Два луча лазера зелёного цвета создают интерференционную картину в содержащем бактериородопсин полимерном геле, помещённом между двумя стеклянными пластинами.
Использование голографических носителей информации может позволить сократить растущий разрыв между объёмом носителей и скоростью чтения и записи информации. Например, чтобы записать на жёсткий диск компьютера 30-гигабайтный файл с полнометражным фильмом в формате High Definition, сейчас требуется 30–45 минут. Использование голографических устройств (в которых запись информации производится одновременно по всему объёму) способны снизить это время до менее чем 10 секунд. Рисунок 4
Что касается плотности записи информации, компания InPhase Technologies уже продемонстрировала устройство с плотностью записи до 80 гигабайт на квадратный сантиметр. Новая технология позволяет создавать перезаписываемые устройства, однако недостатком является то, что запись производится красным светом. Дело в том, что достижимая плотность записи информации возрастает с уменьшением длины волны света – именно этим обусловлен переход от CD (красный свет) к технологиям Blu-Ray и HDDVD, использующим синие лазеры.
Однако, основная проблема состоит в том, что перевести природный бактериородопсин в Q-состояние довольно сложно. Поэтому молекулярные биологи из Коннектикута работают над генетической модификацией бактерий с тем, чтобы получить белок, более легко переводимый в это состояние.
Беспристрастная статистика отмечает, что в последние несколько лет человечество ежегодно накапливает около 5 экзабайт (1018 байт) информации, и темпы продолжают расти. Это требует создания все более емких, быстрых и надежных устройств для хранения данных. Одно из многочисленных направлений разработок использует методы оптической голографии. Успехи в этой области таковы, что на рынке уже появились первые коммерческие продукты.
Рисунок 5: История и перспективы развития запоминающих устройств (по данным IBM).
Здесь AFM (Atomic Force Microscopy) – методы микроскопии на атомном уровне, которые можно использовать для записи информации. Накопители на атомном уровне включают и атомную голографию
Фирма IBM исследовала историю и перспективы развития запоминающих устройств (ЗУ) с точки зрения поверхностной плотности записи (рис. 5). Очевидно, что существует только один путь преодолеть суперпарамагнитный порог – использовать немагнитные методы записи. Самым перспективным и разработанным из них является голография.
Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена (Pieter J. Van Heerden), сотрудника фирмы Polaroid. Он предложил идею хранения данных в трех измерениях еще в 1963 г., а сегодня некоторые производители уже приступили к коммерческому выпуску голографических ЗУ.
Используемая технология позволяет записать и прочитать миллионы бит данных за одну вспышку лазера. Предельная объемная плотность информации N (N ~ λ3 ~ ~ 1012 bit/cm3) определяется длиной волны излучения.
Тысячи голографических страниц могут быть сохранены в одном и том же объеме записывающей среды с помощью различных вариантов мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча пространственного изменения точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов.
Рис. 6. Сравнение оптических и голографических методов записи
Рисунок 7. Принцип голографической записи
Рисунок 8. Схема записи/чтения данных методом голографии
Достоинства голографической памяти: высокая плотность записи и большая скорость чтения; параллельная запись информации (не по одному биту, а целыми страницами, рис. 6); 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.
Принцип голографической записи показан на рис. 3. Луч одного лазера (на рисунке не изображен) расщепляется на два луча. Один из них используется как опорный, а другим освещается объект (или его пропускают через пространственный оптический модулятор, в котором помещена прямоугольная таблица данных) – это луч, содержащий данные. При пересечении в определенной области пространства эти лучи создают интерференционную картину (рис. 7,1). Если в эту область поместить прозрачный фоточувствительный носитель (рис. 7,2), то в нем сохранится интерференционная картина (голограмма) (рис. 7,3) – данные будут записаны. Для чтения достаточно осветить носитель опорным лучом, и после их взаимодействия мы получим луч с точной копией записанных данных. В отличие от обычной фотографии информация содержится в большом объеме носителя. Если этот объем разделить, например, на пять частей, то выйдет пять идентичных копий записанной информации. Это свойство значительно повышает надежность хранения данных. Детальная схема устройства голографической записи/чтения представлена на рис. 8.
Технология голографической памяти не имеет ограничений обычных оптических за счет применения трехмерной записи данных, а не двумерных чтения и записи лазерным лучом на плоскости. Это означает, что теоретически для записи данных в голографической памяти может использоваться полный объем кристалла, хотя есть и практические ограничения. Однако и с ограничениями трехмерный носитель – существенное преимущество для технологии голографической памяти. Его возможности достаточны, чтобы оставить далеко позади DVD и Blu-ray. Скорости передачи данных могут достигать 1 GBps и более. Это намного быстрее любой другой оптической технологии типа CD, DVD, HD DVD и Blu-ray, где максимальная скорость передачи не превышает 11 MBps.
Теоретически голограммы могут хранить 1 бит в объеме, который равен кубу длины волны лазера. Например, красный луч лазера на смеси неона и гелия имеет длину волны 632,8 нм, и совершенная голографическая память могла бы хранить 4 Gb в кубическом миллиметре. В действительности же плотность записи данных намного ниже, чему есть, по крайней мере, четыре причины: необходимость коррекции ошибок, недостатки и ограничения оптической системы, экономические (с увеличением плотности записи стоимость растет непропорционально быстрее) и физические ограничения (конечность длины волны лазера, междуатомного расстояния в кристалле записи и несовершенство оптических систем).
Рисунок 9. Фотополимер запоминает информацию при освещении лучом лазера
Одна из главных проблем в области хранения голографической информации – создание подходящих материалов для записи. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фоточувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену. Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве – фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние (рис. 9).
Рисунок 10. Варианты применения голографической памяти: голографические запоминающие устройства
Работы по созданию голографической памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и наконец приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.
рисунок 11
рисунок 12
Рисунок 13. Голографическая карта Info-MICA (сверху), устройство чтения (по середине) и относительный размер (снизу)
Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных (рис. 10). Емкость носителя (сто слоев) размерами с почтовую марку – 1 Gb. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.
Достоинства новой технологии Info-MICA состоят в высокой плотности записи, малых размерах дисковода, низком энергопотреблении, возможности дешевого массового производства носителей, трудности несанкционированного копирования данных с них и простоте утилизации.
В NTT полагают, что Info-MICA вследствие их дешевизны и малых размеров 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. Предполагаются и многие другие применения новой технологии.