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)
| Dysk firmy Optware | Blu-Ray | DVD | |
|---|---|---|---|
| średnica płyty | 12 | 12 | 12 |
| Pojemnosc jednowarstwowej plyty | 1 TB | 27 GB | 4,7 GB |
| Szybkosc transmisji danych (predkosc 1x) | 1 GB/s | 4,5 MB/s | 1350 KB/s |
| Typ lasera | niebieski (405 nm) i czerwony (650 nm) | niebieski (405nm) | czerwony (650 nm) |
| Czas odtwarzania materialu wideo MPEG- 2 (DVD) dla plyty jednowarstwowej | ok. 3000 godzin | 13 godzin | 133 minuty |
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. Materiał ten
pozwala na jednokrotny zapis hologramów i ich wielokrotny odczyt, a
jego trwałość szacowana jest na co najmniej 50 lat.
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.