Системы голографической памяти

Необходимость увеличения объема хранимой информации и увеличения скорости адресного доступа к ней требуют непрерывного совершенствования запоминающих устройств, в том числе и наиболее распространенных из них -оптических дисковых систем памяти. Так до середины 90-х годов были распространены действующие в ближнем ИК диапазоне системы памяти на CD-RW дисках, позволяющие на диске диаметром 120 мм записать до 1 Гбайта информации. Им на смену пришли системы на дисках DVD-RW, работающие практически в том же диапазоне длин волн и позволяющие за счет более совершенных оптической системы и алгоритма обработки сигнала увеличить объем хранимой информации до 4 Гбайт. Переход к более короткой длине волны - 405 нм (DVD BR "blue - ray") дает возможность уплотнить запись и позволяет, сохранив все преимущества используемых в DVD системах алгоритмов обработки сигналов, довести объем информации, сохраняемой на одностороннем диске диаметром 120 мм, до 100 Гбайт.

Дальнейший прогресс в разработке дисковых систем оптической памяти разработчики связывают с использованием метода оптической голографии, позволяющего использовать не только поверхность, но и весь объем диска. По теоретическим оценкам использование объемной голографической записи позволит довести плотность хранения информации на дисках до величины в 1 Тбит/см³.

Голографические запоминающие устройства (ГЗУ) записывают и считывают информацию, представляемую в виде двумерных растров битов - масок с отверстиями, называемых страницами. Последние представляют собой высококачественные бинарные оптические изображения. Такой параллельный способ представления информации позволяет реализовывать высокие скорости при ее обмене, достигающие гигабита в секунду, при малом времени доступа, не превышающем 1 мс. Данные в ГЗУ, как правило, распределяются по объему регистрирующей среды, в то время, как в магнитных и простых оптических системах памяти они хранятся на поверхности носителя. В результате достигается высокая надежность хранения.

Принцип действия ГЗУ состоит в следующем. Битовая информация, т.е. 0 или 1, с помощью пространственного модулятора света вводится в предметный пучок, падающий на поверхность регистрирующей среды, на которую направляется также и опорный пучок. Так регистрируется голограмма. При ее освещении параллельным пучком на обращении она формирует копию объектного пучка, распространяющегося в обратном направлении, и, тем самым, восстанавливает изображение зарегистрированной страницы информации. Воспроизведенная таким образом цифровая информация считывается с помощью матрицы фотоприемников, располагаемых в плоскости фокусировки страницы. При этом высокая угловая селективность объемных голограмм, достигающая для сред толщиной в 1 см величины порядка 0,001°, позволяет осуществлять их мультиплексирование, т.е. позволяет записывать множество независимо восстанавливаемых голограмм в одном объеме регистрирующей среды. Смена страниц информации может осуществляться различными способами, например, изменением угла падения восстанавливающего пучка лучей или изменением положения этого пучка на поверхности регистрирующей среды. Комбинированные способы смены страниц, содержащие оба указанных варианта, обычно используются в системах памяти, выполняемых на основе трехмерных голографических дисков. Основным сдерживающим фактором в развитии голографических систем памяти долгие годы являлось отсутствие регистрирующие среды, пригодной для мультиплексной объемной голографической записи.

Ситуация изменилась в конце девяностых годов с разработкой объемных фотополимерных сред для объемной голографической записи.

Американская компания InPhase Technologies сообщила о совместной разработке с японской фирмой Hitachi Maxell Ltd голографического диска, размером с диск DVD, способного хранить 300 Гбайт информации (что соответствует 20 художественным фильмам) и обладающего скоростью доступа к информации в 10 раз превышающую скорость, реализуемую в DVD системах. Скорость записи информации составляет 23 Мб в секунду при времени экспонирования 1 страницы 2,7 мс.

Информация записывается во всей толще диска, составляющей примерно 1,5 мм, методом углового мультиплексирования. Шаг мультиплексирования составляет 0,067 градуса. Рабочая длина волны записи и считывания информации составляет 407 нм. Запись и считывание информации в системе осуществляются двумя разными лазерными чипами с одинаковыми
характеристиками. Модуляция опорной волны в устройстве осуществляется с помощью микроэлектромеханического зеркального устройства.

В течение ближайших 5 лет, компания предполагает выпускать линейку систем голографической дисковой памяти с емкостями от 800 Гб до 1,6 Тб при скоростях доступа к информации 120 Мбит в секунду.

Предназначенные для использования в системе диски выполняются на прозрачной пластиковой подложке, на поверхность которой спирально нанесена дорожка пит, используемых для адресации и сервисной информации точно так же, как это делается в обычных CD и DVD дисках. Поверхность дорожки пит покрыта отражающим слоем из алюминия. Поверх слоя алюминия на диск нанесен прозрачный слой полимера, полностью закрывающий питы и имеющий плоскую верхнюю поверхность. На нее нанесено многослойное диэлектрическое зеркало, отражающее излучение сине-зеленой области спектра и пропускающее излучение красной области спектра. На диэлектрическое покрытие нанесен тонкий защитный слой полимера. Поверх него нанесен слой голографической фотополимерной регистрирующей среды, защищенный сверху еще одним защитным полимерным слоем. Сервоинформация с диска считывается на отражение через регистрирующую среду и многослойное диэлектрическое зеркало с помощью сфокусированного излучения лазерного диода, излучающего в красной области спектра. Реализуемые в системе принципы адресации и фокусировки оптической головки совершенно идентичны тем, что реализуются в CD системах.

Запись информации на диске осуществляется с помощью излучения лазерного диода, работающего в синей области спектра. Это излучение проходит через расширитель пучка, после чего направляется на работающий на отражение микрозеркальный пространственный модулятор света. В центральной области апертуры модулятора отображается фазовое изображение страницы записываемой информации, а на ее кольцевой периферии - участки радиальной дифракционной решетки, предназначаемой для формирования опорного пучка лучей (рис. 17).

Рис. 17

При этом каждая из страниц информации отображается в виде совокупности субстраниц с помощью основного высокоапертурного объектива оптической головки. Сформированные с помощью пространственного модулятора света опорный и объектный пучки лучей пропускаются через основной объектив головки, отражаются от находящегося на диске многослойного диэлектрического зеркала и фокусируются в объеме регистрирующей среды. Там они формируют объемную пропускающую голограмму страницы информации. Считывание информации осуществляется аналогичным образом. Отличие процедур считывания и записи информации состоит лишь в том, что на стадии считывания информации на пространственном модуляторе света отображается лишь кольцеобразная радиальная дифракционная структура, формирующая восстанавливающий пучок лучей. Считывание восстановленных страниц информации осуществляется с помощью высокоскоростного CMOS приемника. При этом число пикселей фотоприемного устройства выбирается примерно в три раза большим, чем число пикселей пространственного модулятора света. Это позволяет существенно упростить алгоритм распознавания бит информации. Изменение пространственной частоты дифракционной структуры, формирующей опорный пучок лучей, позволяет осуществлять мультиплексирование регистрируемых страниц информации. При этом динамический диапазон используемой в системе регистрирующей среды позволяет осуществлять запись до 20 страниц информации на одном и том же ее участке.

По заключению разработчиков, такая технология голографической записи информации будет принята в качестве основной при создании следующих поколений относительно простых и недорогих систем голографической дисковой памяти. Пока что описанная технология рассчитана для использования лишь в архивах, т.к. стоимость голографических дисков, оформленных в непрозрачных картриджах (см. рис. 18) варьируется от 120 до 180 долл. Сам же привод стоит около 15 тыс. долл.

Рис. 18. Привод для голографических дисков и сам диск в картридже.

Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология изготовления многослойных тонкопленочных голограмм, а также устройство для считывания данных. Емкость носителя (сто слоев) размерами с почтовую марку - 1 Gb (рис. 19).

Рис. 19. Голографическая карта (слева) и устройство чтения.

Достоинства новой технологии состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации. Предполагается, что вследствие дешевизны носителей и малых размеров такие устройства могут заменить другие устройства ROM. Рассматривают их и как заменитель бумаги в качестве носителя информации. Эти карты будут полезны при массовом распространении игр, музыки, кинофильмов и электронных изданий, поскольку клонирование их пиратами затруднено.

Первые кард-ридеры (стоимостью несколько сот долларов) и носители емкостью 1 Gb ($1-2) уже появились на рынке.

В заключении отметим основные достоинства голографической памяти:

высокая плотность записи и большая скорость чтения;
параллельная запись информации (не по одному биту, а целыми страницами);
высокая точность воспроизведения страницы;
низкий уровень шума при восстановлении данных;
неразрушающее чтение;
длительный срок хранения данных - 30-50 и более лет;
конкурентоспособность с другими оптическими технологиями.

http://www.holography.by/infocenter/news/2009/149/