Pamięci Holograficzne

Pamięci holograficzne
Paweł Preisner
Program prezentacji
•
•
•
•
•
•
•
•
Historia holografii
Najprostsze układy holograficzne
Wymagania stawiane nośnikom informacji
Materiały do rejestracji hologramów w
pamięci holograficznej
Zasada działania pamięci holograficznej
Produkty i projekty
Podsumowanie
Bibliografia
Historia holografii
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1920-Mieczysław Wolfke przedstawia podstawową zasadę wykorzystywaną w
holografii,
1947-Denis Gabor formułuje podstawy teoretyczne holografii,
1960-wynalezienie lasera powoduje dalszy rozwój holografii,
1962-opracowanie mechanizmu produkcji hologramów,
1963-pierwsze zaproponowanie trójwymiarowego zapisu danych przez pracownika
firmy Polaroid,
1964-wykonanie pierwszego hologramu z użyciem lasera,
1965-wykonanie pierwszego hologramu odbiciowego,
1967-hologramy stają się dostępne dla „zwykłych ludzi” i zaczynają się pojawiać na
okładkach książek i czasopism,
1970-zbudowanie pierwszego prototypu pamięci holograficznej,
1971-Denis Gabor otrzymuje Nagrodę Nobla z fizyki za odkrycie zasad holografii,
1974-przedstawienie techniki produkcji hologramów tłoczonych,
1976-powstanie prototypu projektora filmów holograficznych,
1983-pierwsze holograficzne zabezpieczenie karty kredytowej przez firmę
MasterCard International, Inc.
2004-przedstawienie pierwszych nośników holograficznych oraz modułu głowicy
zapisu/odczytu przez firmę Optware.
Najprostsze układy holograficzne
Układ holograficzny do rejestracji obrazu przedmiotu
przeźroczystego
Najprostsze układy holograficzne
Układ holograficzny do odtwarzania hologramu
Najprostsze układy holograficzne
Układ holograficzny do rejestracji obrazu przedmiotu
nieprzeźroczystego
Najprostsze układy holograficzne
Układ do odtwarzania obrazu holograficznego
Wymagania stawiane nośnikom
informacji
• Wysoka czułość ośrodka pamięciowego (zapis
następuje już przy niewielkim natężeniu świata)
• Duża wydajność dyfrakcyjna, czyli zdolnością do
tworzenia wydajnego hologramu (co przekłada się
na możliwość użycia małej mocy światła
odczytującego)
• Duża zdolność rozdzielcza powyżej 1000 linii/mm
• Zdolność do wymazywania informacji i
powtórnego zapisu
Wymagania stawiane nośnikom
informacji
• Duża trwałość zapisanych informacji
• Krótki czas zapisu i kasowania danych
• Zdolność do szybkiego i wielokrotnego zapisu,
odczytu i kasowania bez obniżenia jakości
odczytu
• Nieniszczący odczyt
• Niewrażliwość na oddziaływanie środowiska,
przede wszystkim temperaturę.
• Łatwość produkcji, powtarzalność parametrów,
niska cena
Materiały do rejestracji hologramów
w pamięci holograficznej
•
kryształ niobianu litu z domieszką żelaza – najpopularniejszy,
najpowszechniej stosowany, w czasie naświetlania zachodzi fotorefrakcja,
możliwość wykasowania danych przy jednorodnym oświetleniu lub przy
bezpośrednim nałożeniu nowego obrazu, drogi, mało odporny: dane są
tracone przy wielokrotnym odczycie
•
fotopolimer - nie ulega zmianom fotorefrakcyjnym, lecz przemianie
chemicznej, nadaje się tylko do tworzenia pamięć stałych (ROM), główna
wada: szkodliwe zmiany objętości, które towarzyszą zmianom struktury
pod wpływem interferencji podczas zapisu
•
kryształ o nazwie Tm3+:YAG - kryształ YAG domieszkowany jonami ziem
rzadkich Tm3+, zapis 20Mbit/s, gęstość zapisu 8Gbit\cal kwadratowy,
odczyt 1Gbit/s. Tak duże wartości osiągnięto jednak w dalekich od
domowych warunkach (niskie temperatury, specjalne soczewki itp.) Jest
to rezultat prac naukowców wydziału fizyki University of Oregon.
Materiały do rejestracji hologramów
w pamięci holograficznej
•
W 1994 roku naukowcy firmy InPhase opracowali materiał składający się z
dwóch polimerów. Pierwszy z nich (twardy) tworzy szkielet (przestrzena
siatka), zapewniającej całej konstrukcji odpowiednią sztywność i
niezmienność geometrycznych wymiarów. Drugi, bardziej miękki, wtopiony
jest w tę siatkę i on właśnie pozwala za zapisanie holograficznej informacji.
Wynalazek ten, przypominający tkaninę, stał się kluczem do całego
projektu firmy InPhase.
Zasada działania pamięci
holograficznej-zapis danych
Podczas zapisu dane są przez przestrzenny modulator światła
(SLM) przetwarzane stronicowo na wzór. SLM 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.
Zasada działania pamięci
holograficznej-odczyt danych
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.
Zasada działania pamięci
holograficznej
Konstrukcja napędu obsługującego dyski holograficzne
Produkty i projekty
¾ Aprilis
• Aprilis HMD 120
krążek o średnicy 120mm, umieszczony między dwiema
płytkami szklanymi
pojemność 200 GB
• Aprilis HMC 050
wymiary 50x50 mm
Grubość właściwych nośników wynosi 200 lub 300 µm.
Całkowita grubość wraz z osłoną wynosi 0,6, 1,2 lub 1,55
mm.
Transfer danych dochodzi do 100MB/s
Nośnik-stabilny geometrycznie, duża czułość, po zapisie
materiał jest odporny na światło i utlenianie.
Produkty i projekty
¾ IBM
gęstość zapisu 400 b/µm2
Dla porównania gęstość zapisu w płycie CD wynosi 0,7
b/µm2, zaś płyt DVD 4,5 b/µm2
¾ InPhase
• Tapestry HDS-100R
2002 rok, pojemność płyt 100GB, szybkość odczytu 10 MB/s
• Tapestry HDS-200R
2005 rok, pojemność płyt 200GB, szybkość odczytu 20 MB/s
• Tapestry HDS-300R
2007 rok, pojemność płyt 300GB, cena nagrywarki to 18tyś
dolarów
Produkty i projekty
¾ InPhase cd.
W urządzeniach Tapestry płyta jest wielkości krążka CD,
wykorzystanie niebieskiego lasera λ=407 nm. Jednokrotny zapis,
wielokrotny odczyt, trwałość płyt HDS to około 50 lat.
Firma testuje nośniki wielokrotnego zapisu (tysiąckrotny zapis),
obecnie dysponuje materiałami na bazie azobenzenu, które można
zapisywać od 60 do 80 razy.
Nagrywarka Tapestry HDS-300R
Produkty i projekty
¾ Optware
•
standard HVD
pojemność płyty do 3,9TB
wielkość płyty CD (średnica 12 cm)
Szybkość zapisu i odczytu informacji wynosi zaś 1 GB/s
Małe wymiary napędu HVD–zastosowanie układu holografii współosiowej
Produkty i projekty
¾ Optware cd.
•
Płyta HVD
1. Zielony laser zapisu/odczytu (532nm)
2. Czerwony laser pozycjonujący/adresujący (650nm)
3. Hologram niosący informację
4. Warstwa poliwęglanowa
5. Warstwa fotopolimerowa (z danymi)
6. Warstwy dystansujące
7. Warstwa dichroiczna (zapobiega wzajemnemu rozpraszaniu się wiązek)
8. Aluminiowa warstwa odbijająca
9. Podłoże przezroczyste
P. Pit – wykorzystywany przy
adresowaniu
Podsumowanie
¾ Zalety pamięci holograficznych
•
•
•
•
•
Bardzo duża gęstość zapisu
Krótki czas dostępu do informacji
Odczyt hologramu przez światło odbywa się w trakcie przejścia wiązki
przez materiał, czyli praktycznie w czasie rzeczywistym
Operowanie całym obrazem jako jednostką zapisu informacji, a nie
szeregowy strumień bitów
Zapisywanie danych w trzech wymiarach (hologramy objętościoweodczyt z jednego miejsca, wymagana zmiana kąta)
¾ Problemy, które ciągle są do rozwiązania
•
•
•
•
•
Znalezienie optymalnego nośnika
Miniaturyzacja napędów
Kłopot z powielaniem
Brak kompatybilności
Zmniejszenie kosztów
Podsumowanie
¾Zestawienie parametrów dysków: Optware, Blu-Ray, DVD
Podsumowanie
¾ Perspektywy rozwoju nośników optycznych
Bibliografia
•
•
•
•
•
•
•
•
•
W.T. Cathey – „Optyczne Przetwarzanie Informacji i Holografia
Bernhard Hill – „Pamięci Holograficzne Komputerów”
M. Pluta – „Holografia Optyczna”
http://www.research.ibm.com/journal/rd/443/ashley.html
http://www.inphase-technologies.com/
http://electronics.howstuffworks.com/hvd.htm
http://computer.howstuffworks.com/holographic-memory.htm
http://www.chip.pl
http://www.pcworld.pl