El almacenamiento de datos ópticos en 3D es cualquier forma de almacenamiento de datos ópticos en el que la información se puede grabar o leer con una resolución tridimensional (a diferencia de la resolución bidimensional proporcionada, por ejemplo, en un CD).

Esta innovación tiene el potencial de proporcionar almacenamiento masivo a nivel de petabytes en discos de tamaño DVD (120 mm). La grabación y lectura de datos se logra enfocando los láseres dentro del medio. Sin embargo, debido a la naturaleza volumétrica de la estructura de datos, la luz láser debe viajar a través de otros puntos de datos antes de llegar al punto donde se desea la lectura o grabación. Por lo tanto, se requiere algún tipo de no linealidad para garantizar que estos otros puntos de datos no interfieran con el direccionamiento del punto deseado.

Aún no ha llegado al mercado masivo ningún producto comercial basado en el almacenamiento de datos ópticos en 3D, aunque varias compañías están desarrollando activamente la tecnología y afirman que podría estar disponible «pronto».

Visión de conjunto
Los medios de almacenamiento de datos ópticos actuales, como el CD y el DVD, almacenan los datos como una serie de marcas reflectivas en la superficie interna de un disco. Para aumentar la capacidad de almacenamiento, es posible que los discos contengan dos o más de estas capas de datos, pero su número está muy limitado, ya que el láser de direccionamiento interactúa con cada capa por la que pasa en el camino hacia y desde la capa direccionada. . Estas interacciones causan ruido que limita la tecnología a aproximadamente 10 capas. Los métodos de almacenamiento de datos ópticos en 3D evitan este problema mediante el uso de métodos de direccionamiento donde solo el vóxel (píxel volumétrico) específicamente tratado interactúa sustancialmente con la luz de direccionamiento. Esto implica necesariamente métodos de lectura y escritura de datos no lineales, en particular ópticas no lineales.

El almacenamiento de datos ópticos 3D está relacionado con (y compite con) el almacenamiento de datos holográficos. Los ejemplos tradicionales de almacenamiento holográfico no se tratan en la tercera dimensión y, por lo tanto, no son estrictamente «3D», pero más recientemente, el almacenamiento holográfico 3D se ha realizado mediante el uso de microhologramas. La tecnología multicapa de selección de capas (donde un disco multicapa tiene capas que pueden activarse individualmente, por ejemplo, eléctricamente) también está estrechamente relacionada.

Como ejemplo, un sistema de almacenamiento de datos óptico 3D prototípico puede usar un disco que se parece mucho a un DVD transparente. El disco contiene muchas capas de información, cada una a una profundidad diferente en los medios y cada una consiste en una pista en espiral similar a un DVD. Para grabar información en el disco, un láser se enfoca a una profundidad particular en el medio que corresponde a una capa de información particular. Cuando se enciende el láser, se produce un cambio fotoquímico en los medios. A medida que el disco gira y el cabezal de lectura / escritura se mueve a lo largo de un radio, la capa se escribe tal como se escribe un DVD-R. La profundidad del enfoque puede luego cambiarse y escribirse otra capa de información completamente diferente. La distancia entre las capas puede ser de 5 a 100 micrómetros, lo que permite almacenar> 100 capas de información en un solo disco.

Para leer los datos (en este ejemplo), se utiliza un procedimiento similar, excepto que esta vez, en lugar de causar un cambio fotoquímico en el medio, el láser causa la fluorescencia. Esto se logra, por ejemplo, utilizando una potencia de láser más baja o una longitud de onda de láser diferente. La intensidad o longitud de onda de la fluorescencia es diferente dependiendo de si el medio se ha escrito en ese punto y, por lo tanto, al medir la luz emitida se leen los datos.

El tamaño de las moléculas cromóforas individuales o centros de color fotoactivos es mucho más pequeño que el tamaño del foco láser (que está determinado por el límite de difracción). Por lo tanto, la luz se dirige a un gran número (posiblemente incluso a 109) de moléculas en cualquier momento, por lo que el medio actúa como una masa homogénea en lugar de una matriz estructurada por las posiciones de los cromóforos.

Historia
Los orígenes del campo se remontan a la década de 1950, cuando Yehuda Hirshberg desarrolló los espiropiranos fotocrómicos y sugirió su uso en el almacenamiento de datos. En la década de 1970, Valeri Barachevskii demostró que este fotocromismo podía producirse por excitación de dos fotones, y finalmente, a fines de la década de 1980, Peter M. Rentzepis demostró que esto podría llevar al almacenamiento de datos tridimensional. La mayoría de los sistemas desarrollados se basan en cierta medida en las ideas originales de Rentzepis. Se ha investigado una amplia gama de fenómenos físicos para la lectura y el registro de datos, se han desarrollado y evaluado grandes cantidades de sistemas químicos para el medio, y se ha llevado a cabo un extenso trabajo para resolver los problemas asociados con los sistemas ópticos necesarios para la lectura y el registro. Grabación de datos. Actualmente, varios grupos siguen trabajando en soluciones con varios niveles de desarrollo e interés en la comercialización.

Procesos para la creación de datos escritos.
La grabación de datos en un medio de almacenamiento óptico 3D requiere que se produzca un cambio en el medio tras la excitación. Este cambio es generalmente una reacción fotoquímica de algún tipo, aunque existen otras posibilidades. Las reacciones químicas que se han investigado incluyen fotoisomerizaciones, foto-composiciones y foto-blanqueo e iniciación de la polimerización. Los más investigados han sido los compuestos fotocrómicos, que incluyen azobencenos, espiropiranos, estilbenos, fulgidas y diariletenos. Si el cambio fotoquímico es reversible, entonces se puede lograr el almacenamiento de datos regrabables, al menos en principio. Además, la grabación en niveles múltiples, donde los datos se escriben en «escala de grises» en lugar de las señales de «encendido» y «apagado», es técnicamente factible.

Escritura por absorción multifotónica no resonante.
Aunque hay muchos fenómenos ópticos no lineales, solo la absorción multifotónica es capaz de inyectar en el medio la energía significativa requerida para excitar electrónicamente las especies moleculares y causar reacciones químicas. La absorción de dos fotones es la absorbencia multifotónica más fuerte, pero es un fenómeno muy débil, lo que lleva a una baja sensibilidad de los medios. Por lo tanto, mucha investigación se ha dirigido a proporcionar cromóforos con altas secciones transversales de absorción de dos fotones.

La escritura por absorción de dos fotones se puede lograr enfocando el láser de escritura en el punto donde se requiere el proceso de escritura fotoquímica. La longitud de onda del láser de escritura se elige de modo que no sea absorbida linealmente por el medio, y por lo tanto no interactúa con el medio, excepto en el punto focal. En el punto focal, la absorción de dos fotones se vuelve significativa, porque es un proceso no lineal que depende del cuadrado de la fluencia del láser.

La escritura por absorción de dos fotones también se puede lograr mediante la acción de dos láseres en coincidencia. Este método se utiliza normalmente para lograr la escritura paralela de información a la vez. Un láser pasa a través de los medios, definiendo una línea o plano. El segundo láser se dirige a los puntos en esa línea o plano que se desea escribir. La coincidencia de los láseres en estos puntos estimuló la absorción de dos fotones, lo que llevó a la escritura de la fotoquímica.

Escritura por absorción multifotónica secuencial.
Otro enfoque para mejorar la sensibilidad de los medios ha sido emplear la absorción resonante de dos fotones (también conocida como «1 + 1» o «secuencial» absorbencia de dos fotones). La absorción no resonante de dos fotones (como se usa generalmente) es débil ya que para que tenga lugar la excitación, los dos fotones excitantes deben llegar al cromóforo casi al mismo tiempo. Esto se debe a que el cromóforo no puede interactuar con un solo fotón solo. Sin embargo, si el cromóforo tiene un nivel de energía correspondiente a la absorción (débil) de un fotón, se puede utilizar como un escalón, lo que permite una mayor libertad en el tiempo de llegada de los fotones y, por lo tanto, una sensibilidad mucho mayor. Sin embargo, este enfoque da como resultado una pérdida de no linealidad en comparación con la absorbancia de dos fotones no resonante (ya que cada paso de absorción de dos fotones es esencialmente lineal) y, por lo tanto, corre el riesgo de comprometer la resolución 3D del sistema.

Microholografía
En la microholografía, los haces de luz enfocados se utilizan para registrar hologramas de tamaño submicrométrico en un material fotorrefractivo, generalmente mediante el uso de haces colineales. El proceso de escritura puede usar los mismos tipos de medios que se utilizan en otros tipos de almacenamiento de datos holográficos, y puede usar procesos de dos fotones para formar los hologramas.

Registro de datos durante la fabricación
Los datos también se pueden crear en la fabricación de los medios, como es el caso con la mayoría de los formatos de discos ópticos para la distribución de datos comerciales. En este caso, el usuario no puede escribir en el disco, es un formato ROM. Los datos pueden escribirse mediante un método óptico no lineal, pero en este caso el uso de láseres de muy alta potencia es aceptable, por lo que la sensibilidad de los medios se convierte en un problema menor.

También se ha demostrado la fabricación de discos que contienen datos moldeados o impresos en su estructura 3D. Por ejemplo, un disco que contiene datos en 3D puede construirse uniendo un gran número de discos delgados como obleas, cada uno de los cuales está moldeado o impreso con una sola capa de información. El disco ROM resultante se puede leer utilizando un método de lectura 3D.

Otros enfoques para escribir
También se han examinado otras técnicas para escribir datos en tres dimensiones, que incluyen:

Perforación del agujero espectral persistente (PSHB), que también permite la posibilidad de multiplexación espectral para aumentar la densidad de datos. Sin embargo, los medios PSHB actualmente requieren que se mantengan temperaturas extremadamente bajas para evitar la pérdida de datos.

Formación del vacío, donde se introducen burbujas microscópicas en un medio por irradiación con láser de alta intensidad.

Polo cromóforo, donde la reorientación de los cromóforos inducida por láser en la estructura de los medios conduce a cambios legibles.

Procesos de lectura de datos.
La lectura de datos de memorias ópticas 3D se ha llevado a cabo de muchas maneras diferentes. Mientras que algunos de estos se basan en la no linealidad de la interacción de la luz y la materia para obtener la resolución 3D, otros utilizan métodos que filtran espacialmente la respuesta lineal del medio. Los métodos de lectura incluyen:

Absorción de dos fotones (resultando en absorción o fluorescencia). Este método es esencialmente microscopía de dos fotones.

Excitación lineal de fluorescencia con detección confocal. Este método es esencialmente microscopia de escaneo láser confocal. Ofrece excitación con potencias de láser mucho más bajas que la absorbancia de dos fotones, pero tiene algunos problemas potenciales porque la luz de direccionamiento interactúa con muchos otros puntos de datos además del que se aborda.

Medición de pequeñas diferencias en el índice de refracción entre los dos estados de datos. Este método generalmente emplea un microscopio de contraste de fase o un microscopio de reflexión confocal. No es necesaria la absorción de luz, por lo que no existe riesgo de dañar los datos durante la lectura, pero la falta de coincidencia del índice de refracción requerida en el disco puede limitar el grosor (es decir, la cantidad de capas de datos) que pueden alcanzar los medios debido a los errores aleatorios acumulados del frente de onda. que destruyen la calidad del spot enfocado

La segunda generación de armónicos se ha demostrado como un método para leer datos escritos en una matriz de polímero polo.

La tomografía de coherencia óptica también se ha demostrado como un método de lectura paralelo.

Diseño de medios
La parte activa de los medios de almacenamiento óptico 3D suele ser un polímero orgánico dopado o injertado con las especies fotoquímicamente activas. Alternativamente, se han usado materiales cristalinos y sol-gel.

Factor de forma de los medios
Los medios para el almacenamiento de datos ópticos en 3D se han sugerido en varios factores de forma: disco, tarjeta y cristal.

Un medio de disco ofrece una progresión desde CD / DVD, y permite que la lectura y la escritura se realicen mediante el método familiar de disco giratorio.

Un medio de formato de tarjeta de crédito es atractivo desde el punto de vista de la portabilidad y la conveniencia, pero sería de menor capacidad que un disco.

Varios escritores de ciencia ficción han sugerido pequeños sólidos que almacenan grandes cantidades de información, y al menos en principio esto podría lograrse con el almacenamiento de datos óptico 5D.

Fabricación de medios
El método más simple de fabricación, el moldeo de un disco en una sola pieza, es una posibilidad para algunos sistemas. Un método más complejo de fabricación de medios es que los medios se construyan capa por capa. Esto es necesario si los datos se crean físicamente durante la fabricación. Sin embargo, la construcción capa por capa no tiene por qué significar la interconexión de muchas capas juntas. Otra alternativa es crear el medio en una forma análoga a un rollo de cinta adhesiva.

Diseño de la unidad
Una unidad diseñada para leer y escribir en medios de almacenamiento de datos ópticos 3D puede tener mucho en común con las unidades de CD / DVD, particularmente si el factor de forma y la estructura de datos de los medios son similares a los de los CD o DVD. Sin embargo, hay una serie de diferencias notables que deben tenerse en cuenta al diseñar una unidad de este tipo.

Láser
En particular, cuando se utiliza la absorción de dos fotones, pueden requerirse láseres de alta potencia que pueden ser voluminosos, difíciles de enfriar y plantear problemas de seguridad. Las unidades ópticas existentes utilizan láseres de diodo de onda continua que funcionan a 780 nm, 658 nm o 405 nm. Las unidades de almacenamiento óptico 3D pueden requerir láseres de estado sólido o láseres pulsados, y varios ejemplos utilizan longitudes de onda fácilmente disponibles por estas tecnologías, como 532 nm (verde). Estos láseres más grandes pueden ser difíciles de integrar en el cabezal de lectura / escritura de la unidad óptica.

Corrección de la aberración esférica variable.
Debido a que el sistema debe abordar diferentes profundidades en el medio y a diferentes profundidades, la aberración esférica inducida en el frente de onda es diferente, se requiere un método para tener en cuenta de manera dinámica estas diferencias. Existen muchos métodos posibles que incluyen elementos ópticos que intercambian dentro y fuera de la trayectoria óptica, elementos móviles, ópticas adaptativas y lentes de inmersión.

Sistema óptico
En muchos ejemplos de sistemas de almacenamiento de datos ópticos 3D, se utilizan varias longitudes de onda (colores) de luz (p. Ej., Lectura de láser, escritura de láser, señal; a veces incluso se requieren dos láseres solo para escribir). Por lo tanto, además de lidiar con la alta potencia del láser y la aberración esférica variable, el sistema óptico debe combinar y separar estos diferentes colores de luz según sea necesario.

Detección
En las unidades de DVD, la señal producida desde el disco es un reflejo del rayo láser de direccionamiento y, por lo tanto, es muy intensa. Sin embargo, para el almacenamiento óptico 3D, la señal debe generarse dentro del pequeño volumen al que se dirige, y por lo tanto es mucho más débil que la luz láser. Además, la fluorescencia se irradia en todas las direcciones desde el punto al que se dirige, por lo que se deben usar ópticas especiales de captación de luz para maximizar la señal.

Seguimiento de datos
Una vez que se identifican a lo largo del eje z, se puede acceder y rastrear capas individuales de datos similares a DVD de manera similar a los DVD. También se ha demostrado la posibilidad de utilizar direcciones paralelas o basadas en páginas. Esto permite velocidades de transferencia de datos mucho más rápidas, pero requiere la complejidad adicional de los moduladores de luz espacial, la imagen de la señal, los láseres más potentes y el manejo de datos más complejo.

Problemas de desarrollo
A pesar de la naturaleza altamente atractiva del almacenamiento de datos ópticos 3D, el desarrollo de productos comerciales ha tomado un tiempo significativo. Esto se debe a un respaldo financiero limitado en el campo, así como a problemas técnicos, que incluyen:

Lectura destructiva. Dado que tanto la lectura como la escritura de datos se realizan con rayos láser, existe la posibilidad de que el proceso de lectura cause una pequeña cantidad de escritura. En este caso, la lectura repetida de datos puede eventualmente servir para borrarlo (esto también sucede en los materiales de cambio de fase utilizados en algunos DVD). Este problema ha sido abordado por muchos enfoques, como el uso de diferentes bandas de absorción para cada proceso (lectura y escritura), o el uso de un método de lectura que no implica la absorción de energía.

Estabilidad termodinámica. Muchas reacciones químicas que parecen no tener lugar, de hecho, ocurren muy lentamente. Además, muchas reacciones que parecen haber ocurrido pueden revertirse lentamente. Como la mayoría de los medios 3D están basados ​​en reacciones químicas, existe el riesgo de que los puntos no escritos se escriban lentamente o que los puntos escritos vuelvan a ser no escritos. Este problema es particularmente grave para los espiropiranos, pero se realizó una extensa investigación para encontrar cromóforos más estables para las memorias 3D.

Sensibilidad a los medios. La absorción de dos fotones es un fenómeno débil y, por lo tanto, generalmente se requieren láseres de alta potencia para producirla. Los investigadores suelen utilizar láseres de zafiro Ti o láseres Nd: YAG para lograr la excitación, pero estos instrumentos no son adecuados para su uso en productos de consumo.

Desarrollo academico
Gran parte del desarrollo del almacenamiento óptico de datos en 3D se ha llevado a cabo en las universidades. Los grupos que han proporcionado información valiosa incluyen:

Peter T. Rentzepis fue el creador de este campo, y recientemente ha desarrollado materiales sin lecturas destructivas.
Watt W. Webb desarrolló el microscopio de dos fotones en los laboratorios Bell y mostró grabaciones en 3D en medios fotorrefractivos.
Masahiro Irie desarrolló la familia diarylethene de materiales fotocromáticos.
Yoshimasa Kawata, Satoshi Kawata y Zouheir Sekkat han desarrollado y trabajado en varios sistemas de manipulación de datos ópticos, en particular con sistemas de polímeros de polo.
Kevin C. Belfield está desarrollando sistemas fotoquímicos para el almacenamiento de datos ópticos en 3D mediante el uso de la transferencia de energía de resonancia entre moléculas, y también desarrolla materiales de alta sección de dos fotones.
Seth Marder realizó gran parte del trabajo inicial en el desarrollo de enfoques lógicos para el diseño molecular de cromóforos de sección transversal de dos fotones altos.
Tom Milster ha hecho muchas contribuciones a la teoría del almacenamiento de datos ópticos 3D.
Robert McLeod ha examinado el uso de microhologramas para el almacenamiento de datos ópticos 3D.
Min Gu ha examinado la lectura confocal y los métodos para su mejora.

Desarrollo comercial
Además de la investigación académica, varias empresas se han creado para comercializar el almacenamiento de datos ópticos 3D y algunas grandes corporaciones también han mostrado interés en la tecnología. Sin embargo, aún no está claro si la tecnología tendrá éxito en el mercado en presencia de la competencia de otros sectores, como los discos duros, el almacenamiento flash y el almacenamiento holográfico.

Call / Recall se fundó en 1987 sobre la base de la investigación de Peter Rentzepis. Usando grabación de dos fotones (a 25 Mbit / s con 6.5 ps, 7 nJ, pulsos de 532 nm), lectura de un fotón (con 635 nm) y una lente de inmersión de alto NA (1.0), han almacenado 1 TB como 200 Capas en un disco de 1,2 mm de espesor. Su objetivo es mejorar la capacidad a> 5 TB y las tasas de datos a hasta 250 Mbit / s en un año, desarrollando nuevos materiales y diodos de láser azul pulsado de alta potencia.
Mempile está desarrollando un sistema comercial con el nombre TeraDisc. En marzo de 2007, demostraron la grabación y la lectura de 100 capas de información en un disco de 0,6 mm de grosor, así como la interferencia baja, la alta sensibilidad y la estabilidad termodinámica. Pretenden lanzar un producto de consumo de láser rojo de 0.6-1.0 TB en 2010, y tienen una hoja de ruta hacia un producto de láser azul de 5 TB.
Constellation 3D desarrolló el disco multicapa fluorescente a finales de la década de 1990, que era un disco ROM, fabricado capa por capa. La compañía fracasó en 2002, pero la propiedad intelectual (IP) fue adquirida por D-Data Inc., que está intentando introducirla como el Disco Digital de Múltiples Capas (DMD).
Storex Technologies se ha creado para desarrollar medios 3D basados ​​en vidrios fotosensibles fluorescentes y materiales vitrocerámicos. La tecnología se deriva de las patentes del científico rumano Eugen Pavel, quien también es el fundador y CEO de la compañía. En la conferencia ODS2010 se presentaron los resultados con respecto a la lectura mediante dos métodos no fluorescentes de un disco óptico de Petabyte.
Landauer Inc. está desarrollando un medio basado en la absorción resonante de dos fotones en un sustrato de cristal único de zafiro. En mayo de 2007, mostraron la grabación de 20 capas de datos utilizando 2 nJ de energía láser (405 nm) para cada marca. La velocidad de lectura se limita a 10 Mbit / s debido a la vida útil de la fluorescencia.
Colossal Storage tiene como objetivo desarrollar una tecnología de almacenamiento óptico holográfico 3D basada en el polo de campo eléctrico inducido por fotones utilizando un láser UV para obtener grandes mejoras sobre la capacidad de datos actual y las tasas de transferencia, pero aún no han presentado ninguna investigación experimental o estudio de factibilidad.
Microholas opera fuera de la Universidad de Berlín, bajo el liderazgo de la profesora Susanna Orlic, y ha logrado registrar hasta 75 capas de datos microholográficos, separados por 4.5 micrómetros, y sugiriendo una densidad de datos de 10 GB por capa.
3DCD Technology Pty. Ltd. es una empresa spin-off creada para desarrollar tecnología de almacenamiento óptico 3D basada en materiales identificados por Daniel Day y Min Gu.
Varias grandes compañías de tecnología, como Fuji, Ricoh y Matsushita han solicitado patentes sobre materiales que responden a dos fotones para aplicaciones que incluyen el almacenamiento de datos ópticos 3D, sin embargo, no han dado ninguna indicación de que estén desarrollando soluciones completas de almacenamiento de datos.