300 GB na jednym krążku

W ciągu ostatnich dwóch lat wytworzono i zapisano więcej informacji niż kiedykolwiek wcześniej. Czy pamięć holograficzna pomoże opanować tę wzbierającą rzekę danych?

W ciągu ostatnich dwóch lat wytworzono i zapisano więcej informacji niż kiedykolwiek wcześniej. Czy pamięć holograficzna pomoże opanować tę wzbierającą rzekę danych?

Pierwsze eksperymenty z holografią przeprowadzono wkrótce po wynalezieniu lasera, czterdzieści lat temu. Jednak w ówczesnej postaci udawały się tylko w laboratorium. Młodsze technologie optyczne CD i DVD zdążyły się urodzić, dojrzeć, a pierwsza z nich nawet zestarzeć, a holografia dalej nie mogła znaleźć drogi do sklepu.

W zasięgu wzroku

Wreszcie stało się. Pod koniec kwietnia na pierwszych stronach gazet ukazała się informacja o pokazie nagrywarki holograficznej, która rozmiarami niewiele różni się od typowego CD-ROM-u. Chociaż urządzenie firmy Optware zademonstrowane na konferencji w Monterey okazało się tylko półproduktem, zastosowane w nim rozwiązania dają szansę na powrót holografii do gry. Problemy znane z laboratoryjnych wersji udało się raczej ominąć niż rozwiązać. Po prostu przemeblowano niezbędne części aparatury i pożyczono gotowe rozwiązania z innych dziedzin. Opowiemy o tym w dalszej części artykułu.

Sukces holografii przyszedł w samą porę. Upowszechnienie nagrywarek DVD, a z nimi większych możliwości magazynowania danych zostało błyskawicznie wykorzystane. Jakby pękła tama, zaczęto rejestrować nie tylko tworzone z tą myślą zdjęcia czy sekwencje filmowe, zresztą coraz wyższej jakości, a więc bardziej obszerne, ale i zwykłe czynności: zakupy, rozmowy telefoniczne, wizyty u lekarza, jednym słowem wszystko.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley oszacowali ilość informacji zapisanej w ostatnich dwóch latach na 36 milionów gigabajtów. Tylko w firmach zmagazynowano dziesięć razy więcej danych niż trzy lata temu. Według tego samego źródła, w ciągu następnych trzech lat zapotrzebowanie na pojemność ma wzrosnąć pięćdziesięciokrotnie.

Śnieżna kula

Dotychczas techniki radziły sobie z tym wyzwaniem. Mniej więcej w tempie 60 procent rocznie rośnie pojemność typowego twardego dysku. Kroku dotrzymują media optyczne. Krążki o pojemności 650 megabajtów, które same wyparły z użycia klasyczne "tasiemki", są z kolei wymieniane przez nośniki DVD, mieszczące od czterech do piętnastu gigabajtów danych. W rezerwie czeka kolejna odmiana DVD, wykorzystująca niebieski laser. Użycie światła tego koloru pozwala na kolejne zagęszczenie pitów i umieszczenie aż 27 GB informacji na jednej i 50 GB na dwóch warstwach jednostronnego krążka o takiej samej, dwunastocentymetrowej średnicy.

Jeśli ilość zapisywanej informacji będzie dalej rosła w dotychczasowym tempie, a nic nie zapowiada jego obniżenia, oddech uzyskany dzięki niebieskiemu DVD w ciągu kilku lat zamieni się w zadyszkę. Wtedy przyjdzie czas na zapis holograficzny, za pomocą którego można teoretycznie umieścić nawet 1000 GB na krążku wielkości typowego CD-ROM-u.

Wielu z nas holografia kojarzy się z technologią o marginesowym znaczeniu, znaną głównie ze znaczków na biletach, kartach kredytowych i pakietach oprogramowania. Dużo głośniej było o niej na początku lat sześćdziesiątych, kiedy po raz pierwszy powstał pomysł, a za nim wiele projektów badawczych, trwałego i taniego zapisywania danych w postaci hologramów. Prawie 20 lat temu IBM pokazał pierwszy system działający na kryształach niobianu litu. Podobne sukcesy uzyskiwano w innych laboratoriach, mimo to system uznano za ekonomicznie bez perspektyw, a środki przeznaczono na bardziej obiecujące technologie optyczne i magnetyczne.

Widać zarys

Zasada zapisu i odczytu obrazu holograficznego.

Zasada zapisu i odczytu obrazu holograficznego.

Spojrzenie na ekonomiczną stronę holografii ostatnio się zmieniło. Potaniały części optoelektroniczne, używane także w sprzęcie powszechnego użytku. Chodzi o lasery, megapikselowe matryce z elementów światłoczułych, używane do odczytu, i cyfrowe mikrolustra, podobne do stosowanych w projektorach. Dobrze nadają się do modulowania światła lasera w czasie zapisu, można z nich utworzyć wielomegapikselowe matryce o dużym kontraście i dużej częstotliwości przełączania. Wynaleziono fotopolimery, które okazały się obiecującym nośnikiem do nagrywania i przechowywania hologramów.

Pierwsze materiały testowane w laboratoriach w roli nośników, kryształy niobianu litu, niezbyt się nadawały do użycia w mniejszych urządzeniach z powodu zbyt dużej mocy wymaganej do trwałego zapisu hologramu. Tak mocnego lasera nie udawało się zmieścić do kompaktowej obudowy. Na początku lat dziewięćdziesiątych wynaleziono fotopolimery. Są to organiczne molekuły, które pod wpływem światła zmieniają strukturę, zwykle zmienia pozycję jedna z części rozgałęzionego łańcucha atomów. Coraz nowsze odmiany fotopolimerów wymagają do pracy coraz mniejszej mocy lasera. Puzzle zaczynają się układać.

Kiedy duża część elementów potrzebnych do złożenia nagrywarki holograficznej stała się dostępna, kilka firm stanęło do współzawodnictwa o palmę pierwszeństwa. Na razie prowadzi Optoware, ale każda z firm wymienionych w ramce ma szansę zmienić lidera. Tak czy inaczej, widać już szansę na komercyjne nagrywarki za dwa, trzy lata.

Zasada działania

Tradycyjny układ do zapisu i odczytu hologramów. Z powodu rozdzielenia trasy wiązki sygnałowej i referencyjnej nie nadawał się do miniaturyzacji.

Tradycyjny układ do zapisu i odczytu hologramów. Z powodu rozdzielenia trasy wiązki sygnałowej i referencyjnej nie nadawał się do miniaturyzacji.

Wspólną cechą CD i DVD jest ten sam sposób zapisu w postaci sekwencji pitów wzdłuż wytyczonej ścieżki. Każdy pit reprezentuje pojedynczy bit danych, którego stan rozróżnia się po stopniu odbicia światła lasera. Na dysku holograficznym dane są zapisywane w całkiem inny sposób. Obraz tworzy się w objętości nośnika, dzięki czemu pojemność może wzrosnąć tak bardzo. Jednak nie jest to zapis wielowarstwowy. Hologram tworzy się dzięki wzajemnemu oddziaływaniu spójnego światła, pochodzącego z lasera i rozszczepionego na dwie wiązki, z których jedna zostaje zmodulowana danymi. Z interferencji obu wiązek, zmodulowanej i referencyjnej, tworzy się obraz holograficzny zapamiętany w nośniku.

Zapis na CD i DVD jest sekwencyjny. Na dysku holograficznym przeciwnie, dane są podzielone na bloki. Każdy z nich tworzy dwuwymiarową macierz danych, zwykle wielkości 1000x1000 punktów. Każdy punkt niesie bit informacji, więc jeden blok ma ich milion. Pojedynczy blok jest zapamiętany w postaci obrazu holograficznego, więc z logicznego punktu widzenia cały dysk to stos megabitowych hologramów. Dysk o pojemności 100 GB liczy ponad milion takich obrazów holograficznych.

Urządzenie zapewnia jednoczesny dostęp do jednego obrazu. Równocześnie też zapisuje się cały milion bitów informacji. Wiązka sygnałowa, przeznaczona do modulowania, trafia do zespołu mikroluster. Jest ich tyle, ile bitów w obrazie. Gdy wartość bitu wynosi zero, promień jest blokowany, a gdy wynosi jeden - odbijany. Także modulacja całego obrazu przebiega jednocześnie.

Milion na raz

Wiązka sygnałowa interferuje z referencyjną w objętości nośnika światłoczułego, dzięki czemu powstaje trwały hologram. Ślady interferencji zmieniają wartość współczynnika odbicia światła w tych miejscach. Wiązka referencyjna jest także używana do odczytu obrazu dyfrakcyjnego z objętości nośnika. Za jej pomocą dochodzi do rekonstrukcji wiązki sygnałowej, kierowanej następnie do matrycy złożonej również z miliona fotoczujników. Jednoczesny dostęp do całego hologramu pozwala na dużą szybkość pracy, potencjalnie aż do setek megabajtów na sekundę.

Zmieniając charakterystykę wiązki referencyjnej, na przykład kąt padania albo długość fali, można zapisać wiele obrazów, inaczej stron danych w tej samej objętości nośnika. Stąd bierze się wielka pojemność pojedynczego krążka. Od metody multipleksowania, czyli nakładania na siebie kolejnych hologramów, zależy pojemność, złożoność i architektura systemu. Oczywiście podczas odczytu należy wrócić do takich samych parametrów wiązki referencyjnej, jakich użyto podczas zapisu.


Zobacz również