Користувач:Olga Slobodyan/Об'ємна оптична пам'ять

3D-оптичне зберігання даних - це будь-яка форма оптичного зберігання даних, в якій інформацію можна записувати чи читати з тривимірною роздільною здатністю (на відміну від двовимірної роздільної здатності, яку надає, наприклад, CD).

Ця інновація має потенціал забезпечити масове зберігання на рівні петабайт на дисках DVD (120 мм). Запис даних і перепрограми досягаються фокусуванням лазерів у середовищі. Однак через об'ємну природу структури даних, лазерне світло має проходити через інші точки даних, перш ніж воно досягне точки, де бажане читання або запис. Тому необхідна певна нелінійність для того, щоб ці інші точки даних не заважали адресації потрібної точки.

Жоден комерційний продукт на основі 3D-оптичного зберігання даних поки що не надійшло на масовий ринок, хоча кілька компаній активно розвивають технологію і стверджують, що вона може стати доступною "незабаром".

Огляд

Поточні оптичні носії інформації, такі як компакт-диск та DVD, зберігають дані у вигляді серії відбиваючих позначок на внутрішній поверхні диска. Щоб збільшити ємність зберігання даних, на дисках можна утримувати два або навіть більше цих шарів даних, але їх кількість сильно обмежена, оскільки адресаційний лазер взаємодіє з кожним шаром, який він проходить на шляху до і з адресованого шару. Ці взаємодії викликають шум, що обмежує технологію приблизно 10 шарами. 3D-оптичні методи зберігання даних обходять цю проблему, використовуючи методи адресації, коли лише спеціально адресований воксель (об'ємний піксель) суттєво взаємодіє з адресаційним світлом. Це обов'язково включає нелінійні методи зчитування та запису даних, зокрема нелінійну оптику.

3D-оптичне зберігання даних пов'язане (і конкурує з) голографічним зберіганням даних. Традиційні приклади голографічного зберігання не стосуються третього виміру і тому не є строго "3D", але останнім часом 3D-голографічне зберігання було реалізовано за допомогою мікроголограм. Багатошарова технологія вибору шару (де багатошаровий диск має шари, які можна активувати індивідуально, наприклад електричним шляхом) також тісно пов'язані.

Схематичне зображення перерізу через 3D-оптичний диск для зберігання (жовтий) уздовж доріжки даних (помаранчеві позначки). Видно чотири шари даних, в даний час лазер звертається до третього зверху. Лазер проходить через перші два шари і взаємодіє лише з третім, оскільки тут світло знаходиться з високою інтенсивністю.

Як приклад, прототипічна 3D-система оптичного зберігання даних може використовувати диск, схожий на прозорий DVD. Диск містить багато шарів інформації, кожен на різній глибині носія, і кожен складається з DVD-подібної спіральної доріжки. Для запису інформації на диск лазер підводиться до фокусу на певній глибині носія, який відповідає певному інформаційному шару. Коли лазер включений, він викликає фотохімічну зміну середовища. Коли диск крутиться і головка читання/запису рухається по радіусу, шар записується так само, як записаний DVD-R. Глибина фокусування може бути змінена та записаний зовсім інший рівень інформації. Відстань між шарами може становити від 5 до 100 мікрометрів, що дозволяє зберігати > 100 рівнів шарів інформації на одному диску.

Для зчитування даних (у цьому прикладі) використовується аналогічна процедура, тільки замість того, щоб викликати фотохімічну зміну носія лазер викликає флуоресценцію. Це досягається, наприклад, за допомогою меншої потужності лазера або іншої довжини хвилі лазера. Інтенсивність або довжина хвилі флуоресценції відрізняється залежно від того, чи було написано на носій у той момент, і тому вимірюючи випромінюване світло, дані зчитуються.

Розміри окремих хромофорних молекул або фотоактивних кольорових центрів значно менші за розмір фокусу лазера (який визначається межею дифракції). Отже, світло звертається до великої кількості (можливо, навіть 10⁹) молекул у будь-який час, тому середовище виступає як однорідна маса, а не матриця, структурована положенням хромофорів.

Історія

Витоки поля сягають 1950-х років, коли Єгуда Хіршберг розробив фотохромні спіропірани та запропонував їх використання у зберіганні даних. У 1970-х Валерій Барачевський продемонстрував що цей фотохромізм може бути викликаний двофотонним збудженням, і, нарешті, наприкінці 1980-х Петро М. Ренцепіс показав, що це може призвести до тривимірного зберігання даних. Більшість розроблених систем певною мірою базуються на оригінальних ідеях Ренцепіса. Досліджено широкий спектр фізичних явищ для зчитування та запису даних, розроблено та оцінено велику кількість хімічних систем для середовища, проведено велику роботу щодо вирішення проблем, пов'язаних з оптичними системами, необхідними для читання та запису даних. В даний час кілька груп продовжують працювати над рішеннями різного рівня розвитку та зацікавленості у комерціалізації.

Процеси створення письмових даних

Запис даних у 3D-оптичному носії інформації вимагає, щоб у середовищі відбулася зміна після збудження. Ця зміна, як правило, є певною фотохімічною реакцією, хоча існують й інші можливості. Хімічні реакції, які були досліджені, включають фотоізомеризацію, фотокомпозиції та фотобеління та ініціацію полімеризації. Найбільш дослідженими були фотохромні з'єднання, які включають азобензолу, спіропірани, стильб, фульгіди і діарілетени. Якщо фотохімічна зміна є оборотною, то, в принципі, можна досягти перезаписуваного зберігання даних. Також технічно здійсненне багаторівневе записування, де дані записуються у "градаціях сірого", а не як "увімкнено" та "вимкнено".

Написання нерезонансного багатофотонного поглинання

Хоча існує багато нелінійних оптичних явищ, лише багатофотонне поглинання здатне вводити в носій значну енергію, необхідну для збудження в електронній формі молекулярних видів і викликати хімічні реакції. Двофотонне поглинання на сьогодні є найсильнішим багатофотонним поглинанням, але все-таки це дуже слабке явище, що призводить до низької чутливості до медіа. Тому багато досліджень спрямовано на забезпечення хромофорів з високими двофотонними поперечними перерізами поглинання.

Написання двофотонним поглинанням може бути досягнуто фокусуванням лазерного письма на точку, де потрібен процес фотохімічного запису. Довжина хвилі записуючого лазера обрана такою, що він не лінійно поглинається середовищем і тому не взаємодіє з середовищем, крім як у фокусі. У фокусі двухфотонная поглинання стає значним, тому що це нелінійний процес, який залежить від квадрата флюенса лазера.

Запис двофотонним поглинанням також може бути досягнуто дією двох лазерів за збігом. Цей метод, як правило, використовується для досягнення одночасного запису інформації. Один лазер проходить через носій, визначаючи лінію або площину. Потім другий лазер спрямовується на точки на тій лінії або площині, на яку бажано записати. Збіг лазерів у цих точках збудив двофотонне поглинання, що призвело до написання фотохімії.

Написання послідовним багатофотонним поглинанням

Іншим підходом до покращення чутливості до середовища є використання резонансного поглинання двох фотонів (також відомий як "1+1" або "послідовне" двофотонне поглинання). Нерезонансне двофотонне поглинання (яке зазвичай використовується) є слабким, оскільки для того, щоб збудження відбулося, два хвилюючі фотони повинні надходити на хромофор майже в один і той же час. Це тому, що хромофор не в змозі взаємодіяти з одним фотоном самостійно. Однак, якщо хромофор має енергетичний рівень, що відповідає (слабкому) поглинанню одного фотона, то це може бути використане як трамплін, що забезпечує більше свободи у часі надходження фотонів і, отже, набагато більшу чутливість. Однак такий підхід призводить до втрати нелінійності порівняно з нерезонансним поглинанням двох фотонів (оскільки кожен етап поглинання двох фотонів є по суті лінійним), а отже, ризикує поставити під загрозу 3D-роздільну здатність системи.

Мікроголографія

У мікроголографії сфокусовані промені світла використовуються для запису голограм розміру субмікрометра у фоторефракційному матеріалі, як правило, за допомогою колінеарних променів. Процес написання може використовувати ті самі типи носіїв, які використовуються в інших типах зберігання голографічних даних, і може використовувати двофотонні процеси для формування голограм.

Запис даних під час виготовлення

Дані також можуть створюватися при виготовленні носіїв, як у випадку більшості форматів оптичних дисків для комерційного поширення даних. У цьому випадку користувач не може записати на диск - це формат ROM. Дані можуть бути записані нелінійно-оптичним методом, але в цьому випадку використання лазерів дуже високої потужності є прийнятним, тому чутливість до середовища стає менш важливою.

Продемонстровано також виготовлення дисків, що містять дані, сформовані або надруковані у їх 3D-структурі. Наприклад, диск, що містить дані в тривимірному форматі, може бути сконструйований шляхом скріплення великої кількості вафельних дисків, кожен з яких формується або друкується з одного шару інформації. Потім отриманий диск ROM може бути прочитаний за допомогою методу 3D-читання.

Інші підходи до письма

Були також вивчені інші методики запису даних у тривимірному вимірі, зокрема:

Стійке горіння спектрального отвору (PSHB), що також дозволяє можливість спектрального мультиплексування для збільшення щільності даних. Однак, для уникнення втрати даних, PSHB-носій потребує підтримання надзвичайно низьких температур.

Утворення порожнеч, де мікроскопічні бульбашки вводяться в середовище високим інтенсивним лазерним опроміненням.

Хромофорне полірування, де лазерна переорієнтація хромофорів у структурі носія призводить до читабельних змін.

Процеси зчитування даних

Зчитування даних з 3D-оптичної пам'яті здійснювалося різними способами. Хоча деякі з них покладаються на нелінійність взаємодії світло-речовина для отримання тривимірної роздільної здатності, інші використовують методи, які просторово фільтрують лінійну реакцію носія. Методи читання включають:

Два поглинання фотона (в результаті відбувається або поглинання, або флуоресценція). Цей метод є по суті двофотонною мікроскопією.

Лінійне збудження флуоресценції з конфокальним виявленням. Цей метод є по суті конфокальною лазерною скануючою мікроскопією . Він пропонує збудження з набагато меншими потужностями лазера, ніж двофотонне поглинання, але має деякі потенційні проблеми, оскільки адресаційне світло взаємодіє з багатьма іншими точками даних, крім того, до якого звертається.

Вимірювання невеликих різниць показника заломлення між двома станами даних. Цей метод зазвичай використовує фазоконтрастний мікроскоп або конфокальний відбивний мікроскоп. Не потрібно поглинання світла, тому немає ризику пошкодження даних під час читання, але необхідна невідповідність показника заломлення на диску може обмежувати товщину (тобто кількість шарів даних), до якої носій може досягти завдяки накопиченому випадковому фронту хвилі помилки, що руйнують якість зосередженої плями.

Генерація другої гармоніки була продемонстрована як метод зчитування даних, записаних в полімерну матрицю з полюсом.

Оптична когерентна томографія також була продемонстрована як метод паралельного зчитування.

Медіа дизайн

Активна частина 3D-оптичних носіїв зберігання зазвичай є органічним полімером або легованим, або прищепленим фотохімічно активними видами. В якості альтернативи використовувались кристалічні та золь-гелеві матеріали.

Фактор форми медіа

Носії для 3D-оптичного зберігання даних пропонуються у кількох форм-факторах: диск, карта та кристал.

Дисковий носій пропонує прогресування від CD/DVD та дозволяє читання та запис здійснюватись за звичним методом обертання дисків.

Носій форми фактору кредитної картки привабливий з точки зору портативності та зручності, але має меншу ємність, ніж диск.

Кілька авторів наукової фантастики запропонували невеликі тверді речовини, які зберігають величезну кількість інформації, і, принаймні, в принципі цього можна досягти за допомогою 5D оптичного зберігання даних .

Виробництво засобів масової інформації

Найпростіший спосіб виготовлення - лиття диска в одне ціле - це можливість для деяких систем. Більш складний спосіб виготовлення носіїв полягає в тому, що носії повинні створюватися шар за шаром. Це необхідно, якщо дані повинні бути фізично створені під час виробництва. Проте, послойная конструкція не обов'язково означає злиття декількох шарів разом. Іншою альтернативою є створення носія в формі, аналогічній рулону клейкої стрічки.

Дизайн приводу

Диск, призначений для читання та запису в 3D-оптичні носії для зберігання даних можуть мати багато спільного з приводами CD/DVD, особливо якщо фактор форми та структура даних носія подібні до CD або DVD. Однак існує ряд помітних відмінностей, які необхідно враховувати при проектуванні такого накопичувача.

Лазерний

Особливо, коли використовується двофотонне поглинання, можуть знадобитися потужні лазери, які можуть бути об'ємними, важко охолоджувати та створювати проблеми безпеки. Існуючі оптичні приводи використовують безперервні діодні лазери, що працюють на 780 нм, 658 нм, або 405 нм. 3D-оптичні накопичувачі можуть вимагати твердотільних лазерів або імпульсних лазерів, і в декількох прикладах використовується довжина хвилі, легко доступна цими технологіями, наприклад 532 нм (зелений). Ці великі лазери можуть бути важко інтегруватися в головку оптичного приводу.

Змінна корекція сферичної аберації

Оскільки система повинна вирішувати різні глибини в середовищі, а на різних глибинах сферична аберація, індукована на хвилі фронту, є різною, необхідний метод динамічного обліку цих відмінностей. Існує багато можливих методів, які включають оптичні елементи, які замінюють і виходять з оптичного шляху, рухомі елементи, адаптивну оптику та занурювальні лінзи.

Оптична система

У багатьох прикладах 3D-оптичних систем зберігання даних використовується кілька довжин хвиль (кольорів) світла (наприклад, лазер для читання, лазер для запису, сигнал; іноді для запису потрібні навіть два лазера). Тому, як і впораючись з високою потужністю лазера та змінною сферичною аберацією, оптична система повинна комбінувати та розділяти ці різні кольори світла за потребою.

Виявлення

У DVD-накопичувачах сигнал, що видається з диска, є відображенням адресаційного лазерного променя, і тому є дуже інтенсивним. Для 3D-оптичного зберігання сигнал повинен генеруватися в межах крихітного гучності, на яку адресовано, і тому він набагато слабший, ніж лазерне світло. Крім того, флуоресценція випромінюється в усіх напрямках від адресованої точки, тому для максимізації сигналу необхідно використовувати спеціальну оптику збору світла.

Відстеження даних

Після того, як вони будуть ідентифіковані вздовж осі z, окремі шари даних, подібних до DVD, можуть бути доступні та відстежені аналогічно DVD-дискам. Також продемонстрована можливість використання паралельної або на основі сторінки адресації. Це дозволяє набагато швидше швидкості передачі даних, але вимагає додаткової складності просторових модуляторів світла, формування сигналів, більш потужних лазерів та більш складної обробки даних.

Питання розвитку

Незважаючи на надзвичайно привабливий характер 3D-оптичного зберігання даних, розробка комерційної продукції зайняла значну тривалість часу. Це зумовлено обмеженою фінансовою підтримкою на місцях, а також технічними питаннями, включаючи:

Руйнівне читання. Оскільки і зчитування, і запис даних здійснюються лазерними променями, є можливість процесу читання викликати невелику кількість запису. У цьому випадку повторне зчитування даних може врешті служити для їх видалення (це також відбувається в матеріалах із зміни фази, які використовуються на деяких DVD-дисках). Це питання було вирішено багатьма підходами, такими як використання різних смуг поглинання для кожного процесу (читання і запис) або використання методу читання, який не передбачає поглинання енергії.

Термодинамічна стійкість. Багато хімічних реакцій, схоже, не відбуваються насправді, відбуваються дуже повільно. Крім того, багато реакцій, які, здається, відбулися, можуть повільно змінювати себе. Оскільки більшість 3D-носіїв ґрунтуються на хімічних реакціях, то існує ризик, що або неписані точки повільно стануть написаними, або ж написані точки повільно повернуться до неписаних. Ця проблема є особливо серйозною для спіропіранів, але було проведено широке дослідження з метою пошуку більш стійких хромофорів для 3D-пам’яті.

Медіачутливість. Двофотонне поглинання є слабким явищем, тому для його виробництва зазвичай потрібні лазери високої потужності. Як правило, дослідники використовують ти-сапфірові лазери або Nd: YAG-лазери для досягнення збудження, але ці інструменти не підходять для використання у споживчих продуктах.

Академічний розвиток

Значна частина розвитку 3D-оптичного зберігання даних проводилася в університетах. До груп, які дали цінний внесок, належать:

• Пітер Т. Ренцепіс був автором цього напряму, і нещодавно розробив матеріали, що не мають руйнівного зчитування.
• Watt W. Webb розробив двофотонний мікроскоп у Bell Labs і показав 3D-запис на фоторефракційних носіях.
• Масахіро Ірі розробив сімейство фотохромних матеріалів діарілетену.
• Йосімаса Кавата, Сатоші Кавата та Зуеїр Секкат розробили і працювали над декількома оптичними системами маніпулювання даними, зокрема із залученням полімерних полімерних систем.
• Кевін С. Белфілд розробляє фотохімічні системи для тривимірного оптичного зберігання даних за допомогою резонансної передачі енергії між молекулами, а також розробляє високоефективні двофотонні матеріали.
• Сет Мардер провів більшу частину ранньої роботи, розробляючи логічні підходи до молекулярної конструкції високих двофотонних хромофорів поперечного перерізу.
• Том Мілстер зробив чималий внесок у теорію 3D оптичного зберігання даних.
• Роберт Маклеод вивчив використання мікроголограм для 3D-оптичного зберігання даних.
• Міні Гу вивчив конфокальне зчитування та методи його посилення.

Комерційний розвиток

На додаток до академічних досліджень, кілька компаній були створені для комерціалізації 3D-оптичного зберігання даних, а деякі великі корпорації також виявили інтерес до технології. Однак поки не ясно, чи вдасться технології досягти успіху на ринку за наявності конкуренції з інших кварталів, таких як жорсткі диски, флеш-пам’ять та голографічне зберігання.

Файл:3D Discs.jpg

Приклади 3D-оптичних носіїв даних. Верхній ряд - написана Call/Recall media; Mempile media. Середній ряд - FMD; D-Data DMD і диск. Нижній ряд - засоби масової інформації Landauer; носії мікроголи в дії.

• Call/Recall була заснована в 1987 році на основі досліджень Пітера Рентзепіса. Використовуючи двухфотонную запис (при 25 Мбіт / с з 6,5 пс, 7 нДж, 532 нм імпульсів), однофотонна зчитування (з 635 нм) і іммерсійну лінзу з високим NA (1,0), вони зберегли 1 ТБ як 200 шарів диску товщиною 1,2 мм. Вони націлені на підвищення пропускної спроможності до > 5 ТБ і швидкості передачі даних до 250 Мбіт/с протягом року шляхом розробки нових матеріалів, а також потужних імпульсних синіх лазерних діодів.
• Mempile розробляють комерційну систему з назвою TeraDisc . У березні 2007 року вони продемонстрували запис та перечитання 100 шарів інформації на диску товщиною 0.6 мм, а також низький перехресний звук, висока чутливість та термодинамічна стабільність. Вони мають намір випустити споживчий продукт червоного лазера 0,6-1,0 ТБ у 2010 році та мати дорожню карту до синього лазерного продукту 5 ТБ.
• Компанія Constellation 3D розробила флуоресцентний багатошаровий диск наприкінці 90-х, який представляв собою диск із ПЗУ, виготовлений пошарово. Компанія зазнала краху в 2002 році, проте інтелектуальну власність (IP) придбала компанія D-Data Inc., яка намагається представити її як цифровий багатошаровий диск (DMD).
• Storex Technologies створена для розробки 3D-середовищ на основі флуоресцентних світлочутливих стекол та склокерамічних матеріалів. Технологія походить від патентів румунського вченого Євгена Павла, який також є засновником і генеральним директором компанії. На конференції ODS2010 були представлені результати щодо зчитування за допомогою двох нефлуоресцентних методів петабайтного оптичного диска.
• Landauer Inc. розробляє носій на основі резонансного двофотонного поглинання в монокристалічному сапфіровому субстраті. У травні 2007 року вони показали запис 20 шарів даних, використовуючи 2 nJ лазерної енергії (405 нм) для кожної позначки. Частота читання обмежена 10 Мбіт / с через термін служби флуоресценції.
• Колосальне зберігання має на меті розробити 3D-голографічну оптичну технологію зберігання, засновану на фотон-індукованому поліруванні електричного поля, використовуючи далекий УФ- лазер, щоб отримати великі покращення щодо поточної ємності даних та швидкості передачі, але поки вони не представили жодного експериментального дослідження або техніко-економічного обґрунтування.
• Microholas працює в Берлінському університеті під керівництвом професора Сюзанні Орліч, і він досяг до 75 записів  шарів мікрохолографічних даних, розділених 4,5 мікрометрами і пропонуючи щільність даних 10   ГБ на шар.
• Технологія 3DCD Pty. ТОВ є університетським спін-оф, створеним для розробки 3D-оптичної технології зберігання на основі матеріалів, визначених Даніелем Дей і Мін Гу.
• Кілька великих технологічних компаній, таких як Fuji, Ricoh та Matsushita, подали заявку на патенти на два фотон-чутливі матеріали для додатків, включаючи 3D-оптичне зберігання даних, однак вони не дали жодних ознак, що розробляють повноцінні рішення для зберігання даних.

Дивіться також

• Подвійний шар
• Список нових технологій