Новіков Максим Глібович - Голографічні диски HVD

Для більш повного розуміння цього матеріалу прочитайте спочатку мою статтю про голографію.

Загальні відомості про голографічні диски

На зміну поколінням оптичних дисків (CD, DVD, BR(HD)-DVD, FVD, EVD, UDO), що йдуть поколінням, прийшло нове покоління — HVD (Holographic Versatile Disk) — багатоцільові голографічні диски, що кардинально відрізняються від усіх вищезазначених способом оптичного зберігання інформації.

Існують дві конкуруючі технології голографічного запису від фірм Optware (Японія) та Inphase Techologies (США). За Optware стоять CMC Magnetics, Fuji Photo Film, Nippon Paint, Pulstec Industrial Toagosei, Toshiba, Panasonic, Intel Capital та Sony, а за Inphase Techologies – Hitachi-Maxell, Bayer MaterialScience та Imation.

Характеристики HVD-дисків та приводів, поточні та плановані (у процесі вдосконалення технологій можуть змінюватися):

Об'єм - до 1,6 Терабайта (перші диски матимуть об'єм 300 а потім 800 Гб).
Щільність запису - 350 (і навіть 515) Гбіт на квадратний дюйм.
Швидкість запису-зчитування інформації - до 960 Мбіт/с (перші диски - 160 а потім 640 Мбіт/с). Запис або зчитування 1 мільйон біт за раз.
Швидкість випадкового доступу в режимі читання – 200 мс
Діаметр диска - 5,25 дюйма (130 мм, на 10 мм більше звичайних CD)
Товщина диска – 3,5 мм. (Товщина основи - 1 мм, товщина записуючого шару 1,5 мм, товщина захисного шару - 1 мм.)
Довжина хвилі лазера – 405 нм (синій). Носії підтримують 400-410 нм.
Тривалість зберігання інформації – 50 років.
Вартість диску на початковому етапі буде близько 100 доларів, а приводу – близько 3000 доларів.

На відміну від класичного (двохосьового), Optwareзастосувала метод поляризованої коллінеарної голографії (обидва промені, опорний та інформаційний, проходять через одну лінзу, а для того, щоб промені не заважали один одному, їх поля розгорнуті один щодо одного, тобто промені по-різному поляризовані). Ця технологія також обіцяє сумісність із попередніми поколіннями оптичних дисків за рахунок роботи червоного лазера, що використовується під час роботи з голографічним диском для керування сервоприводом. Крім того, така оптична система компактніша за класичну.
Об'єм - до 3,9 Терабайт (перші диски матимуть об'єм 100, 200, 500 а потім і 3,9 Тб при відстані між центрами голограм, що перекриваються 18, 13, 8 і 3 мкм відповідно).
Діаметр диска – 120 мм (як у звичайних CD).
Довжина хвилі лазера – 532 нм (зелений) для даних та 650 нм (червоний) для сервосистеми та для читання попередніх форматів оптичних дисків.
Розмір сторінки даних на просторовому світловому модульаторі - 3 мм, розмір одного пікселя сторінки - 13,7 мкм
Діаметр сторінки даних на носії – 200 мкм.

І той і інший тип оптичних дисків планується розміщувати в захисному картриджі. Таким чином, зовні вони нагадуватимуть п'ятидюймові дискети.

Технологія зберігання інформації

Диски названі голографічними тому, що сторінки бінарних даних записуються на них способом, схожим із записом голограм. Причому для зберігання даних застосовуються не плоскі голограми, розташовані на поверхні фоточутливого шару оптичного диска, а об'ємні, що займають деяку товщину фоточутливого шару диска. Зауважте, що не йдеться про пошарове зберігання інформації! Вся інформація записана лише в одному фоточутливому шарі диска!

Записані на диск сторінки не єголограмами у сенсі цього терміну. На диску фіксується інформація не розсіяного світлового фронту, що випромінюється на всі боки зображенням сторінки даних, а вже плоска, необ'ємна світлова інформація, сфокусована лінзою. Проте запис сфокусованої сторінки відбувається, як і запис голограм, рахунок інтерференції, що дає право називати записану інформацію, скажімо, об'ємною голограмою плоского світлового фронту.

Чому для зберігання інформації почали застосовувати об'ємні голограми? Чи не простіше було здійснити звичайний оптичний запис, розташувавши дані на кількох шарах оптичного диска? Виявляється у об'ємної голограми є важлива перевага - здатність до мультиплексування (якого, до речі, немає у звичайних площинних голограм). Мультиплексування - це здатність зберігати кілька різних зліпків даних практично в тому самому обсязі записуючої речовини.

Мультиплексування досягається за рахунок зміни кута нахилу пропалюваних поперек об'ємного фотошару площин, що є елементарними цеглинами записуваної інформації (т.зв. бреггівських площин). Цей спосіб дозволяє досягати надзвичайно високої щільності запису, не збільшуючи до нереальних величин точність пристроїв, що зчитує і записує. Для запису чи зчитування тієї чи іншої сторінки даних достатньо змінити лише кут підсвічування голограми.

Крім мультиплексування за рахунок зміни кута опорного променя існують ще два теоретично прості способи:

рахунок зміни довжини хвилі;
За рахунок зсуву фази опорного променя.

Однак усі вищеописані способи вимагають складних оптичних систем і товстих, завтовшки кілька міліметрів, носіїв. Це ускладнює їх комерційне застосування,принаймні у сфері обробки інформації. Тому було розроблено ще три методи мультиплексування:

Вони ґрунтуються на використанні зміни положення носія щодо світлових пучків. При цьому зсувне та апертурне мультиплексування використовують сферичний опорний пучок, а кореляційне пучок ще більш складної форми.

З метою ще більш високого ущільнення даних, крім мультиплексування сторінок, застосовується накладення книг. Суть накладання книжок у цьому, що мультиплексовані масиви сторінок (книги) записуються внахлест друг на друга, як показано малюнку нижче. Природно, що зі збільшенням кількості записаних сторінок та щільності накладання книг загальна прозорість голограми падає. Тому рівень щільності обмежується здатністю апаратури розрізняти інформацію на кожній окремій сторінці.

Ще одним плюсом описаної технології є можливість утримувати точність обладнання на прийнятному для масового виготовлення рівні. Сторінки інформації після їх формування зменшуються суто оптичним способом — лише за допомогою лінзи, а при відновленні подібною ж лінзою збільшуються до розміру пристрою, що зчитує.

Крім того, голографічний спосіб зберігання дозволяє значно підвищити швидкість доступу до неї, оскільки звернення для читання або запису відбувається одночасно до всієї сторінки даних, кожна така сторінка може містити до мільйона біт і більше.

Запис та зчитування голограми оптичного диска

Запис бінарних даних у голограму відбувається в такий спосіб.

Лазерний промінь поділяється на два промені за допомогою напівпрозорого дзеркала. Таким чином ми отримуємо два промені, що мають абсолютно однакову довжину хвилі та поляризацію.
Один зпроменів проходить крізь просторовий світловий модулятор - плоский трафарет, де прозорі осередки відповідають одиничним значенням біта, а непрозорі - нульовим. Далі інформаційний промінь, фокусуючись лінзою, падає на фоточутливий шар диска. Зауважу, що на відміну від методу, що описується, при записі справжньої голограми промінь не фокусується, що дозволяє кожній точці фоточутливого шару отримати хвилі від усіх точок об'єкта. За збереження бінарної інформації цього не потрібно.
Другий (опорний) промінь під деяким кутом прямує в ту саму область диска, куди падає перший промінь, щоб вони перетнулися в товщині фоточутливого шару. Оскільки промені мають однакову довжину хвилі і поляризацію, відбувається явище інтерференції (складання амплітуд хвиль), в результаті якого в місцях, де фази світлової хвилі збіглися, амплітуди хвиль збільшилися і пропалили фоточутливий шар.

Якщо ми представимо світлові хвилі, що перетинаються, в тривимірному просторі, то зрозуміємо, що рухаючись, вони утворюють тривимірні стоячі хвилі, які пропалюють бреггівські площини поперек фоточутливого шару. Розмір площин визначається розміром комірки трафарету, зменшеним лінзою, що фокусує, товщиною фоточутливого шару і кутами обох променів по відношенню до фоточутливого шару. Вони схожі на дзеркала різної прозорості, і при їх освітленні опорним променем вони частково відбивають світло в напрямку продовження колишнього інформаційного променя, що йшов через лінзу, що фокусує, від трафарету. В результаті зі зворотного боку голограми розсіюється світловий фронт картинки трафарету, ніби він йде безпосередньо від нього.

Таким чином, зчитування даних з голограми відбувається так:

Опорний лазерний промінь тієї ж довжинихвилі і з того ж кута, що і під час запису, падає на голограму.
Відбиваючись від напівпрозорих дзеркал, утворених бреггівськими площинами голограми, промінь розсіює зі зворотного боку світловий фронт, що містить сфокусоване зображення трафарету, який був записаний на неї раніше.
Розсіяний світловий фронт трафарету фокусується лінзою на масиві датчиків і перетворюється на цифровий код. Зауважу, що під час відтворення справжньої голографії світловий фронт не фокусують.

Відмінність методу поляризованої колінеарної голографії (Optware) від класичної технології (Inphase Technologies)

На одній із виставок Optware показала такі порівняльні схеми, наголосивши на компактності свого методу:

Все це говорить про чергову війну стандартів. Схеми приводу та диска від Inphase Technologies об'єктивно виглядають простіше для розуміння. На перший погляд Optware перемудрила зі своїм методом. Але він дає певні достоїнства.

Наприклад, за рахунок того, що диск не просвічується наскрізь, є можливість у перспективі робити двостороннє нанесення інформації (двосторонній диск), що вдвічі підвищить його ємність. Червоний лазер, що відповідає за роботу сервоприводу (фокусування), може використовуватися для читання звичайних дисків, тобто зберігається зворотна сумісність пристрою з колишніми стандартами CD і DVD.

Нижче представлена схема запису голограми за методом Optware:

Поєднує оптичний обертач, що складається з двох частин і стоїть безпосередньо перед лінзою, однією частиною повертає на 45 градусів полярність опорного променя в один бік, а іншою частиною полярність інформаційного променя в іншу сторону одночасно розділяючи ці промені. В результаті, що спочатку відрізняютьсяполярністю на 90 градусів промені, набувають однакову полярність і, як наслідок, здатність інтерферувати один з одним, що вони і роблять, перетинаючи після лінзи.

Виходячи з малюнка можна дійти невтішного висновку, що у методі Optware застосовано мультиплексування пікселів однієї сторінки замість мультиплексування самих сторінок, як і робиться в Inphase Technologies. Ця інформація перевіряється…

Креслення диска Inphase Technologies:

Диск Optware у розрізі:

Компоненти та матеріали (Optware)

Як детектори, що зчитують інформацію, що проектується голограмою, використовуються КМОП-матриці, які зараз використовуються в деяких моделях цифрових фотокамер.

Просторові світлові модулятори, що формують інформаційну сторінку під час запису даних - це масиви мікродзеркал і фероелектричних модуляторів, що застосовуються у цифрових проекторах та телевізорах.

Як матеріал для носія інформації використана двокомпонентна полімерна система. Один з її компонентів формує сітку, де розчинений другий компонент, що має світлочутливі властивості. При записі інформації останній під впливом світла полімеризується, через що виникає градієнт концентрації неполімеризованого компонента і починається його дифузія. Результатом всього цього процесу є утворення структури зі змінним індексом відображення, коливання якого несуть у собі записану інформацію.