Объемный объем: история технологии голографической записи

Впервые заговорили о возможности хранить информацию в голографических носителях в 1963 году. В то время в компании Polaroid работал ученый Питер Ван Хеерден, именно он первый в мире предложил метод «объемного консервирования» информации.

Хотя в теории все было просто замечательно, и высокие скорости записи/считывания, и огромные объемы, даже для нынешнего времени, но за 42 года никто не смог реализовать производство приводов для голографических дисков и самих дисков, себестоимость которого позвонила бы технологии «войти» в наши дома.

Основной принцип

Принцип действия этой установки заключается в чтении голографического «изображения» в какой-либо газовой среде с помощью лазера.

Само же изображение создается при помощи двух когерентных (одинаковых по всем параметрам, таким как частота, длина волны, фаза и т.д.) лазерных лучей, один из которых несущий, или опорный, и не несет с собой никаких данных, а второй – проходит через модулятор информации, так называемый пространственный модулятор света, после чего при пересечении этих двух лучей в зоне интерференции возникает голографическое изображение, которое и записывается на носитель.

Вся прелесть этого способа хранения информации заключается в том, что данные можно записывать не в двухмерном виде, а в трехмерном. То есть при считывании возникает голограмма, площадь которой больше, чем площадь поверхности носителя, на которую она записана, в несколько раз.

Материальные проблемы

На данный момент ученым из компании IBM удалось достичь плотности размещения данных на носителе в 390 бит/кв. микрон (1 микрон = 0.001 см). Аналогичный параметр для DVD-дисков не превышает 5 бит/кв. микрон.

Достижение довольно впечатляющее, но сейчас активно ведутся работы по поиску материалов для изготовления носителей информации, производство которых позволило бы голографическим приводам «влиться в массы».

Исследования и поиск подходящих материалов активно ведутся и по сей день. Так что о каких-либо стандартах говорить рано. IBM предлагает как неорганические химические соединения, такие как ниобат лития, так и различные полимеры.

Однако в случае с полимерами возникают проблемы по сохранности данных на протяжении относительно длительного времени, связано это с прохождением некоторых химических реакций в таких носителях, вследствие чего теряется записанная информация.

Есть предложение от компании Aprilis использовать силикон с добавлением эпоксидных смол. Этот метод позволяет как производить запись, так и хранить данные более длительное время за счет большей устойчивости материала.

Еще один вариант – это использование материала, в котором вещества, отвечающие за прочность и светочувствительность, отделены друг от друга. Такой метод предлагает нам InPhase Technologies. Аналогичные разработки ведут еще несколько компаний.., но все же гораздо интереснее не теория, а практика.

Первая ласточка

Фирма Optware еще в 2002 году представила общественности первый привод для записи и чтения голографических дисков. Этот привод работает с голографическими дисками Tapestry, разработанными фирмой InPhase Technologies. Диск имеет диаметр 130 мм и основан на технологии фото полимеров.

Носитель заключен в специальном картридже, так как очень чувствителен к обычному свету, и состоит из трех слоев: на стеклянную подложку толщиной 0.5 мм наносится записывающий слой из фото полимеров в 0.2 мм, далее закрывает все это прозрачный защитный слой толщиной 0.5 мм с отражающим покрытием.

Помимо самого диска в картридже хранится чип, в котором записана «карта диска», содержащая информацию о местоположении голограмм с данными.

На один диск можно записать до 200 Гб данных со скоростью до 20 Мб/сек (отсюда можно сделать вывод, что записать даже один диск довольно проблематично по времени, но будем надеяться, что скоро технология значительно улучшится). Количество ошибок не превышает одного бита на миллион.

К 2010 году Optware плавно увеличила объем одного диска до 1.6 Тб, а скорость записи до 120 Мб/сек, время хранения данных на таких дисках будет составило до 50 лет.

Как все это работает?

Итак, давай все же разберемся, как работает устройство, основанное на новой технологии, на примере привода фирмы Optware.

Как говорилось выше, для записи необходимо два луча, информационный и опорный. Здесь мы как раз можем видеть опорный луч (Reference Beam) и информационный луч (Signal Beam), который проходит через пространственный модулятор света (Spatial Light Modulator), где и происходит непосредственное кодирование информации, но, в отличие от классических приводов CD и DVD, здесь информация кодируется сразу довольно большим блоком, а не потоком по одному биту. За счет этого достигаются высокие скорости записи и считывания информации.

Закодированный паттерн (один «кадр» информации) выглядит как шахматное поле, так как состоит из белых и черных точек, которыми, соответственно, и кодируются биты данных. В каждом блоке информации могут быть закодированы миллионы бит, определяется это только разрешающей способностью модулятора. Далее лучи пересекаются и образуют так называемый узор интерференции (Interference Pattern).

После чего в местах наложения опорного луча и луча, прошедшего через белые пятна модулятора, на носителе происходит химическая реакция и остается след. Соответственно, там, где информационный луч не достиг носителя (из-за черного пятнышка на модуляторе), реакции не будет, и следа тоже.

Изменяя длину волны луча, угол его падения и положение носителя можно записывать информацию на один и тот же участок носителя. Этот способ, позволяющий хранить множество голограмм в одном и том же месте, был назван мультиплексированием. Такой метод позволяет значительно увеличить плотность записи данных.

Для чтения же достаточно только одного луча – опорного.

Падая на носитель информации под тем же углом и имея длину волны, идентичную длине волны луча, которым была сделана запись, опорный лазер отражает голограмму, воссоздает записанную матрицу белых и черных пятен и проецирует ее на специальный чувствительный элемент, который способен считать информацию сразу со всей картинки, благодаря чему достигается высокая скорость считывания данных.

Как скрестить три лазера?

Проблема фокусировки двух лучей на носитель является довольно сложной – необходима отдельная оптическая система для каждого луча, а соответственно и громоздкая считывающая/записывающая головка. Фирма Optware нашла довольно оригинальный способ обойтись всего лишь одной линзой для фокусировки сразу трех лучей.

Третий луч необходим для фокусировки оптики на диске, а заодно был приспособлен для чтения обычных CD и DVD, что далеко нелишне для совместимости. Весь фокус заключается в том, что лучи поляризуются в плоскостях, развернутых относительно друг друга на 90 градусов, и друг другу не мешают, так что оба луча проходят через одну линзу вместе, после чего смешиваются на специальном устройстве, тоже разработанном специалистами из Optware – расщепителе поляризованного светового пучка (PBS).

Это позволяет использовать практически такую же фокусирующую систему, как и в обычных приводах CD. Все вместе Optware назвали поляризованной коллинеарной голографией.

Луч от зеленого лазера (Green Laser), с базовой длиной волны 532 нм, проходит через полупрозрачное зеркало, расщепляясь на 2 луча, причем оба луча когерентны друг другу, то есть имеют одинаковые свойства (что нам и нужно).

Один из них становится опорным, и поляризуется необходимым нам способом (плоскости поляризации опорного и информационного лучей должны располагаться под углом в 90 градусов относительно друг друга), проходя через фазовую пластинку (Phase Plate).

Второй же становится информационным, проходя через модулятор (DMD). После чего они через систему зеркал поступают на линзу и, фокусируясь, создают необходимую голографическую картину на носителе. Так осуществляется запись в этом устройстве.

Для ясности стоит сказать пару слов о поляризации лучей. Световой луч, скажем, от того же зеленого лазера в нашем приоре выглядит как синусоидальная поперечная волна, то есть колебания происходят поперек вектора распространения. Так вот в обычном луче эти колебания располагаются в произвольных плоскостях, проходящих через вектор направления, – получается этакая мешанина.

При поляризации луч обычно пропускается через некоторые материалы, поглощающие все его волны, кроме находящихся в какой-либо одной плоскости. После чего мы и получаем поляризованный свет, все поперечные колебания которого находятся только в одной плоскости. Если на его пути поставить еще одну поляризационную пластину и начать ее вращать, то на выходе мы будем наблюдать изменение интенсивности излучения в зависимости от угла поворота пластины к плоскости поляризации луча, соответственно от полного прохождения до полного поглощения.

Для чтения информации подается только опорный луч, а голографическая картинка отражается обратно через линзу и системой зеркал направляется на сенсор (CMOS Sensor). Последний, в свою очередь, переводит эту картинку обратно в цифровой вид.

Причем происходит это опять же довольно большим блоком данных, точнее говоря, таким же, как и при записи, поэтому и возможно достижение столь высоких скоростей чтения. Здесь в роли такого сенсора выступают матрицы элементов, аналогичные матрицам в фотоаппаратах, только измененные под определенный световой поток, поступающий на них.

Также красный лазер (Red Laser) с длиной волны – 650 нм, и его приемник (Photo Detector). Луч этого лазера, как было написано выше, необходим в основном для фокусировки оптики посредством работы оптического сервопривода (Optical Servo) на носителе. Помимо этого планируется обеспечить совместимость привода с CD и DVD носителями, как раз за счет этого блока.

Кроме того, планируется возможность записи каких-либо данных на поверхность диска методом «обычной» оптической записи (скорее всего, DVD). Эти области могут быть использованы, например, в целях повышения защиты данных от несанкционированного доступа или для какой-либо служебной информации и т.д.

И снова о защите

Новый принцип хранения информации предоставляет довольно широкие возможности для защиты этой информации от несанкционированного доступа. Как говорилось выше, в дисках к приводу от Optware применяется чип, на котором хранится информация о записанных данных (где записаны, как записаны и т.д.).

Без этой информации считать информацию с голографического носителя практически невозможно, следовательно, можно применить, например, шифрование данных этого чипа. Для невозможности чтения на других приводах можно изменить длину волны (может быть выбрана произвольно в пределах от 403 нм до 407 нм).

Есть возможность установки фазовой маски, которая определенным способом изменяет данные, соответственно, она необходима как при записи, так и при чтении.

Добро пожаловать в матрицы

Многие решения стало возможным использовать благодаря развитию технологий в других областях. Так, например, CMOS-матрицы активно разрабатываются для цифровой фото- и видеотехники, полупроводниковые лазеры массово применяются в обычных приводах CD и DVD.

В роли модулятора для информационного луча фирма Optware применила микро зеркальные матрицы (DMD), развитию которых активно способствуют рост популярности ультрапортативных мультимедиа проекторов. На данный момент это практически идеальные модуляторы, они имеют высокое разрешение – порядка одного миллиона пикселей и высокую скорость работы – около 2000 кадров в секунду. Таких параметров хватит еще довольно надолго – теоретическая скорость модулирования информации такой матрицей составляет около 2 Гб/сек.

Пара «но» вдогонку

В заключение вынужден добавить ложку дегтя в бочку меда. Даже после стольких исследований никому пока что не удалось добиться возможности перезаписи информации на носителях, а следовательно, и ее изменения. В виду этого такой принцип хранения информации остается использовать лишь в довольно узких областях, таких как хранение больших объемов данных, которые не будет необходимости модернизировать.

Стоит также добавить, что представленный в 2002 году на выставке привод даже не функционировал – Optware заявила, что это, скорее, недействующий полуфабрикат, чем макет.

Еще один существенный недостаток – это цена, особенно в совокупности с невозможностью внесения изменений в записанные данные, на данный момент гораздо выгоднее использовать традиционные способы хранения информации, например, жесткие диски.

Однако производители настроены оптимистично, Optware обещает запустить в серийное производство голографические приводы уже в этом году, а в следующем – добиться снижения цен до разумных для рядового пользователя пределов. Правда, они заявляли о выпуске этих устройств в серию еще в 2003 году, но, как видно, чего-то у них там не срослось. Очередные обещания выданы, так что подождем – увидим.

Ждать, правда, придется довольно долго – после выпуска любых новых устройств в серию, а тем более устройств, основанных на совершенно новых технологиях, проходит довольно много времени продаж их по весьма завышенным ценам, чтобы «отбить» затраты на освоение этих самых технологий. И еще неизвестно, когда можно будет использовать голографические приводы с достаточной рентабельностью, да и вообще, когда они станут хотя бы доступны для бытового применения в Hi-End-системах.

Но все же будем надеяться на лучшее, неспроста же столько гигантов индустрии взялись за эту проблему. Все же что-нибудь у них да должно получиться.

Если нам очень повезет, то устройства на основе голографической записи заменят нам и такие носители в ПК, как жесткие диски, технологии которых не менялись уже слишком давно (и вряд ли изменятся), да и плотность записи тоже ограничивается определенными физическими показателями магнитных дисков. Как говорится, выше головы не прыгнешь. Но пока что все это остается не более чем домыслами.

Оцените статью
GPS