3. Перспективні оптичні технології в комп’ютерній техніці.

3.1. Флуоресцентні диски.

Використання флуоресценції для зчитування інформації з цифрових оптичних дисків дозволяє виключити з їх конструкції відбиваючі шари. На фотоприймач оптичної системи читання буде попадати не відбитий зондуючий промінь, а світло, що випромінюється розміщеними в товщі диску і виконуючими роль пітів скупченнями флуоресцентного барвника при попаданні на них сфокусованого читаючого пучка світла. Флуоресцентні піти можуть бути як внесені в задані місця диску при заводському виготовленні (подібно до CD-RОМ), так і утворені при зворотній або незворотній фотохімічній трансформації спочатку не флуоресцентної речовини при попаданні на неї сфокусованого пучка лазера при запису.

Переваги флуоресцентних дисків:

• прозорість, яка дає можливість реалізувати багатошарову систему (10-ки шарів);

• некогерентність випромінювання, звідси відсутність інтерференційних завад;

• зсув флуоресцентного відклику по довжині хвилі від опитуючого випромінювання і мінімалізації впливу розсіяного світла;

• можливість використання форматів сумісних з DVD.

Розроблені варіанти флуоресцентних багатошарових дисків відомі під назвами HyperCDROM (10-100 ТБ), FMD (Fluorescent Multilayer Disk), DMD (Digital Multilayer Disk) (22-32, потенціально - до 100 ГБ). Характеристики 12-ти шарового FMD наведені в табл. 4 в порівнянні з характеристиками DVD.

Таблиця 4.

	DVD-RОМ	FMD-RОМ
Інформаційна ємність, ГБ	5/9/17	50
Швидкість читання, Мб/с	10	1000
Число шарів	1/2/4	12
Крок доріжки, мкм	0,74	0,8
Довжина хвилі, мкм	0,65	0,53

На цей час проходять тестування 300-шарові диски FMD з інформаційною ємністю 1 ТБ.

3.2. Голографічна система запису та зберігання інформації.

Теоретично оптичне випромінювання може бути сфокусоване в пляму діаметром λ/2, де λ – довжина хвилі випромінювання. Це означає, що максимальна щільність інформації, записаної оптичним методом може бути порядку 4/λ², тобто досягати 10⁹ біт/см², що далеке від реалізації в сучасних носіях. Пошук нових можливостей збільшення інформаційної щільності запису і швидкості вибірки інформації ведеться в багатьох напрямках, в тому числі і в області голографії, яка є найперспективнішою в плані створення високоефективних систем запису та зберігання інформації.

Використання голографічного методу для зберігання інформації вперше було запропоновано в 1963 році Ван Хірденом. Голографічний принцип запису полягає в реєстрації одночасно об’єктної (яка несе інформацію про об’єкт) і опорної хвиль. При цьому в результаті накладання цих двох когерентних хвиль відбувається перетворення фазових співвідношень в амплітудну структуру інтерференційної картини. Реєстрація цієї інтерференційної картини у об’ємі фоточутливого шару голографічного оптичного диску і приводить до запису голограми (див. рис. 3.2.1).

Рис. 3.2.1.

Зміни в матеріалі такого диску можуть бути у вигляді модуляції поглинання, показника заломлення або товщини.

Голографічна система запису та зберігання інформації на даний час реалізується в HVD (Holographic Versatile Disk – багатоцільовий голографічний диск). Технічні характеристики таких дисків приведені в таблиці 5.

Таблиця 5.

Об’єм, ТБ	до 1
Щільність запису, Гбіт/дюйм2	до 515
Швидкість запису та зчитування, Мбіт/с	до 960 (сторінкою, ємність якої до 106 біт)
Діаметр диска, мм (дюйм)	130 (5,25)
Товщина диска, мм	3,5
в т. ч.: основи, мм	1
робочого шару, мм	1,5
захисного шару, мм	1
Довжина хвилі лазера, нм	405
Вартість диска, доларів	100 (на даний час)
Вартість привода, доларів	3000
Додаткове обладнання	захисний пластмасовий картридж

Запис даних у HVD відбувається за наступною технологією (див. рис. 3. 2. 2):

Лазерний промінь поділяється на два когерентні променя однакової поляризації за допомогою напівпрозорого дзеркала.

1. Один із променів (об’єктний, Signal Beam) проходить через просторовий світловий модулятор (SLM). В ролі SLM використовують цифрові мікродзеркальні модулятори, які застосовуються в відеопроекторах (див. розділ „ Пристрої виведення інформації”). SLM за допомогою мікродзеркал формує просторову матрицю пікселів. Ця матриця складається з світлих (відповідають логічній „1”) і темних („0”) точок.

2. Об’єктний промінь фокусується лінзою 1 на фоточутливому робочому шарі HVD.

3. Другий (опорний, Reference Beam) промінь під деяким кутом направляється в ту ж область диску, так щоб обидва промені перетнулись в товщині фоточутливого шару. В наслідок інтерференції променів в об’ємі фоточутливого шару утворяться точки максимумів і мінімумів інтерференції. В точках максимумів амплітуди і інтенсивності променів нагрів фоточутливого шару приводить до його деструкції і зміни коефіцієнта відбиття та показника заломлення.

Рис. 3.2.2.

Змінюючи довжину хвилі променя, кут його падіння і положення диску можна записувати інформацію на одну і ту ж ділянку HVD. Такий спосіб, який дозволяє зберігати багато голограм в одному і тому ж місці отримав назву мультиплексування. Він дозволяє значно підвищити щільність запису даних.

В якості матеріалу для робочого шару диску використовується двокомпонентна полімерна система. Один із її компонентів формує сітку, де розчинений другий світлочутливий компонент. Під дією світла він полімеризується, із-за чого виникає градієнт концентрації неполімеризованого компонента. Результатом його дифузії є утворення структури зі змінним коефіцієнтом відбиття, коливання якого якраз і несуть в собі записану інформацію.

Зчитування даних з голограми відбувається наступним чином:

1. Опорний промінь тої ж довжини хвилі і з того ж кута, що і при запису, падає на голограму.

2. Відбиваючись від точок деструкції фоточутливого шару, промінь розсіює з тильної сторони диску світловий фронт, формуючи зображення трафарету, який був записаний на диск раніше.

3. Цей розсіяний фронт хвилі трафарету фокусується лінзою на масиві датчиків зразу всією картинкою пікселів і переводиться в цифровий код.

Таким чином, особливості голографічного методу запису полягають в можливості:

1. створення об’ємного зображення об’єкта, що не може бути реалізованим іншими методами;

2. використання для зберігання інформації не тільки поверхні диску, а і всього об’єму, що суттєво збільшує щільність інформації;

3. реєструвати прозорі об’єкти, в яких окремі частини відрізняються не коефіцієнтами пропускання та відбиття, а показниками заломлення або товщиною, які впливають на зміну довжини оптичного шляху;

4. при зчитуванні інформації з диску отримати максимальну роздільну здатність не тільки в поперечному напрямку, а і в поздовжньому;

5. отримувати голограму об’єкту, що змінюється в часі;

6. реалізації так званого розподіленого запису інформації, що підвищує надійність запису та зчитування.

Переваги голографічної пам’яті перед іншими видами пам’яті (в тому числі і оптичними) полягають в наступному:

1. Висока щільність запису (теоретично до 10¹² біт/см²). На даний час в лабораторіях отримані значення до 40 Гбіт/см².

2. Висока швидкість запису та зчитування (на даний час - до 10 Гбіт/с, а з врахуванням переведення інформації в електронний вигляд – до 1 Гбіт/с);

3. Паралельний запис інформації ( не послідовно по одному біту, а цілими сторінками (див. рис. 3.2.3);

4. Висока точність відтворення сторінки;

5. Низький рівень шуму при відновленні даних;

6. Неруйнуюче читання;

7. Довгий термін зберігання (50 років і більше);

8. Конкурентоспроможність з іншими оптичними технологіями.

Рис. 3.2.3.

27