Голографическое хранилище данных - Holographic data storage

Оптические диски
Значок компакт-диска test.svg

Голографическое хранилище данных является потенциальной технологией в области высокой производительности данные место хранения. В то время как магнитные и оптические устройства хранения данных полагаются на то, что отдельные биты хранятся как отдельные магнитные или оптические изменения на поверхности носителя записи, голографическое хранилище данных записывает информацию по всему объему носителя и способно записывать несколько изображений в одной и той же области с использованием свет под разными углами.

Кроме того, в то время как магнитное и оптическое хранилище данных записывает информацию по битам линейным образом, голографическое хранилище способно записывать и читать миллионы бит параллельно, обеспечивая более высокую скорость передачи данных, чем у традиционных оптическое хранилище.[1]

Запись данных

Хранение голографических данных содержит информацию, использующую оптическую интерференционную картину в толстом светочувствительном оптическом материале. Свет с сингла лазер Луч делится на два или более отдельных оптических рисунка из темных и светлых пикселей. Путем регулировки угла опорного пучка, длина волны, или положение средств массовой информации, множество голограмм (теоретически, несколько тысяч) могут быть сохранены на одном томе.

Чтение данных

Хранятся данные считываются посредством воспроизведения одного и того же опорного пучка, используемых для создания голограмма. свет опорного пучка сосредоточен на светочувствительном материале, освещая соответствующий картина интерференции, свет дифракция на картина интерференции, и проецирует рисунок на детектор. Детектор может считывать данные параллельно, более миллиона бит одновременно, что обеспечивает высокую скорость передачи данных. Доступ к файлам на голографическом диске занимает менее 0,2 секунды.[2]

Долголетие

Хранение голографических данных может предоставить компаниям способ сохранения и архивирования информации. Запись один раз, много прочтений (Червь ) подход к хранению данных обеспечит безопасность содержимого, предотвращая перезапись или изменение информации. Производители[ВОЗ? ] считают, что эта технология может обеспечить безопасное хранение контента без ухудшения качества в течение более 50 лет, что намного превосходит существующие варианты хранения данных[сомнительный – обсуждать]. Противоположным аргументом в пользу этого утверждения является то, что развитие технологии считывания данных за последние пару десятилетий менялось каждые десять лет. Если эта тенденция сохранится, то из этого следует, что возможность хранить данные в течение 50–100 лет в одном формате не имеет значения, потому что вы бы перенесли данные в новый формат только через десять лет. Однако заявленная долговечность хранилища в прошлом оказалась ключевым показателем более краткосрочной надежности носителей. Современные оптические форматы, такие как CD - в значительной степени соответствовали первоначальным требованиям к долговечности (при использовании носителей с хорошей репутацией) и оказались более надежными носителями краткосрочных данных, чем носители дискета и DAT СМИ они вытеснили.[2]

Используемые термины

Чувствительность относится к степени показатель преломления модуляция производится на единицу экспозиции. Эффективность дифракции пропорциональна квадрату индексная модуляция раз больше эффективной толщины.

В динамический диапазон определяет, сколько голограмм может быть мультиплексированный в одном томе данных.

Пространственные модуляторы света (SLM) представляют собой пиксельные устройства ввода (жидкокристаллические панели), используемые для запечатления данных, которые будут сохранены в объектном луче.

Технические аспекты

Как и другие носители, голографические носители делятся на однократно записываемые (где носитель информации претерпевает некоторые необратимые изменения) и перезаписываемые носители (где изменение является обратимым). Перезаписываемое голографическое хранилище может быть достигнуто с помощью фоторефрактивный эффект в кристаллах:

Голограмма maken (1) .svg
  • Взаимно последовательный свет от двух источников создает картина интерференции в прессе. Эти два источника называются опорный луч и сигнальный луч.
  • Где есть конструктив вмешательство свет яркий и электроны можно продвигать из валентная полоса к зона проводимости материала (поскольку свет дал электронам энергию, чтобы перепрыгнуть через энергетическую щель). Положительно заряженные вакансии, которые они оставляют, называются дыры и они должны быть неподвижны в перезаписываемых голографических материалах. Там, где есть деструктивная интерференция, меньше света и мало электронов продвигается.
  • Электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться в материале. Они испытают две противоположные силы, которые определяют их движение. Первая сила - это кулоновская сила между электронами и положительными дырками, из которых они были продвинуты. Эта сила побуждает электроны оставаться на месте или возвращаться туда, откуда они пришли. Вторая - это псевдосила распространение это побуждает их перемещаться в области с меньшей плотностью электронов. Если кулоновские силы не слишком велики, электроны переместятся в темные области.
  • Сразу после продвижения по службе есть шанс, что данный электрон рекомбинирует с дыркой и вернется в валентную зону. Чем выше скорость рекомбинации, тем меньше электронов будет иметь шанс перейти в темные области. Эта скорость повлияет на прочность голограммы.
  • После того, как некоторые электроны переместились в темные области и воссоединились там с дырками, происходит постоянное поле пространственного заряда между электронами, которые переместились в темные пятна, и дырками в ярких пятнах. Это приводит к изменению показатель преломления из-за электрооптический эффект.
Голограмма lezen.svg

Когда информация должна быть получена или считана с голограмма, необходим только опорный луч. Луч направляется в материал точно так же, как при написании голограммы. В результате изменения индекса материала, созданного во время записи, луч разделяется на две части. Одна из этих частей воссоздает сигнальный луч, в котором хранится информация. Что-то вроде CCD камеру можно использовать для преобразования этой информации в более удобную форму.

Голограммы теоретически могут хранить один кусочек на кубический блок размер длина волны света в письменной форме. Например, свет от гелий-неоновый лазер красный, 632,8 нм длина волны света. Используя свет этой длины волны, идеальное голографическое хранилище может хранить 500 мегабайт на кубический миллиметр. На крайнем конце лазерного спектра фтор эксимерный лазер в 157 нм мог хранить 30 гигабайт на кубический миллиметр. На практике плотность данных будет намного ниже, по крайней мере, по четырем причинам:

  • Необходимость добавить исправление ошибки
  • Необходимость учитывать недостатки или ограничения оптической системы
  • Экономическая отдача (достижение более высокой плотности может стоить непропорционально дороже)
  • Ограничения методики проектирования - проблема, с которой в настоящее время сталкиваются магнитные жесткие диски, когда конфигурация магнитного домена препятствует производству дисков, в которых полностью используются теоретические пределы технологии.

Несмотря на эти ограничения, можно оптимизировать емкость запоминающего устройства, используя полностью оптические методы обработки сигналов.[3]

В отличие от современных технологий хранения, которые записывают и читают по одному биту данных за раз, голографическая память записывает и считывает данные параллельно за одну вспышку света.[4]

Двухцветная запись

Настройка для голографической записи

Для двухцветной голографической записи опорный и сигнальный луч фиксируются на определенном длина волны (зеленый, красный или ИК) и сенсибилизирующий /ворота Луч - это отдельная, более короткая длина волны (синяя или УФ). Луч сенсибилизации / стробирования используется для сенсибилизации материала до и во время процесса записи, в то время как информация записывается в кристалл через опорный и сигнальный лучи. Во время процесса записи он периодически светится на кристалл для измерения интенсивности дифрагированного луча. Считывание достигается освещение только с опорным пучком. Следовательно, считывающий луч с большей длиной волны не сможет возбудить рекомбинированный электроны из глубоких центров ловушек во время считывания, так как им нужен сенсибилизирующий свет с более короткой длиной волны, чтобы стереть их.

Обычно для двухцветной голографической записи два разных присадки необходимы для продвижения центров ловушек, принадлежащих переходный металл и редкоземельные элементы и чувствительны к определенным длинам волн. Использование двух легирующих добавок позволит создать больше центров ловушек в ниобат лития кристалл. А именно будет создана мелкая и глубокая ловушка. Теперь идея заключается в использовании сенсибилизирующего света для возбуждения электронов из глубокой ловушки, находящейся дальше от валентная полоса к зона проводимости а затем рекомбинировать на мелких ловушках ближе к зоне проводимости. Затем опорный и сигнальный пучки будут использоваться для возбуждения электронов из мелких ловушек обратно в глубокие ловушки. Таким образом, информация будет храниться в глубоких ловушках. Считывание будет производиться с помощью эталонного луча, поскольку электроны больше не могут быть выведены из глубоких ловушек длинноволновым лучом.

Эффект отжига

Для дважды легированного ниобата лития (LiNbO3 ) кристалл существует оптимальный Снижение окисления состояние для желаемой производительности. Этот оптимум зависит от уровней легирования мелких и глубоких ловушек, а также от отжиг условия для образцов кристаллов. Это оптимальное состояние обычно возникает при заполнении 95–98% глубоких ловушек. В сильно окисленном образце голограммы не могут быть легко записаны, а дифракционная эффективность очень низкая. Это связано с тем, что мелкая ловушка полностью пуста, а глубокая ловушка также почти лишена электронов. С другой стороны, в сильно восстановленном образце глубокие ловушки заполнены полностью, а мелкие ловушки также частично заполнены. Это приводит к очень хорошей чувствительности (быстрая запись) и высокой дифракционной эффективности за счет наличия электронов в мелких ловушках. Однако во время считывания все глубокие ловушки быстро заполняются, и полученные голограммы оказываются в мелких ловушках, где они полностью стираются при дальнейшем считывании. Следовательно, после обширного считывания дифракционная эффективность падает до нуля, и сохраненная голограмма не может быть зафиксирована.

Разработка и маркетинг

В 1975 г. Hitachi представил видеодиск система, в которой информация о цветности, яркости и звуке кодируется голографически. Каждый кадр записывался в виде голограммы диаметром 1 мм на 305-миллиметровом диске, а лазерный луч считывал голограмму с трех углов.[5]

Разработан на основе новаторских работ по голографии в фоторефрактивных средах и хранению голографических данных Джерард А. Альфонс, В фазе провела публичные демонстрации прототипа коммерческого запоминающего устройства на съезде Национальной ассоциации вещателей 2005 (NAB) в Лас-Вегасе, на стенде американской корпорации Maxell.

Три основные компании, участвовавшие в разработке голографической памяти, по состоянию на 2002 г. В фазе и дочерняя компания Polaroid Aprilis в США и Optware в Японии.[6] Хотя голографическая память обсуждается с 1960-х годов,[7] и рекламируется для краткосрочного коммерческого применения по крайней мере с 2001 года,[8] ему еще предстоит убедить критиков в том, что он может найти жизнеспособный рынок.[9]По состоянию на 2002 год запланированные голографические продукты не ставили своей целью конкурировать с жесткими дисками, а вместо этого находили рыночную нишу, основанную на таких достоинствах, как скорость доступа.[6]

InPhase Technologies после нескольких анонсов и последующих задержек в 2006 и 2007 годах объявила, что вскоре представит флагманский продукт. InPhase прекратил свою деятельность в феврале 2010 года, а ее активы были арестованы штатом Колорадо в счет уплаты налогов. Сообщается, что компания потратила 100 миллионов долларов, но ведущий инвестор не смог привлечь дополнительный капитал.[10][11]

В апреле 2009 г. GE Global Research продемонстрировали свой собственный голографический запоминающий материал, позволяющий создавать диски, в которых используются механизмы чтения, аналогичные тем, которые имеются на Blu-ray диск игроков.[12]

Рынок видеоигр

Nintendo подписали соглашение о совместных исследованиях с В фазе для голографического хранения в 2008 г.[13]

Nintendo также упоминается в патенте как совместный заявитель: «... здесь раскрывается, что заявленное изобретение было создано в соответствии с Соглашением о совместных исследованиях, как определено в 35 USC 103 (c) (3), которое действовало на или до даты, когда заявленное изобретение было сделано, и в результате деятельности, предпринятой в рамках Соглашения о совместных исследованиях Nintendo Co. и InPhase Technologies, Inc. или от их имени ».[14]

В художественной литературе

В Звездные войны, то Джедаи использовать голокроны и голографические кристаллы для хранения данных об их истории.

В 2010: Год, когда мы устанавливаем контакт, пришлось использовать ленточного червя, чтобы стереть голографическую память HAL, поскольку «хронологическое стирание не работает».

В Робот и Фрэнк, Робот имеет голографическую память, которую можно стереть наполовину, но разрешение будет вдвое меньше.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эшли, Дж .; Бернал, М.-П; Burr, G.W .; Coufal, H .; Guenther, H .; Hoffnagle, J. A .; Jefferson, C.M .; Marcus, B .; MacFarlane, R.M .; Shelby, R.M .; Sincerbox, G.T. (май 2000 г.). «Технология хранения голографических данных». Журнал исследований и разработок IBM. 44 (3): 341–368. Дои:10.1147 / ряд.443.0341. Архивировано из оригинал на 2000-08-17. Получено 2015-01-07.
  2. ^ а б Робинсон, Т. (2005). «Гонка за космос». NetWorker. 9 (2): 24–29. Дои:10.1145/1065368.1065370. S2CID  41111380.
  3. ^ Н. К. Пегар и Дж. В. Флейшер, "Оптимизация хранения голографических данных с помощью дробного преобразования Фурье", Опт. Lett. 36, 2551–2553 (2011). [1]
  4. ^ "Макселл США". 28 сентября 2007 г. Архивировано с оригинал 28 сентября 2007 г.. Получено 8 апреля 2018.
  5. ^ «В поисках домашнего видео: видеодиски, часть 2». www.terramedia.co.uk. Получено 8 апреля 2018.
  6. ^ а б «Обновление: Aprilis представляет голографические дисковые носители». 2002-10-08.
  7. ^ «Диски с голографической памятью могут посрамить DVD». Новый ученый. 2005-11-24. Архивировано из оригинал на 2005-12-03.
  8. ^ «Aprilis продемонстрирует технологию голографических данных». 2001-09-18. Архивировано из оригинал на 2012-02-14. Получено 2007-11-05.
  9. ^ Сандер Олсон (2002-12-09). «Голографическая память еще не умерла».
  10. ^ «InPhase откладывает решение для хранения голографической информации Tapestry до конца 2009 года». Engadget. 3 ноября 2008 г.
  11. ^ «Фирма по хранению голографических изображений InPhase Technologies закрывается». Телетрансляция. 8 февраля 2010 г.
  12. ^ GE представляет технологию хранения голографических дисков емкостью 500 ГБ В архиве 2009-04-30 на Wayback Machine. CRN. 27 апреля 2009 г.
  13. ^ «Может ли голография вылечить блюз дискового пространства Nintendo? Новости». 30 июля 2008 г.
  14. ^ Inphase Technologies, Inc. (Лонгмонт, Колорадо, США) и Nintendo Co., Ltd. (Киото, Япония) (26 февраля 2008 г.). «Патент на миниатюрные сканеры на основе изгиба для углового мультиплексирования».CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

внешняя ссылка