Holographische Datenspeicherung - Holographic data storage

Holographische Datenspeicherung ist eine mögliche Technologie auf dem Gebiet der Hochleistungsdatenspeicher. Während magnetische und optische Datenspeicher darauf angewiesen sind, dass einzelne Bits als unterschiedliche magnetische oder optische Veränderungen auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums gespeichert werden, zeichnet holographische Datenspeicher Informationen über das gesamte Volumen des Mediums auf und ist in der Lage, mehrere Bilder im gleichen Bereich unter Verwendung von Licht in verschiedenen Winkeln.

Während magnetische und optische Datenspeicher Informationen bitweise linear aufzeichnen, ist die holografische Speicherung in der Lage, Millionen von Bits parallel aufzuzeichnen und zu lesen, was höhere Datenübertragungsraten ermöglicht als die herkömmliche optische Speicherung .

Aufnahmedaten

Die holographische Datenspeicherung enthält Informationen unter Verwendung eines optischen Interferenzmusters in einem dicken, lichtempfindlichen optischen Material. Das Licht eines einzelnen Laserstrahls wird in zwei oder mehr separate optische Muster aus dunklen und hellen Pixeln geteilt. Durch Anpassen des Referenzstrahlwinkels, der Wellenlänge oder der Medienposition kann eine Vielzahl von Hologrammen (theoretisch mehrere Tausend) auf einem einzigen Volumen gespeichert werden.

Daten lesen

Die gespeicherten Daten werden durch die Reproduktion des gleichen Referenzstrahls gelesen, der zur Erzeugung des Hologramms verwendet wurde . Das Licht des Referenzstrahls wird auf das lichtempfindliche Material fokussiert, wodurch das geeignete Interferenzmuster beleuchtet wird , das Licht wird an dem Interferenzmuster gebeugt und das Muster auf einen Detektor projiziert. Der Detektor kann die Daten parallel über eine Million Bits gleichzeitig lesen, was zu einer schnellen Datenübertragungsrate führt. Auf Dateien auf dem holografischen Laufwerk kann in weniger als 0,2 Sekunden zugegriffen werden.

Langlebigkeit

Die holografische Datenspeicherung kann Unternehmen eine Methode zur Aufbewahrung und Archivierung von Informationen bieten. Der Ansatz „ Write-Once, Read Many“ ( WORM ) zur Datenspeicherung würde die Inhaltssicherheit gewährleisten und verhindern, dass die Informationen überschrieben oder geändert werden. Hersteller glauben, dass diese Technologie eine sichere Speicherung von Inhalten ohne Beeinträchtigung für mehr als 50 Jahre bieten kann, was die aktuellen Datenspeicheroptionen bei weitem übertrifft . Kontrapunkte zu dieser Behauptung sind, dass sich die Entwicklung der Datenlesetechnologie in den letzten Jahrzehnten alle zehn Jahre geändert hat. Wenn dieser Trend anhält, ist es daher irrelevant, Daten für 50–100 Jahre in einem Format speichern zu können, da Sie die Daten bereits nach zehn Jahren in ein neues Format migrieren würden. Allerdings hat sich in der Vergangenheit die behauptete Langlebigkeit von Speichermedien als wichtiger Indikator für die kurzfristige Zuverlässigkeit von Speichermedien erwiesen. Aktuelle optische Formate – wie CD – werden den ursprünglichen Langlebigkeitsansprüchen (bei Verwendung namhafter Medienhersteller) weitgehend gerecht und haben sich als zuverlässiger kurzfristiger Datenträger erwiesen als die von ihnen verdrängten Disketten- und DAT- Medien.

Verwendete Begriffe

Die Empfindlichkeit bezieht sich auf das Ausmaß der Brechungsindexmodulation , die pro Belichtungseinheit erzeugt wird. Die Beugungseffizienz ist proportional zum Quadrat der Indexmodulation mal der effektiven Dicke.

Der Dynamikbereich bestimmt, wie viele Hologramme in einem einzigen Volumendaten gemultiplext werden können.

Spatial Light Modulators (SLM) sind pixelige Eingabegeräte (Liquid Crystal Panels), mit denen die zu speichernden Daten auf den Objektstrahl gedruckt werden.

Technische Aspekte

Wie andere Medien werden holografische Medien in einmal beschreibbare Medien (bei denen das Speichermedium eine irreversible Änderung erfährt) und wiederbeschreibbare Medien (bei denen die Änderung umkehrbar ist) unterteilt. Über den photorefraktiven Effekt in Kristallen kann eine wiederbeschreibbare holographische Speicherung erreicht werden :

Gegenseitig kohärentes Licht aus zwei Quellen erzeugt ein Interferenzmuster in den Medien. Diese beiden Quellen werden Referenzstrahl und Signalstrahl genannt .
Bei konstruktiver Interferenz ist das Licht hell und Elektronen können vom Valenzband in das Leitungsband des Materials befördert werden (da das Licht den Elektronen Energie zum Überspringen der Energielücke gegeben hat). Die positiv geladenen Leerstellen, die sie hinterlassen, werden Löcher genannt und müssen in wiederbeschreibbaren holographischen Materialien unbeweglich sein. Bei destruktiver Interferenz gibt es weniger Licht und es werden wenige Elektronen gefördert.
Elektronen im Leitungsband können sich im Material frei bewegen. Sie werden zwei gegensätzliche Kräfte erleben, die bestimmen, wie sie sich bewegen. Die erste Kraft ist die Coulomb-Kraft zwischen den Elektronen und den positiven Löchern, von denen sie gefördert wurden. Diese Kraft ermutigt die Elektronen, an Ort und Stelle zu bleiben oder dorthin zurückzukehren, wo sie hergekommen sind. Die zweite ist die Pseudo- Diffusionskraft , die sie dazu ermutigt, sich in Bereiche zu bewegen, in denen Elektronen weniger dicht sind. Wenn die Coulomb-Kräfte nicht zu stark sind, wandern die Elektronen in die dunklen Bereiche.
Unmittelbar nach der Förderung besteht die Möglichkeit, dass ein bestimmtes Elektron mit einem Loch rekombiniert und in das Valenzband zurückkehrt. Je schneller die Rekombinationsrate ist, desto weniger Elektronen haben die Chance, sich in die dunklen Bereiche zu bewegen. Diese Rate beeinflusst die Stärke des Hologramms.
Nachdem einige Elektronen in die dunklen Bereiche gewandert sind und dort mit Löchern rekombiniert sind, entsteht ein permanentes Raumladungsfeld zwischen den Elektronen, die zu den dunklen Flecken wandern, und den Löchern in den hellen Flecken. Dies führt aufgrund des elektrooptischen Effekts zu einer Änderung des Brechungsindex .

Wenn die Informationen aus dem Hologramm abgerufen oder ausgelesen werden sollen , ist nur der Referenzstrahl erforderlich. Der Strahl wird genauso in das Material eingestrahlt wie beim Schreiben des Hologramms. Durch die beim Schreiben entstandenen Indexänderungen des Materials teilt sich der Strahl in zwei Teile. Einer dieser Teile bildet den Signalstrahl nach, in dem die Informationen gespeichert sind. Etwas wie eine CCD- Kamera kann verwendet werden, um diese Informationen in eine brauchbarere Form umzuwandeln.

Hologramme können theoretisch ein Bit pro kubischem Block in der Größe der Wellenlänge des Lichts schriftlich speichern . Licht von einem Helium-Neon-Laser ist beispielsweise rotes Licht mit einer Wellenlänge von 632,8 nm . Mit Licht dieser Wellenlänge könnte ein perfekter holographischer Speicher 500 Megabyte pro Kubikmillimeter speichern. Am äußersten Ende des Laserspektrums könnte ein Fluor- Excimer-Laser bei 157 nm 30 Gigabyte pro Kubikmillimeter speichern. In der Praxis wäre die Datendichte aus mindestens vier Gründen viel geringer:

Die Notwendigkeit, Fehlerkorrekturen hinzuzufügen
Die Notwendigkeit, Unvollkommenheiten oder Einschränkungen im optischen System auszugleichen
Wirtschaftlicher Nutzen (höhere Dichten können unverhältnismäßig mehr kosten)
Einschränkungen der Konstruktionstechnik – ein Problem, dem gegenwärtig bei magnetischen Festplatten begegnet wird, bei dem die Konfiguration der magnetischen Domänen die Herstellung von Platten verhindert, die die theoretischen Grenzen der Technologie vollständig ausnutzen.

Trotz dieser Einschränkungen ist es möglich, die Speicherkapazität unter Verwendung rein optischer Signalverarbeitungstechniken zu optimieren.

Im Gegensatz zu aktuellen Speichertechnologien, die jeweils ein Datenbit aufzeichnen und lesen, schreibt und liest der holografische Speicher Daten parallel in einem einzigen Lichtblitz.

Zweifarbige Aufnahme

Einrichtung für holografische Aufnahme

Bei der zweifarbigen holografischen Aufzeichnung ist der Referenz- und Signalstrahl auf eine bestimmte Wellenlänge (grün, rot oder IR) fixiert und der Sensibilisierungs-/ Taststrahl ist eine separate, kürzere Wellenlänge (blau oder UV). Der Sensibilisierungs-/Gating-Strahl dient der Sensibilisierung des Materials vor und während des Aufzeichnungsvorgangs, während die Informationen über den Referenz- und Signalstrahl im Kristall aufgezeichnet werden. Es wird während des Aufnahmevorgangs intermittierend auf den Kristall gestrahlt, um die Intensität des gebeugten Strahls zu messen. Das Auslesen erfolgt durch Beleuchtung allein mit dem Referenzstrahl. Daher wäre der Auslesestrahl mit einer längeren Wellenlänge nicht in der Lage, die rekombinierten Elektronen aus den tiefen Fallenzentren während des Auslesens anzuregen , da sie das sensibilisierende Licht mit kürzerer Wellenlänge benötigen, um sie zu löschen.

Üblicherweise werden für die zweifarbige holographische Aufzeichnung zwei verschiedene Dotierstoffe benötigt, um Fallenzentren zu fördern, die zu Übergangsmetall- und Seltenerdelementen gehören und für bestimmte Wellenlängen empfindlich sind. Durch die Verwendung von zwei Dotierstoffen würden mehr Fallenzentren im Lithiumniobat- Kristall erzeugt. Es würde nämlich eine flache und eine tiefe Falle geschaffen. Das Konzept besteht nun darin, das sensibilisierende Licht zu verwenden, um Elektronen aus der tiefen Falle weiter vom Valenzband zum Leitungsband anzuregen und dann an den flachen Fallen näher am Leitungsband zu rekombinieren. Der Referenz- und Signalstrahl würde dann verwendet werden, um die Elektronen aus den flachen Fallen zurück zu den tiefen Fallen anzuregen. Die Informationen würden daher in den Tiefenfallen gespeichert. Das Auslesen würde mit dem Referenzstrahl erfolgen, da die Elektronen durch den langwelligen Strahl nicht mehr aus den tiefen Fallen angeregt werden können.

Wirkung des Glühens

Für einen doppelt dotierten Lithiumniobat ( LiNbO ₃ )-Kristall existiert ein optimaler Oxidations-/Reduktionszustand für die gewünschte Leistung. Dieses Optimum hängt von den Dotierungsniveaus der flachen und tiefen Fallen sowie von den Temperbedingungen für die Kristallproben ab. Dieser optimale Zustand tritt im Allgemeinen ein, wenn 95–98 % der tiefen Fallen gefüllt sind. In einer stark oxidierten Probe können Hologramme nicht einfach aufgezeichnet werden und die Beugungseffizienz ist sehr gering. Dies liegt daran, dass die flache Falle vollständig leer ist und die tiefe Falle auch fast frei von Elektronen ist. Bei einer stark reduzierten Probe hingegen sind die tiefen Fallen vollständig gefüllt und die flachen Fallen sind auch teilweise gefüllt. Dies führt zu einer sehr guten Empfindlichkeit (schnelles Aufzeichnen) und einer hohen Beugungseffizienz aufgrund der Verfügbarkeit von Elektronen in den flachen Fallen. Während des Auslesens werden jedoch alle tiefen Fallen schnell gefüllt und die resultierenden Hologramme bleiben in den flachen Fallen, wo sie durch weiteres Auslesen vollständig gelöscht werden. Daher sinkt die Beugungseffizienz nach ausgiebigem Auslesen auf Null und das gespeicherte Hologramm kann nicht fixiert werden.

Entwicklung und Vermarktung

1975 führte Hitachi ein Video-Disc- System ein, bei dem Chrominanz-, Luminanz- und Toninformationen holographisch kodiert wurden. Jedes Bild wurde als Hologramm mit 1 mm Durchmesser auf einer 305 mm Scheibe aufgezeichnet, während ein Laserstrahl das Hologramm aus drei Winkeln auslas.

Entwickelt aus der bahnbrechenden Arbeit über Holographie in photorefraktiven Medien und holographischer Datenspeicherung von Gerard A. Alphonse , führte InPhase öffentliche Demonstrationen eines Prototyps eines kommerziellen Speichergeräts auf der Tagung der National Association of Broadcasters 2005 (NAB) in Las Vegas im Maxell . durch Stand der Corporation of America.

Die drei wichtigsten Unternehmen, die 2002 an der Entwicklung holographischer Speicher beteiligt waren, waren InPhase und Polaroid Spin-off Aprilis in den Vereinigten Staaten und Optware in Japan. Obwohl holographisches Gedächtnis seit den 1960er Jahren diskutiert und mindestens seit 2001 für eine kurzfristige kommerzielle Anwendung angepriesen wird, muss es die Kritiker noch davon überzeugen, dass es einen tragfähigen Markt finden kann. Ab 2002 zielten geplante holografische Produkte nicht darauf ab, direkt mit Festplatten zu konkurrieren, sondern eine Marktnische zu finden, die auf Tugenden wie der Geschwindigkeit des Zugriffs basiert.

InPhase Technologies kündigte nach mehreren Ankündigungen und nachfolgenden Verzögerungen in den Jahren 2006 und 2007 an, in Kürze ein Flaggschiffprodukt einzuführen. InPhase ging im Februar 2010 aus dem Geschäft und ließ seine Vermögenswerte vom Bundesstaat Colorado für Steuernachzahlungen beschlagnahmen. Das Unternehmen hatte Berichten zufolge 100 Millionen US-Dollar ausgegeben, aber der Hauptinvestor war nicht in der Lage, mehr Kapital aufzunehmen.

Im April 2009 demonstrierte GE Global Research sein eigenes holografisches Speichermaterial, das Discs mit ähnlichen Lesemechanismen wie Blu-ray Disc- Playern ermöglichen könnte.

Markt für Videospiele

Nintendo hat 2008 eine gemeinsame Forschungsvereinbarung mit InPhase für die holografische Speicherung eingereicht .

Nintendo wird im Patent auch als gemeinsamer Anmelder erwähnt: "... hierin wird offenbart, dass die beanspruchte Erfindung gemäß einer gemeinsamen Forschungsvereinbarung im Sinne von 35 USC 103 (c) (3) gemacht wurde, die am oder vor dem Datum, an dem die beanspruchte Erfindung gemacht wurde, und als Ergebnis von Aktivitäten, die im Rahmen der gemeinsamen Forschungsvereinbarung von oder im Namen von Nintendo Co. und InPhase Technologies, Inc. durchgeführt wurden.

In der Fiktion

In Star Wars verwenden die Jedi Holocrons und holografische Kristalle, um Daten über ihre Geschichte zu speichern.

Im Jahr 2010: Das Jahr, in dem wir Kontakt aufnehmen , musste ein Bandwurm eingesetzt werden, um das holografische Gedächtnis von HAL zu löschen, da "chronologische Löschungen nicht funktionieren würden".

In Robot und Frank hat Robot einen holographischen Speicher, der halb gelöscht werden kann, aber in halber Auflösung ist.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

Languages

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