Stocare optică de date 3D - 3D optical data storage
| Discuri optice |
|---|
 |
Stocarea datelor optice 3D este orice formă de stocare optică a datelor în care informațiile pot fi înregistrate sau citite cu rezoluție tridimensională (spre deosebire de rezoluția bidimensională oferită, de exemplu, de CD ).
Această inovație are potențialul de a oferi stocare în masă la nivel de petabyte pe discuri de dimensiuni DVD (120 mm). Înregistrarea și redarea datelor se realizează prin focalizarea laserelor în mediu. Cu toate acestea, din cauza naturii volumetrice a structurii datelor, lumina laser trebuie să călătorească prin alte puncte de date înainte de a ajunge în punctul în care se dorește citirea sau înregistrarea. Prin urmare, este necesar un fel de neliniaritate pentru a se asigura că aceste alte puncte de date nu interferează cu adresarea punctului dorit.
Niciun produs comercial bazat pe stocarea datelor optice 3D nu a ajuns încă pe piața de masă, deși mai multe companii dezvoltă activ tehnologia și susțin că aceasta ar putea deveni disponibilă „în curând”.
Prezentare generală
Mediile optice curente de stocare a datelor , cum ar fi CD - ul și DVD-ul, stochează datele ca o serie de semne reflectorizante pe o suprafață internă a unui disc. Pentru a crește capacitatea de stocare, este posibil ca discurile să conțină două sau chiar mai multe dintre aceste straturi de date, dar numărul lor este sever limitat, deoarece laserul de adresare interacționează cu fiecare strat prin care trece pe drumul către și din stratul adresat. . Aceste interacțiuni provoacă zgomot care limitează tehnologia la aproximativ 10 straturi. Metodele de stocare optică a datelor 3D ocolesc această problemă utilizând metode de adresare în care numai voxelul (pixelul volumetric) adresat în mod specific interacționează substanțial cu lumina de adresare. Aceasta implică neapărat metode de citire și scriere a datelor neliniare, în special optică neliniară .
Stocarea optică a datelor 3D este legată de (și concurează cu) stocarea holografică a datelor . Exemplele tradiționale de stocare holografică nu se adresează în a treia dimensiune și, prin urmare, nu sunt strict „3D”, dar mai recent, stocarea holografică 3D a fost realizată prin utilizarea microhologramelor. Tehnologia multistrat de selecție a straturilor (în cazul în care un disc multistrat are straturi care pot fi activate individual, de exemplu, electric) este, de asemenea, strâns legată.
De exemplu, un sistem prototip de stocare a datelor optice 3D poate utiliza un disc care seamănă mult cu un DVD transparent. Discul conține mai multe straturi de informații, fiecare la o adâncime diferită a mediului și fiecare constând dintr-o piesă spirală asemănătoare unui DVD. Pentru a înregistra informații pe disc, un laser este adus la focalizare la o anumită adâncime a mediului, care corespunde unui anumit strat de informații. Când laserul este pornit, acesta provoacă o schimbare fotochimică a mediului. Pe măsură ce discul se rotește și capul de citire / scriere se deplasează de-a lungul unei raze, stratul este scris la fel cum este scris un DVD-R. Adâncimea focalizării poate fi apoi modificată și poate fi scris un alt nivel complet diferit de informații. Distanța dintre straturi poate fi de 5 până la 100 micrometri , permițând stocarea a> 100 straturi de informații pe un singur disc.
Pentru a citi datele înapoi (în acest exemplu), se folosește o procedură similară, cu excepția de data aceasta, în loc să provoace o schimbare fotochimică în mediul în care laserul provoacă fluorescență . Acest lucru se realizează, de exemplu, utilizând o putere laser mai mică sau o lungime de undă laser diferită. Intensitatea sau lungimea de undă a fluorescenței este diferită în funcție de mediul în care a fost scris în acel moment și, prin urmare, prin măsurarea luminii emise se citesc datele.
Dimensiunea moleculelor individuale de cromofor sau a centrelor de culoare fotoactive este mult mai mică decât dimensiunea focalizării laserului (care este determinată de limita de difracție ). Prin urmare, lumina se adresează unui număr mare (posibil chiar și 10 9 ) de molecule în orice moment, astfel încât mediul acționează mai degrabă ca o masă omogenă decât ca o matrice structurată prin pozițiile cromoforilor.
Istorie
Originile câmpului datează din anii 1950, când Yehuda Hirshberg a dezvoltat spiropirani fotocromici și a sugerat utilizarea lor în stocarea datelor. În anii 1970, Valerii Barachevskii a demonstrat că acest fotocromism poate fi produs prin excitație cu doi fotoni și, în cele din urmă, la sfârșitul anilor 1980, Peter M. Rentzepis a arătat că acest lucru ar putea duce la stocarea tridimensională a datelor. Majoritatea sistemelor dezvoltate se bazează într-o oarecare măsură pe ideile originale ale lui Rentzepis. O gamă largă de fenomene fizice pentru citirea și înregistrarea datelor au fost cercetate, un număr mare de sisteme chimice pentru mediu au fost dezvoltate și evaluate și s-au efectuat lucrări extinse în rezolvarea problemelor asociate cu sistemele optice necesare pentru citire și înregistrarea datelor. În prezent, mai multe grupuri continuă să lucreze la soluții cu diferite niveluri de dezvoltare și interes pentru comercializare.
Procese de creare a datelor scrise
Înregistrarea datelor într-un mediu de stocare optică 3D necesită o schimbare în mediu după excitare. Această schimbare este, în general, o reacție fotochimică, deși există și alte posibilități. Reacțiile chimice care au fost investigate includ photoisomerizations , photodecompositions și fotooxidare și polimerizare de inițiere. Cele mai multe au fost investigate compuși fotocromice, care includ azobenzenes , spiropirani , stilbene , fulgides și diarylethenes . Dacă modificarea fotochimică este reversibilă , atunci se poate realiza stocarea datelor regrababile, cel puțin în principiu. De asemenea, înregistrarea MultiLevel , în care datele sunt scrise în " tonuri de gri ", mai degrabă decât ca semnale "activat" și "oprit", este fezabilă din punct de vedere tehnic.
Scrierea prin absorbție multiphotonă fără rezistență
Deși există multe fenomene optice neliniare, doar absorbția multiphotonică este capabilă să injecteze în mediu energia semnificativă necesară pentru a excita electronic speciile moleculare și a provoca reacții chimice. Absorbția cu doi fotoni este de departe cea mai puternică absorbanță multiphotonică, dar totuși este un fenomen foarte slab, ceea ce duce la o sensibilitate redusă a mediului. Prin urmare, multe cercetări au fost direcționate pentru a furniza cromofori cu secțiuni transversale mari de absorbție a doi fotoni .
Scrierea prin absorbția a doi fotoni poate fi realizată prin focalizarea laserului de scriere în punctul în care este necesar procesul de scriere fotochimică. Lungimea de undă a laserului de scriere este aleasă astfel încât să nu fie absorbită liniar de mediu și, prin urmare, nu interacționează cu mediul decât în punctul focal. La punctul focal absorbția cu doi fotoni devine semnificativă, deoarece este un proces neliniar dependent de pătratul fluenței laserului .
Scrierea prin absorbția a doi fotoni poate fi realizată și prin acțiunea a două lasere în coincidență. Această metodă este de obicei utilizată pentru a realiza scrierea paralelă a informațiilor simultan. Un laser trece prin media, definind o linie sau un plan. Al doilea laser este apoi îndreptat către punctele de pe acea linie sau plan pe care se dorește scrierea. Coincidența laserelor în aceste puncte a excitat absorbția cu doi fotoni, ducând la scrierea fotochimiei.
Scriere prin absorbție secvențială multiphotonică
O altă abordare pentru îmbunătățirea sensibilității mediilor a fost folosirea absorbției rezonante cu doi fotoni (cunoscută și sub denumirea de „1 + 1” sau „secvențială” de absorbție a doi fotoni). Absorbția nerezonantă cu doi fotoni (așa cum se folosește în general) este slabă, deoarece pentru ca excitația să aibă loc, cei doi fotoni interesanți trebuie să ajungă la cromofor aproape exact în același timp. Acest lucru se datorează faptului că cromoforul nu poate interacționa singur cu un singur foton. Cu toate acestea, dacă cromoforul are un nivel de energie corespunzător absorbției (slabe) a unui foton, atunci acesta poate fi folosit ca o piatră de pas , permițând mai multă libertate în timpul sosirii fotonilor și, prin urmare, o sensibilitate mult mai mare. Cu toate acestea, această abordare are ca rezultat o pierdere a neliniarității în comparație cu absorbanța nerezonantă cu doi fotoni (deoarece fiecare etapă de absorbție cu doi fotoni este esențial liniară) și, prin urmare, riscă să compromită rezoluția 3D a sistemului.
Microholografie
În micro holografie , fasciculele de lumină focalizate sunt utilizate pentru a înregistra holograme de dimensiuni submicrometrice într-un material fotorefractiv, de obicei prin utilizarea de fascicule coliniare. Procesul de scriere poate utiliza aceleași tipuri de suporturi utilizate în alte tipuri de stocare a datelor holografice și poate utiliza procese cu doi fotoni pentru a forma hologramele.
Înregistrarea datelor în timpul fabricației
Datele pot fi, de asemenea, create în procesul de fabricație a mediului, așa cum este cazul majorității formatelor de disc optic pentru distribuirea datelor comerciale. În acest caz, utilizatorul nu poate scrie pe disc - este un format ROM . Datele pot fi scrise printr-o metodă optică neliniară, dar în acest caz utilizarea laserelor cu putere foarte mare este acceptabilă, astfel încât sensibilitatea mediului devine mai puțin problematică.
De asemenea, a fost demonstrată fabricarea discurilor care conțin date turnate sau tipărite în structura lor 3D. De exemplu, un disc care conține date în 3D poate fi construit prin îmbinarea unui număr mare de discuri subțiri de napolitane, fiecare dintre acestea fiind turnat sau tipărit cu un singur strat de informații. Discul ROM rezultat poate fi apoi citit folosind o metodă de citire 3D.
Alte abordări ale scrisului
Au fost examinate și alte tehnici de scriere a datelor în trei dimensiuni, inclusiv:
Arderea spectrală persistentă a găurilor (PSHB), care permite și posibilitatea multiplexării spectrale pentru a crește densitatea datelor. Cu toate acestea, media PSHB necesită în prezent menținerea unor temperaturi extrem de scăzute pentru a evita pierderea datelor.
Formarea vidului, în care bulele microscopice sunt introduse într-un mediu prin iradiere cu laser de înaltă intensitate.
Polizarea cromoforului, unde reorientarea indusă de laser a cromoforilor în structura mediului duce la modificări lizibile.
Procese de citire a datelor
Citirea datelor din memoriile optice 3D a fost efectuată în multe moduri diferite. În timp ce unele dintre acestea se bazează pe neliniaritatea interacțiunii lumină-materie pentru a obține rezoluție 3D, altele folosesc metode care filtrează spațial răspunsul liniar al mediului. Metodele de citire includ:
Absorbție cu doi fotoni (rezultând fie absorbție, fie fluorescență). Această metodă este în esență microscopie cu doi fotoni .
Excitație liniară a fluorescenței cu detectare confocală. Această metodă este în esență microscopie de scanare laser confocală . Oferă excitație cu puteri laser mult mai mici decât absorbția cu doi fotoni, dar are unele probleme potențiale, deoarece lumina de adresare interacționează cu multe alte puncte de date în plus față de cea care este abordată.
Măsurarea diferențelor mici în indicele de refracție între cele două stări de date. Această metodă utilizează de obicei un microscop cu contrast de fază sau reflexie confocal microscop . Nu este necesară absorbția luminii, deci nu există riscul de a deteriora datele în timpul citirii, dar nepotrivirea necesară a indicelui de refracție pe disc poate limita grosimea (adică, numărul de straturi de date) pe care media o poate atinge datorită frontului de undă aleatoriu acumulat erori care distrug calitatea spotului concentrat.
A doua generație de armonici a fost demonstrată ca o metodă de citire a datelor scrise într-o matrice polimerică polizată.
Tomografia cu coerență optică a fost, de asemenea, demonstrată ca o metodă de citire paralelă.
Proiectare media
Partea activă a mediilor optice de stocare 3D este de obicei un polimer organic fie dopat, fie altoit cu specia activă din punct de vedere fotochimic. Alternativ, au fost utilizate materiale cristaline și sol-gel .
Factorul de formă media
Suporturile pentru stocarea datelor optice 3D au fost sugerate în mai mulți factori de formă: disc, card și cristal.
Un suport de disc oferă o progresie de pe CD / DVD și permite citirea și scrierea să fie efectuate prin metoda familiară de disc rotativ.
Un suport pentru factorul de formă al cardului de credit este atractiv din punct de vedere al portabilității și comodității, dar ar avea o capacitate mai mică decât un disc.
Mai mulți scriitori de ficțiune științifică au sugerat solide mici care stochează cantități masive de informații și cel puțin, în principiu, acest lucru ar putea fi realizat cu stocarea optică a datelor 5D .
Fabricarea suporturilor
Cea mai simplă metodă de fabricație - turnarea unui disc într-o singură bucată - este o posibilitate pentru unele sisteme. O metodă mai complexă de fabricare a mediilor este ca mediile să fie construite strat cu strat. Acest lucru este necesar dacă datele vor fi create fizic în timpul fabricării. Cu toate acestea, construcția strat cu strat nu trebuie să însemne împerecherea mai multor straturi împreună. O altă alternativă este crearea mediului într-o formă similară cu o rolă de bandă adezivă.
Proiectarea unității
O unitate concepută pentru a citi și scrie pe suporturi optice de stocare a datelor 3D poate avea multe în comun cu unitățile CD / DVD, în special dacă factorul de formă și structura de date a suportului este similară cu cea a CD-ului sau DVD-ului. Cu toate acestea, există o serie de diferențe notabile care trebuie luate în considerare la proiectarea unei astfel de unități.
Laser
În special atunci când se folosește absorbția cu doi fotoni, pot fi necesare lasere de mare putere, care pot fi voluminoase, dificil de răcit și prezintă probleme de siguranță. Unitățile optice existente utilizează lasere cu diode cu undă continuă care funcționează la 780 nm, 658 nm sau 405 nm. Unitățile de stocare optică 3D pot necesita lasere în stare solidă sau lasere pulsate, iar mai multe exemple utilizează lungimi de undă ușor accesibile de aceste tehnologii, cum ar fi 532 nm (verde). Aceste lasere mai mari pot fi dificil de integrat în capul de citire / scriere al unității optice.
Corecție variabilă a aberației sferice
Deoarece sistemul trebuie să abordeze adâncimi diferite în mediu și la adâncimi diferite, aberația sferică indusă în frontul de undă este diferită, este necesară o metodă pentru a explica dinamic aceste diferențe. Există multe metode posibile care includ elemente optice care schimbă în și din calea optică, elemente în mișcare, optică adaptivă și lentile de imersie.
Sistem optic
În multe exemple de sisteme optice de stocare a datelor 3D, sunt utilizate mai multe lungimi de undă (culori) ale luminii (de exemplu, citirea laserului, scrierea laserului, semnalul; uneori sunt necesare chiar și două lasere doar pentru scriere). Prin urmare, pe lângă faptul că face față puterii laserului și aberației sferice variabile, sistemul optic trebuie să combine și să separe aceste culori diferite de lumină, după cum este necesar.
Detectare
În unitățile DVD, semnalul produs de pe disc este o reflectare a fasciculului laser de adresare și, prin urmare, este foarte intens. Cu toate acestea, pentru stocarea optică 3D, semnalul trebuie generat în interiorul micului volum adresat și, prin urmare, este mult mai slab decât lumina laser. În plus, fluorescența este radiată în toate direcțiile din punctul adresat, astfel încât optica specială de colectare a luminii trebuie utilizată pentru a maximiza semnalul.
Urmărirea datelor
Odată ce sunt identificate de-a lungul axei Z, straturile individuale de date de tip DVD pot fi accesate și urmărite în moduri similare DVD-urilor. A fost demonstrată și posibilitatea utilizării adresării paralele sau bazate pe pagini. Acest lucru permite rate de transfer de date mult mai rapide , dar necesită complexitatea suplimentară a modulatorilor de lumină spațială , imagistica semnalului, lasere mai puternice și gestionarea mai complexă a datelor.
Probleme de dezvoltare
În ciuda naturii extrem de atractive a stocării optice a datelor 3D, dezvoltarea produselor comerciale a durat o perioadă semnificativă de timp. Acest lucru rezultă din sprijinul financiar limitat în domeniu, precum și din probleme tehnice, inclusiv:
Lectura distructivă. Deoarece atât citirea cât și scrierea datelor sunt efectuate cu fascicule laser, există un potențial pentru procesul de citire de a provoca o cantitate mică de scriere. În acest caz, citirea repetată a datelor poate servi în cele din urmă pentru ștergerea acestora (acest lucru se întâmplă și în materialele de schimbare de fază utilizate în unele DVD-uri). Această problemă a fost abordată de mai multe abordări, cum ar fi utilizarea diferitelor benzi de absorbție pentru fiecare proces (citire și scriere) sau utilizarea unei metode de citire care nu implică absorbția energiei.
Stabilitate termodinamică. Multe reacții chimice care par să nu aibă loc, de fapt, se întâmplă foarte încet. În plus, multe reacții care par să se fi întâmplat se pot inversa încet. Deoarece majoritatea mediilor 3D se bazează pe reacții chimice, există, așadar, riscul ca fie punctele nescrise să devină scrise încet, fie ca punctele scrise să revină încet la a fi nescrise. Această problemă este deosebit de gravă pentru spiropirani, dar au fost efectuate cercetări ample pentru a găsi cromofori mai stabili pentru amintirile 3D.
Sensibilitate media. absorbția cu doi fotoni este un fenomen slab și, prin urmare, sunt necesare, de obicei, lasere de mare putere pentru ao produce. Cercetătorii folosesc de obicei lasere Ti-safir sau lasere Nd: YAG pentru a obține excitație, dar aceste instrumente nu sunt potrivite pentru utilizarea în produsele de larg consum.
Dezvoltare academică
O mare parte din dezvoltarea stocării optice a datelor 3D a fost realizată în universități. Grupurile care au furnizat informații valoroase includ:
- Peter T. Rentzepis a fost inițiatorul acestui domeniu și a dezvoltat recent materiale fără citire distructivă.
- Watt W. Webb a dezvoltat cod microscopul cu doi fotoni în Bell Labs și a arătat înregistrarea 3D pe suporturi fotorefractive.
- Masahiro Irie a dezvoltat familia de materiale fotocromice diariletene .
- Yoshimasa Kawata, Satoshi Kawata și Zouheir Sekkat au dezvoltat și au lucrat la mai multe sisteme optice de manipulare a datelor, în special implicând sisteme polimerice polizate.
- Kevin C Belfield dezvoltă sisteme fotochimice pentru stocarea optică a datelor 3D prin utilizarea transferului de energie de rezonanță între molecule și dezvoltă, de asemenea, materiale cu secțiune transversală cu doi fotoni.
- Seth Marder a efectuat o mare parte din lucrările timpurii dezvoltând abordări logice pentru proiectarea moleculară a cromoforilor cu secțiune transversală cu doi fotoni.
- Tom Milster a adus numeroase contribuții la teoria stocării optice a datelor 3D.
- Robert McLeod a examinat utilizarea microhologramelor pentru stocarea optică a datelor 3D.
- Min Gu a examinat citirea confocală și metodele de îmbunătățire a acesteia.
Dezvoltare comercială
În plus față de cercetările academice, au fost înființate mai multe companii pentru a comercializa stocarea datelor optice 3D și unele mari corporații și-au manifestat interesul pentru tehnologie. Cu toate acestea, nu este încă clar dacă tehnologia va reuși pe piață în prezența concurenței din alte zone, cum ar fi hard disk-urile , stocarea flash și stocarea holografică .
- Call / Recall a fost fondată în 1987 pe baza cercetărilor lui Peter Rentzepis. Folosind înregistrarea cu doi fotoni (la 25 Mbit / s cu 6,5 ps, 7 nJ, impulsuri de 532 nm), citirea cu un foton (cu 635 nm) și un obiectiv de imersie cu NA mare (1,0), au stocat 1 TB ca 200 straturi într-un disc gros de 1,2 mm. Acestea urmăresc să îmbunătățească capacitatea la> 5 TB și ratele de date până la 250 Mbit / s în decurs de un an, prin dezvoltarea de noi materiale, precum și diode cu laser albastru cu impulsuri de mare putere.
- Mempile dezvoltă un sistem comercial cu numele TeraDisc . În martie 2007, au demonstrat înregistrarea și recitire 100 straturi de informații pe un disc cu o grosime de 0,6 mm, precum și la nivelul diafonie , sensibilitate ridicată și termodinamice stabilitate. Ei intenționează să lanseze un produs de consum cu laser roșu de 0,6-1,0 TB în 2010 și au o foaie de parcurs către un produs cu laser albastru de 5 TB.
- Constellation 3D a dezvoltat discul fluorescent multistrat la sfârșitul anilor 1990, care era un disc ROM, fabricat strat cu strat. Compania a eșuat în 2002, dar proprietatea intelectuală ( IP ) a fost achiziționată de D-Data Inc., care încearcă să o introducă ca Digital Multilayer Disk (DMD).
- Storex Technologies a fost înființat pentru a dezvolta medii 3D bazate pe ochelari fluorescenți fotosensibili și materiale din sticlă-ceramică. Tehnologia provine din brevetele savantului român Eugen Pavel , care este și fondatorul și CEO-ul companiei. La conferința ODS2010 au fost prezentate rezultate privind citirea prin două metode de non-fluorescență ale unui disc optic Petabyte.
- Landauer Inc. dezvoltă un mediu bazat pe absorbția rezonantă a doi fotoni într-un substrat monocristal de safir . În mai 2007, au arătat înregistrarea a 20 de straturi de date folosind 2 nJ de energie laser (405 nm) pentru fiecare semn. Rata de citire este limitată la 10 Mbit / s din cauza duratei de viață a fluorescenței.
- Colossal Storage își propune să dezvolte o tehnologie de stocare optică holografică 3D bazată pe polizarea câmpului electric indus de fotoni folosind un laser UV de distanță pentru a obține îmbunătățiri mari față de capacitatea curentă de date și ratele de transfer, dar încă nu au prezentat nicio cercetare experimentală sau studiu de fezabilitate.
- Microholas funcționează în afara Universității din Berlin, sub conducerea prof. Susanna Orlic, și a realizat înregistrarea a până la 75 de straturi de date microholografice, separate de 4,5 micrometri și sugerând o densitate a datelor de 10 GB pe strat.
- 3DCD Technology Pty. Ltd. este un spin-off universitar creat pentru a dezvolta tehnologia de stocare optică 3D bazată pe materiale identificate de Daniel Day și Min Gu.
- Mai multe companii mari de tehnologie, cum ar fi Fuji , Ricoh și Matsushita, au solicitat brevete pentru materiale care răspund la doi fotoni pentru aplicații, inclusiv stocarea optică a datelor 3D, totuși nu au dat niciun indiciu că dezvoltă soluții complete de stocare a datelor.