Оптическая память
Оптические запоминающие устройства. Оптическое ЗУ представляет собой устройство, пригодное для записи, хранения, произвольной выборки, неразрушающего считывания и стирания (если необходимо) информации, представленной в оптической форме, т. е. устройство, подобное 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 запоминающие устройства. Оптическое ЗУ представляет собой устройство, пригодное для записи, хранения, произвольной выборки, неразрушающего считывания и стирания (если необходимо) информации, представленной в оптической форме, т. е. устройство, подобное 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.
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-транспарантов, 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 Ю10... 1011 бит/с. Заметим, что это относится лишь к предварительно закодированному в цифровом виде потоку данных.
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. О 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 четырехслойной структуре (рис. 10.11) пленка металла локально разогревается лазерным лучом, и под действием сил поверхностного натяжения происходит раскрытие отверстия (ямки) в расплавленной области. Диэлектрический подслой имеет отражательную способность, намного 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 гот- При считывании алюминий улучшает отражательную способность записанных участков. Эффективность обоих явлений максимальна, если толщина диэлектрика близка к Лиэл4. Однако, поскольку часть тепла, выделяющаяся в металлической пленке, бесполезно диффундирует к алюминиевому отражателю, уменьшение толщины диэлектрика снижает и тепловую эффективность системы оптимизация этой толщины осуществляется при достижении максимума произведения ЧоптПтспл.
Толстое прозрачное защитное покрытие предохраняет металлическую пленку от оседания пылинок, которые, попадая на поверхность самого защитного покрытия, окалываются 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 Тс (имеющие высокую чувствительность), Bi, Ti (характеризующиеся наивысшей временной стабильностью оптических свойств) и их сплавы; в качестве основы применяется полиметилметакрилат (-ПММА), стекло.
Другой, близкий по реализации, способ записи состоит в формировании на поверхности рабочей среды микровздутий, 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. При использовании для записи и считывания одной и той же оптической системы (лазер и объектив) и простейшего неизбыточного метода кодирования расчет максимальной поверхностной плотности дает
где — числовая апертура объектива, % — длина волны лазе¬ра. При этом скорость записи информации
где vn — линейная скорость вращения дорожки диска.
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 позволил 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 среды, выделяют термо-, электро-, и фотооптические среды.
В термооптических средах запись основана на тепловом разогреве материала лучом лазера. В ферромагнитных пленках (Мп— Bi, гранаты) в максимумах освещенности материал нагревается выше точки Кюри, вследствие чего происходит его превращение, сопровождающееся изменением оптических свойств. При считыва¬нии 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 (до Ю~8 с), 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 (As2Se3, AsisS3s 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 V02 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 VO2 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, СЮ2 « др.). В начальном состоянии частицы наполнителя, располагаясь хаотически, обусловливают малую прозрачность среды. При облучении частицы нагреваются, связующее вблизи них размягчается и под 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, ПРОМ (см. § 10.2), 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 длитель¬ном хранении записанной информации.
Сегнетокерамика, ЖК, полупроводники требуют затрат мощности, поддерживающей записанное состояние; при отключении питания информация пропадает.
К фотооптическим средам относятся главным образом фотохромиые и фоторефрактнвные вещества, изменяющие под действием света цвет или показатель преломления. Фотохромные шелочно-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 фото¬оптических реверсивных запоминающих сред. Обилие вариантов подтверждает, что несмотря на почти 20-летний период развития реверсивный носитель, удовлетворяющий совокупности требований, пока не создан. 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. В связи с этим нередко высказывается мнение, что решение проблемы реверсивного оптического накопителя может быть достигнуто не техническим совершенствованием описанных вариантов, а путем выдвижения новых идей.
Заключение. Основной итог 20-летнего развития рассматривае¬мого направления — промышленное освоение оптической памяти. Пока это осуществлено только для оптических дисковых накопителей, представляющих одну из разновидностей поразрядных ЗУ, но на их примере практически подтверждены предсказания об огромных потенциальных возможностях оптической памяти.
На одной стороне оптического диска может быть записано I ...2 Гбайт двоичной информации или 20 тыс. страниц текста, чертежей, таблиц, графиков, или 25 тыс. кадров цветного телевидения (около 15 мин показа). Огромная емкость ОДН и относительно невысокая скорость обмена информацией предопределили их назначение в качестве устройств архивной памяти, в иерархии которой ОДН заняли промежуточное место между магнитными дисковыми накопителями (в 10... 100 раз уступающими ОДН по объему памяти) и магнитными ленточными накопителями, медленными и громоздкими.
Следует еще раз подчеркнуть, что оптические накопители одинаково свободно оперируют и с двоичной, и с аналоговой информацией. Таким образом, уже имеющиеся банки данных дополняются банками изображений. Оптические дисковые накопители на компакт-дисках встраиваются в бытовые персональные компьютеры, открывая реальные возможности для развития электронных изданий.
Хранение в ОДН характеризуется высокой надежностью и долговечностью (не менее 10... 30 лет), тогда как информацию на магнитных носителях приходится перезаписывать каждые 0,5 — 2 года. Важно при этом, что считывание осуществляется бесконтактным методом.
И, наконец, решающее преимущество оптических накопителей перед магнитными заключается в потенциально более низкой стоимости бита хранимой информации.
Следует указать еще на один аспект развития оптической памяти — создание ЗУ с .резко повышенной скоростью обмена информацией. Здесь прежде всего могут оказаться полезными бистабильные элементы в интегрально- и волоконно-оптическом исполнениях. Если обычную ВОЛС замкнуть по схеме, представленной на рис. 10.13, то введенная в передатчик последовательность импульсов может циркулировать в системе долгое время без существенных искажений. Объем памяти определяется длиной волокна и быстродействием комплектующих элементов: при типичной длительности импульсов 50 не «плотность записи» составляет 102 бит/км, а при ориентации на рекордные по быстродействию элементы — более 104 бит/км. Время обращения (считывания) составляет около 5 мко/км, так что при длине волокна L=50... 100 км можно получить Мюлн^Ю6 бит и гСч^0,5 мкс. Оценки показывают, что время хранения (бессбойной циркуляции) может достигать нескольких минут. При таких параметрах ВОЛС — ЗУ неспособны конкурировать с полупроводниковой оперативной памятью, но могут оказаться полезными в качестве кадровой и буферной памяти.
то ее реакция (луч К4) будет отлична от реакции этой же системы без предварительного возбуждения. В этом и состоит суть явления: луч К* представляет собой «эхо» предшествующих воздействий Ki и К2 (луч Кз стимулирует возникновение «эха»). В аспекте ЗУ Ki и Кг есть лучи записи (закодирован информацией может быть один из них, например Кг; тогда подсветка Ki представляет собой «питание»), Кз — считывания, К» — луч единицы, К'з — луч нуля.
Оценки показывают, что минимальный возбуждаемый объем кристалла может достигать 1 мкма, что соответствует плотности записи I012 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.