Цифровые ГЗУ

Запись и считывание голограммы оптического диска

Запись бинарных данных в  голограмму происходит следующим образом.

Лазерный луч разделяется  на два луча с помощью полупрозрачного  зеркала. Таким образом мы получаем два луча, имеющих абсолютно одинаковую длину волны и поляризацию.

Один из лучей проходит сквозь пространственный световой модулятор  — плоский трафарет, где прозрачные ячейки соответствуют единичным  значениям бита а непрозрачные — нулевым. Далее, информационный луч, фокусируясь линзой, падает на фоточувствительный слой диска. В отличие от описываемого метода, при записи настоящей голограммы луч не фокусируется, что позволяет каждой точке фоточувствительного слоя получить волны от всех точек объекта. При сохранении бинарной информации этого не требуется.

Второй (опорный) луч под  некоторым углом направляется в  ту же область диска, куда падает первый луч, чтобы они пересеклись в  толщине фоточувствительного слоя. Поскольку лучи имеют одинаковую длину волны и поляризацию, то происходит явление интерференции (сложение амплитуд волн), в результате которого в местах, где фазы световой волны совпали, амплитуды волн увеличились  и прожгли фоточувствительный слой.

Если мы представим пересекающиеся световые волны в трехмерном пространстве, то поймем, что двигаясь, они образовывают трёхмерные стоячие волны, которые  прожигают брэгговские плоскости поперёк фоточувствительного слоя. Размер плоскостей определяется размером ячейки трафарета, уменьшенным фокусирующей линзой, толщиной фоточувствительного слоя и углами обоих лучей по отношению к фоточувствительному слою. Они похожи на зеркала разной прозрачности, и при их освещении опорным лучом они частично отражают свет в направлении продолжения бывшего информационного луча, шедшего через фокусирующую линзу от трафарета. В результате с обратной стороны голограммы рассеивается световой фронт картинки трафарета, как будто он идёт непосредственно от него.

Таким образом, считывание данных из голограммы происходит так:

Опорный лазерный луч той  же длины волны и с того же угла, что и при записи, падает на голограмму. Отражаясь от полупрозрачных зеркал, образованных брэгговскими плоскостями голограммы, луч рассеивает с обратной её стороны световой фронт, содержащий сфокусированное изображение трафарета, который был записан на неё ранее.

Рассеянный световой фронт  трафарета фокусируется линзой на массиве  датчиков и переводится в цифровой код. Замечу, что при воспроизведении  настоящей голографии световой фронт  не фокусируют.

Отличие метода поляризованной коллинеарной голографии (Optware) от классической технологии (Inphase Technologies)

 

На одной из выставок Optware показала следующие сравнительные схемы, подчеркнув компактность своего метода:

 

 

 

Однако на деле поляризованная коллинеарная схема выглядит несколько  иначе. На сайте самой Optware опубликована гораздо более сложная схема, тогда как эскиз привода с сайта Inphase Technologies выглядит значительно проще:

 

 

Всё это говорит об очередной  войне стандартов. Схемы привода  и диска от Inphase Technologies объективно выглядят проще для понимания. На первый взгляд, Optware перемудрила со своим методом. Но он даёт определённые плюсы.

 

Например, за счёт того, что  диск не просвечивается насквозь, имеется  возможность в перспективе делать двухстороннее нанесение информации (двусторонний диск), что в 2 раза повысит  его ёмкость. Красный лазер, отвечающий за работу сервопривода (фокусировку) может использоваться для чтения обычных дисков, то есть сохраняется  обратная совместимость устройства с прежними стандартами CD и DVD.

 

Ниже представлена схема  записи голограммы по методу Optware:

 

 

Совмещающий оптический вращатель, состоящий из двух частей и стоящий непосредственно перед линзой, одной частью поворачивает на 45 градусов полярность опорного луча в одну сторону, а другой частью полярность информационного луча в другую сторону, одновременно разделяя эти лучи. В результате, изначально отличающиеся полярностью на 90 градусов лучи, приобретают одинаковую полярность и, как следствие, способность интерферировать друг с другом, что они и делают, пересекаясь после линзы.

Исходя из рисунка, можно сделать вывод, что в методе Optware применено мультиплексирование пикселей одной страницы вместо мультиплексирования самих страниц, как это делается у Inphase Technologies.

 

Чертёж диска Inphase Technologies:

 

 

 

Диск Optware в разрезе:

 

 

Компоненты и материалы (Optware)

К качестве детекторов, считывающих  информацию, проецируемую голограммой, используются КМОП-матрицы, используемые сейчас в некоторых моделях цифровых фотокамер.

Пространственные световые модуляторы, формирующие информационную страницу при записи данных — это  массивы микрозеркал и ферроэлектрических модуляторов, применяющихся в цифровых проекторах и телевизорах.

В качестве материала для  носителя информации использована двухкомпонентная полимерная система. Один из ее компонентов  формирует сетку, где растворен  второй компонент, обладающий светочувствительными свойствами. При записи информации последний под воздействием света  полимеризуется, из-за чего возникает градиент концентрации неполимеризованного компонента, и начинается его диффузия. Результатом всего этого процесса является образование структуры с переменным индексом отражения, колебания которого как раз и несут в себе записанную информацию.

 

Защита данных

 

Объёмное считывание в  корне отличается от считывания компакт-дисков или магнитных носителей. Здесь  нет возможности считать информацию напрямую, как скажем, с компакт-диска, где можно считать точки и  штрихи или с жёсткого диска, где  можно определить положение магнитных  доменов. Здесь всё по-иному, по трёхмерному. Помимо этого, компании InPhase Tech удалось принять на вооружение и несколько методов защиты данных от несанкционированного доступа, причём как физических, так и логических. Каждый диск Tapestry имеет встроенный чип, используемый для хранения карты данных, чем-то напоминающей FAT жёсткого диска. В этой библиотеке хранятся все данные о партициях, формате и положении данных. При установке диска в устройство, прежде всего, производится считывание информации с этого чипа. Если эти данные утеряны, считать информацию будет очень сложно, практически невозможно. Эти карты данных могут быть зашифрованы методом криптования, так что доступ к ним получит только владелец информации. Другое средство защиты - ватермарки, встроенные в диск. Прежде, чем считать данные, потребуется считать и распознать ватермарки, закодированные в носителе. Ещё одно средство защиты - изменение длины волны лазера. Малейшее изменение длины волны лазера позволит защитить данные от считывания другими приводами, на которых установлена другая длина волны. Не зная длины волны, считать данные не получится. Длина волны лазера может изменяться от 403 до 407 нм. Уникальные маркировки так же используются для защиты данных. Чтобы считать эти маркировки, потребуется использовать красный лазер и знать точные адреса хранения этих маркировок. Если не известны их адреса, то считать информацию не получится. По крайней мере, на обычном Tapestry приводе. Так же имеется возможность защитить данные от считывания на другом приводе посредством привязки их к прошивке своего привода. Прошивка может изменять способы записи страниц на диск, положения заголовков и т.д. и т.п. На плате электроники привода располагается модуль OTP PROM, способный программироваться пользователем. Этот блок при записи обращается к разным частям прошивки привода и считывает оттуда идентификаторы, используемые при записи. Вскрыть эту защиту практически невозможно, так что если вы хотите "привязать" ваши данные именно к вашему приводу Tapestry, вы сможете это сделать. Последний, наиболее эффективный метод защиты данных - фазовая маска. Суть её заключается в том, что привод может накладывать определённую маску на пути лазерного луча, несущего данные. Эта маска потребуется как при записи, так и при считывании данных. После применения фазовой маски считать данные на стандартных приводах уже не получится. Эту функцию можно установить на некоторых приводах по заказу без увеличения стоимости продукта. Каждая маска уникальна, она получается с использованием генератора случайных чисел и повторить её не удастся. Таким образом, хранение информации на голографических дисках Tapestry гарантирует защиту информации от несанкционированного доступа.

Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гигабайтные диски со скоростью 20 Мб/с. В скором времени компания InPhase Tech обещает достигнуть ёмкости 1.6 Тб и скорости записи 120 Мб/с. Время хранения данных на одном диске составляет не менее 50 лет, то есть эти диски очень долговечны, особенно по сравнению со стримерными картриджами. Интересно отметить, что на фоне очередной волны увеличивающегося интереса к голографическим методам записи своеобразной альтернативой сегодня выступает идея многослойных дисков (до 20 слоев) с использованием отработанных технологий, таких как Blu-ray. В этом направлении активно работают Sharp и Canon, которые уже показали двухслойные прототипы, способные хранить до 50 GB данных. Это, конечно, по сути, экстенсивный подход, но он позволяет со временем достичь все того же желанного 1 TB на базе апробированных и массовых технологий.

 

Материалы для записи голографической информации.

Одна из главных проблем  в области хранения голографической  информации - создание подходящих материалов для записи. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фоточувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену. Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве - фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние (рис. 5).

 

Генетически модифицированный бактериальный белок может позволить  создать более эффективные устройства хранения информации. В отличие от обычных двумерных носителей, голографическая  память позволяет записывать информацию в трёх измерениях. Первые голографические  носители информации уже поступили  на рынок, однако перезапись информации в реальном времени пока для них  недостижима. Американские исследователи  из Университета Коннектикута продемонстрировали возможность создания перезаписываемой голографической памяти, используя  лазеры для записи данных на бактериальных  белках. Новая технология основана на использовании бактериородопсина бактерии Halobacterium salinarum - светочувствительного мембранного белка, вырабатываемого микроорганизмом, когда концентрация кислорода в среде становится опасно низкой. Поглощая квант света, белок претерпевает серию химических превращений, приводящую к "прокачке" протона через мембрану, что создаёт разность электрохимических потенциалов на мембране и позволяет бактерии производить энергию. В течение цепи химических превращений белок проходит через некоторые конфигурации, которые могут быть использованы для создания голографических изображений при освещении. В природных условиях время жизни промежуточных конфигураций чрезвычайно мало: весь цикл длится всего 10-20 миллисекунд. Однако, более ранние исследования продемонстрировали возможность путём освещения красным светом на конечных стадиях цикла перевести белок в состояние, стабильное в течение многих лет - так называемое Q-состояние.

 Для создания голографического  носителя информации приготавливается  суспензия бактериородопсина в полимерном геле. Луч зелёного лазера расщепляется на два, в один из которых кодируются данные, после чего лучи интерферируют в геле. Для считывания данных интерференционная картина освещается одним лучом красного света. Стереть же данные можно синим лазерным лучом. Два луча лазера зелёного цвета создают интерференционную картину в содержащем бактериородопсин полимерном геле, помещённом между двумя стеклянными пластинами.

Рассмотрим элемент цифрового  голографического запоминающего устройства на основе объемной полимерной регистрирующей среды «Диффен», на одном участке которого произведена запись нескольких наложенных голограмм (3-5 голограмм) методом углового мультиплексирования.

По мнению специалистов при  создании систем голографической памяти в настоящее время наиболее развитой и продвинутой является технология записи наложенных голограмм в объемных безусадочных полимерных материалах с  толщиной 1-2 мм.. Разработанный в  последние десятилетия ХХ-го века в Государственном Оптическом институте им. С.И.Вавилова принципиально новый полимерный регистрирующий материал для записи высокоэффективных объемных голограмм на основе органического красителя фенантренхинона также рассматривается специалистами в качестве рабочей среды для систем архивной голографической памяти, а его модификации, несомненно, являются прототипами ряда материалов, используемых современными исследователями. К таким модификациям относится материал «Диффен».

Принцип действия памяти при  использовании технологии записи наложенных голограмм предусматривает работу с отдельными информационными массивами  в формате страниц NхN бит. Таким образом, технология записи наложенных голограмм является «странично-ориентированной».

Возможность независимого считывания каждой из наложенных голограмм обусловлена  таким свойством объемных голограмм  как селективность. Селективность – свойство голограммы, связанное с уменьшением интенсивности дифрагированной (восстановленной) волны (IД) при отклонении условий освещения голограммы от оптимальных, определяемых условием Брэгга. Селективностью обладают только трехмерные голограммы. Двумерные голограммы (как и традиционные плоские дифракционные решетки) неселективны. Различают спектральную селективность голограммы, связанную с изменением длины волны восстанавливающего излучения и угловую селективность, обусловленную изменением пространственного спектра восстанавливающей волны. Максимум интенсивности волны, дифрагированной на объемной элементарной голограмме, наблюдается при угле Брэгга (θБр) и длине волны Брэгга (λБр). При отклонении от условий Брэгга (θ = θБр±δθ и λ = λБр±δλ) интенсивность дифрагированной волны уменьшается (см. рис.).