3D光学データ記憶装置は、3次元解像度（例えば、CDによって与えられる2次元解像度とは対照的に）で情報を記録または読み取ることができる任意の形態の光学データ記憶装置である。
この革新は、DVDサイズのディスク（120 mm）にペタバイトレベルの大容量ストレージを提供する可能性を秘めています。 データ記録および再生は、媒体内にレーザを集束させることによって達成される。 しかしながら、データ構造の容積的性質のために、レーザ光は、読取りまたは記録が所望される点に達する前に、他のデータ点を通過しなければならない。 したがって、これらの他のデータ点が所望の点のアドレス指定を妨げないようにするために、ある種の非線形性が必要とされる。
いくつかの企業がこの技術を積極的に開発しており、すぐに利用できるようになると主張しているが、3D光学データストレージに基づく商用製品はまだマスマーケットには到着していない。
概要
CDおよびDVDなどの現在の光学データ記憶媒体は、ディスクの内面上の一連の反射マークとしてデータを記憶する。 記憶容量を増加させるために、ディスクがこれらのデータ層のうち2つ以上を保持することは可能であるが、アドレス指定されたレーザは、アドレス指定された層との間で通過するすべての層と相互作用するので、 。 これらの相互作用によって、技術が約10層に制限されるノイズが発生します。 3D光学データ記憶方法は、アドレッシング方法を使用することによってこの問題を回避し、具体的にアドレス指定されたボクセル（ボリュームピクセル）のみがアドレッシング光と実質的に相互作用する。 これには、必然的に非線形データの読み書き方法、特に非線形光学が含まれる。
3D光学データ記憶装置は、ホログラフィックデータ記憶装置に関連している（かつ競合している）。 ホログラフィックストレージの伝統的な例は、第3次元で扱われておらず、厳密に「3D」ではないが、最近では、マイクロホログラムの使用によって3Dホログラフィックストレージが実現されている。 層選択多層技術（多層ディスクは、例えば電気的に個々に活性化することができる層を有する）も密接に関連している。
一例として、原型の3D光学データ記憶システムは、透明なDVDのように見えるディスクを使用してもよい。 ディスクには、それぞれ異なる深さの情報層があり、DVDのようなスパイラルトラックで構成されています。 ディスク上に情報を記録するために、レーザは、特定の情報層に対応する媒体の特定の深度に焦点を合わせる。 レーザーをオンにすると、レーザー光がメディアに光化学的変化を起こします。 ディスクが回転し、読み取り/書き込みヘッドが半径に沿って移動すると、DVD-Rが書き込まれるのと同じように層が書き込まれます。 焦点の深さは変更され、別の全く異なる情報層が書き込まれる。 層の間の距離は5〜100マイクロメートルであり、> 100層の情報を単一のディスクに格納することができる。
データを（この例では）元に戻すために、レーザが蛍光を引き起こす媒体に光化学的変化を引き起こす代わりに、この時間以外は同様の手順が用いられる。 これは、たとえば、より低いレーザパワーまたは異なるレーザ波長を使用することによって達成される。 蛍光の強度または波長は、媒体がその点で書き込まれたかどうかによって異なるので、放出された光を測定することによって、データが読み取られる。
個々の発色団分子または光活性色中心のサイズは、レーザー焦点のサイズ（回折限界によって決定される）よりもずっと小さい。 したがって、光は、一度に多数の（場合によってはさらには109個の）分子に対処するので、発色団の位置によって構造化されたマトリックスではなく、均質な塊として作用する。
歴史
このフィールドの起源は、Yehuda Hirshbergがフォトクロミックスピロピランを開発し、データストレージでの使用を提案した1950年代にまでさかのぼります。 1970年代、Valeri Barachevskiiは、このフォトクロミズムが2光子励起によって生じる可能性があることを実証し、1980年代の終わりに、ピーター・M・レンツピス（Peter M. Rentzepis）はこれが三次元データ記憶につながる可能性があることを示した。 開発されたシステムのほとんどは、Rentzepisの元々の考えにある程度基づいています。 データの読み取りと記録のための広範な物理現象が研究され、媒体のための多数の化学系が開発され、評価されており、読みとりに必要な光学系に関連する問題を解決するための広範な研究が行われている。データの記録。 現在、いくつかのグループが、さまざまなレベルの開発と商業化への関心のあるソリューションに取り組んでいます。
書かれたデータを作成するプロセス
3D光学記憶媒体へのデータ記録には、励起時に媒体中で変化が起こることが必要である。 この変化は、一般に、ある種の光化学反応であるが、他の可能性も存在する。 調査された化学反応には、光異性化、光分解および光退色、および重合開始が含まれる。 最も研究されているのは、アゾベンゼン、スピロピラン、スチルベン、フルギドおよびジアリールエテンを含むフォトクロミック化合物である。 光化学的変化が可逆的である場合、書き換え可能なデータ記憶が、少なくとも原理的に達成され得る。 また、データが “オン”と “オフ”信号ではなく “グレースケール”で書かれたMultiLevel Recordingは技術的に実現可能です。
非共鳴多光子吸収による書き込み
多くの非線形光学現象が存在するが、多光子吸収のみが、分子種を電子的に励起し化学反応を引き起こすのに必要な大きなエネルギーを媒体に注入することができる。 2光子吸収は、これまでの最も強い多光子吸光度であるが、依然として非常に弱い現象であり、低い媒体感度につながる。 したがって、高い2光子吸収断面積を有する発色団を提供することに多くの研究が向けられている。
2光子吸収による書き込みは、光化学的書き込みプロセスが必要とされる点に書き込みレーザを集中させることによって達成することができる。 書き込みレーザの波長は、媒体によって線形に吸収されないように選択され、したがって、焦点以外の媒体と相互作用しないように選択される。 焦点において、2光子吸収は、レーザフルエンスの2乗に依存する非線形プロセスであるので、有意になる。
2光子吸収による書き込みは、2つのレーザーの偶然の作用によっても達成することができる。 この方法は、通常、一度に情報の並列書き込みを実現するために使用されます。 1つのレーザが媒体を通過し、線または面を画定する。 次に、第2のレーザは、書き込みが望まれる線または面上の点に向けられる。 これらの点でのレーザーの偶然の一致は二光子吸収を励起し、光化学を書いた。
逐次多光子吸収による書き込み
媒体感度を改善するための別のアプローチは、共鳴2光子吸収（「1 + 1」または「連続」2光子吸収としても知られている）を使用することであった。 励起が起こるためには、2つの励起光子が発色団にほぼ正確に同時に到達しなければならないので、非共鳴2光子吸収（一般に使用されるように）は弱い。 これは、発色団が単独の光子単独と相互作用することができないためです。 しかしながら、発色団が1つの光子の（弱い）吸収に対応するエネルギーレベルを有する場合、これは足場として使用され、光子の到着時間の自由度がより高くなり、したがってはるかに高い感度を可能にする。 しかし、このアプローチは、非共鳴2光子吸収（各2光子吸収ステップは本質的に線形であるため）に比べて非線形性の損失をもたらし、したがってシステムの3D分解能を損なうおそれがある。
マイクロホログラフィ
マイクロホログラフィでは、集束ビームを使用して、フォトリフラクティブ材料内のサブミクロンサイズのホログラムを、通常は共線ビームを用いて記録する。 書込みプロセスは、他のタイプのホログラフィックデータ記憶で使用されるものと同じ種類の媒体を使用してもよく、2光子プロセスを使用してホログラムを形成してもよい。
製造時のデータ記録
市販のデータ配信のためのほとんどの光ディスクフォーマットの場合のように、データの製造においてもデータを作成することができる。 この場合、ユーザーはディスクに書き込むことはできません。これはROM形式です。 データは非線形光学法で書き込むことができますが、この場合は非常に高出力のレーザーを使用することが許容され、メディア感度が問題になりにくくなります。
3D構造に成形または印刷されたデータを含むディスクの製造も実証されている。 例えば、3Dのデータを含むディスクは、多数のウェハ薄ディスクを一緒に挟み込むことによって構成することができ、その各々は単一の情報層で成形または印刷される。 得られたROMディスクは、3D読み取り方法を用いて読み取ることができる。
その他の書き込み方法
3次元でデータを書き込むための他の技術も検討されており、
持続スペクトルホールバーニング（PSHB）。スペクトラム多重化の可能性もあり、データ密度が向上します。 しかし、現在、PSHB媒体は、データ損失を避けるために、極めて低い温度を維持する必要がある。
ボイド形成。高強度のレーザー照射によって微量の気泡が媒体中に導入される。
発色団分極（polymorphism）であり、発色団のレーザー誘導再配向は、読取り可能な変化をもたらす。
データを読み取るプロセス
3D光メモリからのデータの読み取りは、多くの異なる方法で行われてきた。 これらのうちのいくつかは、3D分解能を得るための光 – 物質相互作用の非線形性に頼っているが、他のものは、メディアの線形応答を空間的にフィルタリングする方法を使用する。 読書方法は次のとおりです：
2光子吸収（吸収または蛍光を生じる）。 この方法は本質的に2光子顕微鏡である。
共焦点検出による蛍光の線形励起。 この方法は本質的に共焦点レーザー走査顕微鏡である。 これは、2光子吸収よりもはるかに低いレーザー出力で励起を提供するが、アドレッシング光が、対処されるものに加えて多くの他のデータ点と相互作用するため、いくつかの潜在的な問題を有する。
2つのデータ状態間の屈折率の小さな差の測定。 この方法は、通常、位相差顕微鏡または共焦点反射顕微鏡を使用する。 光の吸収は必要ないので、読取り中にデータを損傷する危険はないが、ディスク内で必要とされる屈折率の不一致は、蓄積されたランダム波面誤差のために媒体が到達できる厚さ（すなわちデータ層の数）焦点スポットの品質を破壊する。
第2高調波発生は、ポーリングされたポリマーマトリックスに書き込まれたデータを読み取る方法として実証されている。
光コヒーレンストモグラフィーも平行読取り法として実証されている。
メディアデザイン
3D光記憶媒体の活性部分は、通常、光化学的活性種をドープまたはグラフトした有機ポリマーである。 あるいは、結晶質およびゾルゲル材料が使用されている。
メディアフォームファクタ
3D光学データ記憶用の媒体は、ディスク、カード、水晶などのいくつかのフォームファクターで提案されています。
ディスク媒体はCD / DVDからの進歩を提供し、よく知られたスピニングディスク法によって読み書きを行うことができる。
クレジットカードフォームファクタメディアは、移植性と利便性の観点からは魅力的ですが、ディスクよりも容量が小さくなります。
いくつかのSF小説の作家は、大量の情報を保存する小さな固体を示唆しており、少なくとも原則として、これは5D光学データ記憶装置で達成することができる。
メディア製造
最も簡単な製造方法（ディスクの一体成形）は、一部のシステムでは可能性があります。 媒体製造のより複雑な方法は、媒体を層ごとに構成することである。 これは、製造中にデータを物理的に作成する場合に必要です。 しかしながら、層ごとの構成は、多くの層を一緒に挟むことを意味する必要はない。 別の選択肢は、粘着テープのロールに類似した形態で媒体を生成することである。
ドライブデザイン
3D光学式データ記憶媒体を読み書きするように設計されたドライブは、特に媒体のフォームファクタおよびデータ構造がCDまたはDVDのものと類似している場合、CD / DVDドライブと共通していることがある。 しかし、そのようなドライブを設計する際に考慮する必要があるいくつかの顕著な違いがあります。
レーザ
特に、2光子吸収が利用される場合、かさばり、冷却が困難で安全性の懸念がある高出力レーザが必要とされることがある。 既存の光学ドライブは、780nm、658nm、または405nmで動作する連続波ダイオードレーザを利用する。 3D光記憶ドライブは、固体レーザまたはパルスレーザを必要とすることがあり、いくつかの例は、これらの技術によって容易に入手可能な波長、例えば532nm（緑色）を使用する。 これらの大きなレーザーは、光学ドライブの読み取り/書き込みヘッドに組み込むのが難しい場合があります。
可変球面収差補正
システムは媒体内の異なる深度に対処しなければならず、異なる深度で波面に誘発される球面収差が異なるので、これらの差を動的に考慮する方法が必要である。 光路内外に入れ替わる光学素子、可動素子、適応光学素子、および液浸レンズを含む多くの可能な方法が存在する。
光学系
3D光学データ記憶システムの多くの例では、いくつかの波長（色）の光が使用される（例えば、読み取りレーザ、書き込みレーザ、信号、場合によっては2つのレーザが書き込みのために必要とされる）。 したがって、高いレーザパワーおよび可変球面収差に対処すると同時に、光学系は、必要に応じてこれらの異なる色の光を組み合わせて分離しなければならない。
検出
DVDドライブでは、ディスクから生成された信号はアドレス指定レーザービームの反射であり、したがって非常に強い。 しかし、3D光学的記憶のためには、信号は、アドレス指定された小さな体積内で生成されなければならず、したがって、レーザ光よりもはるかに弱い。 さらに、蛍光は、指定された点からすべての方向に放射されるので、信号を最大にするために特別な集光光学系を使用しなければならない。
データトラッキング
それらがz軸に沿って識別されると、DVDと同様の方法で、DVDのようなデータの個々の層にアクセスして追跡することができる。 並列またはページベースのアドレッシングを使用する可能性も実証されています。 これにより、より高速なデータ転送速度が可能になりますが、空間光変調器、信号イメージング、より強力なレーザー、およびより複雑なデータ処理がさらに複雑になります。
開発の問題
3D光学データ記憶の非常に魅力的な性質にもかかわらず、市販製品の開発にはかなりの時間がかかっています。 これは、現場での限られた財政支援だけでなく、以下のような技術的問題からも生じます。
破壊的な読書。 データの読み出しと書き込みの両方がレーザビームで行われるので、読み出しプロセスが少量の書き込みを引き起こす可能性がある。 この場合、データの反復読み取りは最終的に消去を行うことになります（これは一部のDVDで使用される相変化材料でも起こります）。 この問題は、各プロセス（読み取りと書き込み）に異なる吸収バンドを使用すること、またはエネルギー吸収を伴わない読み取り方法を使用することなど、多くのアプローチによって対処されています。
熱力学的安定性。 実際に起こらないように見える多くの化学反応は、非常にゆっくり起こる。 さらに、起こったように見える多くの反応は、ゆっくりと逆転する可能性があります。 ほとんどの3Dメディアは化学反応に基づいているため、未書き込みのポイントが徐々に書き込まれるか、書き込まれたポイントがゆっくりと書き戻されるというリスクがあります。 この問題はスピロピランにとって特に重大であるが、3Dメモリ用のより安定した発色団を見つけるための広範な研究が行われた。
メディア感度。 2光子吸収は弱い現象であるため、通常は高出力のレーザーが必要となる。 研究者は通常、励起を達成するためにTiサファイアレーザーまたはNd：YAGレーザーを使用しますが、これらの機器は民生用製品には適していません。
学術発展
3D光学データ記憶の開発の大部分は大学で行われてきた。 貴重な情報を提供したグループには以下のものがあります。
Peter T. Rentzepis氏はこの分野の創始者であり、最近は破壊的な読出しのない材料を開発しています。
Watt W Webbはベル研究所の2光子顕微鏡を共同開発し、フォトリフラクティブメディアに3D記録を行った。
光合成物質のジアリールエテン系を開発した井戸正弘。
Kawata Yoshimasa、Kawata Satoshi、およびZouheir Sekkatは、特にPoledポリマーシステムを含むいくつかの光学データ操作システムを開発し、開発しました。
Kevin C Belfieldは、分子間の共鳴エネルギー移動を利用して3次元光学データストレージ用の光化学システムを開発しており、また2光子の高断面材料を開発しています。
Seth Marderは、高2光子断面発色団の分子設計に対する論理的アプローチを開発する初期の研究の多くを行った。
Tom Milster氏は3D光学データストレージの理論に多くの貢献をしてきました。
Robert McLeodは、3D光学データ記憶のためのマイクロホログラムの使用を調べた。
ミン・グー（Min Gu）は、共焦点読み出しおよびその改善方法を調べた。
商業開発
学術研究に加えて、いくつかの企業が3D光学データ記憶装置を商業化するように設定されており、一部の大企業もこの技術に興味を示している。 しかし、ハードドライブ、フラッシュストレージ、ホログラフィックストレージなどの他の四半期との競争の勢いで、この技術が市場で成功するかどうかはまだ明確ではありません。
Call / RecallはPeter Rentzepisの調査に基づいて1987年に設立されました。 1光子読み出し（635nm）と高NA（1.0）液浸レンズの2光子記録（6.5ps、7nJ、532nmパルスで25Mbit / s）を用いて、1TBを200層を厚さ1.2mmのディスクに入れた。 彼らは、高出力パルス型青色レーザダイオードと同様に、新しい材料を開発することにより、容量が> 5 TB以上、データレートが1年以内に250 Mbit / sまで向上することを目指しています。
MempileはTeraDiscという名前の商用システムを開発しています。 2007年3月には、厚さ0.6mmのディスク上に100層の情報を記録し、再生し、低クロストーク、高感度、熱力学的安定性を実証しました。 彼らは2010年に赤色レーザ0.6-1.0 TBの消費者製品をリリースする予定で、5 TBの青色レーザ製品へのロードマップを持っています。
Constellation 3Dは1990年代末にFluorescent Multilayer Discを開発しました。これはROMディスクで、レイヤーごとに製造されました。 同社は2002年に失敗したが、知的財産（IP）はデジタルマルチレイヤディスク（DMD）として導入しようとしているD-Data社に買収された。
Storex Technologiesは、蛍光感光性ガラスおよびガラスセラミック材料をベースにした3Dメディアを開発するために設立されました。 この技術は、ルーマニアの科学者でもあるEugen Pavel氏の特許に由来しています。Eugen Pavel氏は、同社の創設者兼CEOです。 ODS2010会議では、ペタバイト光学ディスクの2つの非蛍光法による読み出しに関する結果が示された。
Landauer Inc.は、サファイア単結晶基板における共鳴二光子吸収に基づいた媒体を開発している。 2007年5月には、各マークに2 nJのレーザーエネルギー（405 nm）を使用して20層のデータを記録しました。 蛍光寿命のため、読み取り速度は10 Mbit / sに制限されています。
巨大ストレージは、現在のデータ容量および転送速度よりも大きな改善を得るために遠紫外レーザーを用いたフォトン誘起電場ポーリングに基づく3Dホログラフィック光学記憶技術を開発することを目指しているが、まだ実験的研究またはフィージビリティスタディを提示していない。
Microholasは、Susanna Orlic教授のリーダーシップの下、ベルリン大学から運営されており、4.5マイクロメートルで分離された75層のマイクロホログラフィックデータの記録を達成し、1層あたり10GBのデータ密度を示唆しています。
3DCD Technology Pty。Ltd.は、Daniel DayとMin Guによって特定された材料に基づいて、3D光ストレージ技術を開発する大学のスピンオフ・セットです。
Fuji、Ricoh、Matsushitaなどの大手テクノロジー企業では、3D光データストレージなどのアプリケーション向けに2光子反応材料に関する特許を申請していますが、フルデータストレージソリューションを開発しているとは示されていません。