Artykuł zaczerpnięty z magazynu CHIP 11/2005
Na krążku holograficznym zmieści się cała domowa filmoteka
Trójwymiarowy gobelin
Z czym przeciętnemu użytkownikowi peceta kojarzy się słowo gobelin (ang.
tapestry)? Do niedawna odpowiedź na to pytanie była prosta: z przemysłem
włókienniczym lub muzealnictwem. Dzięki firmie InPhase już niedługo wyraz ten
diametralnie zmieni swe znaczenie.
Marcin Bieńkowski
W marcu 2005 roku w Amsterdamie na targachInternational Broadcasters
Conference firma InPhase pokazała prototypowy napęd holograficzny
Tapestry 300R wraz z nośnikiem HDS300, mieszczącym - bagatela - 300 GB danych. Jest to już
kolejna, trzecia konstrukcja spółki InPhase, założonej przez telekomunikacyjnego
giganta - korporację Lucent Technologies. Firma InPhase już od stycznia 2001 roku
zajmuje się konstruowaniem wysokopojemnych nośników holograficznych
i odpowiednich napędów. Co więcej, inżynierowie z InPhase zapowiadają, że wkrótce
zaprezentują nośnik o gigantycznej pojemności 1,6 TB! Jak to się dzieje, że na
nieco większej od krążka CD/ DVD (średnica 12 cm), bo 13-centymetrowej płycie
HDS (Holographic Data Storage) da się zmieścić tak pokaźną objętość danych?
Tab.1. Porównanie różnych dysków optycznych (Źródło: CHIP
10/2004)
| Dysk firmy Optware | Blu-ray | DVD | |
|---|---|---|---|
| Średnica płyty | 12 cm | 12 cm | 12 cm |
| Pojemność jednowarstwowej płyty |
1 TB | 27 GB | 4,7 GB |
| Szybkość transmisji danych (prędkość 1x) |
1 GB/s | 4,5 MB/s | 1350 KB/s |
| Typ lasera | niebieski (405 nm) i czerwony (650 nm) |
niebieski (405 nm) |
czerwony (650 nm) |
| Czas odtwarzania materiału wideo MPEG-2 (DVD) dla płyty jednowarstwowej |
ok. 3000 godzin | 13 godzin | 133 minuty |
Techniki holograficzne pozwalające na zapis i odczyt trójwymiarowych obrazów
(tzw. mhologramów) za pomocą światła laserowego znane są już od połowy lat
sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Technologie holograficzne początkowo dawały
jedynie sposobność zarejestrowania monochromatycznych, przestrzennych zdjęć na
specjalnych szklanych płytach, pokrytych emulsją fotograficzną. Nieco później
pojawiły się hologramy zapisywane na światłoczułym polimerowym papierze, a do
ich odczytu nie trzeba już było stosować laserów - wystarczyło zwykłe widzialne
światło. Takie hologramy znajdują się m.in. w wielu muzeach i wystawiane są na
pokazach nowoczesnych technologii.
Na początku lat osiemdziesiątych firma IBM rozpoczęła prace nad wykorzystaniem
holografii do zapisu cyfrowych informacji. W teorii holografia pozwala bowiem
upakować ponad 100 GB danych na centymetrze kwadratowym powierzchni nośnika.
Jest to dwa razy więcej, niż mieści cała dwuwarstwowa płyta Blu-ray! Naukowcy,
którzy zdawali sobie sprawę z tempa rozwoju informatyki i rosnącego
zapotrzebowania na pojemność używanych nośników danych, już dawno dostrzegli
potęgę holografii przy zapisie informacji.
Pierwsze holograficzne „dyski”, zbudowane na bazie kryształów niobianu litu,
zajmowały ogromne pomieszczenia laboratoryjne i wymagały do swojej pracy
laserów dużej mocy. Takie urządzenietrudno było zminiaturyzować, tak by
zmieściło się ono na biurku obok peceta, nie mówiąc już o wnętrzu obudowy.
Znaczący postęp w dziedzinie holograficznego zapisu cyfrowych informacji dokonał
się dopiero na przełomie wieków, gdy wynaleziono specjalne, trwałe materiały
fotopolimerowe,które dało się łatwo nałożyć na powierzchnię plastikowego dysku.
Drugim czynnikiem, decydującym o obserwowanym obecnie przyspieszeniu prac nad
holograficznym zapisem komputerowych danych, było rozpoczęcie masowej
produkcji półprzewodnikowych laserów do nagrywarek CD i DVD, dysponujących już
mocą wystarczającą do utrwalenia hologramu.
Do zapisywania hologramów wykorzystuje się falową naturę światła, a ściślej
mówiąc, zmiany jego fazy i amplitudy. Wychodzącą z lasera wiązkę (patrz: rysunek
1) rozszerza się w układzie soczewek, a następnie dzieli się ją na dwie części
(tzw. wiązkę obrazową i referencyjną), stosując do tego celu specjalne lustro - płytkę
światłodzielącą. Dalej dwie wiązki światła biegną już różnymi drogami. Następnie
na trasie wiązki obrazowej umieszcza się fotografowany przedmiot (np. obraz
reprezentujący cyfrowe dane). Fala światła, odbijając się od niego, zmienia swą
amplitudę i fazę. Jeżeli teraz skrzyżujemy wiązkę obrazową z referencyjną, to w
miejscu ich przecięcia powstanie tzw. wzór interferencyjny, czyli zbiór ciemnych i
jasnych prążków, powstających się na skutek nałożenia na siebie amplitud i faz obu
fal. Wzór ten tworzy swego rodzaju siatkę dyfrakcyjną, na której może się uginać
światło
Rys. 1. Zasada działania dysku holograficznego
Prototyp napędu holograficznego Tapestry 300R firmy InPhase jest na razie większy
od kilku nagrywarek DVD, ale wkrótce ma zostać zmniejszony. Wykorzystuje on 13-
centymetrowe płyty HDS.
Przy zapisie hologramu rejestruje się na kliszy fotograficznej ów wzór
interferencyjny. Trzeba tylko pamiętać, by materiał rejestrujący dane znalazł się
dokładnie w miejscu przecięcia wiązek. Co ciekawe, to właśnie wzór
interferencyjny zawiera pełną trójwymiarową informację o fotografowanym
obiekcie. Aby odtworzyć trójwymiarowy obraz sfotografowanego przedmiotu lub
odczytać cyfrowe dane, wystarczy oświetlić hologram wiązką laserową - światło
ugnie się na zapamiętanej w materiale holograficznym siatce dyfrakcyjnej (patrz:
rysunek 2), tworząc kompletny obraz zarejestrowanego przedmiotu.
Rys. 2. Zapis i odczyt informacji z dysku holograficznego
Charakterystyczną cechą hologramów jest ich nielokalność, czyli zapamiętywanie
pełnej informacji o trójwymiarowym obiekcie na całej naświetlonej w trakcie zapisu
powierzchni. Oznacza to, że podczas odczytu, nawet w sytuacji, gdy oświetlimy
światłem laserowym tylko mały fragment hologramu (nie mniejszy jednak od
długości fali światła użytej do jego zapisu), zawsze dotrzemy do pełnej utrwalonej
na kliszy informacji. Co więcej, zapisany hologram łatwo da się podzielić na kilka
mniejszych części, a odczytywany z nich obraz będzie taki sam, jaki był na
pierwotnej, całej fotografii. Opisana właściwość jest szczególnie ważna przy zapisie
cyfrowych danych, gdyż nawet w wypadku znacznego uszkodzenia hologramu
odczytane informacje będą zawsze w stu procentach poprawne. Nie ma więc
potrzeby stosowania algorytmów korekcji błędów!
Po tej skróconej lekcji fizyki wróćmy znów do napędu Tapestry firmy InPhase.
Bazuje on dokładnie na opisanej powyżej zasadzie działania (patrz: rysunek 1).
Fotografowany holograficznie przedmiot zastąpiony zostaje obrazem zer i jedynek,
nakładanym na wiązkę obrazową za pomocą modulatora SLM (Spatial Light
Modulator) - wykorzystano tu zawierający ponad dwa miliony miniaturowych
lusterek układ DLP, znany z seryjnie produkowanych projektorów.
Element SLM zamienia dane przesyłane z komputera na matrycę 1696x1710
punktów, gdzie ciemny piksel odpowiada jedynce, a jasny zeru. Następnie niosąca
informacje wiązka obrazowa interferuje z wiązką referencyjną na powierzchni płyty
holograficznej, gdzie dane zostają ostatecznie utrwalone. Sam proces zapisu
przypomina wypalanie płyt CD-R/DVD±R, z tą różnicą, że teraz najmniejszą
jednostką informacji nie są pojedyncze bity ukryte w pitach i landach, ale punkty o
rozmiarze ok. 100 µm2, zawierające 354 KB danych!
Zastosowany przez firmę InPhase modulator SLM jest w stanie wyświetlić 2000
obrazów z danymi na sekundę, co teoretycznie pozwala na zapis ok. 690 MB danych
w ciągu sekundy. Niemniej wypalanie na płycie HDS jest nieco wolniejsze i uzyskana
prędkość zapisu danych wynosi „zaledwie” 20 MB/s. Tapestry 300R wykorzystuje
światło niebieskiego lasera o długości fali 407 nm, stosowanego także m.in. w
napędach Blu-ray. Jak już wspomniałem, dane zapisywane są na przezroczystych
nośnikach o średnicy 130 mm i grubości 3,5 mm. Powierzchnię płyty HDS pokryto
specjalnym fotopolimerem holograficznym opracowanym w laboratoriach firmy Bell.
Materiał ten pozwala na jednokrotny zapis hologramów i ich wielokrotny odczyt, a
jego trwałość szacowana jest na co najmniej 50 lat.
Przedstawiony w Amsterdamie napęd Tapestry 300R nie był pierwszym napędem
holograficznym firmy InPhase. Pół roku wcześniej zaprezentowała ona poprzedni
model - Tapestry 200R, a w kwietniu 2002 roku - Tapestry 100R. Mogły one zapisać
odpowiednio 200 i 100 GB danych na jednej płycie. Co ważne, każda kolejna
nagrywarka była pod względem rozmiarów znacząco mniejsza od poprzednika i
obecny Tapestry 300R da się już schować do dużej obudowy peceta, podczas gdy
pierwszy zajmował niemal całe biurko. InPhase planuje rozpocząć seryjną produkcję
swych napędów na przełomie 2006 i 2007 roku. Wcześniej jednak musi pokonać
trudności związane z miniaturyzacją. Docelowo napędy Tapestry mają mieć
rozmiary standardowego czytnika DVD-ROM, co najwyżej zajmującego dwie zatoki
5,25 cala. Jak twierdzą inżynierowie opiekujący się projektem, nie jest to łatwe
zadanie ze względu na duże upakowanie elementów optycznych.
InPhase to nie jedyna firma zajmująca się pamięciami holograficznymi. Nad
własnym napędem pracuje też Optware (...). Teraz firma ta tworzy system
holograficznego przechowywania danych HVC (Holographic Versatile Card) na
kartach kredytowych. Nośniki te będą miały pojemność 30 GB i znajdą zastosowanie
przede wszystkim w bankowości i sektorze ubezpieczeniowo-medycznym. Premiera
kart HVC nastąpić ma w 2006 roku. Do czołówki producentów związanych z
holografią zaliczyć też trzeba dwie kolejne firmy - Aprilis i Polight Technologies,
które wkrótce zaprezentują swoje holograficzne nośniki danych.
Jak widać, zanosi się na to, że dopiero co wkraczające na rynek płyty Blu-ray i HD-
DVD bardzo szybko zyskają nowych konkurentów w postaci nośników
holograficznych. Z jednej strony to dobrze, bo ceny urządzeń szybko spadną, a my,
użytkownicy, zyskamy szybsze i pojemniejsze nośniki danych. Z drugiej jednak
strony wcale mi się nie uśmiecha ciągła wymiana napędów i przegrywanie danych na
coraz to nowsze płyty.