Трехмерное оптическое хранилище данных — это любая форма хранения оптических данных, в которой информация может быть записана или прочитана с трехмерным разрешением (в отличие от двумерного разрешения, которое предоставляется, например, CD).

Это нововведение имеет потенциал для обеспечения массового хранения на уровне петабайта на дисках размером с DVD (120 мм). Запись данных и их считывание достигаются путем фокусировки лазеров внутри среды. Однако из-за объемной природы структуры данных лазерный луч должен проходить через другие точки данных, прежде чем он достигнет точки, где требуется чтение или запись. Поэтому для обеспечения того, чтобы эти другие точки данных не мешали адресации нужной точки, требуется некоторая нелинейность.

На массовом рынке еще не появился коммерческий продукт, основанный на 3D-оптическом хранилище данных, хотя несколько компаний активно развивают технологию и утверждают, что она может стать «скоро».

обзор
Существующие носители данных оптических данных, такие как данные на CD и DVD, представляют собой серию отражающих меток на внутренней поверхности диска. Чтобы увеличить емкость памяти, диски могут удерживать два или даже больше этих слоев данных, но их количество сильно ограничено, так как лазер адресации взаимодействует с каждым слоем, через который он проходит по пути к и от адресаемого уровня , Эти взаимодействия вызывают шум, который ограничивает технологию примерно до 10 слоев. Способы хранения 3D-оптических данных обходят эту проблему с помощью методов адресации, где только специально адресованный воксел (объемный пиксель) существенно взаимодействует с сигналом адресации. Это обязательно связано с нелинейными методами считывания и записи данных, в частности нелинейной оптикой.

Трехмерное оптическое хранилище данных связано с (и конкурирует) с хранением голографических данных. Традиционные примеры голографического хранения не рассматриваются в третьем измерении и поэтому не являются строго «3D», но в последнее время 3D голографическое хранилище реализовано с помощью микроголограмм. Многослойная технология выбора уровня (где многослойный диск имеет слои, которые могут быть индивидуально активированы, например, электрически) также тесно связан.

Например, в прототипной 3D-оптической системе хранения данных может использоваться диск, который выглядит как прозрачный DVD. Диск содержит много слоев информации, каждая на другой глубине в носителе и каждая из которых состоит из DVD-подобной спиральной дорожки. Чтобы записать информацию на диск, лазер попадает в фокус на определенной глубине в среде, которая соответствует определенному информационному слою. Когда лазер включен, это вызывает фотохимическое изменение в среде. Когда диск вращается и головка чтения / записи перемещается по радиусу, слой записывается так же, как записывается DVD-R. Затем можно изменить глубину фокуса и записать другой совершенно другой уровень информации. Расстояние между слоями может составлять от 5 до 100 микрометров, позволяя хранить> 100 слоев информации на одном диске.

Чтобы прочитать данные назад (в этом примере), используется аналогичная процедура, за исключением этого времени, вместо того, чтобы вызвать фотохимическое изменение в среде, лазер вызывает флуоресценцию. Это достигается, например, с использованием более низкой мощности лазера или другой длины волны лазера. Интенсивность или длина волны флуоресценции различаются в зависимости от того, была ли записана среда в этой точке, и поэтому путем измерения испускаемого света данные считываются.

Размер отдельных хромофорных молекул или фотоактивных центров цвета намного меньше размера лазерного фокуса (который определяется пределом дифракции). Поэтому свет обращается к большому числу (возможно, даже 109) молекул в любой момент времени, поэтому среда действует как однородная масса, а не матрица, структурированная положением хромофоров.

история
Истоки поля относятся к 1950-м годам, когда Иегуда Хиршберг разработал фотохромные спиропираны и предложил использовать их в хранилище данных. В 1970-х годах Валерий Барачевский продемонстрировал, что этот фотохромизм может быть вызван двухфотонным возбуждением, и, наконец, в конце 1980-х годов Питер М. Ренцепис показал, что это может привести к трехмерному хранению данных. Большинство разработанных систем в некоторой степени основаны на оригинальных идеях Rentzepis. Были исследованы широкий спектр физических явлений для чтения и записи данных, разработаны и оценены большое количество химических систем для среды, и были проведены обширные работы по решению проблем, связанных с оптическими системами, необходимыми для чтения и запись данных. В настоящее время несколько групп продолжают работать над решениями с различным уровнем развития и интересом к коммерциализации.

Процессы для создания письменных данных
Запись данных в трехмерном оптическом носителе данных требует, чтобы при возбуждении происходило изменение в среде. Это изменение, как правило, является фотохимической реакцией, хотя существуют другие возможности. Химические реакции, которые были исследованы, включают фотоизомеризацию, фотодекомпозицию и фотообесцвечивание, а также инициирование полимеризации. Наиболее изученными являются фотохромные соединения, которые включают азобензолы, спиропираны, стилмены, фульгиды и диарилетены. Если фотохимическое изменение является обратимым, то может быть достигнуто перезаписываемое хранение данных, по крайней мере, в принципе. Кроме того, технология MultiLevel Recording, где данные записываются в оттенках серого, а не как «on» и «off», технически осуществима.

Написание нерезонансного многофотонного поглощения
Хотя существует много нелинейных оптических явлений, только многофотонное поглощение способно вводить в среду значительную энергию, необходимую для электронного возбуждения молекулярных частиц и вызывания химических реакций. Двухфотонное поглощение — самое сильное многофотонное поглощение, но все же это очень слабое явление, что приводит к низкой чувствительности к среде. Поэтому большое количество исследований было направлено на предоставление хромофоров с большими сечениями двухфотонного поглощения.

Запись двухфотонным поглощением может быть достигнута путем фокусировки лазерного лазера на том месте, где требуется процесс фотохимической записи. Длина волны записывающего лазера выбирается так, чтобы она не была линейно поглощена средой и, следовательно, не взаимодействовала со средой, кроме фокальной точки. В фокальной точке происходит двухфотонное поглощение, потому что это нелинейный процесс, зависящий от квадрата лазерного флюенса.

Запись двухфотонным поглощением также может быть достигнута действием двух лазеров в совпадении. Этот метод обычно используется для одновременного создания информации. Один лазер проходит через среду, определяя линию или плоскость. Второй лазер затем направляется в точки на этой линии или плоскости, что желательно. Совпадение лазеров в этих точках возбуждало двухфотонное поглощение, что привело к написанию фотохимии.

Написание последовательного многофотонного поглощения
Другим подходом к улучшению чувствительности к среде было использование резонансного двухфотонного поглощения (также известного как «1 + 1» или «последовательное» двухфотонное поглощение). Нерезонансное двухфотонное поглощение (как правило, используется) является слабым, так как для возбуждения необходимо, чтобы два возбуждающих фотона приходили к хромофору почти в одно и то же время. Это связано с тем, что хромофор не может взаимодействовать только с одним фотоном. Однако, если у хромофора есть уровень энергии, соответствующий (слабому) поглощению одного фотона, то это может быть использовано в качестве ступенчатого камня, что обеспечивает большую свободу в времени поступления фотонов и, следовательно, гораздо более высокую чувствительность. Однако этот подход приводит к потере нелинейности по сравнению с нерезонансной двухфотонной абсорбцией (поскольку каждый шаг двухфотонного поглощения по существу линейный) и, следовательно, рискует скомпрометировать трехмерное разрешение системы.

Microholography
В микрогографии фокусированные пучки света используются для регистрации голограмм с субмикрометровым размером в фоторефрактивном материале, обычно с использованием коллинеарных пучков. В процессе записи могут использоваться те же типы носителей, которые используются в других типах хранения голографических данных, и могут использовать двухфотонные процессы для формирования голограмм.

Запись данных во время производства
Данные могут также создаваться при изготовлении носителей, как это имеет место в большинстве форматов оптических дисков для коммерческого распространения данных. В этом случае пользователь не может записать на диск — это формат ПЗУ. Данные могут быть записаны нелинейно-оптическим методом, но в этом случае использование очень мощных лазеров приемлемо, поэтому чувствительность к средам становится менее проблематичной.

Также было продемонстрировано изготовление дисков, содержащих данные, формованные или напечатанные в их трехмерной структуре. Например, диск, содержащий данные в 3D, может быть сконструирован путем сэндвича вместе большого количества пластинчатых тонких дисков, каждый из которых формируется или печатается одним слоем информации. Полученный ROM-диск затем может быть прочитан с использованием метода 3D-считывания.

Другие подходы к написанию
Были также изучены другие методы записи данных в трех измерениях, в том числе:

Постоянное сжигание спектральных дыр (PSHB), что также позволяет возможность спектрального мультиплексирования увеличить плотность данных. Однако в настоящее время для среды PSHB требуются чрезвычайно низкие температуры, чтобы избежать потери данных.

Образование пустот, когда микроскопические пузырьки вводятся в среду с помощью высокоинтенсивного лазерного облучения.

Chromophore poling, где индуцированная лазером переориентация хромофоров в структуре среды приводит к читаемым изменениям.

Процессы для чтения данных
Чтение данных из трехмерных оптических запоминающих устройств было выполнено по-разному. Хотя некоторые из них полагаются на нелинейность взаимодействия света и материи для получения 3D-разрешения, другие используют методы, которые пространственно фильтруют линейный отклик носителя. Методы чтения включают:

Два поглощения фотонов (приводящие к абсорбции или флуоресценции). Этот метод представляет собой, по существу, двухфотонную микроскопию.

Линейное возбуждение флуоресценции с конфокальным детектированием. Этот метод является, по существу, конфокальной лазерной сканирующей микроскопией. Он предлагает возбуждение с гораздо более низкими лазерными мощностями, чем двухфотонная абсорбция, но имеет некоторые потенциальные проблемы, поскольку сигнальный свет взаимодействует со многими другими точками данных в дополнение к тому, который рассматривается.

Измерение малых различий в показателе преломления между двумя состояниями данных. Этот метод обычно использует фазово-контрастный микроскоп или конфокальный отражающий микроскоп. Никакое поглощение света не требуется, поэтому нет риска повреждения данных во время чтения, но требуемое несоответствие показателя преломления на диске может ограничивать толщину (то есть количество слоев данных), которую может достичь носитель из-за накопленных ошибок случайного волнового фронта которые разрушают сфокусированное качество пятна.

Генерация второй гармоники была продемонстрирована как способ считывания данных, записанных в полированную полимерную матрицу.

Оптическая когерентная томография также была продемонстрирована как метод параллельного чтения.

Дизайн мультимедиа
Активная часть трехмерных оптических запоминающих сред обычно представляет собой органический полимер, легированный или привитый фотохимически активными видами. В качестве альтернативы использовались кристаллические и золь-гель-материалы.

Форм-фактор мультимедиа
Медиа для трехмерного оптического хранения данных было предложено в нескольких форм-факторах: диске, карте и кристалле.

Дисковый носитель предлагает прогрессию с CD / DVD и позволяет выполнять чтение и запись с помощью знакомого метода вращающегося диска.

Материал форм-фактора кредитной карты привлекателен с точки зрения мобильности и удобства, но будет иметь меньшую емкость, чем диск.

Несколько авторов научной фантастики предложили небольшие твердые частицы, которые хранят огромное количество информации, и, по крайней мере, в принципе это может быть достигнуто с помощью 5D-хранения оптических данных.

Производство средств массовой информации
Самый простой способ изготовления — формование диска в одном куске — это возможность для некоторых систем. Более сложный способ изготовления медиа предназначен для того, чтобы среда была построена по слоям. Это необходимо, если данные должны быть физически созданы во время производства. Однако поэтапная конструкция не должна означать сэндвич многих слоев вместе. Другой альтернативой является создание среды в форме, аналогичной рулону клейкой ленты.

Конструкция привода
Привод, предназначенный для чтения и записи на трехмерные оптические носители данных, может иметь много общего с приводами CD / DVD, особенно если форм-фактор и структура данных носителя аналогичны формату компакт-диска или DVD-диска. Однако при проектировании такого накопителя необходимо учитывать ряд существенных различий.

лазер
В частности, при использовании двухфотонного поглощения могут потребоваться мощные лазеры, которые могут быть громоздкими, трудноохлаждаемыми и представлять проблемы безопасности. Существующие оптические приводы используют лазеры с непрерывным волновым диодом, работающие на длинах волн 780 нм, 658 нм или 405 нм. Для трехмерных оптических накопителей могут потребоваться твердотельные лазеры или импульсные лазеры, а в нескольких примерах используются длины волн, легко доступные этими технологиями, например 532 нм (зеленый). Эти более крупные лазеры могут быть трудно интегрированы в головку чтения / записи оптического привода.

Переменная сферическая коррекция аберрации
Поскольку система должна обращаться к разным глубинам в среде, а на разных глубинах сферическая аберрация, индуцированная на волновом фронте, различна, для динамического учета этих различий требуется метод. Существует множество возможных методов, которые включают в себя оптические элементы, которые меняются в оптическом тракте и из него, движущиеся элементы, адаптивная оптика и иммерсионные линзы.

Оптическая система
Во многих примерах трехмерных оптических систем хранения данных используются несколько длин волн (цветов) света (например, считывание лазера, запись лазера, сигнал, иногда даже два лазера требуются только для записи). Поэтому, а также справляясь с высокой мощностью лазера и переменной сферической аберрацией, оптическая система должна сочетать и разделять эти разные цвета света по мере необходимости.

обнаружение
В приводах DVD сигнал, создаваемый с диска, является отражением лазерного луча адресации и поэтому очень интенсивен. Однако для 3D-оптического хранилища сигнал должен генерироваться в пределах крошечного объема, который адресован, и, следовательно, он намного слабее, чем лазерный свет. Кроме того, флуоресценция излучается во всех направлениях от адресной точки, поэтому для максимизации сигнала должна использоваться специальная оптическая система сбора света.

Отслеживание данных
Как только они идентифицируются вдоль оси z, отдельные слои DVD-подобных данных могут быть доступны и отслеживаться аналогично DVD-дискам. Также была продемонстрирована возможность использования параллельной или адресной адресации. Это позволяет значительно ускорить передачу данных, но требует дополнительной сложности пространственных модуляторов света, формирования сигналов, более мощных лазеров и более сложной обработки данных.

Проблемы развития
Несмотря на весьма привлекательный характер хранения 3D-оптических данных, разработка коммерческих продуктов заняла значительное время. Это связано с ограниченной финансовой поддержкой на местах, а также с техническими проблемами, в том числе:

Деструктивное чтение. Поскольку считывание и запись данных выполняется с помощью лазерных лучей, существует вероятность того, что процесс чтения вызовет небольшое количество записи. В этом случае повторное считывание данных может в конечном итоге служить для его удаления (это также происходит в материалах с изменением фазы, используемых на некоторых DVD-дисках). Эта проблема была решена многими подходами, такими как использование различных полос поглощения для каждого процесса (чтение и запись) или использование метода чтения, который не связан с поглощением энергии.

Термодинамическая устойчивость. Многие химические реакции, которые, по-видимому, не происходят, происходят очень медленно. Кроме того, многие реакции, которые, по-видимому, произошли, могут медленно меняться. Поскольку большинство 3D-носителей основаны на химических реакциях, поэтому существует риск того, что либо ненаписанные точки будут постепенно записываться, либо что написанные точки будут медленно возвращаться к неписаному. Этот вопрос особенно серьезен для spiropyrans, но были проведены обширные исследования, чтобы найти более стабильные хромофоры для 3D-воспоминаний.

Чувствительность носителя. двухфотонное поглощение является слабым явлением, и поэтому для его создания обычно требуются мощные лазеры. Исследователи обычно используют Ti-сапфировые лазеры или лазери Nd: YAG для достижения возбуждения, но эти инструменты не подходят для использования в потребительских продуктах.

Академическое развитие
Большая часть разработки 3D-оптического хранилища данных была проведена в университетах. Группы, которые предоставили ценный вклад, включают:

Peter T. Rentzepis был инициатором этой области, и недавно разработал материалы, свободные от деструктивного считывания.
Watt W. Webb разработал двухфотонный микроскоп в Bell Labs и показал трехмерную запись на фоторефрактивных средах.
Masahiro Irie разработала семейство фотохромных материалов diarylethene.
Йошимаса Кавата, Сатоши Кавата и Зоуир Секкат разработали и работали над несколькими системами управления оптическими данными, в частности с использованием полированных полимерных систем.
Кевин C Belfield разрабатывает фотохимические системы для хранения 3D-оптических данных за счет использования резонансной передачи энергии между молекулами, а также разрабатывает материалы с высоким двухфотонным поперечным сечением.
Сет Мардер выполнил большую часть ранней работы, разрабатывая логические подходы к молекулярному дизайну высокочастотных хромофоров с высоким двухфотонным разрешением.
Том Милстер внес много вкладов в теорию 3D-хранения оптических данных.
Роберт Маклеод изучил использование микроголограмм для хранения 3D-оптических данных.
Мин Гу рассмотрел конфокальное считывание и методы его улучшения.

Коммерческое развитие
В дополнение к академическим исследованиям было создано несколько компаний для коммерческого использования трехмерного оптического хранилища данных, и некоторые крупные корпорации также проявили интерес к этой технологии. Тем не менее, пока неясно, удастся ли на рынке преуспеть на рынке в условиях конкуренции со стороны других кругов, таких как жесткие диски, флэш-накопители и голографическое хранилище.

Call / Recall был основан в 1987 году на основе исследований Питера Ренцеписа. Используя двухфотонную запись (со скоростью 25 Мбит / с с импульсами 6,5 пс, 7 нДж, 532 нм), однофотонное считывание (с 635 нм) и высокую иммерсионную линзу NA (1.0), они сохранили 1 ТБ как 200 слоев на диске толщиной 1,2 мм. Они нацелены на повышение пропускной способности до> 5 ТБ и скорости передачи данных до 250 Мбит / с в течение года путем разработки новых материалов, а также мощных импульсных синих лазерных диодов.
Mempile разрабатывают коммерческую систему с названием TeraDisc. В марте 2007 года они продемонстрировали запись и считывание 100 слоев информации на диске толщиной 0,6 мм, а также низкие перекрестные помехи, высокую чувствительность и термодинамическую стабильность. В 2010 году они намерены выпускать потребительский продукт с красным лазерным излучением 0,6-1,0 ТБ и разработать дорожную карту для 5-сильного лазерного излучения.
Constellation 3D разработала флуоресцентный многослойный диск в конце 1990-х годов, который был ROM-диском, созданным по слоям. Компания потерпела неудачу в 2002 году, но интеллектуальная собственность (IP) была приобретена D-Data Inc., которые пытаются представить ее как Digital Multilayer Disk (DMD).
Storex Technologies была создана для разработки 3D-материалов на основе флуоресцентных светочувствительных очков и стеклокерамических материалов. Эта технология основана на патентах румынского ученого Евгения Павла, который также является основателем и генеральным директором компании. На конференции ODS2010 были представлены результаты, касающиеся считывания двумя методами не флуоресценции оптического диска Petabyte.
Landauer Inc. разрабатывают среду, основанную на резонансном двухфотонном поглощении в сапфировом монокристаллическом субстрате. В мае 2007 года они показали запись 20 слоев данных с использованием 2 нДж лазерной энергии (405 нм) для каждой метки. Скорость чтения ограничена 10 Мбит / с из-за времени жизни флуоресценции.
Колоссальное хранилище нацелено на разработку технологии голографического оптического хранения 3D на основе фотонного индуцированного электрического поля с использованием ультрафиолетового лазера для получения больших улучшений по сравнению с текущей пропускной способностью и скоростью передачи данных, но пока они не представили никаких экспериментальных исследований или технико-экономических обоснований.
Microholas работает из Берлинского университета под руководством профессора Сюзанны Орлич и добился записи до 75 слоев микрогографических данных, разделенных 4,5 микрометрами, и предполагая плотность данных 10 ГБ на слой.
3DCD Technology Pty. Ltd. — это университетский филиал, созданный для разработки технологии 3D-оптического хранения на основе материалов, идентифицированных Daniel Day и Min Gu.
Несколько крупных технологических компаний, таких как Fuji, Ricoh и Matsushita, подали заявки на патенты на материалы с двумя фотонами для приложений, включая трехмерное оптическое хранилище данных, однако они не дали никаких указаний на то, что они разрабатывают полные решения для хранения данных.