Голографическое хранилище данных

Голографическое хранение данных является потенциальной технологией в области хранения данных большой емкости . В то время как устройства хранения магнитных и оптических данных полагаются на то, что отдельные биты сохраняются в виде отдельных магнитных или оптических изменений на поверхности носителя записи, голографическое хранилище данных записывает информацию по всему объему носителя и способно записывать несколько изображений в одной и той же области, используя свет под разными углами.

Кроме того, в то время как магнитные и оптические хранилища данных записывают информацию понемногу линейным образом, голографические хранилища способны записывать и считывать миллионы битов параллельно, обеспечивая скорость передачи данных, превышающую скорость, достигаемую традиционным оптическим хранилищем . ^[1]

Запись данных

Голографическое хранилище данных содержит информацию с использованием оптической интерференционной картины внутри толстого светочувствительного оптического материала. Свет от одного лазерного луча разделяется на два или более отдельных оптических узоров из темных и светлых пикселей. Регулируя угол опорного луча, длину волны или положение носителя, можно хранить множество голограмм (теоретически несколько тысяч) в одном томе.

Чтение данных

Сохраненные данные считываются путем воспроизведения того же опорного луча, который использовался для создания голограммы . Свет опорного луча фокусируется на светочувствительном материале, освещая соответствующую интерференционную картину , свет преломляется на интерференционной картине и проецирует ее на детектор. Детектор способен считывать данные параллельно, более миллиона бит одновременно, что обеспечивает высокую скорость передачи данных. Доступ к файлам на голографическом диске осуществляется менее чем за 0,2 секунды. ^[2]

Долголетие

Голографическое хранение данных может предоставить компаниям метод сохранения и архивирования информации. Подход к хранению данных «запись один раз, чтение много» ( WORM ) обеспечит безопасность контента, 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 превышает текущие хранения данных . возможности ^{[ сомнительно – обсудить ]}. Противоположностью этому утверждению является то, что эволюция технологий чтения данных – за последние пару десятилетий – менялась 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, поскольку вы перенесете данные в новый формат всего через десять лет. Однако заявленный срок службы хранения в прошлом оказался ключевым индикатором краткосрочной надежности носителей данных. Современные оптические форматы, такие как компакт-диски , в значительной степени соответствуют первоначальным заявлениям о долговечности (где используются носители известных производителей) и оказались более надежными носителями данных с более коротким сроком службы, чем дискеты и носители DAT, которые они вытеснили. ^[2]

Используемые термины

Чувствительность относится к степени показателя преломления, модуляции производимой на единицу экспозиции. Дифракционная эффективность пропорциональна квадрату коэффициента модуляции, умноженному на эффективную толщину.

Динамический диапазон определяет, сколько голограмм можно мультиплексировать в одном объеме данных.

Пространственные модуляторы света (SLM) представляют собой пиксельные устройства ввода (жидкокристаллические панели), используемые для печати данных, которые будут храниться в луче объекта.

Технические аспекты

Как и другие носители, голографические носители делятся на носители с однократной записью (когда носитель информации подвергается необратимым изменениям) и перезаписываемые носители (где изменения обратимы). Перезаписываемое голографическое хранилище может быть достигнуто за счет фоторефрактивного эффекта в кристаллах:

Взаимокогерентный . свет от двух источников создает интерференционную картину в среде Эти два источника называются опорным лучом и сигнальным лучом .
Там, где есть конструктивная интерференция, свет яркий, и электроны могут перемещаться из валентной зоны в зону проводимости материала (поскольку свет дает электронам энергию для перехода через энергетическую щель). Положительно заряженные вакансии, которые они оставляют, называются дырками , и в перезаписываемых голографических материалах они должны быть неподвижными. Там, где есть деструктивная интерференция, меньше света и мало электронов.
Электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться в материале. Они столкнутся с двумя противостоящими силами, которые определяют, как они будут двигаться. Первая сила — это кулоновская сила между электронами и положительными дырками, из которых они вышли. Эта сила побуждает электроны оставаться на месте или возвращаться туда, откуда они пришли. Вторая — это псевдосила диффузии , побуждающая их перемещаться в области, где электроны менее плотны. Если кулоновские силы не слишком сильны, электроны будут перемещаться в темные области.
Начиная с момента продвижения, существует вероятность того, что данный электрон рекомбинирует с дыркой и возвращается в валентную зону. Чем выше скорость рекомбинации, тем меньшее количество электронов будет иметь возможность переместиться в темные области. Эта скорость повлияет на силу голограммы.
После того, как некоторые электроны переместились в темные области и воссоединились там с дырками, возникает постоянное поле пространственного заряда между электронами, переместившимися в темные пятна, и дырками в светлых пятнах . Это приводит к изменению показателя преломления за счет электрооптического эффекта .

Когда информация должна быть получена или считана с голограммы , необходим только опорный луч. Луч направляется в материал точно так же, как при написании голограммы. В результате индексных изменений материала, созданных при письме, луч распадается на две части. Одна из этих частей воссоздает луч сигнала, в котором хранится информация. что-то вроде камеры CCD Для преобразования этой информации в более удобную форму можно использовать .

Голограммы теоретически могут хранить один бит на кубический блок размером с длину волны света при письме. Например, свет гелий-неонового лазера имеет красный цвет и имеет длину волны 632,8 нм . Используя свет такой длины волны, идеальное голографическое хранилище могло бы хранить 500 мегабайт на кубический миллиметр. На крайнем конце лазерного спектра фторэксимерный лазер с длиной волны 157 нм может хранить 30 гигабайт на кубический миллиметр. На практике плотность данных будет намного ниже, по крайней мере, по четырем причинам:

Необходимость добавления исправления ошибок
Необходимость учитывать недостатки или ограничения оптической системы.
Экономическая отдача (достижение более высокой плотности может стоить непропорционально дороже)
Ограничения технологии проектирования — проблема, с которой в настоящее время сталкиваются магнитные жесткие диски, когда конфигурация магнитных доменов не позволяет производить диски, полностью использующие теоретические ограничения технологии.

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

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

Двухцветная запись

Для двухцветной голографической записи опорный и сигнальный луч фиксированы на определенной длине волны (зеленый, красный или ИК), а сенсибилизирующий/ стробирующий луч представляет собой отдельную более короткую длину волны (синий или УФ). Сенсибилизирующий/стробирующий луч используется для сенсибилизации материала до и во время процесса записи, в то время как информация записывается в кристалл через опорный и сигнальный лучи. Его периодически светят на кристалл в процессе записи для измерения интенсивности дифрагированного луча. Считывание достигается за счет освещения только опорным лучом. Следовательно, считывающий луч с большей длиной волны не сможет возбудить рекомбинированные электроны из центров глубоких ловушек во время считывания, поскольку для их стирания им нужен сенсибилизирующий свет с более короткой длиной волны.

Обычно для двухцветной голографической записи две разные легирующие добавки требуются для продвижения центров ловушек, которые принадлежат переходным металлам и редкоземельным элементам и чувствительны к определенным длинам волн. будет создано больше центров ловушек При использовании двух легирующих добавок в кристалле ниобата лития . А именно, будут созданы неглубокая и глубокая ловушки. Теперь концепция состоит в том, чтобы использовать сенсибилизирующий свет для возбуждения электронов из глубокой ловушки дальше от валентной зоны в зону проводимости , а затем для рекомбинации в мелких ловушках ближе к зоне проводимости. Опорный и сигнальный луч затем будут использоваться для возбуждения электронов из мелких ловушек обратно в глубокие ловушки. Следовательно, информация будет храниться в глубоких ловушках. Считывание будет осуществляться с помощью эталонного луча, поскольку электроны больше не могут быть выведены из глубоких ловушек длинноволновым лучом.

Эффект отжига

Для дважды легированного кристалла ниобата лития ( LiNbO ₃ ) существует оптимальное состояние окисления/восстановления для желаемых характеристик. Этот оптимум зависит от уровня легирования мелких и глубоких ловушек, а также условий отжига кристаллических образцов. Это оптимальное состояние обычно возникает, когда заполнено 95–98% глубоких ловушек. В сильно окисленном образце голограммы не могут быть легко записаны, а эффективность дифракции очень низка. Это связано с тем, что мелкая ловушка совершенно пуста, а глубокая ловушка также почти лишена электронов. С другой стороны, в сильно уменьшенной выборке глубокие ловушки заполнены полностью, а мелкие ловушки также заполнены частично. Это приводит к очень хорошей чувствительности (быстрой записи) и высокой эффективности дифракции благодаря наличию электронов в мелких ловушках. Однако во время считывания все глубокие ловушки быстро заполняются, и полученные голограммы остаются в мелких ловушках, где они полностью стираются при дальнейшем считывании. Следовательно, после длительного считывания эффективность дифракции падает до нуля, и сохраненную голограмму невозможно исправить.

Разработка и маркетинг

Разработанная на основе новаторской работы Джерарда А. Альфонса по голографии в фоторефрактивных средах и голографическом хранении данных , компания InPhase провела публичную демонстрацию прототипа коммерческого устройства хранения данных на съезде Национальной ассоциации вещателей 2005 (NAB) в Лас-Вегасе, в корпорации Maxell. Стенд Америки.

По состоянию на 2002 год тремя основными компаниями, занимающимися разработкой голографической памяти, были InPhase и дочерняя компания Polaroid Aprilis в США и Optware в Японии. ^[5] Хотя голографическая память обсуждается с 1960-х годов, ^[6] и рекламируется для краткосрочного коммерческого применения, по крайней мере, с 2001 года. ^[7] ей еще предстоит убедить критиков в том, что она сможет найти жизнеспособный рынок. ^[8] По состоянию на 2002 год планируемые голографические продукты не ставили перед собой цель конкурировать с жесткими дисками, а вместо этого стремились найти рыночную нишу, основанную на таких достоинствах, как скорость доступа. ^[5]

InPhase Technologies после нескольких объявлений и последующих задержек в 2006 и 2007 годах объявила, что вскоре представит флагманский продукт. InPhase прекратила деятельность в феврале 2010 года, а ее активы были конфискованы штатом Колорадо в связи с задолженностью по налогам. Сообщается, что компания потратила 100 миллионов долларов, но ведущий инвестор не смог привлечь больше капитала. ^[9]^[10] Активы и ноу-хау InPhase были приобретены Apple, которая, как предполагается, планирует использовать их для дополненной реальности. ^[11]

Во время выставки CES 2006 был протестирован работоспособный голографический привод, в котором было сохранено 300 ГБ памяти по сравнению со Blu-ray 100 ГБ у . Было объявлено, что голограммные диски станут устройством хранения данных после Blu-ray.

В апреле 2009 года компания GE Global Research продемонстрировала свой собственный голографический материал для хранения данных, который может позволить создавать диски, использующие механизмы чтения, аналогичные тем, которые используются в проигрывателях дисков Blu-ray . ^[12]

Рынок видеоигр

В 2008 году Nintendo соглашение о совместных исследованиях заключила с InPhase в области голографического хранения. ^[13]

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

В художественной литературе

В «Звездных войнах» используют джедаи голокроны и голографические кристаллы для хранения данных о своей истории.

В 2010 году: «Год нашего контакта » пришлось использовать ленточного червя, чтобы стереть голографическую память HAL, поскольку «хронологическое стирание не сработало».

В «Роботе и Фрэнке» у Робота есть голографическая память, которую можно наполовину стереть, но разрешение будет вдвое меньше.

См. также

Ссылки

^ Эшли, Дж.; Берналь, член парламента; Берр, ГВ; Куфаль, Х.; Гюнтер, Х.; Хоффнагл, Дж.А.; Джефферсон, CM; Маркус, Б.; Макфарлейн, РМ; Шелби, РМ; Синсербокс, GT (май 2000 г.). «Технология голографического хранения данных» . Журнал исследований и разработок IBM . 44 (3): 341–368. дои : 10.1147/rd.443.0341 . Архивировано из оригинала 17 августа 2000 г. Проверено 7 января 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Робинсон, Т. (2005). «Гонка за космос» . Сетевой работник . 9 (2): 24–29. дои : 10.1145/1065368.1065370 . S2CID 41111380 .
^ NC Pégard и JW Fleischer, «Оптимизация хранения голографических данных с использованием дробного преобразования Фурье», Opt. Летт. 36, 2551–2553 (2011) [1]
^ «Макселл США» . 28 сентября 2007 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Проверено 8 апреля 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Обновление: Aprilis представляет голографические дисковые носители» . 08.10.2002.
^ «Диски с голографической памятью могут посрамить DVD» . Новый учёный . 24 ноября 2005 г. Архивировано из оригинала 3 декабря 2005 г.
^ «Априлис продемонстрирует технологию голографических данных» . 18 сентября 2001 г. Архивировано из оригинала 14 февраля 2012 г. Проверено 5 ноября 2007 г.
^ Сандер Олсон (9 декабря 2002 г.). «Голографическая память еще не умерла» . Архивировано из оригинала 28 сентября 2013 г. Проверено 24 сентября 2013 г.
^ «InPhase откладывает выпуск голографического хранилища Tapestry до конца 2009 года» . Engadget. 3 ноября 2008 г.
^ «Фирма по хранению голографических изображений InPhase Technologies закрывается» . Телевизионное вещание. 8 февраля 2010 г.
^ «Apple видит (дополненный) свет и покупает технологический стартап с голографическим стеклом» . Регистр . Проверено 30 августа 2018 г.
^ GE представляет технологию хранения голографических дисков емкостью 500 ГБ. Архивировано 30 апреля 2009 г. в Wayback Machine . КРН. 27 апреля 2009 г.
^ «Может ли голография вылечить тоску о пространстве хранения данных Nintendo? Новости» . 30 июля 2008 г.
^ 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» . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки

[1] Эшли, Дж.; Берналь, член парламента; Берр, ГВ; Куфаль, Х.; Гюнтер, Х.; Хоффнагл, Дж.А.; Джефферсон, CM; Маркус, Б.; Макфарлейн, РМ; Шелби, РМ; Синсербокс, GT (май 2000 г.). «Технология голографического хранения данных» . Журнал исследований и разработок IBM . 44 (3): 341–368. дои : 10.1147/rd.443.0341 . Архивировано из оригинала 17 августа 2000 г. Проверено 7 января 2015 г.

[Robinson,_T._2005-2] Jump up to: ^а ^б Робинсон, Т. (2005). «Гонка за космос» . Сетевой работник . 9 (2): 24–29. дои : 10.1145/1065368.1065370 . S2CID 41111380 .

[3] NC Pégard и JW Fleischer, «Оптимизация хранения голографических данных с использованием дробного преобразования Фурье», Opt. Летт. 36, 2551–2553 (2011) [1]

[4] «Макселл США» . 28 сентября 2007 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Проверено 8 апреля 2018 г.

[extremetech2002-5] Jump up to: ^а ^б «Обновление: Aprilis представляет голографические дисковые носители» . 08.10.2002.

[6] «Диски с голографической памятью могут посрамить DVD» . Новый учёный . 24 ноября 2005 г. Архивировано из оригинала 3 декабря 2005 г.

[7] «Априлис продемонстрирует технологию голографических данных» . 18 сентября 2001 г. Архивировано из оригинала 14 февраля 2012 г. Проверено 5 ноября 2007 г.

[8] Сандер Олсон (9 декабря 2002 г.). «Голографическая память еще не умерла» . Архивировано из оригинала 28 сентября 2013 г. Проверено 24 сентября 2013 г.

[9] «InPhase откладывает выпуск голографического хранилища Tapestry до конца 2009 года» . Engadget. 3 ноября 2008 г.

[10] «Фирма по хранению голографических изображений InPhase Technologies закрывается» . Телевизионное вещание. 8 февраля 2010 г.

[Register-11] «Apple видит (дополненный) свет и покупает технологический стартап с голографическим стеклом» . Регистр . Проверено 30 августа 2018 г.

[12] GE представляет технологию хранения голографических дисков емкостью 500 ГБ. Архивировано 30 апреля 2009 г. в Wayback Machine . КРН. 27 апреля 2009 г.

[13] «Может ли голография вылечить тоску о пространстве хранения данных 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» . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]