, как возможность длительного хранения, считывания без разрушения и т. п.
Носители однократной записи появились исторически первыми; именно на них созданы ОДН и образцы голографических ЗУ. Применительно к ОДН носители должны иметь высокие значения чувствительности, разрешающей способности, контрастности. Лишь при этих условиях может быть осуществлена быстрая (за десятки наносекунд) запись маломощными полупроводниковыми лазерами, реализованы высокая плотность записи и уверенное считывание информации.
Ставший уже типовым метод записи состоит в проплавлении, выжигании микроотверстий в тонкой пленке металла. В четырех-слойной структуре (рисунок 2.16) пленка металла локально разогревается лазерным лучом, и под действием сил поверхностного натяжения происходит раскрытие отверстия (ямки) в расплавленной области. Диэлектрический подслой имеет отражательную способность, большую, чем металлическая пленка, - это и используется при считывании. Алюминиевый отражатель при записи возвращает часть лучей, прошедших через металлическую и диэлектрическую пленки, назад к металлу, повышая оптическую эффективность структуры ηОПТ При считывании алюминий улучшает отражательную способность записанных участков. Эффективность обоих явлений максимальна, если толщина диэлектрика близка к λИЗЛ/4. Однако, поскольку часть тепла, выделяющаяся в металлической пленке, бесполезно диффундирует к алюминиевому отражателю, уменьшение толщины диэлектрика снижает и тепловую эффективность системы ηТЕПЛ; оптимизация этой толщины осуществляется при достижении максимума произведения ηОПТ ηТЕПЛ.
Рисунок 2.16 - Получение меток методами выжигания микроотверстий (а) и микровздутий (б)
1 - прозрачное защитное покрытие; 2- тонкая металлическая пленка; 3 - диэлектрик; 4 - алюминиевый отражатель; 5 - промежуточный отражатель; 6 - подложка
Толстое прозрачное защитное покрытие предохраняет металлическую пленку от оседания пылинок, которые, попадая на поверхность самого защитного покрытия, оказываются не в фокусе объектива, поэтому вносимые ими шумы незначительны. Подслой выполняет чисто технологическую функцию, улучшая качество поверхности подложки. Толщина металлической пленки обычно выбирается 0,02-0,05 мкм, толщина диэлектрика в несколько раз больше, диаметр выплавляемых микроотверстий - 0,5-2 мкм. Наибольшее распространение получили металлические пленки Те (имеющие высокую чувствительность), Bi, Ti (характеризующиеся наивысшей временной стабильностью оптических свойств) и их сплавы; в качестве основы применяется полимстилметакрилат, стекло.
Другой, близкий по реализации, способ записи состоит в формировании на поверхности рабочей среды микровздутнй, пузырьков, «бляшек». В качестве светопоглощающего слоя используют металлы с высокой температурой плавления, например титан, диэлектрический же подслой имеет низкую температуру испарения. При лазерном воздействии под разогретой, но нерасплавившейся металлической пленкой возникает пузырек газа, формирующий микровздутие в пленке, вследствие чего отражательная способность этого участка резко повышается. Плотность записи информации определяется длиной выжигаемого штриха (из-за вращения диска пятно удлиняется) и расстоянием между дорожками.
Стандартными носителями однократной записи для голографаческих ЗУ являются традиционные фотопластинки, в которых качестве чувствительного материала используются галогенидосеребряные материалы (AgHal-фотоматериалы). Мелкодисперсность этих материалов, эффективность протекания в них фотохимической реакции (при экспозиции), действие механизма усиления первичного «скрытого» изображения (при проявлении) пригодна к передаче большого числа градаций серого (полутонов), простоты изготовления и низкой стоимости. Фотопластинки позволяют записывать амплитудные и фазовые голограммы, возможно использование как тонкой (пленочной), так и толстой (объемной) фото эмульсий.
Фотопластинки имеют ряд существенных недостатков: сложность и медленность обработки, непригодность для перезаписи подверженность фоновой засветке, значительный уровень шумов обусловленных зернистостью эмульсии. Это создает очевидные ограничения для применения, тем не менее, фотопластинки неизменно сохраняют свое положение наиболее универсального носителя; однократной записи голографических ЗУ.
Для однократной записи используются и некоторые другие типы носителей: в поразрядных ЗУ это среды с фазовыми переходами (например, из кристаллической фазы в аморфную), фотохромные материалы, в голографических термопластики.
В процессе изготовления постоянных носителей применяются рассмотренные методы однократной записи лишь для получения исходного образца - оригинала (диска или фотопластинки). Диск оригинала служит основой для матрицы, с которой тиражируются в необходимых количествах копии. Такой способ имеет два очевидных достоинства. Во-первых, запись ведется на специализированных установках с использованием газовых лазеров, что позволяет получать высокое качество оригинала. Во-вторых, в процессе тиражирования применяются элементы хорошо отработанных технологий штамповки, фотолитографии, контактной печати, что обеспечивает низкую стоимость. Особенно четко это проявляется при массовом производстве копий, например для видеопроигрывателей, банков, справочных данных и т. п.
Наиболее сложной научно-технической проблемой является создание реверсивных носителей. К числу обычных требований (чувствительность, разрешающая способность и др.) в этом случае добавляется требование реверсивности - пригодности к перезаписи (причем требуемое число циклов запись - стирание достигает 109), а также малого времени перезаписи (до 10-8 с). В значительной мере развитие реверсивных оптических запоминающих сред опирается на те же физические эффекты и конструкторско-технологические решения, что и развитие оптических управляемых транспарантов. Нередко одно и то же изделие может эффективно выступать в обоих этих качествах.
По виду воздействия, вызывающего оптическое превращение реверсивной среди, выделяют термо-, электро-, и фотооптические среды.
В термооптических средах запись основана на тепловом разогреве материала лучом лазера. В ферромагнитных пленках в максимумах освещенности материал нагревается выше точки Кюри, вследствие чего происходит его превращение, сопровождающееся изменением оптических свойств. При считывании чаще всего используется магнитооптический эффект Керра или Фарадея, для стирания - воздействие сильного магнитного поля или равномерный нагрев. Магнитооптические диски имеют низкую дифракционную эффективность, обусловленную слабостью проявления магнитооптического эффекта, однако высокая скорость перезаписи, широкий диапазон рабочих температур (до + 100°С), большое возможное число циклов перезаписи позволили им занять ведущее положение в работах по реверсивным дисковым накопителям.
В халькогенидных полупроводниковых стеклах (As2Sc3, AS15S35 и др.) разогрев вызывает локальную перестройку структуры, проявляющуюся в переходе вещества из аморфной фазы в кристаллическую и, как следствие, в резком изменении оптического поглощения. Эти носители дешевы, легко наносятся на большую площадь, имеют высокую разрешающую способность, но чувствительность их невелика.
Во многих соединениях переходных металлов при нагреве скачкообразно изменяется характер взаимодействия электронов с кристаллической решеткой - происходит электронный фазовый переход типа металл - полупроводник. Высокую чувствительность имеют окислы ванадия. Так, двуокись VO2 при температуре около 70°С изменяет проводимость на 5 порядков, а также коэффициенты поглощения и отражения света от 7 до 40%. Среда имеет высокую разрешающую способность (более 103 мм-1), малое время записи голограмм (до 10-8 с), но низкую дифракционную эффективность (менее 1%) и невысокую чувствительность; носитель на V02 требует термостатирования и непрерывной подсветки для сохранения записанного состояния.
Нагрев может использоваться и для чисто механического изменения структуры коллоидной среды и ее оптических свойств. В качестве таковой используется, например, гетерогенная диэлектрическая среда, состоящая из прозрачного диэлектрического связующего (полистирол и другие полимеры) и наполнителя непрозрачных частиц магнитного диэлектрика (Fe304 и др.). В начальном состоянии частицы наполнителя, располагаясь хаотически, обусловливают малую прозрачность среды. При облучении частицы нагреваются, связующее вблизи них размягчается и пол действием внешнего магнитного поля частицы выстраиваются в строго ориентированные цепочки - прозрачность повышается (внешне процесс подобен перестройке нематического жидкого кристалла). После прекращения цикла записи связующее застывает, «замораживая» новое состояние частиц наполнителя. Считывание осуществляется потоком малой интенсивности, стирание - разогревом и изменением направления магнитного поля.
В электрооптических средах запись основана на изменении первоначального равномерного зарядового рельефа поверхности под действием неоднородного освещения. Наиболее распространены структуры типов Фототитус, использующие в качестве активной записывающей среды термопластики, ЖК, сегнетокерамику, полупроводники. Термопластики обладают почти всеми свойствами, нужными для записи голограмм, однако им присущи «усталостные» эффекты, проявляющиеся в уменьшении отношения сигнал-шум при многократной перезаписи и при длительном хранении записанной информации. Сегнетокерамика, ЖК, полупроводники требуют затрат мощности, поддерживающей записанное состояние; при отключении питания информация пропадает.
К фотооптическим средам относятся главным образом фотохромные и фоторефрактивные вещества, изменяющие под действием света цвет или показатель преломления. Фотохромные щелочно-галлоидные соединения и неорганические стекла имеют очень высокое разрешение, приемлемую дифракционную эффективность (до нескольких процентов), просты в использовании. В то же время чувствительность их очень мала, поэтому они требуют большого времени записи. Среди фоторефрактивных материалов известность получили ниобат лития, легированный железом, силикат и германат висмута, ниобат бария — стронция. Эти материалы позволяют получить высокую дифракционную эффективность, однако низкая чувствительность, сложность считывания, разрушение при этом записанного изображения не позволили им занять заметное положение при создании оптических накопителей.
Описаны и многие другие структуры термо-, электро- и фотооптических реверсивных запоминающих сред. Кроме отмечавшихся недостатков общим для всех является недостаточная реверсивность: малое допустимое число циклов перезаписи, изменение при этом свойств среды (ухудшение отношения сигнал-шум), частичное разрушение записанной картины при считывании. Многие среды работают лишь при постоянном питании, другие неэкономичны или дороги либо непригодны для покрытия больших площадей.
Оптические накопители одинаково свободно оперируют и с двоичной, и с аналоговой информацией. Таким образом, уже имеющиеся банки данных дополняются банками изображений. Храпение в ОДН характеризуется высокой надежностью и долговечностью (не менее 10-30 лет), тогда как информацию па магнитных носителях приходится перезаписывать каждые 0,5-2 года. Важно при этом, что считывание осуществляется бесконтактным методом. Решающее преимущество оптических накопителей перед магнитными заключается в потенциально более низкой стоимости бита хранимой информации. Это обусловлено прежде всего высокой емкостью ОДН, а также тем, что системы на основе инжекционных лазеров и полупроводниковых фотоприемников становятся все более отработанными и дешевыми.
Принципиально важным является поиск оптических сред, позволяющих повысить плотность записи информации. К их числу относятся среды, использующие явление «выжигания провалов» в пике поглощения, которое заключается в следующем. При воздействии лазерного излучения на некоторые органические вещества фотохимическая реакция происходит лишь в той части «замороженных» молекул, пространственное положение которых позволяет им поглощать энергию на данной длине волны. При достаточно большой интенсивности излучения все молекулы данного вида претерпевают превращение - выжигается провал в пике поглощения. Если после этого воздействовать на вещество излучением той же длины волны, то энергия не поглощается, т. е. вещество прозрачно. Таким образом, имея перестраиваемый по длине волны излучения лазер, можно осуществлять запись информации: лог. 1 представляется в виде провала пика поглощения, лог. 0 — как отсутствие такого провала (рисунок 2.17). На месте одного светового пятна путем изменения частоты лазера («сканирование по спектральной координате») может быть записано до 105 бит информации. Общая плотность записи вследствие этого может быть повышена до 1011 бит/см2.
Рисунок 2.17 - Спектр поглощения носителя, использующего явление «выжигания провалов»
точками на оси k отмечены места возможного частотно-избирательного воздействия; на верхней горизонтальной оси представлена записанная информация
Значительные перспективы перед оптической памятью открывает явление фотонного (светового) эха (рисунок 2.18). В некоторых нелинейно-оптических резонансных средах (например, в кристаллах LaF3) при последовательном воздействии двух когерентных потоков с разными направлениями волновых векторов K1 и К2 может возникнуть когерентное (сфазированное) возмущение электронных состояний (осцилляция, прецессия электронов и др.). Это состояние сохраняется после прекращения возбуждения относительно долго. Если в этот период на систему подействует луч K3 то ее реакция (луч К4) будет отлична от реакции этой же системы без предварительного возбуждения. В этом и состоит суть явления: луч К4 представляет собой «эхо» предшествующих воздействий K1 и К2 (луч К3 стимулирует возникновение «эха»). В аспекте ЗУ K1 и К2 есть лучи записи (закодирован информацией может быть один из них, например K2; тогда подсветка K1 представляет собой «питание»), К3 — считывания, К4 - луч единицы, К'3 - луч нуля.
Рисунок 2.18 - Схема возбуждения фотонного эха в нелинейно-оптической резонансной среде (а) и временные диаграммы записи и считывания лог. 1 (б) и лог. 0 (в)
Оценки показывают, что минимальный возбуждаемый объем кристалла может достигать 1 мкм3, что соответствует плотности записи 1012 бит/см3; скорость записи более 109 бит/с, время хранения - до нескольких минут. Чтобы реализовать эти возможности, Должны быть созданы системы параллельного ввода-вывода информации, многоканальные лазеры пикосекундного диапазона, прецизионные оптические перестраивающиеся системы.
Изложенный материал свидетельствует о больших достижениях оптической памяти и о практически безграничных ее потенциальных возможностях.