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 targach International 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)

Trochę historii

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 urządzenie trudno 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.

Podstawy holografii

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!

Od fizyki do informatyki

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

Nie tylko InPhase

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.