3D оптическое хранилище данных — это любая форма оптического хранилища данных , в которой информация может быть записана или считана с трехмерным разрешением (в отличие от двухмерного разрешения, предоставляемого, например, CD ). [1] [2]
Это нововведение имеет потенциал для обеспечения петабайтного уровня массовой памяти на дисках формата DVD (120 мм). Запись данных и обратное считывание достигаются путем фокусировки лазеров внутри носителя. Однако из-за объемной природы структуры данных лазерный луч должен пройти через другие точки данных, прежде чем он достигнет точки, в которой требуется считывание или запись. Поэтому требуется некоторая нелинейность , чтобы гарантировать, что эти другие точки данных не будут мешать адресации желаемой точки.
Ни один коммерческий продукт на основе оптического 3D -хранилища данных пока не поступил на массовый рынок, хотя несколько компаний [ какие? ] активно разрабатывают эту технологию и заявляют, что она может стать доступной «скоро».
Современные оптические носители данных , такие как CD и DVD, хранят данные в виде серии отражающих меток на внутренней поверхности диска. Для увеличения емкости хранения диски могут содержать два или даже более таких слоев данных, но их количество строго ограничено, поскольку адресный лазер взаимодействует с каждым слоем, через который он проходит по пути к адресуемому слою и от него. Эти взаимодействия вызывают шум, который ограничивает технологию примерно 10 слоями. Методы трехмерного оптического хранения данных обходят эту проблему, используя методы адресации, при которых только конкретно адресуемый воксель (объемный пиксель) существенно взаимодействует с адресным светом. Это обязательно включает нелинейные методы чтения и записи данных, в частности нелинейную оптику .
3D оптическое хранение данных связано с (и конкурирует с) голографическим хранением данных . Традиционные примеры голографического хранения не обращаются к третьему измерению, и поэтому не являются строго «3D», но совсем недавно 3D голографическое хранение было реализовано с использованием микроголограмм. Многослойная технология выбора слоев (где многослойный диск имеет слои, которые могут быть индивидуально активированы, например, электрически) также тесно связана.
Например, прототипная система хранения 3D-оптических данных может использовать диск, который выглядит как прозрачный DVD. Диск содержит много слоев информации, каждый из которых находится на разной глубине в носителе и каждый состоит из спиральной дорожки, похожей на DVD. Для записи информации на диск лазер фокусируется на определенной глубине в носителе, которая соответствует определенному информационному слою. Когда лазер включается, он вызывает фотохимическое изменение в носителе. По мере вращения диска и перемещения головки чтения/записи по радиусу слой записывается так же, как записывается DVD-R. Затем глубина фокуса может быть изменена, и будет записан другой, совершенно другой слой информации. Расстояние между слоями может составлять от 5 до 100 микрометров , что позволяет хранить >100 слоев информации на одном диске.
Для того, чтобы считать данные обратно (в этом примере), используется похожая процедура, за исключением того, что на этот раз вместо того, чтобы вызывать фотохимические изменения в носителе, лазер вызывает флуоресценцию . Это достигается, например, путем использования более низкой мощности лазера или другой длины волны лазера. Интенсивность или длина волны флуоресценции различаются в зависимости от того, был ли носитель записан в этой точке, и поэтому данные считываются путем измерения испускаемого света.
Размер отдельных молекул хромофора или фотоактивных цветовых центров намного меньше размера фокуса лазера (который определяется дифракционным пределом ). Таким образом, свет адресуется большому числу (возможно, даже 10 9 ) молекул в любой момент времени, так что среда действует как однородная масса, а не как матрица, структурированная положениями хромофоров.
Истоки этой области восходят к 1950-м годам, когда Иегуда Хиршберг разработал фотохромные спиропираны и предложил их использование для хранения данных. [3] В 1970-х годах Валерий Барачевский продемонстрировал [4] , что этот фотохромизм может быть получен путем двухфотонного возбуждения, а в конце 1980-х годов Питер М. Ренцепис показал, что это может привести к трехмерному хранению данных. [5] Был исследован широкий спектр физических явлений для считывания и записи данных, было разработано и оценено большое количество химических систем для среды, и была проведена обширная работа по решению проблем, связанных с оптическими системами, необходимыми для считывания и записи данных. В настоящее время несколько групп продолжают работать над решениями с различными уровнями разработки и интереса к коммерциализации.
Запись данных на оптическом носителе 3D требует, чтобы в среде произошло изменение при возбуждении. Это изменение, как правило, является фотохимической реакцией некоторого рода, хотя существуют и другие возможности. Химические реакции , которые были исследованы, включают фотоизомеризацию , фоторазложение и фотообесцвечивание , а также инициирование полимеризации . Большинство исследованных были фотохромными соединениями, которые включают азобензолы , спиропираны , стильбены , фульгиды и диарилетены . Если фотохимическое изменение обратимо , то может быть достигнуто перезаписываемое хранилище данных, по крайней мере в принципе. Кроме того, технически осуществима многоуровневая запись , где данные записываются в « градациях серого », а не как сигналы «вкл» и «выкл».
Хотя существует множество нелинейных оптических явлений, только многофотонное поглощение способно вводить в среду значительную энергию, необходимую для электронного возбуждения молекулярных видов и вызывать химические реакции. Двухфотонное поглощение является самым сильным многофотонным поглощением на сегодняшний день, но все же это очень слабое явление, приводящее к низкой чувствительности среды. Поэтому многие исследования были направлены на обеспечение хромофоров высокими сечениями двухфотонного поглощения. [6]
Запись двухфотонным поглощением может быть достигнута путем фокусировки записывающего лазера в точке, где требуется фотохимический процесс записи. Длина волны записывающего лазера выбирается таким образом, чтобы она не поглощалась средой линейно, и, следовательно, не взаимодействовала со средой, за исключением фокальной точки. В фокальной точке двухфотонное поглощение становится существенным, поскольку это нелинейный процесс, зависящий от квадрата плотности потока лазерного излучения .
Запись двухфотонным поглощением также может быть достигнута действием двух лазеров в совпадении. Этот метод обычно используется для достижения параллельной записи информации одновременно. Один лазер проходит через носитель, определяя линию или плоскость. Второй лазер затем направляется на точки на этой линии или плоскости, в которых требуется запись. Совпадение лазеров в этих точках возбуждает двухфотонное поглощение, приводящее к фотохимии записи.
Другой подход к улучшению чувствительности среды заключается в использовании резонансного двухфотонного поглощения (также известного как «1+1» или «последовательное» двухфотонное поглощение). Нерезонансное двухфотонное поглощение (как оно обычно используется) является слабым, поскольку для того, чтобы возбуждение произошло, два возбуждающих фотона должны прибыть к хромофору почти в одно и то же время. Это связано с тем, что хромофор не может взаимодействовать с одним фотоном в одиночку. Однако, если хромофор имеет уровень энергии, соответствующий (слабому) поглощению одного фотона, то это можно использовать в качестве ступеньки, обеспечивая большую свободу во времени прибытия фотонов и, следовательно, гораздо более высокую чувствительность. Однако этот подход приводит к потере нелинейности по сравнению с нерезонансным двухфотонным поглощением (поскольку каждый шаг двухфотонного поглощения по существу линеен), и, следовательно, рискует поставить под угрозу трехмерное разрешение системы.
В микроголографии сфокусированные лучи света используются для записи голограмм субмикрометрового размера в фоторефрактивном материале, обычно с помощью коллинеарных лучей. Процесс записи может использовать те же виды носителей, которые используются в других типах голографического хранения данных , и может использовать двухфотонные процессы для формирования голограмм.
Данные также могут быть созданы при производстве носителя, как в случае с большинством форматов оптических дисков для коммерческого распространения данных. В этом случае пользователь не может записывать данные на диск — это формат ROM . Данные могут быть записаны нелинейным оптическим методом, но в этом случае допустимо использование очень мощных лазеров, поэтому чувствительность носителя становится менее важной проблемой.
Также было продемонстрировано изготовление дисков, содержащих данные, отлитые или напечатанные в их 3D-структуре. Например, диск, содержащий данные в 3D, может быть создан путем сэндвича большого количества тончайших дисков, каждый из которых отлит или напечатан с одним слоем информации. Полученный диск ROM затем может быть прочитан с использованием метода 3D-считывания.
Также были рассмотрены другие методы записи данных в трех измерениях, в том числе:
Постоянное спектральное выжигание дыр (PSHB), которое также допускает возможность спектрального мультиплексирования для увеличения плотности данных. Однако в настоящее время для носителей PSHB требуется поддерживать чрезвычайно низкие температуры, чтобы избежать потери данных.
Образование пустот, при котором микроскопические пузырьки вводятся в среду с помощью высокоинтенсивного лазерного облучения. [7]
Поляризация хромофоров, при которой лазерно-индуцированная переориентация хромофоров в структуре среды приводит к считываемым изменениям. [8]
Чтение данных из 3D-оптической памяти осуществлялось многими различными способами. В то время как некоторые из них полагаются на нелинейность взаимодействия света и материи для получения 3D-разрешения, другие используют методы, которые пространственно фильтруют линейный отклик носителя. Методы считывания включают:
Двухфотонное поглощение (приводящее либо к поглощению, либо к флуоресценции). Этот метод по сути является двухфотонной микроскопией .
Линейное возбуждение флуоресценции с конфокальным обнаружением. Этот метод по сути является конфокальной лазерной сканирующей микроскопией . Он обеспечивает возбуждение с гораздо более низкой мощностью лазера, чем двухфотонное поглощение, но имеет некоторые потенциальные проблемы, поскольку адресующий свет взаимодействует со многими другими точками данных в дополнение к той, которая адресуется.
Измерение небольших различий в показателе преломления между двумя состояниями данных. Этот метод обычно использует фазово-контрастный микроскоп или конфокальный отражательный микроскоп . Поглощение света не требуется, поэтому нет риска повреждения данных при считывании, но необходимое несоответствие показателя преломления на диске может ограничить толщину (т. е. количество слоев данных), которую может достичь носитель из-за накопленных случайных ошибок волнового фронта, которые разрушают качество сфокусированного пятна.
Генерация второй гармоники была продемонстрирована как метод считывания данных, записанных в поляризованной полимерной матрице. [9]
Оптическая когерентная томография также была продемонстрирована как метод параллельного считывания. [10]
Активная часть 3D оптических носителей информации обычно представляет собой органический полимер , легированный или привитый фотохимически активными частицами. В качестве альтернативы использовались кристаллические и золь-гель материалы.
Носители для хранения 3D-оптических данных предлагаются в нескольких форм-факторах: диск, карта и кристалл.
Дисковый носитель представляет собой усовершенствованный вариант CD/DVD и позволяет осуществлять чтение и запись с помощью привычного метода вращающегося диска.
Носитель информации в формате кредитной карты привлекателен с точки зрения портативности и удобства, но его емкость меньше, чем у диска.
Несколько писателей- фантастов предлагали небольшие твердые тела, которые могли бы хранить огромные объемы информации, и, по крайней мере, в принципе, этого можно было бы достичь с помощью оптического хранения данных 5D .
Самый простой способ изготовления — формование диска в виде одной детали — возможен для некоторых систем. Более сложный способ изготовления носителя заключается в том, чтобы носитель создавался слой за слоем. Это необходимо, если данные должны быть физически созданы во время изготовления. Однако послойное создание не обязательно означает наложение множества слоев друг на друга. Другой альтернативой является создание носителя в форме, аналогичной рулону клейкой ленты. [11]
Привод, предназначенный для чтения и записи на оптические носители данных 3D, может иметь много общего с приводами CD/DVD, особенно если форм-фактор и структура данных носителя аналогичны CD или DVD. Однако есть ряд заметных отличий, которые необходимо учитывать при проектировании такого привода.
В частности, при использовании двухфотонного поглощения могут потребоваться мощные лазеры, которые могут быть громоздкими, трудноохлаждаемыми и вызывать проблемы безопасности. Существующие оптические приводы используют лазеры с непрерывной волной, работающие на 780 нм, 658 нм или 405 нм. Для 3D-оптических накопителей могут потребоваться твердотельные лазеры или импульсные лазеры, и несколько примеров используют длины волн, легко доступные с помощью этих технологий, например, 532 нм (зеленый). Эти более крупные лазеры может быть трудно интегрировать в головку чтения/записи оптического привода.
Поскольку система должна учитывать различные глубины в среде, а на различных глубинах сферическая аберрация, вызванная в волновом фронте , различна, требуется метод для динамического учета этих различий. Существует множество возможных методов, которые включают оптические элементы, которые меняются местами в оптическом пути, подвижные элементы, адаптивную оптику и иммерсионные линзы.
Во многих примерах 3D-оптических систем хранения данных используются несколько длин волн (цветов) света (например, считывающий лазер, записывающий лазер, сигнальный; иногда даже два лазера требуются только для записи). Поэтому, помимо того, чтобы справляться с высокой мощностью лазера и переменной сферической аберрацией, оптическая система должна комбинировать и разделять эти различные цвета света по мере необходимости.
В DVD-приводах сигнал, создаваемый диском, является отражением адресующего лазерного луча и поэтому очень интенсивен. Однако для 3D-оптического хранилища сигнал должен быть сгенерирован в пределах крошечного адресуемого объема, и поэтому он намного слабее лазерного света. Кроме того, флуоресценция излучается во всех направлениях от адресуемой точки, поэтому для максимизации сигнала необходимо использовать специальную светособирающую оптику.
После того, как они идентифицированы вдоль оси z, отдельные слои данных, подобных DVD, могут быть доступны и отслежены аналогично DVD. Также была продемонстрирована возможность использования параллельной или страничной адресации. Это позволяет значительно увеличить скорость передачи данных , но требует дополнительной сложности пространственных модуляторов света , визуализации сигнала, более мощных лазеров и более сложной обработки данных.
Несмотря на весьма привлекательную природу 3D-оптического хранения данных, разработка коммерческих продуктов заняла значительное время. Это является результатом ограниченной финансовой поддержки в этой области, а также технических проблем, включая:
Разрушающее чтение. Поскольку и чтение, и запись данных выполняются с помощью лазерных лучей, существует вероятность, что процесс чтения приведет к небольшому объему записи. В этом случае повторное чтение данных может в конечном итоге привести к их стиранию (это также происходит в материалах с фазовым переходом, используемых в некоторых DVD). Эта проблема решалась многими подходами, такими как использование различных полос поглощения для каждого процесса (чтения и записи) или использование метода чтения, который не включает поглощение энергии.
Термодинамическая стабильность. Многие химические реакции, которые, как кажется, не происходят, на самом деле происходят очень медленно. Кроме того, многие реакции, которые, как кажется, произошли, могут медленно обращаться вспять. Поскольку большинство 3D-носителей основаны на химических реакциях, существует риск того, что либо не записанные точки медленно станут записанными, либо записанные точки медленно вернутся к не записанным. Эта проблема особенно серьезна для спиропиранов, но были проведены обширные исследования, чтобы найти более стабильные хромофоры для 3D-памяти.
Чувствительность к среде. Двухфотонное поглощение — слабое явление, поэтому для его получения обычно требуются мощные лазеры. Исследователи обычно используют лазеры Ti-сапфир или лазеры Nd:YAG для возбуждения, но эти приборы не подходят для использования в потребительских товарах.
Большая часть разработки 3D оптического хранения данных была выполнена в университетах. Группы, которые предоставили ценный вклад, включают:
В дополнение к академическим исследованиям, несколько компаний были созданы для коммерциализации 3D оптического хранения данных, и некоторые крупные корпорации также проявили интерес к этой технологии. Однако пока не ясно, будет ли эта технология успешной на рынке при наличии конкуренции со стороны других секторов, таких как жесткие диски , флэш-память и голографическая память .