ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа №7

Элементы оптической памяти на основе мультиплексных голограмм

Цель работы: Знакомство с характеристиками объемных наложенных голограмм, предназначенных для использования в системах архивной оптической памяти, и условиями их получения.

Объект исследования: Образец объемной полимерной регистрирующей среды «Диффен», на одном участке которого произведена запись нескольких наложенных голограмм (3-5 голограмм) методом углового мультиплексирования.

Задачи, решаемые в работе:

Измерить зависимость интенсивности дифрагированного пучка от угла поворота образца-носителя относительно падающего пучка и определить контуры угловой селективности наложенных голограмм, зарегистрированных на данном участке образца.

Определить основные параметры каждой из наложенных голограмм: дифракционную эффективность и угловую селективность.

Оценить увеличение информационной емкости единицы площади элемента оптической памяти (которым является образец-носитель) за счет использования наложенной записи голограмм.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Научно-технический прогресс мирового сообщества идет по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации. В связи с этим непрерывно растут требования к плотности хранения и скорости обработки данных. Одним из путей решения данной проблемы является привлечение оптических технологий.

В настоящее время в системах записи, хранения и воспроизведения информации широко используется так называемая оптическая память в форме дисков CD (compact disk), DVD (digital versatile disk), HD-DVD (high definition digital versatile disk) и Blu-ray Disc. Такая форма памяти позволяет записывать и хранить колоссальные объемы информации – до 100Гб и производить считывание со скоростью до 140 Мбит/с. На таких дисках информация записывается и считывается лучом полупроводникового лазера, сфокусированным в световое пятно малого размера (порядка одного и даже менее микрона). При этом большая информационная емкость в каждом последующем типе оптических дисков достигается за счет использования более короткой длины волны света и многослойности самих носителей. О сегодняшних параметрах оптических дисков лет 10 назад можно было только мечтать, но перспектив дальнейшего значительного увеличения информационной емкости таких дисков не прогнозируется. Дальнейшие перспективы увеличения плотности записи информации ориентированы на использование и применение голографических методов в этой научно-технической области. В таблице 1 приведено сравнение характеристик различных типов оптических дисков, предназначенных для систем хранения информации.

Таблица 1.Сравнение характеристик различных типов дисков для систем хранения информации.

Прогноз фирмы IBM относительно развития запоминающих устройств различных типов (см. рис.1) отводит на ближайшие 10-15 лет ведущее место в этой научно-технической области голографическим методам.

Рис.1.История и перспективы развития емкости запоминающих устройств (по данным IBM).

Научно-исследовательские компании всего мира в течение ряда лет уже ведут разработки в области оптической голографической памяти и многие из них рекламируют свои коммерческие разработки (см.рис.2).

Рис.2.Голографические системы хранения информации, предлагаемые разными фирмами-изготовителями.

InPhase Technologies (США), Optware (Япония), Dow Corning (США), NTT (Япония), IBM (США), Polight Technologies (Великобритания), Hitachi Maxwell (Япония) уже объявили о создании оптической памяти на голографических принципах с параметрами, существенно превышающими параметры существующих систем или конкурирующими с ними (см.рис.2).

Фирма InPhase Technologies совместно с фирмой Hitachi Maxwell в 2008 году приступила к продажам своей голографической системы Tapestry 300r, в состав которой входит однократно записываемый 130мм голографический диск емкостью 300 Гб. Хотя до сих пор до конца не решена проблема тиражирования дисков (технология штамповки с диска-оригинала миллионов идентичных копий пока не разработана), но производитель собирается в течение 3-4 лет довести емкость голографического диска до 1,6Тб (см.табл.2) и анонсирует перезаписываемые голографические диски.

Таблица 2. Прогноз увеличения емкости и скорости считывания голографического диска фирмы InPhase Technologies.

Год

Название системы хранения

Емкость диска для записи и чтения

Скорость считывания, Мбит/с

2008

Tapestry 300r

300Гб

240

2009-2010

Tapestry 800r

800Гб

640

2011-2012

Tapestry 1600r

1,6Тб

960

Большинство из предлагаемых решений голографической памяти пока могут быть использованы только для хранения архивных данных и не позволяют производить изменения записанной однажды информации. Тем не менее, такое ограничение не снижает перспективы использования голограмм для хранения обширных массивов данных, и именно использование принципов голографии будет способствовать значительному прорыву в области информационных технологий. Особенно это актуально в современных условиях, когда поиск нужной информации в большом объеме данных занимает много времени.

Идея создания голографической памяти была выдвинута еще в 1966-67гг. и тогда же частично реализована в виде лабораторных систем и устройств с использованием плоских носителей. Принципиальная схема устройства голографической памяти ЭВМ, опубликованная в журнале BSTJ в 1967г., где используется плоский носитель, приведена на рис.3а; принципиальная схема записи и считывания отдельной голограммы в современных системах архивной голографической памяти на основе объемных наложенных голограмм приведена на рис.3б.

Рис.3.а – принципиальная схема устройства голографической памяти (1967 г. – плоский носитель-2D). б – запись и считывание голограммы в системах архивной памяти (2006 г. – объемный носитель - 3D).

Перспективность использования голографического метода для хранения и считывания информации обусловлена следующими специфическими особенностями, связанными с реализацией данного метода:

Возможность записи и хранения документов в аналоговом формате без предварительного кодирования.

Возможность параллельной записи и считывания больших объемов информации (не отдельных битов, а целых страниц).

Увеличение надежности и сохранности записанной информации за счет распределенной, а не локальной формы записи. Избыточность информации при голографической записи обеспечивает повышенную стойкость к локальным повреждениям носителя.

Снижение требований к электромеханическим системам управления и к их быстродействию за счет того, что ширина спиральных дорожек на голографических дисках в 10-100 раз больше, чем в существующих оптических дисках (запись происходит не побитово, а постранично).

Увеличение информационной емкости за счет использования постраничной, а не побитовой записи информации и за счет использования наложенной записи, то есть записи на отдельном локальном участке диска нескольких голограмм, каждая из которых может содержать значительный объем информации, например, страницу текста.

Оптическая схема установки для измерения дифракционной эффективности и контура угловой селективности пропускающей голограммы-решетки.

Определить дифракционную эффективность (ДЭ) каждой из наложенных голограмм

Использование преобразования Фурье в системах оптической обработки информации Цель работы: Изучение возможностей преобразования Фурье применительно к оптическим системам.

Для равновесного излучения, которому можно приписать температуру излучающих тел, можно рассчитать и термодинамические характеристики, например, внутреннюю энергию, давление, энтропию и т.д. Равновесное тепловое излучение однородно, т.е. его плотность энергии одинакова во всех точках внутри полости, где оно заключено. Такое излучение изотропно и неполяризовано - оно содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и .
Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика