Optyczny zapis informacji stał się prawdziwym przebojem ostatnich lat. Jednak współczesne pamięci, takie jak dyski CD-ROM i DVD, nie wykorzystują ogromnego potencjału “światła”, który może posłużyć do zapamiętywania danych. Czy zastosowanie nowych technologii holograficznych umożliwi budowę pamięci o terabajtowej pojemności?
Podstawowym – oprócz procesora oraz płyty głównej – elementem komputera jest jego pamięć – zarówno operacyjna, jak i masowa. Chwilowe przechowywanie informacji czy jej zapamiętanie na dłuższy czas realizowane jest przy użyciu różnych technologii zapisu. Niezależnie od konstrukcji każda pamięć ma zawsze jedno zadanie – zgromadzić pewną informację, przechować ją przez określony czas oraz umożliwić jej odczyt.
Obecnie jako pamięci typu RAM używa się bazujących na krzemie modułów SDRAM czy popularnych w kartach graficznych kości typu DDR SDRAM (patrz: CHIP 12/99, s. 154). Pamięć masowa to magnetyczne dyski twarde o pojemności nawet do 75 GB, napędy magnetooptyczne, streamery, krzemowe pamięci typu FlashMemory oraz odczytywane promieniem lasera płyty CD i DVD. Jednak coraz bardziej rozbudowane oprogramowanie multimedialne i “puchnące” systemy operacyjne sprawiają, że apetyt na pamięć masową stale rośnie. Już dzisiaj w wielu laboratoriach badawczych studiuje się zjawiska fizyczne i eksperymentuje z materiałami mogącymi zaspokoić na najbliższe lata stale wzrastający “głód pamięci”. Największe nadzieje wiąże się z rozwojem technologii optycznych. Niewątpliwie już za kilka lat na rynku pojawią się pierwsze komercyjne rozwiązania optycznych pamięci holograficznych.
Zapis i odczyt hologramów
Jak pamiętamy ze szkoły, promieniowanie świetlne ma charakter dualny, czyli korpuskularno-falowy. Z jednej strony światło składa się z cząstek nazywanych fotonami, z drugiej zaś jest to fala (podobnie jak fale rozchodzące się na wodzie). Do zapisywania hologramów wykorzystuje się falową naturę światła. Do scharakteryzowania promieniowania elektromagnetycznego jako fali wprowadza się następujące pojęcia: amplitudę, czyli natężenie promieniowania (jasność), długość fali, czyli jej barwę, oraz tzw. fazę fali. Pierwsze dwie właściwości potrafimy intuicyjnie ocenić. Doskonale przecież radzimy sobie z określeniem jasności czy koloru. Większość obserwowanych gołym okiem zjawisk nie informuje nas jednak o fazie światła. Przejawy jej istnienia można dostrzec niezmiernie rzadko – tylko wtedy, gdy dwie fale oddziałują na siebie. Tę jedną z najciekawszych cech światła można zauważyć, oglądając mieniące się wszystkimi kolorami tęczy mydlane bańki czy połyskującą różnymi barwami rozlaną na powierzchni wody plamę benzyny.
Holograficzny zapis trójwymiarowych obrazów może być zrealizowany poprzez mieszanie dwóch fal spójnych (patrz: rysunek “Układ do zapisu i odczytu hologramów”). Wychodzącą z lasera wiązkę światła rozszerza się w tzw. układzie ekspandera, czyli lunecie powiększającej. Następnie szeroką wiązkę światła dzieli się na dwie części (wiązkę obrazową i referencyjną), wykorzystując w tym celu płytkę światłodzielącą. Dwie wiązki światła dalej biegną już odrębnymi drogami, a na trasie wiązki obrazowej umieszcza się “fotografowany” przedmiot, który moduluje jej amplitudę i fazę. Jeżeli teraz promienie przetną się wewnątrz materiału holograficznego, to otrzyma się w nim tzw. wzór interferencyjny (będący swoistego rodzaju siatką dyfrakcyjną), czyli zbiór ciemnych i jasnych prążków, powstałych na skutek nałożenia się na siebie amplitud i faz obu fal. Materiał holograficzny – zazwyczaj specjalna klisza fotograficzna – ma właśnie za zadanie zapamiętać ów wzór, który zawiera pełną trójwymiarową informację o fotografowanym obiekcie.
 |
| Technika zapisu i odczytu hologramów, czyli tzw. fotografia trójwymiarowa, znana jest od początku lat sześćdziesiątych, od chwili wynalezienia laserów. Konfiguracja do zapisu i odczytu hologramów stosowana w większości laboratoriów badawczych bez większych modyfikacji może być wykorzystana w komercyjnych urządzeniach, takich jak np. napędy holograficznych pamięci masowych. |
Odtworzenie trójwymiarowego obrazu sfotografowanego przedmiotu realizuje się podczas oświetlania hologramu wiązką laserową – światło ugina się na zapamiętanej w materiale holograficznym siatce dyfrakcyjnej, tworząc kompletny obraz. Istnieją również hologramy, które mogą być oglądane przy normalnym, np. dziennym oświetleniu. Zasada ich odczytu jest identyczna, z tą różnicą, że nie jest wymagane ich oświetlenie spójnym promieniowaniem laserowym. Takie hologramy zobaczyć można w galeriach sztuki lub przy okazji różnego rodzaju pokazów promujących nowoczesne technologie.
Interesującą cechą hologramów jest ich nielokalność, czyli zapamiętywanie pełnej informacji na całej naświetlonej w trakcie zapisu powierzchni. Oznacza to, że podczas odczytu, nawet w przypadku oświetlenia tylko fragmentu hologramu, uzyska się pełną informację. Gotowy hologram można również podzielić na kilka mniejszych części, a odczytywany z nich obraz będzie identyczny z tym, jaki był na pierwotnej “fotografii”. Opisywana właściwość jest szczególnie ważna przy zapisie danych w postaci cyfrowej, gdyż nawet w przypadku znacznego uszkodzenia hologramu odczytane informacje są zawsze w stu procentach poprawne – zbędna staje się korekcja błędów. Potrafiąc zapisywać i odczytywać hologramy, możemy zastanowić się, jak wykorzystać je jako pamięć komputerową.
Materiały holograficzne
Dotychczas stosowane optyczne techniki zapamiętywania informacji bazują na zapisie szeregowym, realizowanym bit po bicie – tak jak na płytach CD-R czy CD-RW. Za pomocą lasera ciąg zer i jedynek w trakcie procesu “wypalania” zamieniany jest w pity i landy (patrz: CHIP 1/96, s. 46). Współczesne modyfikacje technologii CD, takie jak np. wprowadzenie płyt wielowarstwowych czy zmiana długości fali światła odczytującego – zastosowane w przypadku krążków DVD – poza zwiększeniem pojemności nośnika nie oferują znacznego przyśpieszenia procesu odczytu informacji. Dopiero zmiana sposobu zapisu i odczytu na równoległy powoduje ogromny wzrost szybkości dostępu do informacji.
Układy holograficzne łączą w sobie dwie zalety – jednoczesny i wręcz błyskawiczny dostęp do zapisanych informacji oraz dużą pojemność nośnika. Co więcej, z konstrukcyjnego punktu widzenia przystosowanie napędu CD-ROM do odczytu płyt holograficznych nie jest zadaniem zbyt skomplikowanym (patrz: ramka “Odczyt i zapis informacji na dysku holograficznym”). Dlaczego zatem już dziś nie używa się pamięci holograficznych?
| 1 – laser 2 – płytka światłodzieląca 3 – modulator SLM 4 – materiał holograficzny 5 – lustra |  |
Podstawową przeszkodą we wprowadzeniu na rynek pamięci holograficznych jest znalezienie odpowiedniego materiału. Idealne tworzywo do skonstruowania nośnika holograficznego musi cechować się przede wszystkim wysoką czułością optyczną (zapis następuje już przy niewielkim natężeniu świata), dużą wydajnością dyfrakcji, czyli zdolnością do tworzenia wydajnego hologramu (co przekłada się na możliwość użycia małej mocy światła odczytującego), oraz znaczną rozdzielczością, czyli umiejętnością zapisywania leżących bardzo blisko hologramów (dużą gęstością zapisu informacji). Zwykłe klisze czy emulsje fotograficzne, na których utrwala się hologramy od początku lat sześćdziesiątych, nie spełniają naraz wszystkich trzech wymienionych wymagań – nie nadają się więc do zaadaptowania jako pamięć typu ROM. Inne parametry, takie jak czas odczytu i pojemność nośnika, uzależnione są głównie od konstrukcji czytnika pamięci holograficznej.
Obecnie najlepsze materiały do stałych pamięci holograficznych to tzw. układy polimerowe i fotochromowe. Wykazują one małe zapotrzebowanie energetyczne, wydajność dyfrakcji dochodzącą do 100% oraz gęstość zapisu ponad 1000 linii/mm. Nie bez znaczenia jest także fakt, iż cena tych materiałów jest niewielka, a technologia produkcji zbliżona do stosowanej w wytwarzaniu krążków CD-R. Jedynym ograniczeniem, nie pozwalającym jeszcze na wprowadzenie pamięci holograficznych na rynek komercyjny, jest ich niska trwałość. Wytwarzane obecnie materiały są w stanie przechować informację maksymalnie przez kilka lat.
Zalety pamięci holograficznych
Porównując gęstość zapisu (ilość bitów możliwych do zapisania na 1 cm
2
) klasycznych dysków CD z pamięcią holograficzną, widać olbrzymią przewagę nowej technologii. Standardowa płyta CD mieści 650 MB informacji. Przyjmując, że powierzchnia, na której znajduje się informacja, to ok. 100 cm
2
, otrzymujemy gęstość zapisu wynoszącą 6,5 MB/cm
2
. Dla nowocześniejszych płyt DVD gęstość zapisu wynosi odpowiednio: 37 MB/cm
2
i 100 MB/cm
2
dla płyt wielowarstwowych. Jednak gęstość zapisu informacji metodą holograficzną przewyższa gęstość upakowania danych, uzyskiwaną na klasycznych płytach optycznych o kilka rzędów wielkości. Jeden hologram zajmuje powierzchnię około 100 mm
2
, co daje 10
6
hologramów na centymetrze kwadratowym. Hologram może zawierać 10
5
bajtów informacji. Możliwa do uzyskania gęstość zapisu wynosi więc 10
5 MB/cm
2 – tysiąc razy więcej niż w najlepszych (17 GB) płytach DVD-ROM. Oznacza to, że na płycie o standardowej średnicy 12 cm możliwe jest zapamiętanie techniką holograficzną 10
13
bajtów informacji. Niespotykane dotychczas pojemności pamięci pokazują, dlaczego z zapisem holograficznym wiąże się obecnie tak duże nadzieje.
Szybkość dostępu do informacji jest jednym z ważniejszych parametrów charakteryzujących dany typ pamięci. Jak już wspomniano, techniki holograficzne operują całym obrazem jako jednostką zapisu informacji. Ponieważ jeden obraz to około miliona bitów, dostęp do danych jest bardzo szybki. Maksymalna transmisja danych w najnowszych napędach CD–ROM (50×-54×) to około 7-7,5 MB/s, a dla krążków DVD (10-12×) wynosi ona 10 MB/s. W układach holograficznych transfer informacji może przekroczyć szybkość 1 GB/s. Podana prędkość jest ograniczona głównie przepustowością układów elektronicznych i szybkością mechanizmów sterujących odczytem – np. pozycjonowaniem promienia laserowego czy szybkością odpowiedzi kamery CCD. Sam odczyt hologramu przez światło odbywa się w trakcie przejścia wiązki przez materiał, czyli praktycznie w czasie rzeczywistym.
Holograficzny zapis objętościowy
Opisywane tu metody zapisu hologramów dotyczyły zapamiętywania informacji na powierzchni nośnika. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wykorzystać trzeci wymiar do zwiększenia gęstości zapisu. Przecież standard DVD dopuszcza stosowanie płyt dwuwarstwowych, a w opisywanej na łamach CHIP-a (patrz: CHIP 2/2000, s. 44) technologii zapisu fluorescencyjnego firmy C3D przewidziane jest użycie płyt wielowarstwowych.
Technika holograficzna pozwala zapisywać obrazy (dane) w trzech wymiarach. Należy zaznaczyć, że rozpatrywany jest tutaj trzeci wymiar materiału holograficznego (głębokość), a nie trójwymiarowość obrazu holograficznego. Jeżeli materiał, w którym dokonujemy zapisu hologramu, jest dostatecznie gruby, to można w jednym obszarze zapisać wiele obrazów.
| Również w Polsce prowadzone są prace badawcze nad zastosowaniem pamięci holograficznych. Na zdjęciach: zestaw znajdujący się w Pracowni Optyki Nieliniowej Instytutu Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej. |  |
Interesujący jest fakt, że hologramy objętościowe istnieją zawsze niezależnie od siebie, a odczytywane są z jednego miejsca – wymagana jest jedynie niewielka zmiana kąta padania wiązki laserowej. Uzyskiwana obecnie rozdzielczość kątowa wynosi 0,04 stopnia. Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości hologramy będą mogły być zapisywane pod kątami różniącymi się od siebie zaledwie o 0,001 stopnia. Bardzo ostrożne oszacowanie pojemności takiego przyszłościowego nośnika pozwala przypuszczać, że w 1 cm
3
zmieści się ponad 10
14
bitów informacji.
Holograficzne pamięci operacyjne
Już dzisiaj wiadomo, że wytwarzanie holograficznych pamięci trwałych, a więc układów typu ROM, nie jest jedyną możliwością zastosowania zjawisk związanych z szeroko pojętą holografią. Dzięki wykorzystaniu tzw. holografii w czasie rzeczywistym, nazywanej też niekiedy holografią dynamiczną, realne jest chwilowe zapamiętywanie informacji, czyli skonstruowanie optycznej pamięci typu RAM. Zasada działania takiego holograficznego RAM-u bazuje na dynamicznym przetwarzaniu informacji z wykorzystaniem odwracalnych procesów nieliniowych optycznie. Konstruując taką pamięć, można też łatwo ją zaadaptować do przetwarzania informacji – uzyskuje się coś na kształt procesora optycznego o bardzo dużej mocy obliczeniowej. Prace nad takimi układami holograficznymi są bardzo zaawansowane. Co ciekawe, tego typu próbne systemy działają od kilku lat, np. jako optyczne korelatory umożliwiające szybką identyfikację osób na podstawie odcisków palców. Również armia amerykańska używa dynamicznych pamięci holograficznych do przetwarzania zdjęć satelitarnych w celu skrócenia czasu potrzebnego do ich analizy w czasie rzeczywistym.
Odczyt i zapis informacji na dysku holograficznym
Płyta CD (Compact Disc) jest krążkiem z tworzywa poliwęglanowego, na którym znajduje się pojedyncza spiralna ścieżka. Jest ona zbiorem mikroskopijnych wgłębień i wypukłości, zwanych pitami oraz landami. Całość pokryta jest cienką warstwą aluminium lub złota. W klasycznym napędzie CD-ROM wiązka lasera odbija się od warstwy aluminium. Jeżeli promień trafi na zagłębienie (pit), to zostanie on rozproszony. Jeżeli odbicie nastąpi od obszaru płaskiego (land), wówczas strumień kierowany jest do komórki fotoelektrycznej oraz zamieniany na ciąg zrozumiałych przez komputer zer i jedynek. Identycznie działają napędy DVD, z tym że wykorzystują one krótszą długość fali światła laserowego. Dzięki tej modyfikacji zmniejszono szerokość ścieżki oraz wielkość pitów i landów, co doprowadziło do zwiększenia pojemności płyty. Dodatkowym ulepszeniem – zastosowanym dla standardu DVD – jest wprowadzenie krążków dwuwarstwowych – w zależności od potrzeb wiązka lasera jest ogniskowana na jednej lub na drugiej warstwie nośnika.
| W tradycyjnym napędzie CD-ROM lub DVD–ROM odczyt danych odbywa się za pomocą jednego fotodetektora. |  |
Ponieważ kompletny hologram (obraz) zajmuje na powierzchni płyty holograficznej obszar równoważny (lub mniejszy) jednemu pitowi, to na spiralnej ścieżce można ulokować miliony “fotografii”. Tak więc konstrukcja płyty holograficznej w niczym nie rożni się (poza użytym jako nośnik materiałem) od krążka CD. Oznacza to, że modyfikacja klasycznego napędu CD-ROM, tak aby mógł odczytywać płyty holograficzne, sprowadza się do zastąpienia pojedynczego fotodetektora matrycą światłoczułą o rozdzielczości np. 1024×1024 piksele. Wówczas z jednego miejsca na płycie zamiast bitu odczytuje się jednocześnie 1 megabit danych.
| W przypadku napędów pamięci holograficznych pojedynczy fotodetektor zastąpiony zostaje matrycą elementów światłoczułych. |  |
Techniczna realizacja zapisu holograficznego również nie nastręcza większych trudności. Na rysunku obok przedstawiono jedno z możliwych rozwiązań. Sygnał z diody laserowej jest rozszczepiony na dwie wiązki – referencyjną i sygnałową. Zapamiętywany obraz zostaje nałożony na wiązkę sygnałową za pomocą modulatora ciekłokrystalicznego SLM (Spatial Light Modulator). Jego zadaniem jest wprowadzenie cyfrowo zapisanej informacji do fali świetlnej. Element SLM zamienia dane przesyłane z komputera na matrycę (np. 1024×1024) punktów – ciemny punkt to jedynka, a jasny zero. Następnie niosąca informacje wiązka sygnałowa interferuje z wiązką odniesienia na powierzchnii płyty holograficznej. Dalej proces zapisu przebiega teraz identycznie jak przy wypalaniu płyty CD-R, z tą różnicą, iż teraz najmniejszą jednostką informacji jest cały obraz (1024×1024 piksele, czyli 1 Mbit danych), a nie pojedynczy bit. Obecnie produkowane modulatory SLM są w stanie w ciągu sekundy wyświetlić 1000 obrazów z rozdzielczością 1024×1024 pikseli.
| Przy zapisie informacji na dysku holograficznym “fotografowany” przedmiot zastępuje modulator ciekłokrystaliczny, który zamienia dane na dwuwymiarowy wzorzec – matrycę składającą się z ciemnych i jasnych punktów. |  |
W zależności od użytego jako nośnik materiału holograficznego, informacja w postaci hologramu może być wprowadzona na trwałe (odpowiednik płyty CD-R) lub po pewnym czasie skasowana (płyty CD-RW).
Zapis świetlny jest wciąż udoskonalany, tak aby ograniczyć obszar potrzebny do zapamiętania jednego hologramu. Już teraz zaawansowane techniki pozwalają zapisać hologram na powierzchni o średnicy 300 nm, dochodząc do fizycznej bariery możliwości związanych z wykorzystaniem światła widzialnego. Dalsze zwiększanie gęstości zapisu możliwe jest jedynie poprzez wykorzystanie krótszych fal elektromagnetycznych, np. z zakresu dalekiego ultrafioletu, lub całkowitą zmianę technologii składowania danych.
Słowniczek
fala
– periodyczne (okresowe) zaburzenie ośrodka (np. w postaci sinusoidy), rozchodzące się ze skończoną prędkością.
amplituda fali
– połowa różnica pomiędzy wartością maksymalną i minimalną sinusoidy.
długość fali
– odległość mierzona między sąsiednimi wierzchołkami sinusoidy.
faza fali
– wielkość fizyczna określająca zmiany stanu układu drgającego w czasie (np. rozchodzącej się fali elektromagnetycznej). Innymi słowy, jest to “odległość” pomiędzy początkiem pomiaru a pierwszym maksimum lub minimum sinusoidy.
dualizm korpuskularno-falowy
– cząstki mogą wykazywać właściwości falowe lub fala może zachowywać się jak zbiór cząstek.
fluorescencja
– emisja promieniowania elektromagnetycznego następująca w czasie naświetlania materiału
foton
– cząstka elementarna światła (fali elektromagnetycznej), czyli kwant promieniowania elektromagnetycznego.
holografia
– technika zapisu i odczytu informacji w postaci trójwymiarowych obrazów.
interferencja
– rezultat oddziaływania na siebie dwóch fal światła, w wyniku którego obserwujemy powstanie periodycznej modulacji amplitudy.
kwant
– najmniejsza niepodzielna porcja energii, na przykład niesiona przez cząstkę elementarną.
optyka nieliniowa
– dział optyki opisujący procesy, w których oddziaływanie światła z materią nie jest liniowe, co oznacza, że jasność i kolor przedmiotów mogą zależeć od natężenia oświetlenia.
światło spójne (koherentne)
– cecha światła laserowego umożliwiająca tworzenie trwałych efektów interferencyjnych dzięki dobrze określonej fazie fali elektromagnetycznej emitowanej przez laser.
—
| Info Grupy dyskusyjne Uwagi i komentarze do artykułu: # Pytania techniczne do zagadnień poruszanych w tekście: # Internet Informacje techniczne dotyczące holografii i pamięci holograficznych: http://optics.caltech.edu/ http://www-mpl.sri.com/topics/optmem.html http://opticb.uoregon.edu/~mosswww/ http://www.enteleky.com/holography/intro.html http://myhome.netsgo.com/kim771/hologram.html |
—
| Autor jest członkiem Zespołu Optyki Nieliniowej w Instytucie Chemii Fizycznej i Teoretycznej Politechniki Wrocławskiej |
