2. Системи зберігання й обробки інформації

1. Оптичні запам’ятовувальні пристрої. Методи запису інформації

Необхідність розробки оптичних запам’ятовувальних пристро­їв (ЗП) обумовлена тим, що пристрої однакового призначення, за­сновані на інших фізичних принципах (магнітна й напівпровід­никова пам’ять), не можуть повністю задовольнити безупинно зростаючі вимоги до обсягу збереженої інформації й щільності її запису.

Пристрої оптичної пам’яті засновані на двох методах запису й вибірки інформації: послідовному (порозрядному) і паралельно­му (посторінковому).

У пристроях першого типу використовують лише спрямова­ність світлового променя, у пристроях другого (голографічного) — когерентність лазерного випромінювання й можливість його просторової модуляції.

У ЗП послідовного типу запис здійснюється випалюванням ла­зерним променем отворів у металевій плівці, розташованій на про­зорій основі. Можливе також використання полімерних плівок, чутливих до сфокусованого лазерного світла. Адресація лазерного променя здійснюється механічно (зміною взаємного положення променя й запам’ятовувального середовища) або за допомогою де­флектора, що відхиляє світловий промінь за заданою програмою. При запису випалювання отвір у металевій плівці відповідає логічній одиниці, відсутність його — логічному нулю. У якості оп­тичного запам’ятовувального середовища можуть використовува­тися металізовані вісмутом або родієм смужки поліефірної плівки, фотографічні плівки й пластинки, фоторезисти, фотополімери. Од­нак органічні матеріали піддаються старінню. Найкращу стабіль­ність при довгостроковому зберіганні інформації в оптичних ЗП за­безпечують плівки хрому на склі. Такі ЗП забезпечують швидкість запису 10⁷ біт/с і ємність пам’яті близько 10¹² біт. В якості випро­мінювача використовуються напівпровідникові лазери на основі ОаАІАз (СВ- та ПУВ-пристрої). В останні роки зі збільшенням щільності та об’ємів запису інформації на одному диску прагнуть зменшувати довжину хвилі випромінювання, переходячи в синій та ультрафіолетовий діапазони (НЛ на основі ваМ).

Голографічний принцип запису інформації заснований на фік­сації фоточутливим шаром інтерференційної картини, створюва­ної двома когерентними хвилями: відбитої від об’єкта запису (або такої, що пройшла крізь нього) і допоміжної, або опорної [23]. Ця зафіксована на фотопластинці картина, що містить повну інфор­мацію про відбиту від об’єкта хвилю, враховуючи не тільки інтен­сивності, але й фази коливань, являє собою голограму. При освіт­ленні голограми опорним променем відбувається її відновлення — відтворюється зображення об’єкта. Одна з особливостей гологра­фії — можливість запису великої кількості голограм на одній плас­тині при використанні по-різному спрямованих опорних пучків. Об’єктом запису звичайно є двовимірна матриця двійкових знаків.

2. Голографічні запам’ятовувальні пристрої

Використання голографічного принципу в пристроях нам’яті має декілька особливостей:

1. Висока щільність запису інформації, властива всім оптичним системам і обумовлена малою довжиною хвилі світла X. Розраху­нок показує, що дифракційна межа щільності визначається за фор­мулою

я

'V

відповідно до якої для гелій-неонового лазера, наприклад, при X = 0,63 мкм V = 8-Ю⁸ біт/см².

2. Можливість зчитування інформації у вигляді масивів (10⁴...10⁶ біт). Це дозволить підвищити продуктивність системи й зменшити кількість використовуваних інтегральних мікросхем. Швидкодія пристрою може стати на кілька порядків вище, ніж дефлектора, що здійснює сканування лазерного променя. Отже, у голографічних системах швидкодія оптичних ЗП ще більше збільшується.

3. Висока перешкодозахищеність, обумовлена надмірністю ме­ханізму голографічного запам’ятовування: інформація про кожну частину транспаранта записується у вигляді інтерференційної картини на всій поверхні фотопластинки. При цьому голограма не­чутлива до мікродефектів (порошини, проколи й ін.), особливо не­прийнятним у порозрядних системах запису. Крім того, голограма зберігає всю інформацію навіть при відколюванні частини фото­пластинки, хоча це й супроводжується зменшенням відношення сигнал/шум і ускладненням зчитування.

4. Можливість запису інформації безпосередньо в аналоговій формі, що відрізняє голографічні ЗП від усіх інших видів запам’я­товувальних пристроїв зі зберіганням символів двійкового коду. У багатьох випадкам така фіксація повної картини об’єкта значно простіша й швидша, ніж традиційний послідовний поточковий за­пис у процесі розгорнення зображення, і забезпечує добре сполу­чення голографічного ЗП із системами аналогової оптичної оброб­ки інформації.

5. Можливість сполучення в одному пристрої функції зберіган­ня й логічної обробки, що дозволяє реалізувати асоціативну вибірку інформації.

6. Можливість запису інформації в обсязі фотореєструючого ма­теріалу, що розширює їхню номенклатуру.

7. Більш низькі вимоги до точності механічного юстування ок­ремих елементів і до оптичної системи голографічних пристроїв у порівнянні з порозрядними оптичними ЗП. Це пов’язано з тим, що голограма в кодованій формі несе інформацію про положення об’єкта.

Побудова голографічного 311 зображена на рис. 6.14. При запи­су інформації промінь лазера за допомогою напівпрозорого дзерка­ла ділиться на два: сигнальний, що минає запам’ятовувальні об’єкти, і опорний.

Зміна дефлектором напрямку опорного променя дозволяє по­слідовно записувати велику кількість голограм на одну фотопла­стинку. Як об’єкт запису використовуються фототранспаранти, які при роботі з цифровою інформацією являють собою двовимірну матрицю прозорих і непрозорих ділянок, що відповідають одини­цям і нулям двійкового коду. Транспаранти можуть бути постій­ними й керованими.

Рис. 6.14. Побудова голографічного 311

При зчитуванні інформації дефлектор настроюється на певне положення опорної хвилі й у такий спосіб вибирається зображення необхідного транспаранта. При цьому сигнальний промінь пере­кривається затвором. Подальша вибірка потрібного числа з усього масиву здійснюється електронним шляхом при обробці сигналів фотореєструючої матриці.

Зменшення світлового засвітлення елементів фотоприймальної матриці від інтерференційних картин інших голограм (що не бе­руть участі в даній операції зчитування) досягається такою зміною оптичної системи, при якій забезпечується просторовий розподіл голограм на фотопластинці. Більш повного використання фоточут­ливого матеріалу пластинки можна досягти при багатоканальній схемі запису-зчитування. У цій схемі на кожну голограму одночас­но записується декілька (5—10) рознесених у просторі транспа­рантів, колений з яких містить свій масив інформації й висвіт­люється своєю оптичною системою. При цьому опорний промінь є загальним для всіх систем. При зчитуванні відновлені зображен­ня таких транспарантів потрапляють на свої просторово розне­сені фотонриймальні матриці. Розрахунки показують, що таким

шляхом вдається підвищити щільність запису інформації в 3—6 разів при тій самій потужності використовуваного лазера.

Характеристики голографічних 311 істотно залежать від власти­востей фотореєструючих матеріалів. Стандартні фотопластинки, використовувані в голографічних ЗІ!, забезпечують сполучення

о

високої роздільної здатності порядку 10 ліній/мм і фоточутли- вості 10~⁵ Дж/см.

Ефективність зчитування (відношення енергії у відновленому зображенні до енергії відновлювального променя) для фотопласти­нок становить 5—10 %. Використовуючи фотоемульсії на основі біхромату желатину, вдається досягти ефективності зчитування до

ЗО % у тонких й до 90 % у товстих плівках.

Для товстих шарів характерні також усадкові й деформаційні явища, що спотворюють об’ємні голограми при високій щільності запису.

Ємність типового голографічного 8П, що використовує гелій- неоновий лазер, електрооптичний дефлектор на 10⁴...10⁵ поло­жень, фотопластинки із срібно-галоїдною емульсією, змінні транс­паранти з кількістю чарунок 10⁴ і збірну матрицю кремнієвих фотодіодів, може перевищувати 10⁹ біт, час повного циклу стано­вить 10 ⁵ с, а пропускна здатність — 10⁸ біт/с.

У пристроях оптичної пам’яті необхідні висока спрямованість і когерентність світлового променя.

Для підвищення щільності запису застосовують більш ко­роткохвильові лазери: аргонові (X = 0,49 мкм), гелій-кадмієві (Я. = 0,32 мкм), ксенонові (л. = 0,36 мкм) і криптонові (А. = 0,35 мкм). Напівпровідникові лазери, враховуючи низький ступінь когерент­ності, в голографічних ЗП не застосовуються.

Реверсивні оптичні запам’ятовувальні середовища являють со­бою речовини, придатні для багаторазового перезапису й тривало­го зберігання оптичної інформації. До цих речовин пред’являють­ся такі вимоги:

• високі роздільна здатність і дифракційна ефективність;

• низький енергетичний поріг запису;

« мала тривалість циклу перезапису;

• значна тривалість зберігання інформації;

• можливість зчитування інформації без руйнування й збері­гання її при відключеному живленні;

о

• можливість виконання великої кількості (-10 ) циклів пере­запису.

Остання вимога принципово відрізняє реверсивні середовища від матеріалів для постійного запису. Найбільш перспективні матеріали для реверсивного голографічного запису наведено в табл. 6.1.

Для фотохромних матеріалів з невисокою роздільною здатністю характерно постійне старіння інформації під дією зчитувального променя світла, а також мимовільне під дією теплоти.

Термопластичні матеріали характеризуються термічною уто­мою; при великій кількості циклів перезапису спостерігається ча­сткова полімеризація плівки й погіршення відношення сиг­нал/шум.

Таблиця 6.1

Матеріали для реверсивного запису інформації

Матеріали		Гранична чутливість, Дж/ем2	Спектральний діапазон, мкм	Роздільна здатність, лін/мм
Кристали	КВг	2	0,65	>2000
	Са2(Ьа)	0,15...0,6	0,65	>2000
	вгТід^е+Мо)	ОД...0,3	0,65	>2000
Органічні	Фотохромні	5	До 0,63	>2000
плівки	Фоторезисти		До 0,52	>1600
Електрооптичні матеріали	ьіт>3	ЗО... 100	До 0,5	2000
Дрібнодоменні магнітні плівки	—	1	—	10.. .1000

Перевагою магнітних плівок є висока швидкодія, що забезпечує тривалість усього циклу запис — зчитування — стирання не біль­ше 50 мс. їхній недолік — низька дифракційна ефективність, по­в’язана зі слабко вираженим магнітооптичним ефектом.

Сегнетокерамічні матеріали мають можливість об’ємного запи­су голограм. Так, у кристалах ніобата літію, легованих атомами заліза, вдається записати більше 100 голограм при послідовному повороті кристала на незначні кути щодо опорного променя лазе­ра. Однак для більшості нелегованих сегнетокерамічних матеріа-

~3 “2

лів час збереження інформації відносно невеликий (10 ...10 с).