Pamięci holograficzne

Zasady holografii znane są od dziesięcioleci, a już od dawna trwają prace nad holograficznymi nośnikami pamięci. Obecnie hologramy znajdują pojedyncze zastosowania jako nośniki pamięci, np. analogowe hologramy do identyfikacji banknotów, kart kredytowych i opakowań produktów. Nie udato się dotychczas zastosować holografii w masowo wytwarzanych urządzeniach pamięci.

Zasady holografii znane są od dziesięcioleci, a już od dawna trwają prace nad holograficznymi nośnikami pamięci. Obecnie hologramy znajdują pojedyncze zastosowania jako nośniki pamięci, np. analogowe hologramy do identyfikacji banknotów, kart kredytowych i opakowań produktów. Nie udato się dotychczas zastosować holografii w masowo wytwarzanych urządzeniach pamięci.

Gdy ostatnio spadło tempo ulepszania technologii twardych dysków, zaczęto znów intensywnie szukać alternatywy na przyszłość. Pamięci holograficzne teoretycznie mogą wykorzystać całą objętość nośnika w trzech wymiarach. Tak duża gęstość zapisu stanie się potrzebna najpóźniej wraz z wprowadzeniem telewizji HDTV. Obrazy i filmy telewizji HDTV mają dziesięciokrotnie większą objętość niż media tradycyjne. Obecnie mianem pamięci holograf icznych określa się również płaskie, ułożone warstwami nośniki, najczęściej w połączeniu z niebieskim laserem. Oparte na nim techniki pamięci oferują znacznie większą pojemność niż dotychczasowe i chyba będą mogły rozwiązać problemy, przynajmniej w perspektywie średniookresowej.

Niebieski laser

Podczas zapisu dane są przez modulator światła (SLM) przetwarzane stronicowo na wzór.

Podczas zapisu dane są przez modulator światła (SLM) przetwarzane stronicowo na wzór.

Zastosowanie niebieskiego lasera w DVD umożliwia dzięki mniejszej długości fali świetlnej zapis znacznie mniejszych wgłębień (pits), a co za tym idzie, znaczne zwiększenie gęstości zapisu. Niebieski laser pracuje z falą o długości 405 nm, podczas gdy czerwony z falą o długości 635 do 650 nm. Zaletę wyższej rozdzielczości przy świetle o mniejszej długości fali można wykorzystać również w pamięciach holograficznych. Niestety, niebieskie światło lasera trudno uzyskać. Stosowane materiały nie są stabilne ani temperaturowo, ani odporne na upływ czasu. Badania w tym zakresie cały czas trwają. Szczerze mówiąc, trwa właściwie wyścig - kto pierwszy zbuduje działający, stabilny i nadający się do masowej produkcji niebieski laser na bazie azotku galu, ma szanse na fortunę. Według prognoz firmy badawczej Strategies Unlimited, sprzedaż aparatury wykorzystującej technologię niebieskiego lasera osiągnie w roku 2008 wartość 100 mld dolarów. Rządowe szacunki mówią, że polskie firmy mogą z tego uszczknąć zaledwie jakieś 2 mld dolarów. Bo przecież w tym wyścigu nie brak i polskich akcentów. Zespół kierowany przez profesora Sylwestra Porowskiego z Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN uzyskał na pewnym etapie doskonałe wyniki, niestety, zabrakło 30-40 mln złotych. Taka kwota była niezbędna, żeby powstał produkt komercyjny. Komitet Badań Naukowych i prywatni inwestorzy zdołali zgromadzić łącznie około 24 mln złotych. Ostatecznie prawo do wykorzystania polskiego niebieskiego lasera zdobył w ramach projektu offsetowego koncern Lockheed Martin za śmieszną kwotę, 3 mln dolarów.

Japońska firma Nichia prowadzi od lat pionierskie badania nad niebieskim laserem, uzyskując przy tym niejako po drodze liczne patenty. To z kolei prowadzi do rozlicznych sporów o prawa do patentów z firmami i konsorcjami, które chciałyby wprowadzić niebieski laser na rynek. Po sześciu latach sporów udało się doprowadzić do ugody między firmą Nichia a firmą Toyoda -też z Japonii. Na razie napędy i nośniki korzystające z niebieskiego lasera sprzedaje... Sony.

Błękitne wariacje

W trakcie odczytu za rozpoznanie wzoru odpowiada zwykle układ CCD

W trakcie odczytu za rozpoznanie wzoru odpowiada zwykle układ CCD

W segmencie napędów DVD z niebieskim laserem zapewne znów pojawią się różne formaty i walka o prymat na rynku. Firma Plasmon ( http://www.plasmon.com ) chce umieścić na płycie o wymiarach DVD 30 GB danych i uzyskać transfer 8 MB/s, korzystając z technologii Ultra Density Optical (UDO). Przyszłe generacje tej technologii mają zapewniać pojemności 60 i 120 GB. Plasmon pracuje nad nośnikami i napędami we własnym zakresie; firma przeznaczyła na badania 25 mln dolarów. W pewnym okresie w pracach brały udział firmy Sony i HP. Sony współpracuje również z Hitachi, Philipsem i innymi firmami nad technologią Blue ray Disc (BD)o pojemności nośnika 27 GB. Nośniki BD nie są kompatybilne z dotych czasowymi mediami DVD. Podsta wowa licencja na BD ma kosztować 20 tysięcy dolarów, a licencja na ochronę treści - 120 tysięcy dolarów rocznie i 10 centów od napędu.

Producenci mediów mieliby płacić 8 tysięcy dolarów rocznie i 2 centy od płyty. Sony poinformował w grudniu 2003 roku o dostępności napędów DVD z niebieskim laserem i odpowiednich płyt o pojemności 23,3 GB. Transfer wynosi 9 MB/s.

Napęd ma kosztować około 3 tysię cy dolarów, a płyta - 45 dolarów. Toshiba i NEC propagują własny for mat - Advanced Optical Disc (AOD). Pojemność płyty wynosi od 15 do 20 GB. Sanyo również nie pozostaje w tyle - proponuje płyty o pojemności od 25 do 30 GB. Firmy Hitachi i Maxwell idą inną drogą. Proponu ją płyty składające się maksymalnie z 200 warstw, mogące pomieścić do 1 TB danych. Poszczególne warstwy są przezroczyste. Warstwa aktywna przebarwia się na niebiesko, gdy zo stanie do niej przyłożone napięcie. Nośniki wielokrotnego zapisu i odpowiednie napędy powinny się pojawić się na rynku w roku 2007.

Historia holograficznych technik pamięci masowych

Gdy wiązka sygnałowa trafi na zmodulowany obraz, powstanie wiązka referencyjna.

Gdy wiązka sygnałowa trafi na zmodulowany obraz, powstanie wiązka referencyjna.

Prace nad holograficznymi technikami pamięci masowych trwają od około czterdziestu lat, szczególnie w firmie IBM (centrum badawcze Almaden). W latach dziewięćdziesiątych rząd amerykański przekazał za pośrednictwem DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) miliony dolarów na badania. Ta sama agencja jest "odpowiedzialna" za powstanie pierwowzoru Internetu.

Przed trzema laty czasopismo "Scientific American" przepowiadało holograficznym systemom pamięci masowych wielką przyszłość. Wydaje się, że ten moment właśnie nadchodzi. Początkowo jednak na pewno nie będzie to produkt masowy. Szczególnie aktywne są dwie amerykańskie firmy: Aprilis (wydzielona z firmy Polaroid) oraz InPhase (założona przez firmę Lucent przy wsparciu firmy Imation). Nośniki tych firm testowane są obecnie przez wszystkich liczących się producentów systemów pamięci masowych.

Holograficzne techniki pamięci masowych

Wzór interferencyjny dulacja światła (SLM) Hologram powstaje w wyniku interferencji (nałożenia się) dwóch wiązek światła. Obie powstają najczęściej w wyniku optycznego podziału jednej wiązki z tego samego lasera.

Zasada działa w obie strony i pozwala odtworzyć wiązkę sygnałową.

Zasada działa w obie strony i pozwala odtworzyć wiązkę sygnałową.

Jedna wiązka, tak zwana sygnałowa, zawiera odwzorowanie obiektu powstałe w wyniku modulacji, natomiast druga, tak zwana referencyjna, składa się ze światła spójnego. Modulacja wiązki sygnałowej za pomocą obrazu lub wzorca bitowego następuje w przestrzennym modulatorze światła (SLM - Spatial Light Modulator). Jest to na ogół struktura ciekłokrystaliczna, podobna do ekranu TFT. Od pewnego czasu stosuje się również znane z projektorów mikrolustra. Powstający trójwymiarowy wzór interferencyjny zapisywany jest na światłoczułym nośniku. W trakcie zapisu zmienia się jeden z parametrów nośnika: przepuszczalność optyczna, współczynnik załamania światła lub grubość warstwy materiału. Nośnikiem jest najczęściej ciało krystaliczne lub błona polimerowa. Odczyt obrazu polega na oświetleniu nośnika spójnym promieniem światła, identycznym z wiązką referencyjną. W ten sposób pierwotny obiekt zostaje ponownie odwzorowany. Za przetwarzanie obrazu odpowiada zwykle matryca detekcyjna w postaci układu CCD.

Holograficzny zapis danych jest utrudniony przez szkodliwe interferencje, występujące również w teleskopach astronomicznych w przestrzeni kosmicznej. Opracowane na ich potrzeby procedury korekcji błędów znalazły zastosowanie w niemal niezmienionej formie również w holograficznym zapisie danych.

Wariacje holografii

Wszystkie procesy holograficznego zapisu danych są odwracalne. Gdy wiązka referencyjna do odczytu danych trafi na hologram, powstanie obraz. Oświetlenie hologramu światłem modulowanym daje w efekcie wiązkę referencyjną.

W przypadku oświetlenia obrazu od tyłu wiązką referencyjną powstaje przed modulatorem pierwotny obraz (projekcja tylna). Odwzorowanie holograficzne wymaga stosowania drogich, bardzo precyzyjnych soczewek i systemów optycznych. Do odczytu stosuje się projekcję tylną, a ta sama optyka służy zarówno do odczytu, jak i zapisu. Hologram informacji przewidzianej do zapisania można wytworzyć za pomocą luster o zmiennych kątach, fal różnej długości lub za pomocą rozmaitych przesunięć fazowych. Można w ten sposób zapisać na nośniku jednocześnie całe zestawy danych.

Efekt jednoczesnego zapamiętywania wielu obrazów można zaobserwować na przykładzie hologramów na kartach kredytowych - gdy patrzysz na nie pod różnymi kątami, możesz zobaczyć różne obrazy. Szczytowe osiągnięcie w tym zakresie do tej pory to zapis 10 tysięcy obrazów w strukturze ogrubości 1 centymetra.

Media holograficzne

Opierając się na obecnym stanie techniki holograficzne nośniki pamięci o wielkości płyty CD mogłyby pomieścić do około 200 GB przy transferze 20 MB/s. Inaczej niż w przypadku twardego dysku czy taśmy, zapisywany jest cały zestaw danych (strona), a nie szeregowy strumień bitów. Obecnie wielkość takiego zestawu wynosi około 1 MB, a więc w jednym kroku zapisuje się lub odczytuje 1 MB danych.

Właśnie ta cecha umożliwia uzyska nie dużej przepływności danych, niezbędnej w operowaniu wielkimi zbiorami danych.

Jedną z większych przeszkód, hamujących rozpowszechnienie się holograficznych pamięci masowych, jest brak odpowiedniego nośnika. Spore nadzieje rokuje szkło z niewielkimi otworkami wypełnionymi akrylem. Szkło jest materiałem bardzo stabilnym. Większość stosowanych dotychczas polimerów kurczy się podczas obróbki i zniekształca hologram. Szkło wypełnione akrylem kurczy się o mniej niż jeden procent, a więc jest znacznie bardziej stabilne od polimerów. Ponadto szkło może mieć większą grubość, dlatego automatycznie zwiększa się pojemność nośnika.


Zobacz również