- •Раздел I
- •В.Г. Беспалов, в.Н. Крылов, в.Н. Михайлов основы оптоинформатики
- •Раздел I
- •Введение
- •Глава 1, глава 2 и Приложения написаны в.Г. Беспаловым, глава 3 написана в.Н. Крыловым и глава 4 написана в.Н. Михайловым.
- •§2. Предельные возможности элементной базы электронной компьютерной техники
- •§3. Оптические технологии в информатике
- •§4. Аналоговые оптические вычисления и процессоры
- •§5. Оптический процессор Enlight256
- •§6. Голографические методы обработки информации
- •§7. Цифровые оптические процессоры
- •Глава 2. Теория информации для оптических систем §1. Основы теории информации
- •§ 1.1. Количество информации в системе равновероятных событий. Подход Хартли.
- •§1.2. Количество информации в системе событий с различными вероятностями. Подход Шеннона
- •§1.3. Обобщенная схема информационной системы
- •§1.4. Основные характеристики информационной системы
- •§1.5. Дискретизация и теорема отчетов (Котельникова)
- •§1.6. Пропускная способность канала при наличии белого теплового шума
- •§1. 7. Избыточность информации
- •§2. Теория информации в оптике
- •§2.1. Число пространственных степеней свободы когерентных оптических сигналов
- •§2.2. Теоремы д. Габора
- •§2.3. Число степеней свободы частично когерентных оптических сигналов
- •§ 2.4. Информационная емкость голограмм
- •Глава 3. Источники излучения для оптоинформатики
- •§1. Физические основы работы лазеров
- •§1.1. Оптическое усиление
- •§1.2. Взаимодействие излучения с веществом.
- •1.2.1. Излучение абсолютно чёрного тела.
- •1.2.2. Статистика Больцмана
- •1.2.3. Коэффициенты Эйнштейна.
- •§1.3. Поглощение и усиление
- •1.3.1. Инверсная населённость.
- •§1.4. Принципы лазерной генерации
- •1.4.1. Методы создания инверсной населённости.
- •Трёхуровневая система.
- •Четырёхуровневая система.
- •Методы накачки активных лазерных веществ.
- •§1.5. Основные типы лазеров: классификация лазеров по агрегатному состоянию активного вещества
- •§1.6. Твердотельные лазеры
- •§1.5. Газовые лазеры
- •§1.5. Жидкостные лазеры
- •§2. Полупроводниковые лазеры §2.1. Физические основы работы полупроводникового лазера
- •§2.2. Полупроводники
- •§2.3. Прямозонные и непрямозонные полупроводники
- •§2.4. Полупроводниковые светодиоды
- •§2.5. Основные параметры полупроводниковых лазеров
- •§2.6. Полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур
- •§2.7. Квантоворазмерные структуры
- •§2.8. Безопасность лазеров
- •§3. Источники излучения фемтосекундной и аттосекундной длительности §3.1. Предельно короткие импульсы света и сверхсильные поля
- •3.2. Методы генерации сверхкоротких, в том числе фемтосекундных импульсов
- •3.2.1. Электрооптический затвор на основе эффекта Поккельса.
- •3.2.2. Работа лазера в режиме синхронизации мод.
- •§3.2. Генерация аттосекундных импульсов электромагнитного излучения
- •Глава 4. Локальная и распределенная запись информации §4.1. Локальная (побитовая) запись
- •§4.2. Голографическая (распределенная) запись
- •§4.3. Оптические дисковые системы записи и хранения информации
- •§4.4. Голографические системы записи информации
- •§4.5. Быстродействие оптических устройств записи и хранения информации
- •Список литературы
- •Приложения Параметры и свойства оптических материалов
- •Механизмы поглощения оптического излучения в полупроводниках
- •Эффект Франца-Келдыша (электроабсорбционный эффект) в полупроводниках
- •Квантово-размерный эффект Штарка
- •Кафедра фотоники и оптоинформатики
Глава 4. Локальная и распределенная запись информации §4.1. Локальная (побитовая) запись
Одной из наиболее важных задач в системах записи и хранения информации является проблема увеличения плотности записи. Следует разделять два основных способа записи: локальную (или побитовую) запись и распределенную (голографическую) запись информации. В случае побитовой записи каждый элемент этой записи соответствует одному биту информации записанной в двоичном коде, то есть «0» или «1». Реализация такого типа записи в оптических системах подразумевает не только оптическую запись, но и оптическое считывание информации. В процессе оптического считывания информации, например, на вращающемся диске последовательность изменений интенсивности отраженного света преобразуется в двоичные данные, которые далее попадают в процессор цифровых данных для их обработки и получения исходных данных.
Рис.4.1. К расчету плотности записи на оптический диск
Пределы плотности записи на оптические диски связаны с дифракционными ограничениями, которые определяют минимальную площадь пятна S при записи/считывании (см. рис.4.1):
S(/А)2 (4.1)
где - длина волны излучения
А – числовая апертура (A=nsin )
Соответственно, плотность записи будет обратно пропорциональна размеру пятна записи. Таким образом, как видно из формулы (1), для увеличения плотности записи следует использовать излучение на возможно более коротких длинах волн и при максимальных числовых апертурах. В связи с тем, что числовая апертура может достигать значений 0,95 (при показателе преломления воздуха n=1) размеры пятна при записи могут составлять порядка /2.
Первые устройства считывания оптических дисков использовали излучение лазерных диодов на длинах волн 830-780 нм. Уменьшение длины волны до 400 нм повышает плотность записи в четыре раза.
Увеличение скорости считывания может быть достигнуто не только путем уменьшения физического размера пятна записи, но и увеличением скорости вращения оптического диска. Однако, при этом значительно возрастает вероятность ошибки чтения информации. Для обнаружения и коррекции ошибок чтения записанной информации используют специальные коды коррекции ошибок, для реализации которых приходится использовать довольно значительную часть (10-15%) поверхности диска.
§4.2. Голографическая (распределенная) запись
При голографической записи происходит сложение взаимно-когерентных волн (опорной и объектных) в результате которого происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на оптическом диске и приводит к записи голограммы.
Рис.4.2. Пример схемы для голографической записи
Для считывания голограммы используют опорную волну, дифракция которой на интерференционной структуре голограммы приводит к появлению волны, в точности соответствующей объектной волне при записи. Детектирование и декодирование (в случае цифровой записи) этой волны позволяет извлечь записанную на голографическом диске информацию. В результате того, что на голограмме одновременно можно зарегистрировать значительное количество (N) бит информации при рассмотрении предельных значений плотности записи данных, необходимо учитывать «способность» голограммы восстанавливать различные «части» объекта, количество которых в нашем случае будет равно числу одновременно записываемых битов. Поэтому минимальный размер голограммы будет определяться исходя из минимально возможного интервала в пределах которого сохраняются свойства восстановленного изображения. В таком случае, размер голограммы для записи N бит информации должен составлять не менее:
D=(N/)1/2 (4.2)
где - угол схождения объектной волны при записи (см. рис.4.2)
Таким образом, при =1 стерадиан (около 600), =0,633 мкм (He-Ne лазер) и N=100, минимальный размер голограммы составляет D=6,3 мкм, а на площади в 1 см2 можно записать до 2,5108 бит информации, что сравнимо с побитовой оптической плотностью записи. Однако, в случае использования трехмерных сред для записи голограмм, плотность записи может значительно превышать это значение, поскольку на один и тот же участок диска записывают одновременно много голограмм, отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением опорной волны. В настоящее время на полимерном материале толщиной 1 мм достигнута плотность записи до 1010 бит/см2, что примерно в 5 раз превышает значения величин, полученных для побитовой записи на DVD дисках (4109 бит/см2). Теоретический предел для объемной записи оценивается примерно в 1 Тбит/см2 (1012 бит/см2 ).
Одним из важнейших свойств голографической записи является то, что при записи большого числа объектных волн (каждая из которых в нашем случае представляет один бит информации) каждая из этих волн распределена по всей площади голограммы. Таким образом, повреждение или утрата части голограммы будет приводить лишь к уменьшению уровня сигнала при её считывании, не нарушая при этом целостности картины восстановленных объектных волн. По этой причине, распределенная (голографическая) запись является принципиально гораздо более устойчивой к появлению каких-либо ошибок или сбоев в канале считывания.
Кроме этого, следствием такого «параллелизма» записи является «параллелизм» считывания, поскольку каждая из голограмм одновременно воспроизводит все записанные в ней данные. Это позволяет существенно увеличить не только скорость записи, но и считывания информации с оптического голографического диска. Поэтому, голографические системы памяти могут быть легко интегрированы для взаимодействия с оптическими компьютерами, где реализуется принцип параллельности обработки информации. Параллельный доступ ко всей информации, хранящейся в голографическом запоминающем устройстве делает возможным извлечение полезной информации за время одного периода обращения, то есть существенно уменьшается время считывания.