Цифровые ГЗУ

3. Высокая помехозащищенность  записи. Особенностью голографического метода записи является то, что при записи большого числа объектных волн (каждая из которых в нашем случае представляет один бит информации) каждая из этих волн распределена по всей площади голограммы. Таким образом, повреждение или утрата части голограммы будет приводить лишь к уменьшению уровня сигнала при её считывании, не нарушая при этом целостности картины восстановленных объектных волн. По этой причине, распределенная (голографическая) запись является принципиально гораздо более устойчивой к появлению каких-либо ошибок или сбоев в канале считывания.

4. Возможность реализации  алгоритмов поиска данных с использованием свойства ассоциативности голографического метода записи. Ассоциативность голограммы означает, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта. Таким образом, если какая-то часть информации (в объектном пучке) является общей для некоторого числа записанных голограмм, то, наиболее отвечающей критериям поиска, будет та из них, для которой восстановленная опорная волна является наиболее интенсивной. Выбирая наиболее интенсивную из восстановленных частью объектной волны опорную волну, можно полностью восстановить искомую объектную волну (информацию).

5. Возможность проведения  различных логических и математических действий между различными массивами. Голографический метод записи и считывания позволяет реализовать выполнение основных операций булевой алгебры (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и т.д.).

Также возможно выполнение параллельных ассоциативных операций, таких, как поиск данных, детектирование изменений, корреляция и распознавание образов.

6. Запись и считывание  информации возможны в реальном времени. Голографический метод записи позволяет осуществить практически мгновенное считывание (при условии использования соответствующих регистрирующих материалов).

Устройства хранения информации могут подразделяться на типы скоростью записи/считывания и объему памяти. Различают следующие основные типы устройств памяти:

1. Архивная память –  в этом случае наиболее важной характеристикой является возможность максимально большого объема памяти. Не требуется запись в процессе эксплуатации.

2. Частично-заменяемая память  – тип памяти с преимущественным считыванием и с возможностью перезаписи.

3. Быстродействующая реверсивная  память – тип памяти относительно небольшого объёма, предполагающий высокую скорость записи, считывания и стирания информации.

Голографическое запоминающее устройство, как всякое другое запоминающее устройство, в наиболее общем виде должно реализовать следующие процессы:

1) Кодирование или преобразование сигнала, несущего информацию в форму, удобную для записи;

2) Распределение информации  по носителю и запись;

3) Хранение информации;

4) Нахождение нужной информации  на носителе;

5) Декодирование или преобразование  в форму, удобную для вывода;

6) Вывод информации из  запоминающего устройства для  использования потребителем;

7) Если устройство хранения не относится к архивному типу, необходимо осуществить стирание и повторную запись.

Голографический метод записи наиболее полно реализуется в устройствах архивной памяти (например, голографические диски большой емкости), а также в устройствах быстродействующей реверсивной памяти (с использованием электрооптических или фотохромных кристаллов).

Системы голографической  памяти можно классифицировать по методу записи и считывания голограмм:

1) Последовательная запись. Вся информация в виде большого количества отдельных изображений (бит) записывается на одну и ту же голограмму. Изображения (биты) восстанавливаются независимо друг от друга, если при их записи использовалась опорные волны, различающиеся между собой.

2) Параллельная запись. Запись  осуществляется сразу большими массивами (массив N бит). Запись информации массивами представляется наиболее перспективной для достижения высокой ёмкости, особенно в сочетании с последовательной записью M голограмм, записанных с использованием опорных волн, различающихся между собой.

3) Запись информации, распределенной по глубине (в объёме). В этом случае различные массивы распределены по глубине регистрирующей среды. Такую запись информации можно комбинировать с последовательной записью с целью увеличения плотности хранимой информации. При считывании изображений предъявляются высокие требования к оптико-механической части устройства.

В системах голографической  памяти могут использоваться как тонкие, так и объёмные голограммы. Для их различения используется так называемый критерий Клейна Q = 2πλd/(nΛ²), где λ - длина волны излучения, d - толщина голограммы, n - средний показатель преломления, Λ - пространственный период. Если Q>10, то голограмма считается объёмной.

Пространственный период решетки Λ определяется длиной волны при записи и углом между объектной и опорной волнами: Λ =λ/(2×sinθ), где θ - половина угла между опорной и объектной волнами (в воздухе). Благодаря присущему объёмным голограммам свойству спектральной и угловой селективности, возможны запись и раздельное считывание многих голограмм в одном объёме (мультиплексирование), что повышает плотность хранения информации.

Максимальная дифракционная  эффективность η достигается в случае объемных фазовых голограмм. Выражение для дифракционной эффективности η объёмных фазовых голограмм пропускающего типа записывается как:

η=sin²(πn₁d/λcosθ_i),

где n₁ – амплитуда модуляции показателя преломления,

d – толщина голограммы

θ_i - половина угла между опорной и объектной волнами (в среде)

Таким образом, объемные фазовые  голограммы характеризуются наибольшей потенциальной емкостью хранения информации.

Проводимые в течение  десятков лет (с 1963 года) исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:

1. Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.

2. Предпочтительно одновременно  записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.

3. По типу используемых  голограмм наибольшим преимуществом пользуются Фурье-голограммы, регистрируемые в плоскости Фурье-преобразования или вблизи ее, так как они могут быть записаны на малых площадях и инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка. Инвариантность к сдвигу существенно упрощает требования к установке фотоприемника, воспринимающего восстановленное изображение при считывании.

4. Для записи следует  использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.

5. В системе голографической  памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы.

Пример оптической схемы  для реализации голографической системы хранения информации в объемной среде приведен на рис.17.

Рис.3. Оптическая схема реализации голографической памяти с изменяющимся углом падения опорного пучка в объемной среде в режиме записи (А) и считывания (Б) информации.

1 – лазер, 2 – электро-оптический затвор, 3 – вращатель поляризации, 4 – акусто-оптический дефлектор, 5 – линза, 6 – поляризационный светоделитель, 7 – селективное зеркало, 8 – матрицы микролинз, 9 – устройство ввода информации, 10 – линза фурье-преобразования, 11 – регистрирующая среда, 12 – устройство считывания информации, 13 – угловой дефлектор, 14 – дифракционная решетка.

 

В режиме записи (рис.3а) излучение лазера проходит через электрооптический затвор 2 и попадает на вращатель поляризации 3, после чего отклоняется на заданный угол дефлектором 4. Поляризационный делитель делит пучок на две части с одинаковой поляризацией (обозначена кружком). Одна часть пучка направляется на матрицу микролинз, которая совместно с объективом 5 формирует равномерную засветку устройства ввода информации 9, расположенное в фокусе линзы 10, осуществляющей преобразование Фурье. С противоположной стороны линзы 10 также в фокусе помещен регистрирующий материал 11 для записи голограмм. Вторая часть лазерного пучка проходит систему линз и объективов и направляется на угловой дефлектор 13, который совместно с дифракционной решеткой 14 предназначен для изменения угла наклона опорного пучка для многократной записи голограмм на одном и том же участке регистрирующего материала. Для перехода на следующий участок записи изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, при этом одновременно изменяется положение и опорного и объектного пучков.

В режиме считывания (рис.3б) поляризация лазерного излучения меняется на ортогональную (обозначена стрелкой), при этом излучение лазера проходит поляризационный светоделитель без отражения, формируя пучок, аналогичный опорному пучку при записи. Изменяя угол падения пучка с помощью углового дефлектора 13 можно осуществлять считывание информации восстановленной голограммой с помощью устройства считывания 12. Для перехода на следующий участок голографического материала изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, а затем производится выборка нужной информации изменением угла считывания при помощи углового дефлектора 13.

Проводимые с 1963 года исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:

1) Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.

2) Предпочтительно одновременно  записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.

3) По типу используемых  голограмм наибольшим преимуществом пользуются фурье-голограммы, регистрируемые в плоскости фурье-преобразования или вблизи ее, так как они могут быть записаны на малых площадях и инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка. Инвариантность к сдвигу существенно упрощает требования к установке фотоприемника, воспринимающего восстановленное изображение при считывании.

4) Для записи следует  использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.

5) В системе голографической  памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы.

Компоненты голографической  памяти

Источник излучения

Для обеспечения эффективной  записи голограмм требуется коллимированное когерентное излучение лазера. Для обеспечения высокой пиковой мощности желательно использовать импульсный лазер с высокой частотой повторения импульсов (до 10⁶ импульсов в секунду). Большинство используемых регистрирующих материалов имеют наибольшую чувствительность в сине-зеленом диапазоне, однако и при этом условии средняя мощность излучения лазера в одномодовом режиме генерации должна составлять около 1 Вт. В первых экспериментах по созданию голографических систем памяти использовали в основном излучение Ar-лазера на длинах волн λ=0.488 и 0.515 мкм. Однако, коэффициент преобразования электрической энергии в оптическое излучение крайне низок (порядка 0.1%), поэтому габариты таких лазеров и их блоков питания довольно громоздки.

В настоящее время широко используются твердотельные неодимовые лазеры (λ₁=1.053…1.070 мкм) с диодной накачкой и преобразованием частоты излучения во вторую гармонику с длиной волны λ₂=0.527…0.535 мкм.

Следует также помнить, что  использование лазеров с генерацией излучения на более коротких длинах волн обеспечивает увеличение плотности записи информации пропорционально λ^-3 (в случае объемной регистрирующей среды).

Дефлектор лазерного излучения

Для точного позиционирования лазерного излучения на поверхности и в объеме голографической регистрирующей среды нужно использовать быстродействующие устройства–дефлекторы (желательно не механического типа), способные изменять направление распространения падающего лазерного излучения. В основном, используют гальванометрические (механические) и оптические (акустооптические и электрооптические) дефлекторы. Быстродействие гальванометрических дефлекторов относительно велико и составляет t∼0.1 мс. В случае акустооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит на акустической волне, созданной в акустооптическом материале с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Изменение несущей акустической частоты приводит к изменению периода решетки и, следовательно, к изменению угла дифракции лазерного излучения на этой решетке. Быстродействие таких устройств определяется, главным образом, временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка и может составлять величину t∼10^-6-10^-5 с. В случае электрооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит в электрооптическом кристалле при приложении к нему электрического поля. Быстродействие  таких устройств определяется, главным образом, временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка и может составлять величину t∼10^-6-10^-5 с. В случае электрооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит в электрооптическом кристалле при приложении к нему электрического поля. Быстродействие электрооптического дефлектора составляет t∼10^-6 с.

Устройство ввода информации

Устройство ввода служит для преобразования цифровых электрических сигналов в матрицу данных, которая помещается на пути объектного пучка, модулируя его в соответствии с заданным распределением сигналов на этой матрице (0 или 1 в двоичном коде). Устройство ввода информации должно обеспечивать:

1) высокое быстродействие (желательно с t∼10^-6 с)

2) высокое разрешение (размер каждого элемента матрицы менее 100 мкм)

3) большое количество элементов  (1024×1024 элемента)

4) высокий контраст изображения  (100:1 и выше)

5) стабильность свойств  по отношению к мощному лазерному излучению (до 1 Вт)