Цифровые ГЗУ

6) высокая однородность  по яркости и контрасту по всей площади матрицы

Наиболее широкое применение находят жидкокристаллические (ЖК) матрицы с разрешением до 1024×1024 элемента. Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в жидких кристаллах: наведённое двулучепреломление и динамическое рассеяние света. Процесс изменения оптических свойств слоя жидкого кристалла носит пороговый характер. Конструкция ячейки транспаранта представляет собой сэндвич, состоящий из плёнки жидкого кристалла между двумя электродами, напылёнными на стеклянных подложках и обычно прозрачными. Эффект динамического рассеяния применяют для амплитудной модуляции проходящего или отражённого светового пучка. Он обусловлен переносом заряда через слой жидкого кристалла и возникновением в нём гидродинамических нестабильностей. Перемешивание в электрическом поле приводит к значительному ослаблению интенсивности проходящего через ячейку света. По окончании действия электрического поля слой приобретает исходную структуру и становится прозрачным. Под действием электрического поля в жидком кристалле происходит также процесс переориентации молекул. В результате при оптимальном расположении оптических осей слоя жидкого кристалла относительно вектора поляризации света достигается максимальное изменение двулучепреломления и соответственно фазовая модуляция света. Твист-эффект (Т-эффект), близкий по природе к S-эффекту, обеспечивает поворот плоскости поляризации света.

Время электрооптического переключения в тонких слоях жидких кристаллов может составлять ∼10^-5 с.

Устройство считывания информации

Устройство считывания предназначено  для преобразования оптического сигнала восстановленного голограммой в электрический сигнал.

Очевидно, что количество и расположение элементов устройства считывания должно точно соответствовать элементам устройства ввода информации. Обычно, в качестве матрицы считывания используют матрицу фотодиодов, быстродействие которых составляет около t∼10^-6 с.

Объективы (линзы) для преобразования Фурье

Объективы для преобразования Фурье должны быть высокого оптического качества с низким уровнем аберраций. Поскольку используется два таких объектива, один – между устройством ввода и регистрирующим материалом, а другой – между регистрирующим материалом и устройством считывания информации, то качество и аберрации обоих объективов должны быть по возможности близкими. В значительной мере, проблема оптического качества объектива решается использованием для восстановления голограмм комплексно-сопряженной волны, идущей в обратном направлении по отношению к записывающей опорной волне. На рис.4 изображен пример оптической схемы, реализующей восстановление голограммы комплексно-сопряженным опорным пучком. При записи голограммы поворотное зеркало 7 (показано пунктиром) направляет излучение объектной волны, несущей информацию, отображенную устройством ввода 6, на регистрирующий материал 1 с помощью объектива 5. Опорная волна R с поляризацией, ортогональной поляризации объектной волны освещает регистрирующую среду, но не участвует в записи голограммы. После отражения зеркалом 2-3-4 с обращением волнового фронта поляризация обращенной опорной волны R* совпадает с поляризацией объектной волны и происходит запись голограммы. На стадии считывания зеркало 2-3-4 перекрывается и опорная волна проходит через регистрирующий материал и восстанавливает объектную волну, которая распространяется по тому же оптическому пути, что и при записи. При этом поворотное зеркало 7 поворачивается на 90° (показано сплошной линией) и направляет объектную волну на устройство считывания данных 8. Таким образом, аберрации объектива 5 практически полностью компенсируются при прохождении объектной волны в обратном направлении.

Рис.4. Оптическая схема, реализующая восстановление голограммы

комплексно-сопряженным опорным  пучком.

1 – регистрирующая среда, 2 – полуволновая пластинка, 3 – линза, 4 – среда для обращения волнового фронта, 5 – объектив, 6 – устройство ввода информации, 7 – поворотное зеркало, 8 – устройство считывания.

Ограничения плотности голографической  записи

В результате того, что на голограмме одновременно можно зарегистрировать значительное количество (N) бит информации при рассмотрении предельных значений плотности записи данных, необходимо учитывать «способность» голограммы восстанавливать различные «части» объекта, количество которых в нашем случае будет равно числу одновременно записываемых битов. Поэтому минимальный размер голограммы будет определяться исходя из минимально возможного интервала в пределах которого сохраняются свойства восстановленного изображения. В таком случае, размер голограммы D для записи N бит информации должен составлять не менее: D=λ×(N/2Ω)^1/2, где 2Ω - угол схождения объектной волны при записи.

Таким образом, при 2Ω=1 стерадиан  (около 60°), λ=0.633 мкм (He-Ne лазер) и N=100, минимальный размер голограммы составляет D=6.3 мкм, а на площади в 1 см² можно записать до 2.5×10⁸ бит информации, что сравнимо с побитовой оптической плотностью записи. Однако, в случае использования трехмерных сред для записи голограмм, плотность записи может значительно превышать это значение, поскольку на один и тот же участок диска записывают одновременно много голограмм, отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением опорной волны. В действительности же, количество голограмм записанных на одном и том же участке регистрирующего материала будет также ограничено его динамическим диапазоном, угловой селективностью и шумами, вызванными взаимодействием наложенных голограмм.

Ограничения по динамическому диапазону регистрирующего материала связаны с тем, что при записи конечного числа голограмм на одном и том же участке используется весь диапазон изменения показателя преломления данной среды и становится невозможной последующая запись.

Ограничения по угловой селективности связаны с тем, что полное число голограмм N, которое можно записать в диапазоне углов опорного пучка Φ можно рассчитать по формуле:

N=Φ/Δθ∼(Φ× n ×d)/Λ,

где Δθ – угловая селективность, d – толщина голограммы, n – средний показатель преломления среды, Λ – период решетки.

Таким образом, например, для  Λ=0.376 мкм (при записи на длине волны λ=0.532 мкм взаимно ортогональными пучками), Φ=10°, d=1мм, n=2 получим, что N∼930.

Ограничения по шумам связаны с взаимным влиянием наложенных голограмм, так как в пучок света, дифрагированный на одной из голограмм, вносится вклад (рассеяние) и от остальных голограмм, записанных на этом же участке материала. Если предполагается получить при считывании заданную величину ОСШ (отношение сигнал/шум), то общее число наложенных голограмм будет ограничено величиной:

N=d/(4λ×(ОСШ)²),

где d – толщина голограммы.

Таким образом, если d=2 мм, λ=0.532 мкм, ОСШ=3, то предельное число страниц записанной информации будет составлять N∼104.

Быстродействие голографических устройств записи и хранения информации

Для формирования матрицы  сигналов, предназначенной для голографической записи по методу голографии Фурье, используют пространственные модуляторы света. В настоящее время такие модуляторы построены на основе ЖК матриц либо системы микрозеркал. Разрешение таких модуляторов достигает 1280×1024 пикселей, что соответствует ∼1.3×10⁶ бит информации. Частота смены изображения достигает 1000 раз в секунду. Таким образом, при записи голографическим методом возможно уже в настоящее время достигнуть скорости записи порядка 1 Гбит/с при условии наличия соответствующих регистрирующих материалов и лазеров с достаточной мощностью излучения.

При считывании информации излучение лазера фокусируют в область голограммы и восстановленная объектная волна попадает на устройство детектирования, в качестве которого можно использовать ПЗС (англ.CCD) или КМОП (англ. CMOS) матрицы. Считывание можно осуществлять как импульсным, так и непрерывным лазерным излучением, однако в последнем случае для обеспечения достаточной скорости считывания (∼1000 с^-1) длительность его воздействия должна быть не более 1 миллисекунды, что приводит к необходимости использовать достаточно мощные лазеры (∼1 Вт). Как и в случае записи, скорость считывания для матрицы размером ∼10⁶ бит составит около 1 Гбит/с.

Таким образом, голографический  метод записи и хранения информации открывает возможность создания оптических устройств, которые по основным характеристикам (плотность записи, скорость записи/считывания, скорость выборки информации, помехозащищенность и др.) существенно превосходят оптические и магнитные системы с побитовой записью информации.

Голографические диски HVD

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

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

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.

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. 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.

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:

За счёт изменения длины  волны;

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:

сдвиговое;

апертурное;

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.