В статье приведены основные проблемы голографических носителей, рассмотрены современные материалы, использующиеся при разработке, и их особенности. В работе получены показатели минимальных требований, которым должны удовлетворять голографические носители.
The article deals with the problems of holographic storages and the characteristics of advanced materials, which are used, in the medium development. We also obtained indicators of minimum requirements to be met by the holographic mediums.
Введение
Существует ряд проблем, которые мешают масштабному использованию голографической памяти: необходимость использовать сложные оптические системы, а также подбор оптимального материала для носителя. Светочувствительные элементы, существующие в данное время, обладают слабой чувствительностью, что существенно затрудняет их использование для записи данных. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фото чувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену.
Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве — фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние. IBM предлагала как неорганические химические соединения, такие как ниобат лития, так и различные полимеры. Однако в случае с полимерами возникают проблемы по сохранности данных на протяжении относительно длительного времени, связано это с прохождением некоторых химических реакций в таких носителях, вследствие чего теряется записанная информация.
Компания Aprilis предлагает использовать силиконы с добавлением эпоксидных смол. Этот метод позволяет как производить запись, так и хранить данные более длительное время за счёт большей устойчивости материала. Ещё один вариант — это использование материала, в котором вещества, отвечающие за прочность и светочувствительность, отделены друг от друга. Такой метод предлагает InPhase Technologies.
Минимальные требования к голографическим носителям
Голографический носитель должен соответствовать следующим требованиям.
- Изменяемость индекса (M/#)
Дифракционная эффективность мультиплексированных голограмм зависит от параметра M/# материала. M/# зависит от изменяемости индекса материала и плотности носителя. M/# был введен для фоторефрактивных материалов, но сейчас используется для всех материалов, удовлетворяющих равенству:
где 
— дифракционная эффективность голограмм, N — количество голограмм, мультиплексированных в одном и том же томе, а 
— это константа, которая устанавливает зависимость между этими двумя значениями. Значение является критическим, так как при мультиплексировании голограмм (увеличении плотности хранилища), дифракционная эффективность уменьшается со скоростью 
. Дифракционная эффективность должна быть выше, чем шумовой разброс, создаваемый при считывании голограмм. Для коммерческих носителей оптимальная требуемая дифракционная эффективность находится в пределе 
, следовательно, для достижения желаемой производительности значение в слое записи толщиной 1.5 мм должно равняться 30.
- Пространственная стабильность
В процессе записи фото инициализированных полимеров происходит физическое сжатие или изменение блоков индексов. Данное явление увеличивается при дальнейшей записи, и эти изменения могут быть нелинейными, что нежелательно. Однако данные недостатки незначительны и могут быть компенсированы путем изменения длины волны и угла предметного луча. Сжатие влечет за собой деформацию носителя и влияет на оптическое качество записываемых данных.
Так же имеют немалое значение другие пространственные изменения, такие как температурные изменения и влажность. Температурные изменения могут обусловить изменения в размере материала. Это тоже можно компенсировать за счет изменения длины волны и угла предметного луча. Влажность так же может повлиять на объем носителя. Компенсирование производится описанным выше способом.
- Светочувствительность
Высокая светочувствительность необходима для высокой скорости передачи данных. Светочувствительность определяется наклоном записывающей волны или энергией, необходимой для потребления 80 % M/#. Однако в 80 % случаев лучше иметь кривую воздействия линейной с фактором ~1.6 или менее. Вдобавок, скорость передачи и воздействие будут значительно варьироваться при дальнейшей записи голограмм и при большем использовании M/#. Изменения воздействия необходимы для поддержания примерно одинаковой дифракционной эффективности всех голограмм. Системе трудно работать с высоким уровнем вариации во время воздействия.
- Рассеяние
Рассеяние носителей и рассеяние в целом — очень важные параметры HDS (holographicdatastorage) систем. Природное рэлеевское рассеяние носителей будет большим компонентом рассеянного света в системе. Это базовое рассеяние происходит из-за записывающего материала и подложек. Подложки должны быть из материала высокого оптического качества для диска с момента подачи света, неважно это подложки для чтения или записи. В идеале слой записи материала должен быть мало рассеянным и очень однородным. При использовании полимеров стартовые материалы должны быть отфильтрованы для их очистки перед производством. Сам диск должен быть разработан таким образом, чтобы имелось чистое и универсальное освещение носителей, поскольку голографические носители записывают пространственную интенсивность лучей. Интенсивность, управляемая случайными пространственными изменениями, через механизм Рэлея обусловит запись непреднамеренных центров рассеяния в носитель.
- Свойства поглощения
Поглощение света необходимо для записи, но может привести к потере сигнала во время чтения. При записи в идеале поглощение должно быть идентичным на всем объеме носителя. Как правило, различные длины волн используются для записи при разных температурах, чтобы предварительно скомпенсировать любое температурное изменение коэффициента изнашивания носителя. Наименьшее поглощение желательно в целях максимизации однородности записи на всем объеме, приводящей к оптимальной брэгговской селективности или голограммной селективности для мультиплексированных голограмм. Идеальный случай, когда при чтении носитель не будет поглощать свет так, чтобы максимальное количество света могло быть дифрагировано голограммами, и без дальнейшего поглощения света дополнительная освещенность не будет иметь возможность спровоцировать какие-либо изменения носителя.
- Двойное лучепреломление
Формирование голограммы зависит от поляризации, поэтому хранение двух правильно поляризованных записывающих лучей может улучшить чувствительность материала. В то время как большинство фотополимеров гомогенно, и как следствие двойное лучепреломление свободно, материалы подложки, такие как поликарбонат, могут существенно увеличить двойное лучепреломление. Этот эффект может также уменьшить эффективность светового считывания и таким образом повредить скорость передачи данных. Предотвратить негативные последствия можно направлением света к детектору фазовой сопряженной конструкцией и разделителем поляризованного луча.
- Оптическое качество
Использование фазово-сопряженной геометрии может сделать оптику диска более простой и устойчивой с улучшением соотношения сигнала изображения к шумам (SNR). Однако для хорошего фазово-сопряженного считывания с использованием плоской волны у нее должно быть довольно хорошее качество волнового фронта. Кроме того, в случае страниц с большим количеством данных оптическое качество носителя может также влиять на SNR восстановленной голограммы.
- Технологичность
Наконец, носители должны производиться в больших объемах по относительно недорогой цене.
Литература:
- Корешев С. Н. Основы голографии и голограммной оптики // СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. — 97 с.
- Kevin Curtis, Lisa Dhar, Adrian Hill, William Wilson, Mark Ayres. Holographic Data Storage // Wiley, John Wiley & Sons Ltd, 2010.
- Шевченко В. Голографическая память — шаг за суперпарамагнитный предел [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ko.com.ua/golograficheskaya_pamyat_-_shag_za_superparamagnitnyj_predel_27096
