Holografische data opslag

Studieopdracht Optische Communicatie:
Holografische
data opslag
Michaël Vervisch
Kris De Brabandere
Inhoudstafel
1. Inleiding
2. Holografie: principes
3. Toepassing op data opslag
3.1. Inleiding
3.2. Schrijven
3.3. Lezen
3.4. Associatief zoeken
3.5. Praktische problemen
4. Stand van zaken in het onderzoek en commercialisatie
4.1. Inleiding
4.2. Aprilis
4.3. InPhase Technologies
4.4. Polight Technologies
4.5. Optware
4.6. Conclusie
5. Bibliografie
2
1. Inleiding:
In dit werk zullen we het hebben over een nieuwe manier van data opslag op basis van
holografie. De fysische limieten van conventionele opslagtechnieken, waarbij men op een
tweedimensionale manier gegevens opslaat, komen reeds in zicht. Het is dan ook belangrijk
om naar alternatieven uit te kijken. Holografische data opslag maakt gebruik van de drie
dimensies van het opslagmateriaal om gegevens op te slaan. Op die manier kan men veel
meer gegevens per kubieke centimeter opslaan. Daarenboven verwachten onderzoekers dat er
veel hogere datatransfersnelheden bereikt kunnen worden.
Of holografische data opslag de opvolger zal worden van onze huidige harde schijven
is niet met absolute zekerheid te voorspellen. Zoals verderop zal blijken, zijn er immers nog
een aantal problemen die overwonnen moeten worden. In ieder geval is dit een veelbelovende
techniek die een zeer grote kans maakt om door te breken. De eerste commerciële
toepassingen worden dan ook binnen afzienbare tijd verwacht [3].
Het ontstaan van holografie wordt meestal geassocieerd met de poging van de
Hongaarse fysicus, Dennis Gabor, om de resolutie van een elektronenmicroscoop te verhogen.
Deze poging dateert van 1947 en hierbij werd gebruik gemaakt van lichtgolven in plaats van
de gebruikelijke elektronenstraal. Dennis Gabor kreeg later de Nobelprijs voor zijn
onderzoek hieromtrent. Het idee om holografie te gebruiken om data op te slaan werd voor
het eerst geopperd door Pieter J. van Heerden, een onderzoeker bij Polaroid, in 1963 en zal
verderop in dit werk verduidelijkt worden [11].
We hebben deze uiteenzetting opgesplitst in drie delen. In het eerste deel gaan we kort
holografie in het algemeen uiteenzetten. Het tweede deel bekijkt al de praktische aspecten van
holografische data opslag. Ten slotte geven we in het derde deel de huidige stand van zaken in
het onderzoek naar, en de commercialisering van holografische data opslag.
2. Holografie: principes
Holografie mag niet vergeleken worden met fotografie. Een foto is immers een 2Dprojectie van een 3D–voorwerp en is op die manier zelf een fysisch object. Een hologram
daarentegen is geen afbeelding of projectie en is geen fysisch object, maar een optisch
element. Het kan beschouwd worden als een operator die een invallende lichtstraal op een
specifieke manier omzet tot een uitgaande lichtstraal.
Een hologram is het resultaat van de statische interferentie van twee invallende
laserstralen [a]. Wanneer dit interferentiepatroon opgevangen wordt in een holografisch
materiaal, dan wijzigt dit een aantal optische eigenschappen van dit materiaal [b]. Deze
wijziging zal blijven bestaan, ook als het materiaal zich niet meer in het interferentiepatroon
bevindt [c].
3
Dit patroon wordt dus opgeslaan in het materiaal aan de hand van ruimteafhankelijke
wijzigingen in eigenschappen zoals absorptie, lichtafbuiging,… Dit verklaart de belangrijke
eigenschap dat indien men een holografisch materiaal in stukjes opdeelt, de informatie in elk
afzonderlijk deeltje toch opgeslaan is. De signaal tot ruis verhouding van zo’n deeltje zal
echter sterk afgenomen zijn ten opzichte van de S/N verhouding van het ganse materiaal.
Een hologram van een 3D-object ontstaat door de interferentie van een referentiestraal
en een “objectstraal”. Deze laatste is de reflectie van een straal die op het object geprojecteerd
wordt, zoals hieronder te zien [4].
3. Toepassing op data opslag
3.1 Inleiding
Holografie kan nu toegepast worden om data te gaan opslaan. Maar waarom nu al die
moeite doen? Wel, omdat deze technologie superieur zou zijn ten opzichte van alle
conventionele geheugens die er vandaag bestaan. In één klap zou men ook elk type geheugen
(RAM, optische schijven, harde schijven, …) kunnen vervangen door dit éne type.
Er kunnen met holografische technologie gigantische datadensiteiten bereikt worden.
Men doet dit door data op te slaan in het volume van een materiaal, dus niet alleen op het
oppervlak ervan, zoals bij de CD. Theoretisch zou 1 terabyte aan gegevens kunnen opgeslaan
worden in een medium ter grootte van een suikerklontje.
Ook de overdrachtssnelheden en de toegangstijden zijn met verschillende ordegroottes
beter dan conventionele technieken. Dat komt omdat de data niet bit per bit opgeslaan wordt,
maar pagina per pagina. Elke pagina kan 1 MB en zelfs veel meer aan gegevens bevatten.
Een ander voordeel is dat er hier totaal geen bewegende elementen voor nodig zijn,
wat natuurlijk goed is voor de duurzaamheid. Optische en magnetische schijven daarentegen
zijn gebonden aan maximale draaisnelheden, waardoor de overdrachtssnelheid dus beperkt
blijft. Bij holografie zou men theoretisch een snelheid van 1 terabit per seconde kunnen
ophalen [5].
In 3.2 en 3.3 zal nu uitgelegd worden hoe men de gegevens kan wegschrijven en terug
kan gaan lezen. In 3.4 wordt het principe van ‘associatief zoeken’ uitgelegd. En in 3.5
tenslotte worden de verschillende praktische problemen besproken. Het zal blijken dat er nog
een weg te gaan is om deze mooie theorie ook daadwerkelijk te verwezenlijken.
4
3.2 Schrijven
De basiselementen om data holografisch op te slaan zijn:
 Blauw-groene argon laser
 ‘Beam-splitters’ om de laserstraal te splitsen
 Spiegels om de laserstraal te geleiden
 ‘Spatial light modulator’ onder de vorm van een LCD-scherm
 Lenzen om de laserstraal te focussen
 Opslagmedium, bv. lithiumniobaat kristal, fotopolymeer
 CCD-camera
In de eerste stap wordt data door een zogeheten spatial light modulator omgezet in een
tweedimensionaal patroon van licht, dat is de pagina vol bits. Vervolgens wordt een
laserstraal door dit tweedimensionale patroon gericht op het opslagmedium. Het
opslagmedium is meestal een kristal van lithiumniobaat of van een fotopolymeer. In dat
opslagmedium interfereert de eerste laserstraal met een tweede referentielaserstraal.
Waar de laserstralen elkaar kruisen, ontstaat een interferentiepatroon. Het is dit patroon dat
door het medium wordt onthouden als lokale variaties in de optische karakteristieken
(refractie index en absorptie) van het kristal. Gigantische hoeveelheden pagina's of
hologrammen kunnen in het medium worden opgeslaan door het veranderen van de
invalshoek of de fase van de referentielaser. Het is juist hierdoor dat gigantische
datadensiteiten kunnen bekomen worden [10].
3.3 Lezen
Om nu de opgeslagen data terug te reconstrueren, moet de referentielaserstraal op het
medium gericht worden met exact dezelfde invalshoek waarmee de data is opgeslaan. Elke
pagina is opgeslaan in een verschillend gedeelte van het kristal, gebaseerd op de invalshoek
waarmee de referentiestraal op het medium gericht is. Tijdens deze reconstructie zal er
diffractie optreden van de straal, dit wordt veroorzaakt door het kristal. Deze gereconstrueerde
pagina zal dan door de CCD-camera worden gedetecteerd. Die pagina wordt dan
geïnterpreteerd zodat men er terug de data kan uithalen [10].
5
3.4 Associatief zoeken:
Een zeer aantrekkelijk aspect van holografische data opslag, is de unieke mogelijkheid
om heel snel een bepaald bestand terug te vinden. De huidige opslagtechnieken maken
gebruik van een File Allocation Table (FAT), waarin alle adressen opgeslagen zijn. Deze
methode kan ook toegepast worden bij holografische data opslag. In een dergelijke tabel zal
het adres dan opgeslaan worden aan de hand van de invalshoek en de frequentie van de
referentiestraal die gebruikt werd bij het opslaan van dat bestand.
Het unieke aan holografische data opslag bestaat erin dat het ook mogelijk is om data
terug te vinden aan de hand van een deel van het bestand. Men kan zelfs zoeken naar het
bestand dat de meeste gelijkenissen vertoont met een gegeven deel van een bestand. Dit kan
door gewoon aan de hand van de gegeven data een nieuwe objectstraal te vormen en deze te
schijnen op alle data die opgeslaan is. Net zoals men een replica van de data bekomt door er
de referentiestraal op te richten, kan men een replica van de referentiestraal bekomen door er
de oorspronkelijke objectstraal op te richten.
Dit levert het adres op van het bestand indien de exacte kopie gevonden wordt. Dit
adres wordt gegeven onder de vorm van de referentiestraal van dat bestand. Indien er geen
exacte kopie gevonden wordt en er meerdere bestanden zijn met overeenkomsten, dan zullen
er meerdere stralen uitkomen. De intensiteit van elk van die stralen bepaalt de mate van
overeenkomst tussen het gegeven bestand en het gevonden bestand.
Deze zoektechniek noemt men ‘associatief zoeken’ en is beter dan elk bestaand
zoekalgoritme. Additioneel kan dit ook helpen bij het zoeken naar gelijkaardige analoge 2Dafbeeldingen. Als toepassing hiervan bestaat er reeds een prototype van een systeem dat met
behulp van holografie vingerafdrukken herkent [4].
3.5. Praktische problemen:
De reden waarom holografische data opslag langer op zich laat wachten dan men
oorspronkelijk vermoedde, is omdat er heel veel praktische problemen zijn. De belangrijkste
twee worden hier vermeld:
Om de pagina die in het medium opgeslaan is, perfect te kunnen reconstrueren, is het
van belang dat de referentiestraal exact dezelfde invalshoek heeft als diegene die gebruikt
werd voor de opslag. Een verschil van een duizendste van een millimeter zorgt er al voor dat
de pagina niet gevonden kan worden. Dit vereist dus ongelooflijk nauwkeurige
componenten. Er is in de afgelopen jaren grote vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van
6
de benodigde hardware (goedkope lasers, spatial light modulators en CCD’s), dit vormt nu
niet echt meer een probleem.
Het belangrijkste obstakel in de ontwikkeling van holografische data opslag zit hem in
het vinden van het juiste opslagmedium. "Het materiaal is altijd de achillespees geweest van
holografische data opslag", zegt Glenn Sincerbox, een onderzoeker aan de Universiteit van
Arizona. Nog steeds is men op zoek naar een opslagmedium dat aan alle optische eisen
voldoet.
In het begin maakten alle onderzoekers gebruik van lithiumniobaat als opslagmedium.
Dit materiaal heeft echter verschillende nadelen. Het groeien van de kristallen is omslachtig
en daardoor duur. Vervelender is dat wanneer een laser een hologram leest in dit materiaal, de
hologram tegelijkertijd ook wordt gewist. Er zijn veel oplossingen aangedragen om een
interferentiepatroon in dit materiaal te fixeren. Sommige onderzoekers plaatsen het kristal na
het beschrijven in een elektrisch veld, anderen verhitten het materiaal om het patroon
permanent te maken. Tenslotte is lithiumniobaat niet erg gevoelig waardoor het noodzakelijk
wordt een erg sterke laser te gebruiken of een trage input te aanvaarden.
Genoeg redenen dus voor onderzoekers om op zoek te gaan naar een alternatief voor
lithiumniobaat. De nieuwste onderzoeken maken gebruik van zogenoemde fotogevoelige
polymeren, zoals het woord het zegt, zijn die gevoeliger voor licht en minder gevoelig voor
veranderingen in temperatuur en vochtigheid dan lithiumniobaat.
Er doen zich twee problemen voor met fotopolymeren. Een eerste probleem is dat
deze materialen krimpen tijdens de polymerisatie waardoor hologrammen moeilijk terug zijn
te vinden in het materiaal. Ook bij het opslaan van gegevens kan het volume uitzetten of
afnemen.
Bovendien is er het volgende probleem. Een interferentiepatroon van twee lasers
wordt in dit materiaal bewaard doordat de moleculen onder invloed van fotonen ketens
vormen of polymeriseren. Deze verandering is echter permanent zodat deze polymeren niet
direct geschikt zijn voor herschrijfbare opslag [2].
De huidige stand van zaken omtrent de keuze en eigenschappen van het materiaal en
de oplossing voor deze problemen wordt hierna per bedrijf besproken.
4. Stand van zaken in het onderzoek en commercialisatie:
4.1. Inleiding:
Een belangrijke stimulans voor het onderzoek naar holografische data opslag werd
gegeven in de jaren ‘90 door twee projecten van het Amerikaanse DARP, “Defense Advanced
Research Projects”. Het eerste, PRISM (PhotoRefractive Information Storage Materials), deed
onderzoek naar fotopolymeren die gebruikt kunnen worden als holografisch materiaal. In het
tweede, HDSS (Holographic Data Storage System), werd zelfs een draaiend schijfvormig
systeem gedemonstreerd dat continu data kon lezen en schrijven. Aan deze twee projecten
namen, naast het Amerikaanse ministerie van Defensie, ook een aantal gekende multinationals
als IBM, GTE en Rockwell deel.
Aangezien holografie een volume gebaseerde opslagmethode is en fotopolymeren niet
gemakkelijk herschrijfbaar zijn, is deze techniek zeer geschikt voor Read-only geheugens. Dit
heeft als direct gevolg dat de eerste commerciële producten zogenaamde WORM’s zullen
zijn, dit staat voor “Write-Once, Read-Many”. De eerste producten zullen dus niet
herschrijfbaar zijn [1].
7
Wat voor een echte doorbraak zou kunnen zorgen is een snel toegankelijke data opslag
dat kan lezen en schrijven en dat gebruikt maakt van fotorefractieve materialen. Dit is dan ook
waar de meeste onderzoekers hun energie in steken.
Naast het onderzoek dat uitgevoerd wordt door grote laboratoria als “IBM Almaden
Research Center” en “Bell labs”, zijn er recent ook verschillende bedrijven opgestart die
verder onderzoek doen naar holografische data opslag met de bedoeling om commerciële
producten op de markt te brengen. De belangrijkste zijn:
 Aprilis
 InPhase Technologies: een spin-off van Bell Labs
 Polight Technologies: een spin-off van de universiteit van Cambridge
 Optware: dit bedrijf is mede gefinancierd door Intel
Deze bedrijven onderscheiden zich vooral door de keuze van het materiaal waarnaar
ze onderzoek verrichten. Zoals eerder vermeld, bestaat er het kristal lithiumniobaat, hiervan
maakt geen enkel belangrijk bedrijf nog gebruik. Fotogevoelige polymeren daarentegen
worden in vele varianten gebruikt. Daarnaast maakt één bedrijf gebruik van een anorganisch,
glasachtig materiaal. Hieronder volgt een overzicht per bedrijf van hun onderzoek en hun
verwachte producten.
4.2. Aprilis:
Wetenschappers van Aprilis werken voor het ogenblik aan een methode om gegevens
op te nemen met fotopolymeren. Het polymeer dat Aprilis gebruikt is een “epoxy-modified
silicone”, men spreekt van CROP (Cationic Ring Opening Polymerization). Dit materiaal
ondergaat slechts minimale volumeveranderingen tijdens het opnemen. Dit is een zeer
belangrijke eigenschap want, zoals eerder vermeld is een nadeel van de meeste materialen dat
het volume wijzigt tijdens het opnemen.
Aprilis zelf beweert van zijn materiaal dat dit het enige is in de wereld dat bewezen
heeft dat het kan gebruikt worden om in real-time hologrammen op draaiende materialen op te
slaan. Dit bedrijf plant de marktintroductie van zijn eerste product in 2005, dit zal een WORM
zijn met een capaciteit van 200GB en transfersnelheden van minstens 100Mb/s [6].
Vulcan DHD™ 1000 System door Aprilis
4.3. InPhase Technologies:
Ook het onderzoek van InPhase is gericht op fotopolymeren, het heeft een techniek
ontwikkeld die spreekt van ‘two-chemistry’ fotopolymeren. De typische fotopolymeren die
gebruikt worden voor holografische data opslag bestaan uit twee delen. Het éne deel is het
matrixmateriaal, het andere is het fotomateriaal. Beide materialen zijn zeer gelijkaardig. Het
probleem is dat ook hun eigenschappen zeer gelijkaardig en gekoppeld zijn.
8
De strategie van InPhase is om andere ontwerpcriteria te gebruiken die toelaten om
twee onafhankelijke, maar toch gelijkaardige, materialen te ontwikkelen. Het doel hiervan is
dat een parameter van het éne materiaal moet kunnen gewijzigd worden zonder dat dit de
eigenschappen van het andere materiaal slechter maakt. Dit verklaart ook de term ‘twochemistry’. InPhase beweert dat het door middel van deze techniek ook geslaagd is om de
volumedistortie bij het opnemen in grote mate te voorkomen.
Ook InPhase plant zijn eerste product voor 2005. Zijn prototype zou reeds 100 GB
kunnen stockeren en zou transfersnelheden halen van 20Mb/s. Deze specificaties liggen
beduidend lager dan wat beloofd wordt door zijn concurrenten. Daar tegenover staat dat hun
product veel goedkoper zal zijn omdat het gebruik zal maken van bestaande goedkope rode en
blauwe lasers, ontwikkeld voor DVD [7].
Prototype door InPhase Technologies
4.4. Polight Technologies:
Polight concentreert zich vooral op de ontwikkeling van een anorganisch glasachtig
materiaal, zogenaamd Holonide. Dit materiaal heeft als groot voordeel dat het vooral geschikt
is voor groene en rode lasers. Op die manier kan men gebruik maken van de goedkope
productieprocessen die oorspronkelijk ontwikkeld zijn voor de productie van DVD’s.
Polight beweert dat het tegen volgend jaar reeds een schijf met een capaciteit van 500
GB tot 1 TB en transfersnelheden van meer dan 1 Gb/s op de markt zal brengen. Deze schijf
wordt de Holodisc genoemd en zal, net zoals die van de meeste concurrenten, een WORM
zijn [8].
Holonide door Polight Technologies
9
4.5. Optware:
In tegenstelling tot zijn concurrenten maakt Optware geen gebruik van nieuwe
materialen. Dit bedrijf beweert dat het een betrouwbare manier ontwikkelt heeft om op drie
dimensionale wijze gegevens op te slaan op bestaande CD en DVD media [9]. Dit bedrijf
werkt aan een prototype dat 1TB zal kunnen opslaan aan transfersnelheden die vergelijkbaar
zijn met die van Polight’s Holodisc.
4.6. Conclusie:
De meeste problemen omtrent materialen lijken nu van de baan. De aandacht zal in de
toekomst ook gaan naar de zoektocht naar goedkope, specifieke optische componenten zoals
lasers, spatial-light modulatoren en detectoren.
Er is wel wat haast geboden bij het oplossen van deze problemen. Hoe langer de
ontwikkeling van een commercieel product op zich laat wachten, hoe geringer het voordeel
van holografische opslag wordt. IBM en Japanse bedrijven boeken namelijk grote
vooruitgang met rivaliserende technologieën als Mram ofwel magnetic random acces
memory.
6. Bibliografie:
-
[1] Laser Focus World , editie October 2003:
“Holographic data storage prepares for the real world”
-
[2] http://www.colossalstorage.net/colossal5.htm :
“3 D Volume Atomic Holographic Data Storage nanotechnology
Concepts”
-
[3] http://pubs.logicalexpressions.com/Pub0009/LPMArticle.asp?ID=118
: “Holographic Video Storage”
-
[4] http://www2.arnes.si/massvega/documents/ke-2003/Holography.doc :
“Holography - a different approach”
-
[5] http://www.np.edu.sg/~sat/Schprj/Holography/holography.html :
“Fun with holograms”
-
[6] http://www.aprilisinc.com :
Aprilis
-
[7] http://www.inphase-technologies.com :
InPhase Technologies
-
[8] http://www.polight-technologies.com :
Polight Technologies
-
[9] http://www.optware.co.jp/english/top.htm : Optware
-
[10] http://www.howstuffworks.com : “How holographic memory will
work”
[11] “Light on the horizon” The economist, 31 juli 2003
-
10