Оптическое хранилище 3D-данных

Трехмерное оптическое хранилище данных — это любая форма хранения оптических данных , в которой информация может быть записана или прочитана с трехмерным разрешением (в отличие от двухмерного разрешения, обеспечиваемого, например, компакт -диском ).

Это нововведение потенциально может обеспечить петабайтного уровня объем памяти на дисках DVD -размера (120   мм). Запись и считывание данных достигаются за счет фокусировки лазеров внутри среды. Однако из-за объемного характера структуры данных лазерный луч должен пройти через другие точки данных, прежде чем достигнет точки, где требуется считывание или запись. Следовательно, необходима некоторая нелинейность , чтобы гарантировать, что эти другие точки данных не мешают адресации желаемой точки.

Ни один коммерческий продукт на основе   оптического 3D-хранилища данных пока не появился на массовом рынке, хотя несколько компаний активно развивают эту технологию и утверждают, что она может стать доступной «скоро».

Обзор

Современные оптические носители данных , такие как CD и DVD, хранят данные в виде серии отражающих меток на внутренней поверхности диска. Чтобы увеличить емкость хранилища, диски могут содержать два или даже более таких слоев данных, но их количество строго ограничено, поскольку адресный лазер взаимодействует с каждым слоем, через который он проходит на пути к адресуемому слою и обратно. . Эти взаимодействия вызывают шум, который ограничивает технологию примерно 10   слоями. Методы хранения 3D- оптических данных позволяют обойти эту проблему, используя методы адресации, при которых только конкретно адресуемый воксел (объемный пиксель) существенно взаимодействует с адресирующим светом. Это обязательно предполагает нелинейные методы чтения и записи данных, в частности нелинейную оптику .

Хранение 3D-оптических данных связано с голографическим хранилищем данных (и конкурирует с ним) . Традиционные примеры голографического хранения не относятся к третьему измерению и поэтому не являются строго «3D», но совсем недавно трехмерное голографическое хранение было реализовано с использованием микроголограмм. Также тесно связана с многослойной технологией выбора слоя (когда многослойный диск имеет слои, которые можно индивидуально активировать, например, электрически).

Схематическое изображение поперечного сечения трехмерного   оптического диска (желтого цвета) по дорожке данных (оранжевые метки). Видны четыре слоя данных, причем лазер в настоящее время обращается к третьему сверху. Лазер проходит через первые два слоя и взаимодействует только с третьим, поскольку здесь свет имеет высокую интенсивность.

Например, прототип системы хранения оптических 3D-данных может использовать диск, очень похожий на прозрачный DVD. Диск содержит множество слоев информации, каждый из которых находится на разной глубине носителя и каждый состоит из спиральной дорожки, подобной DVD. Для записи информации на диск лазер фокусируется на определенной глубине носителя, соответствующей определенному информационному слою. Когда лазер включается, он вызывает фотохимические изменения в среде. Когда диск вращается, а головка чтения/записи перемещается по радиусу, слой записывается так же, как записывается DVD-R. Затем можно изменить глубину фокуса и записать совершенно другой слой информации. Расстояние между слоями может составлять от 5 до 100 микрометров , что позволяет хранить более 100 слоев информации на одном диске.

Для обратного считывания данных (в этом примере) используется аналогичная процедура, за исключением того, что на этот раз вместо того, чтобы вызывать фотохимические изменения в среде, лазер вызывает флуоресценцию . Это достигается, например, за счет использования более низкой мощности лазера или другой длины волны лазера. Интенсивность или длина волны флуоресценции различаются в зависимости от того, был ли носитель записан в этот момент, поэтому путем измерения излучаемого света считываются данные.

Размер отдельных молекул хромофора или фотоактивных центров окраски значительно меньше размера лазерного фокуса (который определяется дифракционным пределом ). Таким образом, свет адресован большому количеству (возможно, даже 10) ⁹ ) молекул в любой момент времени, поэтому среда действует как однородная масса, а не матрица, структурированная положениями хромофоров.

История

Истоки этой области относятся к 1950-м годам, когда Иегуда Хиршберг разработал фотохромные спиропираны и предложил использовать их для хранения данных. В 1970-е годы Валерий Барачевский продемонстрировал что этот фотохромизм может быть вызван двухфотонным возбуждением, и в конце 1980-х годов Питер М. Рентцепис показал, что это может привести к трехмерному хранению данных. Исследован широкий спектр физических явлений для считывания и записи данных, разработано и оценено большое количество химических систем для среды, проведена обширная работа по решению проблем, связанных с оптическими системами, необходимыми для считывания и записи. запись данных. В настоящее время несколько групп продолжают работать над решениями с разным уровнем развития и заинтересованностью в коммерциализации.

Процессы создания письменных данных

Запись данных на трехмерный оптический носитель требует, чтобы при возбуждении в носителе произошли изменения. Это изменение обычно является своего рода фотохимической реакцией, хотя существуют и другие возможности. Химические реакции , которые были исследованы, включают фотоизомеризацию , фоторазложение и фотообесцвечивание , а также инициирование полимеризации . Наиболее исследованы фотохромные соединения, к которым относятся азобензолы , спиропираны , стильбены , фульгиды и диарилэтены . Если фотохимические изменения обратимы , то, по крайней мере, в принципе, может быть достигнуто перезаписываемое хранение данных. Кроме того, многоуровневая запись , при которой данные записываются в оттенках серого технически осуществима , а не в виде сигналов «включено» и «выключено».

Запись путем

Хотя существует множество нелинейных оптических явлений, только многофотонное поглощение способно передать в среду значительную энергию, необходимую для электронного возбуждения молекулярных частиц и вызова химических реакций. Двухфотонное поглощение на сегодняшний день является самым сильным многофотонным поглощением, но, тем не менее, это очень слабое явление, приводящее к низкой чувствительности среды. Поэтому много исследований было направлено на создание хромофоров с высокими сечениями двухфотонного поглощения .

Запись посредством двухфотонного поглощения может быть достигнута путем фокусировки пишущего лазера в точке, где требуется процесс фотохимической записи. Длина волны пишущего лазера выбирается такой, чтобы она не поглощалась средой линейно и, следовательно, не взаимодействовала со средой, за исключением фокальной точки. В фокусе двухфотонное поглощение становится существенным, поскольку это нелинейный процесс, зависящий от квадрата плотности энергии лазера .

Запись посредством двухфотонного поглощения может быть достигнута и при совпадении двух лазеров. Этот метод обычно используется для одновременной параллельной записи информации. Один лазер проходит через среду, определяя линию или плоскость. Затем второй лазер направляется на точки линии или плоскости, на которых необходимо писать. Совпадение лазеров в этих точках возбуждало двухфотонное поглощение, что привело к написанию фотохимии.

Запись путем

Другой подход к повышению чувствительности среды заключался в использовании резонансного двухфотонного поглощения (также известного как «1+1» или «последовательное» двухфотонное поглощение). Нерезонансное двухфотонное поглощение (как оно обычно используется) является слабым, поскольку для того, чтобы произошло возбуждение, два возбуждающих фотона должны достичь хромофора почти в одно и то же время. Это связано с тем, что хромофор не может взаимодействовать только с одним фотоном. Однако, если хромофор имеет энергетический уровень, соответствующий (слабому) поглощению одного фотона, то его можно использовать в качестве трамплина , предоставляя большую свободу во времени прибытия фотонов и, следовательно, гораздо более высокую чувствительность. Однако этот подход приводит к потере нелинейности по сравнению с нерезонансным двухфотонным поглощением (поскольку каждый этап двухфотонного поглощения по существу линеен) и, следовательно, рискует поставить под угрозу трехмерное разрешение системы.

Микроголография

В микроголографии сфокусированные лучи света используются для записи голограмм субмикрометрового размера в фоторефрактивном материале, обычно с использованием коллинеарных лучей. В процессе записи могут использоваться те же типы носителей, которые используются в других типах хранения голографических данных , а также могут использоваться двухфотонные процессы для формирования голограмм.

Запись данных во время производства

Данные также могут создаваться при производстве носителей, как в случае с большинством форматов оптических дисков для коммерческого распространения данных. В этом случае пользователь не сможет записать на диск – это формат ROM . Данные могут быть записаны нелинейным оптическим методом, но в этом случае допустимо использование лазеров очень высокой мощности, поэтому чувствительность носителя становится менее серьезной проблемой.

Также было продемонстрировано изготовление дисков, содержащих данные, отлитые или напечатанные в их трехмерной структуре. Например, диск, содержащий данные в 3D, может быть создан путем объединения большого количества тонких дисков, каждый из которых отлит или напечатан с одним слоем информации. Полученный диск ПЗУ затем можно прочитать, используя метод трехмерного чтения.

Другие подходы к написанию

Также были рассмотрены другие методы записи трехмерных данных, в том числе:

Постоянное выжигание спектральных дыр (PSHB), которое также допускает возможность спектрального мультиплексирования для увеличения плотности данных. Однако в настоящее время для носителей PSHB требуется поддержание чрезвычайно низких температур во избежание потери данных.

Образование пустот, при котором микроскопические пузырьки попадают в среду под действием лазерного излучения высокой интенсивности.

Хромофорная поляризация, при которой лазерно-индуцированная переориентация хромофоров в структуре среды приводит к читаемым изменениям.

Процессы чтения данных

Чтение данных из оптической 3D-памяти осуществлялось разными способами. В то время как некоторые из них полагаются на нелинейность взаимодействия света и материи для получения трехмерного разрешения, другие используют методы, которые пространственно фильтруют линейный отклик среды. К методам чтения относятся:

Двухфотонное поглощение (приводящее либо к поглощению, либо к флуоресценции). По сути, этот метод представляет собой двухфотонную микроскопию .

Линейное возбуждение флуоресценции конфокальным детектированием. Этот метод по сути представляет собой конфокальную лазерную сканирующую микроскопию . Он обеспечивает возбуждение с гораздо меньшей мощностью лазера, чем двухфотонное поглощение, но имеет некоторые потенциальные проблемы, поскольку адресный свет взаимодействует со многими другими точками данных в дополнение к той, к которой обращаются.

Измерение небольших различий в показателе преломления между двумя состояниями данных. В этом методе обычно используется фазово-контрастный микроскоп конфокального отражения или микроскоп . Никакого поглощения света не требуется, поэтому нет риска повреждения данных во время чтения, но требуемое несоответствие показателей преломления на диске может ограничить толщину (т. е. количество слоев данных), которую может достичь носитель из-за накопленного случайного волнового фронта. ошибки, которые разрушают качество сфокусированного пятна.

Генерация второй гармоники была продемонстрирована как метод считывания данных, записанных в поляризованную полимерную матрицу.

Оптическая когерентная томография также была продемонстрирована как метод параллельного чтения.

Медиа-дизайн

Активная часть трехмерных оптических носителей информации обычно представляет собой органический полимер , легированный или привитый фотохимически активными частицами. Альтернативно кристаллические и золь-гель использовались материалы.

Форм-фактор носителя

Носители для хранения оптических 3D-данных предложены в нескольких форм-факторах: диск, карта и кристалл.

Дисковые носители представляют собой прогресс по сравнению с CD/DVD и позволяют выполнять чтение и запись знакомым методом вращающегося диска.

Носители форм-фактора кредитной карты привлекательны с точки зрения портативности и удобства, но имеют меньшую емкость, чем диск.

Несколько писателей -фантастов предположили, что небольшие твердые тела хранят огромные объемы информации, и, по крайней мере, в принципе, этого можно достичь с помощью оптического хранения 5D-данных .

Медиа-производство

Для некоторых систем возможен простейший метод изготовления – отливка диска целиком. Более сложный метод изготовления носителей заключается в их создании слой за слоем. Это необходимо, если данные должны быть физически созданы во время производства. Однако послойное строительство не обязательно означает соединение многих слоев вместе. Другой альтернативой является создание носителя в форме, аналогичной рулону клейкой ленты.

Конструкция привода

Привод, предназначенный для чтения и записи на оптические трехмерные носители данных, может иметь много общего с приводами CD/DVD, особенно если форм-фактор и структура данных носителя аналогичны CD или DVD. Однако существует ряд заметных отличий, которые необходимо учитывать при проектировании такого привода.

Лазер

В частности, когда используется двухфотонное поглощение, могут потребоваться мощные лазеры, которые могут быть громоздкими, трудно охлаждаемыми и создавать проблемы с безопасностью. В существующих оптических приводах используются непрерывного действия, диодные лазеры работающие на длине волны 780, 658 или 405 нм. Для оптических 3D-накопителей могут потребоваться твердотельные лазеры или импульсные лазеры, а в некоторых примерах используются длины волн, легко доступные с помощью этих технологий, например 532 нм (зеленый). Эти более крупные лазеры может быть сложно интегрировать в головку чтения/записи оптического привода.

аберрации

Поскольку система должна работать на разных глубинах среды, а на разных глубинах сферическая аберрация , возникающая на волновом фронте , различна, необходим метод для динамического учета этих различий. Существует множество возможных методов, которые включают оптические элементы, которые заменяются на оптический путь и выключаются из него, движущиеся элементы, адаптивную оптику и иммерсионные линзы.

Оптическая система

Во многих примерах систем хранения трехмерных оптических данных используются несколько длин волн (цветов) света (например, лазер для чтения, лазер для записи, сигнал; иногда только для записи требуются даже два лазера). Таким образом, оптическая система должна не только справляться с высокой мощностью лазера и переменной сферической аберрацией, но и комбинировать и разделять эти разные цвета света по мере необходимости.

Обнаружение

В приводах DVD сигнал, создаваемый диском, является отражением направляющего лазерного луча и поэтому очень интенсивен. Однако для оптического 3D-хранилища сигнал должен генерироваться в крошечном объеме, к которому обращаются, и поэтому он намного слабее, чем лазерный свет. Кроме того, флуоресценция излучается во всех направлениях от целевой точки, поэтому для максимизации сигнала необходимо использовать специальную светособирающую оптику.

Отслеживание данных

Как только они идентифицированы по оси Z, к отдельным слоям данных, подобных DVD, можно получить доступ и отслеживать их аналогично DVD. Также была продемонстрирована возможность использования параллельной или страничной адресации. Это обеспечивает гораздо более высокую скорость передачи данных , но требует дополнительной сложности пространственных модуляторов света , формирования изображения сигнала, более мощных лазеров и более сложной обработки данных.

Проблемы развития

Несмотря на весьма привлекательный характер оптического хранения 3D-данных, разработка коммерческих продуктов заняла значительное время. Это является результатом ограниченной финансовой поддержки в этой области, а также технических проблем, в том числе:

Разрушительное чтение. Поскольку и чтение, и запись данных осуществляются с помощью лазерных лучей, существует вероятность того, что процесс чтения приведет к небольшому объему записи. В этом случае повторное чтение данных может в конечном итоге привести к их стиранию (это также происходит с материалами с фазовым переходом, используемыми в некоторых DVD). Эта проблема решалась многими подходами, такими как использование разных полос поглощения для каждого процесса (чтение и письмо) или использование метода чтения, не предполагающего поглощение энергии.

Термодинамическая стабильность. Многие химические реакции, которые, казалось бы, не происходят, на самом деле происходят очень медленно. Кроме того, многие реакции, которые, казалось бы, произошли, могут постепенно обратить вспять. Поскольку большинство трехмерных носителей основаны на химических реакциях, существует риск того, что либо ненаписанные точки будут медленно записываться, либо записанные точки медленно вернутся в ненаписанное состояние. Эта проблема особенно серьезна для спиропиранов, но были проведены обширные исследования, чтобы найти более стабильные хромофоры для трехмерной памяти.

Чувствительность СМИ. двухфотонное поглощение — слабое явление, поэтому для его создания обычно требуются мощные лазеры. Исследователи обычно используют Ti-сапфировые лазеры или лазеры Nd:YAG для возбуждения, но эти инструменты не подходят для использования в потребительских товарах.

развитие

Большая часть разработок в области оптического хранения 3D-данных была осуществлена ​​в университетах. К группам, внесшим ценный вклад, относятся:

• Питер Т. Рентцепис был основателем этой области и недавно разработал материалы, свободные от деструктивного считывания.
• Уотт Уэбб разработал двухфотонный микроскоп в Bell Labs и продемонстрировал трехмерную запись на фоторефрактивных носителях.
• Масахиро Ирие разработал диарилэтена . семейство фотохромных материалов
• Ёсимаса Кавата, Сатоши Кавата и Зухейр Секкат разработали и работали над несколькими системами оптического манипулирования данными, в частности с использованием поляризованных полимерных систем.
• Кевин Белфилд разрабатывает фотохимические системы для хранения трехмерных оптических данных с использованием резонансной передачи энергии между молекулами, а также разрабатывает материалы с высоким двухфотонным поперечным сечением.
• Сет Мардер выполнил большую часть ранних работ по разработке логических подходов к молекулярному дизайну хромофоров с высоким двухфотонным поперечным сечением.
• Том Милстер внес большой вклад в теорию хранения трехмерных оптических данных.
• Роберт МакЛеод исследовал использование микроголограмм для хранения трехмерных оптических данных.
• Мин Гу изучил конфокальное считывание и методы его улучшения.

Коммерческое развитие

Помимо академических исследований, было создано несколько компаний для коммерциализации оптического хранения 3D-данных, а некоторые крупные корпорации также проявили интерес к этой технологии. Однако пока неясно, добьется ли технология успеха на рынке при наличии конкуренции со стороны других сфер, таких как жесткие диски , флэш-накопители и голографические накопители .

Примеры оптических носителей трехмерных данных. Верхний ряд – письменный носитель вызова/отзыва; Мемпиле СМИ. Средний ряд – ящур; D-Data DMD и привод. Нижний ряд – СМИ Ландауэра; Микрохолас медиа в действии.

• Компания Call/Recall была основана в 1987 году на основе исследований Питера Рентцеписа. Используя двухфотонную запись (со скоростью 25 Мбит/с с импульсами 6,5 пс, 7 нДж, 532 нм), однофотонное считывание (с 635 нм) и иммерсионную линзу с высокой числовой апертурой (1,0), они сохранили 1 ТБ как 200 слоев на диске толщиной 1,2 мм. Они стремятся увеличить емкость до >5 ТБ и скорость передачи данных до 250 Мбит/с в течение года за счет разработки новых материалов, а также мощных импульсных синих лазерных диодов.
• Mempile разрабатывает коммерческую систему под названием TeraDisc . В марте 2007 года они продемонстрировали запись и считывание 100 слоев информации на диске толщиной 0,6 мм, а также низкие перекрестные помехи , высокую чувствительность и термодинамическую стабильность. Они намерены выпустить потребительский продукт с красным лазером емкостью 0,6–1,0 ТБ в 2010 году и имеют планы по выпуску продукта с синим лазером емкостью 5 ТБ.
• компания Constellation 3D разработала флуоресцентный многослойный диск В конце 1990-х годов , который представлял собой диск ПЗУ, изготавливаемый слой за слоем. Компания обанкротилась в 2002 году, но интеллектуальную собственность ( ИС ) приобрела компания D-Data Inc., которые пытаются представить его как цифровой многослойный диск (DMD).
• Компания Storex Technologies создана для разработки 3D-медиа на основе флуоресцентных светочувствительных очков и стеклокерамических материалов. Технология основана на патентах румынского ученого Евгения Павла , который также является основателем и генеральным директором компании. На конференции ODS2010 были представлены результаты считывания петабайтного оптического диска двумя нефлуоресцентными методами.
• Landauer Inc. разрабатывает среду, основанную на резонансном двухфотонном поглощении в сапфира монокристаллической подложке . В мае 2007 года они продемонстрировали запись 20 слоев данных с использованием энергии лазера 2 нДж (405 нм) для каждой метки. Скорость чтения ограничена 10 Мбит/с из-за времени жизни флуоресценции.
• Целью Colossal Storage является разработка технологии трехмерного голографического оптического хранения, основанной на поляризации электрического поля, индуцированной фотонами, с использованием лазера дальнего УФ- диапазона для достижения значительных улучшений по сравнению с текущей емкостью данных и скоростью передачи, но пока они не представили никаких экспериментальных исследований или технико-экономического обоснования.
• Компания Microholas работает на базе Берлинского университета под руководством профессора Сюзанны Орлич и добилась записи до 75 слоев микроголографических данных, разделенных 4,5 микрометрами, и предполагающей плотность данных 10 ГБ на слой.
• 3DCD Technology Pty. Ltd. — это дочерняя компания университета, созданная для разработки технологии оптического хранения данных 3D на основе материалов, идентифицированных Дэниелом Деем и Мин Гу.
• Несколько крупных технологических компаний, таких как Fuji , Ricoh и Matsushita, подали заявки на патенты на двухфотонные материалы для таких приложений, как оптическое трехмерное хранение данных, однако они не дали никаких указаний на то, что разрабатывают полноценные решения для хранения данных.

См. также

• Двойной слой
• Оптическое хранилище 5D-данных
• Список новых технологий