Диски голографические


Новиков Максим Глебович - Голографические диски HVD

Для более полного понимания этого материалапрочитайте вначале мою статью о голографии.

Общие сведения о голографических дискахТехнология хранения информацииЗапись и считывание голограммы оптического дискаОтличие метода поляризованной коллинеарной голографии (Optware) от классической технологии (Inphase Technologies)Компоненты и материалы (Optware)

Общие сведения о голографических дисках

На смену уходящим поколениям оптических дисков (CD, DVD, BR(HD)-DVD, FVD, EVD, UDO) пришло новое поколение — HVD (Holographic Versatile Disk) — многоцелевые голографические диски, кардинально отличающиеся от всех вышеперечисленных способом оптического хранения информации.

Существуют две конкурирующие технологии голографической записи от фирм Optware (Япония) и Inphase Techologies (США). За Optware стоят CMC Magnetics, Fuji Photo Film, Nippon Paint, Pulstec Industrial Toagosei, Toshiba, Panasonic, Intel Capital и Sony, а за Inphase Techologies — Hitachi-Maxell, Bayer MaterialScience и Imation.

Характеристики HVD-дисков и приводов, текущие и планируемые (в процессе совершенствования технологий могут меняться):

Inphase-Techologies (http://www.inphase-technologies.com/products/media.asp?subn=3_2):

  • Объём — до 1,6 Терабайта (первые диски будут иметь объем 300 а затем 800 Гигабайт).
  • Плотность записи — 350 (и даже уже 515) Гбит на квадратный дюйм.
  • Скорость записи-считывания информации — до 960 Мбит/с (первые диски — 160 а затем 640 Мбит/с). Запись или считывание 1 миллиона бит за раз.
  • Скорость случайного доступа в режиме чтения — 200 мс
  • Диаметр диска — 5,25 дюйма (130 мм, на 10 мм больше обычных CD)
  • Толщина диска — 3,5 мм. (толщина основания — 1 мм, толщина записывающего слоя 1,5 мм, толщина защитного слоя — 1 мм.)
  • Длина волны лазера — 405 нм (синий). Носители поддерживают 400-410 нм.
  • Длительность хранения информации — 50 лет.
  • Стоимость диска на начальном этапе будет порядка 100 долларов, а привода — порядка 3000.

Optware (http://www.optware.co.jp/english/index_tech.htm):

  • В отличие от классического (двухосевого), Optware применила метод поляризованной коллинеарной голографии (оба луча, опорный и информационный, проходят через одну линзу, а для того, чтобы лучи не мешали друг другу, их поля развернуты друг относительно друга, т.е. лучи по разному поляризованы). Эта технология также обещает совместимость с предыдущими поколениями оптических дисков за счет работы красного лазера, использующегося при работе с голографическим диском для управления сервоприводом. Кроме того, такая оптическая система компактнее классической.
  • Объём — до 3,9 Терабайт (первые диски будут иметь объем 100, 200, 500 а затем и 3,9 Тб при расстоянии между центрами перекрывающихся голограмм 18, 13, 8 и 3 мкм соответственно).
  • Диаметр диска — 120 мм (как у обычных CD).
  • Длина волны лазера — 532 нм (зелёный) для данных и 650 нм (красный) для сервосистемы и для чтения предыдущих форматов оптических дисков.
  • Размер страницы данных на пространственном световом модуляторе — 3 мм, размер одного пикселя страницы — 13,7 мкм
  • Диаметр страницы данных на носителе — 200 мкм.

И тот и другой тип оптическтих дисков планируется размещать в защитный картридж. Таким образом, внешне они будут напоминать пятидюймовые дискеты.

[Вернуться в начало]

Технология хранения информации

Диски названы голографическими потому, что страницы бинарных данных записываются на них способом, схожим с записью голограмм. Причем, для хранения данных применяются не плоские голограммы, расположенные на поверхности фоточувствительного слоя оптического диска, а объемные, занимающие некоторую толщину фоточувствительного слоя диска. Заметьте, что речь не идёт о послойном хранении информации! Вся информация записана всего лишь в одном фоточувствительном слое диска!

Записанные на диск страницы не являются голограммами в полном смысле этого слова. На диске фиксируется информация не рассеянного светового фронта, излучаемого во все стороны изображением страницы данных, а уже плоская, необъёмная световая информация, сфокусированная линзой. Тем не менее, запись сфокусированной страницы происходит, как и запись голограмм, за счёт интерференции, что даёт право называть записанную информацию, скажем, объёмной голограммой плоского светового фронта.

Почему для хранения информации стали применяться объемные голограммы? Не проще ли было осуществить обычную оптическую запись, расположив данные на нескольких слоях оптического диска? Оказывается у объёмной голограммы есть важное преимущество — способность к мультиплексированию (которого, кстати, нет у обычных плоскостных голограмм). Мультиплексирование — это способность хранить несколько разных слепков данных практически в одном и том же объёме записывающего вещества.

Мультиплексирование достигается за счет изменения угла наклона прожигаемых поперёк объёмного фотослоя плоскостей, являющихся элементарными кирпичиками записываемой информации (т.н. брэгговских плоскостей). Этот способ позволяет достигать чрезвычайно высокой плотности записи, не увеличивая до нереальных величин точность считывающего и записывающего устройств. Для записи или считывания той или иной страницы данных достаточно изменить лишь угол подсветки голограммы.

Кроме мультиплексирования за счет изменения угла опорного луча существуют еще два теоретически простых способа:

  1. За счёт изменения длины волны;
  2. За счёт сдвига фазы опорного луча.

Однако все вышеописанные способы требуют сложных оптических систем и толстых, толщиной в несколько миллиметров, носителей. Это затрудняет их коммерческое применение, по крайней мере, в сфере обработки информации. Поэтому были разработаны ещё три метода мультиплексирования:

  1. сдвиговое;
  2. апертурное;
  3. корреляционное.

Они основаны на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное — пучок еще более сложной формы.

С целью еще более высокого уплотнения данных помимо мультиплексирования страниц применяется наложение книг. Суть наложения книг в том, что мультиплексированные массивы страниц (книги) записываются внахлёст друг на друга, как показано на рисунке ниже. Естественно, что с увеличением количества записанных страниц, и плотности наложения книг общая прозрачность голограммы падает. Поэтому степень плотности ограничивается способностью аппаратуры различать информацию на каждой отдельной странице.

 Еще одним плюсом описываемой технологии является возможность удерживать точность оборудования на приемлемом для массового изготовления уровне. Страницы информации после их формирования уменьшаются чисто оптическим способом — всего лишь с помощью линзы, а при восстановлении подобной же линзой увеличиваются до размера считывающего устройства.

Кроме того, голографический способ хранения позволяет значительно повысить скорость доступа к ней, поскольку обращение для чтения или записи происходит единовременно ко всей странице данных, а каждая такая страница может содержать до миллиона бит и более.

[Вернуться в начало]

Запись и считывание голограммы оптического диска

Запись бинарных данных в голограмму происходит следующим образом.

  1. Лазерный луч разделяется на два луча с помощью полупрозрачного зеркала. Таким образом мы получаем два луча, имеющих абсолютно одинаковую длину волны и поляризацию.
  2. 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. Замечу, что 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.
  3. 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:

  1. Опорный лазерный луч той же длины волны и с того же угла, что и при записи, падает на голограмму.
  2. 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.
  3. Рассеянный световой фронт трафарета фокусируется линзой на массиве датчиков и переводится в цифровой код. Замечу, что при воспроизведении настоящей голографии световой фронт не фокусируют.

[Вернуться в начало]

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 сдругом, 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. Данная информация проверяется…

Чертёж диска Inphase Technologies:

Диск Optware в разрезе:

[Вернуться в начало]

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.

novikovmaxim.narod.ru

Голографические диски HVD

Новиков М.Г.28.05.2006

Для более полного понимания этого материала прочитайте вначале мою статью о голографии.

Содержание

Общие сведения о голографических дисках

На смену уходящим поколениям оптических дисков (CD, DVD, BR(HD)-DVD, FVD, EVD, UDO) пришло новое поколение — HVD (Holographic Versatile Disk) — многоцелевые голографические диски, кардинально отличающиеся от всех вышеперечисленных способом оптического хранения информации.

На 2006 год существуют две конкурирующие технологии голографической записи от фирм Optware (Япония) и Inphase Techologies (США). За Optware стоят CMC Magnetics, Fuji Photo Film, Nippon Paint, Pulstec Industrial Toagosei, Toshiba, Panasonic, Intel Capital и Sony, а за Inphase Techologies — Hitachi-Maxell, Bayer MaterialScience и Imation.

Характеристики HVD-дисков и приводов, текущие и планируемые (в процессе совершенствования технологий могут меняться):

Inphase-Techologies (http://en.wikipedia.org/wiki/InPhase_Technologies):(в 2012 году куплена компанией Akonia Holographics (http://akoniaholographics.com) )

  • Объём — до 1,6 Терабайта (первые диски будут иметь объем 300 а затем 800 Гигабайт).
  • Плотность записи — 350 (и даже уже 515) Гбит на квадратный дюйм.
  • Скорость записи-считывания информации — до 960 Мбит/с (первые диски — 160 а затем 640 Мбит/с). Запись или считывание 1 миллиона бит за раз.
  • Скорость случайного доступа в режиме чтения — 200 мс
  • Диаметр диска — 5,25 дюйма (130 мм, на 10 мм больше обычных CD)
  • Толщина диска — 3,5 мм. (толщина основания — 1 мм, толщина записывающего слоя 1,5 мм, толщина защитного слоя — 1 мм.)
  • Длина волны лазера — 405 нм (синий). Носители поддерживают 400-410 нм.
  • Длительность хранения информации — 50 лет.
  • Стоимость диска на начальном этапе будет порядка 100 долларов, а привода — порядка 3000.

Optware (ранее http://www.optware.co.jp/english/index_tech.htm, сегодня следы компании теряются):

  • В отличие от классического (двухосевого), Optware применила метод поляризованной коллинеарной голографии (оба луча, опорный и информационный, проходят через одну линзу, а для того, чтобы лучи не мешали друг другу, их поля развернуты друг относительно друга, т.е. лучи по разному поляризованы). Эта технология также обещает совместимость с предыдущими поколениями оптических дисков за счет работы красного лазера, использующегося при работе с голографическим диском для управления сервоприводом. Кроме того, такая оптическая система компактнее классической.
  • Объём — до 3,9 Терабайт (первые диски будут иметь объем 100, 200, 500 а затем и 3,9 Тб при расстоянии между центрами перекрывающихся голограмм 18, 13, 8 и 3 мкм соответственно).
  • Диаметр диска — 120 мм (как у обычных CD).
  • Длина волны лазера — 532 нм (зелёный) для данных и 650 нм (красный) для сервосистемы и для чтения предыдущих форматов оптических дисков.
  • Размер страницы данных на пространственном световом модуляторе — 3 мм, размер одного пикселя страницы — 13,7 мкм
  • Диаметр страницы данных на носителе — 200 мкм.

И тот и другой тип оптическтих дисков планируется размещать в защитный картридж. Таким образом, внешне они будут напоминать пятидюймовые дискеты.

[Вернуться в начало]

Технология хранения информации

Диски названы голографическими потому, что страницы бинарных данных записываются на них способом, схожим с записью голограмм. Причем, для хранения данных применяются не плоские голограммы, расположенные на поверхности фоточувствительного слоя оптического диска, а объемные, занимающие некоторую толщину фоточувствительного слоя диска. Заметьте, что речь не идёт о послойном хранении информации! Вся информация записана всего лишь в одном фоточувствительном слое диска!

Записанные на диск страницы не являются голограммами в полном смысле этого слова. На диске фиксируется информация не рассеянного светового фронта, излучаемого во все стороны изображением страницы данных, а уже плоская, необъёмная световая информация, сфокусированная линзой. Тем не менее, запись сфокусированной страницы происходит, как и запись голограмм, за счёт интерференции, что даёт право называть записанную информацию, скажем, объёмной голограммой плоского светового фронта.

Почему для хранения информации стали применяться объемные голограммы? Не проще ли было осуществить обычную оптическую запись, расположив данные на нескольких слоях оптического диска? Оказывается у объёмной голограммы есть важное преимущество — способность к мультиплексированию (которого, кстати, нет у обычных плоскостных голограмм). Мультиплексирование — это способность хранить несколько разных слепков данных практически в одном и том же объёме записывающего вещества.

Мультиплексирование достигается за счет изменения угла наклона прожигаемых поперёк объёмного фотослоя плоскостей, являющихся элементарными кирпичиками записываемой информации (т.н. брэгговских плоскостей). Этот способ позволяет достигать чрезвычайно высокой плотности записи, не увеличивая до нереальных величин точность считывающего и записывающего устройств. Для записи или считывания той или иной страницы данных достаточно изменить лишь угол подсветки голограммы.

Кроме мультиплексирования за счет изменения угла опорного луча существуют еще два теоретически простых способа:

  1. За счёт изменения длины волны;
  2. За счёт сдвига фазы опорного луча.

Однако все вышеописанные способы требуют сложных оптических систем и толстых, толщиной в несколько миллиметров, носителей. Это затрудняет их коммерческое применение, по крайней мере, в сфере обработки информации. Поэтому были разработаны ещё три метода мультиплексирования:

  1. сдвиговое;
  2. апертурное;
  3. корреляционное.

Они основаны на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное — пучок еще более сложной формы.

С целью еще более высокого уплотнения данных помимо мультиплексирования страниц применяется наложение книг. Суть наложения книг в том, что мультиплексированные массивы страниц (книги) записываются внахлёст друг на друга, как показано на рисунке ниже. Естественно, что с увеличением количества записанных страниц, и плотности наложения книг общая прозрачность голограммы падает. Поэтому степень плотности ограничивается способностью аппаратуры различать информацию на каждой отдельной странице.

Еще одним плюсом описываемой технологии является возможность удерживать точность оборудования на приемлемом для массового изготовления уровне. Страницы информации после их формирования уменьшаются чисто оптическим способом — всего лишь с помощью линзы, а при восстановлении подобной же линзой увеличиваются до размера считывающего устройства.

Кроме того, голографический способ хранения позволяет значительно повысить скорость доступа к ней, поскольку обращение для чтения или записи происходит единовременно ко всей странице данных, а каждая такая страница может содержать до миллиона бит и более.

[Вернуться в начало]

Запись и считывание голограммы оптического диска

Запись бинарных данных в голограмму происходит следующим образом.

  1. Лазерный луч разделяется на два луча с помощью полупрозрачного зеркала. Таким образом мы получаем два луча, имеющих абсолютно одинаковую длину волны и поляризацию.
  2. 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. Замечу, что 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.
  3. 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:

  1. Опорный лазерный луч той же длины волны и с того же угла, что и при записи, падает на голограмму.
  2. 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.
  3. Рассеянный световой фронт трафарета фокусируется линзой на массиве датчиков и переводится в цифровой код. Замечу, что при воспроизведении настоящей голографии световой фронт не фокусируют.

[Вернуться в начало]

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 сдругом, 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. Данная информация проверяется…

Чертёж диска Inphase Technologies:

Диск Optware в разрезе:

[Вернуться в начало]

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.

[Вернуться в начало]

novikov.gq

Голографические диски HVD | Архив xaker.name

28.05.2006Новиков М.Г. ​

Общие сведения о голографических дисках

На смену уходящим поколениям оптических дисков (CD, DVD, BR(HD)-DVD, FVD, EVD, UDO) пришло новое поколение — HVD (Holographic Versatile Disk) — многоцелевые голографические диски, кардинально отличающиеся от всех вышеперечисленных способом оптического хранения информации.

Существуют две конкурирующие технологии голографической записи от фирм Optware (Япония) и Inphase Techologies (США). За Optware стоят CMC Magnetics, Fuji Photo Film, Nippon Paint, Pulstec Industrial Toagosei, Toshiba, Panasonic, Intel Capital и Sony, а за Inphase Techologies — Hitachi-Maxell, Bayer MaterialScience и Imation.

Характеристики HVD-дисков и приводов, текущие и планируемые (в процессе совершенствования технологий могут меняться):

Inphase-Techologies (http://www.inphase-technologies.com/products/media.asp?subn=3_2):

* Объём — до 1,6 Терабайта (первые диски будут иметь объем 300 а затем 800 Гигабайт). * Плотность записи — 350 (и даже уже 515) Гбит на квадратный дюйм. * Скорость записи-считывания информации — до 960 Мбит/с (первые диски — 160 а затем 640 Мбит/с). Запись или считывание 1 миллиона бит за раз. * Скорость случайного доступа в режиме чтения — 200 мс * Диаметр диска — 5,25 дюйма (130 мм, на 10 мм больше обычных CD) * Толщина диска — 3,5 мм. (толщина основания — 1 мм, толщина записывающего слоя 1,5 мм, толщина защитного слоя — 1 мм.) * Длина волны лазера — 405 нм (синий). Носители поддерживают 400-410 нм. * Длительность хранения информации — 50 лет. * Стоимость диска на начальном этапе будет порядка 100 долларов, а привода — порядка 3000.

Optware (http://www.optware.co.jp/english/index_tech.htm):

* В отличие от классического (двухосевого), Optware применила метод поляризованной коллинеарной голографии (оба луча, опорный и информационный, проходят через одну линзу, а для того, чтобы лучи не мешали друг другу, их поля развернуты друг относительно друга, т.е. лучи по разному поляризованы). Эта технология также обещает совместимость с предыдущими поколениями оптических дисков за счет работы красного лазера, использующегося при работе с голографическим диском для управления сервоприводом. Кроме того, такая оптическая система компактнее классической. * Объём — до 3,9 Терабайт (первые диски будут иметь объем 100, 200, 500 а затем и 3,9 Тб при расстоянии между центрами перекрывающихся голограмм 18, 13, 8 и 3 мкм соответственно). * Диаметр диска — 120 мм (как у обычных CD). * Длина волны лазера — 532 нм (зелёный) для данных и 650 нм (красный) для сервосистемы и для чтения предыдущих форматов оптических дисков. * Размер страницы данных на пространственном световом модуляторе — 3 мм, размер одного пикселя страницы — 13,7 мкм * Диаметр страницы данных на носителе — 200 мкм.

И тот и другой тип оптических дисков планируется размещать в защитный картридж. Таким образом, внешне они будут напоминать пятидюймовые дискеты.

Технология хранения информации

Диски названы голографическими потому, что страницы бинарных данных записываются на них способом, схожим с записью голограмм. Причем, для хранения данных применяются не плоские голограммы, расположенные на поверхности фоточувствительного слоя оптического диска, а объемные, занимающие некоторую толщину фоточувствительного слоя диска. Заметьте, что речь не идёт о послойном хранении информации! Вся информация записана всего лишь в одном фоточувствительном слое диска!

Записанные на диск страницы не являются голограммами в полном смысле этого слова. На диске фиксируется информация не рассеянного светового фронта, излучаемого во все стороны изображением страницы данных, а уже плоская, необъёмная световая информация, сфокусированная линзой. Тем не менее, запись сфокусированной страницы происходит, как и запись голограмм, за счёт интерференции, что даёт право называть записанную информацию, скажем, объёмной голограммой плоского светового фронта.

Почему для хранения информации стали применяться объемные голограммы? Не проще ли было осуществить обычную оптическую запись, расположив данные на нескольких слоях оптического диска? Оказывается у объёмной голограммы есть важное преимущество — способность к мультиплексированию (которого, кстати, нет у обычных плоскостных голограмм). Мультиплексирование — это способность хранить несколько разных слепков данных практически в одном и том же объёме записывающего вещества.

Мультиплексирование достигается за счет изменения угла наклона прожигаемых поперёк объёмного фотослоя плоскостей, являющихся элементарными кирпичиками записываемой информации (т.н. брэгговских плоскостей). Этот способ позволяет достигать чрезвычайно высокой плотности записи, не увеличивая до нереальных величин точность считывающего и записывающего устройств. Для записи или считывания той или иной страницы данных достаточно изменить лишь угол подсветки голограммы.

Кроме мультиплексирования за счет изменения угла опорного луча существуют еще два теоретически простых способа:

1. За счёт изменения длины волны; 2. За счёт сдвига фазы опорного луча.

Однако все вышеописанные способы требуют сложных оптических систем и толстых, толщиной в несколько миллиметров, носителей. Это затрудняет их коммерческое применение, по крайней мере, в сфере обработки информации. Поэтому были разработаны ещё три метода мультиплексирования:

1. сдвиговое; 2. апертурное; 3. корреляционное.

Они основаны на использовании изменения положения носителя относительно световых пучков. При этом сдвиговое и апертурное мультиплексирование используют сферический опорный пучок, а корреляционное — пучок еще более сложной формы.

С целью еще более высокого уплотнения данных помимо мультиплексирования страниц применяется наложение книг. Суть наложения книг в том, что мультиплексированные массивы страниц (книги) записываются внахлёст друг на друга, как показано на рисунке ниже. Естественно, что с увеличением количества записанных страниц, и плотности наложения книг общая прозрачность голограммы падает. Поэтому степень плотности ограничивается способностью аппаратуры различать информацию на каждой отдельной странице.

Еще одним плюсом описываемой технологии является возможность удерживать точность оборудования на приемлемом для массового изготовления уровне. Страницы информации после их формирования уменьшаются чисто оптическим способом — всего лишь с помощью линзы, а при восстановлении подобной же линзой увеличиваются до размера считывающего устройства.

Кроме того, голографический способ хранения позволяет значительно повысить скорость доступа к ней, поскольку обращение для чтения или записи происходит единовременно ко всей странице данных, а каждая такая страница может содержать до миллиона бит и более.

Запись и считывание голограммы оптического диска

Запись бинарных данных в голограмму происходит следующим образом.

1. Лазерный луч разделяется на два луча с помощью полупрозрачного зеркала. Таким образом мы получаем два луча, имеющих абсолютно одинаковую длину волны и поляризацию. 2. 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. Замечу, что 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. 3. 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:

1. Опорный лазерный луч той же длины волны и с того же угла, что и при записи, падает на голограмму. 2. 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. 3. 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 сдругом, 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. Данная информация проверяется…

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.

(c) Новиков М.Г.​

 

arhiv.xaker.name

Компьютерра: Голографические диски: будущее наступит завтра

АрхивНакопители

автор: Олег Нечай   29.11.2005

Компании InPhase Technologies и Hitachi Maxell объявили о том, что голографические диски, способные хранить 300 Гбайт данных, а также приводы для их записи поступят в продажу уже в конце 2006 года.

Пока одни спорят о том, какому формату, HD DVD или Blu-ray, быть отраслевым стандартом оптических носителей ближайшего будущего, другие заняты разработкой дисков с принципиально иной технологией записи. Американская компания InPhase Technologies, специализирующаяся на исследованиях в области голографических способов хранения информации, совместно со своим японским партнером Hitachi Maxell объявила о завершении работы над дисками, информация на которых записывается с использованием интерференции света.

Технология хранения данных при помощи голографии была предложена еще в 1963 году, но до последнего времени ее коммерческая реализация была невозможна, ведь от носителей требуется не как большая вместимость, так и надежность. Разработками в этой области занимаются многие фирмы, к примеру, японская Optware, однако на сегодняшний день наибольших успехов достигла основанная в декабре 2000 года фирмой Lucent Technologies компания InPhase, которая смогла при помощи современных материалов реализовать возможности голографии на принципиально новом техническом уровне.

Новая реализация голографической технологии, известной также под названием "голографическая память", позволяет записывать на диск 300 Гбайт информации примерно в десять раз быстрее, чем современные устройства записи на обычные DVD - заявленная скорость записи достигает 160 Мбит/с! Теоретически, технология, о создании которой InPhase объявила еще в 2001 году, дает возможность записать на диск до 1,6 Тбайта данных, а скорость записи может составлять до 960 Мбит/с, но пока отработана только методика производства носителей меньшего объема и более простого оборудования. По оценкам специалистов, на один диск можно будет записать свыше 240 часов видео в телевизионном качестве, более 18 месяцев радиопередач, до 1,6 миллиона цифровых фотографий высокого разрешения, либо 780 миллионов страниц A4 с текстом, что сравнимо с библиотекой, состоящей из четырех миллионов томов.

 

Диски, применяемые для голографической записи, чуть больше по диаметру традиционных оптических носителей - их диаметр составляет не 12, а 13,3 см, точнее, 5,25 дюйма. Кроме того, новые диски немного толще обычных DVD. Диски помещаются в защитный пластмассовый картридж - запись и воспроизведение производится без извлечения носителей из этих картриджей.

Принцип записи на голографический диск, по данным InPhase Technologies, заключается в следующем. Свет лазерного луча разделяется на два потока: сигнальный, который, собственно, и передает полезную информацию, и опорный, выполняющий служебные функции. В месте, где эти потоки пересекаются в записываемом носителе, и формируется голограмма.

Кодирование данных в сигнальном потоке осуществляется при помощи так называемого пространственного светового модулятора (SLM), который преобразует данные из двоичного кода, состоящего из нулей и единиц в оптическую матрицу из светлых и темных пикселей, напоминающую шахматную доску. Данные объединены в массивы или страницы объемом порядка миллиона бит, точное число которых определяется модулятором SLM.

В месте пересечения опорного и сигнального потоков формируется голограмма, регистрируемая в светочувствительном слое носителя: в тех местах, куда проецируются светлые пиксели оптической матрицы, происходит химическая реакция, в результате чего и осуществляется запись голограммы. Изменяя угол опорного потока, длину волны или положение носителя, на одном и том же участке светочувствительного материала можно записать множество различных голограмм. Этот способ "мультиплексной" записи позволил существенно увеличить плотность записи, а, значит, и потенциальную емкость носителя. По данным разработчика, в настоящее время плотность записи при использовании синего лазера с длиной волны 407 нм составляет свыше 250 Гбайт на квадратный дюйм.

Принцип считывания данных тоже весьма прост: опорный луч, направленный на носитель, отражается от голограммы и реконструирует записанную информацию, которая проецируется на массив датчиков, способный параллельно считывать данные с нескольких голограмм. В использовании параллельного считывания и кроется секрет высокой скорости передачи данных.

Главной проблемой, стоявшей перед разработчиками из InPhase Technologies, был поиск подходящего материала для хранения данных. Ученые из Bell Labs работали над этим материалом в течение семи лет, и результатом их исследований стал материал с фирменным названием Tapestry, отличающийся высокой светочувствительностью, широким динамическим диапазоном, оптической прозрачностью, стабильностью пространственных и тепловых характеристик, а также удобством в производстве. Этот материал и использовала компания InPhase Technologies, выделившаяся в свое время из Bell Labs.

Недостатком носителей на базе полимерных материалов является его сжатие или уплотнение, ограничивающее объем данных, который можно поместить на каждый кубический сантиметр. В материале Tapestry эту проблему обошли так: этот фотополимер состоит из смеси двух совместимых, но независимо полимеризирующихся химических компонентов. Диски формируются путем естественной полимеризации одного из компонентов, в результате чего создается молекулярная решетка, выступающая как поддерживающая среда. Другой, светочувствительный компонент не проходит стадию полимеризации и растворяется в этой решетке, благодаря чему достигается геометрическая стабильность при записи данных и долговечность.

Специалисты InPhase разработали и особый технологический процесс ZeroWave, обеспечивающий производство плоских оптических носителей при минимальных затратах, что позволит этим носителям быть конкурентоспособными на массовом рынке.

Были решены и целый ряд других проблем, препятствующих коммерческому использованию голографической записи. В частности, был расширен рабочий температурный диапазон регистрирующего слоя, а в записывающих и считывающих устройствах были применены широко распространенные недорогие лазерные головки с красным и синим лазером. В качестве массивов датчиков в новой технологии выступают серийно выпускающиеся КПОМ-матрицы, которые устанавливаются в цифровых фотоаппаратах и отличаются высоким качеством наряду с приемлемой ценой. В роли пространственных световых модуляторов (SLM) играют цифровые микрозеркальные и ферроэлектрические модуляторы, применяемые в цифровых телевизорах и видеопроекторах. Гарантированный срок хранения данных на новых носителях был доведен до 50 лет, что сравнимо с обычными CD-RW, заявленная долговечность которых составляет от 20 до 100 лет, в зависимости от производителя.

 

Представители InPhase Technologies называют массу достоинств новой технологии, обусловленных тем, что на небольшом диске можно хранить такие объемы данных, которые сегодня могут храниться на многочисленных винчестерах дорогих серверов. Одним из применений голографических дисков является, безусловно, профессиональная видеозапись, ведь эти диски позволяют записывать, редактировать, хранить и распространять видео на одних и тех же носителях.

Голографическая технология обеспечивает принципиально новый уровень защиты авторских прав на цифровой контент: хранение данных по всей глубине регистрирующего слоя усложняет пиратское тиражирование дисков, а для проверки подлинности диска с фильмом или компьютерной игрой могут использоваться голографические "водяные знаки".

Первой телевизионной сетью, которая дала в эфир видеозапись с голографического диска, разработанного InPhase Technologies, стала американская компания Turner Network Television. 21 октября 2005 года инженеры обеих фирм записали на диск, изготовленный Hitachi Maxell, рекламное объявление новой технологии. Реклама была в электронном виде считана и перенесена на сервер Turner Network Television, после чего выдана в эфир в строго запланированное время. Кроме того, ролик остается активным и будет выдаваться в эфир каждому, кто будет запрашивать программу передач этой кабельной сети. Первая публичная демонстрация голографических дисков в Японии состоялась на Международной выставке вещательного оборудования (InterBEE), проходившей с 16 по 18 ноября в Токио.

Компании InPhase Technologies и Hitachi Maxell объявили, что новые носители, а также записывающие и воспроизводящие устройства появятся на рынке уже в октябре 2006 года. Сначала в продажу поступят диски с возможностью однократной записи объемом 300 Гбайт, к концу 2007 года емкость носителей планируется довести до 800 Гбайт, а к 2010 году - до 1,6 Тбайта. При этом все семейство будет обратно совместимым. По словам исполнительного директора InPhase Technologies Нельсона Диаза, обеспечение полной обратной совместимости чрезвычайно важно для хранения данных, и эта совместимость будет сохранена и в перезаписываемых дисках, которые должны быть представлены в 2007 году. Цена первых рекордеров, по оценкам представителей разработчика, составит от 12000 до 15000 долларов США, однако с ростом продаж и увеличением объемов производства приводы могут быстро подешеветь.

Голографические диски выпускаются компанией Hitachi Maxell на японском заводе в Цукубе из компонентов, поставляемых немецким химическим концерном Bayer. Окончательная цена диска с возможностью однократной записи пока не установлена, но, по оценкам представителей японской фирмы, она составит порядка 120 долларов США. Недешево, однако, при этом хранение каждого гигабайта данных обойдется примерно в 40 центов; для сравнения, на 200-гигабайтном винчестере ценой в 100 долларов каждый гигабайт обходится в 50 центов. Иными словами, даже на стадии опытных образцов хранение гигабайта данных на голографическом диске обходится дешевле, чем на современном жестком диске - многообещающий показатель.

Насколько перспективны голографические диски и смогут ли они конкурировать с уже готовыми к коммерческому использованию технологиями HD DVD и Blu-ray? Скорее всего, им и не придется соперничать с DVD следующего поколения, ведь HD DVD и Blu-ray - это уже технологии сегодняшнего дня, а голография - день завтрашний. Даже весьма внушительные предварительные цены на оборудование и носители для голографической записи не являются такими уж заоблачными, тем более что серийное производство позволит существенно их снизить. Продуманная технология, использование в голографических приводах уже выпускающихся комплектующих и, наконец, выдающаяся плотность записи - на порядок выше, чем у DVD следующего поколения - свидетельствуют о хороших перспективах голографической технологии хранения данных.

При подготовке статьи использовались материалы компаний InPhase Technologies и Hitachi Maxell Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

old.computerra.ru

Технология голографической записи Tapestry - до 200 Гб на одном сменном диске - CyberGuru.ru

Written on 07 Сентября 2006. Posted in Накопители

Рынок корпоративных носителей информации стабильно растёт. Растут и объёмы данных, используемых в работе на предприятиях. Эти данные нуждаются в резервном копировании и хранении в отдельном месте на случай непредвиденных потерь. Ранее для бэкапа использовались жёсткие диски (у тех, кто победнее) или ленточные носители (у тех, кто побогаче). Но совершенно ясно, что время ленточных носителей ушло в прошлое. Сегодня индустрия требует нового типа носителей, имеющего объём, сопоставимый со стримерными картриджами и жёсткими дисками, но быстрого, надёжного и обеспечивающего защиту от несанкционированного доступа к данным. Возможно, такими носителями смогут стать новые голографические диски Tapestry, разработанные компанией Inphase Technologies.

Голографическая запись на диск

Прежде всего, голографический метод записи на носитель отличается от других методов, существовавших до сих пор. Он даёт возможность избавиться от ограничений, накладываемых площадью поверхности носителей, так как запись осуществляется не на плоскости, а в пространстве, на всей толщине носителя. Современные способы записи позволяют записывать один бит на носитель в один момент времени. В отличие от них, голографический способ позволяет записывать миллионы бит одной вспышкой лазерного луча. Благодаря этому, значительно возрастает скорость записи данных. Вот как выглядит в разрезе привод для голографической записи на диск:

Первый коммерческий привод с возможностью голографической записи появится в продаже уже в этом году и будет способен записывать до 200 Гб на один диск. В дальнейшем ёмкость одного диска будет плавно увеличиваться до 1.6 Тб. Итак, как же происходит запись на голографический диск?

Запись на голографический диск 

Лазерный луч разделяется на два луча, один из которых пишет данные (сигнальный) и эталонный. Голограмма формируется, когда два этих луча пересекаются в носителе. Процесс преобразования данных в сигнальный луч производится специальным модулятором SLM (spatial light modulator), он преобразует единицы и нули цифрового потока в "шахматное поле" белых и чёрных точек. Данные образуют собой двумерный массив, матрицу, содержащую миллионы бит. Общее число бит определяется разрешающей способностью модулятора.

В точке соприкосновения эталонного луча и проекции "шахматной доски" на носитель производится запись. Когда эталонный луч складывается с белым пятном шахматной доски и попадает на носитель, происходит химическая реакция и на носителе остаётся след. Соответственно, там, где было чёрное пятнышко доски, след не остаётся. Изменяя угол наклона эталонного луча, длину его волны или положение носителя, на одну и ту же площадь носителя удаётся записать множество различных голограмм одновременно. Процесс записи голограмм на одной глубине носителя был назван мультиплексированием. Компания InPhase Tech разработала различные способы мультиплексирования, путём изменения угла эталонного луча и другими методами, в результате чего появилась возможность значительно увеличить объём хранимой на носителе информации, накладывая голограммы друг на друга множество раз.

Считывание информации

Для считывания информации необходим только эталонный луч. Он отражает голограмму, воссоздавая "шахматную доску" из чёрных и белых квадратиков, которая затем проецируется на специальный чувствительный элемент. Этот элемент параллельно расшифровывает миллионы бит, за счёт чего удаётся достичь высокой скорости считывания данных.

Носитель информации

Естественно, компании InPhase Tech пришлось находить новый носитель информации, который обладал бы высокой фоточувствительностью, стабильностью, оптической чистотой, возможностью лёгкого производства, который бы не разрушался при считывании, не подвергался воздействию внешних факторов и при этом оставался бы лёгким и тонким.

Таким носителем стал фото-полимер, из которого стали изготавливать диски, заключённые в специальном картридже. Диск имеет диаметр 130 мм, чуть больше, чем стандартный компакт-диск или DVD. Когда свет попадает на этот материал, происходит химическая реакция, вырабатываются фотоны, записывающие данные. Этот процесс нельзя обратить, поэтому потребовалось создать дополнительные средства защиты, гарантирующие целостность записи как в процессе, так и после.

Диск Tapestry: CD-R объёмом 200 Гб

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.

Напоследок

Сегодня приводы Tapestry позволяют записывать 200 Гигабайтные диски со скоростью 20 Мб/с. До 2010 года 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.

Нельзя ожидать, что такой носитель, рассчитанный на корпоративный рынок, будет стоить дёшево. Однако, возможно, развитие технологий голографической записи позволит когда-нибудь перенести их и на потребительский рынок.

hardwareportal.ru

www.cyberguru.ru

Голография: иллюзия, вмещающая реальность - DigiMedia.ru

От многих аналитиков можно слышать еще не совсем уверенный, но постоянно упоминаемый  прогноз о возможной тотальной экспансии энергонезависимой NAND флеш-памяти в области хранения данных, причем как в сфере мобильных устройств, так и в стационарных компьютерах. Успехи Blu ray показывают, что оптические диски напрочь списывать не стоит. А, как выяснилось, вовсе не они являются вершиной технологии в данной сфере. Несколько известных компаний ведут активные разработки в области создания новых, в несколько раз более вместительных и быстро читаемых носителей, которые станут выгодной альтернативой имеющимся на сегодняшний день устройствам хранения данных. 

 

История

Первая голограмма была получена задолго до изобретения лазеров. В 1947 г. венгерским физиком Деннисом Габором (Dennis Gabor) был получен патент на изобретение голографической записи, которая была им разработана случайно: в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа, проводившихся в Британской Томсон-Хьюстоновской компании в английском городе Рэгби (British Thomson-Houston Company, Rugby, England). Его работа была награждена Нобелевской премией в 1971 г.

 

 

Он же стал автором слова «голография», которым подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Это достижение стало осуществимым во многом благодаря смежным работам таких физиков, как Мечеслав Вольфке (Mieczysław Wolfke).

 

 

Исследования в данной области не были продуктивны до 1960 г., когда были изобретены красный рубиновый (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неоновый (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеры, так как получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно. Ну а после создания лазера голография начала интенсивно развиваться.

 

Первая 3D-голограмма была записана Юрием Денисюком (Yuri Denisyuk) в Советском Союзе в 1962 г., а позднее в том же году – Эмметом Лейтом (Emmett Leith) и Юрисом Упатниксом (Juris Upatnieks) в Мичиганском университете в США (University of Michigan, USA).

 

Усовершенствования в области фотохимии, позволившие создавать высококачественные голограммы, разработаны Николасом Джей Филипсом (Nicholas J. Phillips).

 

 

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Денисюк (Yuri Denisyuk) получил высококачественные голограммы, которые восстанавливали изображение отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи, получившая название схемы Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Наиболее многообещающее изобретение в короткой истории рассматриваемой технологии – массовое производство дешевых твердотельных лазеров, широко применяемых в миллионах DVD-рекордеров, оказавшихся полезными и  в области голографии. Эти компактные, дешевые лазеры вполне могут сменить дорогие, большие, газовые лазеры, ранее использовавшиеся для создания голограмм. Потому теперь есть возможность для широкого применения данной разработки в научных исследованиях, для хранения различного рода данных.

Принцип голографической записи

Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал, в результате чего на нем возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, зрителю с различной степенью точности будет виден тот же свет, какой отражался бы от объекта записи.

 

Схемы записи голограмм

Схема записи Ю. Денисюка

В 1962 г. русский физик Юрий Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон, так называемая схема на встречных пучках. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкие участки и отражает только их, т.е. выполняет роль светофильтра. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зелёным и синим лазерами, получив тем самым одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера, имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз, число необходимых для записи голограмм предметов сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которую закрепляется лазер, пластинка и объект. Потому именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

 

 

Схема записи Лейта-Упатниекса (1962)

 В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством — делителем — на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера, которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров, и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов, однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

 

Технология записи голографических дисков

Современные методы записи на носители основаны на последовательных принципах, когда в каждый определенный момент времени на их поверхность может быть записан только один бит информации. В случае с голографией все обстоит иначе: здесь процесс основывается на параллельном методе — единственная вспышка лазера формирует пространственную запись миллионов битов информации в пространстве, ограниченном структурой носителя. Процесс записи данных на поверхности и в глубине носителя называется мультиплексированием.

 

 

В общих чертах принцип голографической записи выглядит достаточно просто. Световой поток разделяется на два луча: опорный (reference beam) и объектный (signal beam). Последний обеспечивает запись данных, а опорный остается неизменным. Цифровые данные формируют «образ» объектного луча при помощи пространственного светового модулятора Spatial Light Modulator (SLM), преобразующего последовательность нулей и единиц в массив черных и белых точек — создается подобие решетки (interference pattern), в которой просветы соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку просвечивает объектный луч, имеющий на выходе точную копию текущего состояния решетки пространственного светового модулятора. Чем больше разрешающая способность SLM, тем большую порцию данных может запечатлеть объектный луч в текущий момент времени и на сегодняшний день эта цифра составляет миллионы битов.

После преобразования в SLM уже несущий определенный набор данных объектный луч проецируется на физический носитель (storage medium). В точку проекции направляется и опорный луч, пересекаясь в ней с объектным. В этот момент происходит химическая реакция, которая и лежит в основе записи информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Если изменять длину волны опорного луча, угол его наклона или пространственное положение носителя, в один момент времени можно записать множество разных голограмм.

Есть несколько способов выполнения мультиплексирования, например, при помощи варьирования угла наклона опорного луча. К сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как, например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать настоящей революцией на рынке хранения данных.

Считывание записанных голограмм обеспечивается одним опорным лучом (reference beam), который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на чувствительный элемент (detector array). Этот же элемент преобразует попадающую на него решетку данных в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же путем, который применяется и при записи, — изменением угла наклона опорного луча, положения носителя.

 

 

Для осуществления голографической записи потребовалось разработать особый тип носителя, сочетающий большую светочувствительность, прочность, дешевизну и стабильность. Немаловажным требованием были и приемлемые линейные размеры носителя. Всем этим критериям, по мнению разработчиков, соответствуют фотополимерные диски. Диаметр их ненамного превышает диаметр современных дисков и составляет 130 мм. Они помещены в картриджи наподобие первых моделей DVD-носителей, так как попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, которая необратимо разрушит записанные данные.

 

На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase Technologies уверяет, что в 2008 г. появятся и перезаписываемые носители.

 

Безопасность данных

Компании-разработчики уделили огромное внимание безопасности информации, что закрепило security-качества, которыми обладают голографические диски уже в силу особенностей технологии записи.

1) При голографическом «чтении» невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от других оптических и жестких дисков: данные находятся в толще носителя, что уже намного затрудняет несанкционированный доступ.

2) Каждый голографический накопитель снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод прежде всего обращается к этой информации, а если она зашифрована, считывание данных без необходимых сведений будет неосуществимо.

3) Нанесение особых меток, считывание и распознавание которых необходимо. Они расположены глубже, с определенными координатами. Чтобы преодолеть данный тип защиты, требуется лазер с иной длиной волны, которым не оснащаются приводы для массового потребителя.

4) В диапазоне от 403 до 407 нм варьирует длина волны используемого для записи в голографических приводах лазера. На этом может основываться еще один эффективный способ защиты данных: дисковод, использующий лазер с неверной длиной волны не сможет прочитать диск.

5) В качестве еще одного метода защиты от несанкционированного доступа может служить привязка диска к микропрограмме каждого определенного привода и использование встроенных средств защиты.

 

Преимущества перед Blu ray:

1) больший объем: 1,6 Тб против 50 Гб;

2) большая скорость записи/считывания информации: 120 МБ/cек против 26 МБ/сек;

3) длительный срок службы (до 50 лет). 

 

Сегодняшние наработки

Голографическая система записи Tapestry, на разработку которой потрачено более 8 лет, была представлена на выставке NAB Show 2008 в Лас-Вегасе в апреле, а в мае 2008 г. InPhase Technologies объявили о начале ее продаж.

 

 

Система состоит из покрытых специальным материалом пластиковых дисков диаметром 120 мм, размещенных в картриджах. Голографические изображения наносятся на поверхность дисков с помощью голубого лазера с длиной волны 405 нм — аналогичным используемому в Blu ray. Как утверждает InPhase Technologies, такие диски могут служить до 50 лет. В данный момент они могут хранить 300 Гб, 800 Гб и 1,6 Тб данных, чего удалось достичь следующим образом. Можно хранить больше голограмм на том же количестве материала, совмещая не только страницы, но и книги данных. Страница данных — это около 1 млн. бит, записанных при одной экспозиции лазера. Каждая страница данных располагается по своему адресу, а на одном и том же месте материала может быть записано несколько сотен таких страниц (до 252), что составляет книгу. Последние достижения позволяют записывать «внахлест» не только страницы, но и книги — до 15 штук.

 

 

Скорость записи и считывания данных с носителей системой Tapestry составляет от 20 до 120 МБ/сек (прямопропорционально объему носителя). Её цена на данный момент составляет $18 000. В линейке приводов InPhase представлено три модели:

WORM Gen 1 tapestry 300r 300 Гб, 20MБ/сек;

WORM Gen 2 tapestry 800r 800 Гб, 80MБ/сек;

WORM Gen 3 tapestry 1600r 1,6 Tб, 120MБ/сек.

 

По принципу работы данная система во многом схожа с системой UDO от Plasmon, которая использует голубо-фиолетовый лазер для записи и считывания данных. Главные недостатки UDO — меньший объём диска (120 и 240 Гб), более низкая скорость записи/считывания данных, которая составляет всего 12 МБ/с. Правда, прогнозируемый срок службы у неё тот же – 50 лет. На рынке эта система пока не представлена.

Схожие наработки имеет компания Maxell. Ее сотрудники наряду с InPhase Technologies планировали, что уже в 2007 г. появятся их новые оптические носители — голографические диски объемом 300 Гб. Этого пока не произошло. В 2008 г. у них в планах создать второе поколение новых носителей емкостью 800 Гб, а к 2010 г. ими будут представлены и 1,6 Тб диски. В настоящее время Maxell работает сразу в нескольких направлениях: разрабатываются диски различных размеров, начиная от совсем маленьких и заканчивая классическими 12 см носителями. Для потребительского рынка появятся диски объемом 75 или 100 Гб. Что касается скорости передачи данных новых дисков, то для 300 Гб носителя скорость составляет 20 МБ/с. Как и следовало ожидать стоимость оптических накопителей и дисков к ним столь же велика как и у пионера InPase: на первых порах за голографический привод придется заплатить $15 000, а за диск $120-180.

 

 

Наряду с упомянутым, Hitachi Maxell создали голографический носитель HROM и на выставке CEATEC представили работающий на нем прототип системы воспроизведения аудио. Их носители имеют небольшие на сегодня объем 4 Гб и скорость передачи данных – 16 МБ/с. Однако стоит принять во внимание чрезвычайно компактные размеры носителя – немногим больше обычной почтовой марки. Касательно стоимости устройств разработчики отмечают, что цена во многом будет зависеть от объемов налаживаемого производства, но не должна превышать нескольких долларов за один носитель.

Разработки в сфере голографии оказались продуктивны и для Sony. Существующая у них технология позволяет записывать информацию с плотностью 180 Гбит на квадратный дюйм. А в ноябре 2007 г. им удалось довести плотность голографической записи до 270 Гбит на квадратный дюйм. Таким образом, появилась возможность создавать голографические носители информации в 1,5 раза большей емкости. Но когда новая технология Sony будет поставлена на коммерческие рельсы, пока не сообщается.

В апреле 2006 г. представитель компании Daewoo заявил о создании устройства HDDS — Holographic Digital Data Storage (голографический накопитель). Состоит оно из двух подсистем, которые включают электро-оптическую систему контроля, основанную на комплектующих National Instruments (NI), в числе которых контроллер CompactRIO FPGA и видеодекодирующая плата Xilinx FPGA. Голографический накопитель Daewoo работает по тому же принципу, что и устройство компании InPhase Technologies. В качестве носителя информации им используется голографический диск традиционного CD-размера. Несмотря на относительную давность сообщений, до сих пор ни слова о коммерческом внедрении новой технологии пока нет.

 

Трудности в создании, пути их решения

1)Главной проблемой, с которой сталкивались разработчики систем – необходимость размещения двух оптических систем по разные стороны от носителя информации (первая отвечает за формирование первоначального луча, а вторая — за прием прошедшего через диск измененного сигнала, т.е. считывание информации), а значит и отсутствовали возможности для создания компактных приводов. Но инженерам удалось обе системы расположить с одной стороны от голографического носителя и вторичный сигнал направить к приемнику благодаря наличию отражающего слоя на обратной стороне самого носителя информации.

2)Половина пространства в голографических носителях недоступна для записи данных, так как она используется программным обеспечением для коррекции ошибок. Новая технология компании Sony позволила уменьшить количество ошибок до коррекции. Теперь этот показатель не превышает 10%. А потому со временем придумают способ более экономного расходования дискового пространства.

3)Подверженность световому воздействию: электромагнитное излучение с длиной волны, близкой к световой, вызывает реакцию в регистрирующей среде, что вызывает искажение и повреждение записанных данных —  размещение дисков в непрозрачных картриджах позволило снизить вероятность потери информации.

 

3аключение

Голографическая технология выглядит весьма впечатляюще с учетом большой емкости, скорости записи/чтения информации, наличия убедительных средств защиты от несанкционированного доступа, а потому могла бы стать  желанным приобретением для многих пользователей, но чрезвычайно высокая стоимость подтверждает заявления разработчиков, указывающие на применение голографических дисков преимущественно на корпоративном рынке. Не забывая о том, что некоторые компании планируют создание бюджетных решений, вполне стоит рассчитывать на появление подобных устройств для массового потребителя.

Похожие материалы

www.digimedia.ru

2.9 Голографические диски (hvd)

Голографический многоцелевой диск (Рис 2.9) (Holographic Versatile Disc) — перспективная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объём хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD.

Она использует технологию, известную как голография, которая использует два лазера: один — красный, а второй — зелёный, сведённые в один параллельный луч. зеленый лазер читает данные, закодированные в виде сетки сголографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красныйлазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обычного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения, наподобие системы CHS в обычном жёстком диске. На CD или DVD эта информация внедрена в данные.

Впервые заговорили о возможности хранить информацию в голографических носителях в 1963 году. В то время в компании Polaroid работал учёный Питер ван Хеерден, именно он первый в мире предложил метод «объёмного консервирования» информации.

Хотя в теории можно достичь и высоких скоростей записи/считывания, и больших объёмов, почти за полвека не удалось реализовать производство приводов для голографических дисков и самих дисков, себестоимость которых позволила бы технологии стать коммерчески успешной.

Формат носителей HD VMD впервые был представлен британской компанией «New Medium Enterprises» на выставкеCeBIT в 2006. Первые продажи начались весной 2008 года в сети Amazon и в некоторых магазинах.

Большой интерес данный формат вызвал в Голливуде. Один из крупнейших продюсеров и дистрибьюторов кинопродукции Майкл Джей Соломон из компании Warner Bros. заявлял о намерении продвигать HD VMD в киноиндустрии.

Разработка формата UDO (Ultra Density Optical) началась в июне 2000 года; в ноябре 2000 года Sony анонсировала первую версию формата. Разработкой формата занимаются такие компании как Sony, Hewlett-Packard, Verbatimи др.

В мае 2007 года организацией Ecma Internationalбыл выпущен стандарт ECMA-378 описывающий HVD-ROM емкостью 100Гб.

Принцип действия HVD заключается в чтении голографического «изображения» в какой-либо газовой среде с помощью лазера. Само же изображение создаётся при помощи двух когерентных лазерных лучей, один из которых несущий, или опорный, и не содержит каких-либо данных, а второй — проходит через модулятор информации, так называемый пространственный модулятор света, после чего при пересечении этих двух лучей в зоне интерференции возникает голографическое изображение, которое и записывается на носитель.

Новшество этого способа хранения информации заключается в том, что данные можно записывать не в двухмерном виде, а в трёхмерном. То есть при считывании возникает голограмма, площадь которой больше, чем площадь поверхности носителя, на которую она записана, в несколько раз.

Рис. 2.9 Голографический диск

3. Сравнение Внешних запоминающих устройств

Н

Рис 3.1 Сравнение различных дисков 1

а рисунке (Рис. 3.1), представленном ниже, даны сравнительные характеристики приводов и оптических дисков четырёх распространённых форматов:

Налицо динамика укорачивания длины волны полупроводникового лазера, что позволяет более плотно записывать информацию на оптические диски. Обозначается тенденция к переходу длин волн в ультрафиолетовый диапазон. Так, 17 мая 2006 года японские исследователи из лабораторий NTT Basic Research Laboratories создали ультрафиолетовый светодиод, длина волны которого составляет порядка 210 нм! Это самая короткая длина волны, свет которой может распространяться в воздухе. Это первый шаг к ультрафиолетовым лазерным светодиодам.

С

Рис 3.2 Сравнение длины волны

хематично длины волн полупроводниковых лазеров, применяющихся в различных устройствах чтения-записи, можно увидеть на следующем рисунке (Рис 3.2):

www.studfiles.ru


Смотрите также